載波通信方式實(shí)現(xiàn)高級場面引導(dǎo)（A-SMGCS）系統(tǒng)對助航燈光隔離變壓器的要求

林建華

（元翔< 福州> 國際航空港有限公司 福建 福州 350000）

0 引言

近年來，我國民航業(yè)飛速發(fā)展，隨著機(jī)場航班流量的增長，機(jī)場規(guī)模逐漸加大，滑行道布局復(fù)雜，在低能見度的運(yùn)行條件下，靠管制員在指揮室監(jiān)視地面航空器的滑行引導(dǎo)方式已不能滿足日益增長的航班量需要，機(jī)場地面雷達(dá)也存在受氣候影響的缺點(diǎn)。高級場面引導(dǎo)（A-SMGCS）系統(tǒng)通過預(yù)埋集成了各類傳感器的監(jiān)控單元提供自動(dòng)航空器路由規(guī)劃、沖突算法等功能，很好地解決了高密度航班地面滑行時(shí)的監(jiān)視和引導(dǎo)，福州機(jī)場二期工程將對兩條跑道設(shè)置A-SMGCS 系統(tǒng)。A-SMGCS 系統(tǒng)的每一監(jiān)控單元通過隔離變壓器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)以電力載波的方式傳輸至集控中心，作為該傳輸通道上的主要器件，其容量、效率、衰減、漏感等均對A-SMGCS 系統(tǒng)信號穩(wěn)定造成影響，因此，隔離變壓器選擇設(shè)計(jì)時(shí)也是關(guān)注的重點(diǎn)。

1 助航燈光功能與回路組成

機(jī)場助航燈光是提供復(fù)雜氣象條件下如降雨、霧天等低能見度以及夜間航空器起飛著陸提供目視引導(dǎo)的重要設(shè)施[1]。根據(jù)《民用機(jī)場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中助航燈光回路構(gòu)成的要求[2]（見圖1），由調(diào)光器、助航燈具、隔離變壓器構(gòu)成的串聯(lián)回路。通過調(diào)光器改變輸出的電流大小，達(dá)到控制助航燈具在相應(yīng)光級下符合要求的光強(qiáng)，滿足不同氣象條件下提供飛行員足夠的目視參考。根據(jù)串聯(lián)回路特性，即等流分壓的回路特性，該回路連接的燈具因功率相同，電流一致，所以其在同一光級下光強(qiáng)一致[3]；而串聯(lián)回路另一特性，即點(diǎn)開路會(huì)導(dǎo)致整個(gè)回路開路，燈泡損壞會(huì)導(dǎo)致整個(gè)回路無法正常開啟，所以每個(gè)助航燈具均配有隔離變壓器，當(dāng)燈泡損壞時(shí)不會(huì)影響回路正常運(yùn)行或造成回路開路故障。

圖1 助航燈光回路構(gòu)成

2 高級場面引導(dǎo)控制系統(tǒng)

2.1 定義

根據(jù)國際民航組織《先進(jìn)的場面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)手冊》[4]，機(jī)場高級場面活動(dòng)引導(dǎo)和控制系統(tǒng)（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，A-SMGCS），是在滿足機(jī)場能見度運(yùn)行等級的所有氣象條件下，航空器和車輛能保持運(yùn)動(dòng)速率安全性而對其提供路由、引導(dǎo)及監(jiān)視進(jìn)行控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。A-SMGCS 的使用將減少飛機(jī)與飛機(jī)、飛機(jī)和車輛以及車輛與車輛在滑行道、跑道和機(jī)坪范圍內(nèi)的運(yùn)行沖突。飛機(jī)、車輛能夠按照程序設(shè)定的最佳路線運(yùn)行，在提高機(jī)場的周轉(zhuǎn)率和運(yùn)行效率方面起到積極、安全的作用[5]。

2.2 功能及等級劃分

主要功能：（a）場面監(jiān)視；（b）控制告警；（c）路徑規(guī)劃；（d）自動(dòng)引導(dǎo)；（e)狀態(tài)感知。（見表1）

表1 ICAO A-SMGCS 系統(tǒng)分級定義

2.2.1 監(jiān)視功能（I 級系統(tǒng)）

監(jiān)視功能是對在機(jī)場飛行區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的航空器和車輛進(jìn)行連續(xù)定位與標(biāo)識，在管制員席位界面上顯示場面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)行態(tài)勢和運(yùn)行環(huán)境，通過使用該功能，即使在低能見度等惡劣天氣條件下也不會(huì)降低機(jī)場運(yùn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 告警功能（Ⅱ級系統(tǒng)）

告警功能是系統(tǒng)通過自動(dòng)產(chǎn)生與機(jī)場活動(dòng)相關(guān)的各類告警信息，如：路由沖突/交叉告警、偏離跑道/滑行道告警、跑道/限制區(qū)侵入告警、場面活動(dòng)目標(biāo)間隔(過小)告警、速度過快/過慢告警等，為管制員提供對場面活動(dòng)進(jìn)行控制的信息，從而確保場面活動(dòng)的安全、順暢和高效運(yùn)行。

2.2.3 滑行路徑規(guī)劃功能（Ⅲ級系統(tǒng)）

依據(jù)空中與地面的運(yùn)行情況為起飛或降落的航空器自動(dòng)提供最優(yōu)的滑行路徑建議，并能自動(dòng)解決滑行過程中的潛在沖突。

2.2.4 燈光引導(dǎo)功能（IV 級系統(tǒng)）

燈光引導(dǎo)功能是指系統(tǒng)根據(jù)航空器滑行路線、場面運(yùn)動(dòng)航跡、跑道視程等數(shù)據(jù)，自動(dòng)產(chǎn)生滑行路徑上助航燈光的點(diǎn)亮、熄滅、燈光強(qiáng)度等控制數(shù)據(jù)，發(fā)送給助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)助航燈的燈光段控制，形成與航空器同步運(yùn)行的“引導(dǎo)燈光段”，自動(dòng)引導(dǎo)航空器沿規(guī)劃的路由滑行、停止和穿越交叉口。

2.2.5 狀態(tài)感知（Ⅴ級系統(tǒng)）

機(jī)載設(shè)備具備可視化導(dǎo)航功能后，管制員、飛行員、車輛駕駛員具備相同態(tài)勢感知能力，從而實(shí)現(xiàn)A-SMGCS V級的功能。

3 單燈控制

A-SMGCS IV 級條件下要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引導(dǎo)功能，即航空器在脫離跑道后向指定機(jī)位滑行過程或從機(jī)位推出向指定跑道等待起飛位置滑行過程中，根據(jù)路由規(guī)劃設(shè)定的燈光回路劃分規(guī)則，通過指定的單個(gè)或多個(gè)滑行的中線燈、停止排燈開啟和關(guān)閉，引導(dǎo)航空器按照指定路徑滑行，從而實(shí)現(xiàn)指定路由上的助航燈光開啟，非指定路由上的助航燈光熄滅，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)功能[6]。

3.1 控制要求

A-SMGCS 按照50 km/h 的飛機(jī)滑行速度，且滑行道中線燈間距為30 m 條件下，評估控制每一盞燈開關(guān)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不超過2 s，才能滿足系統(tǒng)的控制要求。

3.2 控制實(shí)現(xiàn)

目前全世界第一個(gè)也是唯一一個(gè)全場、全天候、全架次使用A-SMGCS Ⅳ級條件下引導(dǎo)航空器的機(jī)場是北京大興國際機(jī)場。其單燈監(jiān)控方案采用的是電力載波技術(shù)，使用燈光一次供電回路作為通信線路（見圖2），其原理是在現(xiàn)有燈光回路的隔離變壓器二次輸出側(cè)加裝單燈信號，將以燈光回路電纜和隔離變壓器一次側(cè)為介質(zhì)，在通信介質(zhì)構(gòu)建的信號閉合回路中流動(dòng)。通過隔離變壓器的耦合將燈的狀態(tài)信息經(jīng)由燈光一次電纜進(jìn)行載波通信；單燈監(jiān)控系統(tǒng)給每個(gè)單燈單元設(shè)定地址，以此作為回路中唯一識別的標(biāo)志，每個(gè)燈具都與單燈監(jiān)控單元對應(yīng)，通過電力載波通信技術(shù)對可尋址的單燈監(jiān)控單元發(fā)送命令和接收狀態(tài)信息，控制燈具開啟和關(guān)閉，同時(shí)反饋燈具狀態(tài)。

圖2 通信線路

4 隔離變壓器的重要性

單燈監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求是必須建立一個(gè)安全、穩(wěn)定和準(zhǔn)確的電力載波通信鏈路。實(shí)際使用的助航燈光回路中，連接燈光站的主機(jī)和放置在燈具回路的單燈之間的通訊媒介是回路本身。由于單燈裝置安裝在隔離變壓器和燈具之間的二次側(cè)載波通信包括主機(jī)對單燈或單燈對主機(jī)的通信，無論何種通信均需要解決隔離變壓器對通信產(chǎn)生的影響。標(biāo)準(zhǔn)隔離變壓器基于工頻設(shè)計(jì)，在電氣隔離將能量傳遞至燈具，避免某個(gè)燈具故障而影響整個(gè)回路的正常運(yùn)行，而不是設(shè)計(jì)用來通訊。對于電力線載波通信的單燈監(jiān)控器，漏感對其信號頻率（一般為2 kHz～200 kHz）的作用就非常顯著，漏感的感抗隨信號頻率的提高而遞增，令載波信號產(chǎn)生不同程度的衰減。本次抽測了國內(nèi)普遍使用的隔變樣品，其衰減在100 kHz 下達(dá)到了18 dB 左右。另外，隔離變壓器還會(huì)影響到整體回路濾波器的選擇、通訊頻段、主機(jī)和單燈的通信功率等。

圖3 隔離變壓器衰減率曲線

4.1 信號調(diào)制方案

目前的電力線載波方案分為寬帶方案和窄帶方案。根據(jù)上圖隔離變壓器衰減率曲線，隔離變壓器可用帶寬一般不會(huì)超過100 kHz，所以寬帶載波方案實(shí)現(xiàn)難度較大。以下是不同的調(diào)制技術(shù)簡介[7]：

調(diào)幅（ASK）振幅調(diào)變，簡稱為調(diào)振幅，通過改變輸出信號的振幅，來實(shí)現(xiàn)傳送信息的目的；

調(diào)相（PSK）是載波的相位對其參考相位的偏離值隨調(diào)制信號的瞬時(shí)值成比例變化的調(diào)制方式相；

調(diào)頻（FSK）是對無線電進(jìn)行信息加載，得到調(diào)制波。它是一種以載波的瞬時(shí)頻率變化來表示信息的調(diào)制方式，通過利用載波的不同頻率來表達(dá)不同的信息。

窄帶方案中，普遍采用的是頻移鍵控（FSK）和正交頻分復(fù)用（OFDM）。

對于在助航燈光串聯(lián)回路中進(jìn)行電力線載波通信技術(shù)而言，構(gòu)建通信道只能滿足基本的通信要求，而不能解決回路中的衰減、噪聲或諧波帶來的通信干擾。大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，任何一種基于中高頻為數(shù)字傳輸頻點(diǎn)的載波方式，在理想變壓器上的傳輸幾乎沒有什么衰減而在以屏蔽電纜（燈光電纜）構(gòu)建的回路上，隔離變壓器的漏感、電纜的感性與電纜的分布電容特性會(huì)在回路中構(gòu)建多個(gè)信號濾波器，加劇了局部信號的衰減[8]。為解決此類問題,國際上以FSK 為核心載波技術(shù)的單燈監(jiān)控系統(tǒng)采用一個(gè)以LC諧振為機(jī)理、中心頻段為發(fā)生衰減頻段的濾波設(shè)備安裝在整個(gè)回路的物理中心點(diǎn),以此抬升由于分布電容造成的較低的信號幅度[9]。

4.2 隔離變壓器對信號調(diào)制解調(diào)和濾波的影響

單燈監(jiān)控系統(tǒng)的信號調(diào)制首先作用于隔離變壓器[10]，因此隔離變壓器的漏感對信號的影響不可忽略。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所選擇的信號頻率應(yīng)考慮隔離變壓器漏感的影響，降低頻率以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)隔離變壓器或者選擇漏感更低的隔離變壓器改善信號通路，都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段需要考慮的重要方面。另外，A-SMGCS 對系統(tǒng)期望達(dá)到的響應(yīng)時(shí)間要求與信號的頻率有直接關(guān)系，如果考慮適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)隔離變壓器，要達(dá)到A-SMGCS 要求的響應(yīng)時(shí)間，對回路中監(jiān)控的燈具數(shù)量勢必要減少；采用低漏感隔變可令信號頻率提高達(dá)到更快的響應(yīng)速度。

要實(shí)現(xiàn)可靠的單燈監(jiān)控功能，建立完整的信號通路和消除干擾是非常重要的。濾波器是單燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要組成部分。燈光回路中隔離變壓器的組成就是一個(gè)巨大的無源濾波器網(wǎng)絡(luò)；另外，濾波器另有一個(gè)重要的指標(biāo)，就是階數(shù)。階數(shù)的定義就是無功器件（電感或電容）的數(shù)量，一個(gè)無功器件就是一階。所以一個(gè)基礎(chǔ)燈光回路中，如果有100 個(gè)燈具，就表示有100 個(gè)隔離變壓器，也就是表示這是一個(gè)至少100 階的無源濾波器網(wǎng)絡(luò)。隔離變壓器構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)典型的低通網(wǎng)絡(luò)，濾波器的階數(shù)越高，隔絕高頻的效果越好，這也就是通信不能走高頻或?qū)拵У脑颉Ｈ绻綦x變壓器選擇不當(dāng)，感抗較大，再加上數(shù)量眾多，這會(huì)直接影響到整個(gè)回路的截止頻率，直接把載波信號衰減掉。

4.3 隔離變壓器漏感的影響

變壓器的漏感實(shí)際上可等效為信號在隔離變壓器輸入側(cè)接入了一個(gè)電感（如圖4），在漏感上的這部分能量是不能傳遞到變壓器的輸出側(cè)的，對信號而言，漏感在變壓器輸出側(cè)也有相同的作用。人們所說的信號衰減很大程度上取決于隔離變壓器的漏感。漏感越低越有利于將信號以最小的衰減傳遞到燈光回路中。

圖4 隔離變壓器的等效電路

隔離變壓器漏感測量方案，在隔離變壓器帶載的情況下，在初級加載1 KHz～200 KHz 的信號，通過測量初級電壓、次級電壓，計(jì)算在不同頻率下的衰減率。

信號衰減計(jì)算方式：

當(dāng)信號通過隔離變壓器時(shí)，信號會(huì)有所損失，計(jì)算方式如下：

信號衰減=20log（V 初級/V 次級）

衰減-20 dB 即信號在次級的電壓降低為初級電壓的十分之一。將次級短路，就能得到隔變的漏感。

單個(gè)隔離變壓器的等效電路（如圖5），其中L1 對應(yīng)的就是漏感，L2 對應(yīng)的就是開路電感，當(dāng)然實(shí)際使用中還有直流阻抗Rs 和分部電容C，但由于值較小，在此忽略不計(jì)，R1 為隔變后的等效負(fù)載。

圖5 單個(gè)隔離變壓器的等效圖

通過等效電路進(jìn)行回路的仿真，測試不同漏感與信號強(qiáng)度的關(guān)系得到如圖6所示的波特圖。

圖6 漏感與信號強(qiáng)度的關(guān)系

研究人員發(fā)現(xiàn)隔離變壓器的漏感，不是越大越好，或者越小越好。從理論上來說，根據(jù)等效圖L1 和L2 對應(yīng)的阻抗是Z1 和Z2，而整個(gè)隔離變壓器可以等效于Z2//（Z1+R1），由于L2 是遠(yuǎn)大于L1 的，L1 和L2 是正相關(guān)的，即L1 越大，L2 也越大，所以在相同頻率下，Z2 也是遠(yuǎn)大于Z1 的。當(dāng)Z1 極小的時(shí)候，等效阻抗Z2//（Z1+R1）就會(huì)變小，而電纜阻抗不會(huì)變化，此時(shí)R1 上的信號也會(huì)因?yàn)楦糇冏杩棺冃《鴾p小。當(dāng)Z1 極大的時(shí)候，等效阻抗Z2//（Z1+R1）也會(huì)變大，此時(shí)R1 上的分壓會(huì)因?yàn)閆1 的變大而減小。

5 結(jié)論

在民航標(biāo)準(zhǔn)和FAA 標(biāo)準(zhǔn)中，對隔離變壓器的漏感都沒有具體數(shù)據(jù)要求，實(shí)際上隔離變壓器的漏感會(huì)對整個(gè)回路的通信產(chǎn)生極大的影響。本文針對以電力載波通信方式，配以單燈監(jiān)控單元模式構(gòu)成的助航燈光單燈控制系統(tǒng)，對信號傳輸與助航燈光隔離變壓器之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析。通過仿真結(jié)果可知，采用低漏感隔離變壓器是實(shí)現(xiàn)高級地面引導(dǎo)系統(tǒng)助航燈光引導(dǎo)功能穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵；同時(shí)理論模型給設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)階段的設(shè)備選型提供依據(jù)：隔離變壓器漏感值小于100 u，也為民航行業(yè)完善關(guān)于隔離變壓器的標(biāo)準(zhǔn)提供了參考依據(jù)。