СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ, ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ СИГНАЛА ДЛЯ ДВУХЧАСТОТНОЙ КУРСО-ГЛИССАДНОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD OF GENERATING, MEASURING PARAMETERS AND PROCESSING SIGNALS FOR DOUBLE-FREQUENCY HEADING-GLIDE PATH LANDING SYSTEM OF AIRCRAFT

Изобретение относится к технике связи, а именно к радиотехническому оборудованию, и может быть использовано в системах и средствах управления воздушным движением.
Курсо-глиссадная система (КГС) (англ. ILS от Instrument Landing System) - наиболее распространенная в авиации радионавигационная система захода на посадку по приборам.
КГС состоит из двух радиомаяков: курсового радиомаяка (КРМ) и глиссадного радиомаяка (ГРМ).
Антенная система КРМ представляет собой многоэлементную антенную решетку, состоящую из линейного ряда направленных антенн метрового диапазона частот с горизонтальной поляризацией. Для расширения рабочего сектора радиомаяка до углов ±35° часто используется дополнительная антенная решетка.
Диапазон рабочих частот КРМ 108-112 МГц (используется 40-канальная сетка частот, где каждой частоте КРМ поставлена в соответствие определенная частота ГРМ).
КРМ размещают за пределами взлетно-посадочной полосы на продолжении ее осевой линии. Его антенная система формирует в пространстве одновременно две горизонтальные диаграммы излучения. Первая диаграмма имеет один широкий лепесток, направленный вдоль осевой линии, в котором несущая частота промодулирована по амплитуде сигналом суммы частот 90 и 150 Гц. Вторая диаграмма имеет два узких противофазных лепестка по левую и правую сторону от осевой линии, в которых радиочастота промодулирована по амплитуде сигналом разности частот 90 и 150 Гц, а несущая подавлена.
В результате сложения сигнал распределяется в пространстве таким образом, что при полете вдоль осевой линии глубина модуляции сигналов 90 и 150 Гц одинакова, а значит разность глубин модуляции (РГМ) равна нулю. При отклонении от осевой линии глубина модуляции сигнала одной частоты растет, а другой - падает, следовательно, РГМ увеличивается в положительную или отрицательную сторону. При этом сумма глубин модуляции (СГМ) в зоне действия маяка поддерживается на постоянном уровне. Бортовое пилотажно-навигационное оборудование измеряет величину РГМ, определяя сторону и угол отклонения воздушного судна от посадочного курса.
Антенная система ГРМ представляет собой в простейшем случае решетку из двух разнесенных по высоте направленных антенн дециметрового диапазона с горизонтальной поляризацией (решетка «0»). Диапазон рабочих частот ГРМ 329-335 МГц. ГРМ размещают со стороны, противоположной участку застройки и рулежным дорожкам, на расстоянии 120-180 м от оси ВПП напротив зоны приземления. Удаление ГРМ от порога ВПП определяется таким образом, чтобы при заданном угле наклона глиссады опорная точка (точка над торцом ВПП, через которую проходит прямолинейная часть глиссады) находилась на высоте 15±3 м для радиомаячных систем посадки I и II категории и 15+3-1 м для систем III категории.
Диаграмма направленности антенной системы ГРМ формируется в результате отражения радиоволн от поверхности земли, поэтому к чистоте зоны, непосредственно прилегающей к антенной системе ГРМ, предъявляются особые требования. Чтобы уменьшить влияние неровностей подстилающей поверхности на диаграмму направленности, а следовательно, и искривления линии глиссады, используется антенная решетка из трех вертикально разнесенных антенн (решетка «М»). Она обеспечивает пониженную мощность излучения под малыми углами к горизонту. ГРМ использует тот же принцип работы, что и КРМ. Его антенная система формирует в пространстве одновременно две вертикальные диаграммы излучения, с одним широким лепестком и с двумя узкими - выше и ниже плоскости глиссады (плоскости нулевого значения РГМ), нормируется для каждой категории системы посадки.
В зарубежных и отечественных системах посадки для формирования амплитудно-фазового распределения (АФР) двухчастотной антенной системы курсового и глиссадного радиомаяков используются пассивные сумматоры-делители. Как правило, эти устройства выполняют суммирование четырех сигналов, которые формируются четырьмя передатчиками:
- несущая + боковые частоты узкого канала,
- боковые частоты узкого канала,
- несущая + боковые частоты широкого канала,
- боковые частоты широкого канала,
и распределение в определенных амплитудных и фазовых соотношениях на излучатели антенны.
Из уровня техники известен способ управления амплитудно-фазовым распределением на раскрыве фазированной антенной решетки (ФАР), являющийся наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения. В данном известном способе р-разрядные фазовращатели ФАР устанавливают в состояния, соответствующие требуемому положению главного максимума диаграммы направленности ФАР, осуществляется декореляция погрешностей квантования фазы на раскрыве ФАР путем введения случайного или нелинейного распределения начальной фазы токов возбуждения излучателей с последующей ее компенсацией при формировании кодов управления фазовращателями, контроль амплитудно-фазовых характеристик излучателей ФАР, в результате которого определяются координаты i-x излучателей m, n (где , N - число столбцов ФАР, а , М - число строк ФАР), амплитуды токов возбуждения которых снизились, и координаты неисправных р-разрядных фазовращателей, номера отказавших в них переключающих элементов и виды отказов (обрывы или короткие замыкания), а также снижение амплитуд токов возбуждения поврежденных излучателей ФАР и осуществляется расчет нормированного значения уровня сигнала, излучаемого ФАР в заданном направлении, для 2Р случаев одновременного изменения состояний всех ее р-разрядных фазовращателей на величину дискрета их переключения Δφ с учетом данных контроля о фазе тока возбуждения каждого из m, n излучателей ФАР - ⌀изл (m, n), после чего фазовращатели ФАР устанавливаются в состояния, соответствующие максимальному из 2Р рассчитанных значений уровня излучаемого сигнала, отличающийся тем, что при контроле амплитудно-фазовых характеристик i-x излучателей ФАР определяются значения величин снижения амплитуд токов их возбуждения ΔAi, на основании которых определяются коды команд управления амплитудами токов возбуждения i-x излучателей ФАР Aупрi, осуществляемого с помощью соединенных с ними активных каналов управления, подключаемых между i-ми фазовращателями и i-ми излучателями ФАР при снижении амплитуд их токов возбуждения на величину, превышающую ΔA/2 (ΔА - дискрет управления амплитудой тока возбуждения i-го излучателя с помощью подключаемого к нему активного канала управления), а при расчете нормированного значения уровня сигнала, излучаемого ФАР в заданном направлении, наряду с фазами токов возбуждения излучателей ⌀изл (m, n) учитываются величины компенсации снижения амплитуд i-x излучателей Aупрi=Ent[(ΔAi/ΔA)+0,5]ΔА (см. патент РФ №2333578, МПК H01Q 3/26, опубл. 10.09.2008 г.).
В способе, определенном в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения, используются сумматоры-делители, которые представляют собой совокупность направленных ответвителей, аттенюаторов и фазосдвигающих элементов. К недостаткам устройств, в которых используются сумматоры-делители следует отнести:
- большую трудоемкость изготовления,
- для каждого АФР требуется уникальный сумматор-делитель,
- невозможность скорректировать амплитудное и фазовое распределение в процессе комплексной настройки маяка,
- необходимость подстройки фазы на конкретный частотный канал, т.е. аппаратура должна регулироваться для конкретного места размещения маяка,
- устройства не резервируются, что снижает надежность системы.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Поставленная техническая задача решается предлагаемым способом формирования, измерения параметров и обработки сигналов сигнала для двухчастотной курсо-глиссадной системы посадки летательного аппарата, причем способ содержит этапы, на которых:
- программируют рабочую частоту микросхем прямого цифрового синтеза (DDS);
- формируют в цифровом виде сигналы модуляции по формуле:
где
a(t) - модуляция сигнала узкого канала,
b(t) - модуляция сигнала широкого канала,
ω - несущая частота узкого канала,
Δω - разнос частот узкого и широкого каналов,
- выполняют аналого-цифровое преобразование полученного сигнала;
- фильтруют оцифрованный сигнал;
- разделяют сигналы узкого и широкого каналов переносом частоты канала на «нулевую» частоту умножением на квадратурный сигнал соответствующей частоты;
- фильтруют и децимируют полученные квадратурные сигналы;
- измеряют следующие параметры: уровни сигналов узкого и широкого каналов, коэффициенты модуляции для узкого и широкого каналов частотами 90 и 150 Гц, разность фаз выходных сигналов передатчика;
- выравнивают по фазе выходные сигналы передатчика;
- корректируют по результатам измерений коэффициенты усиления и коэффициенты модуляции каждого канала передатчика.
Предлагается способ формирования сигнала для двухчастотной системы посадки, в котором осуществляется управление активной фазированной антенной решеткой (ФАР), на каждый излучатель которой формируется полный сигнал от отдельного канала передатчика. Этот сигнал содержит в себе сумму сигналов узкого и широкого каналов.
Согласно требованиям ICAO рабочая частота курсового маяка находится в диапазоне (108,000…111,975) МГц, а глиссадного маяка (328,6…335,4) МГц. Узкий и широкий каналы разнесены по частоте симметрично относительно присвоенной частоты маяка. В курсовом маяке они разнесены на (5…14) кГц, а в глиссадном на (4…32) кГц. Следовательно, каждый канал передатчика должен формировать двухчастотный сигнал.
Поскольку относительный разнос частот относительно невелик (на 4 порядка меньше значения самих частот), то такой сигнал может быть сгенерирован с помощью прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesis - DDS).
Техническим результатом предлагаемого способа является простота реализации АФР для различных решеток (выполняется программными методами).
Еще одним техническим результатом предлагаемого способа является обеспечение возможности корректировки АФР при настройке радиомаяка на месте эксплуатации, а также обеспечение возможности настройки на заданный частотный канал программным методом.
Кроме того, еще одним техническим результатом предлагаемого способа является отсутствие необходимости использования сумматоров-делителей.
Технические результаты достигаются за счет предлагаемого способа формирования, измерения параметров и обработки сигналов сигнала для двухчастотной курсо-глиссадной системы посадки летательного аппарата, заключающегося в том, что
- программируют рабочую частоту микросхем прямого цифрового синтеза (DDS);
- формируют в цифровом виде сигналы модуляции по формуле:
где
a(t) - модуляция сигнала узкого канала,
b(t) - модуляция сигнала широкого канала,
ω - несущая частота узкого канала,
Δω - разнос частот узкого и широкого каналов,
- выполняют аналого-цифровое преобразование полученного сигнала;
- фильтруют оцифрованный сигнал;
- разделяют сигналы узкого и широкого каналов переносом частоты канала на «нулевую» частоту умножением на квадратурный сигнал соответствующей частоты;
- фильтруют и децимируют полученные квадратурные сигналы;
- измеряют следующие параметры: уровни сигналов узкого и широкого каналов, коэффициенты модуляции для узкого и широкого каналов частотами 90 и 150 Гц, разность фаз выходных сигналов передатчика;
- выравнивают по фазе выходные сигналы передатчика;
- корректируют по результатам измерений коэффициенты усиления и коэффициенты модуляции каждого канала передатчика.
Принцип формирования становится понятным, если сумму 2-х сигналов с разнесенными частотами представить сигналом одной частоты, модулированным по амплитуде и фазе:
где
a(t) - модуляция сигнала узкого канала,
b(t) - модуляция сигнала широкого канала,
ω - несущая частота узкого канала,
Δω - разнос частот узкого и широкого каналов,
Двухчастотный сигнал при этом можно получить, настроив DDS, например AD9910 фирмы Analog Devises, на частоту узкого канала и модулируя амплитуду и фазу в соответствии с формулой (1).
Способ модуляции DDS состоит в представлении двухчастотного сигнала в виде суммы двух квадратурных составляющих с переменной амплитудой:
=
где I(t)a(t)-b(t)×cosΔωt,
Q(t)=b(t)×sinΔωt.
Двухчастотный сигнал при этом можно получить, настроив DDS, например AD9957 фирмы Analog Devises, на частоту узкого канала и модулируя амплитуду квадратурных составляющих в соответствии с формулой (2).
Рассмотрим реализацию данного способа на примере 4-канального передатчика.
Процессор программирует рабочую частоту микросхем прямого цифрового синтеза (DDS), уровень несущей, а также загружает в модулятор требуемые коэффициенты модуляции. Модулятор, представляющий собой программируемую логическую схему (ПЛИС), формирует в цифровом виде сигналы модуляции DDS по формуле (1) или (2). Сигналы модуляции формируются с частотой 5 МГц, т.е. частота квантования на 3 порядка превышает частоту разноса Δω. Тем самым гарантируется точное воспроизведение двухчастотного сигнала на выходе DDS. После фильтрации сигнал DDS усиливается до требуемого уровня усилителем с регулируемым коэффициентом усиления.
Часть мощности выходных сигналов через направленные ответвители (НО) поступает на 4-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Обработка ведется на несущей частоте с частотой дискретизации 100 МГц. Выходные сигналы АЦП поступают в ПЛИС, где схемотехническими средствами производится:
- цифровая фильтрация входных сигналов, чтобы предотвратить перенос помех из нерабочих зон Найквиста,
- разделение сигналов узкого и широкого каналов переносом частоты канала на «нулевую» частоту умножением на квадратурный сигнал соответствующей частоты,
- фильтрация и децимация полученных квадратурных сигналов.
Дальнейшая обработка информации выполняется процессором, которым измеряются следующие параметры:
- уровни сигналов узкого и широкого каналов,
- коэффициенты модуляции для узкого и широкого каналов частотами 90 и 150 Гц (рабочие частоты модуляции ILS),
- разность фаз выходных сигналов передатчика.
По результатам измерений корректируются коэффициенты усиления и коэффициенты модуляции для каждого канала передатчика. А также производится выравнивание по фазе выходных сигналов передатчика.
Если для формирования АФР необходимо несколько таких передатчиков, то синфазность сигналов разных передатчиков достигается за счет использования единого синхросигнала для всех передатчиков.