CN1004943B - 改进的仪表着陆系统 - Google Patents

Abstract

在一个单频精确制导着陆系统中，利用飞机上的测距询问机和地面设施的测距接收机，将其均调谐到同一测距频率上以专一询问一个选定的地面站，并通过其回答与飞机的询问同步这一特点来识别该地面站，询问与回管还被用于获得到地面设施的距离，该技术利用已装备的机载测距询问机来选择性询问所希望的着陆设施，由此消除任何为飞机增加附加专用设备的需要，以实现由本发明达到的所希望的专一询问及地面设施的识别。

Description

改进的仪表着陆系统

本发明涉及一种改进的仪表着陆系统，更具体地说，涉及对一种着陆系统的改进，在该着陆系统中所有的设备均在同一频率上依次发射制导脉冲，该改进允许一架进场飞机对这种同一频率着陆系统的地面设施进行专一询问並由此进行识别。

在这种单频率着陆系统的地面设施远离其它类似设备而设置的情况下。一架进场飞机设有必要专一地询问並由此识别该地面设备。然而，在着陆的地理位置上有多个类似着陆设施相对较近地设置在一起时，必须提供对一个这种同一频率设备进行专一询问和识别的手段以将其与附近的其它设备相区别。

在常规的着陆系统中，例如上述仪表着陆系统（ILS）和微波着陆系统（MLS）中，通过从一个频带中将不同频率专门分配给每一不同的设施，並将机载单元调谐到选定设施的频率上而建立起进场飞机和特定的地面设施之间的专一识别和信号交换。在我的题为“独立的着陆监测系统”的4，429，312号美国专利中讨论了同一频率着陆设施的一种不同类型的识别方式，其中向飞机发射的某些信号是用于识别该设施的编码脉冲。

在本发明中，地面设施的识别是通过专一询问技术而建立，此外，本发明提供了由着陆系统进行的改进了的距离数据发生方式，其中改进了的测距方式与在此公开的专一询问和站识别技术相关。

对一个着陆系统所非常希望的特性是其提供着陆距离的能力，由此而提供可用于三个主要目的的距离数据。第一个目的是提供距离数据以向驾驶员发出接近着陆的警报。第二个目的是随着飞机到着陆点的距离缩短而提供自动减小着陆设施增益的装置以便维持环路的稳定性，这经常被称为“航线软化”（Course Softening）。第三个目的在于提供距离数据，该数据与着陆系统提供的仰角数据一起被用于确定进场过程中在跑道上方的高度。

在常规的仪表着陆系统中，到着陆点的距离通常是由地面上与着陆点有确定距离的标志信标来提供。这些信标发射出垂直的扇形波束，而进场飞机通过该波束。飞机上以此获得的距离信息用于向驾驶员报警並用于“航线软化”目的。

在微波着陆系统（MLS）和仪表着陆系统（ILS）的实践中，由常规的战术导航/测距询问机提供了另一种更精确的测距方式，几乎所有飞机上都载有这种询问机。机载的战术导航/测距装置询问与MLS或ILS地面设施共同设置的测距信标並从其接收采用通常的测距技术的直接距离测量值。在1000MHz范围内将252个频道的一个频带分配给测距单元，该频带与目前采用的分配给ILS系统的100-300MHz的频带或分配给MLS系统的5000-5250MHz的频带相分离。

为了某些着陆操作，要求有非常精确的距离测量，为这一目的而采用一种精密测距装置，通常称之为PDME。该PDME类似于常规的测距装置DME，但采用了上升时间更快的脉冲以获得更高的精确度。为了获得所要求的非常精确的距离测量，飞机上必须采用该PDME系统，这就使飞机增加了在机上安装适当的PDME机载设施的额外负担。我的4，429，312号美国专利所揭示的内容提供了在着陆系统中获得精确距离的另一技术。在所公开的内容中，距离测量是利用气象雷达询问着陆系统的地面设施並触发脉冲式角制导信号的发送。这些脉冲的回答信号与气象雷达的询问信号同步並以常规的方式进行距离追踪以便在飞机上提供精确距离。通过使用上升时间迅速的脉冲可获得更高精确度的距离测量值。

以上两种识别地面站设施的方式（即频率选择或脉冲串编码）均要求附加可调整的座舱控制，以便调谐到地面设施的频率上或用于选择从该地面站发射的信号的解码方式。通过标志信标或DME装置测量距离要求为着陆系统地面设施设置适当的标志信标或DME信标。非常精确的距离测量要求在机上或地面均附加特殊的PDME装置。而使用气象雷达提供精确距离（如在我的4，429，312号美国专利中所提出的方式）则不再需要附加的PDME装置，但並非所有的飞机都载有气象雷达。因此，所有常规的着陆系统都倾向于要求或者附加机载装置，或是座航控制，或是两者都要，以此获得与一个选定的地面设施的专一通讯。

广义地说，一个着陆系统並非一定要使用多个不同的频率，因为在所有设施位置上的工作通常是在单一频率上进行。单频率工作是一个优点，因为假如实际的着陆制导系统可对不同的位置总是以同一频率工作，则由于接收机可用固定频率而使机载设备的复杂性有可能极大的简化。仅使用在仪表飞行规则的飞机上已安装的机载设备以着陆系统的一个固定频率既获得站选择又获得距离数据的技术将不再需要在飞机上安装任何附加的频道选择开关或译码器控制开关，因此将导致机载着陆系统设备的极大简化和低成本。

本发明涉及一种改进的着陆系统，其中地面设施对一架进场飞机的询问作出的响应包括多组制导脉冲，该脉冲是在用于所有地面设施的同一频率上发射。由于按仪表飞行规则（IFR）装备的飞机总是包括一个DME询问机，本发明揭示的内容是用已安装在飞机上的DME询问机来询问在选定的地面设施上的DME接收机，用对DME接收机的输出触发至少某些制导脉冲响应的发射。由于存在着252个DME频道，因此，在任何特定的地理位置上，总有一定数目未利用的频道可供使用，而一个这种可用频道可专门分配给每一着陆系统设施以便由专一询问技术对其进行识别。

实际上，飞机驾驶员从发布的航行资料中可获得正确的频道以便在他的DME询问机上选择触发他打算接近的地面设施。然后，他的DME询问机将周期地询问地面设施的战术导航/测距接收机，该接收机通过连线触发地面设施的定时和切换电路，然后该电路适当地驱动所选定的地面设施的脉冲发射机以开始精确导航信号的发射。这样，通过选择不同的DME频道，驾驶员可专一地选择不同的着陆系统设施来引导他进场。

在飞机上，除了DME询问机外，将有一个接收地面设施脉冲响应的固定调谐的接收机，和一个编程处理器，该处理器接受一个定时信号以便向其表明何时机载DME询问机向地面设施发送询问以触发其制导信号响应。因此，该机载处理器能够识别来自选定地面设施（即，由该飞机询问的设施）的所需信号，並区别于来自其它飞机的询问或来自其它地面设施所产生的其它同频率信号。从所需信号与飞机自身发出的询问同步这一事实可作出该识别，並由此可进行距离追踪，这样飞机仅使用其距离追踪门内的响应脉冲。在该系统中，来自飞机的地面设施询问信号将在252个标准DME频道中的一个适当频道上发送，但来自地面设施的脉冲响应将在一个不同的频带内（即，在由所有这种类型的着陆系统所使用的一个特定单频上）。这样，该系统使用不同频带的询问和响应频率。根据对地面设施的DME询问信号与接收到地面设施的脉冲响应之间的时间延迟而获得着陆点的距离。

因此，基本的识别技术包括仅对与飞机自己对选定地面站的询问同步的响应进行距离追踪和处理，並且在这一方面类似于常规的DME功能，其中所接收的非同步信号被忽略。因此，在其它同频率站存在的情况下有可能使多架飞机同时使用一个选定的着陆站，並且在无相互干扰的情况下获得精确的角制导和距离，因为它们的询问相互间将是随机的关系。然而，一个基本的区别是该系统使用不同频率的发送，即，以一个DME频道询问，而在一个更适合于发射精确的着陆制导波束的不同频带上进行响应，被询问的特定地面站将通过选择已分配给它的特定DME频道来确定。

由于事实上作为对每一询问的回答而发射並用于在飞机上测距的信号可利用上升时间快的脉冲，与常规DME应答的缓慢上升时间相比，根据本发明的测距技术的精确性得到改善。通过仅利用一个频道进行发送，因此可使该单一频道较宽以便容纳更快的上升时间，从而有助于利用上升时间快的脉冲响应。

还应指出，在此公开的一个使用DME询问机触发来自地面设施的精确制导响应的系统中，这种地面设施仍可任意地发射定时的精确制导配对信号，该信号由本地的间歇振荡发生器启动以便由不包括机载询问机的飞机使用。这种地面设施可用于在直接地理邻近区内不包括其它类似的，有可能产生干扰的系统的地区。间歇振荡器的运行可类似于一般的战术导航/测距装置的运行，並具有在我的4，429，312号美国专利中所描述的一个替换实施方案的一般类型。间歇振荡器启动的精确制导序列应当还包括一个全向发射的信号，该信号仍进行编码以识别该地面装置。应当注意：总的来说，只有从被选择性询问的地面站发出的信号将进入距离追踪门之内並进行处理。然而，在偶然情况下，来自其它附近的地面设施的同频率信号也可进入追踪门，因此，如果它被处理，将会产生制导误差，因为它们实际上是在提供到另一位置的制导信号。已有人所共知的技术来使这一问题减为最小。即，平均和“野点”（Wild Point）消除技术。

本发明的一个主要目的是在单一频率的精确制导着陆系统中提供对一个选定的地面站进行专一询问的能力並通过该地面站的响应与飞机上的询问同步的特点来识别该地面站。这一技术利用已有的机载DME询问机通过分配给每一不同着陆设施的不同DME频道专一询问每一设施，由此消除为获得这种专一询问和识别对飞机增加任何附加专用设备的需要。

本发明的一个附加目的是通过利用在所有具备仪表飞行规则能力的飞机上已经包括的设备来减少机载设备的复杂性和初始安装及维修的成本，以达到精确制导着陆设施的专一询问，並利用飞机上的机载DME询问机，固定频率接收机和着陆制导处理器的结合来测量地面站的距离並仅处理用于制导目的的距离追踪响应。目前，无论是机载的或地面的，在DME设备和着陆系统制导设施之间都没有有线的相互连接和协同工作。本发明提出了它们的相互连接以实现减少着陆系统设施的复杂性并减少相关的成本和重量，同时提供通过频率选择的特定的地面精确着陆设施，并获得相关的明确识别和测距。

本发明的其它目的和优点将在以下对附图的讨论中显示出来。

图1是一个典型的先有技术着陆系统的框图，包括地面的和机载的设施;和

图2是类似于图1的框图，但示出了根据本发明的改进。

虽然本发明提供的技术可应于很多不同的着陆系统，因而它並不限于对我的4，429，312号美国专利中示出和描述的那种精确着陆系统的改进，本改进系统的一个较佳实施方案将参照上述专利的着陆系统给予说明和描述。

如上述专利中所示，並在其第8和第9栏中所述，该专利系统提供了一个地面精确着陆制导设施。该设施从沿着进场路径指向着陆飞机的多个分离天线发射出局部区域的倾斜滑翔制导波束。该波束在飞机上被接收並处理以复原向飞行员提供的着陆指示信号。在4，429，312号专利所示的系统中，该地面系统可被触发以响应于来自进场飞机、由其气象雷达发送的询问，或者它可以自由运行並由不具备气象雷达的进场飞机简单地接收和利用。前一类型的触发系统是本改进所针对的系统，因此，着陆系统工作的自由运行方式将不再给予讨论。

图1示出4，429，312号专利中基本的精确着陆制导系统，该系统包括具有精确制导定位天线波束模式23和24（标为B和C）用于横向飞机制导的两个指向天线21和22。地面设施还包括发出全向模式25的非指向天线5。这些天线5、21和22由开关26和电缆27连接到雷达信标6，该信标通常包括一个发射机32和接收机30，並且还包括定时和切换电路29，该电路控制开关26並启动发射机32的输出。该地面设施还进一步包括用于纵向倾斜滑翔制导的两个指向天线33和34，以便发射成对的精确倾斜滑翔制导波束33a和34a（标为D和E），这些天线同样通过天线开关26连接到发射机32。用于横向制导的天线21和22的成对波束模式相互重叠以使它们沿着跑道的延伸中线CL提供强度均等的信号。这样，如果在机载装置上接收的两个天线的信号强度相等，则必定在横向上位于跑道中线上方。同样，两个成对的倾斜滑翔天线33和34的指向天线模式是相对于一个预定的滑翔斜率（通常为3°）之上和之下並列和部分重叠，以此使飞机精确地沿该滑翔斜率进场，在飞机上从这些成对天线33和34接收的信号强度将相等。这样，对于一个在航线上的进场动作，飞机上接收的所有四个制导信号的强度都将相等。然而，在所希望的进场航线上向上或向下，或者是向左或向右的偏差均将引起接收机所接收的成对信号的不平衡，这向飞行员表明飞机从所希望航线上已偏差的方向。这一运行在4，429，312号专利中得到完整的描述。

根据该专利的系统的机载装置在图1的右侧示出，其中包括一个通过天线3发射和接收的气象雷达。该雷达一般包括一个雷达发射机1，一个雷达接收机7，一个信标接收机8，一个开关10，和一个常规的雷达指示器11。开关10被用于将雷达指示器11与雷达接收机7连接以显示常规的雷达回波，或与信标接收机8连接以显示信标返回信号，这些在本领域内均为人所知。信标接收机8还与一个距离门和航行处理器15连接，该处理器向与其连接的距离阅读器18和航线偏差指示器20提供距离数据。机载雷达发射机I被用于通过发送一个触发信号T而触发一个来自地面设施的响应序列，该触发信号由全向天线5接收並通过地面接收机30送给定时和切换电路29，然后该电路启动地面设施的响应序列。这一响应序列包括多个依次送出的发射。首先，定时和切换电路29通过全向天线5从发射机发送一个编码串参考信号A以识别地面设施，並且还提供飞机上的距离信息以及一个信号，该信号的强度被用于设定飞机上接收机的增益以保持机载接收机在其响应特性的线性部分内工作。在一个由定时和切换电路确定的固定延时之后，开关26依次分步骤地将发射机32轮流与四个定向天线中每一个相连接以发出包括右和左成对定位脉冲的响应R，並发出上和下成对倾斜滑翔脉冲。这些脉冲每次发生一个並保持相互间的适当延时。可调衰减器44用于平衡天线激励，这样，当飞机准确地处于着陆航线上时，这些制导信号全部具有相等的幅值。如在4，429，312号专利中所述。四个制导信号的序列是预定的並固定的，这样飞机可通过它们连接的次序来识别这些信号。

在图1中这些精确制导波束B、C、D和E中发射的脉冲，加上从全向天线发射的参考信号族A，在机载天线3被接收，並由信标接收机8送往飞机上的处理器15。处理器15被编程以利用参考信号A确定距离並将其显示在距离读出器18上，並利用精确着陆信号B、C、D和E来产生並向航线偏差指示器20发出输出信号，该信号示出飞机相对于所希望进场路径的位置。这些技术限定了一种类型的先有技术系统，对于该系统，本发明寻求进行改进。

当飞机具有询问地面设施的气象雷达，並且已为雷达增加了一个解码电路连同在座舱内进行站选择的一个适当的代码选择开关时，图1所示的精确制导系统一般是令人满意的。然而，並非所有飞机都具有询问地面设施的气象雷达，另外经常是不希望在一个已经过分拥挤的座舱内增加一个代码选择开关（例如，在一架战斗机中）。此外，在一个邻近的地理区域内有几个飞机场的地方，和/或在同一飞机场有几个这种类型的着陆设施时，来自所有这些着陆系统的同一频率的信号可同步地到达飞机上。因而不能被适当地分离开以达到专一距离追踪和产生制导信号的目的。这基本上是困扰着由联邦航空署为了空中交通管制目的而采用的常规雷达/信标系统（空中交通管制雷达信标系统ATCRBS）的同一问题。它被称为“混淆”。于是，4，429，312号专利的气象雷达技术及相关的识别代码就非常适用于隔绝的遥远地点，如近海石油钻探台，但不能适用于在邻近区域有很多同频率着陆系统的地区。问题主要是由于这些系统和机载雷达全使用同一频率，並且没有办法去唯一地触发某一特定的设施。因此，总是存在所不希望的触发一个邻近设施的危险，其结果是飞机上将同步地接收到从两个位置到达飞机上的混淆的响应。

图2示出根据本发明的系统，本发明改进了图1所示的先有技术系统。正如本说明书上文中所指出，在任何特定的地理位置上，252个战术导航/测距频道当中可随时使用的频道数总是远远大于正在实际使用的数目。另外，几乎所有的飞机都已在机上具备了战术导航或测距装置的能力，而很多轻型飞机和军用飞机可能设有机载的气象雷达，图1所示的先有技术系统都要求有气象雷达。

本发明提出，通过使用已经装在飞机上的战术导航或测距询问机50来触发一个选定地面设施的响应。机载DME询问机进行自由运行，这样它将利用在该地理位置没有使用的一个频道重复地触发该地面设施，为了实现本发明，该地面设施必须配有一个由常规调谐控制器62调谐到专门分配给它的这一频道上的一个战术导航/测距接收机60。该战术导航/测距接收机60的运行可通过定时和切换电路29触发发射机32。该战术导航/测距接收机60具有其自己的天线64，该天线适用于接收由战术导航/测距装置使用的1000MHz范围内的信号，並且该接收机通过线66（在功能上对应于图1中的触发线31）对每一接收到的询问信号输出触发信号，以驱动定时和切换电路29。如图1中的情况，定时和切换电路29将开关26置于正确的位置，提供延迟，並驱动发射机发送定向编码参考信号A，其后是两组成对的定向信号B和C，以及D和E。

在飞机上，DME单元50可由控制器52调谐到驾驶员选择的任一频道上以便能触发所希望的地面设施。然后战术导航/测距询问机50将继续周期性地触发该地面设施，这样从该地面设施返回的信号将相对于来自该特定飞机的询问信号保持同步，並由此在飞机上将其识别为所关心的返回信号，並与来自附近区域的同一或其它邻近地面设施的同频率非同步返回信号区别开。该机载设施还将包括一个与图1对应的机载接收机8，它被调谐到可接收来自地面设施的定向参考信号A和成对的定向信号B和C，以及D和E，战术导航/测距询问机50由线13连接以向航行处理器15发出一个定时信号，由此表明何时送出它的询问信号。处理器15利用这一定时信号和从地面设施接收的定向参考信号A来确定到该地面设施的距离並将其显示在距离阅读器18上。另外，该处理器包括一个对所有地面设施响应信号追踪的距离门，这些响应信号包括来自地面设施的定向信号A和成对的定向信号B和C以及D和E。对定向信号进行处理以便利用航线偏差指示器20的可见显示向驾驶员给出精确制导，该指示器与图1所示相同。然而，偶尔有来自选定着陆设施或附近的其它着陆设施的其它同频率信号会进入该距离门，正象在常规DME距离测踪时所发生的情况。由于这些信号相对来说很少发生，在与来自选定地面设施的所希望的信号求平均后这些同步频率信号的作用将很小。然而，通过将进入距离门的所有接收信号的值存入计算机存储器，可进一步将这些微小的作用缩小，並为制导的目的，仅利用落入所有信号动态平均值的预定范围内的存储信号，这被称为“野点”编辑。这样，在地面上，图1的雷达接收机30由一个战术导航/测距接收机60所代替，而在天上，雷达发射机1和接收机7由一个战术导航/测距询问机50所代替，结果是在同一时刻可通过对其自己分配的频道专一地询问某一地面设施。

本发明並不限于所示和所述的实施方案，因为在所附权利要求的范围内可以进行多种修改。

Claims (10)

1、一个改进的着陆系统，用于使飞机沿一条包括预定的滑翔斜率和中心线在内的较佳着陆制导路径而着陆，该着陆系统的类型为具有多个地面设施，每一设施包括一个响应于从着陆飞机接收到的询问信号而工作的触发输入，以此启动一个发射机向该飞机发送一个响应序列，该响应包括通过沿该制导路径定向的定向天线发送精确制导信号，并且该着陆系统具有多个机载设施，每一设施包括用于接收上述响应的装置和对其进行处理以提供引导飞机着陆的制导信号的装置，其特征在于：

（a）在每一相关的地面设施内，一个战术导航/测距接收机被调谐到分配给该特定地面设施的一个测距频率上，该战术导航/测距接收机具有响应于接收到的询问信号而发生的触发输出，该输出被连接到该地面设施的触发输入端;和

（b）在每一相关的飞机上，一个机载设施包括一个战术导航/测距询问机和用于向地面设施发送询问信号的天线装置，该询问机可调谐到指定的测距频率上，以此选择并专一地询问一个特定的地面设施，并且该询问机具有一个与机载处理装置相连的定时信号输出，用于指示每一询问信号发送的时刻，由此所接收的对询问信号的响应将与特定机载设施产生的询问信号同步。

2、一个如权利要求1所要求的改进的着陆系统，其特征在于：从地面设施响应于飞机的询问信号而向其发送的响应序列包括由地面设施在接收到一个询问信号的时刻发送出的一个参考信号，并且，其中所述机载处理装置包括根据询问信号的发送与地面设施的参考响应的接收时刻之间的时间间隔确定从飞机到被询问地面设施的距离的装置。

3、一个如权利要求2所要求的改进的着陆系统，其特征在于：所述机载处理装置进一步包括响应于定时信号和上述响应到达飞机的次数的距离追踪门装置，上述响应包括所述参考信号和响应于上述询问信号而发送的所述制导信号序列，并且该处理器的工作仅处理在上述距离门装置之内追踪的信号。

4、一个如权利要求2所要求的改进的着陆系统，其特征在于：每一地面设施包括一个全向一定向天线，上述参考信号是由该地面设施通过该全向一定向天线发射。

5、一个如权利要求2所要求的改进的着陆系统，其特征在于：由地面设施发射的所述参考信号被编码以识别相应的地面设施。

6、一个如权利要求1所要求的改进的着陆系统，其特征在于：地面设施的制导天线包括多个配对安排的定向辐射装置在工作时在制导路径周围发射制导信号波束，所述辐射装置包括在水平方向指向中心线两侧并相互重叠的成对定位辐射装置，还进一步包括指向上述预定滑翔斜率之上和之下并相互重叠的成对滑翔斜率辐射装置：其中每一地面设施包括信号定时和切换装置，它又包括与战术导航/测距接收机的输出相连接的上述触发输入以便在接收到询问信号时由其触发，该定时和切换装置的工作是将不同的定向辐射装置连接到发射机装置上以辐射出来自相应定位和滑翔斜率辐射装置的一个响应中的每一连续制导信号波束。

7、一个如权利要求1所要求的改进的着陆系统，其特征在于：询问信号是从飞机上在所分配的测距频带内发射，并且其中的制导信号是从地面设施在分配给该着陆系统的不同频率上发射。

8、一个如权利要求7所要求的改进的着陆系统，其中每一机载设施包括用于指示飞机与着陆路径偏差的上述指示装置，并进一步包括一个信号处理器，该处理器响应于从机载接收装置接收的制导信号并响应于它们在每一序列中的时间位置而工作，以将所接收的制导信号波束配对并比较每一对信号的强度以产生用于指示与上述着陆路径偏差的输出信号並将其送往指示装置。

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