機(jī)場DME失效情況下ILS著陸標(biāo)準(zhǔn)可用性的探討

郝瓊琳

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局，西安 710082）

DME和ILS都是重要的導(dǎo)航設(shè)備，DME專注于測(cè)距導(dǎo)航，是目前應(yīng)用范圍最廣的導(dǎo)航系統(tǒng)之一，ILS著陸標(biāo)準(zhǔn)與天氣條件、導(dǎo)航設(shè)備狀況等有關(guān)，適用面相對(duì)較為狹窄，在常規(guī)情況下可以指導(dǎo)著落作業(yè)。研究表明，對(duì)ILS進(jìn)行優(yōu)化，可以使其工作性能得到提升，更好的引導(dǎo)飛機(jī)著落，分析機(jī)場DME失效情況下ILS著陸標(biāo)準(zhǔn)的可用性，對(duì)于提升機(jī)場工作的能力以及應(yīng)急處理能力有一定意義。

1 DME與ILS在飛行著落中的作用

1.1 DME在飛行著落中的作用

DME（Distance Measuring Equipment，測(cè)距機(jī)）是高精度的近程脈沖測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前在各地機(jī)場應(yīng)用廣泛。DME利用光、聲音、電磁波的反射、干涉等特性，了解發(fā)射端與目標(biāo)之間的距離，甚至對(duì)標(biāo)對(duì)象的面積、周長等信息。在飛機(jī)準(zhǔn)備著落時(shí)，利用DME不斷發(fā)生光波（也可以是聲波或者電磁波），并收集各類探測(cè)波的回波信息，隨著降落過程中飛機(jī)與地面跑道距離縮短，所獲回波信息也持續(xù)變化，當(dāng)回波達(dá)到臨界點(diǎn)（安全降落標(biāo)準(zhǔn)）時(shí)，飛機(jī)即可完成降落。

1.2 LS在飛行著落中的作用

ILS（Instrument Landing System，儀表著陸系統(tǒng)）是引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)行精密接近、著陸的導(dǎo)航系統(tǒng)，由ILS設(shè)備確定的機(jī)場著陸標(biāo)準(zhǔn)即ILS著陸標(biāo)準(zhǔn)。DME依靠分辨快速的回波信息作為著落依據(jù)，而ILS儀表著陸系統(tǒng)則依靠大量數(shù)據(jù)的累積和瞬時(shí)感應(yīng)作為雙重參數(shù)，了解飛機(jī)的降落信息。一般而言，如果通信條件良好，ILS儀表著陸系統(tǒng)可以確保給出精確數(shù)據(jù)，但如果天氣條件惡劣，存在暴雨、太陽黑子等情況，ILS儀表著陸系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)的誤差會(huì)比較大，難以作為飛機(jī)著落的指導(dǎo)。

2 DME失效情況下ILS著陸標(biāo)準(zhǔn)可用性分析

2.1 當(dāng)前ILS著陸的基本模式

ILS儀表著陸系統(tǒng)的應(yīng)用研究由來已久，在DME測(cè)距機(jī)廣泛普及前，歐洲部分國家曾進(jìn)行過大量研究，了解ILS儀表著陸系統(tǒng)的可行性。在我國的研究中，學(xué)者總結(jié)了此前研究結(jié)果，給出其著落的基本模式，即以感應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以容錯(cuò)系統(tǒng)作為矯正，通過大量計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)確保數(shù)據(jù)結(jié)果的科學(xué)性，結(jié)合累積數(shù)據(jù)生成著落標(biāo)準(zhǔn)。該方式的顯著弊端是機(jī)器學(xué)習(xí)缺乏樣本、效率也不高。由于通常情況下飛機(jī)的著落以DME測(cè)距機(jī)作為基準(zhǔn)，可供ILS儀表著陸系統(tǒng)應(yīng)用的樣本并不多，這使基于ILS儀表著落系統(tǒng)建立著陸標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)想難以實(shí)現(xiàn)。此外，通過計(jì)算機(jī)模擬的大量樣本帶有反復(fù)性和相似性特點(diǎn)，不利于機(jī)器學(xué)習(xí)和分辨更多的著落情況，上述兩個(gè)問題能否解決，是ILS儀表著落系統(tǒng)能否優(yōu)化的關(guān)鍵。

2.2 優(yōu)化的容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ILS儀表著落系統(tǒng)缺乏樣本的問題在現(xiàn)代大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下可以漸漸解決，如針對(duì)暴雨天氣出現(xiàn)的參數(shù)失真問題，技術(shù)人員可以廣泛收集暴雨天氣下ILS儀表著落系統(tǒng)的參數(shù)變化，了解惡劣天氣導(dǎo)致的失真程度，并大量收集樣本，再以各類樣本為標(biāo)準(zhǔn)，不斷調(diào)整樣本的某一個(gè)或者幾個(gè)指標(biāo)（比如降雨量、風(fēng)力條件等），制造數(shù)目更多的樣本，將其用于機(jī)器訓(xùn)練[1]。與此同時(shí)，可以采用隨機(jī)森林法以及K近鄰算法，是所有樣本在機(jī)器訓(xùn)練的過程中被不斷歸類。在隨機(jī)森林法以及K近鄰算法下，幾乎變化無窮的樣本數(shù)意味著機(jī)器能夠記憶的樣本類型也是無限大的，多樣化的“K”值和“隨機(jī)森林樹木”則保證了訓(xùn)練的效率。在大數(shù)據(jù)技術(shù)和先進(jìn)降維科學(xué)算法（隨機(jī)森林法以及K近鄰算法）的支持下，ILS儀表著落系統(tǒng)可以在飛機(jī)降落的過程中根據(jù)動(dòng)態(tài)情況快速與已知樣本進(jìn)行對(duì)比，給出科學(xué)的著落方案，容錯(cuò)能力大大增加，著落標(biāo)準(zhǔn)也更為科學(xué)可信。K近鄰算法下的樣本分類模型如圖1所示。

圖1 K近鄰算法下的樣本分類模型

2.3 優(yōu)化的感應(yīng)式引導(dǎo)

感應(yīng)式引導(dǎo)是ILS儀表著落系統(tǒng)的基本特點(diǎn)之一，如上文所說，在此前的工作中，氣象條件、設(shè)備精度等均會(huì)影響ILS儀表著落系統(tǒng)著落標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值，這使感應(yīng)式引導(dǎo)的價(jià)值難以得到保證。對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，著眼點(diǎn)是提升系統(tǒng)性能，強(qiáng)化其針對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤計(jì)算時(shí)的自適應(yīng)能力。在飛機(jī)降落的過程中，作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)軌跡、規(guī)律帶有明顯的規(guī)律性，即速度降低、加速度變小、運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)拋物狀，到停止時(shí)為0。這一過程中，即使偶爾出現(xiàn)速度小幅變化，也不會(huì)影響整體運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]。應(yīng)用跟蹤計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)是大量有效的機(jī)器訓(xùn)練，使ILS儀表著落系統(tǒng)在工作過程中積累大量模型，無論飛機(jī)在降落過程中出現(xiàn)何種變化，ILS儀表著落系統(tǒng)都可以應(yīng)用傳感器收集當(dāng)前信息，與系統(tǒng)模型對(duì)比，精準(zhǔn)給予匹配，即便參數(shù)變化大，也能通過自適應(yīng)調(diào)整匹配到對(duì)應(yīng)樣本，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式引導(dǎo)的優(yōu)化，ILS儀表著落系統(tǒng)的著落標(biāo)準(zhǔn)也更加科學(xué)可信。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 模擬對(duì)象

為求了解優(yōu)化的ILS儀表著落系統(tǒng)是否能夠滿足使用需求，研究人員進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)模擬的方式進(jìn)行，選取我國山西省咸陽國際機(jī)場作為參照，代入機(jī)場工作的各類參數(shù)，并模擬大雪、暴風(fēng)雨、冰雹、太陽黑子等氣象災(zāi)害作為變量，對(duì)比ILS儀表著落系統(tǒng)以及DME測(cè)距機(jī)給出的著落標(biāo)準(zhǔn)，判斷ILS儀表著落系統(tǒng)優(yōu)化后是否可以指導(dǎo)著落作業(yè)。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)分為兩組，即ILS組和DME組，兩組分別應(yīng)用各類變量進(jìn)行150次實(shí)驗(yàn)，綜合150次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)比系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間、著落標(biāo)準(zhǔn)偏差（基準(zhǔn)值為理想狀態(tài)下的虛擬值），應(yīng)用t值進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所獲結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，ILS儀表著落系統(tǒng)在飛機(jī)著落過程中可以較快的給出著落標(biāo)準(zhǔn)，與DME測(cè)距機(jī)相差只有0.02s，幾乎可以忽略不計(jì)；與此同時(shí)，150次實(shí)驗(yàn)中，著落偏差也僅為0.36（±0.02），滿足著落標(biāo)準(zhǔn)要求，這意味著ILS儀表著落系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化后可以用于飛機(jī)著陸指導(dǎo)。

4 結(jié)束語

通過探討機(jī)場DME失效情況下ILS著陸標(biāo)準(zhǔn)的可用性，了解了相關(guān)理論。通常情況下，DME測(cè)距作為標(biāo)準(zhǔn)的著落指導(dǎo)，如果DME失效，ILS也具備導(dǎo)航價(jià)值，這種價(jià)值的基礎(chǔ)是其工作特征，通過強(qiáng)化容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及感應(yīng)式引導(dǎo)，可以指導(dǎo)飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)著落，模擬實(shí)驗(yàn)證明了相關(guān)理論的可行性。后續(xù)工作中，各地可以適當(dāng)優(yōu)化ILS系統(tǒng)，強(qiáng)化機(jī)場的工作能力。

[1] 倪幫春.開關(guān)穩(wěn)壓電源在儀表著陸系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].通訊世界，2018（01）：195-196.

[2] 于耕，于泠潔.基于無跡卡爾曼濾波的儀表著陸系統(tǒng)/GBAS著陸系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合導(dǎo)航融合方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（36）：236-241.