下滑信标场地测量和天线精确安装的重要性

黄钜江

摘 要：仪表着陆系统下滑信标场地的不规范和天线阵机械安装精度的不足通常会对下滑道的许多参数造成较大的影响，该文通过分析下滑信标场地和天线阵机械安装对下滑道参数的影响，阐述了下滑信标场地测量和天线机械安装及调整的方法，提出了规范的台站场地和精确的天线机械安装是设备电气调整的前提和基础的观点，为下滑信标天线阵的日常维护、调整提供帮助。

关键词：仪表着陆系统 下滑信标 场地测量 天线 机械安装

中图分类号：TN820 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0073-02

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1 下滑道的形成及其受影响的因素

仪表着陆系统（Instrument Landing System ILS）是国际民航组织（ICAO）确认的标准精密进近和着陆设备，仪表着陆系统的下滑信标设备通过下滑天线阵向空中发射无线电信号，为航空器提供进近和着陆所需的下滑道信号。下滑信标天线阵利用地面对无线电波反射的原理，使航空器接收到实际天线和以地面为镜面的镜像天线共同辐射的合成波形，通过调整实际天线的挂高，即改变实际天线和镜像天线的间隔，产生相应仰角的下滑道。

由于下滑信标工作在UHF频段，工作波长在1米左右，反射面的不平整、障碍物、天线安装的三维位置误差等都是影响辐射信号的基本因素，这些因素都需要在设备电气调整前作好了解。随着下滑信标在全国机场的普及，特别是在某些地质、地形条件不佳的机场，场地问题越发引起设备管理人员的关注。

2 下滑信标场地的要求及对下滑信标相关参数的影响

下滑信标安装场地对于辐射信号主要考虑两个因素：（1）镜像反射面是否平整：由于反射面不平整就不能形成清晰的镜像，实体天线和镜像天线就不能合成预期的场型；（2）障碍物产生的二次反射：若下滑天线前方存在地面障碍物，就可能会产生二次发射，若二次反射有足够能量到达下滑道，就会使下滑道波形产生畸变。

民用航空通信导航监视台（站）设置场地规范（MH/T4003.1-2014）将下滑天线前的场地划分成临界区、敏感区，规定了相应区域内的场地要求[1]。其中A区为临界区，该区域内地面不规则或存在障碍物都会对下滑信标的信号造成不可接受的干扰。敏感区是临界区的延伸，是指在该区域内障碍物可能会影响下滑信标的信号造成干扰。场地对辐射场型的影响的大小也取决于不同天线的方向性图等特性，所以不同厂家或天线阵的形式，决定着临界区、敏感区的大小少稍有不同。

由于A区是下滑天线阵及其镜像天线形成下滑道信号的主要区域即波束形成区（BFA），这个区域包含第一菲涅耳区，其场地的平整度对下滑信号的形成起决定性作用，可以认为BAF区域是下滑信标天线系统的一部分，而且它的前向坡度（FSL）和侧向坡度（SSL）会影响下滑道的各参数。

下滑台址和下滑角的确定在《国际民航航空公约》附件10、14等有明确的要求，该文只关注BAF区域的前向坡度（FSL）、下滑天线阵的后撤距离D和下滑角θ等参数的关系，有以下公式[2]：

（1）

其中，Y是跑道入口点相对于下滑天线反射面在跑道入口处竖直投影点的高度差，如果跑道入口点高于该投影点，则Y为正值，实际上，Y是与SSL相关的。

可见，下滑角，天线在跑道端口后撤的距离，跑道入口高度等参数是相互联系的，在工艺设计时，基于机场运用方式、地形条件等因素，需使上述参数均符合相应的标准要求。在符合规范的地形条件下，我们按工艺设计的要求施工，设备经正常的电气调整，就能满足工作的需要。

另外，前向坡度（FSL）和侧向坡度（SSL）还决定了天线机械安装的前向偏置量和横向偏置量。也就是说，BAF区的地形参数对天线机械安装的设置和下滑角、入口高度等参数起决定作用，所以我们建议将BAF区域的地形测绘数据作为天线调试资料的一部分归档保存，便于日后的维护工作，并对BAF区域的地形变化如地面沉降、植被、树木等进行定期检查。

3 下滑台场地测量和天线机械安装及调整的方法

3.1 下滑台址及天线阵基础的测量定位

下滑台机房土建施工前及天线阵基础工艺安装时需对机房和天线阵基础进行测量定位，一般可根据机场场道施工已有的基准点作为基准，使用全站仪进行测量，确定机房和天线阵基础的准确位置，并需根据工艺施工图对下滑台周边的地形（标高、坡度、密实度）进行复核，如有差异需与建设单位、设计单位联系。因为若下滑天线阵的后撤距离、坡度等出错，可能使跑道入口高度等参数超出标准，使该下滑台不能通过飞行校验，造成不可挽回的损失。

BAF区域的地形测量可参照NORMARK

安装手册[3]，以跑道入口点为三维坐标原点，通过测量多点的标高，分别代入式（2），可求出三个系数，，的平均值，它们分别代表跑道入口处的平均表面标高，前向坡度FSL的正切值和横向坡度SSL的正切值。

（2）

其中，求前向坡度时，取样点在下滑天线阵前方300-350米分别与仪表着陆系统B点和A点连线的外侧20米围成的区域内均匀选取；求横向坡度时，取样点在下滑天线阵前方300-350米分别与仪表着陆系统B点和跑道入口点连线的外侧20米围成的区域内均匀选取。

3.2 天线挂高及调整

根据下滑天线阵的原理可知，天线挂高是决定下滑角的主要因素，同时还会影响下滑道宽度，一般天线阵前都有前向坡度，计算天线挂高时要根据设计图纸要求的标称下滑角θ和上文所述测算出的FSL，按以下公式计算：

（3）

其中，λ为下滑台工作波长。

除了准确的天线挂高，天线阵各天线间还需要有准确的高度比。对于零基准天线阵上天线挂高是下天线的2倍，即天线的高度比为2：1，由于高度比发生变化会引起下滑角、下滑道宽度和对称性等变化，NORMARC 3545 M型天线技术说明书要求上下天线的间距误差容限为，所以，飞行校验时，如要通过天线挂高调整下滑角时，需同时调整每个天线的挂高并保持高度比不变。

3.3 下滑天线阵前向偏置及调整

下滑天线阵各天线馈电及下滑角的设计是基于每个下滑天线及其镜像天线同在反射地面的垂直面上，不然每个下滑天线之间将产生相位误差。下滑天线铁塔基于稳定性考虑是垂直水平面安装的，当反射地面与水平面存在坡度时，在天线安装时需把天线阵的每个天线调整到同一平面上，此平面垂直于反射面，如图1。具体前置量可按公式（4）计算：

（4）

若以上天线为基准，天线阵前方为上坡时，则中天线前置量为，下天线前置量为。

我们使用MATLAB软件对M型天线的前向偏置进行模拟，可知它对远场DDM- 曲线的影响是非常明显的，随着前置量由默认的前置量到增加60MM，下滑角由3°减低到2.78°，而且低角度的DDM线性严重变差，另减小前置量时，情况和增加时相似。所以在安装时要重视天线前置的准确调整，需通过下滑天线阵场地的前向坡度的测量计算得出前置量，NORMARC 3545 M型天线技术说明书要求前向偏置的安装误差需控制在范围内[5]，安装调整后可使用经纬仪在下滑天线铁塔一侧来检查。在实际飞行校验时，如实测的下滑角数据与预设值有较大的出入或下滑道对称性较差，需检查前向偏置量是否有存在差错才进行下一步的调整。

3.4 下滑天线阵横向偏置及调整

由于下滑天线阵一般安装在跑道中心线一旁120米处，对于近场每个天线到达航空器时将产生相位差，通过天线横向偏置来补偿此相位误差。通过天线横向偏置，跑道中心线及其延长线上的点到三个天线的距离一样，如图2。图上标出了上、下天线相对中天线的横向偏置量，是与下滑天线安装场地的侧向坡度有关系的，横向偏置量的误差容限为。

4 不规范场地的天线机械调整

在实际机场建设中，一些地质、地形条件复杂的机场，地形条件很难满足原工艺设计的要求，而且对地形条件的改造需大量的资金，在这种情况下只能对天线和设备的某些电气参数的调整进行折中、优化，使飞行校验的各参数在标准容限内。该文仅阐述通过对天线机械安装的调整来改善下滑道某些参数的常用方法，其基本思路是在对远场下滑道影响不大的基础上，改善近场下滑道特性或避开下滑天线前方特定障碍物。对天线默认设置的改变需作好记录归档，便于日常维护和跟踪。

4.1 调整天线横向偏置改变跑道入口高度

在不规范的场地情况下，在满足下滑角情况下，入口高度超出标准时，对于M型天线阵（图2所示），可增大或减小横向偏置量，改变近场时天线间的辐射相位从而使入口高度降低。

4.3 通过扭转天线改变跑道入口高度

正常的天线机械安装要求每个天线正面朝向前方，使每个天线在每一方向的辐射参数一致。但是我们可以利用天线方向性图在远场方向变化平缓、近场方向迅速变小的特性，通过扭转天线偏向或偏离跑道，改变近场时上下天线的辐射功率比来调整近场仰角从而改变入口高度。

4.3 通过扭转天线避开下滑天线前方特定障碍物

利用天线方向性图的特性，通过扭转天线偏离特定障碍物，使特定障碍物的反射功率变小，从而改善下滑道特性。

5 结语

下滑天线安装场地及天线机械安装都是影响辐射信号的重要因素，是设备电气调整的前提和基础，只有场地满足规范要求，天线机械安装达到规定精度才能为后续设备电气调整的顺利完成创造条件。在不规范的场地条件难以改变时，才通过天线的机械安装的调整和电气调整来改善下滑道的某些参数。

参考文献

[1] 中国民用航空局.民用航空通信导航监视台（站）设置场地规范（MH/T4003.1-2014）[S].北京：中国民航出版社，2014.

[2] 国际民航组织.国际民用航空公约附件10-航空电信[S].1985.

[3] 李紫丹.基于回波模型多径效应对航向信标系统的影响研究[J].信息通信， 2015（3）：18.