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)
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]。
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)。
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
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。
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
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
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。
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。