ILS導(dǎo)航天線信號(hào)特性與選址分析

李雙星　于曉紅

摘 要：精密儀表著陸系統(tǒng)能夠?yàn)轱w機(jī)提供垂直引導(dǎo)和水平引導(dǎo)，通過虛擬下滑道引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近降落。利用FEKO軟件對(duì)ILS航向天線和下滑天線進(jìn)行建模，計(jì)算得到信號(hào)輻射特性。根據(jù)航向天線的CSB和SBO信號(hào)在跑道中心線延長線方向最強(qiáng)特性得到航向面，與下滑面相交得到下滑道，并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果證明了仿真ILS對(duì)飛行器的終端區(qū)進(jìn)近著陸優(yōu)化控制的準(zhǔn)確性。針對(duì)華北某新建支線機(jī)場(chǎng)制定ILS臺(tái)站選址方案，消除周邊信號(hào)遮蔽和信號(hào)干擾，選址結(jié)果表明ILS臺(tái)站滿足后期校飛和飛行運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞：儀表著陸系統(tǒng) 輻射場(chǎng)型 導(dǎo)航臺(tái)選址

中圖分類號(hào)：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0056-03

ILS Navigation Antenna signal Characteristics and Location Analysis

Li Shuangxing1 Yu Xiaohong2

（1.China Airport Construction Group Corportation North branch，Beijing，100621；2.Hwa Create Corporation Ltd，Beijing，100193，China）

Abstract：Precision Instrument Landing System can provide vertical guidance and lateral guidance for the aircraft， guide the aircraft approach landing through a virtual glide path .According to the radiation characteristics， ILS antenna is modeled by the electromagnetic simulation software FEKO. The course surface is structured by the characteristic that CSB and SBO signals are strongest at direction of centerline of the runway extension cords， so the glide slope is obtained by intersecting with glide surface. The simulation shows the accuracy of the approach and landing optimal control by ILS simulation. The navigation siting plan is developed for a new regional airport. Eliminate the signal shielding and signal interference， the result shows the navigation beacons satisfy the airport operation requirements.

key Words：Instrument Landing System；Radiation field；Navigation Siting

精密儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）是目前應(yīng)用最廣泛的進(jìn)近著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，能夠?yàn)轱w機(jī)提供垂直引導(dǎo)和水平引導(dǎo)，通過虛擬下滑道引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近降落。

精密儀表著陸系統(tǒng)主要利用航向天線、下滑天線和DME測(cè)距儀天線發(fā)射無線電信號(hào)。天線輻射特定場(chǎng)型信號(hào)。天線信號(hào)對(duì)場(chǎng)地條件、無線電磁干擾等敏感。在導(dǎo)航臺(tái)站選址過程中，考慮消除周邊環(huán)境對(duì)導(dǎo)航臺(tái)站的干擾。

參考文獻(xiàn)[1-2]對(duì)I類儀表著陸系統(tǒng)的航向臺(tái)和下滑臺(tái)電磁環(huán)境仿真進(jìn)行了分析論述，提出了詳盡的仿真方案，但未考慮航向天線和下滑天線的信號(hào)輻射特性，仿真結(jié)果沒有進(jìn)行三維顯示。參考文獻(xiàn)[3]僅針對(duì)下滑信標(biāo)天線進(jìn)行了研究。

文章首先對(duì)ILS天線輻射場(chǎng)型進(jìn)行研究，利用三維全波電磁仿真軟件FEKO[4]對(duì)航向天線和下滑天線進(jìn)行信號(hào)建模，對(duì)比分析電磁輻射特性。

結(jié)合實(shí)際的導(dǎo)航臺(tái)選址，對(duì)比臺(tái)站選址方案，從無線電磁干擾、保護(hù)區(qū)要求等方面，論述擬選臺(tái)址滿足國家和民航規(guī)范，可以滿足后期校飛和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行要求。

1 精密儀表著陸系統(tǒng)

精密儀表著陸系統(tǒng)又稱為盲降[5]，其作用是由地面發(fā)射的兩束無線電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)航向道和下滑道指引，建立一條由跑道指向空中的虛擬路徑。飛機(jī)通過機(jī)載接收設(shè)備，確定自身與該路徑的相對(duì)位置，使飛機(jī)沿穩(wěn)定的下滑角度飛向跑道并且平穩(wěn)下降，最終實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)安全降落。

儀表著陸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，包括三個(gè)臺(tái)站：提供水平引導(dǎo)的航向信標(biāo)（LOCALIZER）、提供垂直引導(dǎo)的下滑信標(biāo)（GLIDESLOPE）和提供距離引導(dǎo)的指點(diǎn)信標(biāo)（MAKER BEACON），目前新建機(jī)場(chǎng)指點(diǎn)標(biāo)被DME測(cè)距儀取代。航向信標(biāo)天線輻射與跑道中心線對(duì)準(zhǔn)的航向面，下滑信標(biāo)天線輻射場(chǎng)形成下滑面，這兩個(gè)面的交線即是飛機(jī)進(jìn)近著陸的虛擬下滑道。下滑道與跑道的夾角即是下滑角。

I類精密儀表著陸系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)為決斷高度不低于60 m，能見度不小于800 m或跑道視程不小于550 m的精密進(jìn)近和著陸[6]。

ILS性能優(yōu)越，能夠提供垂直引導(dǎo)和水平引導(dǎo)。即使機(jī)場(chǎng)周圍能見度低或者偶遇風(fēng)暴天氣，飛行員利用機(jī)載信號(hào)接收系統(tǒng)仍能完成降落。ILS為降落著陸提供一個(gè)可靠的進(jìn)近著陸通道，以便讓飛行員掌握位置、方位、下降高度，從而安全著陸。

2 天線信號(hào)場(chǎng)型可視化仿真

針對(duì)航向天線和下滑天線工作特性，考慮天線單元的位置、高度、相位、饋電情況等，采用FEKO電磁仿真軟件對(duì)航向天線和下滑天線進(jìn)行輻射信號(hào)場(chǎng)型三維可視化仿真。本文以NORMARC公司生產(chǎn)的NM7212A航向天線和NM3545下滑天線為仿真對(duì)象，二者均為民航在用導(dǎo)航設(shè)備。

2.1 航向天線仿真分析

NM7212A型航向天線的天線單元是對(duì)數(shù)周期偶極子天線，由12個(gè)天線單元依次排布，相鄰兩個(gè)天線高度不同，12單元航向天線滿足支線機(jī)場(chǎng)的使用要求，其天線饋電表如表1所示。

對(duì)NM7212A型航向信標(biāo)天線進(jìn)行建模時(shí)，6對(duì)平行放置的對(duì)數(shù)周期天線以天線排布圖的位置進(jìn)行排列，設(shè)定計(jì)算步長為2°。NM7212A設(shè)備為單向輻射，為便于計(jì)算信號(hào)輻射場(chǎng)型，仿真范圍在x-y和y-z平面上設(shè)定均為0°-360°。利用 FEKO電磁仿真，得到SBO信號(hào)三維輻射線性遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)型如圖2（a）所示，對(duì)SBO x-y軸極坐標(biāo)方向性圖結(jié)果圖2（b）所示；CSB信號(hào)的三維輻射線性場(chǎng)型圖如圖2（c）所示。航向信標(biāo)臺(tái)向主降入口方向發(fā)射水平極化的扇形合成場(chǎng)型。依據(jù)《航空無線電導(dǎo)航臺(tái)（站）電磁環(huán)境要求》（GB6364-2013）規(guī)定：以航向信標(biāo)臺(tái)天線為基準(zhǔn)，在跑道中心延長線±10°以內(nèi)為45 km，在10°～35°之間為30 km。本次建模計(jì)算得到：以航向信標(biāo)臺(tái)天線陣中心為基準(zhǔn)線，航向臺(tái)天線陣的CSB信號(hào)波瓣主瓣的半功率波束寬度為22.3°，兩個(gè)副瓣之間的夾角約為72.9°，略大于規(guī)定中的覆蓋方向，這說明該航向臺(tái)天線達(dá)到航空無線電導(dǎo)航臺(tái)電磁環(huán)境要求，且富有余量，滿足飛機(jī)允許要求。

分別對(duì)比4、8、10、12陣列的天線振子，NM7212A型天線的主瓣對(duì)旁瓣的抑制最為突出，主瓣最為突出，說明CSB信號(hào)在跑道中心線延長線方向最強(qiáng)?？梢詫⒅靼贻椛鋱?chǎng)型在跑道中心延長線形成了一個(gè)面，可以近似比作航向面。

2.2 下滑天線系統(tǒng)仿真分析

下滑臺(tái)天線采用兩個(gè)不同高度的水平振子組成的天線系統(tǒng)，上下天線通過地面反射，形成下滑面。下滑天線保護(hù)區(qū)要求嚴(yán)格，一般場(chǎng)地平整范圍為±4 cm范圍內(nèi)。對(duì)下滑天線進(jìn)行仿真得到三維的信號(hào)輻射場(chǎng)型如圖3（a），y-z軸上的方向性圖如圖3（b）所示。最接近x-y平面的扇面即為下滑面，在y-z軸上的方向性圖表示最接近坐標(biāo)軸的扇面即為3°的下滑面。

下滑臺(tái)上下天線形成的方向性圖距離地面最近的等信號(hào)區(qū)，與跑道形成的夾角即下滑角，下滑角的大小取決于飛行程序設(shè)計(jì)，除特殊原因，一般設(shè)置下滑角為3°。依據(jù)下滑信機(jī)工作頻率調(diào)節(jié)上下天線距地面的高度。下滑天線水平振子的高度分別取9.6λ、4.8λ。方向圖波瓣的數(shù)量則取決于天線高度與工作半波長的比值，可以從圖3（a）3D輻射場(chǎng)型看出，除需要的下滑面波瓣外，還存在一定數(shù)量?jī)A斜角較大的假等信號(hào)區(qū)。假等信號(hào)區(qū)與下滑面間隔由圖3（b）計(jì)算得到距下滑面較近的4個(gè)假等信號(hào)與等信號(hào)區(qū)的角度分別為10.4°、13.05°、23°、32°，符合下滑天線輻射要求。下滑天線在校飛過程中，需要調(diào)節(jié)信號(hào)，保證信號(hào)的穩(wěn)定性。

3 導(dǎo)航臺(tái)選址方案

針對(duì)華北地區(qū)某新建支線機(jī)場(chǎng)，跑道主降方向采用I類精密儀表著陸系統(tǒng)。航向天線陣中心設(shè)置在跑道中心線延長線上。依據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]，考慮燈光系統(tǒng)與航向天線位置沖突，航向天線陣位置設(shè)置在距跑道次降入口290 m。航向天線周圍的地勢(shì)低，將航向天線高度設(shè)置為2.93 m。經(jīng)計(jì)算，航向天線陣處于跑道端安全區(qū)1.6%保護(hù)范圍內(nèi)。航向機(jī)房設(shè)置在距天線陣60 m的位置，便于安裝航向信標(biāo)機(jī)柜。在航向天線陣正前方100 m處設(shè)置航向監(jiān)控天線，用來對(duì)航道信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，其取樣信號(hào)為進(jìn)場(chǎng)（NF）監(jiān)控信號(hào)，信號(hào)傳輸至ILS機(jī)柜的監(jiān)控器。

航向天線陣對(duì)正前方的大型金屬反射物敏感，合理設(shè)置站坪的位置、塔臺(tái)和航站樓的高度，將進(jìn)近燈光系統(tǒng)的反射面做到最小。航向天線前方±10°，距天線3000 m的區(qū)域內(nèi)杜絕有高于15 m的建筑物、大型金屬發(fā)射物和高壓電線等。

下滑信標(biāo)受場(chǎng)地及其附近的地形地物的影響，其輻射場(chǎng)型會(huì)發(fā)生畸變，引起下滑角變化，造成下滑道彎曲、擺動(dòng)和抖動(dòng)，直接影響航空器著陸的安全?？紤]跑道靠近航站區(qū)一側(cè)人員、車流較多，將下滑臺(tái)設(shè)置在遠(yuǎn)離航站區(qū)一側(cè)，距跑道中心線120 m。下滑天線內(nèi)撤距離由如下公式計(jì)算。依據(jù)飛行程序計(jì)算，跑道入口高度為15 m，下滑角為3°，結(jié)合跑道入口高程和縱軸120 m位置的高程，利用如下公式，計(jì)算得下滑天線的內(nèi)撤距離為291.5 m。

下滑天線的高度依據(jù)信標(biāo)工作頻率調(diào)節(jié)上下位置，在下滑天線的正前方設(shè)置近場(chǎng)監(jiān)控天線。在下滑臺(tái)內(nèi)增設(shè)DME，DME與下滑天線距跑道入口內(nèi)撤距離一致，偏跑道中心延長線為123 m。

下滑天線的保護(hù)區(qū)按A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)劃設(shè)，A區(qū)等級(jí)最高。為減小周圍障礙物的影響，采用磚圍界保護(hù)。經(jīng)干擾信號(hào)排查，確保導(dǎo)航頻段內(nèi)未有信號(hào)干擾和頻率占用。航向工作頻段為108.10～111.95 MHz，下滑工作頻段為328.6～335.4 MHz，DME測(cè)距儀工作頻段為962～1213 MHz[8]。本次工程機(jī)場(chǎng)周邊存在一根10 kVA架空高壓線，對(duì)導(dǎo)航信號(hào)存在干擾，本次工程對(duì)高壓線做埋地處理。

4 結(jié)語

該文對(duì)NM7212A航向天線和NM3545下滑天線的輻射場(chǎng)型進(jìn)行建模和分析，天線輻射場(chǎng)型可以滿足飛機(jī)進(jìn)近著陸。結(jié)合實(shí)際機(jī)場(chǎng)建設(shè)，針對(duì)華北某機(jī)場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航臺(tái)選址，對(duì)臺(tái)址周圍的環(huán)境進(jìn)行綜合考慮，消除信號(hào)遮蔽和干擾等不良影響。對(duì)臺(tái)址方案進(jìn)行論述，導(dǎo)航臺(tái)建設(shè)完成后，可以滿足后期校飛和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行要求。能為飛機(jī)提供準(zhǔn)確的信號(hào)引導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙修斌.進(jìn)近著陸系統(tǒng)電磁環(huán)境仿真研究[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，6（2）：12-13.

[2] 王永慶.飛機(jī)進(jìn)近著陸系統(tǒng)電磁環(huán)境建模與仿真[J].航空計(jì)算技術(shù)，2007，37（22）：22-23.

[3] 金遼.NormarcM改型下滑信標(biāo)輻射場(chǎng)型的分析和比較[J].中國民航學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，18（3）：31-34.

[4] 肖運(yùn)輝.FEKO在航天航空天線仿真中的應(yīng)用[J]系統(tǒng)仿真技術(shù) 2008，4（3）：204-205.

[5] 季玉龍，徐偉，葉培華.飛行器的儀表著陸仿真系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，supp1（1）：135.

[6] 《民用航空通信導(dǎo)航監(jiān)視臺(tái)（站）設(shè)置場(chǎng)地規(guī)范 第1部分：導(dǎo)航》（MH/T4003.1-2014）[S].

[7] 《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（MH5001-2013）[S].

[8] 《航空無線電導(dǎo)航臺(tái)（站）電磁環(huán)境要求》（GB6364-2013）[S].