CN108460241A - 一种仪表着陆系统扰动仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仪表着陆系统扰动仿真方法，包括以下步骤：步骤S100：获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型；步骤S200：构建并行隐式局部一维时域有限差分数学模型；步骤S300：通过云计算平台求解所述并行隐式局部一维时域有限差分数学模型，获得所述电磁环境模型的电场值；步骤S400：通过所述电场值获得调制度差。本发明的仪表着陆系统扰动仿真方法，降低了计算复杂度，还可以减少节点间的数据传输，降低带宽压力，使其在云平台上得以正常使用。

Description

一种仪表着陆系统扰动仿真方法

技术领域

本发明涉及民航设备领域，尤其涉及一种仪表着陆系统扰动仿真方法。

背景技术

随着航空业的发展，全球航班数量的逐渐增多，恶劣天气对航班的准点率的影响日益严重，仪表着陆系统越发引起空管的重视。仪表着陆系统(Instrument LandingSystem,ILS，又译为仪器降落系统，盲降系统)，是应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。它的作用是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径，飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位置，使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度，最终实现安全着陆。在仪表着陆系统的使用过程中，信号的扰动是不可避免的。因此，通过电磁仿真解决仪表着陆系统的扰动问题，成为了提高飞机进近引导的准确性的关键所在。

根据国际民用航空组织(ICAO)规定，仪表着陆系统必须在空旷场地使用。然而，受到场地的限制，现有大量跑道并不能满足国际民航组织对仪表着陆系统的标准。因此，电磁仿真算法受到了空管的重视。

在仪表着陆系统的使用过程中，调制度差(DDM，difference of degree ofmodulation)用以比较两个调制信号的大小。DDM值用于体现两个导航调制信号幅度的差异程度，利用这个差异程度就能够衡量飞机和跑道中心线的偏离程度。DDM可作为航向道和下滑道的引导基准。基于仪表着陆系统的电磁仿真可对航向道与下滑道的DDM进行近似计算。

DDM仿真研究可追述到20世纪70年代，当时，射线追踪法首次被提出用于DDM近似计算。虽然射线追踪法可以对DDM进行高效近似计算，但由于在计算过程中，电波被等效为射线束，电波经过尺寸与波长相近的物体时，容易产生仿真数据不精确的情况。

发明内容

针对现有技术在对DDM仿真计算时存在的问题，本发明实施例提供了一种仪表着陆系统扰动仿真方法。降低了计算复杂度，还可以减少节点间的数据传输，降低带宽压力，使其在云平台上得以正常使用。

本发明实施例提供的一种仪表着陆系统扰动仿真方法，包括以下步骤：

步骤S100：获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型；

步骤S200：构建并行隐式局部一维时域有限差分数学模型；

步骤S300：通过云计算平台求解所述并行隐式局部一维时域有限差分数学模型，获得所述电磁环境模型的电场值；

步骤S400：通过所述电场值获得调制度差。

本发明实施例提供的仪表着陆系统扰动仿真方法，通过获取机场的实际仿真区域，同时在构建仿真区域的三维模型时考虑实地环境，如地形、建筑分布等构建机场电磁环境模型，所构建的电磁环境模型非常接近机场的实际电磁环境。同时通过构建并行隐式局部一维时域有限差分数学模型，降低了计算的复杂度，减少了节点间的数据传输，降低带宽压力，从而可以通过云计算平台对该并行隐式局部一维时域有限差分数学模型进行求解，从而快速准确的获得电场值，从而快速求取精确的调制度差，实现对仪表着陆系统扰动的仿真计算。

优选地，步骤S100获取机场实际仿真区域，以及实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型，具体包括如下步骤：

步骤S110：根据机场实际仿真区域的实地环境，利用建模软件构建实际仿真区域的三维模型；其中，可利用现有的各种三维建模软件进行三维建模，如CAD、UG等，优选CAD软件，因为CAD软件已大量运用于各种基建和工程应用中，提供了更多的建模资源。如对于有些机场，可以直接导入前期已经建好的机场CAD三维模型图。

步骤S120：对三维模型进行网格划分；一种实现方式中，网格大小具体为盲降信号波长的1/20，即0.0455m*0.0455m*0.0455m。

步骤S130：对每块网格进行高度建模和电磁参数建模，组成区域电磁参数模型。当使用CAD软件建模时，调用CAD软件提供的API接口进行编程分析，对每块网格的相对介电常数、相对电导率和相对磁导率进行建模，构建区域电磁参数模型。

优选地，步骤S200构建并行隐式LOD-FDTD数学模型包括：

步骤S210：构建麦克斯韦方程组：

其中，E为电场，H为磁场，D为电位移，σ为电导率，μ为磁导率，ε为介电常数；

步骤S220：利用显式LOD-FDTD算法求解上述麦克斯韦方程组，构建显式方程组：

其中：

上述方程中，公式④至公式构成显式方程组。其中，x,y,z为三维方向坐标，n为当前时间点的步长，n+1/3为当前时间点加上1/3Δt时间的步长。

步骤S230：利用隐式LOD-FDTD算法求解所述麦克斯韦方程组，把方程代入方程⑧并套用Yee网格的差分形式，构建隐式方程组：

其中：

公式为隐式方程组。s为x、y、z其中之一，t为时间。

优选地，步骤S300通过云计算平台求解所述并行隐式局部一维时域有限差分数学模型，获得所述电磁环境模型的电场值，具体包括：

步骤S310：将隐式方程转化为矩阵A，并对矩阵A进行分解：

G是矩阵A的一个子对三角阵，U的每一列向量如下：

V的每一列向量如下：

3-2)Sherman-Morrison方程求解三对角方程

其中：

定义辅助向量公式：

当被求出来时，可化简为：

令由于G通过分布式分解，因此v通过以下方式计算：

其中U_i,j为U的第i块第j列；

求解上式时，每个列向量vi和都通过高级矢量扩展指令集(AVX)向量的方式封装，v_i通过单指令多数据流(SIMD)的方式采用Thomas算法求解；r＝VTz通过并行的方式进行求解；和zi被分配至每个计算节点的内存，每个节点对r_i计算完毕后，将其传输至节点0；节点0对r_i收集完毕后得出r，同时收集H中的所有元素；求解方程即可获得求得后，代入公式和⑤可求得和和是求解显式的，的求解是隐式的。

优选地，步骤S400通过所述电场值获得调制度差，具体包括：

步骤S410：通过下列方式初始化发射信号

公式和公式均为航向道和下滑道的天线发射信号，其中E_CSB表示载波及边带信号电场强度值，E_SBO表示边带信号电场强度值，A_c和A_s表示幅度值，m₁和m₂表示CSB信号的调制深度，n₁和n₂表示SBO信号的调制深度，ω₀表示载波频率，F_c(θ)和F_s(θ)分别表示CSB天线和SBO天线的方向系数，α＝2π/λ₀，λ₀为波长，r表示天线到接收机的距离，L为天线尺寸大小；

步骤S420：当接收机接收到CSB和SBO信号后，可通过以下方式解算DDM：

其中E_SBO表示SBO信号的电场强度值，E_CSB表示CSB信号的电场强度值，E_SBO表示SBO信号的电场强度，φ表示此两路信号的相位差。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时可实现如上所述的仪表着陆系统扰动仿真方法。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述的仪表着陆系统扰动仿真方法。

本发明述实施例提供的仪表着陆系统扰动仿真方法、计算机可读存储介质和电子设备，具有以下显著有益效果：

1)通过Sherman-Morrison方法对三对角线矩阵进行分解，使LOD-FDTD算法的分布式求解效率得以提升；

2)节点间只有r、H、t三组数据在进行传输，可大大降低云平台的带宽压力；

3)当CFLN(Courant Friedrichs Lewy Number，一般都写成CFL条件数)增大时，本算法与现有算法相比，具有结果不易发散的特点；

4)实验结果表明，本算法比传统的FDTD算法速度快2.4倍。

附图说明

图1为本发明实施例1中仪表着陆系统扰动仿真方法流程示意图；

图2为本发明实施例1中构建机场电磁环境模型方法流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例提供的一种仪表着陆系统扰动仿真方法，包括以下步骤：

步骤S100：获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型；

步骤S200：构建并行隐式局部一维时域有限差分数学模型；

步骤S300：通过云计算平台求解所述并行隐式局部一维时域有限差分数学模型，获得所述电磁环境模型的电场值；

步骤S400：通过所述电场值获得调制度差。

步骤S100获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型，具体如图2所示，包括：

步骤S110：根据机场实际仿真区域的实地环境，利用建模软件构建实际仿真区域的三维模型；其中，可利用现有的各种三维建模软件进行三维建模，如CAD、UG等，优选CAD软件，因为CAD软件已大量运用于各种基建和工程应用中，提供了更多的建模资源。如对于有些机场，可以直接导入前期已经建好的机场CAD三维模型图，从而可以提高建模的效率。同时，CAD软件还提供了API接口，可以通过调用API接口，通过编程实现功能的扩展。

根据机场的实地环境，具体为根据机场以及机场附近的地形地貌、建筑物、基础设施等实际存在的物体。

步骤S120：对三维模型进行网格划分；一种实现方式中，网格大小具体为盲降信号波长的1/20，即0.0455m*0.0455m*0.0455m。

步骤S130：对每块网格进行高度建模和电磁参数建模，组成区域电磁参数模型。当使用CAD软件建模时，调用CAD软件提供的API接口进行编程分析，对每块网格的相对介电常数、相对电导率和相对磁导率进行建模，构建区域电磁参数模型。

优选地，步骤S200构建并行隐式LOD-FDTD数学模型包括：

步骤S210：构建麦克斯韦方程组：

其中，E为电场，H为磁场，D为电位移，σ为电导率，μ为磁导率，ε为介电常数；

步骤S220：利用显式LOD-FDTD算法求解上述麦克斯韦方程组，构建显式方程组：

其中：

上述方程中，公式④至公式构成显式方程组。其中，x,y,z为三维方向坐标，n为当前时间点的步长，n+1/3为当前时间点加上1/3Δt时间的步长。

步骤S230：利用隐式LOD-FDTD算法求解所述麦克斯韦方程组，把方程代入方程⑧并套用Yee网格的差分形式，构建隐式方程组：

其中：

公式为隐式方程组。s为x、y、z其中之一，t为时间。

优选地，步骤S300通过云计算平台求解所述并行隐式局部一维时域有限差分数学模型，获得所述电磁环境模型的电场值，具体包括：

步骤S310：将隐式方程转化为矩阵A，并对矩阵A进行分解：

a_i＝de₁(i,j,k)，c_i＝de₁(i,j,k)；

G是矩阵A的一个子对三角阵，U的每一列向量如下：

V的每一列向量如下：

3-2)Sherman-Morrison方程求解三对角方程

其中：

定义辅助向量公式：

当被求出来时，可化简为：

令由于G通过分布式分解，因此v通过以下方式计算：

其中U_i,j为U的第i块第j列；

求解上式时，每个列向量v_i和都通过AVX向量的方式封装，v_i通过SIMD的方式采用Thomas算法求解；r＝V^Tz通过并行的方式进行求解；和z_i被分配至每个计算节点的内存，每个节点对r_i计算完毕后，将其传输至节点0；节点0对r_i收集完毕后得出r，同时收集H中的所有元素；求解方程即可获得求得后，代入公式和可求得和和是求解显式的，的求解是隐式的。通过上述显式方程和隐式方程，可以获得电场值。

优选地，步骤S400通过所述电场值获得调制度差，具体包括：

步骤S410：通过下列方式初始化发射信号

公式和公式均为航向道和下滑道的天线发射信号，其中E_CSB表示载波及边带信号电场强度值，E_SBO表示边带信号电场强度值，A_c和A_s表示幅度值，m₁和m₂表示CSB信号的调制深度，n₁和n₂表示SBO信号的调制深度，ω₀表示载波频率，F_c(θ)和F_s(θ)分别表示CSB天线和SBO天线的方向系数，α＝2π/λ₀，λ₀为波长，r表示天线到接收机的距离，L为天线尺寸大小；

步骤S420：当接收机接收到CSB和SBO信号后，可通过以下方式解算DDM：

其中E_SBO表示SBO信号的电场强度值，E_CSB表示CSB信号的电场强度值，E_SBO表示SBO信号的电场强度，φ表示此两路信号的相位差。

实施例2：

本发明实施例2还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时可实现如上所述的仪表着陆系统扰动仿真方法。

实施例3：

本发明实施例3还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述的仪表着陆系统扰动仿真方法。

本发明述实施例提供的仪表着陆系统扰动仿真方法、计算机可读存储介质和电子设备，具有以下显著有益效果：

1)通过Sherman-Morrison方法对三对角线矩阵进行分解，使LOD-FDTD算法的分布式求解效率得以提升；

2)节点间只有r、H、t三组数据在进行传输，可大大降低云平台的带宽压力；

3)当CFLN增大时，本算法与现有算法相比，具有结果不易发散的特点；

4)实验结果表明，本算法比传统的FDTD算法速度快2.4倍。

其中，计算机程序可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或系统、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种仪表着陆系统扰动仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型；

步骤S200：构建并行隐式局部一维时域有限差分数学模型；

步骤S300：通过云计算平台求解所述并行隐式局部一维时域有限差分数学模型，获得所述电磁环境模型的电场值；

步骤S400：通过所述电场值获得调制度差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S100获取机场实际仿真区域，以及所述实际仿真区域的实地环境，构建机场电磁环境模型，具体包括如下步骤：

步骤S110：根据所述机场实际仿真区域的实地环境，利用建模软件构建所述实际仿真区域的三维模型；

步骤S120：对所述三维模型进行网格划分；

步骤S130：对每块网格进行电磁参数建模，构建区域电磁参数模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S120中，网格大小具体为盲降信号波长的1/20。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述网格大小为0.0455m*0.0455m*0.0455m。

5.如权利要求2至4任一所述的方法，其特征在于，步骤S110中，利用CAD软件构建所述实际仿真区域的三维模型；

所述步骤S130中，调用CAD软件提供的API接口进行编程分析，对每块网格的相对介电常数、相对电导率和相对磁导率进行建模，构建区域电磁参数模型。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S200构建并行隐式LOD-FDTD数学模型包括：

步骤S210：构建麦克斯韦方程组：

其中，E为电场，H为磁场，D为电位移，σ为电导率，μ为磁导率，ε为介电常数；

步骤S220：利用显式LOD-FDTD算法求解所述麦克斯韦方程组，构建显式方程组：

其中：

x,y,z为三维方向坐标，n为当前时间点的步长，n+1/3为当前时间点加上1/3Δt时间的步长；

步骤S230：利用隐式LOD-FDTD算法求解所述麦克斯韦方程组，把方程代入方程⑧并套用Yee网格的差分形式，构建隐式方程组：

其中：

s为x、y、z其中之一，t为时间。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S300通过云计算平台求解所述并行隐式局部一维时域有限差分数学模型，获得所述电磁环境模型的电场值，具体包括：

步骤S310：将隐式方程转化为矩阵A，并对矩阵A进行分解：

G是矩阵A的一个子对三角阵，U的每一列向量如下：

V的每一列向量如下：

3-2)Sherman-Morrison方程求解三对角方程

其中：

定义辅助向量公式：

当被求出来时，可化简为：

令由于G通过分布式分解，因此v通过以下方式计算：

其中U_i,j为U的第i块第j列；

求解公式时，每个列向量v_i和都通过AVX向量的方式封装，v_i通过SIMD的方式采用Thomas算法求解；r＝V^Tz通过并行的方式进行求解；和z_i被分配至每个计算节点的内存，每个节点对r_i计算完毕后，将其传输至节点0；节点0对r_i收集完毕后得出r，同时收集H中的所有元素；求解方程即可获得求得后，代入公式和⑤可求得和

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S400通过所述电场值获得调制度差，具体包括：

步骤S410：通过下列方式初始化发射信号

公式和公式均为航向道和下滑道的天线发射信号，其中E_CSB表示载波及边带信号电场强度值，E_SBO表示边带信号电场强度值，A_c和A_s表示幅度值，m₁和m₂表示CSB信号的调制深度，n₁和n₂表示SBO信号的调制深度，ω₀表示载波频率，F_c(θ)和F_s(θ)分别表示CSB天线和SBO天线的方向系数，α＝2π/λ₀，λ₀为波长，r表示天线到接收机的距离，L为天线尺寸大小；

步骤S420：当接收机接收到CSB和SBO信号后，可通过以下方式解算DDM：

其中E_SBO表示SBO信号的电场强度值，E_CSB表示CSB信号的电场强度值，E_SBO表示SBO信号的电场强度，φ表示此两路信号的相位差。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时可实现如权利要求1至8任意一项所述的仪表着陆系统扰动仿真方法。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-8任意一项所述的仪表着陆系统扰动仿真方法。