0 引言

仪表着陆系统(Instrument Landing System,简称ILS)是当前国内外广泛应用的、对飞机精密进近和着陆进行引导的陆基导航系统,该系统使用高强度灯光阵列和无线电信号,为飞机提供精密引导从而保证安全的进近降落,同时克服低能见度的不利气象条件^[1]。该系统必须保证一定的精度,因此飞行校验机构会定期对ILS开展校飞,对其关键参数进行验证和校准。

2013年4月,某型民用飞机在银川某民航机场完成了ILS局方审定试飞。在航向道信标(localizer, 简称LOC)接收功能评估过程中,发现与航电系统规范中规定的系统精度存在差距,对机载LOC接收功能进行定量评估存在困难。

据了解,目前国内民机对于机载LOC的试飞验证,并不做准确的定量评估。通常在假设LOC地面台信号是理想的条件下,计算得到机载LOC的航向道偏离误差,但并不根据该误差对机载LOC系统优劣进行定量的评判。目前国内民机的试飞大纲参照国外咨询通告编制,有不少定性评估的科目(包括LOC接收功能评估)^[2]。参照相同咨询通告编制的国外机型的试飞大纲,虽然对于这些科目也仅是定性评估的判据,但局方审查代表通常认为,以国外申请人的经验,定性判据是有其定量标准的,因此并不会对定性评估的结论产生质疑。然而对于国内民机的试飞,无论是申请人还是局方均缺乏经验,仅有定性评估往往无法给出令人信服的结论。所以对这些试飞科目开展定量研究,无论是对于国内民机的试飞,或者是作为经验积累为后续型号打下基础,都是必要的。

经过对ILS原理和应用的深入研究后认为,在考虑LOC地面台信号本身存在的误差,以及地面台校飞的测量误差后,可以对机载LOC接收功能进行相对合理的定量评估。因此,本文将对LOC工作原理和地面台信号进行分析,并结合LOC地面台的校飞结果,尝试给出一套可行的机载LOC接收功能定量评估方法。

1 LOC基本工作原理

仪表着陆系统(ILS)是一种引导飞机进行着陆的系统,通过接收航向道信标(LOC)和下滑道信标(GS)地面台信号,为飞机提供航向道和下滑道的偏离信息^[1]。

LOC有两种调制方式,比相制和比幅制,目前国内民用机场均采用比幅制。比幅制LOC地面台,沿跑道中心线两侧发射两束水平交叉的辐射波瓣。跑道左侧(向台)的甚高频载波信号由90Hz低频信号调幅,右侧由150Hz信号调幅。当飞机位于跑道左侧时,90Hz调制信号幅值大于150Hz调制信号,位于右侧则150Hz大于90Hz,当飞机位于跑道延长线时,理想的LOC信号,90Hz与150Hz调制信号的幅值相等。在航向道扇区以内,调制深度比(DDM)与角度成正比。LOC地面台空间合成辐射场如图1所示。

DDM等于0.155时,夹角θ之间的区域称为航向道扇区。θ随LOC地面台与跑道入口之间的距离不同而变化。但在所有情况下,航向道扇区的线性宽度在ILS基准数据点(位于跑道中心线与跑道入口上方15m处的一点,ILS下滑道直线向下延伸部分通过该点)应为210m。也就是说,不管LOC地面台天线安装位置和跑道长度如何,在ILS基准数据点的扇区宽度均应等于210m。但如果在扇区宽度等于210m时,扇形角度θ大于6°,则可在保证θ最大等于6°的前提下使扇区宽度小于210m。为了满足上述DDM和角度的关系,在ILS中是通过调整90Hz和150Hz调制信号的天线方向图形状来保证的。

作为试飞机场的银川某民用机场,其跑道长度为3 200m,LOC地面台离跑道端头260m,计算可得理论的线性宽度为3.48°,与航空资料汇编中的标称宽度一致。

2 LOC地面台信号分析

对于机场LOC地面台信号的分析,通过分析飞行校验机构定期发布的校飞结果来进行。

2.1 LOC地面台校飞科目

LOC地面台校飞包括以下科目^[3]:

1) LOC信号余隙;

2) LOC信号覆盖;

3) LOC信号校直与结构;

4) LOC信号宽度。

信号余隙检查用于确定LOC信号是否存在假航道,信号覆盖用于检查一定范围内的信号强度是否满足民航规章要求^[4-9]。试飞机场的ILS地面台在2012年12月底完成了偏南和偏北两个方向跑道的校飞,而民航要求的校验周期为9个月,可以认为2013年4月执行ILS试飞时,不存在假航道和信号强度的问题。

通过对信号校直与结构的校飞结果分析,可以确定LOC地面台信号在跑道延长线方向的误差特征;信号宽度则用于确定LOC地面台信号在线性范围内的误差特征^[4-9]。上述误差特征与ILS试飞的定量分析密切相关,因此下文将主要关注信号校直与结构、信号宽度的校飞结果。以下涉及精度要求和误差参数,除非另有说明,均为两倍标准差数据。

2.2 LOC地面台校飞结果分析

该ILS试飞中使用的是该民航机场偏南向跑道,以下对该地面台的校飞结果进行分析。校飞系统对于航向道偏离的测量采用μA为单位,航向道扇区0.155DDM边界,理想测量值为150 μA。LOC地面台信号校直、结构与宽度的校验结果如表1所示。

校直结果表示沿下滑道进近中的LOC信号误差平均值,当测量值为5 μA时,校飞系统误差为0.86 μA。

结构校飞结果表示进近过程3个分区内的LOC误差最大值。对于CATI类进近,定义距跑道入口4nm(7 408m)处为A点,A点以外为结构1区;定义距跑道入口0.567nm(1 050m)处为B点,A点与B点之间为结构2区;定义下滑道信号在包含跑道入口的水平面上方30m高度处所通过的一点为C点(对于该跑道,计算可得C点距跑道入口249m),B点与C点之间为结构3区。结构校飞中的航向道弯曲要求:1区为0.031DDM(对应30 μA);2区从0.031DDM线性下降到0.015DDM(对应14.52 μA);3区为0.015DDM。上述结构校飞结果满足该要求,推测在下次校飞前,性能可能会低于本次校飞结果,但仍能满足该要求。航道结构示意如图2所示。

宽度校飞结果表示LOC信号的线性宽度,当测量值为3°时,校飞系统误差产生的宽度测量误差为0.02°;其对称性与校直结果中的偏向可以看出线性区域整体偏右,中心位置偏移量占总宽度的2%左右。

两架次的宽度校飞结果示意如图3所示。

两个架次存在略微差异,下文仅按第一个架次的数据进行分析。该架次航向道偏离Y和相对跑道延长线的夹角X的对应关系可表示为:

当考虑校飞系统的宽度测量误差后,式(1)中的线性关系,最大斜率为90.36,最小为89.28,由此引起的宽度边界上的航向道偏离测量误差,大约在+/-0.9 μA,过零点时的航向道偏差测量误差约在+/-0.8 μA。

3 机载LOC接收功能定量评估

3.1 功能评估的分析

根据咨询通告AC 25-7C,机载LOC接收功能试飞中有以下两项需评估航向道偏离指示的正确性^[10]:

1)航向道跟踪:飞机沿跑道中心延长线归航飞行,在距离外指点信标台5mile以内,改变飞机航向,直到航向道指示满偏,然后截获并跟踪航向道,直到飞越航向台。

2)接收全向性:飞机在距离航向台至少25nm处,以相对航向台2 000ft的高度按相对方位间隔45°的8个航向上飞经地标点,过点时压坡度10°。

根据相应系统规范,机载LOC系统要求:在对准航向道时精度为+/-0.004 65DDM,偏离航向道时按照+/-0.004 65DDM和航向道偏离输出的10%两者中取大值(0.004 65DDM对应4.5 μA;考虑到LOC线性区域边界在150 μA附近,因此航向道偏离输出的10%近似为15 μA)。因此,航向道跟踪科目对于航向道偏离指示正确性的评估,可使用对准航向道时的机载LOC系统精度进行分析。接收全向性科目对于线性宽度以内的航向道偏离指示正确性的评估,可使用偏离航向道时的LOC系统精度进行分析。以下将按对准航向道(即飞机沿航向道飞行),以及偏离航向道(即飞机与航向道成夹角飞行)两种情况,结合2.2节的校飞结果,分别进行量化分析。

3.1.1 飞机沿航向道飞行时的误差要求

LOC地面台校直试飞结果可以表明LOC地面台信号在跑道延长线方向的误差特征,因此当飞机沿航向道飞行时,可以综合考虑对准航向道时的机载LOC系统精度和校直试飞结果,并以宽度校飞结果作为辅助进行计算,作为定量的误差要求。

第一个架次校直试飞得到的LOC信号误差均值为-1.62 μA,优于宽度试飞中过零点的误差-5.748 μA,可能由校飞系统延时造成。而航向道跟踪试飞与校直试飞相近,因此采用校直试飞结果的误差数据,但航向道偏离与角度对应关系的斜率仍采用宽度校飞中的89.82。航向道跟踪阶段的LOC系统精度为4.5 μA,校直的测量误差约为0.3 μA,宽度校飞的测量误差约为0.8 μA。按照三项误差无关考虑,得到航向道跟踪阶段的误差要求为-1.62 μA±4.6 μA。故而使用该跑道执行的航向道跟踪科目可以此为定量的误差要求。

3.1.2 飞机与航向道成夹角飞行时的误差要求

信号结构和宽度校飞结果可用于表明LOC地面台信号在线性范围内的误差特征,因此当飞机与航向道成夹角飞行,且处于LOC地面台信号线性区域以内时,可以综合机载LOC系统精度、结构和宽度校飞的结果,作为定量的误差要求。

在线性区域边界位置,三项误差要求分别为:系统精度15 μA;LOC地面台信号结构误差,按照CATI结构校飞中相对较高的结构3区要求,使用14.52 μA;宽度校飞误差引起的航向道偏离测量误差为0.9 μA。按照三项误差无关考虑,允许的最大误差为20.9 μA。按照最大误差给出的上下限可做两条包络的直线,分别为:Y=102.30X-6.549,Y=77.30X-4.947。

在系统精度下限4.5 μA区域,结构误差使用14.52 μA,宽度校飞误差采用过零点时的航向道偏差测量误差,即为0.8 μA,则允许的最大误差为15.2 μA。按照该值可以给出中间区域的两条误差包络直线:Y=89.82X-20.948,Y=89.82X +9.452。

综合上述的误差包络线,对于飞机与航向道成夹角飞行的误差要求,可以按照上述4条包络直线的交集给出。4个交点分别为(-1.15,-124.6)、(-1.15,-93.85)、(1.28,93.85)和(1.28,124.6)。故而使用该跑道执行的接收全向性科目可以此为定量的误差包络范围,由此形成的与航向道成夹角飞行的误差边界要求如图4所示。

3.2 定量评估

对机载LOC接收功能评估的误差要求进行量化分析后,下文使用实际的试飞数据进行计算。LOC信号定量评估可按如下步骤进行:

1)通过差分GPS得到飞机的实时经纬度,计算飞机与LOC地面台连线与真北的夹角;

2)计算该夹角和机场跑道真方位的差值,得到飞机和LOC地面台连线与跑道的夹角;

3)按照式(1)将夹角对应到航向道偏离值,作为基准数据;

4)将机载的LOC航向道偏离数据与基准数据进行对比,得到误差;

5)将误差与3.1节的误差要求进行对比,得出结论。

在步骤2)的计算中,机场跑道方位在公布的航空资料汇编中只精确到度,影响到定量评估的精度。考虑到机场两端的LOC地面台均安装在跑道延长线上,使用LOC地面台的差分GPS经纬度,对地面台连线与真北的夹角进行计算,作为机场跑道真方位^[11]。经计算试飞机场跑道真方位为29.42°。

按照以上步骤,分别对沿航向道飞行和与航向道成夹角飞行进行定量评估。

3.2.1 飞机沿航向道飞行时的定量评估

选取试飞数据:远端使用截获并跟踪航向道后的数据;近端按照1m的差分GPS位置精度和0.1 °的航向道测量误差进行计算,对应的距离为570m。对试飞数据进行分析,试飞数据全部落在3.1.1节的误差要求范围内。沿航向道飞行的试飞结果如图5所示。

3.2.2 飞机与航向道成夹角飞行时的定量评估

选取试飞数据:与航向道成夹角的飞行阶段,并且处于线性区域内,按照第一架次校飞结果,与航向道夹角在-1.606 °~1.734 °之间。对试飞数据进行分析,试飞数据绝大部分(98.8%,高于两倍标准差对应的95%概率)落在误差包络线内,满足3.1.2节的误差要求。与航向道成夹角飞行的试飞结果如图6所示。

4 结论

1) 目前国内民机对于机载LOC的试飞验证,并不做准确的定量评估,然而对于国产民机的试飞,无论是申请人还是局方均缺乏丰富经验,仅有定性评估往往无法给出令人信服的结论,因此定量分析对民机机载LOC的性能评估具有现实意义。

2) 为定量评估机载LOC接收功能,需充分考虑LOC地面台信号本身存在的误差,以及地面台校飞的测量误差,由此制定出LOC信号接收功能定量评估方法。

3) 使用实际的试飞数据进行计算,分飞机沿航向道飞行和飞机与航向道成夹角飞行两种情况,验证了定量评估方法的可行性和正确性。

参考文献