下滑信標場地測量和天線精確安裝的重要性

黃鉅江

摘 要：儀表著陸系統(tǒng)下滑信標場地的不規(guī)范和天線陣機械安裝精度的不足通常會對下滑道的許多參數(shù)造成較大的影響，該文通過分析下滑信標場地和天線陣機械安裝對下滑道參數(shù)的影響，闡述了下滑信標場地測量和天線機械安裝及調整的方法，提出了規(guī)范的臺站場地和精確的天線機械安裝是設備電氣調整的前提和基礎的觀點，為下滑信標天線陣的日常維護、調整提供幫助。

關鍵詞：儀表著陸系統(tǒng) 下滑信標 場地測量 天線 機械安裝

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0073-02

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1 下滑道的形成及其受影響的因素

儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System ILS）是國際民航組織（ICAO）確認的標準精密進近和著陸設備，儀表著陸系統(tǒng)的下滑信標設備通過下滑天線陣向空中發(fā)射無線電信號，為航空器提供進近和著陸所需的下滑道信號。下滑信標天線陣利用地面對無線電波反射的原理，使航空器接收到實際天線和以地面為鏡面的鏡像天線共同輻射的合成波形，通過調整實際天線的掛高，即改變實際天線和鏡像天線的間隔，產生相應仰角的下滑道。

由于下滑信標工作在UHF頻段，工作波長在1米左右，反射面的不平整、障礙物、天線安裝的三維位置誤差等都是影響輻射信號的基本因素，這些因素都需要在設備電氣調整前作好了解。隨著下滑信標在全國機場的普及，特別是在某些地質、地形條件不佳的機場，場地問題越發(fā)引起設備管理人員的關注。

2 下滑信標場地的要求及對下滑信標相關參數(shù)的影響

下滑信標安裝場地對于輻射信號主要考慮兩個因素：（1）鏡像反射面是否平整：由于反射面不平整就不能形成清晰的鏡像，實體天線和鏡像天線就不能合成預期的場型；（2）障礙物產生的二次反射：若下滑天線前方存在地面障礙物，就可能會產生二次發(fā)射，若二次反射有足夠能量到達下滑道，就會使下滑道波形產生畸變。

民用航空通信導航監(jiān)視臺（站）設置場地規(guī)范（MH/T4003.1-2014）將下滑天線前的場地劃分成臨界區(qū)、敏感區(qū)，規(guī)定了相應區(qū)域內的場地要求[1]。其中A區(qū)為臨界區(qū)，該區(qū)域內地面不規(guī)則或存在障礙物都會對下滑信標的信號造成不可接受的干擾。敏感區(qū)是臨界區(qū)的延伸，是指在該區(qū)域內障礙物可能會影響下滑信標的信號造成干擾。場地對輻射場型的影響的大小也取決于不同天線的方向性圖等特性，所以不同廠家或天線陣的形式，決定著臨界區(qū)、敏感區(qū)的大小少稍有不同。

由于A區(qū)是下滑天線陣及其鏡像天線形成下滑道信號的主要區(qū)域即波束形成區(qū)（BFA），這個區(qū)域包含第一菲涅耳區(qū)，其場地的平整度對下滑信號的形成起決定性作用，可以認為BAF區(qū)域是下滑信標天線系統(tǒng)的一部分，而且它的前向坡度（FSL）和側向坡度（SSL）會影響下滑道的各參數(shù)。

下滑臺址和下滑角的確定在《國際民航航空公約》附件10、14等有明確的要求，該文只關注BAF區(qū)域的前向坡度（FSL）、下滑天線陣的后撤距離D和下滑角θ等參數(shù)的關系，有以下公式[2]：

（1）

其中，Y是跑道入口點相對于下滑天線反射面在跑道入口處豎直投影點的高度差，如果跑道入口點高于該投影點，則Y為正值，實際上，Y是與SSL相關的。

可見，下滑角，天線在跑道端口后撤的距離，跑道入口高度等參數(shù)是相互聯(lián)系的，在工藝設計時，基于機場運用方式、地形條件等因素，需使上述參數(shù)均符合相應的標準要求。在符合規(guī)范的地形條件下，我們按工藝設計的要求施工，設備經正常的電氣調整，就能滿足工作的需要。

另外，前向坡度（FSL）和側向坡度（SSL）還決定了天線機械安裝的前向偏置量和橫向偏置量。也就是說，BAF區(qū)的地形參數(shù)對天線機械安裝的設置和下滑角、入口高度等參數(shù)起決定作用，所以我們建議將BAF區(qū)域的地形測繪數(shù)據(jù)作為天線調試資料的一部分歸檔保存，便于日后的維護工作，并對BAF區(qū)域的地形變化如地面沉降、植被、樹木等進行定期檢查。

3 下滑臺場地測量和天線機械安裝及調整的方法

3.1 下滑臺址及天線陣基礎的測量定位

下滑臺機房土建施工前及天線陣基礎工藝安裝時需對機房和天線陣基礎進行測量定位，一般可根據(jù)機場場道施工已有的基準點作為基準，使用全站儀進行測量，確定機房和天線陣基礎的準確位置，并需根據(jù)工藝施工圖對下滑臺周邊的地形（標高、坡度、密實度）進行復核，如有差異需與建設單位、設計單位聯(lián)系。因為若下滑天線陣的后撤距離、坡度等出錯，可能使跑道入口高度等參數(shù)超出標準，使該下滑臺不能通過飛行校驗，造成不可挽回的損失。

BAF區(qū)域的地形測量可參照NORMARK

安裝手冊[3]，以跑道入口點為三維坐標原點，通過測量多點的標高，分別代入式（2），可求出三個系數(shù)，，的平均值，它們分別代表跑道入口處的平均表面標高，前向坡度FSL的正切值和橫向坡度SSL的正切值。

（2）

其中，求前向坡度時，取樣點在下滑天線陣前方300-350米分別與儀表著陸系統(tǒng)B點和A點連線的外側20米圍成的區(qū)域內均勻選?。磺髾M向坡度時，取樣點在下滑天線陣前方300-350米分別與儀表著陸系統(tǒng)B點和跑道入口點連線的外側20米圍成的區(qū)域內均勻選取。

3.2 天線掛高及調整

根據(jù)下滑天線陣的原理可知，天線掛高是決定下滑角的主要因素，同時還會影響下滑道寬度，一般天線陣前都有前向坡度，計算天線掛高時要根據(jù)設計圖紙要求的標稱下滑角θ和上文所述測算出的FSL，按以下公式計算：

（3）

其中，λ為下滑臺工作波長。

除了準確的天線掛高，天線陣各天線間還需要有準確的高度比。對于零基準天線陣上天線掛高是下天線的2倍，即天線的高度比為2：1，由于高度比發(fā)生變化會引起下滑角、下滑道寬度和對稱性等變化，NORMARC 3545 M型天線技術說明書要求上下天線的間距誤差容限為，所以，飛行校驗時，如要通過天線掛高調整下滑角時，需同時調整每個天線的掛高并保持高度比不變。

3.3 下滑天線陣前向偏置及調整

下滑天線陣各天線饋電及下滑角的設計是基于每個下滑天線及其鏡像天線同在反射地面的垂直面上，不然每個下滑天線之間將產生相位誤差。下滑天線鐵塔基于穩(wěn)定性考慮是垂直水平面安裝的，當反射地面與水平面存在坡度時，在天線安裝時需把天線陣的每個天線調整到同一平面上，此平面垂直于反射面，如圖1。具體前置量可按公式（4）計算：

（4）

若以上天線為基準，天線陣前方為上坡時，則中天線前置量為，下天線前置量為。

我們使用MATLAB軟件對M型天線的前向偏置進行模擬，可知它對遠場DDM- 曲線的影響是非常明顯的，隨著前置量由默認的前置量到增加60MM，下滑角由3°減低到2.78°，而且低角度的DDM線性嚴重變差，另減小前置量時，情況和增加時相似。所以在安裝時要重視天線前置的準確調整，需通過下滑天線陣場地的前向坡度的測量計算得出前置量，NORMARC 3545 M型天線技術說明書要求前向偏置的安裝誤差需控制在范圍內[5]，安裝調整后可使用經緯儀在下滑天線鐵塔一側來檢查。在實際飛行校驗時，如實測的下滑角數(shù)據(jù)與預設值有較大的出入或下滑道對稱性較差，需檢查前向偏置量是否有存在差錯才進行下一步的調整。

3.4 下滑天線陣橫向偏置及調整

由于下滑天線陣一般安裝在跑道中心線一旁120米處，對于近場每個天線到達航空器時將產生相位差，通過天線橫向偏置來補償此相位誤差。通過天線橫向偏置，跑道中心線及其延長線上的點到三個天線的距離一樣，如圖2。圖上標出了上、下天線相對中天線的橫向偏置量，是與下滑天線安裝場地的側向坡度有關系的，橫向偏置量的誤差容限為。

4 不規(guī)范場地的天線機械調整

在實際機場建設中，一些地質、地形條件復雜的機場，地形條件很難滿足原工藝設計的要求，而且對地形條件的改造需大量的資金，在這種情況下只能對天線和設備的某些電氣參數(shù)的調整進行折中、優(yōu)化，使飛行校驗的各參數(shù)在標準容限內。該文僅闡述通過對天線機械安裝的調整來改善下滑道某些參數(shù)的常用方法，其基本思路是在對遠場下滑道影響不大的基礎上，改善近場下滑道特性或避開下滑天線前方特定障礙物。對天線默認設置的改變需作好記錄歸檔，便于日常維護和跟蹤。

4.1 調整天線橫向偏置改變跑道入口高度

在不規(guī)范的場地情況下，在滿足下滑角情況下，入口高度超出標準時，對于M型天線陣（圖2所示），可增大或減小橫向偏置量，改變近場時天線間的輻射相位從而使入口高度降低。

4.3 通過扭轉天線改變跑道入口高度

正常的天線機械安裝要求每個天線正面朝向前方，使每個天線在每一方向的輻射參數(shù)一致。但是我們可以利用天線方向性圖在遠場方向變化平緩、近場方向迅速變小的特性，通過扭轉天線偏向或偏離跑道，改變近場時上下天線的輻射功率比來調整近場仰角從而改變入口高度。

4.3 通過扭轉天線避開下滑天線前方特定障礙物

利用天線方向性圖的特性，通過扭轉天線偏離特定障礙物，使特定障礙物的反射功率變小，從而改善下滑道特性。

5 結語

下滑天線安裝場地及天線機械安裝都是影響輻射信號的重要因素，是設備電氣調整的前提和基礎，只有場地滿足規(guī)范要求，天線機械安裝達到規(guī)定精度才能為后續(xù)設備電氣調整的順利完成創(chuàng)造條件。在不規(guī)范的場地條件難以改變時，才通過天線的機械安裝的調整和電氣調整來改善下滑道的某些參數(shù)。

參考文獻

[1] 中國民用航空局.民用航空通信導航監(jiān)視臺（站）設置場地規(guī)范（MH/T4003.1-2014）[S].北京：中國民航出版社，2014.

[2] 國際民航組織.國際民用航空公約附件10-航空電信[S].1985.

[3] 李紫丹.基于回波模型多徑效應對航向信標系統(tǒng)的影響研究[J].信息通信， 2015（3）：18.