匡銳丹

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川成都610091)

0 前言

機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)分成飛行校驗(yàn)和地面校準(zhǔn)2個(gè)部分，由于空域管制和校準(zhǔn)專屬問題，導(dǎo)航系統(tǒng)地面設(shè)備校準(zhǔn)歷來都是各機(jī)場(chǎng)以地面維護(hù)、實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和外場(chǎng)測(cè)試等方式綜合實(shí)現(xiàn)?；跈C(jī)場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)的多樣性，其對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)及溯源情況則復(fù)雜得多。但是，即使各導(dǎo)航子系統(tǒng)的地面設(shè)備全部合格，也不能保證其作用場(chǎng)域內(nèi)的導(dǎo)航能力滿足既定要求，因?yàn)楦鲗?dǎo)航子系統(tǒng)天線發(fā)射場(chǎng)彼此有重疊，同時(shí)周圍建筑及跑道對(duì)無線電信號(hào)的折射及反射等原因，機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)準(zhǔn)確度還是要通過飛行校驗(yàn)來確定機(jī)場(chǎng)地空?qǐng)鲇蛴绊憽?dǎo)航子系統(tǒng)的邊界及起降通道導(dǎo)航能力、地面設(shè)備從遠(yuǎn)端到著陸點(diǎn)的持續(xù)引導(dǎo)能力等其他關(guān)鍵參數(shù)，飛行校驗(yàn)是機(jī)場(chǎng)能進(jìn)行導(dǎo)航放飛的最重要和最關(guān)鍵校準(zhǔn)過程。然而，我國機(jī)場(chǎng)的飛行校驗(yàn)服務(wù)能力嚴(yán)重不足，在全國近300多個(gè)軍(民)用機(jī)場(chǎng)，每周期的巡航服務(wù)任務(wù)極其繁重，因此就各機(jī)場(chǎng)操作現(xiàn)狀而言，除了新安裝和大修等特殊情況外，其余的周期性校驗(yàn)還是以日常維護(hù)等方式實(shí)現(xiàn)。

1 數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型概念

數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)還是各導(dǎo)航子系統(tǒng)的實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)模型中，有3部分關(guān)鍵內(nèi)容得到了集成與數(shù)字化:①校準(zhǔn)地面臺(tái)站的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其核心是集成了10個(gè)導(dǎo)航子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載接收機(jī);②機(jī)載導(dǎo)航子系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置，其核心是集成了全系統(tǒng)(按照ICAO標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的進(jìn)程導(dǎo)航系)地面臺(tái)站的模擬器;③絕對(duì)位置基準(zhǔn)，其核心是基于GPS或者北斗(理想位置基準(zhǔn))的全球或者區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，主要提供能導(dǎo)出距離、方位和高度信息的經(jīng)緯度值。經(jīng)過集成和數(shù)字化后的機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型，能夠以3D動(dòng)畫方式提供以下導(dǎo)航信息:入場(chǎng)/離場(chǎng)飛機(jī)在穿越不同導(dǎo)航子系統(tǒng)作用域時(shí)的實(shí)際位置參數(shù)、按照機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航能力設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)下滑/上升軌跡、導(dǎo)航臺(tái)站的實(shí)施發(fā)射參數(shù)。

1.2 數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型的服務(wù)對(duì)象是導(dǎo)航地面臺(tái)站、機(jī)載導(dǎo)航子系統(tǒng)以及導(dǎo)航信號(hào)的地空特性，因此該模型中至少應(yīng)該包含上述三方面的6個(gè)緯度:①地面發(fā)射式導(dǎo)航專用設(shè)備的校準(zhǔn)技術(shù);②地面收發(fā)式導(dǎo)航專用設(shè)備的校準(zhǔn)技術(shù);③機(jī)載接收式導(dǎo)航專用設(shè)備的測(cè)試技術(shù);④機(jī)載收發(fā)式導(dǎo)航專用設(shè)備的測(cè)試技術(shù);⑤地空導(dǎo)航信道低空層面(高度20 m以下，距離5000 m以內(nèi))的信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù);⑥絕對(duì)位置基準(zhǔn)的建立;⑦各導(dǎo)航系統(tǒng)校準(zhǔn)(測(cè)試)信號(hào)的3D數(shù)字化和集成顯示技術(shù)——即數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型。

要實(shí)現(xiàn)數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型，必須先要解決各導(dǎo)航子系統(tǒng)的實(shí)物模型的校準(zhǔn)及溯源問題。即需要建立一系列導(dǎo)航校準(zhǔn)裝置，用以監(jiān)測(cè)(修正)實(shí)物系統(tǒng)的信號(hào)特征。實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)包括導(dǎo)航子系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置、絕對(duì)位置基準(zhǔn)類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、輔助測(cè)量類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1 各類實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立

1.2.1.1 導(dǎo)航子系統(tǒng)類校準(zhǔn)裝置的建立

此類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的作用:①以模擬實(shí)際使用方式監(jiān)測(cè)和調(diào)校地面信號(hào)臺(tái)、地面信標(biāo)、外場(chǎng)測(cè)試儀發(fā)射信號(hào)的準(zhǔn)確性，并把這些參數(shù)溯源到國防計(jì)量基準(zhǔn)上;②在天線端面發(fā)射半雙工工作方式的詢問信號(hào)，識(shí)別并提取回答信號(hào)中的距離、高度和飛機(jī)編碼等重要飛行參數(shù)，以此為基礎(chǔ)在數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型中形成標(biāo)準(zhǔn)的著陸信息(即標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航面)，作為與飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置作比較的參考端面。

導(dǎo)航類子系統(tǒng)實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)主要是解決導(dǎo)航子系統(tǒng)特征參數(shù)的溯源，所以在建立標(biāo)準(zhǔn)時(shí)要有效分解各類導(dǎo)航系統(tǒng)的特征參數(shù)，并著重考慮這些參數(shù)應(yīng)該通過怎樣的方式溯源到國防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)上去。因?yàn)閲阑鶞?zhǔn)只對(duì)通用常規(guī)參數(shù)進(jìn)行建標(biāo)，這么這些專用參數(shù)在溯源過程中必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換，即采用間接測(cè)量法。因此，用以轉(zhuǎn)換的這些替代參數(shù)能夠便捷進(jìn)行溯源也是考慮的重點(diǎn)。

表1 近程導(dǎo)航子系統(tǒng)的特征參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)分解建立的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，配合被校準(zhǔn)對(duì)象的分類要求，至少3類綜合校準(zhǔn)裝置的建立是必要的:①全部地面導(dǎo)航臺(tái)站發(fā)射參數(shù)的校準(zhǔn)裝置;②全部接收機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的接收參數(shù)的校準(zhǔn)裝置，③地空“問-答”半雙工工作方式的校準(zhǔn)裝置。

發(fā)射類導(dǎo)航校準(zhǔn)裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模擬的接收類設(shè)備，除了在從射頻到視頻信號(hào)的數(shù)字化與普通接收機(jī)有類似的處理通道外，還必須滿足機(jī)載類接收設(shè)備的特點(diǎn)，比如高接收靈敏度(-80 dBm或者更低)、各類導(dǎo)航特參數(shù)的專用處理、實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)修正等功能。

這類導(dǎo)航校準(zhǔn)裝置的技術(shù)難點(diǎn)是導(dǎo)航特征參數(shù)專用處理模塊，即導(dǎo)航信號(hào)IP核。目前通用的做法是采用CPLD/FPGA，把DAC后的信號(hào)按照各導(dǎo)航子系統(tǒng)的信號(hào)要求進(jìn)行解調(diào)，因?yàn)楦鲗?dǎo)航系統(tǒng)的特征參數(shù)彼此不同，所以解調(diào)信號(hào)應(yīng)該包括多種模式的混合調(diào)制信號(hào)，必要時(shí)應(yīng)配合專用構(gòu)造函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行提純處理和補(bǔ)償，比如微波著陸信號(hào)的同步片斷內(nèi)的DPSK解調(diào)，需要構(gòu)造特殊函數(shù)來做差分處理［1］。

與發(fā)射類校準(zhǔn)裝置相反，接收類導(dǎo)航信號(hào)的校準(zhǔn)裝置本質(zhì)是信號(hào)模擬源。這類校準(zhǔn)裝置的難點(diǎn)有2個(gè):1)視頻端特征信號(hào)基點(diǎn)與射頻端面的延遲補(bǔ)償;2)寬頻段的調(diào)制發(fā)射與天線集成。

收發(fā)類綜合校準(zhǔn)是專門測(cè)試ATC系統(tǒng)(空中交通管制系統(tǒng))的DME/P系統(tǒng)(普通測(cè)距和精密測(cè)距系統(tǒng))，研發(fā)這類校準(zhǔn)裝置的難點(diǎn)是收發(fā)信號(hào)通路的隔離，接收通道解調(diào)信號(hào)的計(jì)時(shí)與延遲補(bǔ)償;發(fā)射通道的調(diào)制與信號(hào)整形(高斯脈沖)［2］。

上述3類校準(zhǔn)裝置按對(duì)應(yīng)導(dǎo)航類系統(tǒng)的使用條件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、頻譜管理等多方面要求，應(yīng)偏重綜合校準(zhǔn)裝置、便攜式校準(zhǔn)裝置和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置等設(shè)計(jì)方式。目前國內(nèi)各機(jī)型均配備了一、二線檢測(cè)設(shè)備，總體滿足日常飛機(jī)及地面臺(tái)站的維護(hù)，但是隨著機(jī)型的變化及飛機(jī)服役數(shù)量和服役時(shí)間的增加，尤其考慮到飛機(jī)及其地面維護(hù)快速反應(yīng)能力的至關(guān)重要性，對(duì)于傳統(tǒng)外場(chǎng)設(shè)備校準(zhǔn)如果依然停留在信息孤島狀態(tài)，會(huì)在某些特殊場(chǎng)合與特殊時(shí)期帶來以下問題:1)現(xiàn)有的外場(chǎng)校準(zhǔn)設(shè)備的功能綜合性不強(qiáng)，數(shù)量種類多，功能彼此不兼容，機(jī)動(dòng)時(shí)需要攜帶大量的外場(chǎng)校準(zhǔn)設(shè)備;2)現(xiàn)有的通信導(dǎo)航檢測(cè)設(shè)備技術(shù)水平低，自動(dòng)化程度不高，制約了維護(hù)保障能力的提高。

1.2.1.2 絕對(duì)位置基準(zhǔn)類實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立

以GPS基站為主要標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)位置基準(zhǔn)是目前成熟技術(shù)的主流，但在特殊時(shí)期會(huì)受制于人。我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星發(fā)射后會(huì)形成區(qū)域內(nèi)導(dǎo)航的主力，因此基于北斗基站的絕對(duì)位置基準(zhǔn)將是研發(fā)的首要選擇。

1.2.1.3 輔助類實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立

輔助類實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)主要是指應(yīng)地空導(dǎo)航信道地空近程的信號(hào)監(jiān)測(cè)要求和無線電監(jiān)測(cè)要求建立的相應(yīng)測(cè)試類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。這類校準(zhǔn)(測(cè)試)裝置的難點(diǎn)是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局計(jì)算、低空導(dǎo)航通道內(nèi)信號(hào)的推導(dǎo)與預(yù)警、突發(fā)干擾信號(hào)的檢測(cè)與定位。在數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型中，輔助類計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)能提供監(jiān)測(cè)到的干擾信號(hào)的頻率、功率、經(jīng)緯度等信號(hào)。

針對(duì)導(dǎo)航子系統(tǒng)的干擾源有2類:1)無線接入系統(tǒng)、公眾數(shù)據(jù)通信、移動(dòng)衛(wèi)星通信等系統(tǒng)大功率的發(fā)射源;2)機(jī)場(chǎng)周邊凈空條件的變化引起串?dāng)_與多路徑干擾。機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)除接收到正常信號(hào)外，還能接收到上述2類干擾信號(hào)，二者在空域的疊加，導(dǎo)致空間實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)隨仰角呈波動(dòng)分布狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)處于波動(dòng)谷值時(shí)，所收到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)接近于機(jī)載接收機(jī)靈敏度下限，從而使導(dǎo)航系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)飛機(jī)無法空中定位，繼而無法起降。

目前機(jī)場(chǎng)遇到的無線電干擾基本還是依靠國家各級(jí)無線電監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)去查處，而國家無線電監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)是按省和地市所在地設(shè)置(不是按照機(jī)場(chǎng)和航線設(shè)置的)，其固定站都建在省會(huì)城市中，一般一市一個(gè)固定站，覆蓋范圍有限，無法完成機(jī)場(chǎng)航道附近干擾信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型的集成

完成這3類實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立后，就可以構(gòu)建數(shù)字機(jī)場(chǎng)。數(shù)字機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)首要是解決機(jī)場(chǎng)不滿足凈空條件的建筑物信號(hào)折射/反射問題、機(jī)場(chǎng)跑道鏡面反射問題、地空信號(hào)干擾問題和絕對(duì)位置基準(zhǔn)漂移問題，在模型設(shè)計(jì)的初期充分考慮并計(jì)算出這4類干擾信號(hào)后，數(shù)字機(jī)場(chǎng)模型才可能貼近現(xiàn)實(shí)機(jī)場(chǎng)的實(shí)際情況。

各類導(dǎo)航信號(hào)和對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)裝置提供的監(jiān)測(cè)信號(hào)是有差異的，這個(gè)差異在數(shù)字機(jī)場(chǎng)中就表現(xiàn)為導(dǎo)航信號(hào)的誤差帶，而不是常規(guī)意義上的誤差數(shù)字。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸時(shí)，該模型可以模擬在整個(gè)著陸時(shí)間內(nèi)的以下事件:①飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置參數(shù)(方位、距離、高度、飛機(jī)代碼、通信波道);②飛機(jī)在各時(shí)間點(diǎn)上經(jīng)歷各導(dǎo)航子系統(tǒng)時(shí)的導(dǎo)航區(qū)域有效性信息;③飛機(jī)在各導(dǎo)航子系統(tǒng)作用域內(nèi)，位于該誤差帶的位置信息(偏離中心線的程度及是否觸及誤差帶的警戒位置);④突發(fā)煩擾信號(hào)的位置信息。

數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型的集成難點(diǎn)有2個(gè):

1)導(dǎo)航特征信號(hào)模塊。這些模塊主要是產(chǎn)生視頻-中頻段的導(dǎo)航信號(hào)，或者是解調(diào)該頻段的導(dǎo)航信號(hào)。采用FPGA為主的技術(shù)，把特征信號(hào)做成導(dǎo)航IP核的模式，可以擺脫單純以VXI/PXI接口為主使用平臺(tái)，采用獨(dú)立封裝，內(nèi)嵌單個(gè)系統(tǒng)發(fā)射對(duì)(即同種導(dǎo)航子系統(tǒng)收發(fā)集成)處理程序，可以隨意搭建組合適用于不同導(dǎo)航系統(tǒng)配置的各區(qū)域?qū)Ш脚_(tái)站的實(shí)物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型方位角界面示意圖

2)構(gòu)造特殊函數(shù)和虛擬系統(tǒng)。為了保持特征信號(hào)的實(shí)時(shí)特點(diǎn)(抖動(dòng)、延遲畸變)和理想特征信號(hào)的平衡，需要在處理過程中構(gòu)造特殊函數(shù)把無用信號(hào)剔除。信號(hào)處理流程分成2部分，“干凈信號(hào)”(剔除后的信號(hào))通過數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)處理程序進(jìn)行分析，其結(jié)果送數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型中顯示理想的著陸/起飛曲線，被剔除的抖動(dòng)信號(hào)送模型中顯示誤差帶。

3 結(jié)束語

數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型是全新應(yīng)用型數(shù)字化計(jì)量測(cè)試方法。導(dǎo)航系統(tǒng)專測(cè)設(shè)備計(jì)量技術(shù)在經(jīng)歷了電路板級(jí)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室間接校準(zhǔn)、外場(chǎng)子系統(tǒng)的分散性校準(zhǔn)等發(fā)展過程后，數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型首次把機(jī)場(chǎng)(含環(huán)境影響)和飛機(jī)視為一體并作為被測(cè)對(duì)象，在整個(gè)飛行過程中對(duì)飛機(jī)進(jìn)行有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航軌跡指導(dǎo)下的監(jiān)測(cè)。導(dǎo)航信號(hào)專測(cè)計(jì)量技術(shù)通過數(shù)字機(jī)場(chǎng)校準(zhǔn)模型實(shí)現(xiàn)了2步跨越:一是第一次把計(jì)量過程與中端產(chǎn)品(飛機(jī))直接聯(lián)系起來，而是第一次把計(jì)量過程直接和產(chǎn)品工作的實(shí)時(shí)環(huán)境聯(lián)系起來。

［1］張忠興，李曉明，張景偉，等.無線電導(dǎo)航理論與系統(tǒng)［M］.陜西:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

［2］黎廷璋.空中交通管制機(jī)載應(yīng)答機(jī)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1992.