ILS导航天线信号特性与选址分析

李双星　于晓红

摘 要：精密仪表着陆系统能够为飞机提供垂直引导和水平引导，通过虚拟下滑道引导飞机进近降落。利用FEKO软件对ILS航向天线和下滑天线进行建模，计算得到信号辐射特性。根据航向天线的CSB和SBO信号在跑道中心线延长线方向最强特性得到航向面，与下滑面相交得到下滑道，并进行仿真。仿真结果证明了仿真ILS对飞行器的终端区进近着陆优化控制的准确性。针对华北某新建支线机场制定ILS台站选址方案，消除周边信号遮蔽和信号干扰，选址结果表明ILS台站满足后期校飞和飞行运行要求。

关键词：仪表着陆系统 辐射场型 导航台选址

中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0056-03

ILS Navigation Antenna signal Characteristics and Location Analysis

Li Shuangxing1 Yu Xiaohong2

（1.China Airport Construction Group Corportation North branch，Beijing，100621；2.Hwa Create Corporation Ltd，Beijing，100193，China）

Abstract：Precision Instrument Landing System can provide vertical guidance and lateral guidance for the aircraft， guide the aircraft approach landing through a virtual glide path .According to the radiation characteristics， ILS antenna is modeled by the electromagnetic simulation software FEKO. The course surface is structured by the characteristic that CSB and SBO signals are strongest at direction of centerline of the runway extension cords， so the glide slope is obtained by intersecting with glide surface. The simulation shows the accuracy of the approach and landing optimal control by ILS simulation. The navigation siting plan is developed for a new regional airport. Eliminate the signal shielding and signal interference， the result shows the navigation beacons satisfy the airport operation requirements.

key Words：Instrument Landing System；Radiation field；Navigation Siting

精密仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）是目前应用最广泛的进近着陆引导系统，能够为飞机提供垂直引导和水平引导，通过虚拟下滑道引导飞机进近降落。

精密仪表着陆系统主要利用航向天线、下滑天线和DME测距仪天线发射无线电信号。天线辐射特定场型信号。天线信号对场地条件、无线电磁干扰等敏感。在导航台站选址过程中，考虑消除周边环境对导航台站的干扰。

参考文献[1-2]对I类仪表着陆系统的航向台和下滑台电磁环境仿真进行了分析论述，提出了详尽的仿真方案，但未考虑航向天线和下滑天线的信号辐射特性，仿真结果没有进行三维显示。参考文献[3]仅针对下滑信标天线进行了研究。

文章首先对ILS天线辐射场型进行研究，利用三维全波电磁仿真软件FEKO[4]对航向天线和下滑天线进行信号建模，对比分析电磁辐射特性。

结合实际的导航台选址，对比台站选址方案，从无线电磁干扰、保护区要求等方面，论述拟选台址满足国家和民航规范，可以满足后期校飞和机场运行要求。

1 精密仪表着陆系统

精密仪表着陆系统又称为盲降[5]，其作用是由地面发射的两束无线电信号来实现航向道和下滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径。飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位置，使飞机沿稳定的下滑角度飞向跑道并且平稳下降，最终实现平稳安全降落。

仪表着陆系统结构如图1，包括三个台站：提供水平引导的航向信标（LOCALIZER）、提供垂直引导的下滑信标（GLIDESLOPE）和提供距离引导的指点信标（MAKER BEACON），目前新建机场指点标被DME测距仪取代。航向信标天线辐射与跑道中心线对准的航向面，下滑信标天线辐射场形成下滑面，这两個面的交线即是飞机进近着陆的虚拟下滑道。下滑道与跑道的夹角即是下滑角。

I类精密仪表着陆系统的运行标准为决断高度不低于60 m，能见度不小于800 m或跑道视程不小于550 m的精密进近和着陆[6]。

ILS性能优越，能够提供垂直引导和水平引导。即使机场周围能见度低或者偶遇风暴天气，飞行员利用机载信号接收系统仍能完成降落。ILS为降落着陆提供一个可靠的进近着陆通道，以便让飞行员掌握位置、方位、下降高度，从而安全着陆。

2 天线信号场型可视化仿真

针对航向天线和下滑天线工作特性，考虑天线单元的位置、高度、相位、馈电情况等，采用FEKO电磁仿真软件对航向天线和下滑天线进行辐射信号场型三维可视化仿真。本文以NORMARC公司生产的NM7212A航向天线和NM3545下滑天线为仿真对象，二者均为民航在用导航设备。

2.1 航向天线仿真分析

NM7212A型航向天线的天线单元是对数周期偶极子天线，由12个天线单元依次排布，相邻两个天线高度不同，12单元航向天线满足支线机场的使用要求，其天线馈电表如表1所示。

对NM7212A型航向信标天线进行建模时，6对平行放置的对数周期天线以天线排布图的位置进行排列，设定计算步长为2°。NM7212A设备为单向辐射，为便于计算信号辐射场型，仿真范围在x-y和y-z平面上设定均为0°-360°。利用 FEKO电磁仿真，得到SBO信号三维辐射线性远场场型如图2（a）所示，对SBO x-y轴极坐标方向性图结果图2（b）所示；CSB信号的三维辐射线性场型图如图2（c）所示。航向信标台向主降入口方向发射水平极化的扇形合成场型。依据《航空无线电导航台（站）电磁环境要求》（GB6364-2013）规定：以航向信标台天线为基准，在跑道中心延长线±10°以内为45 km，在10°～35°之间为30 km。本次建模计算得到：以航向信标台天线阵中心为基准线，航向台天线阵的CSB信号波瓣主瓣的半功率波束宽度为22.3°，两个副瓣之间的夹角约为72.9°，略大于规定中的覆盖方向，这说明该航向台天线达到航空无线电导航台电磁环境要求，且富有余量，满足飞机允许要求。

分别对比4、8、10、12阵列的天线振子，NM7212A型天线的主瓣对旁瓣的抑制最为突出，主瓣最为突出，说明CSB信号在跑道中心线延长线方向最强。可以将主瓣辐射场型在跑道中心延长线形成了一个面，可以近似比作航向面。

2.2 下滑天线系统仿真分析

下滑台天线采用两个不同高度的水平振子组成的天线系统，上下天线通过地面反射，形成下滑面。下滑天线保护区要求严格，一般场地平整范围为±4 cm范围内。对下滑天线进行仿真得到三维的信号辐射场型如图3（a），y-z轴上的方向性图如图3（b）所示。最接近x-y平面的扇面即为下滑面，在y-z轴上的方向性图表示最接近坐标轴的扇面即为3°的下滑面。

下滑台上下天线形成的方向性图距离地面最近的等信号区，与跑道形成的夹角即下滑角，下滑角的大小取决于飞行程序设计，除特殊原因，一般设置下滑角为3°。依据下滑信机工作频率调节上下天线距地面的高度。下滑天线水平振子的高度分别取9.6λ、4.8λ。方向图波瓣的数量则取决于天线高度与工作半波长的比值，可以从图3（a）3D辐射场型看出，除需要的下滑面波瓣外，还存在一定数量倾斜角较大的假等信号区。假等信号区与下滑面间隔由图3（b）计算得到距下滑面较近的4个假等信号与等信号区的角度分别为10.4°、13.05°、23°、32°，符合下滑天线辐射要求。下滑天线在校飞过程中，需要调节信号，保证信号的稳定性。

3 导航台选址方案

针对华北地区某新建支线机场，跑道主降方向采用I类精密仪表着陆系统。航向天线阵中心设置在跑道中心线延长线上。依据《民用机场飞行区技术标准》[7]，考虑灯光系统与航向天线位置冲突，航向天线阵位置设置在距跑道次降入口290 m。航向天线周围的地势低，将航向天线高度设置为2.93 m。经计算，航向天线阵处于跑道端安全区1.6%保护范围内。航向机房设置在距天线阵60 m的位置，便于安装航向信标机柜。在航向天线阵正前方100 m处设置航向监控天线，用来对航道信号进行监控，其取样信号为进场（NF）监控信号，信号传输至ILS机柜的监控器。

航向天线阵对正前方的大型金属反射物敏感，合理设置站坪的位置、塔台和航站楼的高度，将进近灯光系统的反射面做到最小。航向天线前方±10°，距天线3000 m的区域内杜绝有高于15 m的建筑物、大型金属发射物和高压电线等。

下滑信标受场地及其附近的地形地物的影响，其辐射场型会发生畸变，引起下滑角变化，造成下滑道弯曲、摆动和抖动，直接影响航空器着陆的安全。考虑跑道靠近航站区一侧人员、车流较多，将下滑台设置在远离航站区一侧，距跑道中心线120 m。下滑天线内撤距离由如下公式计算。依据飞行程序计算，跑道入口高度为15 m，下滑角为3°，结合跑道入口高程和纵轴120 m位置的高程，利用如下公式，计算得下滑天线的内撤距离为291.5 m。

下滑天线的高度依据信标工作频率调节上下位置，在下滑天线的正前方设置近场监控天线。在下滑台内增设DME，DME与下滑天线距跑道入口内撤距离一致，偏跑道中心延长线为123 m。

下滑天线的保护区按A区、B区和C区划设，A区等级最高。为减小周围障碍物的影响，采用砖围界保护。经干扰信号排查，确保导航频段内未有信号干扰和频率占用。航向工作频段为108.10～111.95 MHz，下滑工作頻段为328.6～335.4 MHz，DME测距仪工作频段为962～1213 MHz[8]。本次工程机场周边存在一根10 kVA架空高压线，对导航信号存在干扰，本次工程对高压线做埋地处理。

4 结语

该文对NM7212A航向天线和NM3545下滑天线的辐射场型进行建模和分析，天线辐射场型可以满足飞机进近着陆。结合实际机场建设，针对华北某机场进行导航台选址，对台址周围的环境进行综合考虑，消除信号遮蔽和干扰等不良影响。对台址方案进行论述，导航台建设完成后，可以满足后期校飞和机场运行要求。能为飞机提供准确的信号引导。

参考文献

[1] 赵修斌.进近着陆系统电磁环境仿真研究[J].空军工程大学学报，2005，6（2）：12-13.

[2] 王永庆.飞机进近着陆系统电磁环境建模与仿真[J].航空计算技术，2007，37（22）：22-23.

[3] 金辽.NormarcM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）：31-34.

[4] 肖运辉.FEKO在航天航空天线仿真中的应用[J]系统仿真技术 2008，4（3）：204-205.

[5] 季玉龙，徐伟，叶培华.飞行器的仪表着陆仿真系统[J].系统仿真学报，2011，supp1（1）：135.

[6] 《民用航空通信导航监视台（站）设置场地规范 第1部分：导航》（MH/T4003.1-2014）[S].

[7] 《民用机场飞行区技术标准》（MH5001-2013）[S].

[8] 《航空无线电导航台（站）电磁环境要求》（GB6364-2013）[S].