飞机微波着陆模拟器计量参数指标体系及方法研究

黎琼炜才 滢

(1.航空仪器设备计量总站,北京100070;2.计量测试中心,葫芦岛125000)

飞机微波着陆模拟器计量参数指标体系及方法研究

黎琼炜1才 滢2

(1.航空仪器设备计量总站,北京100070;2.计量测试中心,葫芦岛125000)

本文首先对MLS模拟器各项性能特性指标进行了综合论证,确定了模拟器计量参数指标体系;然后从角度制导原理出发,将制导角度信号转换为通用脉冲参数,并给出了各参数的具体数值,使MLS角度制导信号可通过不间断溯源链溯源至国家最高标准;最后,简述了计量方法。本文的研究成果攻克了飞机MLS模拟器的计量难题,对提高飞行安全具有重要意义。

微波着陆系统 模拟器 角度制导 计量

1 引 言

1983年开始,国际民航组织(ICAO)正式引入了新的精密进近和着陆系统——基于时基扫描波束的(TRSB)微波着陆系统(MLS)[1]。自2000年以来,我国飞机开始采用微波着陆系统(以下简称MLS)进行进近着陆。相比于传统的飞机仪表着陆系统(ILS)着陆方式,MLS引导信号的覆盖空间大,精度高,所提供的进近方式也更灵活。

MLS制导的原理是:MLS地面台发出角度制导信号,MLS机载设备接收信号后,解算出飞机相对于跑道的坐标位置信息。MLS机载设备性能指标准确可信是飞机安全着陆的前提。由MLS模拟器来完成MLS机载设备各项功能和性能的测试。因此,按照要求,必须对MLS模拟器进行检定或校准,以保证MLS机载设备的各项技术参数准确一致,飞机安全着陆。

MLS模拟器计量参数和指标的确定是实施模拟器计量的依据和关键所在。MLS模拟器涉及的性能参数很多,功能和结构复杂,其计量参数不能简单地等效为其各项功能和性能特性:有些特性必须计量,有些则无需计量;有些性能特性对应的信号参数没有对应的计量溯源体系,不能通过不间断的溯源链直接溯源到国家最高标准。为此,本文从MLS使用特点和测试需求出发,结合功能、结构等要素,开展了计量参数指标体系的研究论证。

2 MLS模拟器计量参数体系综合论证

MLS模拟器主要由CPU控制部分、调制综合部分、ARINC429接口部分、射频产生部分及电源部分组成。控制部分完成各部分之间的协调和通信;调制综合部分产生所有MLS序号格式和射频控制信号以及多路径信号,产生各种视频同步信号; ARINC429接口部分提供模拟器和机载设备之间的通信;射频产生部分决定了频率、调制和电平选择等,其原理框图如图1所示。

MLS模拟器主要功能包括:模拟MLS地面台站发播的角引导信号,基本数据字和辅助数据字,模拟干扰信号;接收机载设备输出的信号,经处理后产生控制运动噪声和路径跟随误差[4]。MLS模拟器性能特性有31种[1,5],详见表1。

表1 飞机MLS模拟器性能特性

表1中,射频输出频率和功率为模拟器基准参数;主路径和多路径的角度特性、波束特性直接关系到MLS制导精度,为MLS机载设备测试关键参数,这些参数都必须计量。

另外,OCI脉冲宽度、扇摆频率、DPSK调制、螺旋桨调制、6.75Hz调制、消除信号脉冲、更新率选择、CMN滤波器和PFE滤波器由软件产生,只需出厂验收时检查,无需周期检定或校准;频谱特性对机载设备测试影响较小,无需计量;方位/仰角功率比由模拟器中无源衰减器确定,故障率极低,也可不计量;数据字为数字编码信号,且有奇偶校验功能,无需计量;波束电平准确则OCI信号幅度准确,故OCI脉冲幅度无需计量;高速方位波束和仰角波束来源于同一软件包,只需测高速方位波束宽度即可。

3 关键计量指标建模与计算

MLS角度制导信号是一个时分多路复用的调制信号,由主路径和多路径的角度特性、波束特性表征,没有直接对应的测量标准,无法溯源。为此,从角度制导原理出发,通过计算,将角度特性和波束特性转换为通用脉冲参数。这样,MLS角度制导信号可通过脉宽、时间间隔、长度的不间断溯源链溯源至国家最高标准。

3.1 制导角度

在MLS中,地面的方位台(或仰角台)天线产生一个垂直方向较窄的扇形波束,在比例覆盖区内进行往返扫描,从而实现角度测量,如图2所示。沿天线辐射方向看出去,波束自左而右(顺时针)的扫描称为往扫描,自右向左(逆时针)的扫描则称为返扫描,两次扫描之间有一个固定600μs停歇时间。在一个完整的扫描周期内,进近飞机的MLS机载接收机检测到“往”和“返”两个脉冲,然后测量两者之间的时间差。从图3可以看出,机载接收机所接收到两个脉冲之间的时间差t,实际上决定着进近飞机的角位置。由此可以推出,制导角度值与脉冲间隔时间差之间存在线性函数关系[1],即

式中:θ——方位或仰角制导角度值,°;t——“往”“返”扫描波束之间的时间间隔;T0——相对0°的“往”“返”扫描波束中心之间的时间间隔,μs;V——扫描速度比例常数,°/μs。

在我国的MLS中,V为0.020°/μs,高速进近方位T0为4 800μs,仰角T0为3 350μs。MLS模拟器各制导角度计量指标见表2。

表2 MLS模拟器各制导角度计量指标

3.2 波束宽度

根据GJB 2275—95《微波着陆系统性能要求和测试方法》,MLS地面设备落在瞄准方向上的方位、仰角扫描波束,其包络的-3dB点离开波束中心线应在0.5倍波束宽度上,-10dB点离开波束中心线应在0.7～0.9倍波束宽度之间,空间信号形状如图4所示。波束宽度可由公式(2)计算:

式中:BW——波束宽度,°;ΔT——2个-3dB点之间的时间间隔,μs;V——扫描速度比例常数,°/μs。

MLS模拟器各波束宽度计量指标见表3。

表3 MLS模拟器波束宽度计量指标

4 计量方法

MLS模拟器的所有计量参数均可以用通用测量标准来进行检定/校准:射频输出频率用频率计进行测量(如图5所示);射频输出功率可以用功率计来测量(如图6所示);波束电平及及输出功率动态范围用频谱仪进行测量(如图7所示);角度及其步进量、波束宽度可以用示波器进行测量(如图8所示)。在图 8中,由于 MLS输出信号电平很低(-110dBm～-17dBm),且频率较高(5.031GHz～ 5.091GHz),示波器直接测量比较困难,所以需对MLS模拟器输出信号进行放大和检波。

在选择测量标准设备时,各标准设备的测量参数范围应覆盖MLS模拟器的测量参数,且标准设备与模拟器参数之间测试不确定度比需满足1:4(频率准确度应满足1:10)。

这样,MLS模拟器的所有计量参数均可直接溯源到国家标准:频率溯源到频率标准、功率溯源到小功率标准、波束电平和功率溯源范围溯源到衰减标准,角度和波束宽度溯源到脉冲参数标准。

5 应用

基于上述研究成果,笔者研究制定了基于通用设备的MLS模拟器计量方法,并编写了相应的校准规范,该校准规范现已被MLS模拟器生产厂家、使用单位、计量部门普遍认可并采纳,即将上升为国军标。

2006年和2008年,依据上述研究成果,我站对2型MLS模拟器进行了验收测试,检测并定位了MLS模拟器的故障,MLS模拟器的生产部门认可了测量结果。2011年,计量部门对维修后的3台微波着陆模拟器进行了计量,计量结果表明,1台修理后电平动态范围不足,再次修理后,电平动态范围满足要求。自2009年以来,上述校准规范已成功用于多台MLS模拟器的周期计量,有效确保了MLS模拟器量值准确一致。

6 结束语

本文从我国微波着陆系统使用特点和测试需求出发,系统论证建立了微波着陆模拟器计量参数指标体系,并对角度制导信号参数进行了转换和计算,使模拟器各项参数可溯源到国家最高标准。本文的研究成果为MLS模拟器计量验收、周期检定、修理后检定提供了依据,对确保飞机MLS机载设备各项技术参数准确性和一致性有着重要意义。

[1] 周其焕.微波着陆系统[M].北京:国防工业出版社,1992.

[2] GJB 2598—1996,微波着陆机载设备通用规范[S].

[3] GJB 2275—1995,微波着陆系统性能要求和测试方法[S].

[4] GJB 5586—2006,微波着陆系统机载接受机地面测试设备通用规范[S].

[5] Lee Qiongwei,Yu Suya,Xue Fei,et al.Research on metrology for microwave landing system simulator[C].Proceedings of 2013 IEEE 11th International Conference on Electronic Measurement&Instruments,Harbin,China,2013.8.

Analysis on Metrology Specifications and Methology of Calibration for Microwave Landing System Simulator

LEE Qiong-wei1CAI Ying2
(1.Aero-instrument Test and Calibration Center,Beijing 100070;
2.Test and Calibration Center,Hulu Island 125000,China)

The authors start with the comprehensive demonstration of performance specifications of MLS stimulator to establish the parameter system for stimulator verification/calibration.Then,based on the principle of angle guidance,they convert the parameters of guidance angel signal to general pulse parameters and reach the value of respective parameters,which can make angle guidance signals measured by normal measurement equipments and traced back to the national standards by uninterruptible traceability chains.They lastly bring forth with the methology of verification/calibration accordingly.The analysis conclusion has dissolved technical obstacles for MLS simulator support and made the MLS specifications accurate and consistent.

Microwave landing system(MLS) Simulator Angle guidance Methology

1000-7202(2017)01-0014-05

TH802

A

2016-07-01,

2016-07-15

黎琼炜(1972-),女,高级工程师,主要研究方向:航空装备计量测试和型号计量工程技术。