基于无人机的ILS飞行校验机载接收机设计

曹 阳，孟 茁

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

在飞机的整个飞行过程当中，着陆是非常重要的一个阶段。根据民航局相关统计数据结果显示，有超出59%的飞行事故发生在飞机着陆环节当中。飞行员在驾驶飞机进行着陆过程中，如果依靠目视进行着陆，对天气条件、环境因素等要素会有相当高的要求，否则很难保障着陆安全。为了保障飞机在各种恶劣的气象环境下都能够完成100%安全着陆，需要采用无线电导航等辅助设备，为飞机着陆提供高精度的安全引导方案，同时实时地把航道的偏差度等精准数据提供给飞行员作为参考。仪表着陆系统（ILS）是目前国内最为普遍的飞机着陆引导系统[1]。

常规的机场地面导航设备需要定期进行校验，目前由中国校飞中心承担此项工作，采用湾流飞机按照校验飞行手册规定的航线及科目进行校飞。通过机载设备采集空间信号传送至地面，由调校技术人员使用专业调校设备对地面导航设备进行调校工作，用来确保仪表着陆系统的高精准度。

传统设备造价昂贵，灵活性差，很难满足对于ILS的周期性校验需要，为了解决这一问题，设计一款基于无人机的航向、下滑校验机载设备，充分利用无人机校飞灵活、校飞过程中可以悬停等优势，替代湾流飞机及相关机载校验设备，模拟调校验机实现ILS的航向、下滑线各项校飞项目的精准校验[2]。

2 机载接收机设计

机载接收机按照功能可以分为LOC/VOR通道、下滑通道、信标通道、模拟分机、控制分机、电源/机架分机几个部分[3]，其总体结构框图如图1所示。

图1机载接收机总体结构框图

在图1所示的各部分模块当中，控制分机单元负责对接收机的加电控制，也负责对工作模式的控制；电源/机架分机单元负责为接收机各个分机进行信号交换及通路供电。机载接收机通过设计的工作模式，接收并处理地面电台发送的信号。设备在接收处理下滑台或航向台的信号时，通过对接收到的90Hz频率的信号与150Hz频率的信号的调制度差进行计算[4]，同时在航向通道当中还要解出1020Hz台址识别音频信号。

3 仪表着陆系统信号处理

3.1 ILS信号处理流程

仪表着陆的信号处理流程大致如下：

首先航向以及下滑的中频信号要经过A/D采样，将直流信号的波形通过高通滤波器进行滤除，然后AM调制解调器将处理后的信号进行解调，解调之后，再次使用带通滤波器将不同频率的信号分离出来，并计算其强度，最终得出调制度差，算出莫尔斯码。

这个信号处理过程使用的带通滤波器是有要求的，要求配有鉴频器，使得输出信号的频率误差在可接受的范围之内。如果符合要求，系统会将信号处理结果以及CIC滤波器的中频信号强度自动产生告警和自检信号，并根据告警情况，将最终信号处理结果输入到双口RAM所对应的单元中去。信号处理流程如图2所示。

图2信号处理流程图

3.2 调制度差计算方案

在仪表着陆系统当中，90Hz频率的信号和150Hz频率的信号的调制度，在航向通道上的值为40%，而在下滑通道上的值为80%[5]，由此根据AM信号产生公式如下：

AM信号解调后的公式则为：

从上述公式可得出如下结论：在调制信号当中，交流部分的幅值跟调制度成正比关系，依据ILS当中的信号特征，在此利用调制度和为固定值的这一特性，就能够在不需要知道载波信号强度的条件下，根据90Hz频率的信号以及150Hz频率的信号的比例情况，从中计算出调制度差。调制度差的计算公式为：

式中A代表了90Hz频率的信号的幅度，B代表了150Hz频率的信号的幅度，这两种信号调制度差计算结果为DDM。把上面公式中的40%数值替换成80%的数值，就可以进行下滑通道的测试。

4 滤波器设计

4.1 IIR滤波器

信号在经过A/D采样之后，分别会将90Hz频率的信号和150Hz频率的信号滤出。在计算调制度差时，会用到90Hz频率的信号和150Hz频率的信号滤出的结果，对于IIR的数字滤波器，设计可通过如下五个步骤实现[6]：

1)把数字滤波的技术指标通过相应规则，进一步转换成为模拟低通滤波器的技术指标；

2)将转换后的结果，使用滤波器阶数选择函数，计算得出最小阶数N以及固有频率Wn；

3)根据最小阶数N产生的结果，作为模拟滤波器的原型；

4)模拟低通滤波器原型，根据固有频率Wn将其转换成模拟的高通、低通以及带通、带阻滤波器；

5)根据双线性变换法或者冲激响应不变法两种法则，将模拟滤波器转换成为数字滤波器。具体实现框图如图3。

图3 IIR滤波器原理框图

4.2 CIC滤波器

在仪表着陆系统设计当中，由于部分信号对滤波器的滤波要求相对比较宽，设计采用积分梳状滤波器（CIC），负责为低通滤波器滤出二次谐波，可在滤波过程中避免不必要的运算，为机载设备充分节省资源。在积分梳状滤波器当中，冲激响应形式如下列公式所示：

式中，D代表滤波器阶数。CIC滤波器对Z的变换可由下式所示：

式中：

CIC滤波器实现过程框图如图4所示[7]。

图4 CIX滤波器原理框图

4.3 高通滤波器

由于A/D转换器在工作过程中的直流偏置不够准确，在滤波滤出的数字中频信号中包含了直流分量，如果不把这些直流分量去除，就会影响到AM解调结果，从而降低最终精度。本系统中，直流分量信号通过高通滤波器滤除[8]。高通滤波器的设计结构如图5所示。

图5高通滤波器原理框图

通过计算输入信号与CIC滤波器的输出内容的差值，就得出了高通滤波器的滤波后的结果。CIC滤波器本质上是一种滑动均衡器，所以CIC滤波器的输出本质上就是信号中的直流成分大小。输入信号减去直流成分，即实现了高通滤波器的功能。

5 结束语

该型机载接收机在无人机测控方面属于国内首创。作为一款基于无人机的ILS飞行校验机载接收机，其具有高精度的运行标准，挂载也方便快捷，加上设计重量轻、占用空间小、工作能耗低等诸多优势，可为无人机校飞提供有力的硬件条件支撑。