仪表着陆系统课件

,本章学习要点理解仪表着陆系统的基本工作原理；理解航向信标系统的工作原理理解下滑信标系统的工作原理理解指点信标系的工作原理课时分配4学时,第十二章仪表着陆系统,本章主要内容第一节仪表着陆系统的基本工作原理；第二节航向信标系统；第三节下滑信标系统;第四节指点信标系统；,一、功用,仪表着陆系统(ILS)提供的引导信号，由驾驶舱指示仪表显示。驾驶员根据仪表的指示操纵飞机或使用自动驾驶仪“跟踪”仪表的指示，使飞机沿着跑道中心线的垂直面和规定的下滑角，从450m的高空引导到跑道入口的水平面以上的一定高度上，然后再由驾驶员看着跑道操纵飞机目视着陆。因此，ILS系统只能引导飞机到达看见跑道的最低允许高度(叫决断高度)上，它是一种不能独立地引导飞机至接地点的仪表低高度进场系统。,第一节仪表着陆系统的基本工作原理,一、着陆标准等级,国际民航组织根据在不同气象条件下的着陆能力，规定了三类着陆标准，使用跑道视距(RVR)和决断高度(DH)两个量来表示。其规定如下表所示。,决断高度(DH):是指驾驶员对飞机着陆或复飞作出判断的最低高度。在决断高度上，驾驶员必须看见跑道才能着陆，否则应放弃着陆，进行复飞。决断高度在中指点信标(I类着陆)或内指点信标(II类着陆)上空，由低高度无线电高度表测量。跑道视距(RVR):又叫跑道能见度。它是指在跑道表面的水平方向上能在天空背景上看见物体的最大距离(白天)。跑道视距使用大气透射计来测量。,ILS系统设施的性能类别能达到的运用目标如下：I类设施的运用性能：在跑道视距不小于800m的条件下，以高的进场成功概率，能将飞机引导至60m的决断高度。II类设施的运用性能：在跑道视距不小于400m的条件下，以高的进场成功概率，能将飞机引导至30m的决断高度。a类设施的运用性能：没有决断高度限制，在跑道视距不小于200m的条件下，着陆的最后阶段凭外界目视参考，引导飞机至跑道表面。因此叫“看着着陆”(seetoland)。b类设施的运用性能：没有决断高度限制和不依赖外界目视参考，一直运用到跑道表面，接着在跑道视距50m的条件下，凭外界目视参考滑行，因此叫“看着滑行”(seetotaxi)。c类设施的运用性能：无决断高度限制，不依靠外界目视参考，能沿着跑道表面着陆和滑行。,三、仪表着陆系统的组成ILS系统包括三个分系统：提供横向引导的航向信标(localizer)、提供垂直引导的下滑信标(glideslope)和提供距离引导的指点信标(markerbeacon)。每一个分系统又由地面发射设备和机载设备所组成。地面台在机场的配置情况如下图所示。内指点信标仅在II类着陆标准的机场安装。,航向信标：航向信标天线产生的辐射场，在通过跑道中心延长线的垂直平面内，形成航向面或叫航向道。如下图所示，用来提供飞机偏离航向道的横向引导信号。下滑信标：下滑信标台天线产生的辐射场形成下滑面(见下图)，下滑面和跑道水平平面的夹角，根据机场的净空条件，可在之间选择。,指点信标：指点信标台为2个或3个，装在顺着着陆方向的跑道中心延长线的规定距离上，分别叫内、中、外指点信标(见下图1)。每个指点信标台发射垂直向上的扇形波束。只有在飞机飞越指点信标台上空的不大范围时，机载接收机才能收到发射信号。由于各指点信标台发射信号的调制频率和识别码不同，机载接收机就分别使驾驶舱仪表板上不同颜色的识别灯亮，同时驾驶员耳机中也可以听到不同音调的频率和识别码。驾驶员就可以判断飞机在那个信标台的上空，即知道飞机离跑道头的距离。图2表示飞机进场的示意图。航向信标和下滑信标发射信号组合的结果，在空间形成一个矩形延长的角锥形进场航道。其中航向道宽度为40，下滑道宽度为1.40(指示器满刻度偏转的角度)。,图1,图2,四、仪表着陆系统的工作频率航向信标：工作频率为108.10111.95MHz。其中航向信标仅用1/10MHz的奇数频率和再加50kHz的频率，共有40个波道。下滑信标：工作频率为329.15335MHz的UHF波段，频率间隔150kHz，共有40个波道。指点信标：工作频率为75MHz(固定)。航向信标和下滑信标工作频率是配对工作的。机上的航向接收机和下滑接收机是统调的，控制盒上只选择和显示航向频率，下滑频率自动配对调谐。航向信标和下滑信标频率配对关系见下表。,一、航向信标发射信号组成：航向信标天线安装在顺着着陆方向跑道远端以外300400m的跑道中心线延长线上。下图（一）为航向信标发射机的示意图。工作原理：下面以等强信号型航向信标为例来说明它的工作原理。VHF振荡器产生108.10111.95MHz频段中的任意一个航向信标频率，分别加到两个调制器。一个载波用90Hz调幅，另一个用150Hz调幅。两个通道的调幅度相同（201%)。调制后的信号通过两个水平极化的天线阵发射，在空间产生两个朝着着陆方向、有一边相重叠的相同形状的定向波束，左波束用90Hz正弦波调幅，右波束用150Hz正弦波调幅。如图(二)所示。两个波束组合的航道宽度约为40，发射功率约100W。,图(一),图(二),第二节航向信标系统,二、调制深度差和偏离指示的关系ILS辐射场是一个由两个音频(90Hz和150Hz)调制的载波。调制途径有两种：发射机调制和空间调制。发射机调制是在发射机内形成的，对航向信标来说，两个频率的调幅度各为20%(10%)。空间调制是由两个天线辐射信号在空间的合成。对等强信号型航向信标来说，空间调制度取决于天线辐射的方向图。调制深度差DDM：在空间的某一点，90Hz和150Hz调制度等于发射机调制和空间调制度的合成。两个信号调制度的差值除以100，定义为调制深度差DDM。机载设备的航道偏离指示器的指针偏移量是DDM的函数，而不是调制度的函数。航向信标天线发射信号的波束形状必须满足调制深度差DDM和位移灵敏度的要求，如下图所示。,航道扇区：DDM等于0.155的射线所包含的角度，称航道扇区(如下图所示)。随着航向信标台与跑道入口之间的距离不同而变。,标准的航道偏离指示器满刻度偏转对应于0.155DDM，即飞机偏离航道中心线2030。并在ILS基准数据点横向偏转灵敏度等于0.00145DDMm。,三、航向信标覆盖范围航向信标发射信号应提供使典型的机载设备在覆盖扇区内满意工作的信号电平。航向信标覆盖区应从天线系统的中心算起到下列规定的立体角范围内，能接收到的场强不低于40vm。在方位10的覆盖区内，引导距离不小于25nmile(46.3km)；方位1035的覆盖区内，引导距离为17nmile(31.5km)；当要求提供方位35以外的覆盖时，则引导距离为10nmile(18.5km)，如下图(a)所示。在垂直面内的覆盖范围，如下图(b)所示。最低应高于跑道入口处的标高600m以上，或在中间和最后进场区内，高于最高点的标高300m以上(以高者为准)；从天线向外延伸并与跑道水平面成夹角的平面内，能够接到满意发射信号。,四、航向信标接收机航向信标的机载设备包括天线、控制盒、接收机和航道偏离指示器。在大多数飞机上，航向信标接收机及航道偏离指示器是与全向信标合用的，只是在接收机检波器之后的导航音频处理电路(幅度比较电路)是分开的。1接收机简化方框图(见下图),组成：机上天线接收的地面台发射信号，送到常规的单变频或双变频外差式接收机。由于LOC和VOR接收机部分是公用的，接收机接收和处理哪种信号，决定于控制盒选择的频率是LOC频率还是VOR频率。当选择LOC频率时，接收机接收LOC台的发射信号。通过高频、中频和检波电路，输出信号包括90Hz和150Hz导航音频，1020Hz的台识别码以及地空通信话音信号(3003000Hz)。这些信号的分离是由滤波器来完成的。,原理：90Hz和150Hz带通滤波器分开90Hz和150Hz信号，然后分别加至各自的整流器。两个整流器的输出加到航道偏离电路进行幅度比较。即两个整流器输出的“差信号”驱动偏离指示器，而两个整流器输出的“和信号”驱动警告旗。当飞机对准航向道时，90Hz和150Hz调制度相等(DDM等于零)，也就是说90Hz和150Hz信号幅度相等，流过偏离指示器的差电流等于零，偏离指示器指中间零位；如果飞机偏左，90Hz信号的调幅度大于150Hz信号的调幅度，整流后的，差电流使指示器的指针向右偏，反之，飞机偏右，差电流使指针向左偏。（如下图所示）。,2航向偏离指示和旗警告电路下图是一个使用LC调谐滤波器和全波整流器的航向偏离电路(51RV2B的实际电路)。原理：经激励器Q202放大90Hz和150Hz组合音频加至调谐滤波器FL20l的初级绕组，次级绕组分别调谐于90Hz和150Hz。两个谐振回路用来分开90Hz和150Hz信号。然后分别加到90Hz和150Hz全波整流器。两个整流器输出电流反向流过航道偏离指示器CDI(差电流)。当飞机准确沿航道进近时，90Hz和150Hz电压幅度相等，流过指示器的电流大小相等，方向相反，指示器指在中心零位；,当飞机偏在航道左边时，90Hz信号幅度大于150Hz信号幅度，整流器输出电流CDI指针右偏；反之，如果飞机偏在航道右边CDI指针左偏。两个整流器输出电流在R259和R258上产生直流电压降作为90Hz和150Hz幅度监视电压，加到旗监控电路，同其他监视信号(如误差)一起共同控制警告旗出现或消隐。,下图是一个使用运算放大器进行幅度比较的电路。导航检波器输出，首先经过低通滤波器，去掉话音通信音频和识别码音频，再经过90Hz和150Hz带通滤波器分开90Hz和150Hz信号，然后分别加到两个具有相反输出极性的整流器D1和D2。整流器输出经过和滤波后，获得直流电压和，加至求和运算放大器Ul，其输出的偏离电压为(相-)：若选择R1=R2=R时，则可见当飞机在航道上时，90Hz和150Hz信号幅度相等，整流后的等于，求和放大器的输出等于零，航道偏离指示器指中心零位。系统的精度决定于90Hz和150Hz通道增益是否一样，并且常用电位计调整。,第三节下滑信标系统下滑信标和航向信标工作原理基本相似，特别是机载设备。两者主要不同之处是下滑信标工作频率在UHF波段(329.15335.00MHz)，对飞机提供垂直引导(上下引导)。下滑信标发射功率小，因为它的引导距离仅10nmile。此外，下滑信标不发射台识别码和地空话音通信信号，因为它是和航向信标配对工作的。一、下滑信标辐射场下滑信标天线安装在跑道入口处的一侧。天线通常安装在一个垂直杆上。下滑信标的形式由两个(零基准下滑信标)或三个(边带基准型和M型下滑信标)处于不同高度上的水平振子天线阵组成，天线发射水平极化波。,下滑信标天线的等效辐射场如下图所示。在顺着着陆方向上发射两个与跑道平面成一个定仰角(叫飞机下滑角)，并有一边相重叠的相同形状的波束。两个波束中心的最大值以相同量向上或向下偏离下滑道，两个波束信号以相同的频率发射。但上波束用90Hz调幅，下波束用150Hz调幅，调幅度均为40。从图中可以看到，在下滑道上，90Hz和150Hz调制信号幅度相等；在下滑道上面，90Hz调制信号大于150Hz调制信号；在下滑道下面，90Hz调制信号小于150Hz调制信号。离下滑道越远，两个调制信号的差值就越大。,如果像航向信标那样，用90Hz和150Hz的DDM来表示，则在下滑道上DDM等于零，离开下滑道DDM线性增大，直至DDM等于0.22。,下滑信标发射信号提供的引导范围如下图所示。在下滑道中心线两边各80的方位内，引导距离不小于10nmile，从地平面以上的0.45到1.75的扇区内，应使接收机满意地工作，在整个覆盖区内，最低信号场强应为400Vm。：为ILS下滑角，可在24之间调整，最佳下滑角应在2.53之间选择。R：R为ILS下滑道直线向下延伸部分与跑道中心线的交点。下滑道扇区：在仰角覆盖范围内，由最靠近下滑道的DDM等于0.175的各点的轨迹所限定的扇区叫下滑道扇区，约1.4(0.7)。在下滑道扇区内，下滑指针偏离指示和飞机偏离下滑道的角度成比例。,二、下滑信标接收机下图是零中频接收机的简化方框图。优点：在低中频比较容易获得高增益，并且稳定性较好。缺点：在发射信号和接收机本振信号之间没有任何频率差，而由于发射频率和接收机本振频率有一定的允许误差，因而混频后往往产生不需要“拍频”。如果“拍频”在90Hz到150Hz范围内，将会对下滑接收产生一些干扰。,为了防止产生上述干扰，本振频率用500Hz调频，频移为15kHz(30kHz峰峰偏移)。这样，就可避免产生任何低于500Hz的“拍频”。低通截止滤波器用来通过混频后的15kHz频率调制信号以及由于误差引起的频率变化。混频后的中频波形如图1216所示。中频信号经无失真放大后，它的包络就是原来的调制音频。中频放大器的输出加到常规的幅度检波器，解调出90Hz和150Hz音频信号，然后加到幅度比较电路(测量出飞机偏离下滑道的角度。,第四节指点信标系统一、系统的功用指点信标系统可按其用途分为航路信标(runwaymarker)和航道信标(coursemarker)。航路信标：航路信标安装在航路上，向飞行员报告飞机正在通过航路上某些特定点的地理位置。航道信标：航道信标用于飞机进场着陆，用来报告着陆飞机离跑道头预定点(远、中、近指点信标上空)的距离。两种信标地面台天线发射垂直向上的扇形波束(fanmarker)或倒锥形波束(zmarker)，以便飞机飞越信标台上空时被机载接收机接收。指点信标台发射频率均为75MHz，天线辐射水平极化波。而调制频率和台识别码各不相同，以便识别飞机在哪个信标台上空。指点信标台的发射功率从几瓦到100瓦不等。高功率信标台用于外指点信标和航路指点信标，在这里飞机高度比较高。不管是航道指点信标或航路指点信标，机载信标接收机是相同的。,二、指点信标发射信号航道指点信标台安装在沿着着陆方向的跑道中心线延长线上。根据ICAO规定，包括外指点信标、中指点信标和内指点信标。在一些机场还装有反航道指点信标，用于飞机从反航道进场。指点信标系统工作如下图所示。内指点信标偏离跑道中心延长线不应超过30m，中指点信标和外指点信标不应超过75m。,指点信标系统作用指点信标系统在ILS系统中的作用如下所述。外指点信标：指示下滑道截获点；中指点信标：用来测定I类着陆标准的决断高点，即下滑道通过中指点信标台上空的高度约等于60m；内指点信标：用来测定II类着陆标准的决断高度点，即下滑道通过内指点信标台上空的高度约为30m。考虑到内指点信标和中指点信标之间的干扰和机上目视指示灯发亮时间间隔，内指点信标和下滑道之间所标示的最大高度限制在高于跑道入口37m。,指点信标覆盖范围：各指点信标台均发射扇形波束以便覆盖整个航道宽度。发射功率是由指点信标覆盖范围确定的。各指点信标覆盖范围规定如下表所示。,为了便于飞行员识别飞机正在飞越哪个信标台上空，以便知道飞机距跑道入口的预定距离，各指点信标台的发射频率采用不同的音频编码键控调制，如表下所示。,三、航路指点信标任何航路上，如果需要用指点信标来标定一个地理位置的地方，应安装扇形指点信标。在需要用指点信标来标出航路上无线电导航设备的地理位置的地方，应安装“Z”指点信标，航路指点信标发射信号的调制频率为3000Hz75Hz，键控发送莫尔斯识别码，以表示该指点信标的名称或地理位置。在发送识别信号间隙期间，载波不得间断。,四、机载接收机1机载设备组成指点信标系统的机载设备如下图所示。天线安装在机身下部，以便接收指点信标台发射的垂直向上的波束信号。在高速飞机上，一般采用低阻力天线。接收机通常采用一次变频的超外差接收机。接收机输出的音频信号加至正、副驾驶员仪表板指示灯和音频选择板，给驾驶员提供目视和音响信号，以区别飞机飞越哪个信标台的上空。,中指点信标和外指点信标音频识别信号还加到飞行记录中的飞行数据收集组件(FDAU)，作为飞行记录器的信号源之一。灵敏度和电源开关，用来控制接收机的灵敏度和接通电源，,2接收机方框图下图为一次变频的外差式接收机方框图。天线所接收的信号经75MHz调谐滤波加到混频器。混频后产生的中频信号，经过中频晶体滤波器，加到中频放大器放大。晶体滤波器是一个窄带滤波器，在20dB点带宽为15kHz，它决定了接收机的选择性。中频放大器的输出经包络检波器得到400Hz，1300Hz，或3000Hz音频，其幅度为3.5V。3个带通滤波器用来分别通过400Hz，1300Hz和3000Hz音频，再分别经整流后得到直流电压，以接通晶体管灯开关，使相应的指示灯亮。同时，检波后的音频经音频放大后加到音频选择板，提供音响信号。,混频器是一个非线性器件，是产生内部调制最严重的器件。所以有的指点信标接收机采用调谐高放式(TRT)接收机电路，如下图所示。,自动增益控制电路（AGC）是指点信标接收机的一个重要组成部分。因为飞机通过指点信标方向性天线波束时，接收信号强度会迅速变化，AGC的作用就是在接收信号变化时，保持输出电平基本稳定，通常利用幅度检波器输出的平均电压作为AGC控制电压。因为它的大小和输入信号电平成正比。该电压经滤波放大后，加到中频或高频放大器，改变放大器的直流工作点，从而实现增益控制。AGC电压的控制能力通常要求输出信号电平变化小于6dB。,3高低灵敏度控制为了满足进场和航路两种情况下使用的要求，在接收机外部有一个高-低灵敏度控制开关，高灵敏度用于航路信标，低灵敏度用于进场着陆。下图所示的电路是改变接收机灵敏度的一种方法，用一个衰减电路串接在信号输入线上，选择低灵敏度时，衰减器对输入信号进行衰减，从而达到降低灵敏度的目