ILS基础培训PPT课件.ppt

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1、,ILS原理,Navigation Systems(Primary),培训教材,第一章 导航基础知识,1.1 无线电导航的定义与任务,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,1.3 无线电导航信号的传播方式,1.4 振幅测向系统测角的方法,1.5 无线电导航定位方法的优先级选择,1.6 无线电导航系统的布局,1.1 无线电导航的定义与任务,一、导航与无线电导航的定义,在各种复杂的气象条件下，采用最有效的方法并以规定的RNP（所需导航性能）引导航行体（飞机、导弹、宇宙飞船、船舶、车辆等）以及个人从出发点到目的地的过程称为导航。,无线电导航指利用无线电技术实现的对航行体的导航。,用以实现无线电导航

2、的装置即为无线电导航系统。,无线电导航,1.定义：利用运动体上的电子接收设备接收和处理无线电波来获得导航参数，从而确定航行体的位置。,2.举例：ADF-NDB，VOR，DME，ILS，LRRA,3.特点：不受时间、气候的限制，定位精度高，定位时间短，容易受到干扰，保密性不强。,现代航空中，最基本、核心的导航手段是无线电导航。没有无线电导航，就没有现代航空！,1.1 无线电导航的定义与任务,二、无线电导航的任务,1）引导航行体飞离航线起点，进入并沿预定航线航行；,2）引导航行体在夜间和各种复杂气象条件下安全着陆获进港；,3）为航行体准确、安全完成航行任务提供所需的其他导引及情报咨询服务；,4）确

3、定航行体当前所处的位置及其航行参数（速度、加速度等）。,1.1 无线电导航的定义与任务,三、常用无线电导航术语,无线电信号：e(t)=Emcos(t)=Emcos(t+0),用无线电波的哪个参数与导航参数建立关系是导航的核心问题。,1.1 无线电导航的定义与任务,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,一、第一阶段（从20世纪初至二战前）,自动定向机（ADF）无方向信标（NDB）,仪表着陆系统（ILS）,无线电高度表（LRRA）,四航道信标,扇形无线电信标,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（1）,1.台卡系统（DECCA）主要用于航海；英国台卡导航仪公司研制；1937年提出，1944

4、年研制成功；1954年开始普及（在欧洲应用最为广泛）；随着罗兰C的建设和发展，台卡用户逐渐减少。,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（2）,2.罗兰系统（LORAN）主要用于航海，美国研制；罗兰A，罗兰-C；罗兰A 1945年投入使用，上世纪80年代停用；罗兰C 1957年建成，1960年以后得到大力发展；罗兰C目前还在使用。,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（3）,3.奥米伽系统（OMEGA）用于航空与航海，美国研制；1947年设计，1975年在部分区域开

5、始工作，1982年完成全部的建台工作；1997年奥米伽系统宣布关闭。,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（4）,4.多普勒导航雷达自主式航空导航系统；1945年开始发展；20世纪5070年代得到了广泛的应用。,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（5）,5.甚高频全向信标（VOR）非常重要的民航测角导航系统，美国研制；1946年VOR成为美国标准航空导航系统；1949年被ICAO批准为国际标准航空导航系统；20世纪60年代，联邦德国研制成功多普勒VOR（DVOR）。,1.2 无线电导航的发展简史和发展

6、趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（6）,6.测距机（DME）非常重要的民航测距导航系统，英国研制；DME是在二战中随着雷达的发展而出现的；1949年被ICAO批准为国际标准航空导航系统；精密DME（DME/P）是微波着陆系统（MLS）的组成设备。对于民用航空，DME/P可与下滑台（GS）合装在一起，为飞机提供精确的距离信息。,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,二、第二阶段（从二战至20世纪60年代初）（7）,7.战术空中导航系统塔康（TACAN）军用测距测角系统，美国海军1955年研制；TACAN在功能上相当于民航的VOR和DME；TACAN台安装在航母或地面上，可为飞机

7、同时提供距地面台（航母）的方位和距离信息；TACAN系统体积小，便于机动，在军事上得到了广泛应用。,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,三、第三阶段（从20世纪60年代中期至今）,1.广泛采用数字技术和计算机技术，提高已有的性能优良的导航系统的数字化程度，提高其导航性能，并使系统具备故障诊断能力。,2.发展组合导航系统，如INS/GNSS组合系统。,3.研制新的更先进的导航系统，如GPS、GLONASS、GALILEO、北斗卫星导航系统。,4.卫星导航系统的增强技术，如陆基增强系统（GBAS）、星基增强系统（SBAS）、飞机增强系统（ABAS）。,目前导航方式 无线电导航-ILS、VOR/

8、DME、MLS、Loran C、TACAN等 陆基导航系统，传统的导航方式 信号覆盖范围小，精度低，技术落后等 卫星导航-GPS，Galileo，北斗 星际导航系统 适用于新的航行系统，PBN/RNAV/RNP ILS系统将在一段时间仍是主要的着陆系统,1.2 无线电导航的发展简史和发展趋势,1.3 无线电导航信号的传播方式,一、无线电频段划分及导航信号所占频谱,如果把雷达纳入导航之内，则无线电导航信号几乎占满了这8个频段。,1.3 无线电导航信号的传播方式,二、无线电波的传播方式,1.无线电波传播的主要方式,地波传播,天波传播,视距传播,波导模传播,磁层模传播,散射传播,1.3 无线电导航信

9、号的传播方式,2、视距传播,Direct-wave propagation,1.3 无线电导航信号的传播方式,传播方式：收发天线处在直视范围内，能相互“看见”的电波传播。,适合频段：VHF及VHF以上,特点：,信号稳定可靠，干扰源少,辐射效率高，发射天线小,可以产生很窄的脉冲及尖锐的方向性图，故测距、测向的精度很高,不能提供地平线以下的覆盖,存在多径干扰,导航系统：VOR，DME，ILS，MLS，LRRA，GNSS,对导航信号而言，视距传播是一种非常优秀的传播方式,1.4 振幅测向系统测角的方法,振幅测向系统测角的方法：最大信号法、最小信号法、等信号法,等信号法（比较信号法）,抗干扰性较好；,

10、不灵敏区较小（N较小）；,导航台偏离的方向可知。,1.5 无线电导航定位方法的优先级选择,无线电导航定位方法的优先级选择,定位,1.ICAO推荐的优先级,定位,定位,2.FAA推荐的优先级,定位,定位,定位,1.6 无线电导航系统的布局,机载无线电导航系统的布局（1）,1.6 无线电导航系统的布局,机载无线电导航系统的布局（2）,第二章 ILS原理,2.1 ILS概述,2.2 GS的工作原理与过程,2.3 LOC的工作原理与过程,2.4 指点信标,2.1 ILS概述,一、华东地区主要的ILS设备型号ILS：主要有NORMARC和THALES设备 NORMARC：7000A系列（航向NM7013

11、/下滑NM7033/指点标NM7050)，该系列产品目前已逐渐被更新，目前上海地区仅浦东一跑道17L为7000A系列。7000B系列（航向NM7013B/下滑NM7033B/指点标NM7050），大部分更新或新安装的仪表着陆系统都是选用该系列。THALES：410系列（航向LOC411/下滑GS412/指点标MB413），该系列产品上海浦东二跑道、威海机场、东营机场等。410系列:扬泰机场,一、系统组成,ILS由地面设备和机载设备组成。地面设备可以分为三个部分：航向信标台、下滑信标台、指点信标台(或测距仪台)，其典型位置如图11所示。机载设备则包括相应的天线、接收机、控制器及指示器等,2.1

12、ILS概述,若ILS加装了DME提供飞机距跑道的距离信息，则三个指点标可以少装或不装。,2.1 ILS概述,2.1 ILS概述,2.1 ILS概述,二、ILS的发展历史及其缺点,ILS是引导飞机进行精密进近和着陆的导航系统，其工作体制为M型等信号测角方式。,发展历史,1939年由美国研制成功；,1949年被ICAO采纳为国际标准导航系统。,缺点,频道数少：40个频道,对机场环境敏感,提供的下滑道单调,2.1 ILS概述,三、ILS的发展趋势,2.1 ILS概述,航向信标台（LOC）：提供水平制导,下滑信标台（GS）：提供垂直制导,指点信标台（MB）：提供距离信息与决断信息,四、系统的工作原理,

13、五、基本定义,调制度差(ddm)：较大音频信号对射频的调制度百分数减去较小音频信号对射频的调制度百分数的值。航道线：在任何水平面内最靠近跑道中心线的ddm为零的各点的轨迹。航道扇区(航道宽度)：从航道线向两边扩展，到ddm为0.155的各点轨迹所限制的区域。通常在跑道入口两边以105米为0.155ddm，最大航道扇区(航道宽度)不能超过6度。位移灵敏度：测得的ddm与偏离适当基准线的相应横向位移的比率。下滑道：跑道中心线的铅垂面上ddm为零的各点所组成的轨迹中最靠近地平面的那条轨迹。下滑角：平均下滑道的直线与地平面之间的夹角。下滑道扇区：从下滑道的铅垂面向上下两边扩展，到ddm为0.175的各

14、点轨迹所限定的区域。角位移灵敏度：测得的ddm与从适当的基准线相对应的角位移的比率。,2.1 ILS概述,基本定义,A点：在进近方向沿着跑道中心延长线、距跑道入口7400米(4海里)处测得的下滑道上的一点。B点：在进近方向沿着跑道中心延长线、距跑道入口1050米(3500英尺)处测得的下滑道上的一点。C点：下滑道直线部分在包含跑道入口的水平面上方30米(100英尺)高度处所通过的一点。T点(基准数据点)：位于跑道中心线与跑道入口交叉处垂直上方规定高度上的一点，下滑道直线向下延伸的部分通过此点。其高度通常为15米(50英尺)、容差3米。D点：从跑道入口向航向信标方向前进900米(3000英尺)、

15、在跑道中心线上方4米(12英尺)的那一点。E点：从跑道终端向入口方向前进600米(2000英尺)、在跑道中心线上方4米(12英尺)的那一点。,2.1 ILS概述,基本定义,2.1 ILS概述,六、性能类别,I类运用性能：在跑道能见距离不小于800米的条件下，以高的进近成功概率运用至60米的决断高度。如果在这点(60米高度)上仍看不到跑道，应决定复飞。类运用性能：在跑道能见距离不小于400米的条件下，以高的进近成功概率运用至30米的决断高度。如果在这点上仍看不到跑道，应决定复飞。A类运用性能：没有决断高度限制，当跑道能见距离不小于200米，在着陆的最后阶段凭外界目视参考，运用至跑道表面。B类运用

16、性能：没有决断高度限制，及不依靠外界目视参考，一直运用至跑道表面。随后在跑道能见度相当于跑道能见距离不小于50米的条件下，凭外界目视参考滑行。C类运用性能：没有决断高度限制，一直运用至跑道面表，且不凭外界目视参考滑行。,2.1 ILS概述,七、航向信标航道结构,航道结构：即航道线弯曲不能超过下列ddm值(95%概率)：区 域 类设备 类设备 类设备覆盖区边缘A点0.031 0.031 0.031A点B点从0.031线性 从0.031线性 降到0.015 降到0.005B点C点0.015B点基准数据点 0.005B点D点 0.005D点E点 线性增至0.01,2.1 ILS概述,八、下滑信标航道

17、结构,区 域 I类设备 类设备 类设备 覆盖区边缘C点0.035覆盖区边缘A点 0.035 0.035A点B点 均从0.035线性降到0.023B点基准数据点 0.023 0.023,2.1 ILS概述,2.1 ILS概述,九、LOC/GS性能,LOC、GS的每个天线单元一般采用“对数周期天线”,LOC天线系统,2.1 ILS概述,LOC、GS的每个天线单元一般采用“对数周期天线”,GS天线系统,1、工作频段,LOC,f=108.10111.95MHz，f=0.05MHz，只用以MHz为单位的小数点后第一位是奇数的那些频率点；,共有40个频道。,2.1 ILS概述,GS,f=329.15335

18、.0MHz，f=0.15MHz，与LOC的频率是固定配对使用的；,共有40个频道。,2.1 ILS概述,3、波的传播、极化形式,视距传播；,水平极化。,2、工作体制,GS、LOC：M型等信号测角,4、辐射功率与作用距离,GS：P=510W，R=10nm；,LOC：P=1525W，R=25nm。,2.2 GS的工作原理与过程,一、CSB、SBO信号的形成,CSB：载波信号（和信号）；SBO：边带信号（差信号）,u1(t)=Um1cosct,u3(t)=Um3sin1t，1=2F1，F1=150Hz,u4(t)=Um4sin2t，2=2F2，F2=90Hz,u2(t)=Um2sinct,2.2 G

19、S的工作原理与过程,了解CSB和SBO信号,CSB：150+90 M150=M90=20%(航向)M150=M90=40%(下滑),2.2 GS的工作原理与过程,了解CSB和SBO信号,SBO 150-90 DDM=M150-M90,2.2 GS的工作原理与过程,2.2 GS的工作原理与过程,三、下滑面的形成,DDM=m150m90,在下滑道扇区内，设计HSI的下滑偏离杆，使其偏移量Gg与DDM成正比，即,Gg=kgDDM,2.2 GS的工作原理与过程,Gg=kgDDM,若飞机处在下滑面上，则Gg=0，可见m150=m90，或fH(0)=0，0为下滑角，一般为24。,下滑面：,满足fH(0)=

20、0的点的集合。,满足m150=m90的点的集合。,2.2 GS的工作原理与过程,由于在下滑面上，上天线对SBO信号的辐射为0，故称这种信标为“零基准信标”。,2.2 GS的工作原理与过程,四、m150与m90的方向性图,上、下天线及m150、m90的方向性图,五、GS引导范围,2.2 GS的工作原理与过程,在覆盖范围内，最低信号场强为400V/m。,六、机载工作框图,2.2 GS的工作原理与过程,2.2 GS的工作原理与过程,1.下滑偏离杆的偏离（1）,u8(t)=U7U5,驱动HSI的下滑偏离杆,U5m90,U7m150,u8(t)=U7U5DDM,在下滑道扇区内，设计HSI的下滑偏离杆，使

21、其偏移量Gg与差电压u8(t)成正比，即Ggu8(t)。,Ggu8(t)DDM,Gg=kgDDM,2.2 GS的工作原理与过程,1.下滑偏离杆的偏离（2）,在下滑道扇区内，偏移一个点，对应偏移0.35,2.2 GS的工作原理与过程,2.HSI警告旗,u9(t)=U7+U5,驱动HSI的警告旗,当出现下列情况之一时，HSI的警告旗升起，并给出告警信号。,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。,一、CSB、SBO信号的形成,u1(t)=Um1cosct,u3(t)=Um3sin1t，1=2F

22、1，F1=150Hz,u4(t)=Um4sin2t，2=2F2，F2=90Hz,u2(t)=Um2sinct,2.3 LOC的工作原理与过程,u5(t)=gm(t)（键控1020Hz识别音频）,2.3 LOC的工作原理与过程,二、M型信号的形成,2.3 LOC的工作原理与过程,CSB、SBO信号通过“天线分配网络”按如下方式馈入航向天线阵：,CSB信号对所有天线单元同相馈电，以产生最大值沿着跑道中心线的单瓣方向性图；,SBO信号给左、右对应天线单元的馈电相差180，以产生零值辐射点指向跑道中心线的两瓣方向性图。,三、航向面的形成,DDM=m150m90,在航道扇区内，设计HSI的航向偏离杆，使

23、其偏移量Gl与DDM成正比，即,Gl=klDDM,2.3 LOC的工作原理与过程,Gl=klDDM,若飞机处在航向面上，则Gl=0，可见m150=m90，或f2(1)=0，1为0。,航向面：,满足f2(1)=0的点的集合。,满足m150=m90的点的集合。,2.3 LOC的工作原理与过程,由于在航向面上，f2()对SBO信号的辐射为0，故称这种信标为“零基准信标”。,2.3 LOC的工作原理与过程,四、航向天线及m150、m90的方向性图,2.3 LOC的工作原理与过程,五、LOC引导范围,2.3 LOC的工作原理与过程,在覆盖范围内，最低信号场强为40V/m。,六、机载工作框图,2.3 LO

24、C的工作原理与过程,1.航道偏离杆的偏离（1）,u8(t)=U7U5,驱动HSI的航道偏离杆,U5m90,U7m150,u8(t)=U7U5DDM,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Glu8(t)。,Glu8(t)DDM,Gl=klDDM,Gl,2.3 LOC的工作原理与过程,1.航道偏离杆的偏离（2）,在航道扇区内，偏移一个点，对应偏移1,2.3 LOC的工作原理与过程,2.HSI警告旗,u9(t)=U7+U5,驱动HSI的警告旗,当出现下列情况之一时，HSI的警告旗升起，并给出告警信号。,没有接收到射频信号，或 接收信号中没有90Hz或150H

25、z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。,2.3 LOC的工作原理与过程,2.3 LOC的工作原理与过程,2.4 指点信标,ILS有三个指点标（MB）：内MB，中MB，外MB,2.4 指点信标,1.指点标的作用,给驾驶员提供决断的指示,外MB：指示下滑道截获点,中MB：指示I类着陆点,内MB：指示II类着陆点,2.指点标的主要性能指标,三个指点标的载波均为75MHz,天线辐射水平极化波，采用直达波传播,辐射功率：几瓦,提供飞机的高度信息及离跑道入口处的距离,2.4 指点信标,3.工作过程（3）,4、指点标接收机,2.4 指点信标,第三章 天线工

26、作原理,3.1 天线基础,3.2 航向天线,3.3 下滑天线,一、天线的辐射场型 天线在所有的方向上辐射能量相等，即没有最大值和零点，这种辐射场型称为无方向性或全向场型；辐射能量主要在两个方向上，得到的辐射场称为双向辐射场型；辐射能量主要只在一个方向上，得到的辐射场称为单向辐射场型；,3.1天线基础,二、辐射场型的相位,在全向辐射场型中，电场的相位在任意点都相等，这种辐射场型称为单相辐射场型；在辐射场型中，电场的相位只有两种，而且在每个波瓣中任意点的相位恒定，这种辐射场型称为双相辐射场型在某种特定情况下，在一个波瓣内任意点的电场的相位是变化的，这种辐射场型称为可变相位辐射场型,3.1天线的辐射

27、,三、天线辐射信号的极化,极坐标 角度/幅值 天线的极化 电场和磁场的矢量用E和H来表示 右手螺旋定律 矢量 矢量是一个具有大小和方向的量 矢量合成 矢量的数学表达,3.1天线的辐射,矢量的合成通常采用平行四边形法,3.1天线的辐射,四、天线辐射矢量合成,天线电流 im sin(t)两副天线的辐射及合成 t1/1sinH2/2sinH,3.1天线的辐射,五、同相天线阵的辐射场型,基本定理：座落在中心基准线两旁有一定间距的两副天线上馈送幅度相等的同相电流时，在中心线上出现最大值。每一象限内出现的波瓣数和天线间距的波长数相等(360为一个波长)。同一象限内相邻两个波瓣的相位反相180。,3.1天线

28、的辐射,六、反相天线阵的辐射场型,基本定理：座落在中心基准线两旁有一定间距的天线上馈送幅度相等的反相电流时，中心线上辐射信号为零。每一象限内出现的波瓣数和天线间距波长数相等。跨越中心线时，辐射信号的相位改变180；同一象限内，相邻两个波瓣的相位也反相180。,3.1天线的辐射,航向天线阵,每副天线的CSB和SBO信号辐射后，即形成空间调制，使CSB和SBO中的150Hz和90Hz信号分别相加或相减，得出合成的90(空间调制后形成的在中心线一边占优势的电压)和150电压。图为一个全向型的航向天线模拟合成图,3.2 航向天线,实际的航向天线采用的是对数周期偶极子天线，具有结构简单、频带宽、辐射波束

29、窄、能量集中等特性，其前后辐射能量相差26dB。,3.2 航向天线,3.2 航向天线,航向是中心线对称的每两幅天线进行合成，天线配对原理。航向也有垂直面反射，其垂直面反射就是影响航向波瓣的仰角，这也是我们选择航向天线阵高度的一大依据。天线越矮，波瓣仰角就越高，那么最大值点就越高，而我们的校验程序是在一定高度飞行的，因此就容易造成信号强度不够。,3.2 航向天线,下滑天线,下滑是利用水平和垂直面的两个镜像进行合成。水平面镜像是利用天线自身反射网 垂直面镜像是利用地面反射网 镜像天线的基本原理,两个镜像：,1、水平面内镜像 2、垂直面内镜像 镜像：相位相差180,3.3 下滑天线,3.3 下滑天线

30、,水平面的相对场强,rr/r ir/r180,rr/r90 cosHir/(r180)90 cosH,点水平面的场强(H)为2r sin(90 cosH)/r90,实质：由在一个单一的虚构等效天线上馈以2倍电流的单一定向天线辐射的，等效天线的位置在实际天线与镜像天线的中间。,下滑天线多采用常规的半波对称振子天线，半波对称振子天线距反射面90，因此半波对称振子天线与其镜像天线之间的间距为180。,3.3 下滑天线,垂直面的相对场强,v2R sin(h sinv)/r90,v2 2r sin(90cosH)/r90sin(h sinv)/r904r sin(90cosH)sin(h sinv)/r

31、180,当天线离地高度为h度时，垂直面上的等效天线和地面下的镜像天线组成的天线对的垂直面上点的相对合成场强可简化为：,t4r sin(h sinv)/r180,3.3 下滑天线,M型下滑天线的信号分配,3.3 下滑天线,CSB,3.3 下滑天线,SBO,3.3 下滑天线,CLR,3.3 下滑天线,三种天线阵的CSB信号场强比较,零基准和M型天线阵的下滑道比较示意图，由于M型天线阵在低角度的CSB辐射场强大大减小，地面障碍物对下滑道的影响也大大减弱了。,3.3 下滑天线,天线挂高,天线阵要求CSB信号在下滑道上幅度最大，下滑道一般要求3。设天线Al1/0、Al1/180，因此r必须等于90，即A1和A2的矢量各旋转90，在3上信号才能迭加，使t2(最大值)。h sin390。即 h sin31/4,3.3 下滑天线,SBO幅值,在下滑角()的0.12处，得到DDM=0.0875，则SBO与CSB的电压值之比为 DDM=2ESBO()/ECSB(),可以推出ESBO()/ECSB()=0.117,3.3 下滑天线,