CN109798919B - 一种下滑天线入口高度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下滑天线入口高度的测试方法，其包括：确定下滑天线的位置；设定下滑天线的工作频段；确定跑道的方向；设定理论下滑道，并在该理论下滑道上设定入口高度采样区；设定无人机的飞行参数；开启所述下滑天线；控制该无人机依次在所述各个测试点上探测ddm零点；根据地形特点以及所述各个ddm零点分布的实际情况，采用针对性的拟合方法对所述各个ddm零点进行线性拟合以获得线性回归方程；以及根据所述线性回归方程，计算获得所述跑道入口点的高度。本发明利用无人机可以在空中悬停方法，并可以通过主动微调位置寻找理论下滑道上ddm零点的位置，实现了高精度截获真实下滑道参数的目的。

Description

一种下滑天线入口高度的测试方法

技术领域

本发明涉及航空无线电测量技术，尤其涉及一种下滑天线入口高度的测试方法。

背景技术

导航设备为飞机提供着陆引导信号，在传统的进近方式具有重要地位，进近的方式有目视进近、非精密进近和精密进近，其中，下滑信标可以提供精密进近，对其设备辐射的外场信号质量的要求也十分严格。对于航空事故而言，飞机在起飞和着陆过程的事故率位居榜首，由于下滑信标辐射的空间信号给飞机着陆提供垂直方向的引导信息，故而对其垂直面上主要参数检测显得尤为重要。

对于新建机场或更新了下滑天线的情况而言，受到场地和安装等原因，下滑天线的入口高度往往不能达标，即使达标，这个值也不是很理想，需要反复调节天线，而且无法一步到位，需要经历一个调节→测量→…→再调节→再测量的循环过程，直到结果满意为止。在调节过程中，需要人工爬到十多米高的天线处，进行机械化操作，每一次调整都需要占用一定的时间。然而，由于空间的限制，若想测试下滑天线辐射信号所提供的入口高度，根据飞行校验规则，测试范围需要延升至天线阵前方近两公里的区域。另外，由于飞机在最后着陆过程中，降落的下滑角度是相对固定的，与水平面成3°的仰角，需要一定的测试高度，对于两公里的距离，对应高度近100m，地面站实际测量中，具有一定的难度。

目前判定入口高度的有效方法是进行飞行校验，其特点是需要调整天线的话，整个飞行耗时长，消耗资源极大，需要沟通协调的部门多。除飞行校验之外，有些辅助测试方法：使用外场测试天线，通过定点定高做单一的测量，或者在近场监控天线位置，在标有刻度的固定支架上，上下移动天线，记录连续的测试数据。但是这些辅助方法都是地面测试，对于测量高度有极大的限制，其次是测试的位置也相对单一，若想在不同距离和高度对空间信号采样，由于机场环境的限制，测试位置的选择也有一定困难。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种下滑天线入口高度的测试方法，以不受地空的高度和距离束缚，实现下滑天线的高空测量和准确定位，并使测试过程变得简单便捷，同时获取更合理的入口高度。

本发明所述的一种下滑天线入口高度的测试方法，其包括以下步骤：

步骤S1，确定下滑天线的位置；

步骤S2，设定下滑天线的工作频段；

步骤S3，确定跑道的方向；

步骤S4，根据所述跑道的方向和所述下滑天线的位置，以所述跑道的中心线与一经过所述下滑天线的一基座的中心点并与所述跑道的中心线垂直相交的垂直面之间的交点为端点，在所述跑道的方向上作一与水平面成一预设仰角的射线，以该射线作为理论下滑道，并在该理论下滑道上设定入口高度采样区；

步骤S5，设定无人机的飞行参数，包括：确定所述跑道的中心线上的跑道入口点的经度和纬度，确定分布在所述入口高度采样区中的测试点的数量以及各个测试点的经度、纬度、高度以及各个测试点相对于所述跑道入口点的水平距离；

步骤S6，开启所述下滑天线，使其向空间辐射信号；

步骤S7，根据所述无人机的飞行参数，控制该无人机依次在所述各个测试点上探测ddm零点，并记录各个ddm零点的经度、纬度、高度以及各个ddm零点相对于所述跑道入口点的水平距离；

步骤S8，以所述各个ddm零点相对于所述跑道入口点的水平距离为横坐标，以所述各个ddm零点的高度为纵坐标，根据所述各个ddm零点的分布特性确定拟合方法，以对所述各个ddm零点进行线性拟合并获得线性回归方程；以及

步骤S9，根据所述线性回归方程，计算获得所述跑道入口点的高度。

在上述的下滑天线入口高度的测试方法中，所述步骤S1包括：通过使用GPS设备确定所述下滑天线的经度和纬度，通过气压式高度计确定所述基座的底端的海拔高度；

在上述的下滑天线入口高度的测试方法中，所述步骤S4包括：将所述理论下滑道上的在水平方向上距离所述跑道入口点1830m的起始采样点B与距离所述跑道入口点300m的终止采样点之间的区域作为所述入口高度采样区。

在上述的下滑天线入口高度的测试方法中，所述预设仰角为3°。

在上述的下滑天线入口高度的测试方法中，所述测试点的数量不少于50个。

在上述的下滑天线入口高度的测试方法中，所述步骤S5包括：根据公式(1)确定所述各个测试点相对于所述跑道入口点的水平距离D：

D＝R*[(Bj-Tj)²+(Bw-Tw)²]^0.5 (1)

其中，R表示地球半径，Bj表示测试点的经度，Tj表示跑道入口点的经度，Bw表示测试点的纬度，Tw表示跑道入口点的纬度。

在上述的下滑天线入口高度的测试方法中，所述步骤S7包括：每当所述无人机到达一个测试点后，在该测试点上通过所述无人机上的机载接收装置检测所述下滑天线辐射出的信号，并将检测到的信号传输至地面设备，经该地面设备处理后获得对应的ddm值，若该ddm值大于零，则控制所述无人机向上飞行，否则向下飞行，反复调整所述无人机的飞行高度，直至该ddm值的绝对值小于0.001时，将所述无人机此刻所在的位置点作为ddm零点。

在上述的下滑天线入口高度的测试方法中，所述步骤S8包括：所述各个ddm零点相对于所述跑道入口点的水平距离与所述各个测试点相对于所述跑道入口点的水平距离一致；

构建数学模型为：

y_i＝β₀+β₁x_i+ε_i(i＝1,2,…,n) (2)

其中，(x_i,y_i)表示第i个ddm零点相对于所述跑道入口点的水平距离和第i个ddm零点的高度，ε_i表示随机误差，β₀表示截距，β₁表示斜率，n表示ddm零点的数量；

根据公式(2)建立拟合曲线为：

其中，

表示截距β₀的估算值，

表示斜率

的估算值；

根据公式(2)、(3)，获得残差e_i为：

根据所述下滑天线正前方的地形条件，选择根据公式(5)或公式(6)求得

和

将

和

代入公式(3)中，以获得所述线性回归方程。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用无人机可以在空中悬停，即实现了在同一经纬度上进行高度的调整，从而通过主动微调位置寻找理论下滑道上ddm零点的位置，实现了高精度截获真实下滑道参数的目的，本发明相比于飞行校验飞机专门检测入口高度，大幅度提高了测试效率，缩减了测试成本，另外通过最小一乘法拟合方式的引入，有效提升了不规则地形下的实际测试结果。本发明可以突破以往对高度和距离测量的约束，从而能够精确捕获相对于下滑天线较远距离下真实分布信号(包括ddm零点)，相比于飞行校验飞机，可以避免在高速飞行情况下偏离下滑轨迹，消除了因飞行姿态而引起的测试结果偏差。提高下滑天线的运行质量，进而为管制精密近进提供了有力保障。

附图说明

图1a、1b分别是本发明一种下滑天线入口高度的测试方法中无人机的飞行姿态俯视图和侧视图；

图2是本发明一种下滑天线入口高度的测试方法中无人机的ddm零点与拟合得到的下滑天线入口高度的关系示意图(其中，多个空心圆点表示ddm零点的对应位置，实线直线表示距离跑道入口300m～1830m区间所捕获的ddm零点，通过最小二乘法拟合得出的线性回归曲线，1个实心圆点表示拟合曲线的入口对应高度值，即所需测量的入口高度)。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

本发明，即下滑天线入口高度的测试方法，其包括以下步骤：

步骤S1，确定下滑天线的位置，包括：通过使用GPS设备确定下滑天线的经度和纬度，通过气压式高度计确定下滑天线的基座底端的海拔高度；

步骤S2，设定下滑天线的工作频段；此处下滑天线的工作频段可以是目下滑天线所在台站对应的工作频段；

步骤S3，确定跑道方向，以用于进一步确定跑道中心线延长线所在方位角度，即图1b中3°仰角所在方位；

步骤S4，根据跑道方向和下滑天线的位置，设定理论下滑道，并在该理论下滑道上设定入口高度采样区，同时确定该入口高度采样区的经度、纬度和高度，以用于后续确定相对于跑道入口点T的水平距离；

具体来说，以跑道中心线与一经过下滑天线的基座的中心点并与跑道中心线垂直相交的垂直面之间的交点O为端点，在跑道方向上作一与水平面成一预设仰角(例如3°)的射线，以该射线作为理论下滑道；将理论下滑道上的在水平方向上距离跑道中心线上跑道入口点T 1830m的起始采样点P与距离跑道中心线上跑道入口点T 300m的终止采样点Q之间的区域作为入口高度采样区(需要注意的是，根据不同规定，起始采样点Q和终止采样点P的位置允许有所变化，例如选择0.1海里至1海里或者1050m至300m)；

步骤S5，设定无人机的飞行参数，包括：确定跑道中心线上跑道入口点T的经度和纬度，确定分布在入口高度采样区中的测试点的数量(不少于50个)以及各个测试点的经度、纬度、高度和各个测试点相对于跑道中心线上跑道入口点T的水平距离D；

具体来说：根据公式(1)计算获得各个测试点相对于跑道中心线上跑道入口点T的水平距离D：

D＝R*[(Bj-Tj)²+(Bw-Tw)²]^0.5 (1)

其中，R表示地球半径(6370Km)，Bj表示测试点的经度(变量)，Tj表示跑道中心线上跑道入口点T的经度(定值)，Bw表示测试点的纬度(变量)，Tw表示跑道中心线上跑道入口点T的纬度(定值)；

另外，相较于现有的飞行校验方法中飞机的飞行轨迹一般为相对入口处由远及近的飞行，即，从起始采样点Q到终止采样点P，本发明中采用无人机在入口高度采样区进行数据采样，基于其悬停特性，除了可以从起始采样点Q飞向终止采样点P之外，也可以从终止采样点P飞向起始采样点Q，甚至可以在入口高度采样区内分区间飞行，只要把采样区数据全部采集到即可；

步骤S6，开启下滑天线，使其向空间辐射信号；

步骤S7，根据无人机的飞行参数，控制其依次在各个测试点上探测ddm零点，并记录各个ddm零点的经度、纬度、高度和各个ddm零点相对于跑道中心线上跑道入口点T的水平距离D；

具体来说，根据设定的各个测试点的经度、纬度和高度，控制无人机依次到达设定的测试点，每当无人机到达一个测试点后，在该测试点上通过无人机上的机载接收装置(其采用与下滑天线相同的工作频段)检测下滑天线辐射出的信号，然后将检测到的信号传输至地面设备，经地面设备处理后获得ddm值，最后根据该ddm值控制无人机在该测试点沿高度方向上下移动：若ddm值大于零，则控制无人机向上飞行，否则向下飞行，反复调整无人机的飞行高度，直至ddm值的绝对值小于0.001时，将无人机此刻所在的位置点作为ddm零点，并记录下该ddm零点的经度、纬度、高度和各个ddm零点相对于跑道中心线上跑道入口点T的水平距离(需要注意的是，ddm零点的经度、纬度和相对于跑道中心线上跑道入口点T的水平距离D与该测试点的经度、纬度和相对于跑道中心线上跑道入口点T的水平距离D一致)；

以各个ddm零点相对于跑道中心线上跑道入口点T的水平距离D为横坐标，以各个ddm零点的高度H为纵坐标，即可绘制得到如图2中所示的线条(图2中的空心圆点表示探测到的ddm零点的位置)；

步骤S8，以各个ddm零点相对于跑道中心线上跑道入口点T的水平距离D为横坐标，以各个ddm零点的高度H为纵坐标，根据各个ddm零点的分布特性确定拟合方法，以对各个ddm零点进行线性拟合以获得线性回归方程；

具体来说，入口高度的计算可以视为二维空间中一元线性回归预测，建立二维平面坐标系，即，以跑道中心线所在面上，跑道中心线的延长线为x轴，高度方向为y轴，跑道入口点T所在地面处为原点，建立直角坐标系；构建数学模型为：

y_i＝β₀+β₁x_i+ε_i(i＝1,2,…,n) (2)

其中，(x_i,y_i)表示第i个ddm零点相对于跑道中心线上跑道入口点T的位置，即水平距离D和高度H(即，样本观测值)，ε_i表示随机误差，β₀表示截距，β₁表示斜率，n表示ddm零点的数量；

根据公式(2)建立拟合曲线为：

其中，

表示截距β₀的估算值，

表示斜率

的估算值；

根据公式(2)、(3)，获得残差e_i为：

根据下滑天线正前方的地形条件，选择采用最小二乘法，即根据公式(5)或采用最小一乘法，即根据公式(6)，求得

和

将

和

代入公式(3)中，以获得线性回归方程；

具体来说，若下滑天线的正前方平整度欠佳，甚至有明显高出地面的物体，对空间信号的影响不大，即各测试点上获得的测试值分布接近一直线，此一般情况可采用最小二乘法；若下滑天线为正前方出现明显不平整现象，即各测试点上获得的测试值分布会出现个别数值明显偏离直线分布的情况，根据测试结果，点迹分布的偏离情况，则需要采用最小一乘法；

步骤S9，根据上述线性回归方程，计算获得跑道中心线上跑道入口点T的高度，即入口高度；

具体来说，将x₀＝0(即上述直角坐标系的原点横坐标，跑道入口点T相对于自身的水平距离为0)代入该线性回归方程中，由此计算获得入口高度y_T，具体可如公式(7)所示：

在此，值得注意的是，下滑道在跑道入口位置的高度值与入口高度是不同的，前者往往大于入口高度。

综上所述，本发明可以不受地空的高度和距离束缚，无人机可以在空中悬停，实时获取需要参数，并通过搜索精确定位ddm零点，根据地形及实测情况，建立不同算法模型，获取更合理的入口高度值。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种下滑天线入口高度的测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，确定下滑天线的位置；

步骤S2，设定下滑天线的工作频段；

步骤S3，确定跑道的方向；

步骤S4，根据所述跑道的方向和所述下滑天线的位置，以所述跑道的中心线与一经过所述下滑天线的一基座的中心点并与所述跑道的中心线垂直相交的垂直面之间的交点为端点，在所述跑道的方向上作一与水平面成一预设仰角的射线，以该射线作为理论下滑道，并在该理论下滑道上设定入口高度采样区；

步骤S5，设定无人机的飞行参数，包括：确定所述跑道的中心线上的跑道入口点的经度和纬度，确定分布在所述入口高度采样区中的测试点的数量以及各个测试点的经度、纬度、高度以及各个测试点相对于所述跑道入口点的水平距离；

步骤S6，开启所述下滑天线，使其向空间辐射信号；

步骤S7，根据所述无人机的飞行参数，控制该无人机依次在所述各个测试点上探测ddm零点，并记录各个ddm零点的经度、纬度、高度以及各个ddm零点相对于所述跑道入口点的水平距离；

步骤S8，以所述各个ddm零点相对于所述跑道入口点的水平距离为横坐标，以所述各个ddm零点的高度为纵坐标，根据所述各个ddm零点的分布特性确定拟合方法，以对所述各个ddm零点进行线性拟合并获得线性回归方程；以及

步骤S9，根据所述线性回归方程，计算获得所述跑道入口点的高度；

所述步骤S7包括：每当所述无人机到达一个测试点后，在该测试点上通过所述无人机上的机载接收装置检测所述下滑天线辐射出的信号，并将检测到的信号传输至地面设备，经该地面设备处理后获得对应的ddm值，若该ddm值大于零，则控制所述无人机向上飞行，否则向下飞行，反复调整所述无人机的飞行高度，直至该ddm值的绝对值小于0.001时，将所述无人机此刻所在的位置点作为ddm零点；

所述步骤S8包括：所述各个ddm零点相对于所述跑道入口点的水平距离与所述各个测试点相对于所述跑道入口点的水平距离一致；

构建数学模型为：

y_i＝β₀+β₁x_i+ε_i(i＝1，2，...，n) (2)

其中，(x_i，y_i)表示第i个ddm零点相对于所述跑道入口点的水平距离和第i个ddm零点的高度，ε_i表示随机误差，β₀表示截距，β₁表示斜率，n表示ddm零点的数量；

根据公式(2)建立拟合曲线为：

其中，

表示截距β₀的估算值，

表示斜率

的估算值；

根据公式(2)、(3)，获得残差e_i为：

根据所述下滑天线正前方的地形条件，选择根据公式(5)或公式(6)求得

和

将

和

代入公式(3)中，以获得所述线性回归方程。

2.根据权利要求1所述的下滑天线入口高度的测试方法，其特征在于，所述步骤S1包括：通过使用GPS设备确定所述下滑天线的经度和纬度，通过气压式高度计确定所述基座的底端的海拔高度。

3.根据权利要求1所述的下滑天线入口高度的测试方法，其特征在于，所述步骤S4包括：将所述理论下滑道上的在水平方向上距离所述跑道入口点1830m的起始采样点与距离所述跑道入口点300m的终止采样点之间的区域作为所述入口高度采样区。

4.根据权利要求1所述的下滑天线入口高度的测试方法，其特征在于，所述预设仰角为3°。

5.根据权利要求1所述的下滑天线入口高度的测试方法，其特征在于，所述测试点的数量不少于50个。

6.根据权利要求1所述的下滑天线入口高度的测试方法，其特征在于，所述步骤S5包括：根据公式(1)确定所述各个测试点相对于所述跑道入口点的水平距离D：

D＝R*[(Bj-Tj)²+(Bw-Tw)²]^0.5 (1)

其中，R表示地球半径，Bj表示测试点的经度，Tj表示跑道入口点的经度，Bw表示测试点的纬度，Tw表示跑道入口点的纬度。

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