王力，張?zhí)扈?/p>

（中國民用航空飛行校驗中心，北京 100621）

0　引言

目前國際飛行校驗領(lǐng)域采用兩種方法對航向信標(biāo)的覆蓋進(jìn)行評估，一種是以導(dǎo)航接收機(jī)輸出的功率或電壓為評估依據(jù)，單位為dBm或μV；另一種是以信號的空間場強(qiáng)為評估依據(jù)，單位為 μV/m或 dBW/m2。世界上多數(shù)飛行校驗組織均以導(dǎo)航接收機(jī)輸出的功率或電壓作為評估依據(jù)。那么，如何在飛行校驗中準(zhǔn)確測量航向信標(biāo)空間信號場強(qiáng)，如何對比和研究不同標(biāo)準(zhǔn)之間的差異就成為重要且必須解決的問題。

航向信標(biāo)是儀表著陸系統(tǒng)重要的組成部分，它能為處于進(jìn)近過程中的飛行器提供在水平方向的精密引導(dǎo)。對航向信標(biāo)信號覆蓋的飛行校驗，不同的規(guī)范對其覆蓋的容限要求也有不同的規(guī)定形式。

ICAO 8071文件[1][2]第一卷第4章關(guān)于ILS的飛行校驗附表 I-4-7中對于航向信標(biāo)的電場強(qiáng)度（Field strength）要求為不低于 40 μV/m（-114 dBW/m2）；我國現(xiàn)行的《民用航空陸基導(dǎo)航設(shè)備飛行校驗規(guī)范》[3]第2.1節(jié)表1中第11項航向覆蓋內(nèi)容中要求航向信號場強(qiáng)大于或等于40 μV/m（-114 dBW/m2）。與上述規(guī)定形式不同，F(xiàn)AA 8200.1C[4]中第 15.60節(jié)中對航向信標(biāo)的覆蓋要求為：“Received RF signal strength must equal or exceed 5 μV or - 93 dBm”，即在覆蓋范圍內(nèi)導(dǎo)航接收機(jī)接收到的信號強(qiáng)度必須大于或等于5 μV或-93 dBm。

從上述描述中可以看出，ICAO的相關(guān)規(guī)范中對航向信標(biāo)覆蓋的要求是以信號的空間場強(qiáng)作為衡量單位來評價的，我國現(xiàn)行的飛行校驗規(guī)范與ICAO的相關(guān)規(guī)范是一致的。FAA的相關(guān)規(guī)范中對航向信標(biāo)覆蓋的要求是以到達(dá)導(dǎo)航接收機(jī)的信號電平或信號強(qiáng)度來表達(dá)的。

由于不同型號飛機(jī)機(jī)體反射的差異以及航向接收天線之間的差異，相同的空間場強(qiáng)到達(dá)導(dǎo)航接收機(jī)的信號強(qiáng)度會有所不同。因此，導(dǎo)航接收機(jī)的信號強(qiáng)度來評價航向信標(biāo)的覆蓋將會因飛機(jī)型號的不同而得到不同的結(jié)果。如何排除這些影響，建立空間場強(qiáng)與信號強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并最終獲得航向信標(biāo)空間信號場強(qiáng)測量結(jié)果，一直是比較棘手的問題。

本文通過對機(jī)載飛行校驗系統(tǒng)航向天線的天線系數(shù)及方向圖進(jìn)行測量，建立空間場強(qiáng)與信號強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并最終獲得航向信標(biāo)空間信號場強(qiáng)測量結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對向信標(biāo)覆蓋檢查的ICAO標(biāo)準(zhǔn)與FAA標(biāo)準(zhǔn)之間的差異進(jìn)行對比、分析和研究，最終提出縮小兩種標(biāo)準(zhǔn)之間差異的方案。

本文第1部分介紹了機(jī)載飛行校驗系統(tǒng)航向天線方向圖及天線系數(shù)的測量方法及測量結(jié)果，第 2部分介紹了場強(qiáng)與功率的換算關(guān)系，第3部分對航向信標(biāo)覆蓋檢查的ICAO標(biāo)準(zhǔn)與FAA標(biāo)準(zhǔn)之間的差異進(jìn)行對比、分析，并提出縮小兩種標(biāo)準(zhǔn)之間差異的方案，第4部分對全文進(jìn)行了總結(jié)。

1　航向天線方向圖及天線系數(shù)測量

1.1　測量方法

本次使用雙錐天線HK116、標(biāo)準(zhǔn)天線VHA9103 sn2644、安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNB、不含金屬器件的天線升降塔，以山西呂梁大武機(jī)場停機(jī)坪作為開闊試驗場。本次測量對象為 B-9330飛機(jī)機(jī)載飛行校驗系統(tǒng)的航向天線，待測對象如圖1所示。

圖1　待測天線系統(tǒng)

1.1.1方向圖測量方法

以球坐標(biāo)系作為待測天線的坐標(biāo)系，設(shè)坐標(biāo)系的x-y平面與地面平行，其原點為飛機(jī)左右兩側(cè)的待測天線之間的中點，x軸指向機(jī)頭方向，順時針方向為方位角φ的正方向；z垂直向上，與z軸的夾角為仰角θ。示意圖如圖2所示。

圖2　方向圖測試示意圖

測量方向圖時，坐標(biāo)原點為圓心，使用雙錐天線HK116作為發(fā)射天線，沿半徑為22m的圓掃描，每隔10°測量一次傳輸系數(shù)S21。測量時分別以發(fā)射天線與待測天線等高（即90θ=°，對應(yīng)下滑角為0°），以及發(fā)射天線比待測天線低3°（即93θ=°，對應(yīng)下滑角為3°）的情況沿逆時針方向進(jìn)行測量，測量時天線主要以水平極化方式進(jìn)行測量。

1.1.2天線系數(shù)測量方法

測量天線系數(shù)時，發(fā)射天線HK116位于機(jī)頭正前方22m，分別與待測天線等高（424cm，即90θ=°）和不等高（309cm，即93θ=°）；待測天線為接收天線。把網(wǎng)分和電纜校準(zhǔn)完畢以后，測量S21。測量完飛機(jī)后，把發(fā)射天線移到停機(jī)坪另一個位置，然后把標(biāo)準(zhǔn)天線架設(shè)在發(fā)射天線前方 22m處，高424cm，模擬待測天線，采集 S21。最后，按照標(biāo)準(zhǔn)天線法，得到待測天線的天線系數(shù)。

1.2　測量結(jié)果

1.2.1方向圖測量結(jié)果

通過測量獲得了在（90θ=°）以及（93θ=°）條件下，航向天線在 ILS（儀表著陸系統(tǒng)）所有頻點的方向圖。圖3及圖4分別為頻率為108.5MHz，當(dāng)90θ=°以及93θ=°條件下的航向天線方向圖。其余測試結(jié)果由于篇幅限制，不在此一一列舉。

1.2.2天線系數(shù)測量結(jié)果

由于航向天線在 0°、90°、180°及 270°對于航向覆蓋的檢查十分重要，因此將這四個方位上的天線系數(shù)進(jìn)行了對比。根據(jù)方向圖測量結(jié)果和飛機(jī)正前方（0φ=°）天線系數(shù)的測量結(jié)果，可得到任意方位角上的主極化天線系數(shù)。表1中列舉出了90θ=°時四個主要典型方位（前后左右）上的主極化天線系數(shù)。表2中列舉出了93θ=°時四個主要典型方位（前后左右）上的主極化天線系數(shù)。

表1　飛機(jī)四個方向上的主極化天線系數(shù)（90θ=°）

圖3　108.5 MHz(90θ=°)對應(yīng)的航線天線方向圖

圖4　108.5 MHz(93θ=°)對應(yīng)的航線天線方向圖

表2　飛機(jī)四個方向上的主極化天線系數(shù)（93θ=°）

通過對機(jī)載飛行校驗系統(tǒng)航向天線方向圖及天線系數(shù)的測量，獲得航向天線在不同頻率上、不同方位以及不同仰角的天線方向性增益和天線系數(shù)，通過天線系數(shù)就可以將飛行校驗系統(tǒng)得到的功率或電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信號的空間場強(qiáng)，從而實現(xiàn)對信號空間場強(qiáng)的測量。

2　場強(qiáng)與功率換算

獲得航向天線方向圖后，飛機(jī)可以根據(jù)方向圖的不同增益，相對于參考方位進(jìn)行補(bǔ)償（本次測量的參考方位為180°方位，因為在此方位航向信號受機(jī)身反射和遮擋影響最小)。依據(jù)方向圖，對航向天線不同方位增益補(bǔ)償后，只能確保同一架飛機(jī)在不同方向上都會有一致性的增益。但是，如果要保證不同校驗系統(tǒng)航向天線之間測量的一致性，那么就必須考慮天線系數(shù)。因為相同的空間場強(qiáng)，通過不同的天線系數(shù)轉(zhuǎn)換，會得到不同的功率或者電壓值。本部分將以天線系數(shù)為基礎(chǔ)，建立場強(qiáng)與功率或電壓的換算關(guān)系。

2.1　dBm與dBμV的換算關(guān)系

圖5　電路示意圖

如圖5所示電路，一個負(fù)載ZL連接到源阻抗為的電壓源 VS上接收到的功率PL為：

設(shè)在負(fù)載ZL=50Ω上產(chǎn)生電壓為 VL，單位為μV，則有：

2.2　dBm和μV/m的換算關(guān)系

2.2.1天線系數(shù)和方向圖應(yīng)用說明

借助于天線系數(shù)和方向圖，可以利用校驗飛機(jī)在某一測量不確定度范圍內(nèi)測量待測區(qū)域在指定方向上的場強(qiáng)值。具體說明如下。

設(shè)2個導(dǎo)航天線安裝于校驗飛機(jī)上以后，天線連同飛機(jī)整體產(chǎn)生的方向圖用Pa（f,φ,θ） 來表示，單位為dB，即無量綱；f為頻率，單位為Hz。

以飛機(jī)正前方的天線系數(shù)Fa（f,φ=0,θ）為基礎(chǔ)，利用天線方向圖Pa（f,φ,θ） 來計算來自校驗飛機(jī)成某一方位（）,φθ上的場強(qiáng)E在校驗飛機(jī)導(dǎo)航天線上感應(yīng)的分量E′的公式為式（3）：

式中，F(xiàn)a（f,φ=0,θ）為飛機(jī)正前方的天線系數(shù)，單位為 dB/m；Pa（f,φ=0,θ）為飛機(jī)正前方的方向圖電平，單位為dB；Pa（f,φ,θ）為在飛機(jī)方位(φ,θ)上的方向圖電平，單位為dB；E′（f,φ,θ）為由校驗飛機(jī)在方位(,)φθ上測量得到的電場強(qiáng)度，單位為dBμV/m。

令

則有

2.2.2Bm與μV/m的換算關(guān)系

根據(jù)式（2）及式（5）可把dBm換算成μV/m，即

或者

圖6　空間場強(qiáng)40μV/m時對應(yīng)的90°/270°方位的功率（電壓）值分布圖

3　航向覆蓋容限相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的對比及分析

3.1　容限對比

一般情況下，飛行校驗中航向信標(biāo)覆蓋檢查一般是以航向信標(biāo)發(fā)射天線為中心，做距離航向天線17海里，航向道兩側(cè)±35°的圓弧飛行，因此，機(jī)載航向天線主要是在相對于飛機(jī)機(jī)頭90°或270°方位進(jìn)行測量。

表3　空間場強(qiáng)40μV/m時對應(yīng)的90°/270°方位的功率（電壓）值

3.1.1空間場強(qiáng) 40μV/m 時對應(yīng)的 90°/270°方位的功率（電壓）值

結(jié)合第二部分測得的天線系數(shù)，第三部分的公式（7）以及ICAO 8071文件對航向信標(biāo)覆蓋的容限為空間場強(qiáng)≥40μV/m，可以得到空間場強(qiáng)40μV/m對應(yīng)的 90°方位及 270°方位的功率值，結(jié)果如表 3所示，其分布圖如圖6所示。

3.1.2導(dǎo)航接收機(jī)輸出-93dBm時在90°/270°方位對應(yīng)的空間場強(qiáng)值

結(jié)合第二部分測得的天線系數(shù)，第三部分的式（6）以及FAA飛行校驗手冊對航向信標(biāo)覆蓋的容限導(dǎo)航接收機(jī)輸出≥-93dBm，可以得到信號強(qiáng)度為-93dBm 時對應(yīng)的 90°方位及 270°方位的空間場強(qiáng)值，結(jié)果如表4所示，其分布圖如圖7所示。

圖7　導(dǎo)航接收機(jī)輸出-93dBm時在90°/270°方位對應(yīng)的空間場強(qiáng)值分布圖

表4　導(dǎo)航接收機(jī)輸出-93dBm時在90°/270°方位對應(yīng)的空間場強(qiáng)值

3.2　結(jié)果分析

3.2.1以空間場強(qiáng)值作為航向信號測量容限標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)劣分析

通過表3或圖6可以看到：如果采用空間場強(qiáng)不小于40μV/m的標(biāo)準(zhǔn)作為航向信標(biāo)信號強(qiáng)度的容限，由于該容限使用空間場強(qiáng)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此有利于保持不同類型校驗及不同類型飛行校驗系統(tǒng)對航向信標(biāo)信號強(qiáng)度測量的一致性和準(zhǔn)確性。

但是，要使飛行校驗系統(tǒng)實現(xiàn)對空間場強(qiáng)的準(zhǔn)確測量卻不是件容易的事。從理論上嚴(yán)格來講，如果以空間場強(qiáng)不小于40μV/m的標(biāo)準(zhǔn)作為航向信標(biāo)信號強(qiáng)度的容限，則所有的校驗飛機(jī)的航向天線都需要進(jìn)行計量級的天線測量來獲得其天線方向性增益及天線系數(shù)，并且將所有的測量數(shù)據(jù)需要編寫進(jìn)軟件里，這樣成本高昂，工作量巨大，還需要對不支持空間場強(qiáng)測量的飛行校驗系統(tǒng)軟件進(jìn)行重新編寫和升級。以 RVA型飛行校驗系統(tǒng)和 Sierra 9205飛行校驗系統(tǒng)為例，由于生產(chǎn)廠家已經(jīng)倒閉，軟件支持中斷且廠家不開放軟件代碼，通過軟件實現(xiàn)校驗系統(tǒng)對空間場強(qiáng)的自動測量幾乎是不可能的。

除此以外，如果要滿足上述ICAO的容限標(biāo)準(zhǔn)，在航向天線系統(tǒng)進(jìn)行電纜更換或天線更換后就需重新對航向天線進(jìn)行測量，以一架校驗飛機(jī)平均三年更換一付航向天線的周期來算，多架校驗飛機(jī)長期累計下來的航向天線測量成本將是巨大的。

綜上所述，采用 ICAO的空間場強(qiáng)不小于40μV/m 的標(biāo)準(zhǔn)作為航向信標(biāo)信號強(qiáng)度容限的優(yōu)點是：能夠保持不同類型校驗飛機(jī)及飛行校驗系統(tǒng)航向信標(biāo)信號強(qiáng)度校驗一致性和準(zhǔn)確性。缺點是：測量難度大，測量成本高，實現(xiàn)對現(xiàn)有飛行校驗系統(tǒng)軟件升級難度巨大。

3.2.2以導(dǎo)航接收機(jī)輸出功率（電壓）做為航向信號測量容限標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)劣分析

通過表4或圖7可以看到：

如果采用以導(dǎo)航接收機(jī)5μV（-93dBm）輸出作為航向信標(biāo)信號強(qiáng)度的容限，不同頻點上-93dBm所對應(yīng)的空間場強(qiáng)是不一致的，且數(shù)值明顯要高于ICAO規(guī)定的空間場強(qiáng)不小于40μV/m的容限設(shè)置。因此，采用FAA標(biāo)準(zhǔn)要比ICAO的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的多。

由于受航向天線方向性增益以及天線系數(shù)的影響，不同類型校驗飛機(jī)或飛行校驗系統(tǒng)上導(dǎo)航接收機(jī)的5μV（-93dBm）輸出對應(yīng)不同的空間信號場強(qiáng)，也就是說采用FAA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是無法從理論上保證實際空間信號測量的一致性和準(zhǔn)確性的。

但是采用FAA以導(dǎo)航接收機(jī)5μV（-93dBm）輸出作為航向信標(biāo)信號強(qiáng)度的容限也有其優(yōu)點：

首先，測量易于實現(xiàn)。由于僅需對導(dǎo)航接收機(jī)輸出進(jìn)行測量即可，因此對飛行校驗系統(tǒng)來說獲得航向信標(biāo)信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)是很容易實現(xiàn)的（目前我中心全部校驗飛機(jī)都能夠直接提供導(dǎo)航接收機(jī)信號強(qiáng)度輸出）。

其次，信號強(qiáng)度偏差易于補(bǔ)償。當(dāng)導(dǎo)航接收機(jī)輸出信號與標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器校準(zhǔn)信號產(chǎn)生較大偏差時，可以通過校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償。

綜上所述，采用 FAA以導(dǎo)航接收機(jī) 5μV（-93dBm）輸出作為航向信標(biāo)信號強(qiáng)度容限的優(yōu)點是：測量易于實現(xiàn)、信號強(qiáng)度偏差易于補(bǔ)償。缺點是：無法從理論上保證實際空間信號測量的一致性和準(zhǔn)確性。

3.3　減小兩種標(biāo)準(zhǔn)之間差異的方案

由3.2.1及3.2.2可知，無論是采用ICAO的容限標(biāo)準(zhǔn)還是采用FAA的容限標(biāo)準(zhǔn)，都有其優(yōu)缺點。由于目前Sierra 9205型和RVA型飛行校驗系統(tǒng)都采用 FAA的容限標(biāo)準(zhǔn)，即以導(dǎo)航接收機(jī) 5μV（-93dBm）輸出作為航向信標(biāo)信號強(qiáng)度的容限，而且，由于廠家不能提供軟件升級服務(wù)，所以，想實現(xiàn)對空間場強(qiáng)的測量以滿足ICAO標(biāo)準(zhǔn)的要求幾乎是不可能的。那么，有沒有辦法能在現(xiàn)有條件下，在允許的程度上，同時滿足兩種標(biāo)準(zhǔn)的要求呢?

通過圖5，可以看到，不同頻點上40μV/m對應(yīng)的功率（電壓）值，幾乎都分布在相對于均值（-98dBm）±2.5dB的范圍內(nèi)，可以滿足ICAO 8071上規(guī)定航向信號強(qiáng)度的測量允許有±3dB的測量不確定度的要求。因此，如果在校準(zhǔn)時在標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出端增加5dB的衰減，那么-93dBm的接收機(jī)輸出實際上就相當(dāng)于空間場強(qiáng)40μV/m對應(yīng)的功率（電壓）均值（-98dBm）。這樣在就可以在采用FAA容限標(biāo)準(zhǔn)條件下，在ICAO測量不確定度允許的范圍內(nèi)，良好的建立了FAA容限標(biāo)準(zhǔn)與ICAO容限標(biāo)準(zhǔn)之間的對應(yīng)關(guān)系。

對于相同機(jī)型（獎狀560）、相同飛行校驗系統(tǒng)(RVA)、相同航向天線的校驗飛機(jī)來說，彼此之間有相同的機(jī)身形狀及類似的電磁反射和遮蔽特性，有相同的內(nèi)部電氣特性，有較為一致的方向性增益和天線系數(shù)的天線特性，所以，可以直接使用相同的校準(zhǔn)衰減補(bǔ)償進(jìn)行一致性的補(bǔ)償。這樣就可以大大降低航向天線測量的成本，提高對空間實際信號測量的準(zhǔn)確性，保證ICAO標(biāo)準(zhǔn)和FAA標(biāo)準(zhǔn)的容限要求的一致性。

4　結(jié)論

本文通過對機(jī)載飛行校驗系統(tǒng)航向天線方向圖和天線系數(shù)的測量，以及對空間場強(qiáng)與信號強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行理論推導(dǎo)，建立了航向信號空間場強(qiáng)和接收機(jī)信號強(qiáng)度的關(guān)系，并最終獲得航向信標(biāo)空間信號場強(qiáng)測量結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，本文對向信標(biāo)覆蓋檢查的ICAO標(biāo)準(zhǔn)與FAA標(biāo)準(zhǔn)之間的差異進(jìn)行研究，最終提出縮小兩種標(biāo)準(zhǔn)之間差異的方案。