基于無(wú)人機(jī)的ILS飛行校驗(yàn)機(jī)載接收機(jī)設(shè)計(jì)

曹 陽(yáng)，孟 茁

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

在飛機(jī)的整個(gè)飛行過(guò)程當(dāng)中，著陸是非常重要的一個(gè)階段。根據(jù)民航局相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，有超出59%的飛行事故發(fā)生在飛機(jī)著陸環(huán)節(jié)當(dāng)中。飛行員在駕駛飛機(jī)進(jìn)行著陸過(guò)程中，如果依靠目視進(jìn)行著陸，對(duì)天氣條件、環(huán)境因素等要素會(huì)有相當(dāng)高的要求，否則很難保障著陸安全。為了保障飛機(jī)在各種惡劣的氣象環(huán)境下都能夠完成100%安全著陸，需要采用無(wú)線電導(dǎo)航等輔助設(shè)備，為飛機(jī)著陸提供高精度的安全引導(dǎo)方案，同時(shí)實(shí)時(shí)地把航道的偏差度等精準(zhǔn)數(shù)據(jù)提供給飛行員作為參考。儀表著陸系統(tǒng)（ILS）是目前國(guó)內(nèi)最為普遍的飛機(jī)著陸引導(dǎo)系統(tǒng)[1]。

常規(guī)的機(jī)場(chǎng)地面導(dǎo)航設(shè)備需要定期進(jìn)行校驗(yàn)，目前由中國(guó)校飛中心承擔(dān)此項(xiàng)工作，采用灣流飛機(jī)按照校驗(yàn)飛行手冊(cè)規(guī)定的航線及科目進(jìn)行校飛。通過(guò)機(jī)載設(shè)備采集空間信號(hào)傳送至地面，由調(diào)校技術(shù)人員使用專業(yè)調(diào)校設(shè)備對(duì)地面導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行調(diào)校工作，用來(lái)確保儀表著陸系統(tǒng)的高精準(zhǔn)度。

傳統(tǒng)設(shè)備造價(jià)昂貴，靈活性差，很難滿足對(duì)于ILS的周期性校驗(yàn)需要，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)一款基于無(wú)人機(jī)的航向、下滑校驗(yàn)機(jī)載設(shè)備，充分利用無(wú)人機(jī)校飛靈活、校飛過(guò)程中可以懸停等優(yōu)勢(shì)，替代灣流飛機(jī)及相關(guān)機(jī)載校驗(yàn)設(shè)備，模擬調(diào)校驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)ILS的航向、下滑線各項(xiàng)校飛項(xiàng)目的精準(zhǔn)校驗(yàn)[2]。

2 機(jī)載接收機(jī)設(shè)計(jì)

機(jī)載接收機(jī)按照功能可以分為L(zhǎng)OC/VOR通道、下滑通道、信標(biāo)通道、模擬分機(jī)、控制分機(jī)、電源/機(jī)架分機(jī)幾個(gè)部分[3]，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1機(jī)載接收機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖

在圖1所示的各部分模塊當(dāng)中，控制分機(jī)單元負(fù)責(zé)對(duì)接收機(jī)的加電控制，也負(fù)責(zé)對(duì)工作模式的控制；電源/機(jī)架分機(jī)單元負(fù)責(zé)為接收機(jī)各個(gè)分機(jī)進(jìn)行信號(hào)交換及通路供電。機(jī)載接收機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)的工作模式，接收并處理地面電臺(tái)發(fā)送的信號(hào)。設(shè)備在接收處理下滑臺(tái)或航向臺(tái)的信號(hào)時(shí)，通過(guò)對(duì)接收到的90Hz頻率的信號(hào)與150Hz頻率的信號(hào)的調(diào)制度差進(jìn)行計(jì)算[4]，同時(shí)在航向通道當(dāng)中還要解出1020Hz臺(tái)址識(shí)別音頻信號(hào)。

3 儀表著陸系統(tǒng)信號(hào)處理

3.1 ILS信號(hào)處理流程

儀表著陸的信號(hào)處理流程大致如下：

首先航向以及下滑的中頻信號(hào)要經(jīng)過(guò)A/D采樣，將直流信號(hào)的波形通過(guò)高通濾波器進(jìn)行濾除，然后AM調(diào)制解調(diào)器將處理后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)之后，再次使用帶通濾波器將不同頻率的信號(hào)分離出來(lái)，并計(jì)算其強(qiáng)度，最終得出調(diào)制度差，算出莫爾斯碼。

這個(gè)信號(hào)處理過(guò)程使用的帶通濾波器是有要求的，要求配有鑒頻器，使得輸出信號(hào)的頻率誤差在可接受的范圍之內(nèi)。如果符合要求，系統(tǒng)會(huì)將信號(hào)處理結(jié)果以及CIC濾波器的中頻信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)產(chǎn)生告警和自檢信號(hào)，并根據(jù)告警情況，將最終信號(hào)處理結(jié)果輸入到雙口RAM所對(duì)應(yīng)的單元中去。信號(hào)處理流程如圖2所示。

圖2信號(hào)處理流程圖

3.2 調(diào)制度差計(jì)算方案

在儀表著陸系統(tǒng)當(dāng)中，90Hz頻率的信號(hào)和150Hz頻率的信號(hào)的調(diào)制度，在航向通道上的值為40%，而在下滑通道上的值為80%[5]，由此根據(jù)AM信號(hào)產(chǎn)生公式如下：

AM信號(hào)解調(diào)后的公式則為：

從上述公式可得出如下結(jié)論：在調(diào)制信號(hào)當(dāng)中，交流部分的幅值跟調(diào)制度成正比關(guān)系，依據(jù)ILS當(dāng)中的信號(hào)特征，在此利用調(diào)制度和為固定值的這一特性，就能夠在不需要知道載波信號(hào)強(qiáng)度的條件下，根據(jù)90Hz頻率的信號(hào)以及150Hz頻率的信號(hào)的比例情況，從中計(jì)算出調(diào)制度差。調(diào)制度差的計(jì)算公式為：

式中A代表了90Hz頻率的信號(hào)的幅度，B代表了150Hz頻率的信號(hào)的幅度，這兩種信號(hào)調(diào)制度差計(jì)算結(jié)果為DDM。把上面公式中的40%數(shù)值替換成80%的數(shù)值，就可以進(jìn)行下滑通道的測(cè)試。

4 濾波器設(shè)計(jì)

4.1 IIR濾波器

信號(hào)在經(jīng)過(guò)A/D采樣之后，分別會(huì)將90Hz頻率的信號(hào)和150Hz頻率的信號(hào)濾出。在計(jì)算調(diào)制度差時(shí)，會(huì)用到90Hz頻率的信號(hào)和150Hz頻率的信號(hào)濾出的結(jié)果，對(duì)于IIR的數(shù)字濾波器，設(shè)計(jì)可通過(guò)如下五個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)[6]：

1)把數(shù)字濾波的技術(shù)指標(biāo)通過(guò)相應(yīng)規(guī)則，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)；

2)將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，使用濾波器階數(shù)選擇函數(shù)，計(jì)算得出最小階數(shù)N以及固有頻率Wn；

3)根據(jù)最小階數(shù)N產(chǎn)生的結(jié)果，作為模擬濾波器的原型；

4)模擬低通濾波器原型，根據(jù)固有頻率Wn將其轉(zhuǎn)換成模擬的高通、低通以及帶通、帶阻濾波器；

5)根據(jù)雙線性變換法或者沖激響應(yīng)不變法兩種法則，將模擬濾波器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字濾波器。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3。

圖3 IIR濾波器原理框圖

4.2 CIC濾波器

在儀表著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于部分信號(hào)對(duì)濾波器的濾波要求相對(duì)比較寬，設(shè)計(jì)采用積分梳狀濾波器（CIC），負(fù)責(zé)為低通濾波器濾出二次諧波，可在濾波過(guò)程中避免不必要的運(yùn)算，為機(jī)載設(shè)備充分節(jié)省資源。在積分梳狀濾波器當(dāng)中，沖激響應(yīng)形式如下列公式所示：

式中，D代表濾波器階數(shù)。CIC濾波器對(duì)Z的變換可由下式所示：

式中：

CIC濾波器實(shí)現(xiàn)過(guò)程框圖如圖4所示[7]。

圖4 CIX濾波器原理框圖

4.3 高通濾波器

由于A/D轉(zhuǎn)換器在工作過(guò)程中的直流偏置不夠準(zhǔn)確，在濾波濾出的數(shù)字中頻信號(hào)中包含了直流分量，如果不把這些直流分量去除，就會(huì)影響到AM解調(diào)結(jié)果，從而降低最終精度。本系統(tǒng)中，直流分量信號(hào)通過(guò)高通濾波器濾除[8]。高通濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5高通濾波器原理框圖

通過(guò)計(jì)算輸入信號(hào)與CIC濾波器的輸出內(nèi)容的差值，就得出了高通濾波器的濾波后的結(jié)果。CIC濾波器本質(zhì)上是一種滑動(dòng)均衡器，所以CIC濾波器的輸出本質(zhì)上就是信號(hào)中的直流成分大小。輸入信號(hào)減去直流成分，即實(shí)現(xiàn)了高通濾波器的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

該型機(jī)載接收機(jī)在無(wú)人機(jī)測(cè)控方面屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。作為一款基于無(wú)人機(jī)的ILS飛行校驗(yàn)機(jī)載接收機(jī)，其具有高精度的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，掛載也方便快捷，加上設(shè)計(jì)重量輕、占用空間小、工作能耗低等諸多優(yōu)勢(shì)，可為無(wú)人機(jī)校飛提供有力的硬件條件支撐。