TLS—一種新的著陸系統(tǒng)

楊益歡，李 冰，陳 陽(yáng)

（中國(guó)人民解放軍92187部隊(duì)，長(zhǎng)治046011）

TLS—一種新的著陸系統(tǒng)

楊益歡，李 冰，陳 陽(yáng)

（中國(guó)人民解放軍92187部隊(duì)，長(zhǎng)治046011）

應(yīng)答著陸系統(tǒng)是一種基于應(yīng)答機(jī)的精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)，是FAA認(rèn)可的I類(lèi)精密進(jìn)近的導(dǎo)航系統(tǒng)，滿(mǎn)足ICAO要求的精度標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了系統(tǒng)的組成、配置和工作流程，分析了系統(tǒng)的測(cè)角、測(cè)距原理和方法，闡述了系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)和主要性能，為導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)答著陸系統(tǒng)；測(cè)角；測(cè)距；特性

0　引言

儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System ，ILS）是國(guó)際民航組織規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)著陸系統(tǒng)，是當(dāng)前軍民航使用的主要精密進(jìn)近導(dǎo)航系統(tǒng)，為進(jìn)近的飛機(jī)提供著陸引導(dǎo)信息。但它存在對(duì)安裝場(chǎng)地要求嚴(yán)格、設(shè)備機(jī)動(dòng)性差等缺點(diǎn)，在地形條件較復(fù)雜的機(jī)場(chǎng)和對(duì)機(jī)動(dòng)要求較高的軍方，ILS的使用就受到了限制。

應(yīng)答著陸系統(tǒng)（Transponder Landing System，TLS）主要是為了彌補(bǔ)ILS的不足而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。TLS克服了ILS的缺點(diǎn)，只加裝地面設(shè)備，利用飛機(jī)現(xiàn)有的ILS接收機(jī)和二次雷達(dá)機(jī)載設(shè)備，不對(duì)飛機(jī)進(jìn)行任何改動(dòng)，可在復(fù)雜場(chǎng)地條件和臨時(shí)機(jī)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)近著陸。美國(guó)ANPC公司于1991年設(shè)計(jì)研發(fā)TLS，于2001年12月21日獲得了FAA書(shū)面認(rèn)證，正式成為美國(guó)政府承認(rèn)的I類(lèi)精密進(jìn)近導(dǎo)航系統(tǒng)?，F(xiàn)在全球已有美國(guó)、澳大利亞、菲律賓等國(guó)家安裝了多套TLS系統(tǒng)，但TLS尚未進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。

1　TLS的組成及配置

應(yīng)答著陸系統(tǒng)主要由詢(xún)問(wèn)天線(xiàn)、方位天線(xiàn)（LAOA）、仰角天線(xiàn)（GAOA）、校準(zhǔn)/測(cè)試裝置（CAL/BIT）、數(shù)據(jù)處理基站、數(shù)傳裝置、上傳監(jiān)控裝置以及以太網(wǎng)絡(luò)等幾部分組成［1-2］。各部分的主要功能如下：

1）詢(xún)問(wèn)天線(xiàn)：接到數(shù)據(jù)處理基站命令后，發(fā)射1030MHz詢(xún)問(wèn)信號(hào)。

2）方位天線(xiàn)：用于測(cè)量飛機(jī)的距離和方位，共有3條水平相間的天線(xiàn)，提供2個(gè)不同精度的方位角測(cè)量值。

3）仰角天線(xiàn)：用于測(cè)量飛機(jī)的距離和仰角，共有4個(gè)垂直相間的天線(xiàn)，提供3個(gè)不同精度俯仰角測(cè)量值。

4）校準(zhǔn)/測(cè)試裝置：向天線(xiàn)模擬飛機(jī)發(fā)送一個(gè)1090MHz的脈沖，使系統(tǒng)可實(shí)時(shí)進(jìn)行自檢。

5）數(shù)據(jù)處理基站：基站包括中央處理器和設(shè)備架。主要處理從方位和仰角天線(xiàn)中提取的測(cè)量值，并計(jì)算出引導(dǎo)誤差值。

6）數(shù)傳裝置：數(shù)傳裝置包括數(shù)傳天線(xiàn)和設(shè)備架中的引導(dǎo)信號(hào)發(fā)射機(jī)。數(shù)傳鐵塔上有航向、下滑數(shù)傳天線(xiàn)和監(jiān)測(cè)天線(xiàn)。

7）數(shù)傳監(jiān)控裝置：通過(guò)數(shù)傳天線(xiàn)接收航向臺(tái)和下滑臺(tái)引導(dǎo)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視。

8）以太網(wǎng)絡(luò)：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理基站和方位天線(xiàn)、仰角天線(xiàn)之間控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送。

應(yīng)答著陸系統(tǒng)一般安裝在進(jìn)近方向跑道的著陸點(diǎn)附近，并可前后平移91m，左右平移106m。TLS放置在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的任何位置都可以為飛機(jī)提供最大15°的偏移進(jìn)近。其標(biāo)準(zhǔn)配置如圖1所示。

圖1　TLS的組成及配置Fig.1 Composition and configuration of TLS

需要注意的是，盡管應(yīng)答著陸系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)靈活，但各組成部份之間的距離是有一定要求的。

2　TLS工作流程

TLS通過(guò)測(cè)量飛機(jī)二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)應(yīng)答信號(hào)的載波相位和到達(dá)時(shí)間，確定飛機(jī)的方位角、俯仰角和距離。然后將這些位置信息模擬成ILS相應(yīng)的信號(hào)格式發(fā)送出去，飛機(jī)的ILS接收機(jī)接收到信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為控制信息和指示信息，使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)著陸或人工著陸。該過(guò)程主要分為詢(xún)問(wèn)搜索和導(dǎo)航引導(dǎo)兩個(gè)階段［3-4］，如圖2所示。

圖2　TLS工作流程Fig.2 The working process of TLS

（1）詢(xún)問(wèn)搜索階段

飛機(jī)到達(dá)進(jìn)近著陸端口時(shí)，TLS在其跟蹤區(qū)內(nèi)搜索該飛機(jī)應(yīng)答機(jī)識(shí)別碼［5］。此時(shí)TLS開(kāi)始發(fā)射帶有起始脈沖標(biāo)志的1030MHz詢(xún)問(wèn)信號(hào)，空中任何飛機(jī)應(yīng)答機(jī)收到此信號(hào)后，均發(fā)出1090MHz的應(yīng)答信號(hào)。方位和仰角天線(xiàn)在收到起始脈沖后的最初一段時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)存跟蹤區(qū)內(nèi)所有飛機(jī)發(fā)回的1090MHz應(yīng)答脈沖，以及載波信號(hào)的測(cè)量值。然后，TLS在發(fā)回的應(yīng)答機(jī)脈沖中搜尋指定的識(shí)別代碼。

（2）導(dǎo)航引導(dǎo)階段

當(dāng)指定代碼被識(shí)別后，系統(tǒng)就開(kāi)始計(jì)算此架飛機(jī)的位置信息。如果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的飛機(jī)發(fā)回的應(yīng)答信息具有相同的識(shí)別代碼，則停止發(fā)送引導(dǎo)信息，以避免產(chǎn)生危險(xiǎn)或威脅飛行安全。

方位天線(xiàn)和仰角天線(xiàn)根據(jù)應(yīng)答代碼相對(duì)于起始脈沖的到達(dá)時(shí)間（TOA）和根據(jù)載波信號(hào)的相位測(cè)量值計(jì)算得到的到達(dá)角度（AOA），通過(guò)數(shù)據(jù)處理基站計(jì)算出飛機(jī)的當(dāng)前位置和飛行軌跡，與預(yù)定的進(jìn)近軌跡對(duì)比后得出當(dāng)前飛機(jī)的位置引導(dǎo)信息，并立即傳送給飛機(jī)。

整個(gè)過(guò)程以10Hz的頻率循環(huán)進(jìn)行，一直持續(xù)到飛機(jī)到達(dá)復(fù)飛點(diǎn)。此時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為診斷模式進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，如果測(cè)試合格，TLS將轉(zhuǎn)為待命模式，等待執(zhí)行下一次目標(biāo)飛機(jī)的搜索和導(dǎo)航。

3　TLS工作原理

3.1TLS測(cè)角原理

TLS采用相位干涉式測(cè)角算法［6-7］，2個(gè)接收天線(xiàn)同時(shí)接收飛機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，不同方位上飛機(jī)應(yīng)答器發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)到2個(gè)接收機(jī)的距離不同，因而相位也不同。只要測(cè)出它們的相位差就可確定飛機(jī)的方位。

如圖3所示，假設(shè)相位干涉式測(cè)向器的兩個(gè)接收天線(xiàn)位于A、B兩點(diǎn)，它們之間的距離為d，飛機(jī)M偏離基線(xiàn)中垂線(xiàn)的方位為θ。相位計(jì)測(cè)得M處飛機(jī)應(yīng)答信號(hào)的相位差為φ，則有：

圖3　TLS測(cè)角原理Fig.3 The angle measurement principle of TLS

式中，λ為信號(hào)波長(zhǎng)，當(dāng)RA?d，RB?d時(shí)：

由式（3）可知，當(dāng)d和λ為已知時(shí)，只要測(cè)得相位差φ，就可確定飛機(jī)方位θ。

這種測(cè)向器的測(cè)向準(zhǔn)確度，除了傳播條件的影響，主要還取決于基線(xiàn)長(zhǎng)度和飛機(jī)所在方位。據(jù)式（3）可以得到方位誤差與測(cè)向誤差之間的關(guān)系為：

由式（4）可以得出如下結(jié)果：

1）在θ=0°的方向上，即在基線(xiàn)的中垂線(xiàn)上，定向的準(zhǔn)確度最高，偏離這個(gè)方向，定向準(zhǔn)確度將降低。因此，用這種干涉式相位定向器測(cè)向時(shí)，只要設(shè)定一個(gè)最低準(zhǔn)確度Δθmin，就會(huì)在基線(xiàn)中垂線(xiàn)兩側(cè)存在一個(gè)有效扇形區(qū)，扇形區(qū)以外的測(cè)向準(zhǔn)確度就不符合要求了。顯然，這個(gè)扇形區(qū)的邊界為：

TLS的仰角和方位天線(xiàn)安裝在著陸點(diǎn)附近，仰角天線(xiàn)基線(xiàn)垂直于地面，方位天線(xiàn)基線(xiàn)垂直于跑道，進(jìn)入進(jìn)近著陸范圍的飛機(jī)基本位于仰角和方位天線(xiàn)基線(xiàn)的中垂線(xiàn)上，測(cè)量角度在10°以?xún)?nèi)，其定向的準(zhǔn)確度可以得到保證。

2）在其他條件相同的情況下，基線(xiàn)長(zhǎng)度d越大，測(cè)向準(zhǔn)確度越高。但是，當(dāng)d增加到大于λ/2時(shí)，在0°～±90°的方位范圍內(nèi)，就不能單值定向了。

為了保證在-90°～90°的方位范圍內(nèi)，能高精度的單值定向，有時(shí)需要在一條直線(xiàn)上設(shè)置兩個(gè)或更多不同基線(xiàn)長(zhǎng)度的定向器，長(zhǎng)基線(xiàn)的定向器保證測(cè)向的高精度，短基線(xiàn)的測(cè)向器用于消除長(zhǎng)基線(xiàn)的多值性。

TLS的仰角天線(xiàn)采用4組天線(xiàn)，方位天線(xiàn)采用3組天線(xiàn)，長(zhǎng)基線(xiàn)的天線(xiàn)保證測(cè)向的高精度，短基線(xiàn)的天線(xiàn)消除了長(zhǎng)基線(xiàn)天線(xiàn)的多值性。

3.2TLS測(cè)角過(guò)程

TLS測(cè)角電路 （以仰角信號(hào)為例）組成包括：天線(xiàn)、RF濾波器、RF接收裝置、本機(jī)振蕩器、鑒頻器、相位幅值測(cè)量單元、相位獲取單元、存儲(chǔ)器和檢測(cè)器等［1-2］，如圖4所示。

4個(gè)仰角天線(xiàn)接收的飛機(jī)應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過(guò)RF濾波器濾除雜波之后送入RF接收裝置處理，和本機(jī)振蕩器的頻率相乘后進(jìn)行下變頻，下變頻后各信號(hào)間的相位關(guān)系不變，將下變頻的四路信號(hào)中的一路作為參考信號(hào)，計(jì)算出該參考信號(hào)與其余3個(gè)信號(hào)的差分載波相位，實(shí)現(xiàn)3個(gè)天線(xiàn)陣列孔徑，得到低、中、高3個(gè)不同分辨率的相位測(cè)量值。參考天線(xiàn)信號(hào)通過(guò)專(zhuān)用通道3，其他3個(gè)信號(hào)通過(guò)RF接收裝置中的開(kāi)關(guān)被多路傳輸?shù)?個(gè)RF接收器通道1、2，送入相位幅值測(cè)量電路進(jìn)行相位和幅度測(cè)量，并為相位獲取單元提供記錄的視頻信號(hào)A、B、C和數(shù)字化的相位數(shù)據(jù)a、b，用于信號(hào)處理。參考天線(xiàn)信號(hào)被送入鑒頻器進(jìn)行鑒頻，得到飛機(jī)相對(duì)TLS的多普勒頻率模擬信號(hào)，反映多普勒頻率模擬信號(hào)和反映相位誤差的模擬信號(hào)送入相位獲取電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入CPU進(jìn)行處理，補(bǔ)償多普勒頻率誤差，消除多路徑干擾，最后得到飛機(jī)的角度值，輸入到基站中的處理器。

圖4　TLS測(cè)角原理框圖Fig.4 Angle measurement block diagram of TLS

3.3TLS測(cè)距原理

TLS采用 “詢(xún)問(wèn)—回答”式脈沖測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，如圖5所示。

機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到地面詢(xún)問(wèn)設(shè)備的脈沖信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)固定的延時(shí)，向地面詢(xún)問(wèn)設(shè)備發(fā)射回答信號(hào)。

詢(xún)問(wèn)信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間和t1到達(dá)機(jī)載測(cè)距應(yīng)答器，測(cè)距應(yīng)答器經(jīng)接收、解調(diào)、譯碼、固定延時(shí)τ′、編碼、調(diào)制后發(fā)射應(yīng)答信號(hào)，應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間t2到達(dá)地面設(shè)備。

設(shè)Δt為地面系統(tǒng)發(fā)射詢(xún)問(wèn)信號(hào)到接收到應(yīng)答信號(hào)之間的時(shí)間間隔，τ為信號(hào)在機(jī)載測(cè)距應(yīng)答器中傳輸、處理和固定延時(shí)τ′的總和，不同測(cè)距應(yīng)答器傳輸、處理信號(hào)的時(shí)間可能有差異，可以通過(guò)調(diào)整固定延時(shí)τ′，保證不同測(cè)距應(yīng)答器總延時(shí)相同，即τ為常數(shù)。因此飛機(jī)距跑道著陸點(diǎn)的斜距R為：

式中，C為電波傳播速度。

3.4TLS測(cè)距過(guò)程

TLS測(cè)距電路主要由中央處理器、編碼器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、譯碼器、距離產(chǎn)生器和同步信號(hào)單元組成，如圖6所示。

圖5　TLS測(cè)距原理圖Fig.5 Range measurement of TLS

圖6　TLS測(cè)距原理框圖Fig.6 Range measurement block diagram of TLS

中央處理器控制編碼器進(jìn)行編碼，編碼后產(chǎn)生一個(gè)事先約定的脈沖碼輸出到發(fā)射機(jī)發(fā)送給飛機(jī)，進(jìn)行測(cè)距詢(xún)問(wèn)。機(jī)載應(yīng)答器接收到詢(xún)問(wèn)信號(hào)后處理并發(fā)射應(yīng)答信號(hào)，接收機(jī)接收到飛機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，由譯碼器首先進(jìn)行譯碼，譯碼器將事先符合約定的脈沖譯碼后送到距離產(chǎn)生電路，和同步信號(hào)進(jìn)行比較后產(chǎn)生反映距離信息的方波信號(hào)，該信號(hào)送入中央處理器進(jìn)行距離計(jì)算，得到飛機(jī)的距離信息。

4　TLS的應(yīng)用特性

目前，TLS可在云底高61m、能見(jiàn)度約800m的惡劣天氣及夜間飛行使用，是FAA認(rèn)可的I類(lèi)精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)，具有下列特性：

1）TLS可勝任復(fù)雜地形條件下的工作，它精確的校準(zhǔn)系統(tǒng)極大地降低了地形對(duì)導(dǎo)航精度的影響，且占地小，土建投資很少，安裝地點(diǎn)靈活，尤其適合于山區(qū)機(jī)場(chǎng)。

2）TLS可采用非線(xiàn)性方式進(jìn)近［2］，可移動(dòng)飛行路徑來(lái)避開(kāi)地面障礙物，可最大偏離跑道中心線(xiàn)15°進(jìn)近。

3）TLS則可以模擬航向臺(tái)、下滑臺(tái)和多達(dá)6個(gè)指點(diǎn)標(biāo)臺(tái)信號(hào)。

4）TLS采用數(shù)學(xué)模型描述航跡，使用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)ILS參數(shù)，利用數(shù)學(xué)方式確定已知飛機(jī)著陸點(diǎn)的相對(duì)航跡并數(shù)字化模擬進(jìn)近，在整個(gè)進(jìn)近過(guò)程中確定與ILS相同的坐標(biāo)。

5）TLS具有部分類(lèi)似于雷達(dá)的功能，可使用軟件對(duì)飛機(jī)進(jìn)近過(guò)程進(jìn)行記錄和回放。

不難看出，作為I類(lèi)精密進(jìn)近導(dǎo)航系統(tǒng)，TLS顯然更適合于那些地形較復(fù)雜的支線(xiàn)機(jī)場(chǎng)。它獨(dú)具對(duì)地形要求靈活、非線(xiàn)性進(jìn)近和最大偏移15°進(jìn)近這三大優(yōu)勢(shì)，再加上簡(jiǎn)便的安裝和與ILS兼容的機(jī)載設(shè)備這兩個(gè)特點(diǎn)，使得它非常受機(jī)場(chǎng)當(dāng)局和航空公司的歡迎，利用數(shù)學(xué)模型模擬進(jìn)近航跡還具有較高的安全性。

5　結(jié)論

TLS作為一種新型的精密進(jìn)場(chǎng)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了ILS的不足與缺點(diǎn)，為未來(lái)的機(jī)場(chǎng)導(dǎo)航、災(zāi)難救援、戰(zhàn)場(chǎng)支援等提供可靠的保障。TLS應(yīng)用ILS已有的接收機(jī)、顯示器和雷達(dá)應(yīng)答機(jī)，不需要再添加新的設(shè)備，節(jié)約了成本，縮短了飛行員對(duì)新系統(tǒng)的培訓(xùn)時(shí)間。TLS是以應(yīng)答機(jī)為基礎(chǔ)的Ⅰ類(lèi)著陸系統(tǒng)，大大地提高了機(jī)場(chǎng)和航站的可用性，對(duì)場(chǎng)地環(huán)境的要求很低，尤其適用于自然條件比較惡劣的民用機(jī)場(chǎng)和軍用移動(dòng)導(dǎo)航。就我國(guó)的實(shí)際情況來(lái)看，大部分地區(qū)的自然環(huán)境和機(jī)場(chǎng)建設(shè)條件十分有限，采用TLS將會(huì)為我國(guó)的軍民用機(jī)場(chǎng)建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ Transponder-based precision approach guidance system ［Z］.323cool ed1-vo，ANPC，USA，2003.

［2］ Winner K，Kuehn B R.Transponderlanding system［P］. United States Patent，US469654B1，2002.

［3］ 魏童，周濤.應(yīng)答著陸系統(tǒng)簡(jiǎn)介［J］.空中交通管理，2003（2）：37-39. WEI Tong，ZHOU Tao.Summary of transponder landing system［J］.Air Traffic Management，2003（2）：37-39.

［4］ 張尉，徐炎祥.二次雷達(dá)原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009. ZHANG Wei，XU Yan-xiang.Principle of the secondary rader［M］.Beijing：National Defense Indutry Press，2009.

［5］ 黎廷璋，張德馨.空中交通管制機(jī)載應(yīng)答機(jī)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1992. LI Ting-zhang，ZHANG De-xin.The air traffic control airborne transponder［M］.Beijing：National Defense Industry Press，1992.

［6］ Karl Winner.Application of thetransponder landing system to achieve airport accessibility［EB/OL］.http：//www. ANPC.com.

［7］ 龔享銥，袁俊泉，蘇令華.基于相位干涉儀陣列多組解模糊的波達(dá)角估計(jì)算法研究［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2006，28（1）：55-59. GONG Xiang-yi，YUAN Jun-quan，SU Ling-hua.A mutilpareunwrapambiguityofinterferometerarrayfor estimation of direction of arrival［J］.Journal of Electronics &Information Technology，2006，28（1）：55-59.

TLS—A New Landing System

YANG Yi-huan，LI Bing，CHEN Yang
（92187 Troops of PLA，Changzhi 046011）

Transponder landing system（TLS）is a transponder based precise approach landing system.It was recognized as CATI precise approach navigation system by FAA and reached the precision standard of ICAO.This paper introduced the composition，configuration and working process of TLS.It analyzed the angle and range measurement principle of the system.Then it expounded the application characteristics and main performance of the system.It also laid a solid foundation for the development of navigation system.

transponder landing system；angle measurement；range measurement；features

TN966

A

1674-5558（2016）01-01100

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.004

2015-04-09

楊益歡，男，助理工程師，研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航。