航向信标空间信号场强测量及相关国际标准研究

王力，张天璐

（中国民用航空飞行校验中心，北京 100621）

0　引言

目前国际飞行校验领域采用两种方法对航向信标的覆盖进行评估，一种是以导航接收机输出的功率或电压为评估依据，单位为dBm或μV；另一种是以信号的空间场强为评估依据，单位为 μV/m或 dBW/m2。世界上多数飞行校验组织均以导航接收机输出的功率或电压作为评估依据。那么，如何在飞行校验中准确测量航向信标空间信号场强，如何对比和研究不同标准之间的差异就成为重要且必须解决的问题。

航向信标是仪表着陆系统重要的组成部分，它能为处于进近过程中的飞行器提供在水平方向的精密引导。对航向信标信号覆盖的飞行校验，不同的规范对其覆盖的容限要求也有不同的规定形式。

ICAO 8071文件[1][2]第一卷第4章关于ILS的飞行校验附表 I-4-7中对于航向信标的电场强度（Field strength）要求为不低于 40 μV/m（-114 dBW/m2）；我国现行的《民用航空陆基导航设备飞行校验规范》[3]第2.1节表1中第11项航向覆盖内容中要求航向信号场强大于或等于40 μV/m（-114 dBW/m2）。与上述规定形式不同，FAA 8200.1C[4]中第 15.60节中对航向信标的覆盖要求为：“Received RF signal strength must equal or exceed 5 μV or - 93 dBm”，即在覆盖范围内导航接收机接收到的信号强度必须大于或等于5 μV或-93 dBm。

从上述描述中可以看出，ICAO的相关规范中对航向信标覆盖的要求是以信号的空间场强作为衡量单位来评价的，我国现行的飞行校验规范与ICAO的相关规范是一致的。FAA的相关规范中对航向信标覆盖的要求是以到达导航接收机的信号电平或信号强度来表达的。

由于不同型号飞机机体反射的差异以及航向接收天线之间的差异，相同的空间场强到达导航接收机的信号强度会有所不同。因此，导航接收机的信号强度来评价航向信标的覆盖将会因飞机型号的不同而得到不同的结果。如何排除这些影响，建立空间场强与信号强度之间的转换关系，并最终获得航向信标空间信号场强测量结果，一直是比较棘手的问题。

本文通过对机载飞行校验系统航向天线的天线系数及方向图进行测量，建立空间场强与信号强度之间的转换关系，并最终获得航向信标空间信号场强测量结果。在此基础上，对向信标覆盖检查的ICAO标准与FAA标准之间的差异进行对比、分析和研究，最终提出缩小两种标准之间差异的方案。

本文第1部分介绍了机载飞行校验系统航向天线方向图及天线系数的测量方法及测量结果，第 2部分介绍了场强与功率的换算关系，第3部分对航向信标覆盖检查的ICAO标准与FAA标准之间的差异进行对比、分析，并提出缩小两种标准之间差异的方案，第4部分对全文进行了总结。

1　航向天线方向图及天线系数测量

1.1　测量方法

本次使用双锥天线HK116、标准天线VHA9103 sn2644、安捷伦矢量网络分析仪ZNB、不含金属器件的天线升降塔，以山西吕梁大武机场停机坪作为开阔试验场。本次测量对象为 B-9330飞机机载飞行校验系统的航向天线，待测对象如图1所示。

图1　待测天线系统

1.1.1方向图测量方法

以球坐标系作为待测天线的坐标系，设坐标系的x-y平面与地面平行，其原点为飞机左右两侧的待测天线之间的中点，x轴指向机头方向，顺时针方向为方位角φ的正方向；z垂直向上，与z轴的夹角为仰角θ。示意图如图2所示。

图2　方向图测试示意图

测量方向图时，坐标原点为圆心，使用双锥天线HK116作为发射天线，沿半径为22m的圆扫描，每隔10°测量一次传输系数S21。测量时分别以发射天线与待测天线等高（即90θ=°，对应下滑角为0°），以及发射天线比待测天线低3°（即93θ=°，对应下滑角为3°）的情况沿逆时针方向进行测量，测量时天线主要以水平极化方式进行测量。

1.1.2天线系数测量方法

测量天线系数时，发射天线HK116位于机头正前方22m，分别与待测天线等高（424cm，即90θ=°）和不等高（309cm，即93θ=°）；待测天线为接收天线。把网分和电缆校准完毕以后，测量S21。测量完飞机后，把发射天线移到停机坪另一个位置，然后把标准天线架设在发射天线前方 22m处，高424cm，模拟待测天线，采集 S21。最后，按照标准天线法，得到待测天线的天线系数。

1.2　测量结果

1.2.1方向图测量结果

通过测量获得了在（90θ=°）以及（93θ=°）条件下，航向天线在 ILS（仪表着陆系统）所有频点的方向图。图3及图4分别为频率为108.5MHz，当90θ=°以及93θ=°条件下的航向天线方向图。其余测试结果由于篇幅限制，不在此一一列举。

1.2.2天线系数测量结果

由于航向天线在 0°、90°、180°及 270°对于航向覆盖的检查十分重要，因此将这四个方位上的天线系数进行了对比。根据方向图测量结果和飞机正前方（0φ=°）天线系数的测量结果，可得到任意方位角上的主极化天线系数。表1中列举出了90θ=°时四个主要典型方位（前后左右）上的主极化天线系数。表2中列举出了93θ=°时四个主要典型方位（前后左右）上的主极化天线系数。

表1　飞机四个方向上的主极化天线系数（90θ=°）

图3　108.5 MHz(90θ=°)对应的航线天线方向图

图4　108.5 MHz(93θ=°)对应的航线天线方向图

表2　飞机四个方向上的主极化天线系数（93θ=°）

通过对机载飞行校验系统航向天线方向图及天线系数的测量，获得航向天线在不同频率上、不同方位以及不同仰角的天线方向性增益和天线系数，通过天线系数就可以将飞行校验系统得到的功率或电压数据转化为信号的空间场强，从而实现对信号空间场强的测量。

2　场强与功率换算

获得航向天线方向图后，飞机可以根据方向图的不同增益，相对于参考方位进行补偿（本次测量的参考方位为180°方位，因为在此方位航向信号受机身反射和遮挡影响最小)。依据方向图，对航向天线不同方位增益补偿后，只能确保同一架飞机在不同方向上都会有一致性的增益。但是，如果要保证不同校验系统航向天线之间测量的一致性，那么就必须考虑天线系数。因为相同的空间场强，通过不同的天线系数转换，会得到不同的功率或者电压值。本部分将以天线系数为基础，建立场强与功率或电压的换算关系。

2.1　dBm与dBμV的换算关系

图5　电路示意图

如图5所示电路，一个负载ZL连接到源阻抗为的电压源 VS上接收到的功率PL为：

设在负载ZL=50Ω上产生电压为 VL，单位为μV，则有：

2.2　dBm和μV/m的换算关系

2.2.1天线系数和方向图应用说明

借助于天线系数和方向图，可以利用校验飞机在某一测量不确定度范围内测量待测区域在指定方向上的场强值。具体说明如下。

设2个导航天线安装于校验飞机上以后，天线连同飞机整体产生的方向图用Pa（f,φ,θ） 来表示，单位为dB，即无量纲；f为频率，单位为Hz。

以飞机正前方的天线系数Fa（f,φ=0,θ）为基础，利用天线方向图Pa（f,φ,θ） 来计算来自校验飞机成某一方位（）,φθ上的场强E在校验飞机导航天线上感应的分量E′的公式为式（3）：

式中，Fa（f,φ=0,θ）为飞机正前方的天线系数，单位为 dB/m；Pa（f,φ=0,θ）为飞机正前方的方向图电平，单位为dB；Pa（f,φ,θ）为在飞机方位(φ,θ)上的方向图电平，单位为dB；E′（f,φ,θ）为由校验飞机在方位(,)φθ上测量得到的电场强度，单位为dBµV/m。

令

则有

2.2.2Bm与μV/m的换算关系

根据式（2）及式（5）可把dBm换算成µV/m，即

或者

图6　空间场强40μV/m时对应的90°/270°方位的功率（电压）值分布图

3　航向覆盖容限相关国际标准的对比及分析

3.1　容限对比

一般情况下，飞行校验中航向信标覆盖检查一般是以航向信标发射天线为中心，做距离航向天线17海里，航向道两侧±35°的圆弧飞行，因此，机载航向天线主要是在相对于飞机机头90°或270°方位进行测量。

表3　空间场强40μV/m时对应的90°/270°方位的功率（电压）值

3.1.1空间场强 40μV/m 时对应的 90°/270°方位的功率（电压）值

结合第二部分测得的天线系数，第三部分的公式（7）以及ICAO 8071文件对航向信标覆盖的容限为空间场强≥40μV/m，可以得到空间场强40μV/m对应的 90°方位及 270°方位的功率值，结果如表 3所示，其分布图如图6所示。

3.1.2导航接收机输出-93dBm时在90°/270°方位对应的空间场强值

结合第二部分测得的天线系数，第三部分的式（6）以及FAA飞行校验手册对航向信标覆盖的容限导航接收机输出≥-93dBm，可以得到信号强度为-93dBm 时对应的 90°方位及 270°方位的空间场强值，结果如表4所示，其分布图如图7所示。

图7　导航接收机输出-93dBm时在90°/270°方位对应的空间场强值分布图

表4　导航接收机输出-93dBm时在90°/270°方位对应的空间场强值

3.2　结果分析

3.2.1以空间场强值作为航向信号测量容限标准优劣分析

通过表3或图6可以看到：如果采用空间场强不小于40μV/m的标准作为航向信标信号强度的容限，由于该容限使用空间场强作为衡量标准，因此有利于保持不同类型校验及不同类型飞行校验系统对航向信标信号强度测量的一致性和准确性。

但是，要使飞行校验系统实现对空间场强的准确测量却不是件容易的事。从理论上严格来讲，如果以空间场强不小于40μV/m的标准作为航向信标信号强度的容限，则所有的校验飞机的航向天线都需要进行计量级的天线测量来获得其天线方向性增益及天线系数，并且将所有的测量数据需要编写进软件里，这样成本高昂，工作量巨大，还需要对不支持空间场强测量的飞行校验系统软件进行重新编写和升级。以 RVA型飞行校验系统和 Sierra 9205飞行校验系统为例，由于生产厂家已经倒闭，软件支持中断且厂家不开放软件代码，通过软件实现校验系统对空间场强的自动测量几乎是不可能的。

除此以外，如果要满足上述ICAO的容限标准，在航向天线系统进行电缆更换或天线更换后就需重新对航向天线进行测量，以一架校验飞机平均三年更换一付航向天线的周期来算，多架校验飞机长期累计下来的航向天线测量成本将是巨大的。

综上所述，采用 ICAO的空间场强不小于40μV/m 的标准作为航向信标信号强度容限的优点是：能够保持不同类型校验飞机及飞行校验系统航向信标信号强度校验一致性和准确性。缺点是：测量难度大，测量成本高，实现对现有飞行校验系统软件升级难度巨大。

3.2.2以导航接收机输出功率（电压）做为航向信号测量容限标准优劣分析

通过表4或图7可以看到：

如果采用以导航接收机5μV（-93dBm）输出作为航向信标信号强度的容限，不同频点上-93dBm所对应的空间场强是不一致的，且数值明显要高于ICAO规定的空间场强不小于40μV/m的容限设置。因此，采用FAA标准要比ICAO的标准严格的多。

由于受航向天线方向性增益以及天线系数的影响，不同类型校验飞机或飞行校验系统上导航接收机的5μV（-93dBm）输出对应不同的空间信号场强，也就是说采用FAA相关标准是无法从理论上保证实际空间信号测量的一致性和准确性的。

但是采用FAA以导航接收机5μV（-93dBm）输出作为航向信标信号强度的容限也有其优点：

首先，测量易于实现。由于仅需对导航接收机输出进行测量即可，因此对飞行校验系统来说获得航向信标信号强度数据是很容易实现的（目前我中心全部校验飞机都能够直接提供导航接收机信号强度输出）。

其次，信号强度偏差易于补偿。当导航接收机输出信号与标准信号发生器校准信号产生较大偏差时，可以通过校准进行补偿。

综上所述，采用 FAA以导航接收机 5μV（-93dBm）输出作为航向信标信号强度容限的优点是：测量易于实现、信号强度偏差易于补偿。缺点是：无法从理论上保证实际空间信号测量的一致性和准确性。

3.3　减小两种标准之间差异的方案

由3.2.1及3.2.2可知，无论是采用ICAO的容限标准还是采用FAA的容限标准，都有其优缺点。由于目前Sierra 9205型和RVA型飞行校验系统都采用 FAA的容限标准，即以导航接收机 5μV（-93dBm）输出作为航向信标信号强度的容限，而且，由于厂家不能提供软件升级服务，所以，想实现对空间场强的测量以满足ICAO标准的要求几乎是不可能的。那么，有没有办法能在现有条件下，在允许的程度上，同时满足两种标准的要求呢?

通过图5，可以看到，不同频点上40μV/m对应的功率（电压）值，几乎都分布在相对于均值（-98dBm）±2.5dB的范围内，可以满足ICAO 8071上规定航向信号强度的测量允许有±3dB的测量不确定度的要求。因此，如果在校准时在标准信号发生器输出端增加5dB的衰减，那么-93dBm的接收机输出实际上就相当于空间场强40μV/m对应的功率（电压）均值（-98dBm）。这样在就可以在采用FAA容限标准条件下，在ICAO测量不确定度允许的范围内，良好的建立了FAA容限标准与ICAO容限标准之间的对应关系。

对于相同机型（奖状560）、相同飞行校验系统(RVA)、相同航向天线的校验飞机来说，彼此之间有相同的机身形状及类似的电磁反射和遮蔽特性，有相同的内部电气特性，有较为一致的方向性增益和天线系数的天线特性，所以，可以直接使用相同的校准衰减补偿进行一致性的补偿。这样就可以大大降低航向天线测量的成本，提高对空间实际信号测量的准确性，保证ICAO标准和FAA标准的容限要求的一致性。

4　结论

本文通过对机载飞行校验系统航向天线方向图和天线系数的测量，以及对空间场强与信号强度之间的转换关系进行理论推导，建立了航向信号空间场强和接收机信号强度的关系，并最终获得航向信标空间信号场强测量结果。在此基础上，本文对向信标覆盖检查的ICAO标准与FAA标准之间的差异进行研究，最终提出缩小两种标准之间差异的方案。