CN112632795A - 一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，属于航向信标技术领域。本发明的实现方法包括：选择需要优化的航向信标天线阵，构建初始结构模型，生成航道CSB方向图；根据航道CSB方向图计算出波束宽度，将波束宽度达到或小于某个确定值作为目标函数；将阵子间间距、阵子的馈电电平幅度定义为优化变量，改变阵子间距或阵子馈电电平，观察航道CSB方向图的改变趋势，结合目标函数给优化变量分别定义初始值、最小值和最大值；提交设计分析；与设计目标进行比较，产生误差函数；误差函数小于规定值则输出结果。采用本发明方法能在不增加天线阵子数的情况下减小航向信标CSB信号波束宽度。
Description
技术领域
本发明属于航向信标技术领域，具体涉及一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法。
背景技术
仪表着陆系统(Instrument Landing System，简称ILS)是一种应用广泛的精密进近着陆引导系统。上世纪40年代末期国际民航织(International Civil AviationOrganization，简称ICAO)就将ILS作为标准进近着陆引导系统。ILS通常包括：航向信标台(Localizer，频段：108-112MHz)、下滑信标台(Glide Path，频段：328-334MHz)和测距仪(Distance Measuring Equipment，频段：960-1215MHz)。其中，航向信标提供航空器精密进近时的水平引导信号，下滑信标提供垂直引导信号，测距仪提供距离信息。
航向信标天线一般设置于跑道中心线延长线上，距离跑道末端180～600m。航向信标天线是由若干个阵子组成的，常见的阵子数有12单元阵子、14单元阵子、16单元阵子、20单元阵子和24单元阵子等。航向信标天线辐射能量主要集中于航道CSB信号上，航道CSB波束宽度大小决定了进入航道CSB波束宽度内障碍物数量的多少，也决定了周边障碍物对航向信标信号产生多路径干扰的程度。通常的，航向信标天线阵子数越多，航道CSB信号能量将在最大辐射方向(即跑道中线及延长线两侧)越集中，波束宽度越窄，其受周边障碍物反射产生的多路径干扰的概率也会大大降低，从而保证航向信标空间信号正常运行。当前国内仪表着陆系统Ⅱ/Ⅲ类运行跑道航向信标天线通常采用16单元及以上阵子数，其目的在于减小跑道两侧障碍物对航向信标空间信号的影响。
现有技术中，航向信标天线技术手册中给出的天线阵子间间距、阵子馈电电平幅度和相位推荐值只是天线若干种安装方案中的一种。天线阵子间距、阵子馈电参数一旦确定，航向信标航道CSB波束宽度随之确定。技术手册推荐方案通常是一种折中方案，且并不一定是航向信标航道CSB波束宽度最小的方案。并且设备运行单位现阶段减小航道CSB波束宽度的常用方法为选用多阵子宽孔径窄波束航向天线，手段非常单一。此外，对于大型障碍物进入航向信标航道CSB波束宽度内，且已经对航道结构造成不可接受影响的机场，设备运行单位只能通过对产生影响的障碍物进行处理(移除障碍物或者对障碍物表面覆盖其他材质改变其反射特性，该种手段造价高，难度大)或者整体更换大孔径天线(更新设备须达到一定年限，且为进口设备，采购时间周期较长)，但这往往是难以实现的。
因此，能否在不改变阵子数量的情况下，通过调整天线阵子之间距离、阵子馈电参数(包括馈入电平幅度和相位)，从而减小航向信标阵列天线波束宽度，成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，能在不改变阵子数量的情况下通过天线阵子之间距离、阵子馈电参数，从而减小航向信标阵列天线波束宽度。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所述的一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，包括以下步骤：
S1.初始结构模型：选择需要优化的航向信标天线阵，根据其技术手册上参数构建初始结构模型，并生成航道CSB方向图；
S2.定义优化问题
S21.添加优化变量：将阵子间间距、阵子的馈电电平幅度定义为优化变量，改变阵子间间距或阵子馈电电平幅度，观察航道CSB方向图的改变趋势，结合目标函数给优化变量分别定义初始值、最小值和最大值；
S22.构造目标函数：根据S1生成的航道CSB方向图计算出航向信标阵列天线波束宽度，将波束宽度达到或小于某个确定值作为目标函数；
S3.设计分析；
S4.与设计目标进行比较；
S5.产生误差函数；
S6.误差函数小于规定值则输出结果。
本发明的部分实施方案中，S1中所述参数包括阵子间间距、阵子的馈电电平幅度和相位。
本发明的部分实施方案中，S1中航向信标天线阵每对阵子馈入的航道CSB幅度和相位均相同，航道CSB方向图根据如下公式计算：
其中，ECSB_COU表示天线阵航道CSB电场强度，ACSB_COU_i表示天线阵第i对阵子的CSB馈电电平幅度，Di表示天线阵第i对阵子到天线阵中心的距离，λ表示航向信标的载波波长，α表示飞机与航向天线连线与跑道中线延长线夹角，即方位角。
本发明的部分实施方案中，所述S2中，将天线阵航道CSB电场强度ECSB_COU归一化并取对数，则在电场强度最大方向上辐射强度为0dB，在最大辐射方向两侧，辐射强度下降3dB的两个方向的夹角为航道CSB波束宽度，
归一化航道CSB
其中，ECSB_COU_MAX表示航道CSB电场强度最大值。
本发明的部分实施方案中，所述S5中，目标函数误差值ei定义如下：
其中，si表示目标函数的仿真计算值，gi表示目标函数的真实值。
本发明的部分实施方案中，所述S3设计分析包括根据S2的参数提交仿真。本发明的部分实施方案中，所述S6中，若误差函数大于规定值，则需要根据选定的优化算法进行优化，修改优化变量值，重新回到S3，直至误差函数小于规定值。
优选地，所述优化算法为拟牛顿法。拟牛顿法为现有技术，其基本思想是不用二阶偏倒数构造出可以近似Hesse矩阵的逆的正定对称阵。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计科学，思路巧妙，采用本发明方法能在不增加天线阵子数的情况下减小航向信标CSB信号波束宽度。对于周边障碍物可能或已经产生不可接受多路径干扰的机场，除现行技术手段外增加一种解决方案。对于航向信标天线型号尚未确定的机场，采用本发明的方法，选用阵子数相对较少，但仍能达到运行要求的天线，从而降低工程成本。对于已经存在障碍物对航向信标天线产生多路径干扰，且干扰已经超出运行标准的机场，采用本发明的方法，仅需调整天线阵子间距及阵子馈电信号即可减小航向信标CSB信号波束宽度，从而消除建筑物对航向信标天线空间信号的影响，具有十分重要的工程价值。
附图说明
附图1为本发明的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此其不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；当然的，还可以是机械连接，也可以是电连接；另外的，还可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如附图1所示，本发明提供的本发明所述的一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，设计科学，思路巧妙，能在不增加天线阵子数的情况下减小航向信标CSB信号波束宽度。本发明包括以下步骤：
S1.初始结构模型：选择需要优化的航向信标天线阵，根据其技术手册上参数构建初始结构模型，并生成航道CSB方向图，所述参数包括阵子间间距、阵子的馈电电平幅度和相位；
航向信标天线阵每对阵子馈入的航道CSB幅度和相位均相同，航道CSB方向图根据如下公式计算：
ECSB_COU表示天线阵航道CSB电场强度，ACSB_COU_i表示天线阵第i对阵子的CSB馈电电平幅度，Di表示天线阵第i对阵子到天线阵中心的距离，λ表示航向信标的载波波长，α表示飞机与航向天线连线与跑道中线延长线夹角，即方位角。
S2.定义优化问题
S21.添加优化变量：将阵子间间距、阵子的馈电电平幅度定义为优化变量，改变阵子间间距或阵子馈电电平幅度，观察航道CSB方向图的改变趋势，结合目标函数给优化变量分别定义初始值、最小值和最大值；
S22.构造目标函数：根据S1生成的航道CSB方向图可以计算出航向信标阵列天线波束宽度，将波束宽度达到或小于某个确定值作为目标函数；具体为：将天线阵航道CSB电场强度ECSB_COU归一化并取对数，则在电场强度最大方向上辐射强度为0dB，在最大辐射方向两侧，辐射强度下降3dB的两个方向的夹角为航道CSB波束宽度，
归一化航道CSB
其中，ECSB_COU_MAX表示表示航道CSB电场强度最大值。
S3.设计分析；根据S2的参数提交仿真。
S4.与设计目标进行比较；
S5.产生误差函数；
目标函数误差值ei定义如下：
其中，si表示目标函数的仿真计算值，gi表示目标函数的真实值。
S6.误差函数小于规定值则输出结果；若误差函数大于规定值，则需要根据选定的优化算法(本发明采用拟牛顿法)进行优化，修改优化变量值，重新进行设计分析。
拟牛顿法的基本思想是不用二阶偏倒数构造出可以近似Hesse矩阵的逆的正定对称阵。
最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.初始结构模型：选择需要优化的航向信标天线，根据其技术手册上参数构建初始结构模型，并生成航道CSB方向图；
S2.定义优化问题
S21.添加优化变量：将阵子间间距、阵子的馈电电平幅度定义为优化变量，改变阵子间间距或阵子馈电电平幅度，观察航道CSB方向图的改变趋势，结合目标函数给优化变量分别定义初始值、最小值和最大值；
S22.构造目标函数：根据S1生成的航道CSB方向图计算出航向信标阵列天线波束宽度，将波束宽度达到或小于某个确定值作为目标函数；
S3.设计分析；
S4.与设计目标进行比较；
S5.产生误差函数；
S6.误差函数小于规定值则输出结果。
2.根据权利要求1所述的一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，其特征在于，S1中所述参数包括阵子间间距、阵子的馈电电平幅度和相位。
3.根据权利要求1或2所述的一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，其特征在于，S1中航向信标天线每对阵子馈入的航道CSB幅度和相位均相同，航道CSB方向图根据如下公式计算：
其中，ECSB_COU表示天线阵航道CSB电场强度，ACSB_COU_i表示天线阵第i对阵子的CSB馈电电平幅度，Di表示天线阵第i对阵子到天线阵中心的距离，λ表示航向信标的载波波长，α表示飞机与航向天线连线与跑道中线延长线夹角，即方位角。
4.根据权利要求3所述的一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，其特征在于，所述S2中，将天线阵航道CSB电场强度ECSB_COU归一化并取对数，则在电场强度最大方向上辐射强度为0dB，在最大辐射方向两侧，辐射强度下降3dB的两个方向的夹角为航道CSB波束宽度，
其中，ECSB_COU_MAX表示航道CSB电场强度最大值。
5.根据权利要求1所述的一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，其特征在于，所述S5中，目标函数误差值ei定义如下：
其中，si表示目标函数的仿真计算值，gi表示目标函数的真实值。
6.根据权利要求4所述的一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，其特征在于，所述S6中，若误差函数大于规定值，则需要根据选定的优化算法进行优化，修改优化变量值，重新回到S3，直至误差函数小于规定值。
7.根据权利要求6所述的一种减小航向信标阵列天线波束宽度的实现方法，其特征在于，所述优化算法为拟牛顿法。
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