數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型的設(shè)計及實現(xiàn)

匡銳丹

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川成都610091)

0 前言

機(jī)場導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)分成飛行校驗和地面校準(zhǔn)2個部分，由于空域管制和校準(zhǔn)專屬問題，導(dǎo)航系統(tǒng)地面設(shè)備校準(zhǔn)歷來都是各機(jī)場以地面維護(hù)、實驗室校準(zhǔn)和外場測試等方式綜合實現(xiàn)。基于機(jī)場導(dǎo)航系統(tǒng)的多樣性，其對應(yīng)的校準(zhǔn)及溯源情況則復(fù)雜得多。但是，即使各導(dǎo)航子系統(tǒng)的地面設(shè)備全部合格，也不能保證其作用場域內(nèi)的導(dǎo)航能力滿足既定要求，因為各導(dǎo)航子系統(tǒng)天線發(fā)射場彼此有重疊，同時周圍建筑及跑道對無線電信號的折射及反射等原因，機(jī)場導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)準(zhǔn)確度還是要通過飛行校驗來確定機(jī)場地空場域影響、導(dǎo)航子系統(tǒng)的邊界及起降通道導(dǎo)航能力、地面設(shè)備從遠(yuǎn)端到著陸點的持續(xù)引導(dǎo)能力等其他關(guān)鍵參數(shù)，飛行校驗是機(jī)場能進(jìn)行導(dǎo)航放飛的最重要和最關(guān)鍵校準(zhǔn)過程。然而，我國機(jī)場的飛行校驗服務(wù)能力嚴(yán)重不足，在全國近300多個軍(民)用機(jī)場，每周期的巡航服務(wù)任務(wù)極其繁重，因此就各機(jī)場操作現(xiàn)狀而言，除了新安裝和大修等特殊情況外，其余的周期性校驗還是以日常維護(hù)等方式實現(xiàn)。

1 數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型設(shè)計

1.1 數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型概念

數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)還是各導(dǎo)航子系統(tǒng)的實物計量標(biāo)準(zhǔn)。在這個模型中，有3部分關(guān)鍵內(nèi)容得到了集成與數(shù)字化:①校準(zhǔn)地面臺站的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其核心是集成了10個導(dǎo)航子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載接收機(jī);②機(jī)載導(dǎo)航子系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置，其核心是集成了全系統(tǒng)(按照ICAO標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的進(jìn)程導(dǎo)航系)地面臺站的模擬器;③絕對位置基準(zhǔn)，其核心是基于GPS或者北斗(理想位置基準(zhǔn))的全球或者區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，主要提供能導(dǎo)出距離、方位和高度信息的經(jīng)緯度值。經(jīng)過集成和數(shù)字化后的機(jī)場校準(zhǔn)模型，能夠以3D動畫方式提供以下導(dǎo)航信息:入場/離場飛機(jī)在穿越不同導(dǎo)航子系統(tǒng)作用域時的實際位置參數(shù)、按照機(jī)場導(dǎo)航能力設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)下滑/上升軌跡、導(dǎo)航臺站的實施發(fā)射參數(shù)。

1.2 數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型的服務(wù)對象是導(dǎo)航地面臺站、機(jī)載導(dǎo)航子系統(tǒng)以及導(dǎo)航信號的地空特性，因此該模型中至少應(yīng)該包含上述三方面的6個緯度:①地面發(fā)射式導(dǎo)航專用設(shè)備的校準(zhǔn)技術(shù);②地面收發(fā)式導(dǎo)航專用設(shè)備的校準(zhǔn)技術(shù);③機(jī)載接收式導(dǎo)航專用設(shè)備的測試技術(shù);④機(jī)載收發(fā)式導(dǎo)航專用設(shè)備的測試技術(shù);⑤地空導(dǎo)航信道低空層面(高度20 m以下，距離5000 m以內(nèi))的信號監(jiān)測技術(shù);⑥絕對位置基準(zhǔn)的建立;⑦各導(dǎo)航系統(tǒng)校準(zhǔn)(測試)信號的3D數(shù)字化和集成顯示技術(shù)——即數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型。

要實現(xiàn)數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型，必須先要解決各導(dǎo)航子系統(tǒng)的實物模型的校準(zhǔn)及溯源問題。即需要建立一系列導(dǎo)航校準(zhǔn)裝置，用以監(jiān)測(修正)實物系統(tǒng)的信號特征。實物計量標(biāo)準(zhǔn)包括導(dǎo)航子系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置、絕對位置基準(zhǔn)類計量標(biāo)準(zhǔn)、輔助測量類計量標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1 各類實物計量標(biāo)準(zhǔn)的建立

1.2.1.1 導(dǎo)航子系統(tǒng)類校準(zhǔn)裝置的建立

此類計量標(biāo)準(zhǔn)的作用:①以模擬實際使用方式監(jiān)測和調(diào)校地面信號臺、地面信標(biāo)、外場測試儀發(fā)射信號的準(zhǔn)確性，并把這些參數(shù)溯源到國防計量基準(zhǔn)上;②在天線端面發(fā)射半雙工工作方式的詢問信號，識別并提取回答信號中的距離、高度和飛機(jī)編碼等重要飛行參數(shù)，以此為基礎(chǔ)在數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型中形成標(biāo)準(zhǔn)的著陸信息(即標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航面)，作為與飛機(jī)的實時位置作比較的參考端面。

導(dǎo)航類子系統(tǒng)實物計量標(biāo)準(zhǔn)主要是解決導(dǎo)航子系統(tǒng)特征參數(shù)的溯源，所以在建立標(biāo)準(zhǔn)時要有效分解各類導(dǎo)航系統(tǒng)的特征參數(shù)，并著重考慮這些參數(shù)應(yīng)該通過怎樣的方式溯源到國防最高計量標(biāo)準(zhǔn)上去。因為國防基準(zhǔn)只對通用常規(guī)參數(shù)進(jìn)行建標(biāo)，這么這些專用參數(shù)在溯源過程中必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換，即采用間接測量法。因此，用以轉(zhuǎn)換的這些替代參數(shù)能夠便捷進(jìn)行溯源也是考慮的重點。

表1 近程導(dǎo)航子系統(tǒng)的特征參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)分解建立的計量標(biāo)準(zhǔn)，配合被校準(zhǔn)對象的分類要求，至少3類綜合校準(zhǔn)裝置的建立是必要的:①全部地面導(dǎo)航臺站發(fā)射參數(shù)的校準(zhǔn)裝置;②全部接收機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的接收參數(shù)的校準(zhǔn)裝置，③地空“問-答”半雙工工作方式的校準(zhǔn)裝置。

發(fā)射類導(dǎo)航校準(zhǔn)裝置實質(zhì)上是一個模擬的接收類設(shè)備，除了在從射頻到視頻信號的數(shù)字化與普通接收機(jī)有類似的處理通道外，還必須滿足機(jī)載類接收設(shè)備的特點，比如高接收靈敏度(-80 dBm或者更低)、各類導(dǎo)航特參數(shù)的專用處理、實時環(huán)境參數(shù)修正等功能。

這類導(dǎo)航校準(zhǔn)裝置的技術(shù)難點是導(dǎo)航特征參數(shù)專用處理模塊，即導(dǎo)航信號IP核。目前通用的做法是采用CPLD/FPGA，把DAC后的信號按照各導(dǎo)航子系統(tǒng)的信號要求進(jìn)行解調(diào)，因為各導(dǎo)航系統(tǒng)的特征參數(shù)彼此不同，所以解調(diào)信號應(yīng)該包括多種模式的混合調(diào)制信號，必要時應(yīng)配合專用構(gòu)造函數(shù)對信號進(jìn)行提純處理和補(bǔ)償，比如微波著陸信號的同步片斷內(nèi)的DPSK解調(diào)，需要構(gòu)造特殊函數(shù)來做差分處理［1］。

與發(fā)射類校準(zhǔn)裝置相反，接收類導(dǎo)航信號的校準(zhǔn)裝置本質(zhì)是信號模擬源。這類校準(zhǔn)裝置的難點有2個:1)視頻端特征信號基點與射頻端面的延遲補(bǔ)償;2)寬頻段的調(diào)制發(fā)射與天線集成。

收發(fā)類綜合校準(zhǔn)是專門測試ATC系統(tǒng)(空中交通管制系統(tǒng))的DME/P系統(tǒng)(普通測距和精密測距系統(tǒng))，研發(fā)這類校準(zhǔn)裝置的難點是收發(fā)信號通路的隔離，接收通道解調(diào)信號的計時與延遲補(bǔ)償;發(fā)射通道的調(diào)制與信號整形(高斯脈沖)［2］。

上述3類校準(zhǔn)裝置按對應(yīng)導(dǎo)航類系統(tǒng)的使用條件、系統(tǒng)設(shè)計、頻譜管理等多方面要求，應(yīng)偏重綜合校準(zhǔn)裝置、便攜式校準(zhǔn)裝置和現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置等設(shè)計方式。目前國內(nèi)各機(jī)型均配備了一、二線檢測設(shè)備，總體滿足日常飛機(jī)及地面臺站的維護(hù)，但是隨著機(jī)型的變化及飛機(jī)服役數(shù)量和服役時間的增加，尤其考慮到飛機(jī)及其地面維護(hù)快速反應(yīng)能力的至關(guān)重要性，對于傳統(tǒng)外場設(shè)備校準(zhǔn)如果依然停留在信息孤島狀態(tài)，會在某些特殊場合與特殊時期帶來以下問題:1)現(xiàn)有的外場校準(zhǔn)設(shè)備的功能綜合性不強(qiáng)，數(shù)量種類多，功能彼此不兼容，機(jī)動時需要攜帶大量的外場校準(zhǔn)設(shè)備;2)現(xiàn)有的通信導(dǎo)航檢測設(shè)備技術(shù)水平低，自動化程度不高，制約了維護(hù)保障能力的提高。

1.2.1.2 絕對位置基準(zhǔn)類實物計量標(biāo)準(zhǔn)的建立

以GPS基站為主要標(biāo)準(zhǔn)的絕對位置基準(zhǔn)是目前成熟技術(shù)的主流，但在特殊時期會受制于人。我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星發(fā)射后會形成區(qū)域內(nèi)導(dǎo)航的主力，因此基于北斗基站的絕對位置基準(zhǔn)將是研發(fā)的首要選擇。

1.2.1.3 輔助類實物計量標(biāo)準(zhǔn)的建立

輔助類實物計量標(biāo)準(zhǔn)主要是指應(yīng)地空導(dǎo)航信道地空近程的信號監(jiān)測要求和無線電監(jiān)測要求建立的相應(yīng)測試類計量標(biāo)準(zhǔn)。這類校準(zhǔn)(測試)裝置的難點是監(jiān)測點的布局計算、低空導(dǎo)航通道內(nèi)信號的推導(dǎo)與預(yù)警、突發(fā)干擾信號的檢測與定位。在數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型中，輔助類計量標(biāo)準(zhǔn)能提供監(jiān)測到的干擾信號的頻率、功率、經(jīng)緯度等信號。

針對導(dǎo)航子系統(tǒng)的干擾源有2類:1)無線接入系統(tǒng)、公眾數(shù)據(jù)通信、移動衛(wèi)星通信等系統(tǒng)大功率的發(fā)射源;2)機(jī)場周邊凈空條件的變化引起串?dāng)_與多路徑干擾。機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)除接收到正常信號外，還能接收到上述2類干擾信號，二者在空域的疊加，導(dǎo)致空間實際場強(qiáng)隨仰角呈波動分布狀態(tài)。當(dāng)飛機(jī)處于波動谷值時，所收到的信號強(qiáng)度會接近于機(jī)載接收機(jī)靈敏度下限，從而使導(dǎo)航系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時飛機(jī)無法空中定位，繼而無法起降。

目前機(jī)場遇到的無線電干擾基本還是依靠國家各級無線電監(jiān)測機(jī)構(gòu)去查處，而國家無線電監(jiān)測機(jī)構(gòu)是按省和地市所在地設(shè)置(不是按照機(jī)場和航線設(shè)置的)，其固定站都建在省會城市中，一般一市一個固定站，覆蓋范圍有限，無法完成機(jī)場航道附近干擾信號的實時監(jiān)測。

2 數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型的集成

完成這3類實物計量標(biāo)準(zhǔn)的建立后，就可以構(gòu)建數(shù)字機(jī)場。數(shù)字機(jī)場設(shè)計首要是解決機(jī)場不滿足凈空條件的建筑物信號折射/反射問題、機(jī)場跑道鏡面反射問題、地空信號干擾問題和絕對位置基準(zhǔn)漂移問題，在模型設(shè)計的初期充分考慮并計算出這4類干擾信號后，數(shù)字機(jī)場模型才可能貼近現(xiàn)實機(jī)場的實際情況。

各類導(dǎo)航信號和對應(yīng)校準(zhǔn)裝置提供的監(jiān)測信號是有差異的，這個差異在數(shù)字機(jī)場中就表現(xiàn)為導(dǎo)航信號的誤差帶，而不是常規(guī)意義上的誤差數(shù)字。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)場著陸時，該模型可以模擬在整個著陸時間內(nèi)的以下事件:①飛機(jī)的實時位置參數(shù)(方位、距離、高度、飛機(jī)代碼、通信波道);②飛機(jī)在各時間點上經(jīng)歷各導(dǎo)航子系統(tǒng)時的導(dǎo)航區(qū)域有效性信息;③飛機(jī)在各導(dǎo)航子系統(tǒng)作用域內(nèi)，位于該誤差帶的位置信息(偏離中心線的程度及是否觸及誤差帶的警戒位置);④突發(fā)煩擾信號的位置信息。

數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型的集成難點有2個:

1)導(dǎo)航特征信號模塊。這些模塊主要是產(chǎn)生視頻-中頻段的導(dǎo)航信號，或者是解調(diào)該頻段的導(dǎo)航信號。采用FPGA為主的技術(shù)，把特征信號做成導(dǎo)航IP核的模式，可以擺脫單純以VXI/PXI接口為主使用平臺，采用獨立封裝，內(nèi)嵌單個系統(tǒng)發(fā)射對(即同種導(dǎo)航子系統(tǒng)收發(fā)集成)處理程序，可以隨意搭建組合適用于不同導(dǎo)航系統(tǒng)配置的各區(qū)域?qū)Ш脚_站的實物計量標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型方位角界面示意圖

2)構(gòu)造特殊函數(shù)和虛擬系統(tǒng)。為了保持特征信號的實時特點(抖動、延遲畸變)和理想特征信號的平衡，需要在處理過程中構(gòu)造特殊函數(shù)把無用信號剔除。信號處理流程分成2部分，“干凈信號”(剔除后的信號)通過數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)處理程序進(jìn)行分析，其結(jié)果送數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型中顯示理想的著陸/起飛曲線，被剔除的抖動信號送模型中顯示誤差帶。

3 結(jié)束語

數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型是全新應(yīng)用型數(shù)字化計量測試方法。導(dǎo)航系統(tǒng)專測設(shè)備計量技術(shù)在經(jīng)歷了電路板級測試、實驗室間接校準(zhǔn)、外場子系統(tǒng)的分散性校準(zhǔn)等發(fā)展過程后，數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型首次把機(jī)場(含環(huán)境影響)和飛機(jī)視為一體并作為被測對象，在整個飛行過程中對飛機(jī)進(jìn)行有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航軌跡指導(dǎo)下的監(jiān)測。導(dǎo)航信號專測計量技術(shù)通過數(shù)字機(jī)場校準(zhǔn)模型實現(xiàn)了2步跨越:一是第一次把計量過程與中端產(chǎn)品(飛機(jī))直接聯(lián)系起來，而是第一次把計量過程直接和產(chǎn)品工作的實時環(huán)境聯(lián)系起來。

［1］張忠興，李曉明，張景偉，等.無線電導(dǎo)航理論與系統(tǒng)［M］.陜西:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

［2］黎廷璋.空中交通管制機(jī)載應(yīng)答機(jī)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1992.