曹 陽，孟 茁

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

在飛機(jī)的整個飛行過程當(dāng)中，著陸是非常重要的一個階段。根據(jù)民航局相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，有超出59%的飛行事故發(fā)生在飛機(jī)著陸環(huán)節(jié)當(dāng)中。飛行員在駕駛飛機(jī)進(jìn)行著陸過程中，如果依靠目視進(jìn)行著陸，對天氣條件、環(huán)境因素等要素會有相當(dāng)高的要求，否則很難保障著陸安全。為了保障飛機(jī)在各種惡劣的氣象環(huán)境下都能夠完成100%安全著陸，需要采用無線電導(dǎo)航等輔助設(shè)備，為飛機(jī)著陸提供高精度的安全引導(dǎo)方案，同時實時地把航道的偏差度等精準(zhǔn)數(shù)據(jù)提供給飛行員作為參考。儀表著陸系統(tǒng)（ILS）是目前國內(nèi)最為普遍的飛機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)[1]。

常規(guī)的機(jī)場地面導(dǎo)航設(shè)備需要定期進(jìn)行校驗，目前由中國校飛中心承擔(dān)此項工作，采用灣流飛機(jī)按照校驗飛行手冊規(guī)定的航線及科目進(jìn)行校飛。通過機(jī)載設(shè)備采集空間信號傳送至地面，由調(diào)校技術(shù)人員使用專業(yè)調(diào)校設(shè)備對地面導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行調(diào)校工作，用來確保儀表著陸系統(tǒng)的高精準(zhǔn)度。

傳統(tǒng)設(shè)備造價昂貴，靈活性差，很難滿足對于ILS的周期性校驗需要，為了解決這一問題，設(shè)計一款基于無人機(jī)的航向、下滑校驗機(jī)載設(shè)備，充分利用無人機(jī)校飛靈活、校飛過程中可以懸停等優(yōu)勢，替代灣流飛機(jī)及相關(guān)機(jī)載校驗設(shè)備，模擬調(diào)校驗機(jī)實現(xiàn)ILS的航向、下滑線各項校飛項目的精準(zhǔn)校驗[2]。

2 機(jī)載接收機(jī)設(shè)計

機(jī)載接收機(jī)按照功能可以分為LOC/VOR通道、下滑通道、信標(biāo)通道、模擬分機(jī)、控制分機(jī)、電源/機(jī)架分機(jī)幾個部分[3]，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1機(jī)載接收機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖

在圖1所示的各部分模塊當(dāng)中，控制分機(jī)單元負(fù)責(zé)對接收機(jī)的加電控制，也負(fù)責(zé)對工作模式的控制；電源/機(jī)架分機(jī)單元負(fù)責(zé)為接收機(jī)各個分機(jī)進(jìn)行信號交換及通路供電。機(jī)載接收機(jī)通過設(shè)計的工作模式，接收并處理地面電臺發(fā)送的信號。設(shè)備在接收處理下滑臺或航向臺的信號時，通過對接收到的90Hz頻率的信號與150Hz頻率的信號的調(diào)制度差進(jìn)行計算[4]，同時在航向通道當(dāng)中還要解出1020Hz臺址識別音頻信號。

3 儀表著陸系統(tǒng)信號處理

3.1 ILS信號處理流程

儀表著陸的信號處理流程大致如下：

首先航向以及下滑的中頻信號要經(jīng)過A/D采樣，將直流信號的波形通過高通濾波器進(jìn)行濾除，然后AM調(diào)制解調(diào)器將處理后的信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)之后，再次使用帶通濾波器將不同頻率的信號分離出來，并計算其強(qiáng)度，最終得出調(diào)制度差，算出莫爾斯碼。

這個信號處理過程使用的帶通濾波器是有要求的，要求配有鑒頻器，使得輸出信號的頻率誤差在可接受的范圍之內(nèi)。如果符合要求，系統(tǒng)會將信號處理結(jié)果以及CIC濾波器的中頻信號強(qiáng)度自動產(chǎn)生告警和自檢信號，并根據(jù)告警情況，將最終信號處理結(jié)果輸入到雙口RAM所對應(yīng)的單元中去。信號處理流程如圖2所示。

圖2信號處理流程圖

3.2 調(diào)制度差計算方案

在儀表著陸系統(tǒng)當(dāng)中，90Hz頻率的信號和150Hz頻率的信號的調(diào)制度，在航向通道上的值為40%，而在下滑通道上的值為80%[5]，由此根據(jù)AM信號產(chǎn)生公式如下：

AM信號解調(diào)后的公式則為：

從上述公式可得出如下結(jié)論：在調(diào)制信號當(dāng)中，交流部分的幅值跟調(diào)制度成正比關(guān)系，依據(jù)ILS當(dāng)中的信號特征，在此利用調(diào)制度和為固定值的這一特性，就能夠在不需要知道載波信號強(qiáng)度的條件下，根據(jù)90Hz頻率的信號以及150Hz頻率的信號的比例情況，從中計算出調(diào)制度差。調(diào)制度差的計算公式為：

式中A代表了90Hz頻率的信號的幅度，B代表了150Hz頻率的信號的幅度，這兩種信號調(diào)制度差計算結(jié)果為DDM。把上面公式中的40%數(shù)值替換成80%的數(shù)值，就可以進(jìn)行下滑通道的測試。

4 濾波器設(shè)計

4.1 IIR濾波器

信號在經(jīng)過A/D采樣之后，分別會將90Hz頻率的信號和150Hz頻率的信號濾出。在計算調(diào)制度差時，會用到90Hz頻率的信號和150Hz頻率的信號濾出的結(jié)果，對于IIR的數(shù)字濾波器，設(shè)計可通過如下五個步驟實現(xiàn)[6]：

1)把數(shù)字濾波的技術(shù)指標(biāo)通過相應(yīng)規(guī)則，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)；

2)將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，使用濾波器階數(shù)選擇函數(shù)，計算得出最小階數(shù)N以及固有頻率Wn；

3)根據(jù)最小階數(shù)N產(chǎn)生的結(jié)果，作為模擬濾波器的原型；

4)模擬低通濾波器原型，根據(jù)固有頻率Wn將其轉(zhuǎn)換成模擬的高通、低通以及帶通、帶阻濾波器；

5)根據(jù)雙線性變換法或者沖激響應(yīng)不變法兩種法則，將模擬濾波器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字濾波器。具體實現(xiàn)框圖如圖3。

圖3 IIR濾波器原理框圖

4.2 CIC濾波器

在儀表著陸系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，由于部分信號對濾波器的濾波要求相對比較寬，設(shè)計采用積分梳狀濾波器（CIC），負(fù)責(zé)為低通濾波器濾出二次諧波，可在濾波過程中避免不必要的運算，為機(jī)載設(shè)備充分節(jié)省資源。在積分梳狀濾波器當(dāng)中，沖激響應(yīng)形式如下列公式所示：

式中，D代表濾波器階數(shù)。CIC濾波器對Z的變換可由下式所示：

式中：

CIC濾波器實現(xiàn)過程框圖如圖4所示[7]。

圖4 CIX濾波器原理框圖

4.3 高通濾波器

由于A/D轉(zhuǎn)換器在工作過程中的直流偏置不夠準(zhǔn)確，在濾波濾出的數(shù)字中頻信號中包含了直流分量，如果不把這些直流分量去除，就會影響到AM解調(diào)結(jié)果，從而降低最終精度。本系統(tǒng)中，直流分量信號通過高通濾波器濾除[8]。高通濾波器的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5高通濾波器原理框圖

通過計算輸入信號與CIC濾波器的輸出內(nèi)容的差值，就得出了高通濾波器的濾波后的結(jié)果。CIC濾波器本質(zhì)上是一種滑動均衡器，所以CIC濾波器的輸出本質(zhì)上就是信號中的直流成分大小。輸入信號減去直流成分，即實現(xiàn)了高通濾波器的功能。

5 結(jié)束語

該型機(jī)載接收機(jī)在無人機(jī)測控方面屬于國內(nèi)首創(chuàng)。作為一款基于無人機(jī)的ILS飛行校驗機(jī)載接收機(jī)，其具有高精度的運行標(biāo)準(zhǔn)，掛載也方便快捷，加上設(shè)計重量輕、占用空間小、工作能耗低等諸多優(yōu)勢，可為無人機(jī)校飛提供有力的硬件條件支撐。