閆 樸

(大連國際機場股份有限公司,遼寧 大連 116033)

0 引 言

隨著經濟的高速發(fā)展和城市規(guī)模的快速擴張,越來越多的機場逐漸被建筑物和工業(yè)設施所包圍,航空無線電導航臺站的電磁環(huán)境也愈發(fā)復雜,同時,作為飛機進近階段最為依賴的導航設備,儀表著陸系統對電磁環(huán)境的變化非常敏感。為評估這種變化帶來的影響,最有效的方法是進行飛行校驗,但該方法成本高、過程復雜、驗證周期長,難以及時、逐一驗證機場運行中出現的各種突發(fā)事件。

隨著計算機技術的不斷發(fā)展,計算電磁學成為一種較為經濟、便捷的電磁環(huán)境評估手段。針對儀表著陸系統受電磁環(huán)境影響的問題,國內外學者采用了多種計算電磁學方法開展研究,在電磁環(huán)境建模、地形因素分析和積雪影響分析等方面取得了良好效果[1-3]。然而在實際運行中,由于儀表著陸系統下滑信號由直達波和地面反射波合成這一特殊性,導致其反射信道極易受到遮蔽物的影響,因此,有必要針對機場運行中典型的違規(guī)事件——場地保護區(qū)入侵和違規(guī)修建建筑物等問題,進行遮蔽影響分析。

對于航空器、建筑物等電大尺寸目標,通常采用幾何光學法、幾何繞射理論、物理光學法、多極子算法等進行仿真和并行計算[4-6]。這些方法精度較高,但考慮到十幾公里以上的計算范圍,需要的計算資源非常龐大。為此,采用了鏡像理論和下滑信號空間合成原理結合的手段進行計算,實現遮蔽影響的快速評估。

1 下滑信號空間合成原理

對于機載接收機,調制度差(DDM)是儀表著陸系統(ILS)信號最重要的參數之一[7],航空器通過DDM值的大小判斷偏離航道或下滑道的角度。DDM值由CSB和SBO信號決定：

(1)

式中:φ為SBO和CSB信號的相位差; SBO為雙邊帶抑制載波信號。

ESBO(t)=ESBO(-msinω90t+

msinω150t)sinωct,

(2)

CSB為載波加邊帶信號

ECSB(t)=ECSB(1+msinω90t+

msinω150t)sinωct,

(3)

式(2)和式(3)中的ESBO和ECSB分別為SBO和CSB信號的幅度。載波頻率ωc=2πfc,m為調制度。

儀表著陸系統下滑天線陣由兩個或三個對數周期天線陣子組成。根據儀表著陸系統場地保護規(guī)范[8],下滑天線前方場地要求平坦,所以對于頻率范圍為328.6～335.4 MHz的下滑信號,地面可簡化為平面。因此,對于空中任意一點R,接收到的信號由每個天線陣子的直達波和地面反射波組成,如圖1所示。

圖1 下滑天線的反射波和直達波

天線和它的鏡像可以視為二元天線陣。到達接收機R時,直達波和反射波路程差為2Hsinθ,相位差為

(4)

則R點合成場的電場強度為

(5)

對于不同的下滑天線型號,各天線陣子的激勵也不同。以三陣子的M型天線系統為例[8],CSB和SBO的表達式如式(6)、(7)所示

(6)

(7)

式中:ASBO=0.117·ACSB,H為下天線陣子掛高,CSB與SBO相位差φ為0.令

那么式(6)和式(7)可簡寫為

ECSB(θ)=2ACSB(V1-0.5V2),

(8)

ESBO(θ)=2ASBO(0.5V1-V2+0.5V3).

(9)

根據式(1),

DDM=(V1-0.5V2)/0.117

(0.5V1-V2+0.5V3).

(10)

2 合成信號誤差分析

根據式(10)和V1、V2、V3的定義,DDM值取決于天線掛高H、CSB與SBO間的射頻相位φ、各天線饋電大小ACSB和ASBO.在設備未發(fā)生故障的前提下,H、φ、ACSB和ASBO不變。

由于反射面是地表,不可避免的存在散射現象,因此反射波存在一定的相位誤差φ.對式(1)求φ=0處的微分得

(11)

因此,非直達波地面散射引入的少量相位誤差對于評估DDM可以忽略。

若接收機與天線之間存在遮蔽物,則式(10)應當修正為

DDM′= ((da+dd)·V1-0.5·(db+de)·

V2)/(0.117(0.5(da+dd)·V1-

(db+de)·V2+0.5(dc+df)·V3)),

(12)

式中,da、db、dc、dd、de、df分別為上、中、下天線以及鏡像的上、中、下天線輻射的信號傳播至接收機時的遮蔽因子,該數值為1代表不受遮蔽,為0代表完全被遮蔽。只要計算出空中任一點P的da至df的值,即可得該點受遮蔽物影響后的DDM值。

對于兩個天線陣子組成的天線陣,DDM誤差的計算方法與三天線類似。

3 鏡像理論

根據上文分析,地面可視為平面,則天線、遮蔽物、接收機的關系如圖2所示。

圖2 天線和遮蔽物的鏡像

其中,H為天線掛高,天線與接收機間存在一個等效高度為Hz、距天線為s的遮蔽物,則遮蔽物對信號的影響范圍如圖2中陰影所示。

空中任一點R(x,y)受遮蔽的影響可通過式(13)、(14)計算

(13)

(14)

對于上天線,由式(13)可得到da(x,y),組成矩陣DA.對于上天線的鏡像天線,由式(14)可得dd(x,y),組成矩陣DD.同理可得矩陣DB、DC、DE、DF,根據式(12),得到受影響的DDM′。再根據式(10),得到正常的DDM值。兩者差值為DDM偏差。

4 軟件實現

按照ΔDDM計算方法,使用MATLAB語言編寫了處理程序,并使用MATLAB GUI制作了軟件界面。該程序能根據指定的下滑臺發(fā)射機頻率和下滑角自動計算M型天線掛高,并自動生成正常情況下的DDM值分布圖,計算范圍涵蓋儀表著陸系統下滑臺覆蓋范圍[9],即水平方向為800 m以外、18.5 km(10海里)以內,垂直方向為地平面上1.75倍下滑角,即1.75θ,按最遠處計算為2 280 m.再根據指定的障礙物高度以及天線距障礙物的距離,計算DDM受影響的范圍及大小,并根據標準下滑道寬度θ×(1±12%),生成下滑扇區(qū)內DDM偏差值。軟件界面如圖3所示。

圖3 仿真軟件界面

5 仿真及對比

為進行仿真測試,在儀表著陸系統保護區(qū)[10]內、下滑信標與接收機之間放置三個測試遮蔽物,如圖4所示。其中Z1點為車輛,高1.8 m,距天線100 m,模擬某一車輛誤入保護區(qū);Z2點為飛機尾翼,高12.5 m,距天線300 m,模擬一架型號為737～800的正常航班在天線前方的聯絡道上等待;Z3點為房屋,高3 m,距天線900 m,模擬修建臨時建筑物的情況。

圖4 測試障礙物位置圖

圖5、6、7中的(a)圖為軟件仿真得到的DDM偏差絕對值,(b)圖為儀表著陸系統生產商NORMAC公司提供的仿真結果。

分別對比圖5、6、7的(a)圖和(b)兩圖,可以看出,除了覆蓋范圍以外的區(qū)域,Z1點、Z2點、Z3點DDM偏移大小、趨勢、產生偏移的距離與生產商提供的仿真結果基本吻合,驗證了仿真思想的正確性。計算所得的DDM值可與民航法規(guī)進行比較,實現突發(fā)事件定性分析。

圖5 Z1點DDM偏差(a)軟件仿真；(b)NORMAC仿真

圖6 Z2點DDM偏差(a)軟件仿真；(b)NORMAC仿真

圖7 Z3點DDM偏差(a)軟件仿真；(b)NORMAC仿真

6 結束語

通過天線鏡像理論和儀表著陸系統下滑信號空間合成原理,分析了遮蔽物對下滑信號的影響。仿真實驗表明,針對機場運行中最常發(fā)生的場地保護區(qū)入侵問題和違規(guī)修建建筑物等情況,該方法能夠實現快速評估,為機場管理機構和空中交通管理部門提供決策依據。

[1]GREVING G, SPOHNHEIMER L N. Current issues in flight inspection measurements[C]//Proceedings of 16th International Flight Inspection Symposium, 2010:183-192.

[2]苗 強,吳德偉,謝 蕾. 微波著陸系統模擬試驗電磁相似性分析[J].電波科學學報,2011,26(2):303-310.

[3]戴傳金,吳德偉,趙修斌,等.飛機進近著陸系統電磁環(huán)境建模與仿真[J].電光與控制,2008(1):42-46.

[4]王 楠. 現代一致性幾何繞射理論[M]. 西安:西安電子科技大學出版社,2011:5-7.

[5]SONG J M, CHEW W C. Multilevel fast multipole algorithm for solving combined field integral equations of electromagnetic scattering[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 1995, 10(1):14-19.

[6]潘小敏,盛新慶.電特大復雜目標電磁特性的高效精確并行計算[J].電波科學學報,2008,23(5):888-893.

[7]NAVIA AVIATION. ILS principles and equipment theory[R].1994.

[8]工業(yè)和信息化部電信研究院,國家無線電監(jiān)測中心,空軍裝備研究院通信,等.GB 6364-2013,航空無線電導航臺(站)電磁環(huán)境要求[S].北京:中國標準出版社,2014.

[9]NAVIA AVIATION. M-ARRAY glide path antenna system NM3545[R].1994.

[10]ICAO.ANNEX 10: Aeronautical telecommunications [R].2006.