NM7000B仪表着陆系统实训平台设备改造方案

刘志刚+郭艳颖

摘 要： 给出了一种仪表着陆系统（ILS）实训平台的设备改造方案，应用实际设备改造，对调制后的射频信号衰减后进行功率和相位的分配，然后溃入天线监控混合网络，合理构造出从每个发射天线耦合回来的监控信号。在没有向空间发送射频信号的情况下，在实验室中搭建完整的实训平台。该实训平台的发射系统、发射信号及其流程、监控信号及监控过程与真实设备完全一样，为业务培训提供了真实的环境。以NM7000B型仪表着陆系统航向信标设备为例进行改造，该方案在实验室真实设备上进行验证，结果证明了方案的可行性。

关键词： 仪表着陆系统； 实训平台； 航向信标； NM7000B型仪表

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）20?0088?04

Reforming scheme for training platform equipment of NM7000B ILS

LIU Zhigang， GUO Yanying

（Guangzhou Civil Aviation College， Guangzhou 510403， China）

Abstract： The reforming scheme for training platform equipment of instrument landing system （ILS） is proposed. The power and phase of the modulated RF signal after attenuation are distributed by application of the actual equipment reforming， and the signal is fed into the antenna to monitor the mixed network. The monitoring signal coupled back from each transmitting antenna was constructed reasonably. The integrated training platform was built in the laboratory under the condition that the RF signal isnt transmitted to the space. The transmitting system， transmitting signal and its process， monitoring signal and monitoring process of this training platform are exactly the same with the true equipment， which provides the true environment for operation training. The localizer equipment of NM7000B ILS as an instance was reformed. The scheme was verified on the true equipment in the laboratory. The experimental results prove that this scheme is feasible.

Keywords： ILS； training platform； localizer； NM7000B equipment

0 引 言

仪表着陆系统又称“盲降”，作为国际民航组织的标准精密进场和着陆设备，是引导飞机安全进近和着陆的国际标准系统。通常由航向信标、下滑信标和指点信标组成，如图1所示，其中航向信标提供对准跑道的水平引导，下滑信标提供降落的垂直引导，指点信标提供进近路线的距离校准点，分为内指点、中指点和外指点[1]。NM7000B系列设备是由原挪威诺马克公司生产制造，目前被英国Indra公司收购。该设备采用现代电子应用技术和微处理器技术，辅助大规模DSP数/模信号转换电路、模拟器件、数字硬件和软件技术，为系统的可靠性、稳定性奠定了基础，为用户提供维护简单、操作易懂的人机交互界面。在国内机场配置了100多套，是国内ILS系列主流设备之一，其稳定的性能和优良的品质得到了机场的肯定和认可。

图1 仪表着陆系统各设备组成及分布图

NM7000B设备的航向信标通过天线系统向空间发送CSB（包括载波、90 Hz与150 Hz的和信号）和SBO信号（仅包含90 Hz与150 Hz的差信号），场型如图2所示。在空间叠加出跑道左侧90 Hz调制度大于150 Hz、右侧90 Hz调制度小于150 Hz、跑道延长线上两者调制度相等的空间场型[2?3]，机载接收机在空中接收到航向射频信号后，经过处理，输出一个飞机相对于航向道的位置偏离指针信息，在驾驶舱水平姿态指示器HIS上显示当前航向道的位置信息。若飞机在航向道中心线上，即对准跑道，位置偏离指示为零（重合）；若飞机在航向道的左边或右边，航向指针就向右或向左指示，给飞行员提供一个“飞右”或“飞左”的指令，从而引导飞机安全着陆。

图2 仪表着陆系统CSB与SBO天线场型图

1 设备组成与模块单元

NM7000B设备是一种典型的仪表着陆系统，包含航向信标、下滑信标和指点信标，本文以航向信标为例进行改造分析。NM7000B航向信标的设备框图如图3所示，按照模块功能划分由5部分组成：发射单元、监控单元、控制单元、电源部分、天线阵单元。

图3 NM7000B设备框图

发射单元是设备主机的发射机部分，由低频信号产生板、射频振荡板和调制功放板组成。其中低频信号产生板产生90 Hz和150 Hz合成后的低频模拟信号，包括航道CSB（COU?CSB）、航道SBO（COU?SBO）、余隙CSB（CLR?CSB）、余隙SBO（CLR?SBO）和识别信号[4]。射频振荡板产生航道、余隙射频载波信号；以上音频信号与射频载波信号在调制功放板中进行混合调制和放大，输出双频航向设备所需要的COU?CSB，COU?SBO，CLR?CSB，CLR?SBO射频载波信号[5]。

监控单元保障系统能够正常工作，当系统正常工作时设备不产生告警，如果系统发射信号异常，设备产生告警信号。在航向天线阵单元中，每一根天线阵中内置的监控取样探头，耦合输出射频信号，送至监控混合网络单元，将其混合成模拟的射频监控信号，通过监控单元对航向信标辐射的各项参数进行连续监视。监控板将监控混合网络合成的3路射频信号航道（CL）、宽度（DS）、余隙（CLR）和1路近场（NF）信号，处理后提供数字式的射频电平、调制度和、识别信号调制度、射频电平等参数，并且根据相应的告警门限数值判别是否需要告警，最后输出到控制单元检测、仲裁电路，从而实现开机、换机或关机操作[6]。

控制单元主要对设备的运行状态进行控制，控制板通过接收后置监控板输出的正常/告警信号来控制发射机自动进行主/备机切换和关机控制。如果控制板接收到遥控板的操作指令，也可以控制设备进行主/备机切换和关机控制。电源器包括交流电源和直流电源，其中交流电源接入220 V交流输入，经过整流、滤波、稳压、保护控制等电路，输出直流电压，一部分给ILS设备提供总电源供电，另外一部分给设备蓄电池提供充电电压。直流电源接入直流输入，经过稳压、直流转换模块电路，供给ILS设备各板件。

天线阵单元接入来自发射单元输出COU?CSB，COU?SBO，CLR?CSB，CLR?SBO射频载波信号，经过射频电缆传输，送至天线阵单元的天线分配网络，根据不同天线阵单元类型，按照规定的幅度和相位分配后，送至天线阵各天线辐射射频信号，形成ILS设备所需要的CSB，SBO场型图。天线阵发射信号后，其内置的监控取样天线对每一根天线辐射信号取样，分别送至监控混合网络单元，按照信号成分进行射频信号混合，输出CL，DS，CLR信号，又经过射频馈线，送入设备机房主机监控单元。近场（NF）监控天线取样外场信号后，也经过120 m射频电缆传输，送至设备机房主机监控单元[7?8]。

2 培训平台设备改造方案

为了保障民航的安全生产，实际应用的导航设备不能进行验证性的功能切换操作、错误告警、故障排除等演示，需要建设专门的模拟导航设备现场的实训平台，并且尽可能与设备的现场保持一致，满足民航通信在职人员培训与相关专业学生的实训操作需求。在实际改造中除了能够让设备的发射单元、控制单元与电源器部分能够正常工作，产生发射信号和控制操作设备，更重要的是还需要能够让设备的监控系统正常工作，当设备故障时能够产生告警信息，否则设备的运行过程不完整，很多场景不能操作和验证[9]。但在实验室中有一个重要的限制，就是不能通过天线发射无线电信号，否则会对实际的民航无线电导航信号产生干扰，产生严重后果。从上述设备的组成及模块单元的功能可以看出，发射单元的信号通过天线转换为电磁波，而监控单元的信号是通过对天线信号的采样得到。因为不能通过天线发射信号，发射单元产生的射频信号通过天线分配网络后不能直接接入天线阵，但此时监控混合网络需要通过天线阵采样的信号作为输入对系统运行状态进行监控，如果没有该采样信号系统的监控单元就不能正常运行，设备的运行状态就不能正确显示[10]。另外由于没有辐射无线电信号，近场监控天线不能真正接收到无线电信号，近场监控的状态不能正常显示。

为了不发射无线电信号，需要替换航向信标的发射天线，第1种方案是在每个天线接入位置接入一个假负载进行阻抗和负载功率的匹配，但接入假负载后无法进行信号采样，造成不能获取监控信号，所以该方案不可行。第2种方案是把经过天线分配网络后的射频信号作为该射频信号原接入天线的采样信号，即直接把接入天线的线缆与该天线的采样信号线缆连接，可以把射频信号接入监控单元。但如果只简单这样接入，因为原来需要接入天线的射频信号没有经过天线负载与采样全部接入监控单元，造成接入监控单元的射频信号电平太大，监控单元同样不能正常工作。

为了减小接入监控单元的信号电平，可以在原来接入天线的每个线缆在接入监控线缆前加入耦合器，耦合器的输出端口的信号接入假负载进行阻抗和负载功率的匹配，而耦合器的耦合端口的信号可以用来作为天线的采样信号输入监控混合网络，并转换为监控信号指示设备的工作状态，如图4所示。

如果采用第2种方案，在实际的设备改造中，由于每个天线阵有20个天线单元，对每个天线接入的耦合器的耦合度和插入损耗的一致性要求较高，否则会造成采样信号的幅度和相位偏差，接入监控混合网络后造成监控信号的误差从而引起虚警和漏警，增加了设备的不稳定性和改造难度。通过分析天线阵单元的工作原理可以看到，发射单元产生的COU?CSB，COU?SBO，CLR?CSB，CLR?SBO信号经过天线分配网络后，对应每个天线的幅度分配比例（以20单元的天线阵为例），如表1所示。

图4 通过天线耦合器接入时天线部分改造方案

可以看出天线分配网络只是对信号的幅度进行了分配，并没有对信号波形做任何变化，所以可以选择在天线分配网络之前接入衰减器，把经过天线分配网络之前的射频信号衰减到适合监控混合网络输入的电平，其中航道CSB和余隙CSB因为包含载波信号且电平较高，需要接入6 dB的衰减器，而航道SBO和余隙SBO本身电平较小，接入3 dB的衰减器，如图5所示，就可以直接接入监控混合网络对信号进行监控，从而有效显示设备的监控状态。

图5 通过衰减器直接接入监控混合网络改造方案

另外，因为没有真实的无线电信号辐射，所以不能使用近场监控天线，为了让近场监控指示正常，通过分析和测量得到近场监控信号与航道监控信号数值一致，见表2。采用从航道监控信号线缆并接近场监控线缆，因为这两个信号的形式相同，设备航道信号异常时近场监控也会告警，使近场监控单元模拟真实设备正常工作。当然，这样的改造不可能构造近场监控天线故障和实际天线因为物理偏置导致的一些告警故障场景，但保证了设备运行整体的完整性。经过实际验证，通过上述对天线系统的改造，设备的其他部分及软件设置完全不需要修改，实训平台能够正常工作，搭建了一个不发射无线电干扰信号的与实际设备运行环境一致的实训平台，如图6所示。

表2 航向信标设备监控主要参数正常值

图6 NM7000B设备实训平台改造框图

3 结 语

本文分析了NM7000B设备航向信标的组成及各单元的功能及信号流程，在保证不发射无线电干扰信号的基础上，通过对设备天线系统的改造，使用衰减器模拟天线的负载，并且使用反馈的监控信号让设备的监控单元正常工作。通过航道监控信号并接的方式模拟出近场监控信号，让设备的近场监控正常显示，在设备的其他硬件设备与软件设置都不变的情况下，使整个实训平台与实际设备运行过程相同，监控显示一致。经过实际验证，该操作平台的运行、参数设置、故障模拟和排除与实际设备相同，下滑信标的改造也可以参考上述方案进行，从而为机场民航通信人员在职培训与在校学生的学习实训搭建出一套实用的实训操作平台。

参考文献

[1] 沈笑云，孟建，焦卫东.ILS对进近着陆支持情况的三维可视化仿真[J].计算机仿真，2013，30（5）：63?67.

[2] 苗强，吴德伟，毛玉泉，等.用Simulink对仪表着陆系统航向信标建模与仿真[J].电光与控制，2008，15（11）：50?54.

[3] 刘雪峰，胡江坤，付晶，等.仪表着陆系统设备混合监控网络构建[J].西安航空学院学报，2014，32（5）：48?51.

[4] 金辽.Normarc M改型下滑信标辐射场型的分析和比较[J].中国民航学院学报，2000，18（3）：30?34.

[5] Indra Company. NM7013 instrument landing system instruction manual [R]. Oslo Norway： Indra Company 2013.

[6] 简建红.仪表着陆系统监控网络的原理及调整[J].科技资讯， 2014（30）：60?61.

[7] 张贵兴.NORMARC ILS天线系统的安装调整[J].中国无线电管理，2001（7）：18?19.

[8] 曲晓峰.关于NM7000系列盲降设备遥控故障的讨论[J].数字技术与应用，2011（7）：182?183.

[9] 李昕，路辉.无线电罗盘自动测试系统的硬件平台设计[J].计算机工程，2007，33（3）：240?242.

[10] 陈康.仪表着陆系统航向信标的分析与研究[J].信息通信， 2011（6）：9?11.