测距机DME研究报告.doc

DME研究报告DME报告 测距机（DME）是一种非自主式的时间式（脉冲式）近程测距导航系统。从1959年起，测距机已成为国际民航组织（ICAO)批准的标准测距系统。在比较详备地学习了DME系统知识以后，我们小组进行了对DME的部分总结和案例分析。1、 DME系统1、 DME系统的组成 DME系统是询问回答式脉冲测距系统，由机载设备和地面信标设备组成。 地面信标设备由应答机、监视器、控制单元、机内测试设备、天线和电键器组成。 机载DME设备主要有询问器、天线、控制盒和距离指示器组成。 距离指示器指示飞机到地面信标台之间的斜距（NM）。在某些指示器上，还显示有地速和到台时间（如下图1所示)；这两个参数只有飞机沿径向线飞行时才是准确的。 图1：距离指示器2、机载DME的调谐和显示 一般DME与VOR/ILS安装在一起，工作频率配套使用，即在“VHF NAV”控制盒上调好VOR/DME频率，相应DME的频率也就自动调定。3、DME的发射机 DME发射机100W放大器采用逐级放大，末级调制的工作方式，作用是产生具有一定功率的高斯包络射频应答信号 ，但不是标准的高斯型。其结构采用“主振放大”式。DME 发射机的主振频率来自接收机的射频源，它经过射频放大输出约+10dBm的发射载波至100W射频放大器组件，射频源由石英晶体振荡器和多级倍频链构成，其输出一方面作为发射机的射频载波，另一方面为接收机的第一混频器提供连续的本振信号。主控振荡器产生射频的12分频信号，然后通过一个4级倍频链，得到射频频率。这样做的好处是：有效降低振荡器的成本，提高频率准确度。一般在主振放大式发射机中，中间射频功率放大器与输出射频功率放大器均由多级放大器组成，常采用功率合成方法得到所需要的信号电平。具有高斯形状的应答脉冲加入中间射频功率放大器中的某一级功放，用于对射频的调制，得到的高斯包络射频应答脉冲再经过多级放大达到所要求的功率，通过环流器后馈至天线。调制波形产生器控制着发射机放大器的调制特性，它接收视频处理器送来的应答触发脉冲和 5.5296 MHz的时钟，有应答触发脉冲启动相关的波形产生器，完成准高斯调制脉冲和矩形调制脉冲的产生；同时调制波形产生器还包括两个稳压电源电路，向100W射频功放组件中的RF放大链提供工作电压。 调制波形产生器的电源部分包括两个串联反馈式稳压电源，用于将100W信标电源给出的+18V和HT1（典型值为 42 V）电压变换为输出（+14V和+0.8V）是固定的，而稳压器B输出的+36V电压经分压网络后输出三路可调的直流 Vc1、Vc2 和 Vc3，这三路直流以及矩形调制脉冲的幅值必须根据信标台工作 的频率统调在所给的值。 调制波形产生器完成准高斯调制脉冲和矩形调制脉冲的产生，同时向放大链提供工作偏置电压。射频放大链由8W射频放大器、45W射频放大器和功率调制放大器 ，三个独立的射频放 大器组成。射频源输出的频率为962-1213MHz的+10dBm射频信号馈入8WRF放大器，该放大器共有3级，矩形调制脉冲是在第二级完成对RF载波调制的，8W RF放大器输出峰值功率约为4W的矩形应答射频脉冲45W RF放大器是工作在C类的单管放大器，加于该管集电极的偏置由调制波形产生器上的开关SD选择：对于1KW的机型，SD选择稳压器输出的15-30V范围内的直流Vc1，45W放大器输出峰值功率约为20W的矩形应答射频脉冲；45W放大器是一个高电平调制级，它输出峰值功率约100W的准高斯射频脉冲。功率调制放大器也是一个工作在C类的单管放大器，只不过其放大管采用平衡晶体管。2、 DME原理总结1. DME的工作特性与工作频道1） DME是近程脉冲测距系统，视距传播，垂直极化方式。2） 分布在航路与终端3） 工作频段962MHZ-1213MHZ，且|f询问- f应答|=63MHz2. 脉冲编码方式 询问脉冲对和应答脉冲对通过对各自的射频调制之后由无方向性天线辐射，为了压缩信号频谱，减少邻道干扰，发射的射频脉冲包络为高斯型而非矩形脉冲。 3. 机载询问机的询问图2描述了机载询问机的4个工作状态。4、 地面应答机的应答地面应答机可以辐射3种信号：识别脉冲对，转发脉冲对，填充脉冲对（优先级依次递减).1）识别脉冲对：与其他无线电导航信标一样，布置在航路上和终端区的每一个DME台都要辐射自己的台站识别信号。驾驶员通过选择监听来确定所接收的DME信号来自哪一个地面台。2）应答脉冲对：一旦出现过响应，应答器的服务范围将减小，这也是为了使DME地面台保持在最佳工作状态，保护其发射机。3）填充脉冲对：为了保证最低应答率，信标自身产生并辐射一种脉冲，补偿以最低应答率发射的脉冲与转发的脉冲之间的差额，通常最小应答率为1000hz。4、DME的测距误差分析对于距离的测量是机载接收机发出询问脉冲，测距器地面台接收到询问脉冲后，经过一个固定延时，发出含有编码信息的应答脉冲，机载接收机接到应答脉冲后，通过发送与接收脉冲的时间间隔计算出相对于地面台站的直线距离信息。当飞机按照导航信息进港并准备着陆时，飞行高度会逐渐降低，机场周围的山体、房屋、停放的大型飞机等物体可能会引发多路径干扰，影响测距器发出的脉冲波形，脉冲波形的畸变会导致机载接收机测得的间隔时间出现偏差。经过实际运行的经验，多路径干扰是影响DME测距精度的最主要原因。另外，也有一些其他因素也会引发测距误差。（1）多径干扰 在机场周围，不可避免的存在一些房屋、金属设备、停放飞机等各类物体，当信号照射到这些物体的表面时，都可能产生反射。反射的信号的大小、相位或者持久度的变化是很复杂的。这些干扰信号都会不同程度的对测距器地面台天线和机载接收机天线造成影响。不同类型的干扰信号会和正确信号混合一起进入接收机，改变信号的脉冲波形。处理器是通过检测脉冲波形得到时间间隔的，这种畸变后的波形就会使测量到的时间间隔不够准确，严重影响飞行安全。各类金属或水泥物体所反射的多路径干扰信号，传播的路程通常比设备发射的正确信号所经历的路程长。因此，对正确信号脉冲波形前沿的起始上升部分的影响是非常小的。根据这种情况，我们可以将检测时门限的电平设置的低一些，就可以大幅减小干扰信号做造成的误差。需要注意的是，在脉冲前沿的开始部分，设备内部的噪声对信号的干扰也比较大，要从噪声中检测出正确信号的难度比较的。针对种种原因，建议将信号脉冲波形的前沿的上升幅度增快，也就是加大前沿的上升角度，同时，再将门限电平设置的低一些。通过这些方法就可以有效的缩小多路径干扰对测距精度造成的影响。（2）应答器收到的询问信号幅度强弱不等所产生的误差 当测距器开机，应答器开始运行时，需要在同一时刻接收空中距离相差不等，甚至很远的各类飞机发送的询问脉冲信号，距离不同，应答器收到的询问信号的强弱不同，一般可相差大约80dB。如果在这种情况下，使用相同的检测门限电平值来进行测量，那么较强信号将比弱信号早一定的时间到达这个相同的检测门限电平值，这个时间的差异也会测距误差。如果接收信号的动态范围比较大，我们就可以对电路做一些改良，例如，使用瞬时自动增益控制（IAGC）电路。但是，在瞬时自动增益控制情况下，往往要采用具有一定数值的时间常数电路来完成控制作用，这样就会严重改变接收脉冲波形的前沿形状，从而造成测距误差。以上造成测距误差的各类因素，对于飞机上的询问器是不存在的，因为对于任一飞机询问器，在同一瞬间只需接收一个地面台的回答信号，这样，利用自动增益控制电路（AGC），就可以保持输出信号电平基本不变。（3）脉冲幅度、判决门限电平不稳定产生的误差测距误差不仅取决于脉冲前沿的上升时间，还与其所测量距离有关。这是由于辐射功率的大小、接收机增益的大小直接影响到判决门限电平与脉冲上升沿的相交时间，由于它们的变化，就可直接影响到测距精度的大小。对精密测距器，测距精度用航迹跟踪误差（PFE）参数来测量，以保证达到必需的测距精度。（4）其他一些影响测距精度的因素根据日常设备的使用经验，为了确保设备工作稳定可靠，较小飞机的测距误差，确保飞行安全。技术人员需要定期对测距器的主要工作参数进行定量测量。包括：射频功率、应答机的发射功率、脉冲间隔、发射速率、应答延时、频率稳定性、脉冲频谱特性、接收机灵敏度、邻波道抑制、识别码等3、 DME的功能描述1、正常调谐输入 导航控制面板是调谐输入的正常来源。飞行管理计算机（FMC）向导航控制面板发送多达四个频道的自动调谐信号。导航控制面板增加一路人工频道，并将这五路调谐频道发送到DME询问器。 2、 备用调谐输入 如果导航控制面板有故障，FMC直接向DME发送自动信号。 3、 离散输入 当导航控制面板故障时，它接地发出一个频率源选择离散信号到DME中央处理器（CPU）。CPU将输入从导航控制面板改变到FMC。接近电门电子组件（PSEU）提供一个空/地离散信号以防止飞机在空中时执行DME检测。该离散信号也提供飞行阶段数据。4、 工作 CPU使用调谐输入来调谐频率合成器。CPU向发射机提供一个信号来发射询问脉冲。发射脉冲经过一个循环器然后到达天线。发射机向抑制电路发送一个信号。在发射过程中，DME1询问器内的抑制电路向 DME2询问器，ATC1和2应答机（XPNDR），以及TCAS计算机发送抑制脉冲。该抑制脉冲阻止其它LRU内的接收机工作以防止内部电路损坏。在接收机上有一个CPU接口和一个内存卡插槽。该插槽用于车间使用并能下载故障存储器信息。 5、 接收 循环器向接收机发送它自天线接收来的RF脉冲对。接收机将该脉冲对传送到CPU。CPU计算斜距。它使用发射脉冲对并从地面站得到回复所花费的时间。当其它L波段系统发射时，一个禁止脉冲阻止该接收机工作。6、 询问器输出 CPU计算斜距后，CPU将它发送到两个ARINC429发射机。一个ARINC 429将范围数据发送到DEU用于驾驶舱显示和其它系统。第二个ARINC 429发射机将范围数据发送到飞行操纵计算机。CPU将脉冲对发送到脉冲对解码器。解码器向REU发送DME音频。7、 BITE组件 CPU内的机载检测设备（BITE）监测DME询问器内电路的故障。DME内的故障存储器保存每次飞行的故障数目。车间人员可读取故障存储器内容。 8、 检测 当CPU接收到来自导航控制面板的检测指令时，它执行询问器检测。也可以按压询问器前面板的检测电门。检测结果显示在DME询问器前面板的LCD显示屏上。四、DME在领航中的应用1、定位2、 计算地速和飞行时间3、 避开保护空域和飞行等待4、提供航路间隔5、为进近着陆飞行提供服务 6、DME系统用于区域导航此外，还可利用VOR/DME台检查修正航迹，以及使飞机沿DME弧飞行。五、DME案例分析案例一：精密测距机（DME/P)的应用）1）普通测距机使用老样式的高斯脉冲，而精密测距机使用新式的快上升脉冲。2）精密测距机依靠脉冲的峰值幅度来译码，然后确定脉冲前沿上低于峰值幅度6分贝的那一点，故不易受到多路径误差的影响。 其覆盖空域从8英尺一直延伸到2万英尺高度（2.4-6100米），并分两步延伸至22海里（40.8公里）远。 精密测距机为微波着陆系统（MLS)提供精密方位和仰角制导的进场飞机提供高精度距离信息。案例二：西安咸阳国际机场DME设备限用问题的解决1. 飞行程序变更后产生限制区域的原因 西安咸阳国际机场05L跑道的DME设备安装于2011年11月，同期经过了飞行校验并顺利投产。2012年5月咸阳机场二期工程完成后，由单跑道运行程序升级为双跑道运行程序。但在2012年9月初，双跑道运行后的设备定期飞行校验过程中，发现DME的信号在13.5-16.5海里处，信号强度过低，经反复调整设备参数，仍无法达到飞行校验标准要求，05L DME被限制使用。2、对信号盲区产生原因的理论分析 比对双跑道的管制进近程序，该DME设备由单跑道运行时的11海里更该为双跑道运行的17.7海里。THALES FSD-45 DME设备参数的信号覆盖项，当飞机在20000米以上高空时，测距不少于400公里。管制进近程序只6.7海里，是如何影响几百米辐射范围的设备信号覆盖呢？原因：1）05L#下滑DME进近方向有干扰存在；2）飞机姿态，飞机在13.5至16.5海里不是平飞；3）DME天线发射的信号在13.5至16.5海里有盲区；4）地形因素。3、制作解决方案 DME系统工作在L波段的962-1213MHZ,发射的信号属于超短波，频率很高，波长很短，它的地面波衰减得很快，因此主要是由空间波进行传播。空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波，根据视距传播的公式，r0=4.12（h10.5+h20.5)(Km),在同等发射功率的情况下，电磁波的传播距离与发射天线的高度和接收天线的高度有关。当进近程序中，飞机的接收天线高度（1500米左右）基本确定的情况下，如果适当增加发射天线的架设高度就可以增加信号的接收距离。4、 方案验证 导航室工作人员作出升高天线的实验计划，协调东方航空公司使用升降车升高05L#DME天线，同时由校验飞机在限用区域接受信号进行监测，最终试验结果如下：1）升高天线至14.2米，信号可满足要求；2）升高天线至12米时，信号满足要求；3）升高天线至10米时，信号强度较低，不能满足要求。5、方案的实施与意义 技术人员最终将发射天线升高至13.5米，将天线安装固定到位，最后DME参数合格。解决了DME 设备在信号覆盖上的问题，为其他机场解决相关问题提供了经验和参考。六、报告中出现的问题和解决方法 针对报告中的视距传播公式，我们进行了查询和推导。 视距传播是指在发射天线和接收天线能互相“看见”的距离内，电波直接从发射点到接收点的一种传播方式，接收发天线所处的空间位置不同，视距传播可以分为三类：（1） 地面上的视距传播,例如中继通信，电视，广播以及地面上的移动通信等。（2） 地面与空中目标如飞机，通信卫星之间的视距传播。（3） 空间飞行体之间的视距传播，如飞机间，宇宙飞行器之间的电波传播等。 无论是地面上的或是地对空的视距传播，其传播