数字机场校准模型的设计及实现

匡锐丹

(中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川成都610091)

0 前言

机场导航系统的校准分成飞行校验和地面校准2个部分，由于空域管制和校准专属问题，导航系统地面设备校准历来都是各机场以地面维护、实验室校准和外场测试等方式综合实现。基于机场导航系统的多样性，其对应的校准及溯源情况则复杂得多。但是，即使各导航子系统的地面设备全部合格，也不能保证其作用场域内的导航能力满足既定要求，因为各导航子系统天线发射场彼此有重叠，同时周围建筑及跑道对无线电信号的折射及反射等原因，机场导航系统的引导准确度还是要通过飞行校验来确定机场地空场域影响、导航子系统的边界及起降通道导航能力、地面设备从远端到着陆点的持续引导能力等其他关键参数，飞行校验是机场能进行导航放飞的最重要和最关键校准过程。然而，我国机场的飞行校验服务能力严重不足，在全国近300多个军(民)用机场，每周期的巡航服务任务极其繁重，因此就各机场操作现状而言，除了新安装和大修等特殊情况外，其余的周期性校验还是以日常维护等方式实现。

1 数字机场校准模型设计

1.1 数字机场校准模型概念

数字机场校准模型的基础还是各导航子系统的实物计量标准。在这个模型中，有3部分关键内容得到了集成与数字化:①校准地面台站的标准装置，其核心是集成了10个导航子系统的标准机载接收机;②机载导航子系统校准装置，其核心是集成了全系统(按照ICAO标准构建的进程导航系)地面台站的模拟器;③绝对位置基准，其核心是基于GPS或者北斗(理想位置基准)的全球或者区域导航定位系统，主要提供能导出距离、方位和高度信息的经纬度值。经过集成和数字化后的机场校准模型，能够以3D动画方式提供以下导航信息:入场/离场飞机在穿越不同导航子系统作用域时的实际位置参数、按照机场导航能力设计的标准下滑/上升轨迹、导航台站的实施发射参数。

1.2 数字机场校准模型的设计与实现

数字机场校准模型的服务对象是导航地面台站、机载导航子系统以及导航信号的地空特性，因此该模型中至少应该包含上述三方面的6个纬度:①地面发射式导航专用设备的校准技术;②地面收发式导航专用设备的校准技术;③机载接收式导航专用设备的测试技术;④机载收发式导航专用设备的测试技术;⑤地空导航信道低空层面(高度20 m以下，距离5000 m以内)的信号监测技术;⑥绝对位置基准的建立;⑦各导航系统校准(测试)信号的3D数字化和集成显示技术——即数字机场校准模型。

要实现数字机场校准模型，必须先要解决各导航子系统的实物模型的校准及溯源问题。即需要建立一系列导航校准装置，用以监测(修正)实物系统的信号特征。实物计量标准包括导航子系统校准装置、绝对位置基准类计量标准、辅助测量类计量标准。

1.2.1 各类实物计量标准的建立

1.2.1.1 导航子系统类校准装置的建立

此类计量标准的作用:①以模拟实际使用方式监测和调校地面信号台、地面信标、外场测试仪发射信号的准确性，并把这些参数溯源到国防计量基准上;②在天线端面发射半双工工作方式的询问信号，识别并提取回答信号中的距离、高度和飞机编码等重要飞行参数，以此为基础在数字机场校准模型中形成标准的着陆信息(即标准导航面)，作为与飞机的实时位置作比较的参考端面。

导航类子系统实物计量标准主要是解决导航子系统特征参数的溯源，所以在建立标准时要有效分解各类导航系统的特征参数，并着重考虑这些参数应该通过怎样的方式溯源到国防最高计量标准上去。因为国防基准只对通用常规参数进行建标，这么这些专用参数在溯源过程中必须经过转换，即采用间接测量法。因此，用以转换的这些替代参数能够便捷进行溯源也是考虑的重点。

表1 近程导航子系统的特征参数

根据表1参数分解建立的计量标准，配合被校准对象的分类要求，至少3类综合校准装置的建立是必要的:①全部地面导航台站发射参数的校准装置;②全部接收机导航系统的接收参数的校准装置，③地空“问-答”半双工工作方式的校准装置。

发射类导航校准装置实质上是一个模拟的接收类设备，除了在从射频到视频信号的数字化与普通接收机有类似的处理通道外，还必须满足机载类接收设备的特点，比如高接收灵敏度(-80 dBm或者更低)、各类导航特参数的专用处理、实时环境参数修正等功能。

这类导航校准装置的技术难点是导航特征参数专用处理模块，即导航信号IP核。目前通用的做法是采用CPLD/FPGA，把DAC后的信号按照各导航子系统的信号要求进行解调，因为各导航系统的特征参数彼此不同，所以解调信号应该包括多种模式的混合调制信号，必要时应配合专用构造函数对信号进行提纯处理和补偿，比如微波着陆信号的同步片断内的DPSK解调，需要构造特殊函数来做差分处理［1］。

与发射类校准装置相反，接收类导航信号的校准装置本质是信号模拟源。这类校准装置的难点有2个:1)视频端特征信号基点与射频端面的延迟补偿;2)宽频段的调制发射与天线集成。

收发类综合校准是专门测试ATC系统(空中交通管制系统)的DME/P系统(普通测距和精密测距系统)，研发这类校准装置的难点是收发信号通路的隔离，接收通道解调信号的计时与延迟补偿;发射通道的调制与信号整形(高斯脉冲)［2］。

上述3类校准装置按对应导航类系统的使用条件、系统设计、频谱管理等多方面要求，应偏重综合校准装置、便携式校准装置和现场校准装置等设计方式。目前国内各机型均配备了一、二线检测设备，总体满足日常飞机及地面台站的维护，但是随着机型的变化及飞机服役数量和服役时间的增加，尤其考虑到飞机及其地面维护快速反应能力的至关重要性，对于传统外场设备校准如果依然停留在信息孤岛状态，会在某些特殊场合与特殊时期带来以下问题:1)现有的外场校准设备的功能综合性不强，数量种类多，功能彼此不兼容，机动时需要携带大量的外场校准设备;2)现有的通信导航检测设备技术水平低，自动化程度不高，制约了维护保障能力的提高。

1.2.1.2 绝对位置基准类实物计量标准的建立

以GPS基站为主要标准的绝对位置基准是目前成熟技术的主流，但在特殊时期会受制于人。我国北斗导航系统在卫星发射后会形成区域内导航的主力，因此基于北斗基站的绝对位置基准将是研发的首要选择。

1.2.1.3 辅助类实物计量标准的建立

辅助类实物计量标准主要是指应地空导航信道地空近程的信号监测要求和无线电监测要求建立的相应测试类计量标准。这类校准(测试)装置的难点是监测点的布局计算、低空导航通道内信号的推导与预警、突发干扰信号的检测与定位。在数字机场校准模型中，辅助类计量标准能提供监测到的干扰信号的频率、功率、经纬度等信号。

针对导航子系统的干扰源有2类:1)无线接入系统、公众数据通信、移动卫星通信等系统大功率的发射源;2)机场周边净空条件的变化引起串扰与多路径干扰。机载导航系统除接收到正常信号外，还能接收到上述2类干扰信号，二者在空域的叠加，导致空间实际场强随仰角呈波动分布状态。当飞机处于波动谷值时，所收到的信号强度会接近于机载接收机灵敏度下限，从而使导航系统工作不稳定，严重时飞机无法空中定位，继而无法起降。

目前机场遇到的无线电干扰基本还是依靠国家各级无线电监测机构去查处，而国家无线电监测机构是按省和地市所在地设置(不是按照机场和航线设置的)，其固定站都建在省会城市中，一般一市一个固定站，覆盖范围有限，无法完成机场航道附近干扰信号的实时监测。

2 数字机场校准模型的集成

完成这3类实物计量标准的建立后，就可以构建数字机场。数字机场设计首要是解决机场不满足净空条件的建筑物信号折射/反射问题、机场跑道镜面反射问题、地空信号干扰问题和绝对位置基准漂移问题，在模型设计的初期充分考虑并计算出这4类干扰信号后，数字机场模型才可能贴近现实机场的实际情况。

各类导航信号和对应校准装置提供的监测信号是有差异的，这个差异在数字机场中就表现为导航信号的误差带，而不是常规意义上的误差数字。当飞机进场着陆时，该模型可以模拟在整个着陆时间内的以下事件:①飞机的实时位置参数(方位、距离、高度、飞机代码、通信波道);②飞机在各时间点上经历各导航子系统时的导航区域有效性信息;③飞机在各导航子系统作用域内，位于该误差带的位置信息(偏离中心线的程度及是否触及误差带的警戒位置);④突发烦扰信号的位置信息。

数字机场校准模型的集成难点有2个:

1)导航特征信号模块。这些模块主要是产生视频-中频段的导航信号，或者是解调该频段的导航信号。采用FPGA为主的技术，把特征信号做成导航IP核的模式，可以摆脱单纯以VXI/PXI接口为主使用平台，采用独立封装，内嵌单个系统发射对(即同种导航子系统收发集成)处理程序，可以随意搭建组合适用于不同导航系统配置的各区域导航台站的实物计量标准。

图1 数字机场校准模型方位角界面示意图

2)构造特殊函数和虚拟系统。为了保持特征信号的实时特点(抖动、延迟畸变)和理想特征信号的平衡，需要在处理过程中构造特殊函数把无用信号剔除。信号处理流程分成2部分，“干净信号”(剔除后的信号)通过数字化标准处理程序进行分析，其结果送数字机场校准模型中显示理想的着陆/起飞曲线，被剔除的抖动信号送模型中显示误差带。

3 结束语

数字机场校准模型是全新应用型数字化计量测试方法。导航系统专测设备计量技术在经历了电路板级测试、实验室间接校准、外场子系统的分散性校准等发展过程后，数字机场校准模型首次把机场(含环境影响)和飞机视为一体并作为被测对象，在整个飞行过程中对飞机进行有标准导航轨迹指导下的监测。导航信号专测计量技术通过数字机场校准模型实现了2步跨越:一是第一次把计量过程与中端产品(飞机)直接联系起来，而是第一次把计量过程直接和产品工作的实时环境联系起来。

［1］张忠兴，李晓明，张景伟，等.无线电导航理论与系统［M］.陕西:陕西科学技术出版社，1998.

［2］黎廷璋.空中交通管制机载应答机［M］.北京:国防工业出版社，1992.