瞿淳清

（中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局設備維修中心，上海 200335）

民航空管專業(yè)涉及范圍廣、設備種類多，導航設備中的儀表著陸系統(tǒng)在飛機進近過程中起著關鍵作用。隨著航空業(yè)的逐年發(fā)展，設備加速更新使得運行保障要求不斷提高，然而對應的維護手段缺少技術革新。導航設備維護及系統(tǒng)檢測方法以靜態(tài)測試為主，大多直接通過監(jiān)控天線來獲取特定空間信號的數(shù)據(jù)，雖然方便快捷，但監(jiān)控位置單一，且獲取的是近地端數(shù)據(jù)。此外，通過具有移動屬性的外場測試儀及手持測試天線進行檢測，其優(yōu)點是位置選取更靈活，缺點是人力成本高、測試效率低下。某些大型機場還配備移動測試車輛，可以動態(tài)測試航向信號的水平分布值，如上海浦東國際機場的導航測試車可以升高天線來做下滑（GP，glide path）信號的垂直信號測試，雖然可獲取連續(xù)信號的分布，但設備升降不便、速度緩慢，且車載設備易損壞、測試風險大、維護成本高。以上信號采集方法雖然豐富多樣，能滿足不同場景、各種導航設備的測試需求，但測試都在近地端，無法真實反映高空信號的情況。另外，各類測試手段幾乎都受限于地形地貌，即便是移動測試車輛也只能在平坦且空曠的環(huán)境下作業(yè)。

鑒于以上缺陷，考慮在空中進行電磁信號的實時偵測，一方面避免地面多徑效應，另一方面解除地理環(huán)境的限制，捕獲連續(xù)、多方位、立體空間的信號。近年，在無人機控制應用方面出現(xiàn)了通過小型無人機天線測試系統(tǒng)實現(xiàn)厘米級系統(tǒng)定位技術[1]，可獲取更高的定位精度。在飛行校驗前能對無線電助航設備進行初步驗證的無人機系統(tǒng)[2]能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的飛行功能，對于特定要求的飛行姿態(tài)缺乏高效自動控制手段。旋翼無人機加載功能模塊后，可以對無人機有效控制[3-4]，實現(xiàn)空中懸停，為獲取特定位置的信號提供了有效方法。信號探測方面[5-6]的技術日趨成熟，無人機飛行姿態(tài)多樣化使得多架無人機可以同時進行多點定位和信號檢測，對于超高頻段（GHz），捕獲信號穩(wěn)定，并實現(xiàn)了一些簡單的導航設備在線監(jiān)測[7]和飛行校驗[8]功能。然而，在具備指定飛行功能并精準捕獲有效信號的基礎上，更需要擁有與飛行校驗飛機配套，甚至比飛行校驗更合理的算法，才能獲得具有較高參考價值的結(jié)果，從而與飛行校驗得到的結(jié)果進行對比。目前獲取信號關鍵參數(shù)的算法很少，且甚高頻段的機載接收設備較為龐大，影響飛機的靈活性和飛行高效性。

首先以工業(yè)無人機為平臺，通過搭載輕便機載接收設備獲取寬頻段（100 MHz～3 GHz）信號，加載具有高效精準定位能力的雙GPS 定位系統(tǒng)，實現(xiàn)空間信號的有效捕獲。相比于校飛飛機，六旋翼無人機擁有穩(wěn)定的懸停功能，在垂直方位上，獲取更精準、更穩(wěn)定的空間信號。以下滑信標為測試對象，對飛行難度高、數(shù)據(jù)意義大的校飛中的關鍵參數(shù)——入口高度（TCH，threshold crossing height）進行試探性分析。通過建立下滑天線空間信號模型，分別對下滑天線的近地和高空信號展開垂直剖面分析，結(jié)合飛行校驗數(shù)據(jù)處理方法，用最小二乘法擬合得出入口高度。此研究可為以后導航外場測試提供有效檢測手段，并為飛行校驗中的關鍵、難調(diào)參數(shù)的驗證提供依據(jù)。

1 飛行方案介紹

1.1 場址及跑道情況

測試機場的參考地理位置坐標為N24°32′39″，E118°07′40″（WGS-84），機場標高為18 m，磁差為-2°，跑道長寬為3 400 m×45 m，具體如表1所示。

表1 跑道規(guī)劃數(shù)據(jù)Tab.1 Runway Planning Data

因地形原因，兩個方向的入口標高相差6.6 m，其中23 號跑道外側(cè)數(shù)百米，即05 號跑道航向天線陣后方不遠處，已劃分于機場保護區(qū)之外，再經(jīng)過約20 m長的土坡，毗鄰公路，路面方向與跑道方向垂直，公路外側(cè)緊靠大海。

1.2 飛行方法

無人機具有垂直起降、指定軌跡移動、空中懸停等飛行功能，可實現(xiàn)對空間調(diào)制度差（DDM，difference in depth of modulation）和射頻（RF，radio frequency）信號的采集?，F(xiàn)對23 號跑道的下滑天線進行外場信號檢測，主要包括以下兩方面：①通過指定經(jīng)緯度信息，在該位置捕獲垂直梯度的RF 數(shù)據(jù)，從而獲得信號在垂直面的覆蓋分布；②通過跑道中心線延長線上的經(jīng)緯度信息，在下滑道所在垂面，距離23 號跑道入口不同水平距離位置，在該點垂直升降，獲取對應經(jīng)緯度上DDM 的垂直分布數(shù)據(jù)，由DDM 零點確定對應高度位置。根據(jù)距離跑道入口300～1 830 m 范圍的DDM 零點位置進行數(shù)據(jù)擬合，由擬合曲線外推至跑道入口上方位置點高度，即入口高度[9]。

考慮飛行效率，將地面工作站設定于機場保護區(qū)以外，海岸與05 號跑道航向天線陣之間的草坪作為無人機起飛點，便于無人機直接向海面上方的下滑道方向飛行。因地形復雜，從海面往跑道方向，中間依次是公路、土坡、草坪，每個位置海拔高度均有較大差異，如圖1所示，其中：土坡為20°斜坡，而草坪高度不平整；T 為入口高度；F 為天線陣前方295 m 位置測試點；D 為無人機距跑道入口的距離。對于下滑信標，垂直精度對飛機進近到著陸起關鍵作用。為消除無人機起飛點相對于下滑天線基座高度的差值，獲取正確的入口高度值，從以下兩方面入手：①每次選定相同起飛點（無人機以起飛點高度作為基準高度），確保所有數(shù)據(jù)相對于下滑天線基座的高度差相同；②根據(jù)垂直覆蓋分布，以下滑基礎位置為基準計算RF 垂直分布曲線，與實測值對比，確定與起飛點的高度差。

圖1 場地及飛行示意圖Fig.1 Terrain and flight procedure

圖2給出了無人機檢測外場信號的總體實施框圖。通過事先在接收機設定待測下滑天線工作頻率以獲取所需信號。無人機在空中接收到信號并處理后，通過數(shù)傳天線將結(jié)果饋送至地面站；無人機機身的GPS模塊通過飛控天線與地面站進行位置信息傳輸。在近場情況下，可以通過遙控器直接控制無人機，在遠場情況下，通過地面站進行定位和測試數(shù)據(jù)觀察。操作人員通過控制終端操控無人機空中作業(yè)，并進行實時監(jiān)控。

圖2 總體實施框圖Fig.2 Block diagram of overall arrangement

1.3 無人機數(shù)據(jù)處理

無人機根據(jù)測試位置的經(jīng)度、緯度、高度（以起飛點作為基準）飛行到指定位置點和位置區(qū)域進行測試，主要檢測的無線電參數(shù)為RF、DDM 和TCH，其中：RF 通過自主研發(fā)的微型頻譜儀進行檢測；DDM 通過解調(diào)載波調(diào)制信號分別檢測90 Hz 和150 Hz 調(diào)制度，并進行差值計算所得；TCH 通過目標區(qū)域段的采集數(shù)據(jù)點進行最小二乘法擬合曲線，外推至入口上方的高度值所得。目標區(qū)域段的理想值是在跑道中心線延長線上，距離跑道入口300～1 830 m。在實測過程中，通過選取距離跑道入口整百米的點，在其對應經(jīng)緯度的3°仰角附近垂直飛行，獲取DDM 分布并得出DDM 零點高度。各DDM 零點相對于跑道入口點的水平距離與各測試點相對于跑道入口點的水平距離一致，構(gòu)建數(shù)學模型如下

式中：xi，yi表示第i 個DDM 零點相對于跑道入口點的水平距離和高度；ξi表示隨機誤差；β0表示截距；β1表示斜率；n 表示DDM 零點數(shù)量。由上式建立擬合曲線為

式中：β0′表示截距β0的估算值；β1′表示斜率β1的估算值。根據(jù)式（1）和式（2）獲得殘差為

將β0′和β1′代入式（3）中，獲得線性回歸方程為

2 不同位置信號分布的比較

下滑天線實物模型參數(shù)以當?shù)貦C場23 號跑道數(shù)據(jù)為標準。M 型下滑天線[10]工作頻率f=333.2 MHz。航道發(fā)射功率PCOU=6 W，余隙發(fā)射功率PCLR=0.6 W。關于下滑天線輻射信號的數(shù)學模型可參見文獻[11-12]，因篇幅所限，不再贅述。

2.1 下滑信標信號分布

在下滑角3°上方DDM<0，機載接收設備給出往下飛行的指示，飛機偏離下滑道越遠，指針偏離中心距離越大[12]，反之亦然，DDM 分布如圖1側(cè)視圖所示。近場情況下，在天線正前方所在直線和跑道中心線的兩個平行位置，信號分布會產(chǎn)生明顯差異，現(xiàn)選擇圖1俯視圖中跑道入口中心點和F 點所在位置，通過模型計算對載波（CSB，carrier and sideband）信號展開分析。

2.2 跑道中心線信號分布

在跑道中心線上，距入口300、200、100、0 m 共4個位置，逐一計算0°～7°仰角范圍的航道和余隙信號分布，如圖3所示（θ 為仰角）。航道信號的分布特點為：低角度信號很小，高角度信號依次增大，直到下滑角3°的兩倍時，信號又回歸零點，隨著向入口方向推進，信號幅度整體變大，且波瓣往高角度方向移動（信號零點值從6°往7°方向移動）。余隙信號的分布特點為：在0°～6°范圍內(nèi)存在2 個波瓣，第1 個波瓣填補航道信號在低角度的信號分布，在下滑角3°位置附近達到信號最小值，以抑制對航道DDM 的干擾；第2 個波瓣隨著距離的變化也會發(fā)生偏移。

圖3 跑道中心線的天線垂直輻射場型Fig.3 Vertical radiation pattern in center line of runway

2.3 天線正前方信號分布

在近場情況下，天線正前方信號分布如圖4所示，其分布與跑道中心線分布的情況有明顯差異：在低角度下，相比于跑道中心線航道信號幅度有明顯提升；余隙信號原本在下滑角位置的最小值，隨著向天線方向距離的靠近，幅度迅速上升，對于距離跑道入口0 m垂面，在0°～7°范圍內(nèi)，下滑角位置對應的幅度變?yōu)椴ǚ?。此外，航道信號和余隙信號均會?°仰角上出現(xiàn)最小值，不隨水平距離變化而發(fā)生改變。

圖4 天線正前方的天線垂直輻射場型Fig.4 Vertical radiation pattern in front of glide path antenna

故對于近場測試，優(yōu)先選擇天線正前方位置進行射頻數(shù)據(jù)采集，仰角在6°零點是確定的，便于與實測數(shù)據(jù)對比分析。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 飛行航線

無人機在機場保護區(qū)以外的草坪上固定點起飛，根據(jù)經(jīng)緯度信息（WGS-84 坐標），飛至23 號跑道入口內(nèi)移坐標位置（N24°33′08.97″，E118°08′21.58″），再向磁北144.45°方向飛行120 m，抵達天線陣正前方295 m位置。在垂直方向10～40 m 高度（理論仰角2°～7.5°），每間隔0.5 m 對RF 信號采樣。如圖5所示，左側(cè)為谷歌實物俯視圖，右側(cè)為跑道入口和下滑道DDM 采集點的經(jīng)緯度坐標分布圖，方框內(nèi)為跑道位置參數(shù)。

圖5 下滑道數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.5 Diagram of GP data collection

3.2 射頻分布特征分析

由于M 型下滑天線航道和余隙的發(fā)射通道彼此獨立，在此分別將兩個信號獨立列出。根據(jù)天線陣結(jié)構(gòu)特征，給出了下滑天線正前方后撤距離Db=295 m位置，高度0～40 m（仰角0°～8°）航道及余隙的RF 分布，如圖6所示（H 為測試點高度）。圖6中在31 m 位置，航道和余隙信號同時存在覆蓋分布的最小值（對應圖4中6°仰角所在位置）。

圖6 實測射頻信號高度分布Fig.6 Vertical pattern of tested RF signal

將測試數(shù)據(jù)與計算結(jié)果進行比對，可以發(fā)現(xiàn)在實測37 m 位置存在射頻最小值，由于地形的高度差異，此位置相對于天線基座的高度是31 m，也就是天線陣反射面對應的6°仰角位置。

3.3 調(diào)制度差分布特征分析

對于DDM 數(shù)據(jù)采集，分別給出了與跑道入口距離D 為300、400、800、1 400 m 的4 個不同距離下的分布情況，如圖7所示。

圖7中給出數(shù)據(jù)是下滑道附近及下滑道以下位置的DDM 模型計算值與該位置的無人機實測值。由不同位置可以看到，實測值對應高度均高于計算值，高度差ΔH 在5.5～6.0 m 范圍。

圖7 調(diào)制差信號高度分布Fig.7 Vertical pattern of DDM signal

3.4 誤差修正

對上述實測分布的起飛高度差進行修正，將測試曲線整體向左平移ΔH=6.0 m。無人機裝載的接收天線為寬頻天線，對應下滑頻段333.2 MHz 的信號增益為-30 dB，進行增益補償后，將高度分布的實測信號進行誤差修正處理，如圖8所示。與計算得到的航道和余隙信號比較，在H=15 m 以下數(shù)據(jù)，實測與余隙信號分布曲線吻合度良好；而在15～25 m 高度區(qū)間，實測強度大于余隙值，且分布特征不同，由捕獲效應可知，這個位置應該由航道信號覆蓋，但計算得到的RF 分布數(shù)值整體大于實測值，現(xiàn)對航道信號的計算值進行調(diào)整，將RF 值整體下調(diào)9 dB。調(diào)整后的航道曲線與原始的余隙曲線共同構(gòu)成的CSB 信號，與實測值吻合度極高。

圖8 修正后的射頻信號高度分布Fig.8 Revised vertical pattern of RF signal

對于航道RF 修正的解釋：在近場情況下，射頻信號分布與遠場分布特征有著明顯差異，不能簡單地通過自由空間損耗來評估信號強度。然而與實測比對，由計算得到的余隙信號不用修正，而單獨對航道信號進行了9 dB 的修正，一方面與航道發(fā)射機的實際發(fā)射功率、航道發(fā)射電纜損耗、ADU 的配比調(diào)節(jié)及發(fā)射通路中各節(jié)點的老化情況等有關；另一方面也與信號合成算法有關，需要通過選取更多不同水平距離的垂直梯度才能進行進一步分析。

4 入口高度計算

采集下滑道數(shù)據(jù)時，為保證起飛位置與天線基座保持相同高度差，依然選擇與天線陣正前方RF 數(shù)據(jù)采集相同位置起飛，逐一檢測距離入口不同位置的DDM 垂直梯度分布，在仰角2.5°～3.5°范圍內(nèi)，每間隔1 m 測試記錄。無人機可以在空中懸停，通過微調(diào)升降主動尋找DDM 零點，獲取精確的高度信息。

4.1 入口高度算法

在理想情況下，下滑道上的DDM 零點構(gòu)成的軌跡是雙曲線。在飛行校驗的飛機進近過程中，通過追蹤下滑道DDM 零點，根據(jù)距入口水平距離300～1 830 m 區(qū)間的軌跡，外推至跑道入口上方的一點，其高度即為入口高度。這個高度比入口上方DDM 零點對應的高度低。

通過無人機從距入口300～2 000 m 區(qū)段，每間隔100 m 進行DDM 零點高度的捕獲，并檢測每個位置仰角扇區(qū)為2.5°～3.5°的DDM 垂面分布。具體飛行位置參數(shù)如表2所示。

表2 入口高度測試位置Tab.2 Testing location of TCH

4.2 標稱模型

根據(jù)下滑天線距離入口的水平距離（后撤距離Db=295m），可以計算得到標稱情況下的入口高度T 為16.04 m，如圖9所示。入口高度與天線正前方的反射區(qū)平整度、縱向坡度（FSL，forward slope）、后撤距離有直接關系，后撤距離越大，則入口高度越高；縱向坡度越大，為構(gòu)成與水平面成3°的下滑角，天線安裝高度需要抬高，從而導致入口高度的降低。如：當Db=300m，無坡度（FSL=0°）時，對應入口高度T 為16.30 m；當Db=295 m，F(xiàn)SL=0.1°時，上、中、下3 個天線中的下天線高度由4.30 m 抬高至4.44 m，導致對應入口高度T 降為15.50 m。

圖9 基于標稱值的入口高度擬合Fig.9 Fitting of threshold crossing height by nominal value

模型的計算過程中，在下滑道采樣區(qū)間300～1 830m內(nèi)，可以選擇足夠多的數(shù)據(jù)樣本進行擬合計算。對于不同采樣精度，計算得到的擬合結(jié)果有輕微差異。以100 m 間隔距離采樣，得到入口高度T 為16.06 m；間隔距離為50 m 時，入口高度T 為16.05 m；間隔距離為5 m時，入口高度T 為16.04 m。計算結(jié)果表明，對于平整場地，入口高度的擬合結(jié)果對采樣密度的依賴性不強。在實際情況下，天線陣前方反射場型不平整，存在對應反射點的突變，使得下滑道對應DDM 零點位置偏移，從而影響下滑道結(jié)構(gòu)，致使入口高度產(chǎn)生變化。

4.3 實測模型

在飛行校驗過程中[13-15]，通過觀察儀表指針，駕駛員不斷人為追蹤DDM 零點，以此飛行軌跡進行入口高度的外推計算，這個追蹤軌跡并不能完美地貼合在下滑道上。而在無人機測試過程中，可通過懸停和升降微調(diào)，獲取精確的DDM 零點高度，從而進行數(shù)據(jù)擬合。圖10根據(jù)實測值的零點高度，在所有采樣數(shù)據(jù)中，選取等間隔數(shù)據(jù)，擬合得出入口高度T 為15.04 m，實測得到的結(jié)果比標稱模型的計算值降低了1 m，23號跑道在2019年12月的飛行校驗中，得到的最終入口高度T 為16.70 m。這個差異產(chǎn)生的原因與跑道入口前方的地形有關，在飛行校驗時，飛機是對連續(xù)測量值進行評估計算，而無人機是通過有限單一點進行測算，可能某些位置的DDM 抖動或因地形變化而引起下滑道上DDM 零點位置突變有關，而這些特殊位置沒有在無人機檢測點中。在后續(xù)檢測中，將會考慮選取更多采樣點加入計算。

圖10 基于實測值的入口高度擬合Fig.10 Fitting of threshold crossing height by tested value

5 結(jié)語

通過無人機搭載接收系統(tǒng)開展了空間射頻和調(diào)制度信號的連續(xù)性檢測，大幅度提升了下滑信標的監(jiān)控范圍，提供了高效的數(shù)據(jù)采集方法，豐富了下滑天線重要參數(shù)的檢驗手段。根據(jù)近場和遠場的計算數(shù)據(jù)展開實證性分析，更全面地掌握了在用設備的外場信號情況。

在后續(xù)工作中，近場情況下，無人機系統(tǒng)需要提升垂直方向的定位精度，更有效、精準地評估垂直梯度信號分布特征；遠場情況下，擴大測試空間范圍，進行信號覆蓋和下滑角的檢測功能開發(fā)，為飛行校驗提供充分的事前準備。