NM7000B儀表著陸系統(tǒng)實訓平臺設(shè)備改造方案

劉志剛+郭艷穎

摘 要： 給出了一種儀表著陸系統(tǒng)（ILS）實訓平臺的設(shè)備改造方案，應(yīng)用實際設(shè)備改造，對調(diào)制后的射頻信號衰減后進行功率和相位的分配，然后潰入天線監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)，合理構(gòu)造出從每個發(fā)射天線耦合回來的監(jiān)控信號。在沒有向空間發(fā)送射頻信號的情況下，在實驗室中搭建完整的實訓平臺。該實訓平臺的發(fā)射系統(tǒng)、發(fā)射信號及其流程、監(jiān)控信號及監(jiān)控過程與真實設(shè)備完全一樣，為業(yè)務(wù)培訓提供了真實的環(huán)境。以NM7000B型儀表著陸系統(tǒng)航向信標設(shè)備為例進行改造，該方案在實驗室真實設(shè)備上進行驗證，結(jié)果證明了方案的可行性。

關(guān)鍵詞： 儀表著陸系統(tǒng)； 實訓平臺； 航向信標； NM7000B型儀表

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0088?04

Reforming scheme for training platform equipment of NM7000B ILS

LIU Zhigang， GUO Yanying

（Guangzhou Civil Aviation College， Guangzhou 510403， China）

Abstract： The reforming scheme for training platform equipment of instrument landing system （ILS） is proposed. The power and phase of the modulated RF signal after attenuation are distributed by application of the actual equipment reforming， and the signal is fed into the antenna to monitor the mixed network. The monitoring signal coupled back from each transmitting antenna was constructed reasonably. The integrated training platform was built in the laboratory under the condition that the RF signal isnt transmitted to the space. The transmitting system， transmitting signal and its process， monitoring signal and monitoring process of this training platform are exactly the same with the true equipment， which provides the true environment for operation training. The localizer equipment of NM7000B ILS as an instance was reformed. The scheme was verified on the true equipment in the laboratory. The experimental results prove that this scheme is feasible.

Keywords： ILS； training platform； localizer； NM7000B equipment

0 引 言

儀表著陸系統(tǒng)又稱“盲降”，作為國際民航組織的標準精密進場和著陸設(shè)備，是引導(dǎo)飛機安全進近和著陸的國際標準系統(tǒng)。通常由航向信標、下滑信標和指點信標組成，如圖1所示，其中航向信標提供對準跑道的水平引導(dǎo)，下滑信標提供降落的垂直引導(dǎo)，指點信標提供進近路線的距離校準點，分為內(nèi)指點、中指點和外指點[1]。NM7000B系列設(shè)備是由原挪威諾馬克公司生產(chǎn)制造，目前被英國Indra公司收購。該設(shè)備采用現(xiàn)代電子應(yīng)用技術(shù)和微處理器技術(shù)，輔助大規(guī)模DSP數(shù)/模信號轉(zhuǎn)換電路、模擬器件、數(shù)字硬件和軟件技術(shù)，為系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)，為用戶提供維護簡單、操作易懂的人機交互界面。在國內(nèi)機場配置了100多套，是國內(nèi)ILS系列主流設(shè)備之一，其穩(wěn)定的性能和優(yōu)良的品質(zhì)得到了機場的肯定和認可。

圖1 儀表著陸系統(tǒng)各設(shè)備組成及分布圖

NM7000B設(shè)備的航向信標通過天線系統(tǒng)向空間發(fā)送CSB（包括載波、90 Hz與150 Hz的和信號）和SBO信號（僅包含90 Hz與150 Hz的差信號），場型如圖2所示。在空間疊加出跑道左側(cè)90 Hz調(diào)制度大于150 Hz、右側(cè)90 Hz調(diào)制度小于150 Hz、跑道延長線上兩者調(diào)制度相等的空間場型[2?3]，機載接收機在空中接收到航向射頻信號后，經(jīng)過處理，輸出一個飛機相對于航向道的位置偏離指針信息，在駕駛艙水平姿態(tài)指示器HIS上顯示當前航向道的位置信息。若飛機在航向道中心線上，即對準跑道，位置偏離指示為零（重合）；若飛機在航向道的左邊或右邊，航向指針就向右或向左指示，給飛行員提供一個“飛右”或“飛左”的指令，從而引導(dǎo)飛機安全著陸。

圖2 儀表著陸系統(tǒng)CSB與SBO天線場型圖

1 設(shè)備組成與模塊單元

NM7000B設(shè)備是一種典型的儀表著陸系統(tǒng)，包含航向信標、下滑信標和指點信標，本文以航向信標為例進行改造分析。NM7000B航向信標的設(shè)備框圖如圖3所示，按照模塊功能劃分由5部分組成：發(fā)射單元、監(jiān)控單元、控制單元、電源部分、天線陣單元。

圖3 NM7000B設(shè)備框圖

發(fā)射單元是設(shè)備主機的發(fā)射機部分，由低頻信號產(chǎn)生板、射頻振蕩板和調(diào)制功放板組成。其中低頻信號產(chǎn)生板產(chǎn)生90 Hz和150 Hz合成后的低頻模擬信號，包括航道CSB（COU?CSB）、航道SBO（COU?SBO）、余隙CSB（CLR?CSB）、余隙SBO（CLR?SBO）和識別信號[4]。射頻振蕩板產(chǎn)生航道、余隙射頻載波信號；以上音頻信號與射頻載波信號在調(diào)制功放板中進行混合調(diào)制和放大，輸出雙頻航向設(shè)備所需要的COU?CSB，COU?SBO，CLR?CSB，CLR?SBO射頻載波信號[5]。

監(jiān)控單元保障系統(tǒng)能夠正常工作，當系統(tǒng)正常工作時設(shè)備不產(chǎn)生告警，如果系統(tǒng)發(fā)射信號異常，設(shè)備產(chǎn)生告警信號。在航向天線陣單元中，每一根天線陣中內(nèi)置的監(jiān)控取樣探頭，耦合輸出射頻信號，送至監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)單元，將其混合成模擬的射頻監(jiān)控信號，通過監(jiān)控單元對航向信標輻射的各項參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)視。監(jiān)控板將監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)合成的3路射頻信號航道（CL）、寬度（DS）、余隙（CLR）和1路近場（NF）信號，處理后提供數(shù)字式的射頻電平、調(diào)制度和、識別信號調(diào)制度、射頻電平等參數(shù)，并且根據(jù)相應(yīng)的告警門限數(shù)值判別是否需要告警，最后輸出到控制單元檢測、仲裁電路，從而實現(xiàn)開機、換機或關(guān)機操作[6]。

控制單元主要對設(shè)備的運行狀態(tài)進行控制，控制板通過接收后置監(jiān)控板輸出的正常/告警信號來控制發(fā)射機自動進行主/備機切換和關(guān)機控制。如果控制板接收到遙控板的操作指令，也可以控制設(shè)備進行主/備機切換和關(guān)機控制。電源器包括交流電源和直流電源，其中交流電源接入220 V交流輸入，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓、保護控制等電路，輸出直流電壓，一部分給ILS設(shè)備提供總電源供電，另外一部分給設(shè)備蓄電池提供充電電壓。直流電源接入直流輸入，經(jīng)過穩(wěn)壓、直流轉(zhuǎn)換模塊電路，供給ILS設(shè)備各板件。

天線陣單元接入來自發(fā)射單元輸出COU?CSB，COU?SBO，CLR?CSB，CLR?SBO射頻載波信號，經(jīng)過射頻電纜傳輸，送至天線陣單元的天線分配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同天線陣單元類型，按照規(guī)定的幅度和相位分配后，送至天線陣各天線輻射射頻信號，形成ILS設(shè)備所需要的CSB，SBO場型圖。天線陣發(fā)射信號后，其內(nèi)置的監(jiān)控取樣天線對每一根天線輻射信號取樣，分別送至監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)單元，按照信號成分進行射頻信號混合，輸出CL，DS，CLR信號，又經(jīng)過射頻饋線，送入設(shè)備機房主機監(jiān)控單元。近場（NF）監(jiān)控天線取樣外場信號后，也經(jīng)過120 m射頻電纜傳輸，送至設(shè)備機房主機監(jiān)控單元[7?8]。

2 培訓平臺設(shè)備改造方案

為了保障民航的安全生產(chǎn)，實際應(yīng)用的導(dǎo)航設(shè)備不能進行驗證性的功能切換操作、錯誤告警、故障排除等演示，需要建設(shè)專門的模擬導(dǎo)航設(shè)備現(xiàn)場的實訓平臺，并且盡可能與設(shè)備的現(xiàn)場保持一致，滿足民航通信在職人員培訓與相關(guān)專業(yè)學生的實訓操作需求。在實際改造中除了能夠讓設(shè)備的發(fā)射單元、控制單元與電源器部分能夠正常工作，產(chǎn)生發(fā)射信號和控制操作設(shè)備，更重要的是還需要能夠讓設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)正常工作，當設(shè)備故障時能夠產(chǎn)生告警信息，否則設(shè)備的運行過程不完整，很多場景不能操作和驗證[9]。但在實驗室中有一個重要的限制，就是不能通過天線發(fā)射無線電信號，否則會對實際的民航無線電導(dǎo)航信號產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生嚴重后果。從上述設(shè)備的組成及模塊單元的功能可以看出，發(fā)射單元的信號通過天線轉(zhuǎn)換為電磁波，而監(jiān)控單元的信號是通過對天線信號的采樣得到。因為不能通過天線發(fā)射信號，發(fā)射單元產(chǎn)生的射頻信號通過天線分配網(wǎng)絡(luò)后不能直接接入天線陣，但此時監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)需要通過天線陣采樣的信號作為輸入對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控，如果沒有該采樣信號系統(tǒng)的監(jiān)控單元就不能正常運行，設(shè)備的運行狀態(tài)就不能正確顯示[10]。另外由于沒有輻射無線電信號，近場監(jiān)控天線不能真正接收到無線電信號，近場監(jiān)控的狀態(tài)不能正常顯示。

為了不發(fā)射無線電信號，需要替換航向信標的發(fā)射天線，第1種方案是在每個天線接入位置接入一個假負載進行阻抗和負載功率的匹配，但接入假負載后無法進行信號采樣，造成不能獲取監(jiān)控信號，所以該方案不可行。第2種方案是把經(jīng)過天線分配網(wǎng)絡(luò)后的射頻信號作為該射頻信號原接入天線的采樣信號，即直接把接入天線的線纜與該天線的采樣信號線纜連接，可以把射頻信號接入監(jiān)控單元。但如果只簡單這樣接入，因為原來需要接入天線的射頻信號沒有經(jīng)過天線負載與采樣全部接入監(jiān)控單元，造成接入監(jiān)控單元的射頻信號電平太大，監(jiān)控單元同樣不能正常工作。

為了減小接入監(jiān)控單元的信號電平，可以在原來接入天線的每個線纜在接入監(jiān)控線纜前加入耦合器，耦合器的輸出端口的信號接入假負載進行阻抗和負載功率的匹配，而耦合器的耦合端口的信號可以用來作為天線的采樣信號輸入監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)，并轉(zhuǎn)換為監(jiān)控信號指示設(shè)備的工作狀態(tài)，如圖4所示。

如果采用第2種方案，在實際的設(shè)備改造中，由于每個天線陣有20個天線單元，對每個天線接入的耦合器的耦合度和插入損耗的一致性要求較高，否則會造成采樣信號的幅度和相位偏差，接入監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)后造成監(jiān)控信號的誤差從而引起虛警和漏警，增加了設(shè)備的不穩(wěn)定性和改造難度。通過分析天線陣單元的工作原理可以看到，發(fā)射單元產(chǎn)生的COU?CSB，COU?SBO，CLR?CSB，CLR?SBO信號經(jīng)過天線分配網(wǎng)絡(luò)后，對應(yīng)每個天線的幅度分配比例（以20單元的天線陣為例），如表1所示。

圖4 通過天線耦合器接入時天線部分改造方案

可以看出天線分配網(wǎng)絡(luò)只是對信號的幅度進行了分配，并沒有對信號波形做任何變化，所以可以選擇在天線分配網(wǎng)絡(luò)之前接入衰減器，把經(jīng)過天線分配網(wǎng)絡(luò)之前的射頻信號衰減到適合監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)輸入的電平，其中航道CSB和余隙CSB因為包含載波信號且電平較高，需要接入6 dB的衰減器，而航道SBO和余隙SBO本身電平較小，接入3 dB的衰減器，如圖5所示，就可以直接接入監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)對信號進行監(jiān)控，從而有效顯示設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)。

圖5 通過衰減器直接接入監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)改造方案

另外，因為沒有真實的無線電信號輻射，所以不能使用近場監(jiān)控天線，為了讓近場監(jiān)控指示正常，通過分析和測量得到近場監(jiān)控信號與航道監(jiān)控信號數(shù)值一致，見表2。采用從航道監(jiān)控信號線纜并接近場監(jiān)控線纜，因為這兩個信號的形式相同，設(shè)備航道信號異常時近場監(jiān)控也會告警，使近場監(jiān)控單元模擬真實設(shè)備正常工作。當然，這樣的改造不可能構(gòu)造近場監(jiān)控天線故障和實際天線因為物理偏置導(dǎo)致的一些告警故障場景，但保證了設(shè)備運行整體的完整性。經(jīng)過實際驗證，通過上述對天線系統(tǒng)的改造，設(shè)備的其他部分及軟件設(shè)置完全不需要修改，實訓平臺能夠正常工作，搭建了一個不發(fā)射無線電干擾信號的與實際設(shè)備運行環(huán)境一致的實訓平臺，如圖6所示。

表2 航向信標設(shè)備監(jiān)控主要參數(shù)正常值

圖6 NM7000B設(shè)備實訓平臺改造框圖

3 結(jié) 語

本文分析了NM7000B設(shè)備航向信標的組成及各單元的功能及信號流程，在保證不發(fā)射無線電干擾信號的基礎(chǔ)上，通過對設(shè)備天線系統(tǒng)的改造，使用衰減器模擬天線的負載，并且使用反饋的監(jiān)控信號讓設(shè)備的監(jiān)控單元正常工作。通過航道監(jiān)控信號并接的方式模擬出近場監(jiān)控信號，讓設(shè)備的近場監(jiān)控正常顯示，在設(shè)備的其他硬件設(shè)備與軟件設(shè)置都不變的情況下，使整個實訓平臺與實際設(shè)備運行過程相同，監(jiān)控顯示一致。經(jīng)過實際驗證，該操作平臺的運行、參數(shù)設(shè)置、故障模擬和排除與實際設(shè)備相同，下滑信標的改造也可以參考上述方案進行，從而為機場民航通信人員在職培訓與在校學生的學習實訓搭建出一套實用的實訓操作平臺。

參考文獻

[1] 沈笑云，孟建，焦衛(wèi)東.ILS對進近著陸支持情況的三維可視化仿真[J].計算機仿真，2013，30（5）：63?67.

[2] 苗強，吳德偉，毛玉泉，等.用Simulink對儀表著陸系統(tǒng)航向信標建模與仿真[J].電光與控制，2008，15（11）：50?54.

[3] 劉雪峰，胡江坤，付晶，等.儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備混合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[J].西安航空學院學報，2014，32（5）：48?51.

[4] 金遼.Normarc M改型下滑信標輻射場型的分析和比較[J].中國民航學院學報，2000，18（3）：30?34.

[5] Indra Company. NM7013 instrument landing system instruction manual [R]. Oslo Norway： Indra Company 2013.

[6] 簡建紅.儀表著陸系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的原理及調(diào)整[J].科技資訊， 2014（30）：60?61.

[7] 張貴興.NORMARC ILS天線系統(tǒng)的安裝調(diào)整[J].中國無線電管理，2001（7）：18?19.

[8] 曲曉峰.關(guān)于NM7000系列盲降設(shè)備遙控故障的討論[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（7）：182?183.

[9] 李昕，路輝.無線電羅盤自動測試系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計[J].計算機工程，2007，33（3）：240?242.

[10] 陳康.儀表著陸系統(tǒng)航向信標的分析與研究[J].信息通信， 2011（6）：9?11.