仪表着陆系统下滑道受遮蔽影响的快速计算

闫 朴

(大连国际机场股份有限公司,辽宁 大连 116033)

0 引 言

随着经济的高速发展和城市规模的快速扩张,越来越多的机场逐渐被建筑物和工业设施所包围,航空无线电导航台站的电磁环境也愈发复杂,同时,作为飞机进近阶段最为依赖的导航设备,仪表着陆系统对电磁环境的变化非常敏感。为评估这种变化带来的影响,最有效的方法是进行飞行校验,但该方法成本高、过程复杂、验证周期长,难以及时、逐一验证机场运行中出现的各种突发事件。

随着计算机技术的不断发展,计算电磁学成为一种较为经济、便捷的电磁环境评估手段。针对仪表着陆系统受电磁环境影响的问题,国内外学者采用了多种计算电磁学方法开展研究,在电磁环境建模、地形因素分析和积雪影响分析等方面取得了良好效果[1-3]。然而在实际运行中,由于仪表着陆系统下滑信号由直达波和地面反射波合成这一特殊性,导致其反射信道极易受到遮蔽物的影响,因此,有必要针对机场运行中典型的违规事件——场地保护区入侵和违规修建建筑物等问题,进行遮蔽影响分析。

对于航空器、建筑物等电大尺寸目标,通常采用几何光学法、几何绕射理论、物理光学法、多极子算法等进行仿真和并行计算[4-6]。这些方法精度较高,但考虑到十几公里以上的计算范围,需要的计算资源非常庞大。为此,采用了镜像理论和下滑信号空间合成原理结合的手段进行计算,实现遮蔽影响的快速评估。

1 下滑信号空间合成原理

对于机载接收机,调制度差(DDM)是仪表着陆系统(ILS)信号最重要的参数之一[7],航空器通过DDM值的大小判断偏离航道或下滑道的角度。DDM值由CSB和SBO信号决定：

(1)

式中:φ为SBO和CSB信号的相位差; SBO为双边带抑制载波信号。

ESBO(t)=ESBO(-msinω90t+

msinω150t)sinωct,

(2)

CSB为载波加边带信号

ECSB(t)=ECSB(1+msinω90t+

msinω150t)sinωct,

(3)

式(2)和式(3)中的ESBO和ECSB分别为SBO和CSB信号的幅度。载波频率ωc=2πfc,m为调制度。

仪表着陆系统下滑天线阵由两个或三个对数周期天线阵子组成。根据仪表着陆系统场地保护规范[8],下滑天线前方场地要求平坦,所以对于频率范围为328.6～335.4 MHz的下滑信号,地面可简化为平面。因此,对于空中任意一点R,接收到的信号由每个天线阵子的直达波和地面反射波组成,如图1所示。

图1 下滑天线的反射波和直达波

天线和它的镜像可以视为二元天线阵。到达接收机R时,直达波和反射波路程差为2Hsinθ,相位差为

(4)

则R点合成场的电场强度为

(5)

对于不同的下滑天线型号,各天线阵子的激励也不同。以三阵子的M型天线系统为例[8],CSB和SBO的表达式如式(6)、(7)所示

(6)

(7)

式中:ASBO=0.117·ACSB,H为下天线阵子挂高,CSB与SBO相位差φ为0.令

那么式(6)和式(7)可简写为

ECSB(θ)=2ACSB(V1-0.5V2),

(8)

ESBO(θ)=2ASBO(0.5V1-V2+0.5V3).

(9)

根据式(1),

DDM=(V1-0.5V2)/0.117

(0.5V1-V2+0.5V3).

(10)

2 合成信号误差分析

根据式(10)和V1、V2、V3的定义,DDM值取决于天线挂高H、CSB与SBO间的射频相位φ、各天线馈电大小ACSB和ASBO.在设备未发生故障的前提下,H、φ、ACSB和ASBO不变。

由于反射面是地表,不可避免的存在散射现象,因此反射波存在一定的相位误差φ.对式(1)求φ=0处的微分得

(11)

因此,非直达波地面散射引入的少量相位误差对于评估DDM可以忽略。

若接收机与天线之间存在遮蔽物,则式(10)应当修正为

DDM′= ((da+dd)·V1-0.5·(db+de)·

V2)/(0.117(0.5(da+dd)·V1-

(db+de)·V2+0.5(dc+df)·V3)),

(12)

式中,da、db、dc、dd、de、df分别为上、中、下天线以及镜像的上、中、下天线辐射的信号传播至接收机时的遮蔽因子,该数值为1代表不受遮蔽,为0代表完全被遮蔽。只要计算出空中任一点P的da至df的值,即可得该点受遮蔽物影响后的DDM值。

对于两个天线阵子组成的天线阵,DDM误差的计算方法与三天线类似。

3 镜像理论

根据上文分析,地面可视为平面,则天线、遮蔽物、接收机的关系如图2所示。

图2 天线和遮蔽物的镜像

其中,H为天线挂高,天线与接收机间存在一个等效高度为Hz、距天线为s的遮蔽物,则遮蔽物对信号的影响范围如图2中阴影所示。

空中任一点R(x,y)受遮蔽的影响可通过式(13)、(14)计算

(13)

(14)

对于上天线,由式(13)可得到da(x,y),组成矩阵DA.对于上天线的镜像天线,由式(14)可得dd(x,y),组成矩阵DD.同理可得矩阵DB、DC、DE、DF,根据式(12),得到受影响的DDM′。再根据式(10),得到正常的DDM值。两者差值为DDM偏差。

4 软件实现

按照ΔDDM计算方法,使用MATLAB语言编写了处理程序,并使用MATLAB GUI制作了软件界面。该程序能根据指定的下滑台发射机频率和下滑角自动计算M型天线挂高,并自动生成正常情况下的DDM值分布图,计算范围涵盖仪表着陆系统下滑台覆盖范围[9],即水平方向为800 m以外、18.5 km(10海里)以内,垂直方向为地平面上1.75倍下滑角,即1.75θ,按最远处计算为2 280 m.再根据指定的障碍物高度以及天线距障碍物的距离,计算DDM受影响的范围及大小,并根据标准下滑道宽度θ×(1±12%),生成下滑扇区内DDM偏差值。软件界面如图3所示。

图3 仿真软件界面

5 仿真及对比

为进行仿真测试,在仪表着陆系统保护区[10]内、下滑信标与接收机之间放置三个测试遮蔽物,如图4所示。其中Z1点为车辆,高1.8 m,距天线100 m,模拟某一车辆误入保护区;Z2点为飞机尾翼,高12.5 m,距天线300 m,模拟一架型号为737～800的正常航班在天线前方的联络道上等待;Z3点为房屋,高3 m,距天线900 m,模拟修建临时建筑物的情况。

图4 测试障碍物位置图

图5、6、7中的(a)图为软件仿真得到的DDM偏差绝对值,(b)图为仪表着陆系统生产商NORMAC公司提供的仿真结果。

分别对比图5、6、7的(a)图和(b)两图,可以看出,除了覆盖范围以外的区域,Z1点、Z2点、Z3点DDM偏移大小、趋势、产生偏移的距离与生产商提供的仿真结果基本吻合,验证了仿真思想的正确性。计算所得的DDM值可与民航法规进行比较,实现突发事件定性分析。

图5 Z1点DDM偏差(a)软件仿真；(b)NORMAC仿真

图6 Z2点DDM偏差(a)软件仿真；(b)NORMAC仿真

图7 Z3点DDM偏差(a)软件仿真；(b)NORMAC仿真

6 结束语

通过天线镜像理论和仪表着陆系统下滑信号空间合成原理,分析了遮蔽物对下滑信号的影响。仿真实验表明,针对机场运行中最常发生的场地保护区入侵问题和违规修建建筑物等情况,该方法能够实现快速评估,为机场管理机构和空中交通管理部门提供决策依据。

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