仪表着陆系统监控技术

仪表着陆系统监控技术（精选7篇）

仪表着陆系统监控技术 篇1

1 引言

近年来, 随着我国民航事业的高速发展, 越来越多的机场启用双跑道或多跑道运行模式, 并将仪表着陆系统 (ILS) 的运行等级由CAT I提升到CATⅡ。为了避免航班落错跑道等不安全事故的发生, 同时也是ILS CATⅡ运行规范的要求, 技术人员需要在ILS遥控器上安装连锁开关, 同时在塔台上放置ILS塔台状态显示板, 便于管制员确认ILS设备是否按要求正确开启。但是按照设备厂家提供的连接方案, 导航集中监控室与塔台直接的电缆距离要求在十几米到几十米之间, 这给导航集中监控室的设置带来了极大的限制和不便。

为了解决这个难题, 研究分析了NORMARC 7000B系列ILS设备遥控面板到塔台状态显示板的信号特征, 结合虹桥机场信号现有的传输条件, 制定了通过光纤进行塔台状态显示板信号传输的方案。

2 NORMARC公司提供的技术方案简述

上海虹桥国际机场为近距双跑道机场, 一共安装了4套仪表着陆系统 (ILS) , 设备型号属于NORMARC 7000B系列。遥控集中监控室与塔台分列两条跑道的东、西两侧, 两者之间的直接距离就达到2公里左右。为了避免航空器由于切错ILS而落错跑道的不安全事故发生, 技术人员给两条跑道的ILS都安装了连锁开关, 并且在运行时采用“只开启一套ILS, 关闭其他三套ILS”的方案。所以在塔台上安装ILS塔台状态显示板有助于管制员确认ILS是否按需求正确开启。

在NORMARC 7000B的技术手册中, 厂方给出了从遥控器 (MB1346) 到塔台状态显示板 (SF1344) 的连接方案, 该方案是通过NORMARC自定义的DB25接口 (MB1346的P3接口与SF1344的P1接口) 实现信号直连, 而这种点到点的传输方案其传输距离有限, 虹桥导航集中监控室与塔台的实际工作位置肯定不能实现这个传输方案。

3 基于光纤技术的传输方案

通过对NORMARC公司提供的传输方案的细化和对比, 结合虹桥机场实际的传输条件, 最终决定采用台湾MOXA公司的io Logik E2200系列微控制器作为信号的采集/还原模块, 并利用光纤进行远距离传输。

3.1 MOXA微控制器介绍

MOXA io Logik E2200系列是一种新型的主动式微控制器, 可以作为RTU (Remote Terminal Unit) 来使用。主动式微控制器是一种基于PC的数据采集和控制设备, 通过主动, 基于事件的报告来控制I/O设备。它可以用软件选择I/O通道类型, 并且支持PNP或NPN类型的传感器, 拥有强大的点对点的I/O功能, 无需控制器。

在以MOXA微控制器为核心的技术改进方案 (以下简称“MOXA方案”) 中, 通过和塔台管制员的需求沟通, 决定只传指示灯状态信号 (NORMAL——绿灯;WARNING——黄灯;ALARM——红灯) , 报警声信号和塔台控制信号则不提供。这样, 需要传输的信号一共是24路。因此最终确定的微控制器型号是E2212, 它可以提供8路输入通道、8路输出通道、还有4路通道可以根据需要自行设置成输入或输出。

3.2 MOXA方案的硬件连接及软件配置

在方案的硬件连接方面, 虹桥导航室一共使用了4台微型RTU控制器:2台放置在导航集中监控室, 作为导控遥控器信号采集端, 每台微控制器提供12路输入通道, 并将信号转换成网络信号通过光纤传输;2台装在塔台状态显示板的机柜中, 作为信号的接收端, 每台微控制器提供12路输出通道, 将信号还原后传送到状态显示板上。方案的硬件连接图如图1所示:

表1所示的是根据MOXA方案硬件连接示意图给出的东跑道18L方向ILS相关部件的引脚定义和连接端口, 东跑道36L以及西跑道18R与36L方向ILS相关定义和连接端口和东跑道18L方向的类似。

软件配置使用的MOXA产品自带的编程软件, 本文不做详细展开, 大家可以参考相关的数据手册。在软件配置中需要注意两点:1.所有的微控制器的IP地址要设置在同一网段中;2.按照上表中的连接定义设置I/O端口, 使其一一对应。以东跑道北下滑台的“NORMAL”信号举例说明, 通过对两端微控制器进行软件配置后, 使还原端的微控制器的DO5端口的输出状态与采集端的微控制器的DI5端口的输入状态保持一致, 即东跑道南下滑状态显示板上的“NORMAL” (绿) 灯的状态和东跑道南下滑遥控器上“NORMAL” (绿) 灯的状态同步变化。

3.3 MOXA方案存在的问题和解决方法

在MOXA方案试的运行期间发现了一个问题:即当采集端的微控制器断电或传输链路中断时, 状态显示板上的指示不会发生变化, 即使此时ILS设备切换了方向, 显示板上的指示仍然保持原来状态。这个问题对整个方案来说是个致命的隐患, 因为它会严重干扰塔台管制员的工作。为了排除这个隐患, 将所有的微控制器E2212的固件升级到最新版本, 微控制器会有一个新的功能出现, 叫做Peer To Peer Connection Fail, 它能够检测线路是否处于有效通信状态, 并给出相应的动作。使其在检测到传输线路无效 (采集端微控制器断电、传输链路中断) 时, 无效线路的输出端口直接输出“OFF (关闭) ”信号, 使得状态显示板上的指示灯灭 (不亮) 。而状态显示板上所有指示灯都不亮时, 此时的状态显示板处于失效状态, 管制员要和导航集中监控室的值班员通过电话等方式来确认ILS设备运行状况。

4 结束语

本文作者通过对MOXA微控制器的介绍, 提出了利用光纤进行ILS塔台状态显示板远距离信号传输的解决方案。目前方案仍处于试运行期间, 运行状态良好, 运行结果符合设计预期。

利用光纤进行ILS塔台状态显示板远距离信号传输的研究与实现, 为日后虹桥机场开放CATⅡ仪表着陆系统做好了技术储备, 也给相关监视工作带来了新的思路。

摘要：本文主要介绍利用光纤技术实现远距离传输仪表着陆系统状态显示信号的研究, 以虹桥机场NORMARC 7000B系列仪表着陆设备为例给出了具体方案。本文旨在通过介绍这一方案, 提出远距离传输导航设备信号的新思路。

关键词：仪表着陆系统 (ILS) ,光纤技术,信号传输

参考文献

[1]NORMARC 7013B-7014B Instrument Landing System Instruction Manual.

仪表着陆系统浅谈 篇2

仪表着陆系统是一种引导飞机进近着陆的设备, 它由地面电台向空中的飞机提供沿跑道横向平面 (航向道) 和垂直平面 (下滑道) 着陆的信息。当飞机到达目的地机场上空, 就需借助地面航向台和下滑台发射的波束引导着陆。ILS提供的引导信号, 驾驶员根据仪表的指示操纵飞机或使用自动驾驶仪“跟踪”仪表的指示, 使飞机沿着跑道中心线的垂直距离和规定的下滑角, 从450m的高空引导到跑道入口水平面的一定高度上, 再由驾驶员看着跑道操纵飞机目视着陆。因此, ILS只能引导飞机到达看见跑道的最低允许高度——决断高度 (DH:Decision Height) 上。那何为DH呢, 它是指驾驶员对飞机着陆或复飞作出判断的最低高度。在决断高度上, 驾驶员必须看到跑道才能着陆, 否则应放弃着陆进行复飞。

仪表着陆系统包括三个分系统:提供航向引导的航向信标、提供垂直引导的下滑信标和提供距离引导的指点信标。每一个分系统又由地面发射设备和机载设备组成。地面设施包括1个甚高频航向台, 1个超高频下滑台和1组 (2个或3个) 甚高频指点标台;在机载ILS系统中, 一般有3个接收机:1个甚高频航向接收机, 1个超高频下滑接收机和1个甚高频指点接收机。

航向信标天线产生的辐射场, 在通过跑道中心延长线的垂直平面内, 形成航向面或叫航向道, 用来提供飞机偏离航向道的航向引导信号。机载接收机收到信号经航向接收机处理后, 输出飞机相对于航向道的偏离信号, 经电子飞行仪表系统符号发生器加到驾驶舱仪表板上的电子水平姿态指示器的航向指针。若飞机在航向道上, 即对准跑道中心线, 偏离指示为零;如果飞机在航向道的左边或右边, 航向指针就向右或左指, 给驾驶员提供“飞右”或“飞左”的指令。下滑信标台天线产生的辐射场形成下滑面, 下滑面和跑道水平平面的夹角, 根据机场的净空条件, 可在2°~4°之间选择。下滑信标用来产生飞机偏离下滑面的垂直引导信号, 机载下滑接收机收到信号处理后, 输出相对于下滑面的偏离信号, 加到仪表着陆系统上的下滑指示器。如飞机在下滑面上, 下滑指针在中心零位;若飞机在下滑面的上面或下面, 指针向下或向上指, 给驾驶员“飞下”或“飞上”的指令。航向面和下滑面的交线定义为下滑道, 飞机沿着这条交线着陆, 就对准了跑道中心线和规定的下滑角, 在离跑道入口300m处着地。指点信标台装在顺着着陆方向的跑道中心延长线的规定距离上, 分别叫内、中、外指点信标。每个指点信标台发射垂直向上的倒锥形波束。当飞机飞越指点信标台上空的有效范围时, 机载接收机才能收到信号。由于各指点信标台发射信号的调制频率和识别码不同, 机载接收机就分别使驾驶舱仪表板上不同颜色的识别灯亮, 同时驾驶员也可以通过耳机听到不同频率的音调和识别码来判断飞机在哪个信标台的上空, 即知道飞机离跑道入口的距离。

然而, 随着空中交通量的剧增以及交通状况的日益复杂, ILS在某些方面暴露出本身的缺点和局限性。局限性来自它只能提供单一而又固定的下滑道。随着飞机种类的增多, 飞机性能的提高和更先进技术的出现, ILS的进近方式也显得适应不了发展, 由于ILS进近航线规定在跑道中心延长线所在的平面内, 下滑角又很小, 这会引起大型飞机接近城市和居民区飞行时产生低空噪声污染进近;而对于具有短距起降和垂直起降的飞机来说, 由于固定的下滑角很小, 不能发挥其优越性。ILS在单一下滑道的前提下, 显得缺乏足够的灵活性, 所以它从根本上限制了诸如曲线进近、分段进近和大下滑角进近等各种灵活进近方式的使用。局限性还来源于它所采用的频率。ILS的航向台和下滑台分别工作在VHF和UHF频段, 天线尺寸较大, 信号波束也宽, 其工作在很大程度上受到机场及其附近建筑物所产生的多径干扰的影响。航向台对其较为敏感, 信号波束容易受到干扰而产生扭曲。另外, ILS的航向台和下滑台成对提供约40个有用频道。在某些空中比较繁忙的机场, 频道拥挤的问题已变得日益显著。同时, 随着各地调频无线电台的增加和升级, 处于其低频段的ILS航向台的工作频率会受到调频台信号的干扰。

微波着陆系统是基于克服ILS存在的问题提出的, 主要提高了工作频率 (5031MHz~5090.7MHz) , 采用时间基准扫描波束和时分多址传输方式, 从而提高了精度, 减少了天线的尺寸, 减少了地面建筑物反射信号的影响, 可选频道多达200个, 引导范围大 (方位±60°, 仰角0°~20°) 。随着科学技术的日益发展, 仪表着陆系统将会日臻完善, 许多大型飞机上已安装了全球卫星引导的着陆系统, 它已经越来越先进, 也越来越完善, 为飞机着陆提供更加安全可靠的技术保障。

摘要：仪表着陆系统作为一种精密仪表进近系统, 已被广泛用于国际、国内各机场的着陆引导系统中, 它能在气象条件恶劣以及低能见度条件下为飞行员提供引导信息。本文介绍了仪表着陆系统的作用和工作原理, 并对仪表着陆系统的优越性和相关问题进行了分析和探讨, 让我们能更加深刻地了解仪表着陆系统。

关键词：仪表着陆系统,航向道,下滑道,局限性

参考文献

[1]陆芝平, 郑德华.全向信标和仪表着陆系统[M].国际工业出版社, 1990.

[2]蔡成仁.航空无线电[M].北京:科学出版社, 1992.

仪表着陆系统航向台雷击故障分析 篇3

雷击这类自然灾害的存在, 对于仪表着陆系统是较大的故障隐患。即使有良好的避雷设施, 都无法完全避免雷击造成的损害。连云港机场仪表着陆系统在一次强雷电天气中遭遇雷击, 造成设备故障关机, 此次雷击故障的分析和排查为专业人员提供了大量的技术研究资料和故障、排查参考。

1 航向台雷击故障初步分析

仪表着陆系统航向台在遭受雷击后, 监控数据超过设备正常运行的告警门限, 设备自动切换至备机后, 监控数据仍超过告警门限, 之后自动关台。在第一时间发现设备故障后, 通过监控软件下载雷击时设备监控数据发现:1号、2号发射机CL (航道) 、DS (宽度) 、CLR (余隙) 的RF (射频) 值都大幅降低, 除CL降到2.6左右外, 其余都降到了2.7, 低于设备告警门限。就此现象分析, 雷击击中了设备室外单元的天线系统, 但具体造成了哪些板件、模块的故障, 需要进一步检测分析。

航向台使用的是NORMARC公司的7013B型号航向设备。设备室外单元的天线系统主要由天线分配网络、12单元天线阵列和监控混合网络组成。以设备目前故障现象来看, 首先需要检测天线分配网络是否正常, 之后再检测监控混合网络, 最后通过检测结果, 分析判断故障位置。

2 天线分配网络的排查检测

天线分配网络主要用于将设备发射机输出的CSB (载波和边带) 信号、SBO (边带信号) 以及CLR (余隙载波和边带) 信号, 按照不同的信号强度和相位以一定的方式混合后分别传输给各个天线单元。天线单元在发射出对应信号后就可在空中合成出引导信号。在判断天线分配网络故障与否前, 首先查看了设备面板显示屏, 在本地、手动换机状态下, 读取设备此时运行参数, 在确定DC-LOOP (天线自检回路) 参数正常后, 初步排除了天线单元故障。之后使用仪表着陆系统配套的外场测试仪, 通过外场信号测试来判断天线分配网络是否存在故障。

进行外场测试后, 从结果可得出, 外场实际辐射信号DDM值、RF值左右较为对称, 无明显偏差, 且与上月所做外场信号测试记录数据比较, 无较大变化, 可以排除天线分配网络故障的可能性。

3 监控混合网络的排查检测

监控混合网络的工作原理, 是由各个天线单元在发射信号的同时, 通过耦合回路生成M1至M12天线监控信号, 天线监控信号在监控混合网络中被三路合成模块合成为初始的CL、DS和CLR信号, 之后通过馈线传输回设备。

在进行监控混合网络的检测前, 先要使用外场测试仪测量各个天线单元耦合生成的天线监控信号, 判断单独天线耦合回路是否因雷击故障。

本场使用的航向台是双频天线系统, 同时发射航道和余隙信号。为了防止两个信号间互相干扰, 对最终测量到的航道信号结果产生影响, 因此在测量天线监控信号时, 要关闭CLR信号的发射。

测量数据从M1至M12分别为:-26.6, -18.2, -12.8, -9.9, -9.0, -10.0, -10.0, -9.1, -10.4, -13.7, -18.0, -25.4。从测量结果可以看出, 天线监控信号M1至M12的RF值左右基本对称, 无较大变化, 可以判定天线耦合回路工作正常, M1至M12数据正常无误。在此情况下, 用外场测试仪测量监控混合网络数据输出的口CL, DS, CLR的值。测量数据为:CL的DDM, SDM, RF (d Bm) 分别为:-0.23, 40.05, -15.6;DS的DDM, SDM, RF (d Bm) 分别为:15.11, 40.02, -12.0。测量结果表明, 输出的两路数据的DDM, SDM, RF值均符合标准。基本可以排除监控混合网络故障的可能性。

在天线分配系统、12单元天线阵及监控混合网络无故障的情况下, 按照故障排查思路, 接下来需要检测监控信号传输回设备, 对监控数据进行处理的监控板件。

监控混合网络数据传输回设备的第一块处理板件就是MF板 (监控前置板) 。MF板的主要功能是对输入的监控数据进行预处理, 之后将处理过的数据传输给MO板 (监控板) 做后续数据处理。如果雷击通过监控数据馈线导入设备, 最先损坏的板件就是MF板, 而MF板的好坏直接影响着监控数据的正确与否, 所以根据故障现象及之前的故障排查情况, MF板极有可能因雷击而产生故障。

4 MF板的排查检测

MF板的检测首先需要关闭整个设备, 拔出MF板, 插入相应板卡延长板, 之后把拔出的MF板插入延长板后开启设备, 最后在CL及CLR发射机同时工作的情况下测量CL, DS, CLR, NF通道对应的TPxx23检测点处的电压。如果电压为240 m V基准电压值, 则可预判MF板因雷击损坏, 之后可通过替换备件MF板来验证;如果电压不为240 m V基准电压值, 则需要继续判断故障点。MF板共两块, 检测时分别测量了数据。

MF两块板件CL, DS, CLR, NF TPxx23测试点电压分别为:MF 1号板, 172 m V, 198 m V, 209m V, 223 m V;MF 2号板, 181 m V, 207 m V, 214m V, 229 m V。从测量的结果可以看出, 各个通道RF值的下降幅度与TPxx23监测点处的电压下降程度成正比。在此情况下, 无法判定MF板是否故障, 只能通过更换备件MF板进行对比排查。

在将MF 2号板更换为备件MF板后, 调整备件板4个通道的TPxx23监测点处电压至240 m V, 之后查看监控数据发现2号监控器的CL, DS, CLR, NF的RF值已恢复3.0的标准值。在此情况下又调整了MF 1号板的监测点电压值到240 m V, 之后查看1号监控器数据。1号监控器4个通道的RF值同样恢复到3.0的标准值。这一现象较为奇怪, 不敢妄下判断, 在经过多方技术咨询后, 确知之前也有机场的仪表着陆系统天线阵遭到雷击, 之后在故障排查中确认:MF板在遭受雷击后, 造成TPxx23监测点电压跳变, 在调整回基准电压值后恢复正常工作, 并未对板件造成实际损坏。

在全体维修人员经过谨慎研讨后决定, 保持MF备件板留在MF 2号板卡位, MF1号板不动, 之后几天加强设备监控和巡视, 确认设备是否恢复正常工作。设备暂不开放使用。

在之后的监控和巡视中, 发现了新的故障现象, 且较为特殊。2个监控器显示的监控数据同时反映出:CL的RF值在温度升高时, 同时升高;在温度降低时, 又同时降低, RF值随温度升高和降低的变化范围较大, 在清晨与中午温差较大的情况下进行测量, 有时甚至有0.2的变化差, 测量结果见第65页表1。这与原本由于温度变化导致传输馈线热胀冷缩等原因引起的温度升高, RF略有下降;温度降低, RF略有升高的现象相反, 且变化幅度也较大。以此可以推断出故障点并非MF板, 而很可能是在监控混合网络的CL通道。

5 故障应急措施

因机场公司设备有限, 没有专用设备:网络分析仪, 所以暂时无法判定分配网络回路CL通道是否故障。在此情况下, 机场公司向华东空中交通管理局技术保障部提出了设备维修及技术支持的申请, 但在设备维修及技术支持人员到来前, 需要对CL的RF值因温度大范围变化经常导致设备预警的现状进行应急措施, 使其有所改善, 使用的应急措施就是对MF板进行适当调整。

MF板有4个数据通道, 自上而下分别为NF, CL, CLR, DS, 其中CL, DS, CLR的信号是由监控混合网络传输而来, NF的信号则是由近场天线传输而来。每个通道的信号在进入MF板之后, 都先经过一个通过跳线可调的衰减器, 在经过适当衰减以后才会传输至后续电路进行信号数据处理。衰减器调节的便是信号的强度, 即RF的初始值。那么, 想要降低CL的RF值因温度变化的敏感度, 就可以通过尝试改变跳线的设置, 提高CL通道衰减的d B值来实现。调节衰减器的跳线设置方式见图1。

在打开MF板衰减器盖板后, 确认CL通道跳线设置的衰减值为12 d B, 根据需要重新设置了跳线使衰减值增加到了16 d B。因输入衰减改变, MF板CL通道的TPxx23也就需要重新调整至240 m V基准电压值。之后数日观察CL的RF值随温度变化的情况发现:RF值从之前的每10℃变化0.27降低至了每10℃变化0.2。结果表明这种方法能够达到降低RF因温度变化的敏感度。

多次试验证明, 衰减器的调节也只能一定程度上的降低RF因温度变化的敏感度, 如果想继续增加衰减值至12+6 d B, 就会因输入信号衰减过大导致后续电路内信号微弱, TPxx23根本就无法调节到240 m V的基准电压值。

6 最终故障点排查

在机场公司和华东空中交通管理局技术保障部共同的努力下, 技术保障部技术骨干人员带着专用设备在最短时间内, 前来本场提供设备维修及技术支持。

技术骨干人员在了解了故障情况后, 根据经验推断是监控混合网络CL通道后级的某一组件故障。遂使用网络分析仪对监控混合网络各通道进行了测量。测量结果见表2。

所有测量数据都是以M1为基准测量。根据测量数据, 并未发现测量结果有明显错误。因监控混合网络故障现象是因温度变化导致CL的RF值改变较大, 所以使用电吹风分别对CL, DS, CLR通道后级组件加热, 同时测量数据变化情况, 测量结果见第66页表3。

(d B)

所有测量数据都是以未加热前组件自身数据为基准测量。根据测量结果可以看出, CL通道的传输损耗有明显的变化, 相当于其他通道变化值的6倍以上。因此基本可以判定是CL通道后级部分2N4贴片带通滤波器存在问题。监控混合网络送华东空管局技术保障部维修后即可恢复正常工作。

7 结束语

雷击灾害是通信导航设备最频发故障之一, 雷击造成的强电压和强电流往往会通过天线或馈线传输, 对设备造成不同程度的损害, 所以雷雨季节的防雷工作是重中之重, 需防患于未然。

此次雷击故障的排查分析从天线分配网络开始, 一直到设备MF结束, 之后又将故障点反推回监控混合网络。故障位置及整个过程较为少见, 为民航同类设备故障排查、维修提供了新的参考, 对于推进导航维修维护技术提高具有重要意义。

此次设备雷击故障的排查, 对于机场公司所有通导机务员是一次宝贵的经验, 不但增加了对设备工作原理的理解, 更提高了设备故障的维修水平。

摘要：文中分析了连云港机场仪表着陆系统航向台遭受雷击, 导致复杂的故障现象, 通过对天线分配网络、监控混合网络和设备MF板的逐一检测, 在不断地故障分析、排查后, 最终确定了雷击故障原因。为今后民航同类设备故障排查、维修提供了新的参考。

仪表着陆系统监控技术 篇4

民机的进近着陆阶段是事故多发阶段, 也是最复杂的飞行阶段。由于这一阶段飞行高度低, 所以, 对飞机安全的要求也最高, 尤其在终端进近时, 飞机的所有状态都必须高精度保持, 直到准确地在一个规定的点上接地。对民机着陆, 目前世界上主要有仪表着陆系统、微波着陆系统、全球定位系统三种方式。

仪表着陆系统目前发展比较成熟, 但存在着智能提供单一而又固定的下滑道、波束覆盖区小、多径干扰严重等缺点;微波着陆系统主要优点是导引精度高、比例覆盖区大, 能提供各种进场航线和全天候导引功能, 但造价高, 地面和记载设备要求高, 换装代价较大, 发展受到限制;GPS是美国军方研制的卫星导航系统, 是继惯性导航之后, 导航技术的又一重大发展, 具有全球、全天候定位能力、军用信号定位精度高、应用范围广和相对造价低的优点, 但也存在由于受到人为干扰时误差较大的缺点。

本文对仪表自动着陆系统进行了控制律设计, 由于在着陆阶段, 飞机的高度和速度变化范围较小, 因此采用小扰动方法将飞机的非线性运动方程进行线性化处理, 从而利用简化后的线性模型进行运动分析和控制律设计。另外由于飞机自身的对称性, 在进行线性化过程中可以将纵向和横侧向进行解耦, 分别进行控制律的设计, 最后通过综合验证, 完成自动着陆系统的控制律设计。

仪表纵向自动着陆控制律设计

纵向自动着陆控制律包括内环电传增稳控制和外环俯仰角控制、下滑着陆航迹控制, 同时需要控制发动机调节速度, 所以纵向仪表自动着陆控制为姿态和航迹的综合控制。设计时需要先设计电传增稳控制律, 保证飞行稳定和驾驶员操纵的飞行品质, 再设计俯仰角跟踪回路以及纵向航迹跟踪保持控制回路。纵向自动着陆系统结构框图见图1所示。

(1) 内环纵向电传增稳控制系统

由于飞机在高速飞行时, 乘客主要感受法向过载的变化, 而在低速飞行时, 主要感受俯仰角速率的变化, 因此在考虑纵向飞行品质时, 采用C*准则, 即综合考虑飞机的法向过载和俯仰角速度进行内环电传纵向增稳的设计。纵向电传增稳控制采用C*显模型跟踪进行最优二次型设计, 该设计兼顾了飞机的操作品质和乘客舒适性, 满足了飞行品质的要求。包含全状态反馈的闭环控制增稳系统结构框图见图2所示。

(2) 俯仰角跟踪控制系统

俯仰角跟踪控制系统用于对飞机俯仰角进行控制, 能够根据飞行状态的需要将飞机保持在给定的俯仰角。作为飞机纵向航迹控制的内环, 其性能是保证自动着陆各阶段航迹精确跟踪的基础, 应实现对俯仰角指令快速、平稳的跟踪。俯仰角跟踪控制系统以纵向电传控制增稳系统作为内环进行设计, 采用了比例积分控制, 结构框图见图3所示。

(3) 速度保持与控制系统

飞机在自动着陆过程中, 需要精确控制着陆速度, 应采用自动油门系统实现速度保持与控制。着陆航迹偏差通过升降舵来进行修正, 而自动油门系统主要用来补偿着陆航迹跟踪过程中带来的速度偏差, 使速度保持在规定范围内。速度保持与控制系统结构框图见图4所示, 采用了比例积分控制。

(4) 定高控制系统

飞机自动着陆初始阶段即为定高阶段, 定高环节采用俯仰角控制环节作为内环, 对给定高度指令进行跟踪, 当偏离指定高度时, 飞机会自动调节飞行姿态, 爬升或下降到指定飞行高度。飞机定高平飞至截获下滑波束后转入下滑控制阶段。定高控制系统以俯仰角控制为内环, 反馈高度信号进行控制, 其结构框图见图5所示。

(5) 下滑波束导引系统

飞机着陆截获下滑波束后, 开始进入下滑线跟踪阶段。下滑波束导引系统通过建立航迹倾角∆u与波束偏差角Γ的关系, 构建对应反馈控制环节, 使飞机在下滑阶段能够自动修正偏差, 精确跟踪下滑线。

本文设定下滑波束线的仰角为3度, 航迹倾角∆u和波束偏差角Γ间的运动学关系见图6所示。

下滑波束导引系统以俯仰角控制系统为内回路, 利用下滑耦合器调节飞机姿态, 使波束偏差角最终为0。下滑波束导引系统下滑耦合器结构框图见图7所示。

(6) 拉平控制系统

飞机在垂直平面内, 从下滑过渡到实际着陆点的纵向运动轨迹称为拉平轨迹。自动着陆需要设计拉平控制律, 将下滑时的垂直速度减少到允许的着地速度, 使飞机平稳、安全接地。本文选取的拉平初始高度为15m, 采用指数曲线设计拉平轨迹, 公式为:

拉平控制系统也采用俯仰角控制系统作为内环, 通过改变姿态角来调整飞机的垂直下降速度, 拉平控制系统结构框图见图8所示。

使用Matlab/Simulink软件对纵向自动着陆控制系统进行仿真建模, 模型见图9所示。

仪表横侧向自动着陆系统控制律设计

横侧向自动着陆系统采用内环控制增稳、中环姿态控制和外环轨迹控制。在内环控制增稳回路的基础上, 中环姿态控制回路跟踪飞机姿态控制指令;外环飞机侧偏距控制回路消除在飞机着陆阶段相对于跑道中心线的侧偏距, 横侧向自动着陆系统结构框图见图10所示。

(1) 横侧向增稳控制

横侧向增稳控制主要是从增强稳定性和使滚转角与侧滑运动解耦的角度进行设计, 包括增稳控制以及前馈控制, 横侧向增稳控制结构框图见图11所示。

本文采用特征结构配置方法通过侧滑角β、滚转角速率p、偏航角速率r和滚转角φ反馈信号产生副翼和方向舵指令, 以使飞机具有良好的飞行品质。前馈控制用来实现飞机对驾驶员指令信号的快速跟踪以及滚转与侧滑运动的静态解耦。

(2) 横侧向姿态控制

横侧向姿态控制的基本要求是实现滚转角和偏航角的快速、精确跟踪, 采用模型跟踪最优二次型设计方法进行横侧向姿态控制, 其结构框图见图12所示。

(3) 侧向波束导引系统

侧向波束导引系统是将飞机偏离航向信标台发射的无线电波束中心线的信号通过耦合器变为滚转控制指令, 输给自动驾驶仪的侧向通道, 操纵副翼偏转来改变航迹方位角χ, 修正飞机水平方向上的航迹。即侧向波束耦合器与自动驾驶仪侧向通道耦合, 构成侧向波束自动控制系统, 自动修正飞机水平方向上的航迹, 使飞机对准跑道中心线飞行。

首先建立飞机侧向运动参数与波束偏差角λ之间的几何关系, 见图13所示。

图中:ψ为飞机纵轴偏离给定航向的偏航角;β为侧滑角;y为机偏离等信号线的侧向偏离;R为机重心到航向信标台的距离;λ为离波束等信号线的偏差角。

侧向波束耦合器是将波束偏差角信号转换为滚转指令信号的装置, 其控制律为PID控制, 公式为:

偏差角信号是使飞机稳定在高频无线电波等强度线上的基本信号, 积分信号用来消除静差, 角速率信号用来改善稳定性。综上分析, 侧向波束导引系统结构框图见图14所示。

使用Matlab/Simulink软件对侧向自动着陆系统进行仿真建模, 模型见图15所示。

仿真与分析

利用Matlab/simulink建模的自动着陆控制律模型软件对B747飞机的自动着陆过程进行仿真, 采用Matlab/GUI搭建的自动着陆系统仿真软件界面见图16所示。

在自动着陆系统仿真软件界面中设置飞行初始条件、环境参数及控制参数, 然后点击开始仿真按钮运行仿真模型, 本次设置的参数见表1所示。

自动着陆仿真曲线见图17至图25所示。

从上述飞机着陆曲线可以看出, 所设计的自动着陆控制律可以实现飞机对理想着陆轨迹的精确跟踪。整个着陆过程中滚转角、俯仰角、偏航角变化值都不大, 且振荡次数很少, 飞机姿态变化平稳, 对于民机来说, 具有较好的乘坐舒适性。飞机接地时, 俯仰角为3度, 主轮先接地, 符合实际着陆情况。

另外在定高段和下滑段, 采用自动油门系统进行速度保持, 因此能够将飞行速度控制在75m/s左右, 图中显示速度控制误差范围不超过1m/s。在拉平段飞机适当减速, 由75m/s平稳过渡到72m/s, 确保飞机平稳、安全的着陆。

结语

仪表着陆系统Ⅲ类升级方案设计 篇5

最近几年, 全国各地的迷雾、雾霾或其它低能见度天气状况呈上升趋势, 对航班正点和飞行安全带来极大的影响。为了降低低能见度天气对航班的不利影响, 机场就应具有Ⅱ类甚至Ⅲ类运行能力, 这就要求相应的机场配置Ⅱ类或ⅢA标准仪表着陆系统。

目前, 我国除几个大型机场配置有Ⅱ类或ⅢA标准仪表着陆系统 (ILS) , 其他民用机场所配备的仪表着陆系统是Ⅰ类标准设备, 这显然无法满足运行要求。在各机场配置的Ⅰ类标准仪表着陆系统中, 一部分由于已使用超过十年以上, 可通过设备更新为Ⅱ类或ⅢA标准仪表着陆系统。而另一部分使用年限不长、运行稳定的设备如果实施更新, 既牵涉到不停航施工等困难, 也是对资源的浪费, 在实际运用中可以通过对现有ILS进行升级改造, 从而可以使系统达到Ⅱ类或ⅢA类标准。

需要说明的是机场要想达到Ⅱ、ⅢA类开放的要求, 包括机场的各方面工作, 不仅是导航设备的问题, 本文只针对导航设备中ILS的升级改造加以说明, 并以浦东机场17LILS的ⅢA类改造升级工作为例进行分析, 希望能对导航同仁提供一些借鉴参考。

2 ILS升级方案

应先咨询生产厂家, 设备是否具备硬件及软件升级的条件, 得到明确答复后再进行下一步工作。以浦东机场17LILS为例, 其配置的是在中国使用较多的挪威NORMARC公司生产的Normarc7000系统并且具备升级条件, 这样就可以开始相应的升级改造。就设备来说, 改造升级主要包含以下四个方面:设备机柜中板件的升级、遥控系统的升级、增加远场监视系统、安装内指点标。

2.1 设备机柜中板件的升级

这部分改造是由于Ⅲ类仪表着陆系统要求系统采用热备份, 即主机开启接天线、备机也要保持开启状态接假负载, 而监控器要同时监控主、备机状态。

(1) 采用双机热备份模式, 要将发射机控制组件TCA1218A更换成TCA1218B, 这样在机柜控制组件上有备机状态显示。

(2) 在机柜中增加一个SC898模块, 它的输入为备用发射机输出的航道的CSB和SBO信号, 其作用就是将这两个信号混合, 产生模拟的备机DS (宽度) 信号输出。

(3) 监控器中除了原来的1#、2#监控器外, 再增加一套3#监控器, 用于对备用发射机数据的监视, 3#监控器包括一个监控器前级板 (航向为MF1211A、下滑为MF1219A) 、一个监控处理板MO1212A。3#监控器的监控器前级板输入分别为:CL (航道) 是备用发射机输出的航道CSB信号;DS (宽度) 是SC898模块的输出;CLR (余隙) 是备用发射机输出的余隙CSB信号;NF (近场) 是主用发射机输出的航道CSB信号, 由于备用发射机是接假负载, 因此不可能有近场信号, 这里笔者认为, 这样连接可以给设备的某些故障判断提供分析的依据。具体连接参见图2-1, 要说明的是由于是热备份, 备机保持在开机状态, 因此备机所接假负载功率要大一些, 最好使用50W的假负载, 同时为了保证良好的散热性能, 假负载应接在机柜外。

2.2遥控系统的升级

这部分指对放置在导航控制室的遥控器的改造。

(1) 原遥控器型号为RCA1240A或RCA1240C (非热备份) , 现在设备升级为热备份, 遥控器也相应要升级为热备份显示模式, 所以航向、下滑的遥控器更换为RCA1240D。

(2) 在遥控系统中要增加一套类别和远场监视显示组件, 它的作用有两个:1、提供一个设备性能类别显示, 包括CATⅠ (一类) 、CATⅡ (二类) 、CATⅢ (三类) 、LLZ ONLY (只有航向) ——下滑故障关闭或下滑在SERVICE状态时显示、OFF (关) 五种显示;2、提供远场监视信号状态的显示, 包括告警、预警、正常三种状态。这套组件由母板MB1509A、状态指示处理板CF1510A、状态指示前面板CP1511A三部分组成。遥控系统外观参见图2-2, 遥控器间的线路连接见图2-3。

(3) 由于Ⅱ类及Ⅲ类标准仪表着陆系统要求配置塔台重复显示器, 因此需增加一套塔台重复显示器, 包括航向、下滑、类别和远场监视显示三部分, 分别与遥控系统中的航向、下滑遥控器及类别和远场监视显示组件相连接。与相连接的塔台显示器不变, 在塔台显示系统中增加一个状态指示前面板CP1511A, 它连接至遥控系统中类别和远场监视显示组件母板上的P7, 这是一个25针的端口, 每一针的内容是一一对应的, 见表2-1。

根据笔者经验, 由于告警而导致的蜂鸣器告警音可能会干扰塔台上管制员的指挥, 所以第25针可不接。而且由于塔台与导航控制室一般较远, 线路走向>100米, 因此第1针与第13针的接地最好都接上, 以保证良好接地。

2.3增加远场监视系统

这包括远场接收天线、远场监视器、航向机柜中的远场信号处理组件。

远场监视器的作用:1.可以显示远场天线接收的远场航道和宽度信号;2.将信号传送至航向机柜中的远场信号处理组件, 供航向显示。

远场接收天线一般架设两付, 一付在跑道中心线的延长线上, 接收航道信号, 另一付安置在航向一边的宽度或半宽度点上, 接收宽度信号。由于是远场接收天线, 为了保证一定的接收增益, 这就要求天线的高度在5米以上, 再加上避雷针, 整个天线高度将达7-8米;同时为了保证净空条件, 远场接收天线就要架设在离跑道较远的地方, 这就使得远场接收天线架设点是一个需要考虑的问题。在浦东机场, 是将远场接收天线安置在中指点标台来解决的, 一付架设在在跑道中心线延长线上, 另一付在中指点标台的一侧, 距离为按照航向航道宽度推算得出, H=h*tan (a/2) (h为航向天线到中指点标天线的距离, a为航向航道宽度的角度值) 。这两付天线通过铜轴电缆分别接至远场监视器的两个输入端口。

航向机柜中的远场信号处理组件包括一块远场接口板 (FI1392A) 、两块远场控制板 (FC1391A) 。远场监视器输出的数据传送至远场接口板, 再经远场接口板分成相同两路, 分别送入两块远场控制板进行处理, 见图2-4。

2.4 安装内指点标

Ⅱ、Ⅲ类标准中, 要求设置内指点标。当安设内指点标时, 如果辐射场型是垂直的, 其天线位置应选在离跑道入口75—450米之间, 不偏离跑道中心线, 由于浦东机场一跑道双向配置仪表着陆系统, 所以内指点标机柜都安装在反向的航向机房内, 天线安装在跑道中心线延长线上, 即反向的航向天线阵后, 与航向天线阵间距≥15米, 距跑道入口约320米。

3 总结

通过以上的改造升级, 从设备本身的角度来说, 其软、硬件已满足Ⅲ类配置要求, 再通过了ⅢA类的飞行校验, 表明仪表着陆系统经过升级改造已达到了ⅢA类标准。

当然, 随着技术进步, 仪表着陆系统设备也在不断更新换代, 随着Thales 420等新型仪表着陆系统设备的引入, 今后可以根据各厂家设备的特点, 进一步探讨设备Ⅱ、ⅢA类升级改造的方法。

摘要：为了降低低能见度天气对航班的不利影响, 机场就应具有Ⅱ类甚至Ⅲ类运行能力, 即配置Ⅱ类或Ⅲ标准仪表着陆系统。本文以上海浦东机场一跑道17L#仪表着陆系统为例, 对仪表着陆系统Ⅲ类升级方案设计做了细致的论述, 分析了改造升级所要进行的工作, 以及需要注意的问题。

仪表着陆系统监控技术 篇6

根据GB50052-2009《供配电系统设计规范》, ILS导航台用电按一级负荷设计, 其中导航通信设备机房等特别重要的场所的部分用电按一级负荷中特别重要的负荷设计。根据GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》, ILS导航台的导航通信设备机房按A级机房设计, A级电子信息系统机房内的设施应按容错系统配置, 即同一时刻至少有两套系统在工作。

2 供电设计

仪表着陆系统航向导航台电气设计分析以虹桥机场某航向台为实例进行分析。ILS导航台为机场内无人值守导航台, 导航台采用双路供电, 第一路由机场外变电所引来一路9.8k V高压电, 通过台站内的9.8/0.39k V箱式变电站转化为0.39k V低压电给设备供电。第二路由机场中心变电所引来一路0.39k V低压电为设备供电, 两路电源在导航台机房内经双电源切换开关转换成单路低压电为设备供电。供电负荷情况:2台空调2P空调 (一主一备使用) 1.8k W、1台0.9 k W除湿机、ILS设备功率2k W, 导航台总用电功率为4.7k W。

3 防雷设计

3.1 直击雷防护

查表后某导航台平均年雷暴日为28.4, 根据《民用航空通信导航监视设施防雷技术规范》MH/T4020-2006中的规定确定防雷等级为甲级。

对于直击雷的防护, 航向阵列天线采用避雷线作为接闪器, 把雷电流接下来, 用引下线引入大地, 从而达到防止直击雷对天线系统的危害。避雷线采用25mm2裸铜线, 安装高度为5m, 引下线一般采用园钢或扁钢, 规格为50 mm2裸铜线, 所有引下线要镀锌或涂漆, 在腐蚀性较强的场所, 还应加大截面积或采取其他防腐措施。为了减少引下线的电感量, 引下线应沿最短接地路径敷设, 与平行布设的航线天线、馈线、信号线、控制线、电源线的水平间距不应小于1.8m, 并且通过4*40mm镀锌扁钢就近接入接地系统。

3.2 感应雷防护——电涌保护器SPD设计

电涌保护器SPD分为三类, 第一种是电源SPD, 第二种是信号SPD, 第三种是天馈SPD。

信号SPD分别安装在航向设备遥控信号端口、监控信号端口以及遥控和电话线路, SPD输出端与被保护设备的端口相连, 我们将航向信号SPD固定在设备机架上, 接地端宜采用截面积不小于4mm2的铜芯导线就近连接到等电位接地端子板上, 接地线应平直, 长度不宜大于0.5m。

天线系统的ILS射频电缆例如CL、DS等通过天馈SPD连接到主机柜的底端, 天线馈线承载矢量信息, 在安装SPD的同时需确保不会对发射信号的相位产生影响。根据被保护的仪表着陆系统航向设备的工作频率、输出功率等要求, 选用合适天馈SPD, 参数为插入损耗≤0.5 d B, 驻波比≤1.2, 响应时间≤10ns, 平均功率≥1.5倍系统平均功率, 特性阻抗一般设计为50欧姆, 传输功率满足系统要求, 工作频率为108----111.975 MHz。

电源SPD应安装在防护区的每个界面处, 当设备需要精细保护时, 可采用多级SPD进行防护, 应使各级SPD之间达到能量匹配, 当防护区模糊时, 建议靠近设备处加装双端口集成的SPD以克服单级SPD或多级SPD的缺点, 双端口SPD既提供了大的通流量, 又提供了能量匹配和响应速度快等优点。第一级安装在配电系统总出线处 (配电柜处) ;第二级安装在各系统供配电柜 (UPS配电箱和障碍灯处) 内;第三级安装在导航设备前端。各级SPD通流量分别为:第一级不小于20k A (10/350μs) (开关型) , 第二级不小于40k A (8/20μs) (限压型) , 第三级不小于20k A (8/20μs) (限压型) , 第四级不小于10k A (8/20μs) (限压型) 。电涌保护器连接导线应平直, 其长度不应大于0.5m, 受条件限制时, 可采用凯文接线法, 接地线长度应不大于1m。当电压开关型SPD至限压型SPD之间的线路长度小于10m、限压型SPD之间的线路长度小于5m时, 在两级电涌保护器之间应加装退耦装置或采用内部配合好的复合式SPD。当电涌保护器具有能量自动配合功能时, 电涌保护器间的线路长度不受限制。

3.3 电位处理

根据《民用航空通信导航3设施防雷技术规范》中的规定, 导航设施的接地阻值不大于4欧姆, 本导航台所在地土壤属黑土地, 含少量石块经实地勘测, 土壤电阻率为89Ω/M, 测量时无降水, 土壤性质:黑土 (相对湿度5%) 。取季节系数ψ=1.0。本设计采用多根人工接地体设计, 各防雷器、机壳地、工作地、交流地等与接地汇接排有良好连接。

由于此台与DVOR台站合装, 所以ILS和DVOR/DME设备应采用共用接地方式, ILS航线天线和监控天线设置人工接地体, 并用埋地接地线与台站接地装置互连。对接地电阻进行估算:单一垂直接地体的接地电阻为22.18Ω, 采用9根接地体, 成网格状埋设时的接地电阻为2.97<4Ω符合接地要求, 本台站采用9根DN20、2.6m/根的要求, 9根接地极成田字型埋设, 埋设深度0.8m (接地体上端距地面0.8m) 。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.JGJ 16-2008民用建筑电气设计规范[S]

[2]中国联合工程公司.GB 50052-2009供配电系统设计规范[M].北京:中国计划出版社, 2010.

[3]中国电子工程设计院.GB 50174-2008电子信息系统机房设计规范[M].北京:中国计划出版社, 2009.

[4]MH/T 4006.2-1998航空无线电导航设备第1部分仪表着陆系统 (ILS) 技术要求

仪表着陆系统监控技术 篇7

1 设计思路

ILS遥控单元工作电压为DC 24V, 其电源输入位于模块MB 1347A上 (见图1) , 共包含两路输入端口, 一路为AC/DC电源输入端口 (已使用) , 另有一路预留的蓄电池输入端口。因此, ILS遥控单元本身已具备增加一路蓄电池为其供电的硬件条件。

2 实施方案

根据Normarc厂方技术资料, 负责遥控单元供电的BC 1522 (下简称整流器) 不具备电流保护设计, 所以1个蓄电池组不能同时并联在东、西跑道的2个机柜上, 故我们计划东、西跑道ILS独立配置蓄电池组分别进行浮充。

远程控制组件RCA 1240 (见图2) 的电流消耗根据其上LED的状态略有不同。在最坏状况下, 即所有LED全亮时, 电流值约为140m A, 故一条跑道的2套ILS设备共4个RCA 1240 (航向或下滑) 总计最大电流为140m A*4=0.56A, 根据4小时的蓄电池供电时间计算, 则总的蓄电池容量至少需要0.56A*4h=2.24Ah。

为ILS遥控单元供电的AC/DC电源BC1522A输入电压为AC 220V, 输出电压为DC24V, 输出电流最大为3A。如使用蓄电池为遥控单元供电, 需串联两块12V蓄电池得到所需的24V电压。

蓄电池组应采购性能稳定的免维护蓄电池, 在满足容量的同时充电电流不应过大。考虑到电瓶的老化及其他一些因素, 最终我们决定选择德国阳光Sonnenschein dryfit A400系列的A412/12SR蓄电池, 该蓄电池容量为12Ah/10h, 电压12V, 一共需4块该种蓄电池, 两两串联即可得到容量12Ah, 工作电压24V的2个电池组。

在图3的红圈的接口处连接上述容量型号的电瓶, 并在电瓶与接口之间接入电瓶开关以方便日后维护。

3 改进

根据厂方资料与咨询厂方工程师后得出以上设计方案, 但这是否为最好的方案?根据这套方案整流器和蓄电池并联在一起进行供电, 平时由整流器供电, 当交流电中断或者整流器发生故障时蓄电池向负载放电。当供电恢复后整流器既要给遥控单元供电, 又要提供电流给蓄电池充电。虽然有了多路供电保障, 但关键的整流器没有后备保障, 考虑到极限情况在整流器故障, 蓄电池完全放完电后还是会造成遥控单元失效, 实际上还是单路供电的设计。所以另配充电器把蓄电池充电与整流器供电分离为两路输入, 在蓄电池输出端加二极管隔离。

参考文献