閆 樸

(大連國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司,遼寧 大連 116033)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市規(guī)模的快速擴(kuò)張,越來(lái)越多的機(jī)場(chǎng)逐漸被建筑物和工業(yè)設(shè)施所包圍,航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)站的電磁環(huán)境也愈發(fā)復(fù)雜,同時(shí),作為飛機(jī)進(jìn)近階段最為依賴(lài)的導(dǎo)航設(shè)備,儀表著陸系統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境的變化非常敏感。為評(píng)估這種變化帶來(lái)的影響,最有效的方法是進(jìn)行飛行校驗(yàn),但該方法成本高、過(guò)程復(fù)雜、驗(yàn)證周期長(zhǎng),難以及時(shí)、逐一驗(yàn)證機(jī)場(chǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種突發(fā)事件。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,計(jì)算電磁學(xué)成為一種較為經(jīng)濟(jì)、便捷的電磁環(huán)境評(píng)估手段。針對(duì)儀表著陸系統(tǒng)受電磁環(huán)境影響的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了多種計(jì)算電磁學(xué)方法開(kāi)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(shí)際運(yùn)行中,由于儀表著陸系統(tǒng)下滑信號(hào)由直達(dá)波和地面反射波合成這一特殊性,導(dǎo)致其反射信道極易受到遮蔽物的影響,因此,有必要針對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行中典型的違規(guī)事件——場(chǎng)地保護(hù)區(qū)入侵和違規(guī)修建建筑物等問(wèn)題,進(jìn)行遮蔽影響分析。

對(duì)于航空器、建筑物等電大尺寸目標(biāo),通常采用幾何光學(xué)法、幾何繞射理論、物理光學(xué)法、多極子算法等進(jìn)行仿真和并行計(jì)算[4-6]。這些方法精度較高,但考慮到十幾公里以上的計(jì)算范圍,需要的計(jì)算資源非常龐大。為此,采用了鏡像理論和下滑信號(hào)空間合成原理結(jié)合的手段進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)遮蔽影響的快速評(píng)估。

1 下滑信號(hào)空間合成原理

對(duì)于機(jī)載接收機(jī),調(diào)制度差(DDM)是儀表著陸系統(tǒng)(ILS)信號(hào)最重要的參數(shù)之一[7],航空器通過(guò)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(hào)決定：

(1)

式中:φ為SBO和CSB信號(hào)的相位差; SBO為雙邊帶抑制載波信號(hào)。

ESBO(t)=ESBO(-msinω90t+

msinω150t)sinωct,

(2)

CSB為載波加邊帶信號(hào)

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(hào)的幅度。載波頻率ωc=2πfc,m為調(diào)制度。

儀表著陸系統(tǒng)下滑天線陣由兩個(gè)或三個(gè)對(duì)數(shù)周期天線陣子組成。根據(jù)儀表著陸系統(tǒng)場(chǎng)地保護(hù)規(guī)范[8],下滑天線前方場(chǎng)地要求平坦,所以對(duì)于頻率范圍為328.6～335.4 MHz的下滑信號(hào),地面可簡(jiǎn)化為平面。因此,對(duì)于空中任意一點(diǎn)R,接收到的信號(hào)由每個(gè)天線陣子的直達(dá)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(dá)波

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

(4)

則R點(diǎn)合成場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為

(5)

對(duì)于不同的下滑天線型號(hào),各天線陣子的激勵(lì)也不同。以三陣子的M型天線系統(tǒng)為例[8],CSB和SBO的表達(dá)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(jiǎn)寫(xiě)為

ECSB(θ)=2ACSB(V1-0.5V2),

(8)

ESBO(θ)=2ASBO(0.5V1-V2+0.5V3).

(9)

根據(jù)式(1),

DDM=(V1-0.5V2)/0.117

(0.5V1-V2+0.5V3).

(10)

2 合成信號(hào)誤差分析

根據(jù)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(shè)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(xiàn)象,因此反射波存在一定的相位誤差φ.對(duì)式(1)求φ=0處的微分得

(11)

因此,非直達(dá)波地面散射引入的少量相位誤差對(duì)于評(píng)估DDM可以忽略。

若接收機(jī)與天線之間存在遮蔽物,則式(10)應(yīng)當(dāng)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(hào)傳播至接收機(jī)時(shí)的遮蔽因子,該數(shù)值為1代表不受遮蔽,為0代表完全被遮蔽。只要計(jì)算出空中任一點(diǎn)P的da至df的值,即可得該點(diǎn)受遮蔽物影響后的DDM值。

對(duì)于兩個(gè)天線陣子組成的天線陣,DDM誤差的計(jì)算方法與三天線類(lèi)似。

3 鏡像理論

根據(jù)上文分析,地面可視為平面,則天線、遮蔽物、接收機(jī)的關(guān)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(jī)間存在一個(gè)等效高度為Hz、距天線為s的遮蔽物,則遮蔽物對(duì)信號(hào)的影響范圍如圖2中陰影所示。

空中任一點(diǎn)R(x,y)受遮蔽的影響可通過(guò)式(13)、(14)計(jì)算

(13)

(14)

對(duì)于上天線,由式(13)可得到da(x,y),組成矩陣DA.對(duì)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(jù)式(12),得到受影響的DDM′。再根據(jù)式(10),得到正常的DDM值。兩者差值為DDM偏差。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

按照ΔDDM計(jì)算方法,使用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)了處理程序,并使用MATLAB GUI制作了軟件界面。該程序能根據(jù)指定的下滑臺(tái)發(fā)射機(jī)頻率和下滑角自動(dòng)計(jì)算M型天線掛高,并自動(dòng)生成正常情況下的DDM值分布圖,計(jì)算范圍涵蓋儀表著陸系統(tǒng)下滑臺(tái)覆蓋范圍[9],即水平方向?yàn)?00 m以外、18.5 km(10海里)以?xún)?nèi),垂直方向?yàn)榈仄矫嫔?.75倍下滑角,即1.75θ,按最遠(yuǎn)處計(jì)算為2 280 m.再根據(jù)指定的障礙物高度以及天線距障礙物的距離,計(jì)算DDM受影響的范圍及大小,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)下滑道寬度θ×(1±12%),生成下滑扇區(qū)內(nèi)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(duì)比

為進(jìn)行仿真測(cè)試,在儀表著陸系統(tǒng)保護(hù)區(qū)[10]內(nèi)、下滑信標(biāo)與接收機(jī)之間放置三個(gè)測(cè)試遮蔽物,如圖4所示。其中Z1點(diǎn)為車(chē)輛,高1.8 m,距天線100 m,模擬某一車(chē)輛誤入保護(hù)區(qū);Z2點(diǎn)為飛機(jī)尾翼,高12.5 m,距天線300 m,模擬一架型號(hào)為737～800的正常航班在天線前方的聯(lián)絡(luò)道上等待;Z3點(diǎn)為房屋,高3 m,距天線900 m,模擬修建臨時(shí)建筑物的情況。

圖4 測(cè)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(duì)值,(b)圖為儀表著陸系統(tǒng)生產(chǎn)商N(yùn)ORMAC公司提供的仿真結(jié)果。

分別對(duì)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(diǎn)、Z2點(diǎn)、Z3點(diǎn)DDM偏移大小、趨勢(shì)、產(chǎn)生偏移的距離與生產(chǎn)商提供的仿真結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了仿真思想的正確性。計(jì)算所得的DDM值可與民航法規(guī)進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件定性分析。

圖5 Z1點(diǎn)DDM偏差(a)軟件仿真；(b)NORMAC仿真

圖6 Z2點(diǎn)DDM偏差(a)軟件仿真；(b)NORMAC仿真

圖7 Z3點(diǎn)DDM偏差(a)軟件仿真；(b)NORMAC仿真

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)天線鏡像理論和儀表著陸系統(tǒng)下滑信號(hào)空間合成原理,分析了遮蔽物對(duì)下滑信號(hào)的影響。仿真實(shí)驗(yàn)表明,針對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行中最常發(fā)生的場(chǎng)地保護(hù)區(qū)入侵問(wèn)題和違規(guī)修建建筑物等情況,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速評(píng)估,為機(jī)場(chǎng)管理機(jī)構(gòu)和空中交通管理部門(mén)提供決策依據(jù)。

[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(qiáng),吳德偉,謝 蕾. 微波著陸系統(tǒng)模擬試驗(yàn)電磁相似性分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(2):303-310.

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

[4]王 楠. 現(xiàn)代一致性幾何繞射理論[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)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(fù)雜目標(biāo)電磁特性的高效精確并行計(jì)算[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),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(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心,空軍裝備研究院通信,等.GB 6364-2013,航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

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

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