仪表着陆系统监控网络的原理及调整

简建红

摘 要：该文从仪表着陆系统的重要性出发，简单介绍了仪表着陆系统的工作原理。利用空间信号矢量合成及镜像天线原理，对航向、下滑信标台的监控网络进行了分析，阐述了航向、下滑监控网络信号合成的幅度及相位关系，揭示了航向、下滑信标监控网络的理论要求。其后，介绍了Normarc公司7000B系列设备监控网络的实现方法，以及在这种实现方式下监控网络的调试方法及步骤。该文对仪表着陆系统监控系统的调试、维护及维修提供有价值的理论依据，同时为后续对航向、下滑信标的进一步研究提供参考。

关键词：仪表着陆系统 监控 网络 空间信号合成 调整

中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0060-02

仪表着陆系统（Instrument Landing System），俗称盲降。这是在精密进近程序的最后阶段，为飞机提供航向道和下滑道信号，引导飞机沿预定的轨迹下降着陆。仪表着陆系统信号准确性及完好性直接影响到航空安全，也关系到机场运行的天气标准及航班的正常率。在民航的设备运行维护规程中要求导航设备运行的完好率要达到90%，而正常率要达到99.98%。由此，需要一套完整的系统对设备发出的信号进行监控。

1 仪表着陆系统简介

ILS的地面设备包括航向信标台（LOC）、下滑信标台（GP）及测距仪（DME）。航向信标台设置在飞机着陆方向的对端，其天线阵通常设置在跑道中线延长线上，它由一组垂直于跑道中心线的天线组成，向前辐射出航向信号，为进场着陆的飞机提供相对于跑道中心线的水平方位引导信息。下滑信标台则设置在跑道入口端，位于跑道的一侧，其天线阵由一组挂在下滑铁塔上的垂直于地面的天线组成，向前辐射出下滑信号，为进场着陆的飞机提供垂直方位引导信息。

为了能给飞机提供水平方向及垂直方向的引导信号，在《国际民航公约》的附件10中对航向及下滑的信号的场型、分布及强度等进行了详细的规定。如在附件10中第三章第一节“仪表着陆系统（ILS）规范”中，“3.1.3甚高频航向信标及其监视器”对航向的射频、覆盖、航道结构、载波调制、航道对准的准确度、位移灵敏度及监控提出了要求，而在3.1.4中则对下滑相应的内容提出了具体的要求。

如何形成符合要求的空间场型呢，航向的实现方法就在跑道延长线上在与跑道垂直的方向上安装一排的航向天线阵，而下滑则是根据场地地形设置在跑道的一侧，在铁塔上垂直安装2～3个下滑天线来实现。分配网络将航向机房送来的射频信号CSB和SBO（双频系统还有CLR CSB及CLR SBO）进行幅度与相位的分配，以特定的幅度和相位关系馈给每个天线单元，将信号辐射到出去后在空间合成，形成航道及下滑道扇区。

当天线将信号发射出去后在空间合成，给飞机提供引导信号。但怎样才能保证信号的符合附件10要求的呢。当然，每180天的飞行校验，让校验飞机在空中接收航向信号，通过分析来检查信号是否合格是最好的方法。但在平时，我们怎么检查信号是否正常呢，这就要依靠监控系统了。通过监控网络，对发射出去的信号进行取样分析，来保证信号的正常。下面就以国内使用最普遍的Normarc设备为例对监控网络进行讨论分析。

2 航向监控网络分析

为了监控航向发射的信号，我们可以在外场接收信号，对信号进行取样分析。比如为了检查航道的位置，在天线前端约100 m处的跑道中心延长线上安装一个近场监控天线。对这个天线所收到的信号进行分析，得到它的信号强度、调制度和及调制度差。由此来监控航道信号的正确与否。

但是，其它位置的信号是否正确呢？比如宽度信号点，余隙信号点等等。当然，我们也可以在这些位置放置接收天线来分析信号的正确与否。但在实际工作中，这种实现方法比较复杂，同时，不是所有的机场都有合适的位置来放置这些天线。进一步想，如果环境没有什么变化，那么，空间信号就是由发射天线所发出的信号所决定。因此，重要的是发射天线发出去的信号一定要正确，不能有偏差。通过校飞，我们知道了空间的信号符合附件10的要求，但随着时间的变化，由于环境温度的变化，元器件的老化，甚至设备故障，都会导致空间信号发生变化。因为这些变化都是由发射信号的变化所引起的，因此我们监测发射信号的变化就可以体现空间信号的变化了。

那么应该如何监测发射信号呢。变化是必然有的，但变化多少是在容许的范围内呢，变化多少又必须关闭设备，以免误导飞机呢。在附件10的“3.1.3.11监控”部分对此有要求：“a）对于Ⅰ类设备性能的航向信标，在ILS基准数据点处，平均航道线从跑道中心线的位移大于10.5 m（35英尺），或线性等于0.015DDM（以小者为准）；......d）使用单频系统提供基本功能的航向信标，输出功率降低到额定值的50%；......f）位移灵敏度的变化超过航向信标设备频率定值的17%”。因此，我们对发射信号进行取样，对几个关键的参数进行模拟，就可以监控外场信号是否正确了。对此，航向监控网络对每个天线的发射信号进行取样，模拟了跑道中心的航道信号、航道宽度点处的信号及余隙信号。

当我们模拟远场的信号时，我们认为测量点P足够远，这样各个天线到达测量点的信号是平行的，只是因为位置的不同，到达测量点有路程差。这个路程差与角度θ（P点与天线阵中心点的连线与跑道中心线的夹角）有关，与天线阵的各天线到1号天线的距离有关，当选定天线类型时，各天线之间的距离是确定的，而当P点确定后，角度θ也是确定的。当P点在跑道中心线上时，θ=0，各天线的取样信号同相合成，这样得到航道的模拟信号。当P点在宽度点时，将各个天线的采样信号移相合成。根据天线阵的类型及航道宽度不同，各天线采样信号的移相多少也不同，这些信号移相的多少在出厂时已经定做好了的，在现场只做微调就可以了。同样，当P点处于余隙位置时，同将采样信号移相合成即可。图1显示了20单元航向天线的监控网络信号合成示意图：信号分配器将天线采样信号分成三路，分别合成航道、宽度及余隙信号。其中图中只画出了航道CL这一路信号的合成图。endprint

3 航向监控网络的调整

航向监控网络的调整就比较简单，首先，要保证取样信号的正确及一致性，这样，就要测量从天线取样回来的信号是否能正确反映天线所发射的信号。我们通过网络分析仪测量每个监控天线对发射信号的采样是否一致，相对于1号天线，采样信号相对发射信号的幅度与相位要求在一定的范围内，如Normarc要求在±0.2 dB及±3 °的范围内。如果是幅度达不到要求，则要检查天线、发射电缆及监控电缆是否有故障。如果是相位达不到要求，则要修剪监控电缆长度，使之达到要求。

在保证取样信号正确后，就需要对监控网络进行调整。由于不同机场的跑道长度不一样，这样航道的宽度就不一样。而航道宽度不一样，则合成宽度信号时信号的相移就不一样。在出厂时设备厂家针对不同宽度范围配备了几条电缆来更换，以满足不同的宽度要求。接上合适的电缆后，对监控网络的调整则是改变CL及DS移相器，使得CL DDM值为0，DS DDM的值为15.5%即可。

4 下滑监控网络分析

对于下滑而言，同样有一个近场监控天线监控着下滑道的信号，看下滑道是否有偏移。而对下滑道及宽度、余隙的远场信号模拟同样是通过对发射信号的采样及合成。与航向不同的是，航向信号的合成只要移相合成即可，但下滑不一样，下滑是利用地面反射来工作的，所以模拟远场下滑的信号时要考虑地面镜像天线的影响。

如图1所示，远场P点收到下滑天线的直射信号，同时收到下滑天线从地面的反射信号。信号从下滑天线辐射到地面后反射到P点，其效果就类似于在地面以下存在着另个一个天线，它发射的信号与地面上天线所发射的信号幅度相等，相位相差180度。考虑到下滑天线与其镜像天线到P的距离差远远小于天线到P点的距离，我们认为这两个天线发出的信号到达P点时幅度相等，只有相差。这样的两个信号在P点空间合成后，其合成信号的相对幅度为：

（1）

其中H0为天线的挂高，A0为天线发射信号的幅度，而角度θ则为PA的连线与反射面（地面）的夹角，λ为发射信号的波长。而合成信号的相位则相当于从两个天线之间发射信号的相位加90度，即A点信号的相位加90度。因此，下滑3个天线到达P点的相位是相等的，只有幅度不同。

在Normarc下滑设备天线挂高的计算中，下天线挂高的计算公式为：

（2）

其中θ0为下滑角。将式（2）代入式（1），则得到下天线在P点的合成信号幅度为：

（3）

在一个确定的机场，其下滑角是不变的。因此，这个幅度的大小只与检测点P的角度θ有关。

同理，中天线及上天线的挂高为下天线的2倍及3倍，因此其相对幅度为：

下滑设备监控网络监控3个方位的下滑信号，分别是：下滑道信号（θ0），下滑宽度信号（θ0-0.12θ0）及下滑余隙信号（θ0-0.7θ0）。

当θ0为3 °角时，下滑宽度及余隙的角度分别为2.64 °及0.9 °。将这3个值分别代入，则各天线信号在P点的相对幅度如表1。

查看下滑监控网络的出厂测试报告，其相对值与上述结果相一致。

5 下滑监控网络调试

下滑监控网络的调整步骤如下。

（1）关闭余隙信号，使下天线只发射CSB信号（将分配网络H4的1端接假负载），上天线只发射SBO信号，在SBO通道加90 °线，外场接收机接监控网络的CL输出端，调整移相器PH1使CL的DDM为0。

（2）去掉SBO通道的90 °线，恢复H4，调衰减器AT1使CL的DDM为0。

（3）在SBO通道加90 °线，外场接收机接监控网络的DS输出端，调移相器PH2使DS端的DDM为0。

（4）去掉90°线，调衰减器AT2使DS端的DDM为8.75%。

（5）外场接收机接监控网络的CLR输出端，调移相器PH3使CLR的DDM尽可能地大（150Hz占优）。

（6）开CLR信号，检查CLR的DDM不少于38%。

由以上的调整步骤可以看出，第1、2步的目的是调整上天线监控信号相对下天线监控信号的相位及幅度，第3、4步的目的是调整中天线监控信号相对于下天线监控信号的相位及幅度，这样，就使得上、中、下天线监控信号相对的幅度及相位达到要求。第5、6步则是调整中天线监控信号余隙支路相对的相位，使得余隙信号符合要求。

6 结语

由于仪表着陆系统的重要性，每180天就要对其发射的信号进行空中校验，以保证发射信号的正确性。而在其运行期间，对发射信号的偏差也有严格的要求，所以在飞行校验时，不仅要对正常工作时的信号进行空中校验，而且对设备的告警门限也要进行飞行校验，以保证航向及下滑信号的变化不会超出门限，能满足飞行安全的要求。同时，由于环境因素的变化、元器件的老化及性能漂移，在每次校飞后，设备参数都会有所变化，这样，在每次的校飞后就要对监控网络进行调整，以保证它能正常工作。

参考文献

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[2] 秦伟.浅析仪表着陆系统航向台辐射场型的优化[J].科技创新导报，2013（36）：66.

[3] Alf W.Bakken.Normarc 7000 ILS Installation and Commissioning Handbook[Z].Norway：Park Air Systems AS，2010.endprint