仪表着陆系统

第页１仪表着陆系统（ILS）简介ILS的原理ILS的作用和历史仪表着陆系统ILS（InstrumentLandingSystem）是“非目视”进近和着陆的标准助航系统。它为飞机提供对准跑道的航向信号和指导飞机下降的下滑道信号，再加上适当的距离指示信号，使飞机能在低的能见度和恶劣天气条件下借助这些仪表提供的信号指示就可以安全着陆。随着新技术和新器件在ILS上的应用，ILS所提供的精确导航信号使得全天候的着陆成为可能。为了着陆飞机的安全，在目视着陆飞行条例（VFR）中规定，目视着陆的水平能见度必须大于4.8Km，云底高不小于300M。在很大一部分机场的气象条件都不能满足这一要求，这时着陆的飞机必须依靠ILS提供的引导进行着陆。ILS是采用“等信号”原理来实现的，即通过比较两个信号的幅度差来给出左右和上下指示，当飞行器处于指定航线时，两个信号幅度相等，差值为零。最早的ILS雏形出现在上个世纪三十年代，那时有一种叫“AN系统”的设备来帮助飞机着陆。如图一所示。它将“A”和“N”两个字母的MORSE码分开发射，当飞机偏离跑道中心线时，飞行员只能听到其中一个字母的MORSE码，“A”或“N”，只有飞机对准跑道时，才能同时听到两个字母。而飞机下滑的角度是这样形成的：飞机沿着一个固定信号强度（比如100uA）降落。后来这两个MORSE码被两个音频所代替（90Hz和150Hz），并且载波提高，航向为VHF，下滑为UHF。如图二所示。但上述两种系统的缺点是显而易见的，就是误差大，波瓣宽度十分大，容易受干扰。现代的ILS通过采用多个对数周期天线，并添加其它技术元素，如采用双频系统、分离辐射和空间调制、信号频谱精确控制和变换等措施来提高ILS的精度和可靠性。图一：AN系统图二：双音频系统第页２ILS的有关述语决断高度（DH）：ILS引导飞机到达飞行员能看见跑道的最低允许高度，在这个高度上，驾驶员必须做出继续着陆还是复飞的决定。对I类ILS来说，决断高度在中指点上空，II类ILS在内指点上空。能见度（VIS）：白天能看到或辨别出明显不发光物体或晚上看到明显发光物体的最大距离。与跑道视程（RVR）的定义有所不同，但有一定联系。着陆标准：国际民航组织（ICAO）是根据不同的气象条件，使用决断高度和跑道视距来规定了三类着陆标准。类别能见度（VIS）决断高度（DH）I800m60mII400m30mIIIa200m0，看着着陆IIIb50m0，看着滑行IIIc00，不用任何目视参考至停机位ILS系统能够满足I、II类着陆标准，但是III类着陆要求有更复杂的辅助设备相配合，例如配合飞行指引仪或自动驾驶仪来完成II类着陆标准的自动控制。III类着陆标准不仅在进近和着陆要使用自动化控制设备，而且滑跑（rollout）和滑行（taxing）也必须在其它电子设备控制下完成。ILS的分类：根据ICAO三类着陆标准，ILS设施也分相应地为三类。I类设施性能的仪表着陆系统：从仪表着陆系统覆盖区边缘到航向信标的航道与下滑信标的下滑道在高度不大于60米的从跑道入口水平面量起处相交的一点，能够提供引调信息的仪表着陆系统。II类设施性能的仪表陆系统：从仪表着陆系统覆盖区边缘到航向信标的航道与下滑信标的下滑道在高度不大于15米的从跑道入口水平面量起处相交的一点，能够提供引调信息的仪表着陆系统。III类设施性能的仪表着陆系统：借助必要的辅助设备，从仪表着陆系统覆盖区边缘到跑道表面能提供引调信息的仪表着陆系统。DDM：调制度差，用较大信号的调制度百分比减去较小信号的调制度百分比，再除以100。在ILS中，即是90Hz的总调制度和150Hz的总调制度的差值的。当对准跑道时，DDM=0；偏离跑道时DDM大于或小于0。在在下滑道左边和上面是90Hz占优，右边和下面是150Hz占优。如图三所示。DDM值的正负表示的是90Hz或150Hz占优。SDM：调制度和。接收机收到的合成信号中90Hz和150Hz的调制度之和。第页３航道信号：给飞机进近和着陆时对准跑道中心线的信号。下滑道信号：提供给飞机沿着一定角度下降的信号。ILS组成和原理一个完整的ILS系统包括地面设施和机载设备。ILS地面台的组成包括：航向(LOCALIZER)、下滑(GLIDESLOPE)、指点标(MARKER)或DME。飞机着陆过程：飞机从五边切入盲降时，首先搜索到航向信号并对准跑道飞行，同时根据航向信号选择下滑信号的频率，搜索到下滑信号的时候，高度降到2500英尺，根据下滑提供的信号进行下降角度的调整，之后在航向信号和下滑信号的共同作用下，以3度左右的下滑角对准跑道中心线飞行。经过外指点标时，飞行高度降为1200英尺，经过中指点标时，高度为300英尺。参考图四、五、六。航向台：由航向天线阵和航向设备组成。航向天线产生的辐射场在通过跑道中心延长线的垂直面内形成的航向面（也叫航向道）。航向信标就是用来给提供飞机偏离航道的横向引导信号。机载航向接收机收到航向信号后经处理，输出飞机相对于航向道的偏离信号，加到驾驶仪表板上的水平姿态批示器（HSI）的航向指针。若飞机在航道对准跑道中心线，则指针偏离指示为零；若飞机在航向道的左边或右边，航向指针就向右或向左，给驾驶员提供“飞右”或“飞左”的指令。下滑台：由下滑天线阵和下滑设备组成。下滑信标天线辐射的场型形成下滑面，下滑面与包含跑道中心线的水平面的夹角为2°～4°之间。下滑信标就是用来给飞机提供偏离下滑面的垂直引导信号。机载下滑接收机收到下滑信号后图三：DDM示意图第页４经处理，输出相对于下滑面的偏离信号，加到HIS上的下滑指示器。若飞机在下滑面上，下滑指针在中心零位，若飞机在下滑面的上方或下方，指针就会向下或向上给驾驶员提供“飞下”或“飞上”的指令。航向面与下滑面的交线定义为下滑道。飞机沿着这条交线着陆，就以准了跑道中心和规定的下滑角，在离跑道约300M下着陆。航向信标和下滑信标发射信号空中合成了一个矩形延长的角锥形进场航道。其中航道宽度为4°，下滑道宽度约为1.4°。uA与DDM的关系机载设备的HIS指示器除了航向（左右）和下滑（上下）偏离指针外，还有一个“旗”指示器。当机载设备选择了航向频率后，没收到射频信号或收到解调出来的调制信号幅度小于额定值时，“旗”告警就会出现，说明偏离指针的指示是不可靠的。机载设备接收机的输出与偏离指示器之间有标准的接口，对于航向来说，偏离指针的驱动电流与DDM值的关系是970*DDM(uA)。航向偏离指针的满刻度偏转与0.155DDM相对应，这时的偏转驱动电流就是150uA(970*0.155)，相当于偏离2°。下滑的指示满偏是两个点，一个点对应就是0.35度。图四：ILS的组成和原理第页５图五：ILS进近图六：ILS的布局第页６什么是空间调制？首先要理解什么是调幅波。一个单音频的调幅波表达式为：E=Ecm(1+msin2πfat)sin2πfct=Ecmsin2πfct-(mEcm/2)cos2π(fc+fa)t+(mEcm/2)cos2π(fc-fa)t载波上边带波下边带波式中fa为调制单频，m为调制深度，fc是载波频率第页７一个完整的调幅波可以分解为一个载波分量，一个上边带分量，一个下边带分量。上边带和下边带合成的信号（如上图的d信号）叫做纯边带信号。空间调制是相对于发射机调制而言的。在发射机调制中，载波分量与总边带分量是从同一个天线上辐射，二者之间没有相位的变化，所以它们是在一定的相位关系上自动合成的，因此单独一根天线辐射的调幅波信号是不带有任何方位信息的。空间调制的原理是：载波分量在一个天线辐射，与此同时，纯边带波由另一个天线辐射，这两个信号同时到达接收机，由接收机的电路合成一个完整的调幅波。所谓“空间调制”，并不是说载波分量与纯边带分量在空中相互作用和相互调制，实质上它们是两个不同的信号在空中各自传播，最终在接收机内部合成。空间调制的一个重要指标是空间调制系数，它定义为总边带分量与载波分量的比值。当总边带分量与载波分量同相或反相合成时，空间调制系数最大，这时与发射机调制的结果是一致的，接收机检波出来的是调制信号的基频。当总边带波分量与载波分量不同相时，空间调制系统会减小，接收机检波出来的调制信号中会出现谐波，当总边带波与载波相差90°时，空间调制系数最小，接收机检波出来的调制基波为零，而调制信号的二次谐波达到最大。ILS系统的“空中调相”正是利用了这个特性，在SBO通道串接90度线来人为使分离辐射的边带与载波分量相差为90度。应注意的是，ILS系统中的调制是发射机调制和空间调制的合成。ILS的载波分量单纯辐射一个载波，而是一个完整的调辐波，称为CSB（载波加边带，调制单频是90Hz+150Hz），这个信号在飞机的接收机中就是普通的发射机调制，而分离辐射的纯边带信号叫SBO(调制间频是90Hz-150Hz)，它与CSB在飞机的接收机中的合成属于空中调制。因此在飞机的接收机中“总的边带”应是“CSB中的边带分量”与“分离辐射的边带分量”的合成，总的调制系数也是它们两者的矢量合成。信号特征包括CSB、SBO和余隙（CL）。辐射场型是水平极化波。CSB是载波加边带信号，是一个普通的AM调制波，调制信号为90+150Hz（航向的CSB还有识别信号调制）。SBO是载波受抑制的调幅波，调制信号是90-150Hz。由于载波相位在每个调制信号过零处反相，所以在输出的信号中不含载波。航向的余隙也分为CSB和SBO，下滑的余隙仅有CSB，调制信号为150Hz占优的信号。航向是频率范围是甚高频（VHF）频段，下滑是超高频（UHF）频段。在这样的频段上，信号的传输是以直线视距传播为主，地面衰减小，电离层不能反射这些波段的信号，除了地物反射、大气折射和吸收等因素的影响外，受到的干扰比中长小波小得多，基本遵循自由空间传播的各种规律。由于频率高，发射机及天线的尺寸重量将大为减小，可以方便地产生很窄的脉冲以及尖锐的天线方向图。但其缺点也很明显，就是信号只能在直视范围内工作，不能提供地平线以下的覆盖，只能用于近程空中导航。第页８图七：采用四个天线的航向合成场型示意图LOC的场型LOC场型由对数周期天线辐射产生GS的场型下滑的场型是由天线的直射波和地面反射波共同形成，“镜象原理”是下滑场型形成的基础图八：零基准下滑场型CSB和SBO第页９天线系统航向天线根据场地状况和跑道长短可选择8、14（或13）、24（或21）单元，8单元采用单频发射机，14（13）单可根据需要采用单频或双频发射机，而24（21）单元则必需采用双频发射机。下滑天线可分为零基准、边带基准和捕获效应三类，只要分别是天线的挂高和信号分配上有所不同，M型捕获效应天线对场地适应性是最强的，但同时也是最复杂的。余隙的作用在单频航向系统中，由于波瓣较宽，在受到障碍物反射时，反射信号会造成航道的弯曲。所以，为了适应更复杂的地形，就必须采用更多的天线，这样一来，CSB波瓣会很窄，能量集中在跑道中心线前方一个有限的范围，从而造成航道宽度过窄，在飞机未找到航道之前，缺乏相应的指引信号。这时，就需要提供一个偏航道信号，这个信号就叫偏航道余隙。另外，尽管航道信号几乎全部集中在天线正前方一小段范围内，但仍有小部分旁瓣信号，在飞机离跑道过近和极低低能见度时仍有可能收到假航道信息，这是非常危险的，所以这些旁瓣信号必需要一个相应的信号来覆盖它，并可以指示飞机返回正常航道。余隙与航道的载波相差5~14KHz，两个信号都在机载接收机的带宽之内。根据接收机原理，当接收到两个频率的载波时，信号较强的信号首先被解调，这叫做“捕获效应”（CAPUTEREFFECT）。只要两个信号强度相差10dB以上，较弱信号的解调输出不会造成影响。在双频的航向中，航道是15W，而余隙只有4W，再经过航向天线阵的幅度和相位分配，可以完全满足这个要求，而且由于余隙信号较弱，即使受到障碍物的反射，其反射的信号对航道弯曲的影响也是微不足道的。如果飞机偏离航道±2º以上，飞机收到的将是余隙信号是强信号，飞机的接收机将给出一个“OFFCOURSECLEARANCE