基于工程經(jīng)驗(yàn)的民機(jī)儀表著陸系統(tǒng)試飛技術(shù)研究

袁沖

摘要：介紹了儀表著陸系統(tǒng)（ILS）在民機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用及特點(diǎn)，整理了適航規(guī)章對(duì)民機(jī)ILS系統(tǒng)的驗(yàn)證要求，分析了ILS的主要目的。參照已有型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，梳理了民機(jī)ILS試飛的構(gòu)型控制要求、試飛機(jī)場(chǎng)條件以及測(cè)試改裝要求，提出了ILS系統(tǒng)各功能驗(yàn)證的試飛方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用案例分析，并就民機(jī)ILS試飛技術(shù)及試飛安排給出了整體性建議。

關(guān)鍵詞：儀表著陸系統(tǒng)（ILS）、構(gòu)型控制、試飛方法、試飛判據(jù)、試飛數(shù)據(jù)處理方法

Abstract： This paper introduces the application and characteristics of instrument landing system （ILS） in the field of civil aircraft， sorts out the requirements of airworthiness regulations for the verification of ILS system in civil aircraft， and analyzes the main purpose of ILS. Referring to the existing model experience， this paper combs the configuration control requirements， test airport conditions and test modification requirements of civil aircraft ILS flight test. It puts forward the flight test methods and test data processing methods for various function verification of ILS system， analyzes the practical application cases， and gives overall suggestions on civil aircraft ILS flight test technology and flight test arrangement.

Key Words： Instrument landing system （ILS）;Configuration control; Flight test method;Flight test criteria;Test data processing method

民用飛機(jī)進(jìn)近著陸時(shí)對(duì)飛機(jī)員的要求很高，短時(shí)間內(nèi)要完成諸多操作，特別是在機(jī)場(chǎng)區(qū)域處于陰天、霧、云低飛、雨天及夜間等低能見(jiàn)度氣象條件下，飛行員的準(zhǔn)確操作就愈加困難，危險(xiǎn)性也愈大[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約50%的民機(jī)事故發(fā)生在進(jìn)近著陸階段，而且大部分民航機(jī)場(chǎng)的氣象條件不能滿足目視著陸水平能見(jiàn)度大于4.8km、云底高不小于300m的要求，因此民機(jī)必須裝載兩套儀表著陸系統(tǒng)。

60多年前，國(guó)際民航組織（ICAO）將儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，簡(jiǎn)稱ILS）確定為飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)近和著陸設(shè)備，也是國(guó)內(nèi)民航標(biāo)準(zhǔn)著陸系統(tǒng)，始終在民航發(fā)揮著重要作用[2-3]。本文結(jié)合ARJ21-700飛機(jī)、C919飛機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，參照AC25-7A等適航相關(guān)要求，對(duì)民用運(yùn)輸類飛機(jī)ILS試飛技術(shù)進(jìn)行了研究。

1ILS概述

ILS是民機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分。通常，民機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)需配置全靜壓和溫度敏感系統(tǒng)、兩套大氣數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)、兩套姿態(tài)與航向基準(zhǔn)系統(tǒng)、兩套指點(diǎn)信標(biāo)、兩套儀表著陸系統(tǒng)、一套氣象雷達(dá)（RTA-848）、兩套無(wú)線電高度表、一套地形提示和警告系統(tǒng)、一套交通告警和防撞系統(tǒng)、兩套伏爾、兩套測(cè)距器、一套自動(dòng)定向儀、兩套空中交通管制、兩套全球定位系統(tǒng)和一套飛行管理系統(tǒng)[4-6]。

其中指點(diǎn)信標(biāo)、儀表著陸系統(tǒng)和甚高頻全向信標(biāo)可以統(tǒng)稱為甚高頻導(dǎo)航。指點(diǎn)信標(biāo)接收機(jī)接收飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)時(shí)信標(biāo)臺(tái)信號(hào)，為機(jī)組提供視覺(jué)和音響指示。儀表著陸系統(tǒng)接收機(jī)接收航向信標(biāo)和下滑信標(biāo)地面臺(tái)無(wú)線電波束信號(hào)，引導(dǎo)飛機(jī)按預(yù)定著陸軌跡安全降落。甚高頻全向信標(biāo)接收并處理地面臺(tái)來(lái)的方位信號(hào)，與測(cè)距設(shè)備配合，實(shí)現(xiàn)近程導(dǎo)航。

2 ?適航要求

ILS 試飛是民用運(yùn)輸類飛機(jī)獲取型號(hào)合格證前必須開(kāi)展的一項(xiàng)重要飛行試驗(yàn)[7]，依據(jù)CCAR25部要求，需對(duì)不同飛機(jī)構(gòu)型及飛行動(dòng)作下的ILS指引信號(hào)（方位、下滑）的正確性進(jìn)行檢查和驗(yàn)證。

CCAR-25-R4規(guī)定了與儀表著陸系統(tǒng)有關(guān)的適航條款，包括§25.1301（d）（4）、§25.1307（e）、§25.1309（a）、§25.1431（c），除需進(jìn)行專項(xiàng)的審定試飛外，還需在功能和可靠性試飛中進(jìn)行檢查，具體條款要求見(jiàn)表1[8-10]。

結(jié)合ARJ21-700飛機(jī)、C919飛機(jī)的適航試飛經(jīng)驗(yàn)，ILS的試飛目的可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）評(píng)估進(jìn)場(chǎng)階段航向信標(biāo)接收情況;

（2）評(píng)估進(jìn)場(chǎng)過(guò)程航向截獲能力;

（3）評(píng)估進(jìn)場(chǎng)過(guò)程航向跟蹤能力;

（4）評(píng)估進(jìn)場(chǎng)階段下滑信標(biāo)全向性;

（5）評(píng)估進(jìn)場(chǎng)階段下滑信標(biāo)的截獲能力;

（6）評(píng)估進(jìn)場(chǎng)階段下滑信標(biāo)的跟蹤性能;

（7）飛機(jī)飛行過(guò)程中電磁兼容性的驗(yàn)證。

3構(gòu)型及機(jī)場(chǎng)要求

3.1 ?構(gòu)型管控

試飛前需保證飛機(jī)的儀表著陸（ILS）、指點(diǎn)信標(biāo)（MB）、甚高頻全向信標(biāo)（VOR）、自動(dòng)定向儀（ADF）、飛行管理系統(tǒng)（FMS）及地形提示和警告（TAWS）等系統(tǒng)功能正常，并完成各系統(tǒng)的MOC5試驗(yàn)且符合適航要求，與之交聯(lián)的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)、無(wú)線電接口裝置、測(cè)距器、電子飛行儀表等系統(tǒng)需功能正常，滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)要求。

3.2 ?機(jī)場(chǎng)條件

進(jìn)行ILS試飛的機(jī)場(chǎng)需滿足以下基本條件：

（1）機(jī)場(chǎng)的地形信息需包含在TAWS的地形數(shù)據(jù)庫(kù)中，導(dǎo)航信息需包含在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）機(jī)場(chǎng)具備特定的導(dǎo)航設(shè)備，且均經(jīng)過(guò)民航部門(mén)校驗(yàn)，例如指點(diǎn)信標(biāo)、NDB、VOR/DME、LOC和GS地面臺(tái)。

4 ?試飛技術(shù)分析

4.1 ?測(cè)試改裝

進(jìn)行ILS試飛的試飛機(jī)需從系統(tǒng)總線抽引數(shù)據(jù)、加裝DGPS，加裝PFD視頻記錄設(shè)備，具體如下。

（1）加裝傳感器：高精度差分GPS。

（2）抽引信號(hào)：飛管系統(tǒng)從IOC設(shè)備上抽引總線信號(hào)，ADF抽引左右甚高頻導(dǎo)航輸出的總線各一條，左無(wú)線電高度表總線一條，左大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)總線一條，地形提示和告警總線一條等。

測(cè)試參數(shù)主要包括氣壓高度、無(wú)線電高度、垂直速度、偏航距離、垂直偏差、經(jīng)緯度、航向角、俯仰角、橫滾角等。

4.2 ?試飛方法

ILS試飛需進(jìn)行航向信標(biāo)、下滑信標(biāo)、指點(diǎn)信標(biāo)、電磁兼容性等試飛科目。

4.2.1航向信標(biāo)

（1）航向接收性。在距離航向臺(tái)至少25n mile處，飛機(jī)以2000ft高度按相對(duì)方位間隔45°的8個(gè)航向上飛經(jīng)地標(biāo)點(diǎn)，過(guò)點(diǎn)時(shí)壓坡度10°，檢查航向信標(biāo)接收情況。從距離航向臺(tái)至少25n mile處，飛機(jī)沿跑道中心線延長(zhǎng)線正常進(jìn)場(chǎng)，截獲航向信標(biāo)后，向左（右）壓坡度30°轉(zhuǎn)彎，直到航向偏離跑道中心線60°，改坡度為15°繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，直到航向偏離跑道中心線90°，改坡度為10°繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，直到航向偏離跑道中心線180°為止，檢查航向信標(biāo)接收情況。

（2）航向信標(biāo)截獲。在距離航向臺(tái)至少25n mile處，飛機(jī)以相對(duì)于跑道中心延長(zhǎng)線至少50°的航向飛向跑道中心線，從跑道中心延長(zhǎng)線左、右各進(jìn)入一次[11]，檢查航向信標(biāo)接收情況。

（3）航向信標(biāo)跟蹤。沿跑道中心延長(zhǎng)線歸航飛行，在距外指點(diǎn)信標(biāo)臺(tái)5mile以內(nèi)，改變飛行航向，直到航向指示滿偏，然后使飛機(jī)重新飛回航道區(qū)并向航向臺(tái)飛行，直到飛越航向臺(tái)。

4.2.2下滑信標(biāo)

（1）下滑接收性。飛機(jī)以與跑道延長(zhǎng)線成10°、20°、30°的3個(gè)航向上飛經(jīng)跑道延長(zhǎng)線上距最后進(jìn)近點(diǎn)（FAF）點(diǎn)10n mile處的一點(diǎn)，檢查下滑信標(biāo)接收情況。從跑道延長(zhǎng)線左、右各執(zhí)行一次。

（2）下滑信標(biāo)截獲。飛機(jī)沿跑道中心延長(zhǎng)線上距FAF點(diǎn)10n mile處開(kāi)始?xì)w航飛行，高度為FAF點(diǎn)處下滑道高度，直至飛越下滑臺(tái)。

（3）下滑信標(biāo)跟蹤。操縱飛機(jī)跟蹤下滑信標(biāo)，引導(dǎo)飛行至機(jī)場(chǎng)跑道入口處上空（高度<100ft）。

4.2.3指點(diǎn)信標(biāo)

飛機(jī)分別在高/低靈敏度模式下，以150kn地速、1000ft高度（AGL）飛越機(jī)場(chǎng)指點(diǎn)信標(biāo)臺(tái)上空，飛越過(guò)程中檢查指點(diǎn)信標(biāo)接收機(jī)的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)指示以及持續(xù)時(shí)間是否正常。

4.2.4 電磁兼容（EMC）

檢查機(jī)上儀表著陸系統(tǒng)是否干擾其他設(shè)備或被其他設(shè)備干擾。

4.3 ?數(shù)據(jù)處理方法

飛機(jī)偏離基準(zhǔn)下滑道角度以及偏離跑道中心線角度計(jì)算方法如下。

第一步，將地面LOC臺(tái)站以及載機(jī)實(shí)時(shí)位置的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)，計(jì)算公式見(jiàn)（1）。

式（2）中l(wèi)on0、lat0為載機(jī)實(shí)時(shí)經(jīng)度和緯度。X0，Y0，Z0;X，Y，Z 分別為載機(jī)實(shí)時(shí)位置和臺(tái)站位置對(duì)應(yīng)的空間直角坐標(biāo)。XX，YY，ZZ為載機(jī)相對(duì)于地面臺(tái)站的地平坐標(biāo)值。

第三步，通過(guò)式（3）計(jì)算得到載機(jī)偏離跑道中心線基準(zhǔn)角度。

LOC_BEAR = atan（YY/XX）+180-56 ? （3）

式（3）中XX、YY為由式2計(jì)算得到的地平坐標(biāo)值，LOC_BEAR為載機(jī)偏離跑道中心線基準(zhǔn)角度。

使用式（1）至式（2）規(guī)定的方法計(jì)算，得到飛機(jī)相對(duì)于GS地面臺(tái)的地平坐標(biāo)值，并使用（4）計(jì)算載機(jī)到達(dá)GS地面臺(tái)的距離。

RANGE = （4）

使用式（5）計(jì)算得到載機(jī)偏離下滑道的基準(zhǔn)角度。

GS_BEAR =asin（ZZ/（RANGE*1000））

*180/3.1415926-3 ?（5）

4.4 ?試飛判據(jù)

ILS試飛過(guò)程中，沒(méi)有紅色警告旗出現(xiàn)，能保持接收地面臺(tái)的ID，航向偏差、下滑道偏差讀出正確，機(jī)動(dòng)飛行期間航向偏差變化、下滑道偏差變化平滑。

在航向信號(hào)接收全向性試飛中，應(yīng)正確指示航向偏差，且連續(xù)有效，無(wú)航向信標(biāo)告警指示。

在航向截獲試飛中，航向偏差指示在從滿偏到指零的過(guò)程中應(yīng)連續(xù)有效，在信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)告警指示。

在航向跟蹤試飛中，航向偏差指示應(yīng)正確的引導(dǎo)飛機(jī)回航道，無(wú)航向信標(biāo)告警指示。

在下滑信標(biāo)接收全向性中，下滑偏差指示應(yīng)連續(xù)有效，當(dāng)載機(jī)飛行高度高于或低于下滑道時(shí)能將飛機(jī)引導(dǎo)回下滑道，在信號(hào)覆蓋范圍之內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)告警指示。

在下滑信標(biāo)跟蹤試飛中，當(dāng)下滑偏差指示從正滿偏到負(fù)滿偏變化的過(guò)程中，應(yīng)無(wú)任何告警指示出現(xiàn)，下滑偏差指示連續(xù)有效。

在電磁兼容性試飛中，儀表著陸系統(tǒng)與機(jī)上其它設(shè)備/系統(tǒng)之間無(wú)相互干擾現(xiàn)象。

指點(diǎn)信標(biāo)接收機(jī)的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)指示正常，過(guò)臺(tái)指示燈應(yīng)持續(xù)點(diǎn)亮8～12s，指點(diǎn)信標(biāo)接收機(jī)與機(jī)上其他設(shè)備之間無(wú)相互干擾。

試飛員依據(jù)以上判據(jù)，評(píng)定試飛結(jié)果是否可以接受，即ILS試飛結(jié)果是否符合適航條款要求。

5應(yīng)用分析

ILS試飛安全風(fēng)險(xiǎn)較低，一般安排2架次/4h飛行，可在兩架試飛機(jī)上進(jìn)行。某型新研民用飛機(jī)基于上述方法完成了ILS適航審定試飛，試飛過(guò)程和試飛結(jié)果滿足適航規(guī)章要求。

以航向信號(hào)接受性為例，試驗(yàn)機(jī)以高度Hi=600m，分別以磁航向ψM=32°、77°、122°、167°、-148°、-103°、-58°、-13°飛經(jīng)跑道延長(zhǎng)線上某點(diǎn)（距航向臺(tái)約25nm），過(guò)點(diǎn)時(shí)壓坡度-10°。

依據(jù)飛行員評(píng)述，在整個(gè)飛行過(guò)程中，航向偏差指示無(wú)告警旗出現(xiàn)，航向偏差指示正常。飛機(jī)沿跑道中心延長(zhǎng)線正常進(jìn)場(chǎng)，截獲航向信標(biāo)后，向左壓坡度30°轉(zhuǎn)彎，直到航向偏離跑道中心線60°，改坡度為15°繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，直到航向偏離跑道中心線90°，改坡度為10°繼續(xù)轉(zhuǎn)彎，直到航向偏離跑道中心線180°止，檢查航向信標(biāo)接收情況。整個(gè)飛行過(guò)程中，航向偏差指示無(wú)告警旗出現(xiàn)，航向偏差指示正常。飛行期間航向偏差DDM值、試驗(yàn)機(jī)偏離跑道中心線角度與試驗(yàn)機(jī)滾轉(zhuǎn)角變化對(duì)比見(jiàn)圖5，可見(jiàn)整個(gè)飛行過(guò)程中ILS輸出的航向偏差連續(xù)，無(wú)丟失情況。

6結(jié)論

（1）CCAR25適航規(guī)章注重對(duì)ILS系統(tǒng)的功能性、可靠性及電磁兼容性的驗(yàn)證，除表明ILS系統(tǒng)本身的適航性外，申請(qǐng)人需通過(guò)裝載兩套ILS的設(shè)計(jì)方案以及真實(shí)的飛行試驗(yàn)表明條款符合性。

（2）進(jìn)行ILS試飛前，飛機(jī)需滿足構(gòu)型要求，包括完成測(cè)試改裝工作，以記錄完備的飛行數(shù)據(jù)和系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)有效。

（3）ILS試飛對(duì)試飛機(jī)場(chǎng)設(shè)備具有一定要求，無(wú)特殊氣象條件要求。建議申請(qǐng)人梳理需要民用機(jī)場(chǎng)資源設(shè)備的試飛科目，進(jìn)行打包試飛，減少試飛架次。

（4）建議綜合考慮試飛空域限制、轉(zhuǎn)彎半徑和高空風(fēng)速帶來(lái)的影響，合理安排飛行計(jì)劃，后期數(shù)據(jù)處理的計(jì)算方法需與局方達(dá)成一致。

（5）ILS試飛方法危險(xiǎn)性不高，建議在飛機(jī)構(gòu)型滿足條件的情況下，直接進(jìn)行局方試飛，減少試飛工作量。

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