仪表着陆系统.docx

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仪表着陆系统

仪表着陆系统（ILS）简介

ILS的原理

ILS的作用和历史

仪表着陆系统ILS（InstrumentLandingSystem）是“非目视”进近和着陆的标准助航系统。

它为飞机提供对准跑道的航向信号和指导飞机下降的下滑道信号，再加上适当的距离指示信号，使飞机能在低的能见度和恶劣天气条件下借助这些仪表提供的信号指示就可以安全着陆。

随着新技术和新器件在ILS上的应用，ILS所提供的精确导航信号使得全天候的着陆成为可能。

为了着陆飞机的安全，在目视着陆飞行条例（VFR）中规定，目视着陆的水平能见度必须大于4.8Km，云底高不小于300M。

在很大一部分机场的气象条件都不能满足这一要求，这时着陆的飞机必须依靠ILS提供的引导进行着陆。

ILS是采用“等信号”原理来实现的，即通过比较两个信号的幅度差来给出左右和上下指示，当飞行器处于指定航线时，两个信号幅度相等，差值为零。

最早的ILS雏形出现在上个世纪三十年代，那时有一种叫“AN系统”的设备来帮助飞机着陆。

如图一所示。

它将“A”和“N”两个字母的MORSE码分开发射，当飞机偏离跑道中心线时，飞行员只能听到其中一个字母的MORSE码，“A”或“N”，只有飞机对准跑道时，才能同时听到两个字母。

而飞机下滑的角度是这样形成的：

飞机沿着一个固定信号强度（比如100uA）降落。

后来这两个MORSE码被两个音频所代替（90Hz和150Hz），并且载波提高，航向为VHF，下滑为UHF。

如图二所示。

图二：

双音频系统

但上述两种系统的缺点是显而易见的，就是误差大，波瓣宽度十分大，容易受干扰。

现代的ILS通过采用多个对数周期天线，并添加其它技术元素，如采用双频系统、分离辐射和空间调制、信号频谱精确控制和变换等措施来提高ILS的精度和可靠性。

ILS的有关述语

决断高度（DH）：

ILS引导飞机到达飞行员能看见跑道的最低允许高度，在这个高度上，驾驶员必须做出继续着陆还是复飞的决定。

对I类ILS来说，决断高度在中指点上空，II类ILS在内指点上空。

能见度（VIS）：

白天能看到或辨别出明显不发光物体或晚上看到明显发光物体的最大距离。

与跑道视程（RVR）的定义有所不同，但有一定联系。

着陆标准：

国际民航组织（ICAO）是根据不同的气象条件，使用决断高度和跑道视距来规定了三类着陆标准。

类别

能见度（VIS）

决断高度（DH）

I

>800m

60m

II

>400m

30m

IIIa

>200m

0，看着着陆

IIIb

>50m

0，看着滑行

IIIc

0

0，不用任何目视参考至停机位

ILS系统能够满足I、II类着陆标准，但是III类着陆要求有更复杂的辅助设备相配合，例如配合飞行指引仪或自动驾驶仪来完成II类着陆标准的自动控制。

III类着陆标准不仅在进近和着陆要使用自动化控制设备，而且滑跑（rollout）和滑行（taxing）也必须在其它电子设备控制下完成。

ILS的分类：

根据ICAO三类着陆标准，ILS设施也分相应地为三类。

I类设施性能的仪表着陆系统：

从仪表着陆系统覆盖区边缘到航向信标的航道与下滑信标的下滑道在高度不大于60米的从跑道入口水平面量起处相交的一点，能够提供引调信息的仪表着陆系统。

II类设施性能的仪表陆系统：

从仪表着陆系统覆盖区边缘到航向信标的航道与下滑信标的下滑道在高度不大于15米的从跑道入口水平面量起处相交的一点，能够提供引调信息的仪表着陆系统。

III类设施性能的仪表着陆系统：

借助必要的辅助设备，从仪表着陆系统覆盖区边缘到跑道表面能提供引调信息的仪表着陆系统。

DDM：

调制度差，用较大信号的调制度百分比减去较小信号的调制度百分比，再除以100。

在ILS中，即是90Hz的总调制度和150Hz的总调制度的差值的。

当对准 跑道时，DDM=0；偏离跑道时DDM大于或小于0。

在在下滑道左边和上面是90Hz占优，右边和下面是150Hz占优。

如图三所示。

DDM值的正负表示的是90Hz或150Hz占优。

SDM：

调制度和。

接收机收到的合成信号中90Hz和150Hz的调制度之和。

航道信号：

给飞机进近和着陆时对准跑道中心线的信号。

下滑道信号：

提供给飞机沿着一定角度下降的信号。

ILS组成和原理

一个完整的ILS系统包括地面设施和机载设备。

ILS地面台的组成包括：

航向（LOCALIZER）、下滑（GLIDESLOPE）、指点标（MARKER）或DME。

飞机着陆过程：

飞机从五边切入盲降时，首先搜索到航向信号并对准跑道飞行，同时根据航向信号选择下滑信号的频率，搜索到下滑信号的时候，高度降到2500英尺，根据下滑提供的信号进行下降角度的调整，之后在航向信号和下滑信号的共同作用下，以3度左右的下滑角对准跑道中心线飞行。

经过外指点标时，飞行高度降为1200英尺，经过中指点标时，高度为300英尺。

参考图四、五、六。

航向台：

由航向天线阵和航向设备组成。

航向天线产生的辐射场在通过跑道中心延长线的垂直面内形成的航向面（也叫航向道）。

航向信标就是用来给提供飞机偏离航道的横向引导信号。

机载航向接收机收到航向信号后经处理，输出飞机相对于航向道的偏离信号，加到驾驶仪表板上的水平姿态批示器（HSI）的航向指针。

若飞机在航道对准跑道中心线，则指针偏离指示为零；若飞机在航向道的左边或右边，航向指针就向右或向左，给驾驶员提供“飞右”或“飞左”的指令。

下滑台：

由下滑天线阵和下滑设备组成。

下滑信标天线辐射的场型形成下滑面，下滑面与包含跑道中心线的水平面的夹角为2°～4°之间。

下滑信标就是用来给飞机提供偏离下滑面的垂直引导信号。

机载下滑接收机收到下滑信号后经处理，输出相对于下滑面的偏离信号，加到HIS上的下滑指示器。

若飞机在下滑面上，下滑指针在中心零位，若飞机在下滑面的上方或下方，指针就会向下或向上给驾驶员提供“飞下”或“飞上”的指令。

航向面与下滑面的交线定义为下滑道。

飞机沿着这条交线着陆，就以准了跑道中心和规定的下滑角，在离跑道约300M下着陆。

航向信标和下滑信标发射信号空中合成了一个矩形延长的角锥形进场航道。

其中航道宽度为4°，下滑道宽度约为1.4°。

uA与DDM的关系

机载设备的HIS指示器除了航向（左右）和下滑（上下）偏离指针外，还有一个“旗”指示器。

当机载设备选择了航向频率后，没收到射频信号或收到解调出来的调制信号幅度小于额定值时，“旗”告警就会出现，说明偏离指针的指示是不可靠的。

机载设备接收机的输出与偏离指示器之间有标准的接口，对于航向来说，偏离指针的驱动电流与DDM值的关系是970*DDM（uA）。

航向偏离指针的满刻度偏转与0.155DDM相对应，这时的偏转驱动电流就是150uA（970*0.155），相当于偏离2°。

下滑的指示满偏是两个点，一个点对应就是0.35度。

什么是空间调制？

首先要理解什么是调幅波。

一个单音频的调幅波表达式为：

一个完整的调幅波可以分解为一个载波分量，一个上边带分量，一个下边带分量。

上边带和下边带合成的信号（如上图的d信号）叫做纯边带信号。

空间调制是相对于发射机调制而言的。

在发射机调制中，载波分量与总边带分量是从同一个天线上辐射，二者之间没有相位的变化，所以它们是在一定的相位关系上自动合成的，因此单独一根天线辐射的调幅波信号是不带有任何方位信息的。

空间调制的原理是：

载波分量在一个天线辐射，与此同时，纯边带波由另一个天线辐射，这两个信号同时到达接收机，由接收机的电路合成一个完整的调幅波。

所谓“空间调制”，并不是说载波分量与纯边带分量在空中相互作用和相互调制，实质上它们是两个不同的信号在空中各自传播，最终在接收机内部合成。

空间调制的一个重要指标是空间调制系数，它定义为总边带分量与载波分量的比值。

当总边带分量与载波分量同相或反相合成时，空间调制系数最大，这时与发射机调制的结果是一致的，接收机检波出来的是调制信号的基频。

当总边带波分量与载波分量不同相时，空间调制系统会减小，接收机检波出来的调制信号中会出现谐波，当总边带波与载波相差90°时，空间调制系数最小，接收机检波出来的调制基波为零，而调制信号的二次谐波达到最大。

ILS系统的“空中调相”正是利用了这个特性，在SBO通道串接90度线来人为使分离辐射的边带与载波分量相差为90度。

应注意的是，ILS系统中的调制是发射机调制和空间调制的合成。

ILS的载波分量单纯辐射一个载波，而是一个完整的调辐波，称为CSB（载波加边带，调制单频是90Hz+150Hz），这个信号在飞机的接收机中就是普通的发射机调制，而分离辐射的纯边带信号叫SBO（调制间频是90Hz-150Hz），它与CSB在飞机的接收机中的合成属于空中调制。

因此在飞机的接收机中“总的边带”应是“CSB中的边带分量”与“分离辐射的边带分量”的合成，总的调制系数也是它们两者的矢量合成。

信号特征

包括CSB、SBO和余隙（CL）。

辐射场型是水平极化波。

CSB是载波加边带信号，是一个普通的AM调制波，调制信号为90+150Hz（航向的CSB 还有识别信号调制）。

SBO是载波受抑制的调幅波，调制信号是90-150Hz。

由于载波相位在每个调制信号过零处反相，所以在输出的信号中不含载波。

航向的余隙也分为CSB和SBO，下滑的余隙仅有CSB，调制信号为150Hz占优的信号。

航向是频率范围是甚高频（VHF）频段，下滑是超高频（UHF）频段。

在这样的频段上，信号的传输是以直线视距传播为主，地面衰减小，电离层不能反射这些波段的信号，除了地物反射、大气折射和吸收等因素的影响外，受到的干扰比中长小波小得多，基本遵循自由空间传播的各种规律。

由于频率高，发射机及天线的尺寸重量将大为减小，可以方便地产生很窄的脉冲以及尖锐的天线方向图。

但其缺点也很明显，就是信号只能在直视范围内工作，不能提供地平线以下的覆盖，只能用于近程空中导航。

LOC的场型

LOC场型由对数周期天线辐射产生

GS的场型

下滑的场型是由天线的直射波和地面反射波共同形成，“镜象原理”是下滑场型形成的基础

天线系统

航向天线根据场地状况和跑道长短可选择8、14（或13）、24（或21）单元，8单元采用单频发射机，14（13）单可根据需要采用单频或双频发射机，而24（21）单元则必需采用双频发射机。

下滑天线可分为零基准、边带基准和捕获效应三类，只要分别是天线的挂高和信号分配上有所不同，M型捕获效应天线对场地适应性是最强的，但同时也是最复杂的。

余隙的作用

在单频航向系统中，由于波瓣较宽，在受到障碍物反射时，反射信号会造成航道的弯曲。

所以，为了适应更复杂的地形，就必须采用更多的天线，这样一来，CSB波瓣会很窄，能量集中在跑道中心线前方一个有限的范围，从而造成航道宽度过窄，在飞机未找到航道之前，缺乏相应的指引信号。

这时，就需要提供一个偏航道信号，这个信号就叫偏航道余隙。

另外，尽管航道信号几乎全部集中在天线正前方一小段范围内，但仍有小部分旁瓣信号，在飞机离跑道过近和极低低能见度时仍有可能收到假航道信息，这是非常危险的，所以这些旁瓣信号必需要一个相应的信号来覆盖它，并可以指示飞机返回正常航道。

余隙与航道的载波相差5~14KHz，两个信号都在机载接收机的带宽之内。

根据接收机原理，当接收到两个频率的载波时，信号较强的信号首先被解调，这叫做“捕获效应”（CAPUTEREFFECT）。

只要两个信号强度相差10dB以上，较弱信号的解调输出不会造成影响。

在双频的航向中，航道是15W，而余隙只有4W，再经过航向天线阵的幅度和相位分配，可以完全满足这个要求，而且由于余隙信号较弱，即使受到障碍物的反射，其反射的信号对航道弯曲的影响也是微不足道的。

如果飞机偏离航道±2º以上，飞机收到的将是余隙信号是强信号，飞机的接收机将给出一个“OFFCOURSECLEARANCE”指示，指示飞机偏离了跑道中心线太远。

此外，航向的余隙也可为反向着陆或起飞的飞机提供某种程度上方位引导。

下滑的余隙只有CSB信号，上面调制有150Hz占大多数的信号，覆盖的是下滑道下方的区域，给飞机提供的是一个向上的信号。

ICAO规定之ILS规范

ICAOANEX10之规定，ILS分为三类CATI,CATII和CATIII，其中CATIII更细分为A、B、C三类。

设备性能的分类：

一类：

从仪表着陆系统覆盖区边缘到航向信标的航道和下滑信标的下滑道在高度不大于60米（200FT），从跑道入口的水平面量起处相交的一点，能够提供引调信息的仪表着陆系统。

（不排除低于60米的高度，结合目视参考来使用I类设施性能的仪表着陆系统，只要所提供的引导质量允许和已经建立了满意的使用程序）

二类：

从仪表着陆系统覆盖区边缘到航向信标的航道和下滑信标的下滑道在高度不大于15米（50FT）（从含有跑道入口的水平面量起）处相交的一点，能提供引调信息的仪表着陆系统。

三类：

引导到跑道表面。

无论哪种类型的设备，给航空器提供的指示是都应该是一样的，指示的位移也应该是一样的。

ILS基准数据点示意图

标准

航向

下滑

射频频率

108~111.975MHz，

容差±0.005%，双频系统不超过±0.002%，双频频差5~14KHz。

波道间隔为50KHz

328.6~335.4MHz

容差±0.005%，双频系统不超过±0.002%，双频频差4~32KHz。

下滑频率必须与航向频率配对使用，是一一对应的，按规定的列表选取

覆盖

前向航道正负10度内为25海里，10度至35度内为17海里，35度以外为10海里。

在规定距离内，向上直到从航向信标天线向外延伸并与地平面成7度夹角的平面内，必须能收到信号，建议7度仰角以上信号应尽可能低。

在下滑道左右两边各8度方位，上至地平面以上1.75θ，下至地平面以上0.45θ的扇区内距离至少10海里，

场强

>40uV/m，I类在10海里至60米高度>90uV/m

>400uV/m

调制信号频率

CSB：

90Hz+150Hz，音频频偏在±1.5%内

SBO：

90Hz-150Hz

面对跑道时，左手边就是90Hz占优，右手是150Hz占优

CSB：

90Hz+150Hz，音频频偏在±1.5%内

SBO：

90Hz-150Hz

在下降方向上，下滑道下方应是150Hz占优，上方直到1.75θ角度均是90Hz占优

调制度

90Hz和150Hz各为（20±2）%

90Hz和150Hz各为（40±2.5）%

航道与下滑道

在任何水平面内最靠近跑道中心线的调制度差（DDM）为零的各点的轨迹。

在包含跑道中心线的垂直平面内，最靠近水平面的所有DDM为零的各点轨迹，下滑道与水平面的夹角标称值为3º

航道扇区和下滑道扇区

在包含航道线的水平面内并最靠近航道线的调制度差（DDM）为0.155的各点轨迹所制的扇区。

航向扇区宽度不得超过6º

包含ILS下滑道的垂直平面并由最靠近下滑道的DDM等于0.175的各点轨迹所限定的扇区

结构

I类:

从覆盖区边缘到“A”点，DDM应小于0.031，从“A”点到“B”点线性下降到0.015，从“B”点到“C”点不得大于0.015

I类：

从覆盖区边缘到“C”点DDM不得大于0.035

航道/下滑道位置

在ＩＬＳ基准数据点处偏离跑道中心线的位移为±10.5米或0.015DDM，以小为准,II类为7.5米，III类为3米

I、II类下滑角偏移不得大于0.075θ，约相当0.050DDM，下滑道向下延伸的直线部分必须通过ILS基准数据点，那点定义为入口高度，其值是15米，允许有+3米容差。

位移灵敏度

在半航道扇区内（DDM=0.0775）在ILS基准数据点处为0.00145DDM/m±17%。

根据这个要求，在跑道头左右两边105米处的DDM值应为0.155，也就是说在跑道入口处的航道宽度是210米，无论跑道多长，这个值都是一样的，跑道越长，就要采用更多的天线阵子使波束收窄，以便在跑道入口处满足这个要求。

I类设备在下滑道上下角位移为0.07~0.14θ之间的标称角位移灵敏度应相当于0.0875DDM，即相当于（0.0875/（0.07+0.035）=0.833θDDM在下滑道下方DDM值应随角度增大而平滑增加直至0.22DDM

识别

仅航向信标需要发射识别。

识别信号应调制在同一射频载波或双载波上，指示特定的跑道和进场方向。

调制音频为1020±50Hz，调制度应为（5~15）%。

识别信号采用国际莫尔斯电码，由两至三个字母组成。

识别发射速率要求是每分钟7个字和每分钟不少于6次。

莫尔斯电码是由点、划组成的，一点为0.1~0.125S，一划为3个点的宽度，码元间隔为一个点的宽度±10%，字母之间的间隔不得小于3个点宽度。

监控

监控器动作的条件：

1）在ILS基准数据点处平均航道线偏移大于0.015DDM

1）2）单频射频功率降低50%，双频射频功率降低20%

2）3）位移灵度变化超过17%，在航道宽度点（0.155DDM）处为超过0.125DDM~0.181DDM

3）从出现参数告警到转换机或关机的总时间，I类不得大于10秒，II类不得大于5秒，III类不大于2秒

监控器动作的条件：

1）在ILS平均下滑偏移大于-0.075θ/+0.10θ

4）2）单频射频功率降低50%，双频射频功率降低20%

5）3）I类设备位移灵度变化超过0.030DDM，在下滑宽度点（0.175DDM）处为超过0.145~0.205DDM

从出现参数告警到转换机或关机的总时间，I类不得大于6秒，II、III类不得大于2秒

射频功率

CSB：

15W；SBO约为几百毫瓦，由飞行校验根据航道宽度来定，跑道越长，天线单元越多，所需的SBO功率就越小。

余隙CSB：

4W，SBO：

约200mW

CSB：

4W，零基准的稍小一些；SBO约为几十毫瓦，由飞行校验根据下滑道宽度来定

余隙仅有CSB，功率为几百毫瓦

电磁环境要求

见下图

见下图

校飞周期

I类9个月,II类6个月

必需对监视器进行检查，自动或手动。

（监控器自检）。

为了减少设备工作在监视器监视范围边缘失效，应该在告警门限的75%提供预警信号。

远场监视器的作用：

（III类是必需的，二类是期望的，I类是一个补充）

一般是用于航道校准，但也用于监视航道灵敏度。

与近场和整体监视器相互独立工作。

目的是防止航向信标调整错误，防止近场或整体监视器产生错误，可以加强综合监视系统的能力，从而对辐射单元的物理性变化或地面反射特性的变化作出响应，可以监视多径干扰和跑道区干扰。

可用作执行监视器。

远场监视信号易受到跑道上或附近航空器的影响，一般要装有30~120秒的延时。

或低通滤波器。

航向灵敏区的划分：

图中灰色为临界区，浅色为灵敏区（面积为X*2Y）。

在上图的灰色区是航向信标台场地保护区，在该区内不得有树木、高杆作物、建筑物、道路、金属栅栏和架空金属线缆。

进入航向台的电源线和电话线应从保护区外埋入地下。

在航向信标台天线前方±10º、距离天线阵3000米的区域内，不得有高于15米的建筑物、高压输电线等大型反射物存在。

下滑灵敏区的划分：

在上图的A区内不得有高于0.3米的农作物和杂草，不得有建筑物、道路、金属栅栏和架空金属线缆。

进入下滑台的电源线和电话线应从A区外埋入地下。

在B区内不得有高于10米的金属物体、堤坝、树木和高压输电线等大型反射体存在

设备组成及信号流程

航向设备基本组成

航向设备是由发射机、监控器、电源系统、天线系统以及遥控器及远场监控器组成，双机系统还要包括转换和控制单元。

如下图所示为一套简单的六单元天线航向设备。

由发射机产生符合要求的CSB、SBO射频信号，通过天线系统中的射频分配网络进行幅度和相位的分配，馈送到各个天线上去辐射，每个天线内的取样信号由射频混合网络按一定的幅度和相位合成还原出CSB、SBO和CL等信号，用来产生航道、宽度参数，与远场监控参数一起送到监控器去，跟预定的告警门限相比较，给出指示或送到远端遥控器。

电源系统产生各组件所需的低压直流电。

航向信标有单频和双频之分。

当跑道较短，天线单元较少（一般14单元以下）时采用单频系统，14或12单元时可采用单频或双频，14单元以上，如21、24单元则必须采用双频系统。

双频系统与单频系统相比，多了余隙发射机。

航向发射机基本组成

航向发射机的基本任务是产生符合要求的CSB、SBO射频信号。

应包括低频信号产生器，射频源，调制器，功放和滤波组件等。

低频信号产生器是用来产生90Hz、150Hz和识别信号的1020Hz信号。

射频源是产生载波频率信号的，如果是双频系统，就需要两个射频源，一个服务于Course通道，一个服务于Clearance通道，两个射频源之间通过一定的锁相比较控制，使得两个载波的频率之差为规定的5~14KHz。

调制器和功放在不同厂家的设备上实现的方式是不同的，但它们最终产生的CSB、SBO信号是相同的，即CSB上的调制包络都是“和”信号-----90Hz+150Hz，而在SBO上的调制包络都是“差”信号------90Hz-150Hz。

功放一般都采用AGC电路来稳定输出功率。

下图是MKII型发射机的框图

航向监控器基本组成

航向监控器包括监控混合网络、航道检测器、宽度检测器、监控信号处理组件、告警电路、自检电路及外部通信电路等。

监控混合网络的功能首先是从各个天线单元的取样信号中按一定的幅度和相位关系还原出CSB和SBO信号，再将这两个信号以一定的幅度和相位关系合成，得到代表航道Course和宽度Width的射频信号，这两个信号经航道和宽度检测器的检波，得到Course和Width的包络，与远场监控回来的信号一起送入信号处理组件，得到射频电平、航道DDM、宽度DDM和远场DDM等参数，与预设的门限相比较，若超出门限，则产生告警信号，由外部通信电路送到相关组件。

监控器必须可以自检，以保证自身功能的正确。

当今先进的ILS设备，其监控器功能非常强大，不仅可以监测发射参数，还可以对整机的各个组件及环境参数进行监控，一些设备的监控器还保存着发射机工作的预置参数。

这些监控器实质上充当了整个设备的“大脑”，协调控制着整机的工作。

航向天线系统组成

航向的天线系统包括射频分配网络，天线阵及相关射频电缆。

射频分配网络是将根据天线单元的个数，按CSB和SBO信号按一定的幅度和相位关系分配到各个天线单元中。

航向天线阵采用的是对数周期天线，具有宽频带，方向性强，高度低，相互干扰小等优点。

下滑设备基本组成

下滑设备由发射机、监控器、电源系统、天线系统以及遥控器和近场监控器组成，双机系统还要包括转换和控制单元。

如下图所示为一套简单的捕获效应下滑设备。

由发射机产生符合要求的CSB、SBO射频信号，通过天线系统中的射频分配网络进行幅度和相位的分配，馈送到上、中、下天线上去辐射，每个天线内的取样信号由射频混合网络按一定的幅度和相位合成还原出CSB、SBO和CL等信号，用来产生下滑道、宽度参数，与近场监控参数一起送到监控器去，跟预定的告警门限相比较，给出指示或送到远端遥控器。

电源系统产生各组件所需的低压直流电。

下滑信标根据采用的天线系统不同，一般分为零基准、边带基准和捕获效应三种。

捕获效应属于双频系统，多了余隙发射机，其余的均是单频系统。

零基准的设备比较简单，不需要射频分配和混合网络，CSB和SBO直接送到下天线和上天线，但这种系统对场地要求十分严格，这都是因为下滑道下方信号太强容易被反射所致。

边带基准通过简单的幅度和相位分配，并把下天线的挂高降低，一定程度上减小了下滑道下方的信号强度，但也由于天线太低，天线场地前面的草稍微长高一些，都会引起下滑角的升高