机场DME失效情况下ILS着陆标准可用性的探讨

郝琼琳

（中国民用航空西北地区空中交通管理局，西安 710082）

DME和ILS都是重要的导航设备，DME专注于测距导航，是目前应用范围最广的导航系统之一，ILS着陆标准与天气条件、导航设备状况等有关，适用面相对较为狭窄，在常规情况下可以指导着落作业。研究表明，对ILS进行优化，可以使其工作性能得到提升，更好的引导飞机着落，分析机场DME失效情况下ILS着陆标准的可用性，对于提升机场工作的能力以及应急处理能力有一定意义。

1 DME与ILS在飞行着落中的作用

1.1 DME在飞行着落中的作用

DME（Distance Measuring Equipment，测距机）是高精度的近程脉冲测距导航系统，该系统目前在各地机场应用广泛。DME利用光、声音、电磁波的反射、干涉等特性，了解发射端与目标之间的距离，甚至对标对象的面积、周长等信息。在飞机准备着落时，利用DME不断发生光波（也可以是声波或者电磁波），并收集各类探测波的回波信息，随着降落过程中飞机与地面跑道距离缩短，所获回波信息也持续变化，当回波达到临界点（安全降落标准）时，飞机即可完成降落。

1.2 LS在飞行着落中的作用

ILS（Instrument Landing System，仪表着陆系统）是引导飞机进行精密接近、着陆的导航系统，由ILS设备确定的机场着陆标准即ILS着陆标准。DME依靠分辨快速的回波信息作为着落依据，而ILS仪表着陆系统则依靠大量数据的累积和瞬时感应作为双重参数，了解飞机的降落信息。一般而言，如果通信条件良好，ILS仪表着陆系统可以确保给出精确数据，但如果天气条件恶劣，存在暴雨、太阳黑子等情况，ILS仪表着陆系统所获数据的误差会比较大，难以作为飞机着落的指导。

2 DME失效情况下ILS着陆标准可用性分析

2.1 当前ILS着陆的基本模式

ILS仪表着陆系统的应用研究由来已久，在DME测距机广泛普及前，欧洲部分国家曾进行过大量研究，了解ILS仪表着陆系统的可行性。在我国的研究中，学者总结了此前研究结果，给出其着落的基本模式，即以感应数据为基础，以容错系统作为矫正，通过大量计算和机器学习确保数据结果的科学性，结合累积数据生成着落标准。该方式的显著弊端是机器学习缺乏样本、效率也不高。由于通常情况下飞机的着落以DME测距机作为基准，可供ILS仪表着陆系统应用的样本并不多，这使基于ILS仪表着落系统建立着陆标准的构想难以实现。此外，通过计算机模拟的大量样本带有反复性和相似性特点，不利于机器学习和分辨更多的着落情况，上述两个问题能否解决，是ILS仪表着落系统能否优化的关键。

2.2 优化的容错系统设计

ILS仪表着落系统缺乏样本的问题在现代大数据技术的支持下可以渐渐解决，如针对暴雨天气出现的参数失真问题，技术人员可以广泛收集暴雨天气下ILS仪表着落系统的参数变化，了解恶劣天气导致的失真程度，并大量收集样本，再以各类样本为标准，不断调整样本的某一个或者几个指标（比如降雨量、风力条件等），制造数目更多的样本，将其用于机器训练[1]。与此同时，可以采用随机森林法以及K近邻算法，是所有样本在机器训练的过程中被不断归类。在随机森林法以及K近邻算法下，几乎变化无穷的样本数意味着机器能够记忆的样本类型也是无限大的，多样化的“K”值和“随机森林树木”则保证了训练的效率。在大数据技术和先进降维科学算法（随机森林法以及K近邻算法）的支持下，ILS仪表着落系统可以在飞机降落的过程中根据动态情况快速与已知样本进行对比，给出科学的着落方案，容错能力大大增加，着落标准也更为科学可信。K近邻算法下的样本分类模型如图1所示。

图1 K近邻算法下的样本分类模型

2.3 优化的感应式引导

感应式引导是ILS仪表着落系统的基本特点之一，如上文所说，在此前的工作中，气象条件、设备精度等均会影响ILS仪表着落系统着落标准的价值，这使感应式引导的价值难以得到保证。对其进行优化，着眼点是提升系统性能，强化其针对运动目标进行跟踪计算时的自适应能力。在飞机降落的过程中，作为一个运动目标，其运动轨迹、规律带有明显的规律性，即速度降低、加速度变小、运动轨迹呈现抛物状，到停止时为0。这一过程中，即使偶尔出现速度小幅变化，也不会影响整体运动规律[2]。应用跟踪计算技术的基础是大量有效的机器训练，使ILS仪表着落系统在工作过程中积累大量模型，无论飞机在降落过程中出现何种变化，ILS仪表着落系统都可以应用传感器收集当前信息，与系统模型对比，精准给予匹配，即便参数变化大，也能通过自适应调整匹配到对应样本，实现感应式引导的优化，ILS仪表着落系统的着落标准也更加科学可信。

3 模拟实验

3.1 模拟对象

为求了解优化的ILS仪表着落系统是否能够满足使用需求，研究人员进行了模拟实验，实验以计算机模拟的方式进行，选取我国山西省咸阳国际机场作为参照，代入机场工作的各类参数，并模拟大雪、暴风雨、冰雹、太阳黑子等气象灾害作为变量，对比ILS仪表着落系统以及DME测距机给出的着落标准，判断ILS仪表着落系统优化后是否可以指导着落作业。

3.2 实验过程与结果分析

实验分为两组，即ILS组和DME组，两组分别应用各类变量进行150次实验，综合150次实验的结果，对比系统反应时间、着落标准偏差（基准值为理想状态下的虚拟值），应用t值进行检验，实验所获结果如表1所示。

表1 实验结果

实验结果上看，ILS仪表着落系统在飞机着落过程中可以较快的给出着落标准，与DME测距机相差只有0.02s，几乎可以忽略不计；与此同时，150次实验中，着落偏差也仅为0.36（±0.02），满足着落标准要求，这意味着ILS仪表着落系统经优化后可以用于飞机着陆指导。

4 结束语

通过探讨机场DME失效情况下ILS着陆标准的可用性，了解了相关理论。通常情况下，DME测距作为标准的着落指导，如果DME失效，ILS也具备导航价值，这种价值的基础是其工作特征，通过强化容错系统设计以及感应式引导，可以指导飞机标准着落，模拟实验证明了相关理论的可行性。后续工作中，各地可以适当优化ILS系统，强化机场的工作能力。

[1] 倪帮春.开关稳压电源在仪表着陆系统中的运用[J].通讯世界，2018（01）：195-196.

[2] 于耕，于泠洁.基于无迹卡尔曼滤波的仪表着陆系统/GBAS着陆系统/惯性导航系统组合导航融合方法[J].科学技术与工程，2017，17（36）：236-241.