探討儀表著陸系統(tǒng)建模與仿真

殷飛 靳龑

【摘要】 儀表著陸系統(tǒng)是通過儀表指針的方法為自動駕駛儀提供控制數(shù)據(jù)，或為飛行員提供著落時所需的下滑道和航向道。本文根據(jù)儀表著陸系統(tǒng)的運行原理建立數(shù)學(xué)模型，采用通信系統(tǒng)仿真軟件進行儀表著陸系統(tǒng)的仿真，并對該方案的缺陷進行分析，為后期研究工作提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 儀表著陸系統(tǒng) 導(dǎo)航 建模 仿真當前，儀表著陸系統(tǒng)存在航線復(fù)雜、飛行架次多、設(shè)備落后以及檢驗費高等問題[1-2]。對儀表著陸系統(tǒng)飛行檢驗的建模與仿真進行研究，可以在一定程度上改善上述問題，使實際飛行檢驗的效率得到提高，同時還能改善飛機飛行的安全性和易損比[3]。

一、儀表著陸系統(tǒng)建模

儀表著陸系統(tǒng)的主要建模對象有航向信標天線系統(tǒng)、航向信標發(fā)射機以及機載接收機，并利用SystemView軟件進行仿真。

1.1航向信標臺發(fā)射機建模

通過比較90Hz、150Hz音頻信號的調(diào)制度表現(xiàn)航向信息，令

式中，M90：90Hz時的調(diào)制度；M150：150Hz的調(diào)制度。對進場的飛機而言：在航道上時，二者幅度一樣，DDM=0；在航道右側(cè)時，90Hz占優(yōu)勢，DDM>0；在航道左側(cè)時，150Hz占優(yōu)勢，DDM<0。

航向信標臺包括2臺余隙發(fā)射機和2臺航道發(fā)射機，其原理相同，假設(shè)航道信標臺所反饋的SBO和CSB信號：

（1）

（2）

式中，M90=M150=m，Ω1=2π*90，Ω2=2π*150，w：載波角頻率。

1.2航向信標天線系統(tǒng)建模

按照規(guī)定的規(guī)律將SBO和CSB信號分配給天線陣的每個單元，給出航道以及偏離航道的信息。

利用對數(shù)周期天線陣，結(jié)合儀表著陸系統(tǒng)，對八單元的航向天線陣建模。天線陣的橫向間隔是3/4λ，λ代表載波波長。設(shè)Di為第i天線的天線中心距離，則天線陣反饋給Ri、Li的信號分別是：

（3）

（4）

假設(shè)F（θ）代表對數(shù)周期天線的方向性函數(shù)，則P點接收的CSB信號：

（5）

若r0>Di，則，，即：

（6）

則第i對天線的方向性函數(shù)表達式：

（7）

綜合4對天線，得八單元天線陣的水平方向性函數(shù)模型：

（8）

式中，，，則：

（9）

同理可得SBO信號航向信標天線陣方向性函數(shù)：

（10）

1.3機載航向信標接收建模

設(shè)P點在跑道左側(cè)，則：

（11）

式中，K：信號空間損耗，因為SBO信號天線陣左邊天線饋和右邊的相反，所以SBO信號左右兩邊的波瓣相位也相反，則：

左邊： （12）

右邊： （13）

將以上兩式帶入（11）式可得：

（14）

將該信號進入接收機，乘以本陣信號。假設(shè)OdB為濾波器增益，則A90和A150的信號幅度分別是：

（15）

整個仿真過程中，振幅降到一半，此時計算調(diào)制度差時，應(yīng)將音頻信號振幅加倍，則：

該式與（14）式相比，分析正確。

二、儀表著陸系統(tǒng)的仿真

SystemView軟件能提供一種可視的動態(tài)系統(tǒng)模型，可以用于建立系統(tǒng)模型。通過系統(tǒng)仿真得出調(diào)整制度差DDM，使其與DDM對比，得出誤差。利用SystemView軟件建立儀表著陸系統(tǒng)的仿真圖。

在計算DDM時，等接收機濾波器達到穩(wěn)定狀態(tài)后，模塊70輸出則為DDM。為了獲取載波信號和兩個音頻信號的幅值，因為濾波器工作通常都是從不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定狀態(tài)，所以乘以穩(wěn)定時刻的的函數(shù)模塊。同時，為了計算DDM，在載波幅值輸出模塊滯后加上函數(shù)模塊?？梢缘贸瞿K5和模塊6的輸出，分別是SBO、CSB信號。根據(jù)模塊52的信號輸出，可以看出濾波器在25mm時進入穩(wěn)定狀態(tài)，所以該輸出不計入有效數(shù)據(jù)。得出模塊70的調(diào)制度差DDM和模塊89DDM的輸出誤差。

由此可見，仿真得到的模塊波形與理論相同。濾波器初始狀態(tài)一般都不穩(wěn)定，與實際工作狀態(tài)一樣。DDM誤差的主要原因是濾波器輸出信號無法達到原始信號幅值。這可以通過上下截止頻率和設(shè)置帶寬來調(diào)整，以降低信號幅值誤差。

三、結(jié)束語

儀表著陸系統(tǒng)是引導(dǎo)、協(xié)助飛機著陸進場的導(dǎo)航系統(tǒng)，它的可靠性會直接影響飛機著陸時的安全性。經(jīng)過航向信標、機載接收設(shè)備以及地面信標的建模，利用SystemView軟件進行仿真，仿真論證了采用該軟件進行儀表著陸系統(tǒng)的仿真是具有可行性的。這為儀表著陸系統(tǒng)的仿真研究做了初探，后續(xù)將以此為基礎(chǔ)。