航向信標空間信號場強測量及相關國際標準研究

王力，張?zhí)扈?/p>

（中國民用航空飛行校驗中心，北京 100621）

0　引言

目前國際飛行校驗領域采用兩種方法對航向信標的覆蓋進行評估，一種是以導航接收機輸出的功率或電壓為評估依據(jù)，單位為dBm或μV；另一種是以信號的空間場強為評估依據(jù)，單位為 μV/m或 dBW/m2。世界上多數(shù)飛行校驗組織均以導航接收機輸出的功率或電壓作為評估依據(jù)。那么，如何在飛行校驗中準確測量航向信標空間信號場強，如何對比和研究不同標準之間的差異就成為重要且必須解決的問題。

航向信標是儀表著陸系統(tǒng)重要的組成部分，它能為處于進近過程中的飛行器提供在水平方向的精密引導。對航向信標信號覆蓋的飛行校驗，不同的規(guī)范對其覆蓋的容限要求也有不同的規(guī)定形式。

ICAO 8071文件[1][2]第一卷第4章關于ILS的飛行校驗附表 I-4-7中對于航向信標的電場強度（Field strength）要求為不低于 40 μV/m（-114 dBW/m2）；我國現(xiàn)行的《民用航空陸基導航設備飛行校驗規(guī)范》[3]第2.1節(jié)表1中第11項航向覆蓋內(nèi)容中要求航向信號場強大于或等于40 μV/m（-114 dBW/m2）。與上述規(guī)定形式不同，F(xiàn)AA 8200.1C[4]中第 15.60節(jié)中對航向信標的覆蓋要求為：“Received RF signal strength must equal or exceed 5 μV or - 93 dBm”，即在覆蓋范圍內(nèi)導航接收機接收到的信號強度必須大于或等于5 μV或-93 dBm。

從上述描述中可以看出，ICAO的相關規(guī)范中對航向信標覆蓋的要求是以信號的空間場強作為衡量單位來評價的，我國現(xiàn)行的飛行校驗規(guī)范與ICAO的相關規(guī)范是一致的。FAA的相關規(guī)范中對航向信標覆蓋的要求是以到達導航接收機的信號電平或信號強度來表達的。

由于不同型號飛機機體反射的差異以及航向接收天線之間的差異，相同的空間場強到達導航接收機的信號強度會有所不同。因此，導航接收機的信號強度來評價航向信標的覆蓋將會因飛機型號的不同而得到不同的結(jié)果。如何排除這些影響，建立空間場強與信號強度之間的轉(zhuǎn)換關系，并最終獲得航向信標空間信號場強測量結(jié)果，一直是比較棘手的問題。

本文通過對機載飛行校驗系統(tǒng)航向天線的天線系數(shù)及方向圖進行測量，建立空間場強與信號強度之間的轉(zhuǎn)換關系，并最終獲得航向信標空間信號場強測量結(jié)果。在此基礎上，對向信標覆蓋檢查的ICAO標準與FAA標準之間的差異進行對比、分析和研究，最終提出縮小兩種標準之間差異的方案。

本文第1部分介紹了機載飛行校驗系統(tǒng)航向天線方向圖及天線系數(shù)的測量方法及測量結(jié)果，第 2部分介紹了場強與功率的換算關系，第3部分對航向信標覆蓋檢查的ICAO標準與FAA標準之間的差異進行對比、分析，并提出縮小兩種標準之間差異的方案，第4部分對全文進行了總結(jié)。

1　航向天線方向圖及天線系數(shù)測量

1.1　測量方法

本次使用雙錐天線HK116、標準天線VHA9103 sn2644、安捷倫矢量網(wǎng)絡分析儀ZNB、不含金屬器件的天線升降塔，以山西呂梁大武機場停機坪作為開闊試驗場。本次測量對象為 B-9330飛機機載飛行校驗系統(tǒng)的航向天線，待測對象如圖1所示。

圖1　待測天線系統(tǒng)

1.1.1方向圖測量方法

以球坐標系作為待測天線的坐標系，設坐標系的x-y平面與地面平行，其原點為飛機左右兩側(cè)的待測天線之間的中點，x軸指向機頭方向，順時針方向為方位角φ的正方向；z垂直向上，與z軸的夾角為仰角θ。示意圖如圖2所示。

圖2　方向圖測試示意圖

測量方向圖時，坐標原點為圓心，使用雙錐天線HK116作為發(fā)射天線，沿半徑為22m的圓掃描，每隔10°測量一次傳輸系數(shù)S21。測量時分別以發(fā)射天線與待測天線等高（即90θ=°，對應下滑角為0°），以及發(fā)射天線比待測天線低3°（即93θ=°，對應下滑角為3°）的情況沿逆時針方向進行測量，測量時天線主要以水平極化方式進行測量。

1.1.2天線系數(shù)測量方法

測量天線系數(shù)時，發(fā)射天線HK116位于機頭正前方22m，分別與待測天線等高（424cm，即90θ=°）和不等高（309cm，即93θ=°）；待測天線為接收天線。把網(wǎng)分和電纜校準完畢以后，測量S21。測量完飛機后，把發(fā)射天線移到停機坪另一個位置，然后把標準天線架設在發(fā)射天線前方 22m處，高424cm，模擬待測天線，采集 S21。最后，按照標準天線法，得到待測天線的天線系數(shù)。

1.2　測量結(jié)果

1.2.1方向圖測量結(jié)果

通過測量獲得了在（90θ=°）以及（93θ=°）條件下，航向天線在 ILS（儀表著陸系統(tǒng)）所有頻點的方向圖。圖3及圖4分別為頻率為108.5MHz，當90θ=°以及93θ=°條件下的航向天線方向圖。其余測試結(jié)果由于篇幅限制，不在此一一列舉。

1.2.2天線系數(shù)測量結(jié)果

由于航向天線在 0°、90°、180°及 270°對于航向覆蓋的檢查十分重要，因此將這四個方位上的天線系數(shù)進行了對比。根據(jù)方向圖測量結(jié)果和飛機正前方（0φ=°）天線系數(shù)的測量結(jié)果，可得到任意方位角上的主極化天線系數(shù)。表1中列舉出了90θ=°時四個主要典型方位（前后左右）上的主極化天線系數(shù)。表2中列舉出了93θ=°時四個主要典型方位（前后左右）上的主極化天線系數(shù)。

表1　飛機四個方向上的主極化天線系數(shù)（90θ=°）

圖3　108.5 MHz(90θ=°)對應的航線天線方向圖

圖4　108.5 MHz(93θ=°)對應的航線天線方向圖

表2　飛機四個方向上的主極化天線系數(shù)（93θ=°）

通過對機載飛行校驗系統(tǒng)航向天線方向圖及天線系數(shù)的測量，獲得航向天線在不同頻率上、不同方位以及不同仰角的天線方向性增益和天線系數(shù)，通過天線系數(shù)就可以將飛行校驗系統(tǒng)得到的功率或電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信號的空間場強，從而實現(xiàn)對信號空間場強的測量。

2　場強與功率換算

獲得航向天線方向圖后，飛機可以根據(jù)方向圖的不同增益，相對于參考方位進行補償（本次測量的參考方位為180°方位，因為在此方位航向信號受機身反射和遮擋影響最小)。依據(jù)方向圖，對航向天線不同方位增益補償后，只能確保同一架飛機在不同方向上都會有一致性的增益。但是，如果要保證不同校驗系統(tǒng)航向天線之間測量的一致性，那么就必須考慮天線系數(shù)。因為相同的空間場強，通過不同的天線系數(shù)轉(zhuǎn)換，會得到不同的功率或者電壓值。本部分將以天線系數(shù)為基礎，建立場強與功率或電壓的換算關系。

2.1　dBm與dBμV的換算關系

圖5　電路示意圖

如圖5所示電路，一個負載ZL連接到源阻抗為的電壓源 VS上接收到的功率PL為：

設在負載ZL=50Ω上產(chǎn)生電壓為 VL，單位為μV，則有：

2.2　dBm和μV/m的換算關系

2.2.1天線系數(shù)和方向圖應用說明

借助于天線系數(shù)和方向圖，可以利用校驗飛機在某一測量不確定度范圍內(nèi)測量待測區(qū)域在指定方向上的場強值。具體說明如下。

設2個導航天線安裝于校驗飛機上以后，天線連同飛機整體產(chǎn)生的方向圖用Pa（f,φ,θ） 來表示，單位為dB，即無量綱；f為頻率，單位為Hz。

以飛機正前方的天線系數(shù)Fa（f,φ=0,θ）為基礎，利用天線方向圖Pa（f,φ,θ） 來計算來自校驗飛機成某一方位（）,φθ上的場強E在校驗飛機導航天線上感應的分量E′的公式為式（3）：

式中，F(xiàn)a（f,φ=0,θ）為飛機正前方的天線系數(shù)，單位為 dB/m；Pa（f,φ=0,θ）為飛機正前方的方向圖電平，單位為dB；Pa（f,φ,θ）為在飛機方位(φ,θ)上的方向圖電平，單位為dB；E′（f,φ,θ）為由校驗飛機在方位(,)φθ上測量得到的電場強度，單位為dBμV/m。

令

則有

2.2.2Bm與μV/m的換算關系

根據(jù)式（2）及式（5）可把dBm換算成μV/m，即

或者

圖6　空間場強40μV/m時對應的90°/270°方位的功率（電壓）值分布圖

3　航向覆蓋容限相關國際標準的對比及分析

3.1　容限對比

一般情況下，飛行校驗中航向信標覆蓋檢查一般是以航向信標發(fā)射天線為中心，做距離航向天線17海里，航向道兩側(cè)±35°的圓弧飛行，因此，機載航向天線主要是在相對于飛機機頭90°或270°方位進行測量。

表3　空間場強40μV/m時對應的90°/270°方位的功率（電壓）值

3.1.1空間場強 40μV/m 時對應的 90°/270°方位的功率（電壓）值

結(jié)合第二部分測得的天線系數(shù)，第三部分的公式（7）以及ICAO 8071文件對航向信標覆蓋的容限為空間場強≥40μV/m，可以得到空間場強40μV/m對應的 90°方位及 270°方位的功率值，結(jié)果如表 3所示，其分布圖如圖6所示。

3.1.2導航接收機輸出-93dBm時在90°/270°方位對應的空間場強值

結(jié)合第二部分測得的天線系數(shù)，第三部分的式（6）以及FAA飛行校驗手冊對航向信標覆蓋的容限導航接收機輸出≥-93dBm，可以得到信號強度為-93dBm 時對應的 90°方位及 270°方位的空間場強值，結(jié)果如表4所示，其分布圖如圖7所示。

圖7　導航接收機輸出-93dBm時在90°/270°方位對應的空間場強值分布圖

表4　導航接收機輸出-93dBm時在90°/270°方位對應的空間場強值

3.2　結(jié)果分析

3.2.1以空間場強值作為航向信號測量容限標準優(yōu)劣分析

通過表3或圖6可以看到：如果采用空間場強不小于40μV/m的標準作為航向信標信號強度的容限，由于該容限使用空間場強作為衡量標準，因此有利于保持不同類型校驗及不同類型飛行校驗系統(tǒng)對航向信標信號強度測量的一致性和準確性。

但是，要使飛行校驗系統(tǒng)實現(xiàn)對空間場強的準確測量卻不是件容易的事。從理論上嚴格來講，如果以空間場強不小于40μV/m的標準作為航向信標信號強度的容限，則所有的校驗飛機的航向天線都需要進行計量級的天線測量來獲得其天線方向性增益及天線系數(shù)，并且將所有的測量數(shù)據(jù)需要編寫進軟件里，這樣成本高昂，工作量巨大，還需要對不支持空間場強測量的飛行校驗系統(tǒng)軟件進行重新編寫和升級。以 RVA型飛行校驗系統(tǒng)和 Sierra 9205飛行校驗系統(tǒng)為例，由于生產(chǎn)廠家已經(jīng)倒閉，軟件支持中斷且廠家不開放軟件代碼，通過軟件實現(xiàn)校驗系統(tǒng)對空間場強的自動測量幾乎是不可能的。

除此以外，如果要滿足上述ICAO的容限標準，在航向天線系統(tǒng)進行電纜更換或天線更換后就需重新對航向天線進行測量，以一架校驗飛機平均三年更換一付航向天線的周期來算，多架校驗飛機長期累計下來的航向天線測量成本將是巨大的。

綜上所述，采用 ICAO的空間場強不小于40μV/m 的標準作為航向信標信號強度容限的優(yōu)點是：能夠保持不同類型校驗飛機及飛行校驗系統(tǒng)航向信標信號強度校驗一致性和準確性。缺點是：測量難度大，測量成本高，實現(xiàn)對現(xiàn)有飛行校驗系統(tǒng)軟件升級難度巨大。

3.2.2以導航接收機輸出功率（電壓）做為航向信號測量容限標準優(yōu)劣分析

通過表4或圖7可以看到：

如果采用以導航接收機5μV（-93dBm）輸出作為航向信標信號強度的容限，不同頻點上-93dBm所對應的空間場強是不一致的，且數(shù)值明顯要高于ICAO規(guī)定的空間場強不小于40μV/m的容限設置。因此，采用FAA標準要比ICAO的標準嚴格的多。

由于受航向天線方向性增益以及天線系數(shù)的影響，不同類型校驗飛機或飛行校驗系統(tǒng)上導航接收機的5μV（-93dBm）輸出對應不同的空間信號場強，也就是說采用FAA相關標準是無法從理論上保證實際空間信號測量的一致性和準確性的。

但是采用FAA以導航接收機5μV（-93dBm）輸出作為航向信標信號強度的容限也有其優(yōu)點：

首先，測量易于實現(xiàn)。由于僅需對導航接收機輸出進行測量即可，因此對飛行校驗系統(tǒng)來說獲得航向信標信號強度數(shù)據(jù)是很容易實現(xiàn)的（目前我中心全部校驗飛機都能夠直接提供導航接收機信號強度輸出）。

其次，信號強度偏差易于補償。當導航接收機輸出信號與標準信號發(fā)生器校準信號產(chǎn)生較大偏差時，可以通過校準進行補償。

綜上所述，采用 FAA以導航接收機 5μV（-93dBm）輸出作為航向信標信號強度容限的優(yōu)點是：測量易于實現(xiàn)、信號強度偏差易于補償。缺點是：無法從理論上保證實際空間信號測量的一致性和準確性。

3.3　減小兩種標準之間差異的方案

由3.2.1及3.2.2可知，無論是采用ICAO的容限標準還是采用FAA的容限標準，都有其優(yōu)缺點。由于目前Sierra 9205型和RVA型飛行校驗系統(tǒng)都采用 FAA的容限標準，即以導航接收機 5μV（-93dBm）輸出作為航向信標信號強度的容限，而且，由于廠家不能提供軟件升級服務，所以，想實現(xiàn)對空間場強的測量以滿足ICAO標準的要求幾乎是不可能的。那么，有沒有辦法能在現(xiàn)有條件下，在允許的程度上，同時滿足兩種標準的要求呢?

通過圖5，可以看到，不同頻點上40μV/m對應的功率（電壓）值，幾乎都分布在相對于均值（-98dBm）±2.5dB的范圍內(nèi)，可以滿足ICAO 8071上規(guī)定航向信號強度的測量允許有±3dB的測量不確定度的要求。因此，如果在校準時在標準信號發(fā)生器輸出端增加5dB的衰減，那么-93dBm的接收機輸出實際上就相當于空間場強40μV/m對應的功率（電壓）均值（-98dBm）。這樣在就可以在采用FAA容限標準條件下，在ICAO測量不確定度允許的范圍內(nèi)，良好的建立了FAA容限標準與ICAO容限標準之間的對應關系。

對于相同機型（獎狀560）、相同飛行校驗系統(tǒng)(RVA)、相同航向天線的校驗飛機來說，彼此之間有相同的機身形狀及類似的電磁反射和遮蔽特性，有相同的內(nèi)部電氣特性，有較為一致的方向性增益和天線系數(shù)的天線特性，所以，可以直接使用相同的校準衰減補償進行一致性的補償。這樣就可以大大降低航向天線測量的成本，提高對空間實際信號測量的準確性，保證ICAO標準和FAA標準的容限要求的一致性。

4　結(jié)論

本文通過對機載飛行校驗系統(tǒng)航向天線方向圖和天線系數(shù)的測量，以及對空間場強與信號強度之間的轉(zhuǎn)換關系進行理論推導，建立了航向信號空間場強和接收機信號強度的關系，并最終獲得航向信標空間信號場強測量結(jié)果。在此基礎上，本文對向信標覆蓋檢查的ICAO標準與FAA標準之間的差異進行研究，最終提出縮小兩種標準之間差異的方案。