楊益歡，李 冰，陳 陽

（中國人民解放軍92187部隊，長治046011）

TLS—一種新的著陸系統(tǒng)

楊益歡，李 冰，陳 陽

（中國人民解放軍92187部隊，長治046011）

應答著陸系統(tǒng)是一種基于應答機的精密進近著陸系統(tǒng)，是FAA認可的I類精密進近的導航系統(tǒng)，滿足ICAO要求的精度標準。本文介紹了系統(tǒng)的組成、配置和工作流程，分析了系統(tǒng)的測角、測距原理和方法，闡述了系統(tǒng)的應用特點和主要性能，為導航系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎。

應答著陸系統(tǒng)；測角；測距；特性

0　引言

儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System ，ILS）是國際民航組織規(guī)定的標準著陸系統(tǒng)，是當前軍民航使用的主要精密進近導航系統(tǒng)，為進近的飛機提供著陸引導信息。但它存在對安裝場地要求嚴格、設備機動性差等缺點，在地形條件較復雜的機場和對機動要求較高的軍方，ILS的使用就受到了限制。

應答著陸系統(tǒng)（Transponder Landing System，TLS）主要是為了彌補ILS的不足而設計生產的。TLS克服了ILS的缺點，只加裝地面設備，利用飛機現(xiàn)有的ILS接收機和二次雷達機載設備，不對飛機進行任何改動，可在復雜場地條件和臨時機場實現(xiàn)精密進近著陸。美國ANPC公司于1991年設計研發(fā)TLS，于2001年12月21日獲得了FAA書面認證，正式成為美國政府承認的I類精密進近導航系統(tǒng)?，F(xiàn)在全球已有美國、澳大利亞、菲律賓等國家安裝了多套TLS系統(tǒng)，但TLS尚未進入中國市場。

1　TLS的組成及配置

應答著陸系統(tǒng)主要由詢問天線、方位天線（LAOA）、仰角天線（GAOA）、校準/測試裝置（CAL/BIT）、數(shù)據處理基站、數(shù)傳裝置、上傳監(jiān)控裝置以及以太網絡等幾部分組成［1-2］。各部分的主要功能如下：

1）詢問天線：接到數(shù)據處理基站命令后，發(fā)射1030MHz詢問信號。

2）方位天線：用于測量飛機的距離和方位，共有3條水平相間的天線，提供2個不同精度的方位角測量值。

3）仰角天線：用于測量飛機的距離和仰角，共有4個垂直相間的天線，提供3個不同精度俯仰角測量值。

4）校準/測試裝置：向天線模擬飛機發(fā)送一個1090MHz的脈沖，使系統(tǒng)可實時進行自檢。

5）數(shù)據處理基站：基站包括中央處理器和設備架。主要處理從方位和仰角天線中提取的測量值，并計算出引導誤差值。

6）數(shù)傳裝置：數(shù)傳裝置包括數(shù)傳天線和設備架中的引導信號發(fā)射機。數(shù)傳鐵塔上有航向、下滑數(shù)傳天線和監(jiān)測天線。

7）數(shù)傳監(jiān)控裝置：通過數(shù)傳天線接收航向臺和下滑臺引導信號，并對其進行監(jiān)視。

8）以太網絡：主要負責數(shù)據處理基站和方位天線、仰角天線之間控制信號和數(shù)據信號的傳送。

應答著陸系統(tǒng)一般安裝在進近方向跑道的著陸點附近，并可前后平移91m，左右平移106m。TLS放置在這個區(qū)域內的任何位置都可以為飛機提供最大15°的偏移進近。其標準配置如圖1所示。

圖1　TLS的組成及配置Fig.1 Composition and configuration of TLS

需要注意的是，盡管應答著陸系統(tǒng)的安裝地點靈活，但各組成部份之間的距離是有一定要求的。

2　TLS工作流程

TLS通過測量飛機二次雷達應答機應答信號的載波相位和到達時間，確定飛機的方位角、俯仰角和距離。然后將這些位置信息模擬成ILS相應的信號格式發(fā)送出去，飛機的ILS接收機接收到信號后，將其轉換為控制信息和指示信息，使飛機實現(xiàn)自動著陸或人工著陸。該過程主要分為詢問搜索和導航引導兩個階段［3-4］，如圖2所示。

圖2　TLS工作流程Fig.2 The working process of TLS

（1）詢問搜索階段

飛機到達進近著陸端口時，TLS在其跟蹤區(qū)內搜索該飛機應答機識別碼［5］。此時TLS開始發(fā)射帶有起始脈沖標志的1030MHz詢問信號，空中任何飛機應答機收到此信號后，均發(fā)出1090MHz的應答信號。方位和仰角天線在收到起始脈沖后的最初一段時間內，儲存跟蹤區(qū)內所有飛機發(fā)回的1090MHz應答脈沖，以及載波信號的測量值。然后，TLS在發(fā)回的應答機脈沖中搜尋指定的識別代碼。

（2）導航引導階段

當指定代碼被識別后，系統(tǒng)就開始計算此架飛機的位置信息。如果發(fā)現(xiàn)兩個或兩個以上的飛機發(fā)回的應答信息具有相同的識別代碼，則停止發(fā)送引導信息，以避免產生危險或威脅飛行安全。

方位天線和仰角天線根據應答代碼相對于起始脈沖的到達時間（TOA）和根據載波信號的相位測量值計算得到的到達角度（AOA），通過數(shù)據處理基站計算出飛機的當前位置和飛行軌跡，與預定的進近軌跡對比后得出當前飛機的位置引導信息，并立即傳送給飛機。

整個過程以10Hz的頻率循環(huán)進行，一直持續(xù)到飛機到達復飛點。此時，系統(tǒng)轉為診斷模式進行校準測試，如果測試合格，TLS將轉為待命模式，等待執(zhí)行下一次目標飛機的搜索和導航。

3　TLS工作原理

3.1TLS測角原理

TLS采用相位干涉式測角算法［6-7］，2個接收天線同時接收飛機的應答信號，不同方位上飛機應答器發(fā)射的無線電信號到2個接收機的距離不同，因而相位也不同。只要測出它們的相位差就可確定飛機的方位。

如圖3所示，假設相位干涉式測向器的兩個接收天線位于A、B兩點，它們之間的距離為d，飛機M偏離基線中垂線的方位為θ。相位計測得M處飛機應答信號的相位差為φ，則有：

圖3　TLS測角原理Fig.3 The angle measurement principle of TLS

式中，λ為信號波長，當RA?d，RB?d時：

由式（3）可知，當d和λ為已知時，只要測得相位差φ，就可確定飛機方位θ。

這種測向器的測向準確度，除了傳播條件的影響，主要還取決于基線長度和飛機所在方位。據式（3）可以得到方位誤差與測向誤差之間的關系為：

由式（4）可以得出如下結果：

1）在θ=0°的方向上，即在基線的中垂線上，定向的準確度最高，偏離這個方向，定向準確度將降低。因此，用這種干涉式相位定向器測向時，只要設定一個最低準確度Δθmin，就會在基線中垂線兩側存在一個有效扇形區(qū)，扇形區(qū)以外的測向準確度就不符合要求了。顯然，這個扇形區(qū)的邊界為：

TLS的仰角和方位天線安裝在著陸點附近，仰角天線基線垂直于地面，方位天線基線垂直于跑道，進入進近著陸范圍的飛機基本位于仰角和方位天線基線的中垂線上，測量角度在10°以內，其定向的準確度可以得到保證。

2）在其他條件相同的情況下，基線長度d越大，測向準確度越高。但是，當d增加到大于λ/2時，在0°～±90°的方位范圍內，就不能單值定向了。

為了保證在-90°～90°的方位范圍內，能高精度的單值定向，有時需要在一條直線上設置兩個或更多不同基線長度的定向器，長基線的定向器保證測向的高精度，短基線的測向器用于消除長基線的多值性。

TLS的仰角天線采用4組天線，方位天線采用3組天線，長基線的天線保證測向的高精度，短基線的天線消除了長基線天線的多值性。

3.2TLS測角過程

TLS測角電路 （以仰角信號為例）組成包括：天線、RF濾波器、RF接收裝置、本機振蕩器、鑒頻器、相位幅值測量單元、相位獲取單元、存儲器和檢測器等［1-2］，如圖4所示。

4個仰角天線接收的飛機應答信號經過RF濾波器濾除雜波之后送入RF接收裝置處理，和本機振蕩器的頻率相乘后進行下變頻，下變頻后各信號間的相位關系不變，將下變頻的四路信號中的一路作為參考信號，計算出該參考信號與其余3個信號的差分載波相位，實現(xiàn)3個天線陣列孔徑，得到低、中、高3個不同分辨率的相位測量值。參考天線信號通過專用通道3，其他3個信號通過RF接收裝置中的開關被多路傳輸?shù)?個RF接收器通道1、2，送入相位幅值測量電路進行相位和幅度測量，并為相位獲取單元提供記錄的視頻信號A、B、C和數(shù)字化的相位數(shù)據a、b，用于信號處理。參考天線信號被送入鑒頻器進行鑒頻，得到飛機相對TLS的多普勒頻率模擬信號，反映多普勒頻率模擬信號和反映相位誤差的模擬信號送入相位獲取電路進行A/D轉換，轉換后的數(shù)字信號送入CPU進行處理，補償多普勒頻率誤差，消除多路徑干擾，最后得到飛機的角度值，輸入到基站中的處理器。

圖4　TLS測角原理框圖Fig.4 Angle measurement block diagram of TLS

3.3TLS測距原理

TLS采用 “詢問—回答”式脈沖測距原理實現(xiàn)距離測量，如圖5所示。

機載應答機接收到地面詢問設備的脈沖信號后，經過一個固定的延時，向地面詢問設備發(fā)射回答信號。

詢問信號經過時間和t1到達機載測距應答器，測距應答器經接收、解調、譯碼、固定延時τ′、編碼、調制后發(fā)射應答信號，應答信號經過時間t2到達地面設備。

設Δt為地面系統(tǒng)發(fā)射詢問信號到接收到應答信號之間的時間間隔，τ為信號在機載測距應答器中傳輸、處理和固定延時τ′的總和，不同測距應答器傳輸、處理信號的時間可能有差異，可以通過調整固定延時τ′，保證不同測距應答器總延時相同，即τ為常數(shù)。因此飛機距跑道著陸點的斜距R為：

式中，C為電波傳播速度。

3.4TLS測距過程

TLS測距電路主要由中央處理器、編碼器、發(fā)射機、接收機、譯碼器、距離產生器和同步信號單元組成，如圖6所示。

圖5　TLS測距原理圖Fig.5 Range measurement of TLS

圖6　TLS測距原理框圖Fig.6 Range measurement block diagram of TLS

中央處理器控制編碼器進行編碼，編碼后產生一個事先約定的脈沖碼輸出到發(fā)射機發(fā)送給飛機，進行測距詢問。機載應答器接收到詢問信號后處理并發(fā)射應答信號，接收機接收到飛機的應答信號，由譯碼器首先進行譯碼，譯碼器將事先符合約定的脈沖譯碼后送到距離產生電路，和同步信號進行比較后產生反映距離信息的方波信號，該信號送入中央處理器進行距離計算，得到飛機的距離信息。

4　TLS的應用特性

目前，TLS可在云底高61m、能見度約800m的惡劣天氣及夜間飛行使用，是FAA認可的I類精密進近著陸系統(tǒng)，具有下列特性：

1）TLS可勝任復雜地形條件下的工作，它精確的校準系統(tǒng)極大地降低了地形對導航精度的影響，且占地小，土建投資很少，安裝地點靈活，尤其適合于山區(qū)機場。

2）TLS可采用非線性方式進近［2］，可移動飛行路徑來避開地面障礙物，可最大偏離跑道中心線15°進近。

3）TLS則可以模擬航向臺、下滑臺和多達6個指點標臺信號。

4）TLS采用數(shù)學模型描述航跡，使用數(shù)據庫存儲ILS參數(shù)，利用數(shù)學方式確定已知飛機著陸點的相對航跡并數(shù)字化模擬進近，在整個進近過程中確定與ILS相同的坐標。

5）TLS具有部分類似于雷達的功能，可使用軟件對飛機進近過程進行記錄和回放。

不難看出，作為I類精密進近導航系統(tǒng)，TLS顯然更適合于那些地形較復雜的支線機場。它獨具對地形要求靈活、非線性進近和最大偏移15°進近這三大優(yōu)勢，再加上簡便的安裝和與ILS兼容的機載設備這兩個特點，使得它非常受機場當局和航空公司的歡迎，利用數(shù)學模型模擬進近航跡還具有較高的安全性。

5　結論

TLS作為一種新型的精密進場著陸引導系統(tǒng)，彌補了ILS的不足與缺點，為未來的機場導航、災難救援、戰(zhàn)場支援等提供可靠的保障。TLS應用ILS已有的接收機、顯示器和雷達應答機，不需要再添加新的設備，節(jié)約了成本，縮短了飛行員對新系統(tǒng)的培訓時間。TLS是以應答機為基礎的Ⅰ類著陸系統(tǒng)，大大地提高了機場和航站的可用性，對場地環(huán)境的要求很低，尤其適用于自然條件比較惡劣的民用機場和軍用移動導航。就我國的實際情況來看，大部分地區(qū)的自然環(huán)境和機場建設條件十分有限，采用TLS將會為我國的軍民用機場建設奠定堅實的基礎。

［1］ Transponder-based precision approach guidance system ［Z］.323cool ed1-vo，ANPC，USA，2003.

［2］ Winner K，Kuehn B R.Transponderlanding system［P］. United States Patent，US469654B1，2002.

［3］ 魏童，周濤.應答著陸系統(tǒng)簡介［J］.空中交通管理，2003（2）：37-39. WEI Tong，ZHOU Tao.Summary of transponder landing system［J］.Air Traffic Management，2003（2）：37-39.

［4］ 張尉，徐炎祥.二次雷達原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009. ZHANG Wei，XU Yan-xiang.Principle of the secondary rader［M］.Beijing：National Defense Indutry Press，2009.

［5］ 黎廷璋，張德馨.空中交通管制機載應答機［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1992. LI Ting-zhang，ZHANG De-xin.The air traffic control airborne transponder［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1992.

［6］ Karl Winner.Application of thetransponder landing system to achieve airport accessibility［EB/OL］.http：//www. ANPC.com.

［7］ 龔享銥，袁俊泉，蘇令華.基于相位干涉儀陣列多組解模糊的波達角估計算法研究［J］.電子與信息學報，2006，28（1）：55-59. GONG Xiang-yi，YUAN Jun-quan，SU Ling-hua.A mutilpareunwrapambiguityofinterferometerarrayfor estimation of direction of arrival［J］.Journal of Electronics &Information Technology，2006，28（1）：55-59.

TLS—A New Landing System

YANG Yi-huan，LI Bing，CHEN Yang
（92187 Troops of PLA，Changzhi 046011）

Transponder landing system（TLS）is a transponder based precise approach landing system.It was recognized as CATI precise approach navigation system by FAA and reached the precision standard of ICAO.This paper introduced the composition，configuration and working process of TLS.It analyzed the angle and range measurement principle of the system.Then it expounded the application characteristics and main performance of the system.It also laid a solid foundation for the development of navigation system.

transponder landing system；angle measurement；range measurement；features

TN966

A

1674-5558（2016）01-01100

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.004

2015-04-09

楊益歡，男，助理工程師，研究方向為無線電導航。