探讨仪表着陆系统建模与仿真

殷飞 靳龑

【摘要】 仪表着陆系统是通过仪表指针的方法为自动驾驶仪提供控制数据，或为飞行员提供着落时所需的下滑道和航向道。本文根据仪表着陆系统的运行原理建立数学模型，采用通信系统仿真软件进行仪表着陆系统的仿真，并对该方案的缺陷进行分析，为后期研究工作提供参考依据。

【关键词】 仪表着陆系统 导航 建模 仿真当前，仪表着陆系统存在航线复杂、飞行架次多、设备落后以及检验费高等问题[1-2]。对仪表着陆系统飞行检验的建模与仿真进行研究，可以在一定程度上改善上述问题，使实际飞行检验的效率得到提高，同时还能改善飞机飞行的安全性和易损比[3]。

一、仪表着陆系统建模

仪表着陆系统的主要建模对象有航向信标天线系统、航向信标发射机以及机载接收机，并利用SystemView软件进行仿真。

1.1航向信标台发射机建模

通过比较90Hz、150Hz音频信号的调制度表现航向信息，令

式中，M90：90Hz时的调制度；M150：150Hz的调制度。对进场的飞机而言：在航道上时，二者幅度一样，DDM=0；在航道右侧时，90Hz占优势，DDM>0；在航道左侧时，150Hz占优势，DDM<0。

航向信标台包括2台余隙发射机和2台航道发射机，其原理相同，假设航道信标台所反馈的SBO和CSB信号：

（1）

（2）

式中，M90=M150=m，Ω1=2π*90，Ω2=2π*150，w：载波角频率。

1.2航向信标天线系统建模

按照规定的规律将SBO和CSB信号分配给天线阵的每个单元，给出航道以及偏离航道的信息。

利用对数周期天线阵，结合仪表着陆系统，对八单元的航向天线阵建模。天线阵的横向间隔是3/4λ，λ代表载波波长。设Di为第i天线的天线中心距离，则天线阵反馈给Ri、Li的信号分别是：

（3）

（4）

假设F（θ）代表对数周期天线的方向性函数，则P点接收的CSB信号：

（5）

若r0>Di，则，，即：

（6）

则第i对天线的方向性函数表达式：

（7）

综合4对天线，得八单元天线阵的水平方向性函数模型：

（8）

式中，，，则：

（9）

同理可得SBO信号航向信标天线阵方向性函数：

（10）

1.3机载航向信标接收建模

设P点在跑道左侧，则：

（11）

式中，K：信号空间损耗，因为SBO信号天线阵左边天线馈和右边的相反，所以SBO信号左右两边的波瓣相位也相反，则：

左边： （12）

右边： （13）

将以上两式带入（11）式可得：

（14）

将该信号进入接收机，乘以本阵信号。假设OdB为滤波器增益，则A90和A150的信号幅度分别是：

（15）

整个仿真过程中，振幅降到一半，此时计算调制度差时，应将音频信号振幅加倍，则：

该式与（14）式相比，分析正确。

二、仪表着陆系统的仿真

SystemView软件能提供一种可视的动态系统模型，可以用于建立系统模型。通过系统仿真得出调整制度差DDM，使其与DDM对比，得出误差。利用SystemView软件建立仪表着陆系统的仿真图。

在计算DDM时，等接收机滤波器达到稳定状态后，模块70输出则为DDM。为了获取载波信号和两个音频信号的幅值，因为滤波器工作通常都是从不稳定状态转换到稳定状态，所以乘以稳定时刻的的函数模块。同时，为了计算DDM，在载波幅值输出模块滞后加上函数模块。可以得出模块5和模块6的输出，分别是SBO、CSB信号。根据模块52的信号输出，可以看出滤波器在25mm时进入稳定状态，所以该输出不计入有效数据。得出模块70的调制度差DDM和模块89DDM的输出误差。

由此可见，仿真得到的模块波形与理论相同。滤波器初始状态一般都不稳定，与实际工作状态一样。DDM误差的主要原因是滤波器输出信号无法达到原始信号幅值。这可以通过上下截止频率和设置带宽来调整，以降低信号幅值误差。

三、结束语

仪表着陆系统是引导、协助飞机着陆进场的导航系统，它的可靠性会直接影响飞机着陆时的安全性。经过航向信标、机载接收设备以及地面信标的建模，利用SystemView软件进行仿真，仿真论证了采用该软件进行仪表着陆系统的仿真是具有可行性的。这为仪表着陆系统的仿真研究做了初探，后续将以此为基础。