基于ILS航向信标导航原理虚拟仿真研究

基于ILS航向信标导航原理虚拟仿真研究

杨梓骐，满屹，刘云飞，司振宇

中国民航大学 电子信息与自动化创新创业实践基地，天津300300

摘  要：仪表着陆系统(ILS),早在1949年就被ICAO定为飞机标准进近和着陆设备，时至今日ILS在保障飞机进近和着陆安全方面起着重要作用，为我国民航强国事业发展莫定基础。本文主要针对研究ILS的航向信标系统(ILS)组成和信号原理。

关键词：仪表着陆系统；航向信标系统；CSB；SBO

1 引言

本文将从系统的组成和信号原理的说明两个大方面对仪表着陆系统的航向信标进行讲解，便于快速了解民航内部系统的工作流程和原理。仪表着陆系统距今已经有很长一段时间的历史了，经过了好多代的变革与发展，本文将以最常见的仪表着陆系统航向信标举例，讲解其中的原理，为以后的学生、职工更快的掌握知识，更好地将知识应用到工作中。

2仪表着陆系统

1.1 仪表着陆系统概述

仪表着陆系统(Instrument Landing System,简称ILS) 也被称为仪器降落系统或盲降系统，是现在已使用数量最多的飞机自动精密进近导引和自动着陆引导系统。ILS可在大多数条件下为飞行员提供进近和着陆指导，即使是低天气标准或是飞行员目视无法清晰看到机场跑道，ILS也可为引导飞机着陆，所以ILS常常被人们称为盲降系统。

ILS主要特点是通过由航向台和下滑台发射出的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引，可融合形成一个着陆引导信号，在驾驶舱内与相应的地面着陆指示系统上实现同步的显示，模拟出由跑道指向空中的虚拟导航指示路径，飞机通过机载接收设备来实时跟踪显示飞机的自身坐标与该虚拟飞行指示路径的相对位置，飞行员根据仪表的路径指示信息操纵飞机或直接使用机载自动驾驶仪，使飞机沿着跑道中心线的垂直面和规定的下滑角，从超过450米高度以上的高空航线上沿一条虚拟路径，安全平稳地进近到跑道入口的水平面以上的空中某一定高度点上，然后再由飞行员看着跑道操纵降落的飞机目视着陆，最终实现安全着陆。

2.2 仪表着陆系统组成

一套完整的仪表着陆系统由地面台和机载系统共同组成。

地面台发出三种引导信号。航向信标台向飞机引导信号，LOC提供水平引导，航向信标天线安装于着陆跑道远端中心线外约300米至400米的跑道中心延长线上，工作频率108MHz至111.95MHz，频道间隔50KHz；下滑信标台向飞机发射下滑引导信号，GS提供垂直引导，下滑信标天线设置在靠近机场跑道入口方向的一侧，距跑道中心线的距离是150米左右，工作频率329.15MHz至335MHz，频道间隔150KHz，与航向信标频率相匹配；指点标机向上空发射一束虚拟锥形波束信号，当飞机通过指点标上空时，飞机的无线电信号接收显示设备会发出灯光和音响信号，使飞行员及时准确地知道位置，向飞行员提示到跑道入口的距离，MB提供距离引导，指点信标台通常有两至三个，分别安装于着陆方向跑道中心线延长线上，分为内、中、外指点信标。

机载系统包括天线、接收机、控制器及指示器等，接收地面台发出的无线电信号，进行信号的处理与计算后，将所需信息显示在飞机仪表上。

2.3仪表着陆系统原理

二元天线阵列分为等幅同相馈电和等幅反相馈电两种情况。在实际中，信号不会由单独元件发出，而通过阵列发出。根据镜像原理，将地面看作无限大的理想导体平面，将地面二次辐射波看作天线向地面直射的电磁波在地面的反射波。在空间中情况近似于等幅反相馈电。接收机收到的信号等效于两个信号的叠加，接受情况转换为二元阵列天线发出等幅反相馈电。

航向信标LOC天线阵发送CSB载波信号和SBO边带信号，两个信号通过天线分配网络进入航向天线阵列。在覆盖范围内最低信号场强为40V/m。

设在O点放置一个各向同性的参考天线，且给A1、A2天线等幅反相馈电，即A1和A0的馈电。A2的馈电。

在远场情况下：设接收机接收到的参考天线的辐射场：，则天线A1的辐射场：，天线A2的辐射场：，接收机收到的辐射场：。

在航向面中经过信号调制，通过信号变化反应飞机自身位置与航向面的偏移。当SBO信号的辐射为0时，飞机正对于航向面，此时称这种信标为零基准信标。同时信号的接受情况会反应在飞行仪表上。通过飞机自身的偏移量和当前位置与中心的偏移情况做出提示，对飞行员提醒，飞机上设有驱动HIS的航向偏离杆和驱动HIS的警告旗。在航道扇区内，设计HSI的航道偏离杆，使其偏移量Gl与差电压u8(t)成正比，即Glu8(t)。设计HSI的警告旗升起并发出警告的条件是，没有接收到射频信号，或接收信号中没有90Hz或150Hz调制信号；90Hz或150Hz信号幅度降到额定值的10%，而另一个保持在额定值的20％。

3 研究用途

旨在为航向信标的导航原理虚拟仿真系统提供原理和思路的支持，使人员培训时可以更加真实地模拟CSB、SB0信号的产生，飞机机载监视系统对航向信标的显示，以及飞机如何通过引导顺利着陆，起到了辅助学习的作用。

4 发展前景

在现如今这中国民航蓬勃发展的时代，未来人们对民航知识的学习也会越来越深。航向信标的知识具体、多角度地呈现在人们面前，让人更加了解飞机在进近着陆时的详细过程。

未来的民航业也会融合更多高新技术，复杂的原理能得到清晰的展示和讲解，对人们后续的学习也是一种帮助。以此为核心的技术也会在其他行业的各个领域绽放光彩。

5总结

ILS仪表着陆系统是我国民航机场的主要着陆设备，在航空安全保障领域有着重要的地位，截止到2013年，中国民航共装备了270余套，ILS设备为我国民航事业的高速发展和建设民航强国打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]周子琪. 仪表着陆系统临界区与敏感区的划设研究[D].中国民航大学,2020.DOI:10.27627/d.cnki.gzmhy.2020.000058.

[2]富尧. 民用航空无线导航基础及二次雷达干扰排除[C]//.2011全国无线及移动通信学术大会论文集.,2011:402-404.

第一作者：姓名：杨梓骐（2001.03--）；性别：男；籍贯：辽宁省沈阳人；民族：汉族；学历：高中，毕业于新民市高级中学；现有职称：无；研究方向：无；（中国民航大学 电子信息与自动化创新创业实践基地，天津300300）

第二作者：姓名：满屹（2001.01 --）；性别：男；籍贯：山东省滕县人；民族：汉族；学历：高中，毕业于新疆生产建设兵团第二师华山中学；现有职称：无；研究方向：无；（中国民航大学 电子信息与自动化创新创业实践基地，天津300300）

第三作者：姓名：刘云飞（2001.07--）；性别：男；籍贯：山东省济宁人；民族：汉族；学历：高中，毕业于山东省济宁市嘉祥县第一中学；现有职称：无；研究方向：无；（中国民航大学 电子信息与自动化创新创业实践基地，天津300300）

第四作者：姓名：司振宇（2002.09--）；性别：男；籍贯：黑龙江省齐齐哈尔人；民族：汉族；学历：高中，毕业于黑龙江省七台河市第一中学；现有职称：无；研究方向：无；（中国民航大学 电子信息与自动化创新创业实践基地，天津300300）

单位及邮编：中国民航大学 电子信息与自动化创新创业实践基地，天津300300

单位所在地：天津市东丽区

注：项目编号：IEKCAUC2021003

中国民航大学大学生创新创业训练计划项目资助