仪表着陆系统信号仿真浅析

李凯

摘    要

在对仪表着陆系统进行仿真的同时，了解仪表着陆系统中的地面设备和机载设备是如何进行工作的，以及信号在进行传输过程中是如何变化的。通过对仪表着陆系统的仿真，我们可以了解到，飞机在进场的过程中，在相对于下滑道的方向上，我们是如何进行调节的。当飞机相对于下滑道上偏或者下偏时，偏离指示器是如何进行指示以及飞机该如何进行调整的。

当完成对仪表着陆系统的仿真后，我们通过对仿真信号的观察和分析，可以更加直观的了解信号的变化过程，传输信号的原理。这让我们对仪表着陆系统的优点及不足会有更加直观的体会，为导航专业人员在工作中对仪表着陆系统有了更直观的认识。

关键词：仪表着陆系统；下滑信标；进近

1.仪表着陆系统的工作原理

仪表着陆系统是通过提供引导信号，再在驾驶舱指示仪表上显示。飞行器的驾驶员通过飞机驾驶舱中的仪表指示来操纵飞机或者使用自动驾驶仪来自动“跟踪”仪表上的指示，从而使飞行器能够沿着跑道中心线的垂直面和规定的下滑角，使飞行器能够从高空被引导至跑道入口的水平面以上的一定高度，最后由飞行器驾驶员通过观察跑道来控制飞行器目视着陆。所以，仪表着陆系统只能指引飞机到达可以观察到跑道的决断高度上，仪表着陆系统是一种不能独自引导至接地点的仪表低高度进场系统。

2.仪表着陆系统信号的仿真

在本文的仿真中，主要对下滑信标的信号进行仿真。

2.1下滑信标发射机的仿真。

在下滑信标的发射机中，90Hz和150Hz的正弦信号发生器产生的90Hz和150Hz的正弦信号，是通过调幅电路和功放，再经过混频通过天线发射出去。

在仪表着陆系统中，下滑信标的工作频率329.15至335.0MHz，频率间隔为0.15MHz，与LOC的频率是固定配对使用的。

上天线的方向性可以由如下公式得出：

                         (2-1)

其中的取值范围是0到12度，为载波的波长，载波频率为110MHz，

为上天线的高度:

                         (2-2)

其中。

2.2 下滑信标天线的仿真

150Hz调制信号的调制公式为：

                     （2-3）

    式中和为常数。

90Hz的信号经调制器调制，所以90Hz调制信号的调制度为：

                       （2-4）

角度的范围是0至12度。且式子中和为常数。

2.3 下滑信标调制深度差DDM的仿真

在任意两个方向上，两个频率的调制深度差DDM为：

                            （2-5）

DDM的仿真如图2-1：

图2-1  调制深度差DDM的仿真图

调制深度差DDM是角坐标函数。

当DDM等于零时，即两个信号是等强的，这时候的方向是在通过跑道中心线的延长线上，所以这个平面就是飞机的着陆平面。

而当DDM不等于零时：

如果飞行器在下滑道的下面，则150Hz的信号调制度大于90Hz的信号调制度。

若飞行器在下滑道的上半面，则150Hz的信号调制度小于90Hz的信号调制度。

由于偏离指示器的指针偏移量正比于90Hz和150Hz的信号幅度差，所以偏离指示器的指针偏移量正比于DDM。

DDM在等于0.175的射线说含的角度，被称为下滑道扇区。标准的偏离指示器满刻度偏转对应于0.155DDM。在下滑道信标系统中，是通过正确调整150Hz调制信号和90Hz调制信号的天线方向性图的形状，从而保证DDM和角坐标的关系。

2.4下滑信标辐射场的仿真

下滑信标空间辐射场为：

（2-6）

在下滑扇区内，下滑指针偏离指示和飞行器的偏离下滑道的角度大小成正比。当飞行器向上偏离或向下偏离下滑道时，指针向下偏指或向上偏指一点；但当飞行器的偏离下滑道向上或向下等于时，指针就会满刻度偏转。当飞行器在下滑扇区外时，偏离指示将不能精确判断飞行器偏离下滑道的角度值，只能大致地判断飞行器是在下滑道的上边或者是在下滑道的下边。

3.仪表着陆系统机载设备接收机的仿真

3.1下滑信标接收机机载设备包括天线，控制盒，接收机和航道偏离指示器。

当飞行器上的天线接收到来自地面电台的发射信号，再将信号送到接收机中，接收机通常为单变频或双变频外差式接收机。在飞行器上，因为LOC和VOR的接收机部分是公用的，所以是由控制盒来选择接收和处理哪种信号，从而决定这个频率是LOC的频率或者是VOR的频率。当控制盒选择LOC的频率时，接收机将会接受来自LOC所发来的信号。LOC的信号经过高频，中频和检波电路，再输出的信号包括90Hz和150Hz的导航音频，以及1020Hz的台识别码和地空话音通信信号，而这些信号要通过滤波器来滤出的。

3.2下滑信标接收机偏离指示器的建模及仿真

当90Hz和150Hz带通滤波器分开90Hz和150Hz的信号时，我们可以通过检波器来滤出90Hz和150Hz

的信号。

其中，检波器是检出波动信号中我们所需要的某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的部件。检波器通常用来提取载波所携带的信息。检波器通常分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了能够得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的相干信号。同步检波器通常主要用于单边带调幅信号的解调和残留边带调幅信号的解调。在这里采用了相干解调的方法，将已调信号乘上一个与调制器同频同相的载波，再运用MATLAB中的巴特沃斯低通滤波器函数，设计了一个10阶的低通滤波器。

当信号经过处理，即经过激励器放大的90Hz信号和150Hz信号的组合音频加至调节滤波器，接着又分别加到90Hz和150Hz全波整流器，最后，两个整流输出电流又反向流过下滑航道偏离指示器。当90Hz信号幅度与150Hz信号幅度相等时，飞机在下滑道上；当90Hz信号幅度大于150Hz信号幅度时，飞机在下滑道上面，飞机应往下飞；当90Hz信号幅度小于150Hz信号幅度时，飞机在下滑道上面，飞机应该往上飞。

我们给出一定的下滑角，来验证是否正确，

图3-1  偏离指示器的仿真图

如图3-1所示，偏离指示器显示飞机现在应该下偏，即飞机现在在下滑道上面，应该向下飞，从而回到下滑道上，保证飞机能够安全，经济的降落。

4.结论

通过对仪表着陆系统的信号的建模及仿真，了解仪表着陆系统的工作原理是通过发射机发射90Hz信号和150Hz信号来合成空间辐射场，在空中的飞行器通过机载天线接收到仪表着陆系统地面设备发射机发射的信号，在对合成信号经过检波并对90Hz信号振幅和150Hz信号振幅的比较，若90Hz信号幅度大小与150Hz信号幅度大小相等，则飞行器在下滑道上；若150Hz信号的幅度小于90Hz信号的幅度，则飞行器在下滑道的上面，飞行器应向下飞；若150Hz信号的幅度大于90Hz信号的幅度，则飞行器在下滑道的下面，飞行器应向上飞。这对于新入职的导航专业人员，能够更加直观的认识到设备的工作原理，从而加快角色的转变。