KR102643549B1 - 풋프린트가 작은 항공기의 정밀 접근 및 착륙 시스템을 위한 안테나 및 활공 경로 어레이 - Google Patents
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Abstract
계기 착륙 시스템(ILS)이 설명된다. ILS는 복수의 안테나 및 복수의 안테나 무선 유닛(ARU)을 포함한다. 복수의 ARU 중의 각각의 ARU는 전송을 위해 복수의 안테나 중의 상이한 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호를 생성하도록 동작한다. ILS는 전송을 위해 ARU들에 의해 복수의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호 사이의 동기화를 조절하기 위해 ARU들을 제어하도록 동작하는 중앙 처리 유닛을 더 포함한다.
Description
본 개시내용은 항공기를 위한 계기 착륙 시스템들(instrument landing systems)에 관한 것이다. 특히, 본 개시내용은 ILS의 활공 경로 및 로컬라이저 어레이들에 관한 것이다.
공간 내에서 계기 착륙 시스템(ILS) 신호를 생성하고 다양한 예상 임무들에 특정한 추가 요건들을 충족하는 개선된 정밀 접근 및 착륙 시스템들이 필요하다.
미국 정부를 위해 구현되는 경우, ILS 시스템은 GPS가 없는 환경에서 설치 및 작동되고, 공간 내에서 카테고리 I ILS에 대한 ICAO Annex 10 요건들을 준수하는 ILS 로컬라이저 및 활공 경로 신호들을 생성하며, 미국 비행 검사 매뉴얼 FAA Order 8200.1에 따른 비행 검사를 성공적으로 완료할 수 있어야 한다. 또한, 광범위하게 다양한 항공, 육상 및 해상 운송수단들을 통해 단일 463L 팔레트로 운송할 수 있는 것과 같이 운송가능한 시스템이 필요하다. 또한, 전 세계적으로 엄격한 위치들에서 2명에 의해 2 인시(man-hours)(부피가 큰 의복의 경우에는 최대 6 인시)에 달성될 수 있는 시스템 셋업이 필요하다.
본 개시내용의 실시예들에 따르면, 계기 착륙 시스템(ILS)이 설명된다. ILS는 복수의 안테나 및 복수의 안테나 무선 유닛(antenna radio unit)(ARU)을 포함한다. 복수의 ARU 중의 각각의 ARU는 전송을 위해 복수의 안테나 중의 상이한 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호를 생성하도록 동작한다. ILS는 전송을 위해 ARU들에 의해 복수의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호 사이의 동기화를 조절하기 위해 ARU를 제어하도록 동작하는 중앙 처리 유닛을 더 포함한다.
본 개시내용의 양태들은 예로서 도시되며 첨부 도면들에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 일부 실시예들에 따라 기존의 ILS 시스템 아키텍처를 도시한다.
도 2는 일부 실시예들에 따라 구성된 휴대용 계기 착륙 시스템 아키텍처를 도시한다.
도 3은 일부 실시예들에 따라 이상적인 신호 공간의 2개의 캐리어를 도시한다.
도 4는 일부 실시예들에 따라 구성된 예시적인 아키텍처를 도시한다.
도 5는 일부 실시예들에 따라 2개의 케이블이 1cm만큼 다를 때의 묘사를 도시한다.
도 6은 일부 실시예들에 따라 시스템을 구현하기 위한 연관된 동작들을 갖는 예시적인 블록도를 도시한다.
도 7은 일부 실시예들에 따른 타이밍도를 도시한다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 아키텍처의 예시적인 동작을 도시한다.
도 9는 일부 실시예들에 따라 공통 케이블의 전형적인 거동을 나타내는 예시적인 측정을 도시한다.
도 10은 일부 실시예들에 따라 변조의 동기화의 예시적인 동작을 도시한다.
도 11은 일부 실시예들에 따라 변조 동기(modulation synchronism)를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 12는 일부 실시예들에 따라 구성된 2개의 DVOR 송신기를 도시한다.
도 13은 일부 실시예들에 따라 구성된 비발디 안테나를 도시한다.
도 14는 일부 실시예들에 따라 구성된 로그 주기 다이폴(log periodic dipole)(LPD) 안테나를 도시한다.
도 15는 일부 실시예들에 따라 4-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성을 도시한다.
도 16은 일부 실시예들에 따라 4-요소 수평 어레이에 대한 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 17은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이에 대한 CSB 및 SBO 전력 플롯 대 앙각을 도시한다.
도 18은 일부 실시예들에 따라 CSB 및 SBO 위상 대 앙각을 도시한다.
도 19는 일부 실시예들에 따라 2-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성을 도시한다.
도 20은 일부 실시예들에 따라 원뿔의 단면을 갖는 종래의 널 기준 어레이에 대한 실시예의 측면도를 도시한다.
도 21은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이 활공 경로 표면 단면의 측면도를 도시한다.
도 22는 일부 실시예들에 따라 접근 경로 상의 항공기로부터 볼 때의 원뿔의 단면을 도시한다.
도 23은 일부 실시예들에 따라 10-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성을 도시한다.
도 24는 일부 실시예들에 따라 개별 쌍의 활공 경로의 단면을 도시한다.
도 25는 일부 실시예들에 따라 어레이에 대한 방위각의 함수로서 3° 앙각에서의 DDM을 도시한다.
도 26은 일부 실시예들에 따라 10-요소 수평 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 27은 일부 실시예들에 따라 클리어런스(clearance)를 갖는 DDM 대 방위각을 도시한다.
도 28은 일부 실시예들에 따라 클리어런스를 갖는 DDM 대 터치다운으로부터의 거리를 도시한다.
도 29는 일부 실시예들에 따라 수평 어레이 장착 구조물을 도시한다.
도 30은 일부 실시예들에 따라 수직 무-이미지 어레이(vertical imageless array)에 대해, 플롯팅된 CSB 및 SBO 전력 대 앙각을 도시한다.
도 31은 일부 실시예들에 따라 수직 무-이미지 어레이에 대해, 플롯팅된 CSB 및 SBO 위상 대 앙각을 도시한다.
도 32는 일부 실시예들에 따라 비-이미징 수직 활공 경로 어레이 구성을 도시한다.
도 33은 일부 실시예들에 따라 비-이미징 수직 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 34는 일부 실시예들에 따라 수직 어레이 장착 구조물을 도시한다.
도 35는 일부 실시예들에 따라 요소들 및 지지 구조물을 갖는 로컬라이저 어레이 안테나를 도시한다.
도 36은 일부 실시예들에 따라 로컬라이저 CSB 및 SBO 이득 대 방위각을 도시한다.
도 37은 일부 실시예들에 따라 로컬라이저 DDM 대 방위각을 도시한다.
도 38은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 장기적 안테나 위치 에러 효과들을 도시한다.
도 39는 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 장기적 진폭 에러 효과들을 도시한다.
도 40은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 장기적 위상 에러 효과들을 도시한다.
도 41은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 결합된 장기적 에러 효과들을 도시한다.
도 42는 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 결합된 단기적 에러 효과들을 도시한다.
도 43은 일부 실시예들에 따라 수직 어레이 안테나의 장기적 위치 에러 효과들을 도시한다.
도 44는 일부 실시예들에 따라 수직 어레이의 장기적 진폭 에러 효과들을 도시한다.
도 45는 일부 실시예들에 따라 수직 어레이의 장기적 위상 에러 효과들을 도시한다.
도 46은 일부 실시예들에 따라 수직 어레이의 장기적인 결합된 에러 효과들을 도시한다.
도 47은 일부 실시예들에 따라 수직 어레이의 단기적인 결합된 에러 효과들을 도시한다.
도 48a 내지 도 48d는 일부 실시예들에 따라 지면 거칠기로부터의 수평 어레이 효과들을 도시한다.
도 49a 내지 도 49d는 일부 실시예들에 따라 지면 거칠기로부터의 수직 어레이 효과들을 도시한다.
도 50은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이에 대한 반사 영역들을 도시한다.
도 51은 일부 실시예들에 따라 수직 어레이에 대한 반사 영역들을 도시한다.
도 52는 일부 실시예들에 따라 등가 필드 강도를 달성하는 기존의 및 PILS 로컬라이저 시스템을 도시한다.
도 53은 일부 실시예들에 따라 방위각에 대한 진폭의 변화를 도시하는, 8개의 요소를 갖는 로컬라이저의 CSB 패턴에 대한 그래프이다.
도 54는 기존의 시스템 및 일부 실시예들에 따른 PILS 수평 시스템의 구성을 보여준다.
도 55는 일부 실시예들에 따라 활공 경로의 CSB 패턴을 예시하는 그래프이다.
도 56은 기존의 시스템, 일부 실시예들에 따른 PIL 수평 시스템, 및 일부 실시예들에 따른 PILS 수직 시스템을 도시한다.
도 57은 일부 실시예들에 따라 PILS 수직 활공 경로 시스템을 도시한다.
도 58은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이 위치 에러 조절을 도시한다.
도 59는 일부 실시예들에 따라 반대 위상으로 수신기에 도달하는 수평 활공 경로의 2개의 어레이로부터 오는 신호들에 대한 에러 조절을 도시한다.
도 60은 일부 실시예들에 따라, 에러 없이 수평 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 61은 일부 실시예들에 따라, 10cm 에러와 함께, 수평 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 62는 일부 실시예들에 따라 수평 활공 경로 어레이 DDM을 도시한다.
도 63은 일부 실시예들에 따라 수평 활공 경로 어레이 DDM을 도시한다.
도 64는 일부 실시예들에 따라 후방 그룹에 대한 전방 그룹의 안테나 위치 에러의 효과들을 cm 단위로 도시한다.
도 1은 일부 실시예들에 따라 기존의 ILS 시스템 아키텍처를 도시한다.
도 2는 일부 실시예들에 따라 구성된 휴대용 계기 착륙 시스템 아키텍처를 도시한다.
도 3은 일부 실시예들에 따라 이상적인 신호 공간의 2개의 캐리어를 도시한다.
도 4는 일부 실시예들에 따라 구성된 예시적인 아키텍처를 도시한다.
도 5는 일부 실시예들에 따라 2개의 케이블이 1cm만큼 다를 때의 묘사를 도시한다.
도 6은 일부 실시예들에 따라 시스템을 구현하기 위한 연관된 동작들을 갖는 예시적인 블록도를 도시한다.
도 7은 일부 실시예들에 따른 타이밍도를 도시한다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 아키텍처의 예시적인 동작을 도시한다.
도 9는 일부 실시예들에 따라 공통 케이블의 전형적인 거동을 나타내는 예시적인 측정을 도시한다.
도 10은 일부 실시예들에 따라 변조의 동기화의 예시적인 동작을 도시한다.
도 11은 일부 실시예들에 따라 변조 동기(modulation synchronism)를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 12는 일부 실시예들에 따라 구성된 2개의 DVOR 송신기를 도시한다.
도 13은 일부 실시예들에 따라 구성된 비발디 안테나를 도시한다.
도 14는 일부 실시예들에 따라 구성된 로그 주기 다이폴(log periodic dipole)(LPD) 안테나를 도시한다.
도 15는 일부 실시예들에 따라 4-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성을 도시한다.
도 16은 일부 실시예들에 따라 4-요소 수평 어레이에 대한 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 17은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이에 대한 CSB 및 SBO 전력 플롯 대 앙각을 도시한다.
도 18은 일부 실시예들에 따라 CSB 및 SBO 위상 대 앙각을 도시한다.
도 19는 일부 실시예들에 따라 2-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성을 도시한다.
도 20은 일부 실시예들에 따라 원뿔의 단면을 갖는 종래의 널 기준 어레이에 대한 실시예의 측면도를 도시한다.
도 21은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이 활공 경로 표면 단면의 측면도를 도시한다.
도 22는 일부 실시예들에 따라 접근 경로 상의 항공기로부터 볼 때의 원뿔의 단면을 도시한다.
도 23은 일부 실시예들에 따라 10-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성을 도시한다.
도 24는 일부 실시예들에 따라 개별 쌍의 활공 경로의 단면을 도시한다.
도 25는 일부 실시예들에 따라 어레이에 대한 방위각의 함수로서 3° 앙각에서의 DDM을 도시한다.
도 26은 일부 실시예들에 따라 10-요소 수평 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 27은 일부 실시예들에 따라 클리어런스(clearance)를 갖는 DDM 대 방위각을 도시한다.
도 28은 일부 실시예들에 따라 클리어런스를 갖는 DDM 대 터치다운으로부터의 거리를 도시한다.
도 29는 일부 실시예들에 따라 수평 어레이 장착 구조물을 도시한다.
도 30은 일부 실시예들에 따라 수직 무-이미지 어레이(vertical imageless array)에 대해, 플롯팅된 CSB 및 SBO 전력 대 앙각을 도시한다.
도 31은 일부 실시예들에 따라 수직 무-이미지 어레이에 대해, 플롯팅된 CSB 및 SBO 위상 대 앙각을 도시한다.
도 32는 일부 실시예들에 따라 비-이미징 수직 활공 경로 어레이 구성을 도시한다.
도 33은 일부 실시예들에 따라 비-이미징 수직 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 34는 일부 실시예들에 따라 수직 어레이 장착 구조물을 도시한다.
도 35는 일부 실시예들에 따라 요소들 및 지지 구조물을 갖는 로컬라이저 어레이 안테나를 도시한다.
도 36은 일부 실시예들에 따라 로컬라이저 CSB 및 SBO 이득 대 방위각을 도시한다.
도 37은 일부 실시예들에 따라 로컬라이저 DDM 대 방위각을 도시한다.
도 38은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 장기적 안테나 위치 에러 효과들을 도시한다.
도 39는 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 장기적 진폭 에러 효과들을 도시한다.
도 40은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 장기적 위상 에러 효과들을 도시한다.
도 41은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 결합된 장기적 에러 효과들을 도시한다.
도 42는 일부 실시예들에 따라 수평 어레이의 결합된 단기적 에러 효과들을 도시한다.
도 43은 일부 실시예들에 따라 수직 어레이 안테나의 장기적 위치 에러 효과들을 도시한다.
도 44는 일부 실시예들에 따라 수직 어레이의 장기적 진폭 에러 효과들을 도시한다.
도 45는 일부 실시예들에 따라 수직 어레이의 장기적 위상 에러 효과들을 도시한다.
도 46은 일부 실시예들에 따라 수직 어레이의 장기적인 결합된 에러 효과들을 도시한다.
도 47은 일부 실시예들에 따라 수직 어레이의 단기적인 결합된 에러 효과들을 도시한다.
도 48a 내지 도 48d는 일부 실시예들에 따라 지면 거칠기로부터의 수평 어레이 효과들을 도시한다.
도 49a 내지 도 49d는 일부 실시예들에 따라 지면 거칠기로부터의 수직 어레이 효과들을 도시한다.
도 50은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이에 대한 반사 영역들을 도시한다.
도 51은 일부 실시예들에 따라 수직 어레이에 대한 반사 영역들을 도시한다.
도 52는 일부 실시예들에 따라 등가 필드 강도를 달성하는 기존의 및 PILS 로컬라이저 시스템을 도시한다.
도 53은 일부 실시예들에 따라 방위각에 대한 진폭의 변화를 도시하는, 8개의 요소를 갖는 로컬라이저의 CSB 패턴에 대한 그래프이다.
도 54는 기존의 시스템 및 일부 실시예들에 따른 PILS 수평 시스템의 구성을 보여준다.
도 55는 일부 실시예들에 따라 활공 경로의 CSB 패턴을 예시하는 그래프이다.
도 56은 기존의 시스템, 일부 실시예들에 따른 PIL 수평 시스템, 및 일부 실시예들에 따른 PILS 수직 시스템을 도시한다.
도 57은 일부 실시예들에 따라 PILS 수직 활공 경로 시스템을 도시한다.
도 58은 일부 실시예들에 따라 수평 어레이 위치 에러 조절을 도시한다.
도 59는 일부 실시예들에 따라 반대 위상으로 수신기에 도달하는 수평 활공 경로의 2개의 어레이로부터 오는 신호들에 대한 에러 조절을 도시한다.
도 60은 일부 실시예들에 따라, 에러 없이 수평 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 61은 일부 실시예들에 따라, 10cm 에러와 함께, 수평 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각을 도시한다.
도 62는 일부 실시예들에 따라 수평 활공 경로 어레이 DDM을 도시한다.
도 63은 일부 실시예들에 따라 수평 활공 경로 어레이 DDM을 도시한다.
도 64는 일부 실시예들에 따라 후방 그룹에 대한 전방 그룹의 안테나 위치 에러의 효과들을 cm 단위로 도시한다.
이제, 발명적 개념들은 발명적 개념의 실시예들이 도시되어 있는 첨부된 도면들을 참조하여 이하에 더 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 발명적 개념들은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 제시되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 개시내용이 철저하고 완전하며 본 기술분야의 통상의 기술자에게 다양한 본 발명적 개념의 범위를 충분히 전달하도록 제공되는 것이다. 또한, 이러한 실시예들은 상호 배타적이지 않다는 점에 유의해야 한다. 한 실시예로부터의 컴포넌트들은 다른 실시예에 존재/사용되는 것으로 암묵적으로 가정될 수 있다.
본 개시내용의 일부 실시예들은 ILS 아키텍처들과 함께 발생할 수 있는 잠재적인 동기화 문제들을 해결하는 것에 관한 것이다. 사실, 기존의 시스템에서는 단일 송신기가 변조된 RF 신호를 생성한 다음, 그것이 수동 네트워크를 통해 모든 안테나에 분배되는 반면, 현재 개시된 일부 실시예들에 따른 분산 시스템에서는 각각의 안테나에 의해 조사되는 신호가 전용 능동 송신기에 의해 생성된다.
도 1은 기존의 ILS 시스템 아키텍처를 도시한다. 도 2는 본 개시내용의 일부 실시예들에 따라 구성된 휴대용 계기 착륙 시스템(Portable Instrument Landing System)(PILS) 아키텍처를 도시한다.
도 2를 참조하면, 공간 내에서 복합 신호(composite signal)의 간섭성(coherence)을 보장하기 위해 공통 중앙 유닛(CU)에 의해 조정되는 송신기들("ARU", 즉 안테나 무선 유닛(Antenna Radio Unit)이라고 지칭됨) 간의 적절한 동기화가 필요하다. 일부 실시예들에서, 중앙 유닛은 본 명세서에 설명된 동작들을 수행하기 위한 처리 회로 및/또는 프로세서 중 하나를 포함한다. 중앙 유닛의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구현들에 관한 추가의 예들 및 실시예들은 또한 본 명세서에서 아래에 설명된다.
이 문제는 로컬라이저 및 활공 경로를 가로지르며(본 문서에서는 가장 중요한 것인 GP에 대해 설명됨), 이하의 세 개의 그룹으로 나누어질 수 있다:
1) 캐리어 주파수와 위상의 동기화(예를 들어, 330MHz): 모든 안테나가 동일한 캐리어 주파수와 위상을 전송하도록 작동된다.
· 도 1의 기존의 시스템에서, 단 하나의 RF 발진기만이 존재하며, 안테나들 간의 RF 위상 균등(RF phase equality)은 분배 유닛 허용오차와 적절한 RF 케이블 보정에 의해 보장된다.
· 도 2의 PILS 아키텍처에서는, 대신에, 각각의 ARU가 그 자신의 로컬 발진기를 갖는다. 중앙 유닛은 기준 발진기를 모든 ARU에 브로드캐스트해야 하며, 이에 의해, 그들은 그들 자신의 RF 로컬 발진기를 고정할 공통 발진기를 수신할 수 있게 된다. 다음으로, 각각의 송신기는 어느 RF 위상이든 정정할 수 있으므로, 케이블의 RF 위상의 균등은 필요하지 않지만, 상이한 케이블 지연들에 대한 적절한 측정이 중앙 유닛에 의해 수행되어야 한다.
2) 변조들의 동기화(예를 들어, 모스(Morse), 90Hz, 150Hz, 1020Hz, 8kHz): 모든 안테나가 동일한 주파수 및 위상으로 변조 신호를 전송하도록 작동된다.
· 도 1의 기존의 시스템에서, 변조 신호들은 공통 송신기에 의해 생성된다.
· 도 2의 PILS 아키텍처에서, 이 문제는 이론적으로 앞의 두 가지 문제와 유사하지만, 신호들이 더 느리다는 단순성(케이블 길이들의 영향을 받지 않음)을 갖는 반면, 그것들이 다수여서 다중화 및 역다중화될 필요가 있다는 복잡성을 갖는다.
3) 수신기의 동기화(예를 들어, 안전 문제): 앞의 두 가지 문제 중 임의의 것의 실패가 중앙 유닛에 의해 검출되어야 한다.
· 도 1의 기존의 시스템에서는, 기본적으로 하나의 모니터가 있기 때문에 이 문제가 거의 없다.
· 도 2의 PILS 아키텍처에서는, 대신에, 중앙 유닛의 모니터가 각각의 ARU에 하우징된 디지털 수신기들에 의해 계산된 수치 값들을 처리함으로써 공간-신호(signal-in-space)를 추정한다. 이 값들은 동기화 회로들이 실패하지 않는 경우에만 신뢰할 수 있고; 따라서, 각각의 ARU 송신기에 의해 사용되는 동기화 회로들은 ARU 수신기에 의해 사용되는 동기화 회로들과 독립적이어야 한다. 본 명세서의 다양한 실시예들의 PILS 아키텍처에서, 각각의 ARU의 TX 섹션 및 RX 섹션은 독립적인 유닛들로서 동작할 수 있고, 따라서 N은 안테나(및 ARU)의 수의 2배이다.
대응하는 실시예들은 복수의 안테나를 포함하는 ILS에 관한 것이며, 복수의 ARU 각각은 전송을 위해 복수의 안테나 중의 상이한 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호를 생성하도록 동작한다. ILS는 전송을 위해 ARU에 의해 복수의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호 사이의 동기화를 조절하기 위해 ARU들을 제어하도록 동작하는 중앙 유닛을 더 포함한다.
일 실시예에서, 중앙 유닛은 전송을 위해 ARU들에 의해 복수의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호 사이의 캐리어 주파수 및 위상의 동기화를 조절하기 위해 ARU들을 제어하도록 동작한다. 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 일 실시예에 따라, 중앙 유닛이 ARU들을 제어하여, 전송을 위해 ARU들에 의해 복수의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호들 사이에 1°RF 편차와 같은, 그러나 그에 제한되지는 않는 임계 RF 편차(threshold RF deviation) 이하를 갖도록 캐리어 위상 확산의 동기화를 조절하도록 동작하는 것이 특히 유리할 수 있다.
다른 실시예에서, ARU들 각각은 변조된 RF 신호들 중 하나를 전송을 위해 복수의 안테나 중 단 하나에만 제공하도록 직접 연결된다. ARU들 각각은 중앙 유닛에 의해 제공되는 기준 발진기 신호에 위상을 고정하도록 동작하는 로컬 RF 발진기 회로를 포함할 수 있다. 중앙 유닛은 복수의 케이블을 통해 ARU들 중 상이한 것들에 각각 연결되어, ARU들이 변조된 RF 신호들을 생성하도록 케이블들을 통해 신호들을 제공할 수 있으며, 중앙 유닛은 중앙 유닛과 각각의 ARU들 사이의 케이블 시그널링 지연들을 측정하도록 동작할 수 있고, 케이블 시그널링 지연들의 측정들에 기초하여, 전송을 위해 ARU들에 의해 복수의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호 사이의 동기화를 조절한다. 케이블 시그널링 지연들은 기준 발진기 신호와 로컬 RF 발진기 회로들 각각의 신호들 사이의 위상 비교에 기초하여 측정될 수 있다.
다른 실시예에서, ARU들 각각은 송신기 회로, 송신기 동기화 회로, 수신기 회로, 및 수신기 동기화 회로를 포함한다. 송신기 회로는 변조된 RF 신호를 전송하도록 동작한다. 송신기 동기화 회로는 송신기 회로에 의해 전송된 변조된 RF 신호의 동기화를 제어하도록 동작한다. 수신기 회로는 변조된 RF 신호를 수신하도록 동작한다. 수신기 동기화 회로는 수신기 회로에 의해 수신된 변조된 RF 신호의 동기화를 제어하도록 동작한다. 추가 실시예에서, 중앙 유닛은 각각의 ARU들 내의 송신기 회로들 사이의 캐리어 주파수 및 위상의 동기화를 조절하도록 동작한다.
개념 개발
이제, 일부 실시예들에 따라 PILS 개념 개발("새로운 시스템"이라고도 지칭됨)에 대한 설명이 이하에 제공된다.
ARU는 다음 수학적 설명에 따라 신호를 생성하도록 동작할 수 있다.
이상적인 공간 내 신호(V)는 중심 주파수 f0(330MHz)로부터 약 +4kHz 및 -4kHz(fs) 시프트된 2개의 캐리어(도 3에 보여진 것과 같은 CRS 및 CLR)로 구성되며, 각각의 진폭은 90Hz 및 150Hz에서의 2개의 연속 톤(continuous tone)에 의해 80%에서 변조되고, 변조 DDM의 차이는 수신기 앙각에 의존한다:
도 3은 일부 실시예들에 따른 이상적인 신호 공간의 2개의 캐리어(CRS 및 CLR)를 도시한다. 로컬라이저 시스템에 대해서만, 각각의 캐리어는 모스 코드(몇 분의 몇 초(fraction of seconds)의 지속시간을 갖는 임펄스들을 가짐)로 키잉된 1020Hz 톤에 의해 또한 진폭 변조된다:
이러한 공간 내 신호 VARU -i는 RF 진폭, RF 위상 및 톤 변조 깊이 및 위상 에 대해 상이한 유사 신호들을 각각의 안테나(i)에 공급함으로써 달성되며, 캐리어 주파수, 변조 주파수 및 모스 코드와 같은, 다른 특성들을 공통으로 갖는다:
일부 실시예들에 따라, 기본적으로, 인덱스 i를 갖는 계수들은 각각의 안테나에 대해, 따라서 각각의 ARU에 대해 변경되지만(CRS 및 CLR 둘 다에 대해 Vi, , Ai, ), 동기화는 모든 공통 주파수가 최대한 서로 동일하고 최대한 동일한 순간(위상)에서 시작한다는 보장으로 이루어진다.
표 1 - 허용되는 허용오차 주기들
일 실시예에서, 새로운 활공 경로 시스템이 안정적인 하강 각도를 보장하기 위해서는, 무선 주파수 캐리어들의 허용가능한 정적 위상 확산이 1°보다 낮아야 한다. 이 요건은 새로운 무-이미지 GP 어레이에 대해 수행된 시뮬레이션들의 결과로서, 두 개의 안테나 송신기 사이의 1° RF 편차가 0.02°의 활공 경로 각도 편차에 대응하는 약 0.5%의 DDM 편차를 생성할 수 있음을 보여주며, 이는 허용가능한 것이다. 0.03°는 실제 환경에서 현재 시스템이 경험하는 전형적인 GP 각도 노이즈이기 때문에, 새로운 시스템의 설계 연구에서는, 시뮬레이션 시스템들의 이상적인 환경으로 인해 0.02°의 보수적인 목표(conservative target)가 식별되었다. 반면에, 현재의 이미징 시스템에서는 안테나에서 5°의 RF 위상 편차조차도 GP 각도에 영향을 미치지 않는다.
따라서, 위의 표 1을 보면, 이러한 요건 제한은 허용가능한 시간 허용오차로 변환된다. 단지 비교 및 참조를 위해, 다른 주파수들에 대한 1°가 또한 표시된다.
표 1을 참조하면, 제1 항목(캐리어 동기화)은 다른 항목들(변조 동기화)에 비해 특별한 주의가 필요함이 명백하다. 8ps 요건은 까다로운 목표이고(특히 케이블 길이가 50m를 초과하기 때문임), 이는 중장기적으로 보장되어야 하는 한편(그렇지 않으면 불안정한 하강 각도를 생성할 수 있음), 단기적으로(ms 범위), 이 요건은 보수적일 것이다. 신호들이 진폭 변조되기 때문에 매우 짧은 기간의 위상 편차(고주파 지터)는 신경쓰지 않아야 한다.
솔루션 설명
이제, PILS 시스템이 구현될 수 있는 방법의 맥락에서 다양한 추가 실시예들이 설명된다.
신호 설명 및 솔루션 옵션들의 도입.
각각의 ARU 송신기는 프로그래밍가능한 캐리어 주파수 및 프로그래밍가능한 구성 값들(예를 들어, RF 전력, RF 위상, 변조 깊이들 및 위상들 중 적어도 하나)에서 변조된 무선 주파수 신호를 생성할 수 있는 자율적인 소프트웨어 정의 라디오(Software Defined Radio)이다. VOR 신호의 주파수, 파형들 및 안정성 요건들은 ILS의 요건들과 매우 유사하므로, DVOR 물리적 플랫폼을 사용하여 기본 ILS 4-안테나 로컬라이저 시스템을 구현하여 공간 내 로컬라이저 신호를 생성하는 것은 비교적 비용이 적게 들고 복잡성이 낮다. 따라서, SDR의 주파수 및 위상 정확도는 입증되는 한편, 상이하 ARU 간의 동기화만이 연구되었다.
이하의 단락들에 제시된 솔루션들은 케이블 길이들 및 필드 보정들(field calibrations)에 독립적인 시스템 설계에 중점을 둔다.
공통 동기화 신호의 스타 분포(star distribution)
일부 실시예들에서, 각각의 로컬 발진기(캐리어 주파수의 결정론적 분수 곱셈(deterministic fractional multiplication))가 중앙 유닛에 의해 브로드캐스트되는 공통 TCXO에 고정되는 경우, 각각의 ARU는 동일한 평균 무선 주파수를 가질 것이다. 도 4는 일부 실시예들에 따라 구성된 예시적인 아키텍처를 도시한다. TCXO는 온도 보상된 수정 발진기(temperature compensated crystal oscillator)에 의해 생성된 신호일 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, ARU들 각각은 중앙 유닛에 의해 브로드캐스트되는 공통 TCXO에 고정되는 캐리어 주파수의 결정론적 분수 곱셈을 출력하도록 동작하는 로컬 RF 발진기 회로를 포함한다.
도 4를 참조하면, 아키텍처는 캐리어 주파수 동기화를 보장할 수 있지만, RF 위상 동기화는 보장하지 않을 수 있는데, 왜냐하면 10ps의 요건은 20개의 케이블이 60m 또는 80m의 총 길이에 걸쳐 1mm의 정확도도 정확히 동일한 길이를 갖는 경우에만 달성될 수 있기 때문이다(조사 중인 수평 GP의 두 가지 버전을 고려함). 도 5는 두 케이블이 단지 1cm(우리의 1° 위상 시프트 제한을 충족하기에는 허용가능하지 않음) 차이나는 경우에 어떤 일이 발생하는지를 보여준다.
그러나, 일부 실시예들은 각각의 케이블의 RF 오프셋의 측정을 가능하게 하므로, 해당 케이블과 관련된 디지털 송신기는 이 값을 (어레이 패턴을 형성하는 데 필요한) 안테나 포트에서의 공칭 RF 위상으로 빼도록 동작할 수 있고, 그에 의해 안테나에서의 신호들은 동위상(in phase)일 것이다.
케이블 지연의 측정은 중앙 유닛에 요구된다. 케이블 지연(및 송신기)의 절대값은 필요하지 않은데, 왜냐하면 모든 케이블 사이의(그리고 ARU들 사이의) 차이만이 위상 어레이 빔 형성을 결정하기 때문이다. 설치 셋업에서 케이블 길이 측정과 같은 다른 솔루션들을 폐기하거나 연속 측정을 구현한 후, 시분할 다중화에 기초하여 솔루션이 제공된다.
ARU의 로컬 RF 발진기는 중앙 유닛(CU)에 의해 브로드캐스트되고 그것의 내부 TCXO에 의해 생성된 동기화 신호에 고정된 위상 고정 루프(phase locked loop)(PLL)에 의해 제어되는 내부 TCXO(도 6 및 8 참조)에 의해 구동된다.
주기적으로(예를 들어, 매초마다), CU는 로컬 ARU TCXO가 동결되는(PLL이 홀드 상태(hold state)를 동결함) 매우 짧은 시간 슬롯(예를 들어, 몇 밀리초) 동안에만 하나의 ARU에 대한 TCXO 전송을 중지한다. (나중에 설명되는 바와 같이, 해당 ARU에 의해 생성된 신호가 충분히 안정적이어야 하는 동안의) 이러한 시간 슬롯 동안, CU는 동일한 케이블을 통해 다시 송신된 ARU TXCO 신호와 그것의 TCXO 사이의 위상차를 측정할 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, ARU들 각각은 ARU들 각각의 내부의 TCXO에 의해 구동되는 로컬 RF 발진기 회로를 포함하며, 이는 중앙 유닛 내부의 TCXO로부터 중앙 유닛에 의해 브로드캐스트되는 동기화 신호에 고정된 PLL에 의해 제어된다. 주기적으로, 중앙 유닛은 하나의 ARU의 TCXO가 홀드 상태로 동결되는 정의된 시간 슬롯 지속기간 동안 하나의 ARU의 TCXO를 중지하도록 동작하고, 하나의 ARU의 TCXO가 동결되는 동안, 중앙 유닛은 중앙 유닛 내부의 TCXO와 케이블을 통해 중앙 유닛에 송신되는 하나의 ARU 내부의 TCXO 신호 간의 위상차를 측정하도록 동작한다.
도 6은 일부 실시예들에 따라 이 시스템을 구현하기 위한 연관된 회로들 및 동작들을 갖는 예시적인 블록도를 도시한다. 도 6의 시스템에서, 회로 및 동작들은 "tGO" 시간 간격(매초 약 990ms) 동안 ARU의 로컬 TCXO가 CU의 마스터 TCXO에 고정되는 것을 포함한다. 로컬 주파수가 제어된다. "tRET" 시간 간격(매초 약 10ms) 동안, 각각의 ARU의 로컬 TCXO가 동결되고, CU는 케이블에 의해 (2회) 지연되는 로컬 ARU를 측정한다. 로컬 주파수는 프리런(free running)한다. 매초마다, CU는 다른 구성 값들(전력, 변조 인덱스)과 함께 새로 측정된 위상 지연 Δψ/2로 각각의 ARU를 업데이트한다. 낮은 레이트의 동기화(변조 톤, ID 등)는 동일한 케이블들 상에서 브로드캐스트된다(나중에 보여짐). 도 6에서, "제어 유닛(Control Unit)"(CU)은 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 "중앙 유닛"에 대응할 수 있다.
10(TX) + 10(RX)개의 ARU가 동기화되어야 하는 경우, 가능한 시간 스케줄은 도 7의 타이밍도에 보여진 것과 같을 수 있다.
가장 적합한 시간 슬롯 지속시간의 결정은 공간 내 신호의 무결성에 기본적인 것이며, CU가 정확하고 안정적인 위상 측정을 수행하는 데 필요한 큰 값과 동결된 로컬 TCXO의 과도한 표류(wandering)를 피하는 데 필요한 작은 값 사이의 절충의 결과이다.
불행히도, 상업적으로 이용가능한 TCXO들에 대해 장기적 주파수 안정성이 지정되는 반면(일반적으로 1ppm/년으로, 이미 매우 좋은 값임), 더 정확한 원자 TCXO에 대해서는 단기적 편차(ppm/s)가 일반적으로 지정되고(0.002ppm/s), 이는 그들의 비용(1000$) 및 소비 전력(5W)으로 인해 사용될 수 없다.
2개의 전형적인 동일한 TCXO에 의해 생성된 주파수들을 혼합하고 비트 주파수(beat frequency)의 시간에 따른 편차를 측정하는 실험을 통해 단기 편차에 대한 대략적인 평가가 수행되었다. TCXO 단기 안정성에 대한 대략적인 추정은 330MHz에서 약 1Hz이다. 불행히도, 안정성이 매우 우수함에도 불구하고(3e-9), 이는 TCXO를 1초 동안 프리런하기에는 충분하지 않다. 사실, 보수적으로 말하면 1초 이내의 1Hz는 360°와 동일한 위상 시프트를 생성하며, 이는 1° 목표에서 멀리 떨어져 있다. Δψ =2πΔft이므로, 10ms의 프리-런 슬롯은 3.6°를 생성하지만 10ms 내에서 주파수 편차가 1Hz(1초 후에 측정된 값)보다 훨씬 작다고 합리적으로 가정할 수 있다. 반면에, 10ms 시간 슬롯은 수천 개의 40MHz 진동을 포함하고, 이는 CU가 위상 시프트를 안정적이고 정확하게 측정하는 것을 허용한다(약 10ps, 즉 0.1° 정확도).
복수의 캐리어에 기초하는 위상 동기화 루프
일부 실시예들에서, 각각의 ARU는 연결 동축 케이블을 통해 전송되는 상이한 톤들에 기초하는 분산 위상 동기화 루프를 사용하여 그것의 내부 클록의 정밀한 위상 동기화 방식을 구현할 것이다. 이러한 접근은 적절하게 작동하며, 선택된 상이한 주파수들에 대해 매질 내의 전파 속도가 동일한 경우(케이블은 거의 분산성이 아님)에 매우 정확하다.
일부 구현 실시예들에 따르면, ARU를 향해 전송되는 2개의 주파수는 f1 및 f2로 명명되고 원하는 주파수 fop까지 합산되도록 선택된다. ARU에서 두 개의 주파수 f1 및 f2가 함께 혼합되어 동작 주파수 fop를 얻고, 이는 2로 나누어지고 동일한 케이블로 CU에 다시 송신된다. ARU 내에서는 물론 CU 내에서 요구되는 주파수 분리 및 선택성은 지향성 결합기들을 피하는 저렴한 필터들(표면 탄성파(surface acoustic wave)(SAW) 또는 LC)을 사용하여 실질적으로 보장될 수 있다.
CU는 fop/2 톤을 다시 수신하고, 이 신호를 생성된 fop 신호와 위상 비교하여, ARU에 전송된 두 개의 톤 중 하나(f2)의 위상을 적절하게 정정하여, 분산 PLL 아키텍처를 구현한다.
따라서, 일 실시예에서, ARU들 각각은 로컬 RF 발진기 회로를 포함한다. 중앙 유닛은, 각각이 중앙 유닛을 ARU들 중 상이한 것에 각각 연결하는 케이블들을 통해 각각의 ARU에 두 개의 주파수 신호를 제공한다. 중앙 유닛은 또한 두 개의 주파수 신호를 결합하여 중앙 유닛에서 동작 주파수 신호를 제공한다. ARU들 각각은 2개의 주파수 신호를 함께 혼합하여 동작 주파수 신호를 얻고, 다음으로 그것은 각각의 케이블을 통해 제어 유닛에 다시 제공되는 리턴 신호들을 생성하기 위해 2로 나누어진다. ARU들 각각에 대해, 제어 유닛은 ARU로부터 리턴 신호들을 수신하고, ARU로부터의 리턴 신호의 위상을 중앙 유닛의 동작 주파수 신호와 비교하고, 위상 비교에 기초하여 ARU의 동기화를 조절한다.
도 8은 위에서 설명된 아키텍처의 예시적인 동작을 보여준다. USBG 및 LSBG는 각각 상위 또는 하위 측파대 생성기(밸런스드 믹서들 및 필터링)이다. CU에는 피드백 톤 fop/2와 함께 루프를 닫는 위상 제어 톤 f2를 적절하게 생성하기 위한 다른 두 개의 믹서가 있다. 이러한 아키텍처는 FPGA 또는 다른 RF 디지털 솔루션을 사용하여 등가의 방식으로 합성될 수 있다.
이러한 접근은 마이크로파 구현에 대해서도 1도 미만의 위상 에러로 정확하여, 케이블들(즉, 길이, 속도 계수)에 관련된 임의의 온도 변동을 본질적으로 보상하는 것으로 검증되었다.
정상 상태에서, 케이블들의 위상 오프셋들이 보상되고 있고, 시스템이 케이블 길이들에 민감하지 않으며, 케이블들이 분산성인 경우에만 에러가 발생됨을 알 수 있다. 일부 구현들에서, 주파수들은 100MHz 범위에 있고, 3가지 톤에 의해 사용되는 전체 대역폭도 역시 그 범위로 제한되므로, 분산은 무시할 수 있다.
도 9는 RG223과 같은 일반 케이블의 일반적인 거동을 보여주는 예시적인 측정을 보여준다. 케이블 분산에 관련된 차동 위상 에러는 1gHz 미만에서 수천 도 범위 내에 있다. 이것은 약 330mHz에서 동작할 때 발생할 수 있는 분산에 기인하는 에러 기여도의 크기이다.
변조의 동기화
캐리어 주파수들이 두 가지 예시적인 접근 중 하나를 사용하여 동기화되면, 각각의 ARU에서, 변조 주파수는 매우 높은 해상도로 캐리어 주파수의 분수 비율로서 쉽게 생성될 수 있다. 비율이 결정적 값이므로, 모든 변조 주파수의 균등이 보장된다.
단지 예로서, 캐리어 주파수가 332MHz인 경우(1000Hz 허용오차를 가짐), 변조 톤들은 이러한 방식으로 생성될 수 있다:
(요건은 0.01Hz임)
(요건은 0.01Hz임)
(요건은 0.1Hz임)
(요건은 50Hz임)
변조 주파수들에 관한 한 동기화는 문제가 되지 않는다. 대신에, 저주파수는 훨씬 더 높은 주파수의 분할로 달성되기 때문에 그들의 위상이 문제가 되는데, 왜냐하면 각각의 ARU에서, 저주파수가 무선 주파수의 어느 주기에서든 시작하는 것이 방지되어야 하기 때문이다. 도 10은 변조의 동기화의 예시적인 동작을 도시하는 그래프이다.
변조 시간 영역(약 1㎲)에서 ARU들을 동기화하는 데 요구되는 낮은 정확도 때문에, 케이블 지연들은 무시할 수 있으며, 공통 변조 동기화는 각각의 케이블로부터 리턴할 필요 없이 CU에 의해 모든 ARU에 브로드캐스트될 수 있다.
ARU의 직접 디지털 합성기(Direct Digital Synthesizer)(DDS)는 CU로부터의 동기화 임펄스를 트리거로서 사용하여, 무선 주파수의 분할로서 변조 주파수를 생성하다. 도 11은 변조 동기화를 도시하는 그래프이다.
변조 동기화는 구성 데이터와 함께 물리적으로 ARU에 송신될 수 있고, 그것의 첫 번째 대략적인 추정은 약 100kb/s이지만 이 목적을 위해 1Mb/s로 증가될 수 있다.
동기화 신호들의 전송
일부 실시예들에 따르면, 원격 ARU에 대한 동기화 신호들은 섬유 또는 구리 케이블을 통해 전송된다. 일 실시예에서, 동기화 신호들은 구리 와이어를 통해 전기 신호로서 분배될 수 있다. 일부 실시예들에서, CU로부터 ARU로 및 ARU로부터 다시 CU로의 연결마다 단일 케이블이 사용된다. 일부 구현들에서, 주 ILS 신호는 순방향 경로에서 동기화 신호와 함께 섬유 연결을 통해 전송된다. 역방향 경로에서는 동기화 신호가 별도로 송신된다. 이 아키텍처를 사용하면, ARU들은 내부적으로 주 ILS 신호를 합성할 필요가 없기 때문에 단순화된다. ARU 또는 CU는 동기화 루프에 따라 주 신호의 위상을 조절할 수 있다.
일부 실시예들에서, 케이블들은 광섬유들을 포함한다. 상호연결들을 위한 크기 및 중량을 줄이기 위해, 일부 실시예들에 따라 광섬유들에 의해 CU 및 ARU를 상호연결하기 위해 광학 원리들이 기본적으로 사용될 수 있다. 특히, 서브어레이들의 상호연결을 위해, 단일의 견고한 상호연결기 플러그에 부착된 단일의 또는 복수의 섬유가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중앙 유닛은 광섬유 케이블들을 통해 전송된 광학 동기화 신호들을 사용하여, 전송을 위해 ARU들에 의해 복수의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호 사이의 동기화를 조절하기 위해 ARU들을 제어하도록 동작한다.
일부 실시예들에서, 섬유 또는 구리 케이블들을 통한 동기화 데이터의 전송은 다중 캐리어를 사용한다. 이 실시예에서, 다중 캐리어의 캐리어들 중 하나가 리턴 경로에 사용된다. (예를 들어 상이한 모드들 또는 파장들을 사용하는 섬유에 대해) 리턴 경로는 동일한 매체에 걸쳐 있거나, 순방향 경로의 동일한 길이의 별도 매체를 사용할 수 있다(즉, 섬유의 경우, 동일한 다중 케이블 중 다른 하나를 의미함).
다중 캐리어 전기 신호의 각각의 주파수는 광학 동기화 신호의 특정 파장에 매핑된다. 그러면, 동기화 신호는 시간 연속 신호로서 유지될 것이다. 서브어레이들을 상호연결하기 위해, 광학 동기화 신호는 단일 광섬유를 통해 송신될 수 있다. 각각의 ARU에 대한 분배는 상호연결기 박스에 의해 수행될 수 있고, 상호연결기 박스는 각각의 ARU에의 상호연결을 위해 짧은 섬유들(short fibers)을 통해 분배할 광학 신호를 분할한다. 광학 동기화 신호는 전기 신호로 다시 변환될 수 있고, 연결기 박스에서의 상호연결은 동일한 길이의 짧은 전기 상호연결 케이블들에 의해 수행된다.
일부 실시예들에서, 시간 다중화를 사용하여 섬유 또는 구리 케이블들을 통해 동기화 신호들을 전송하고, 동일한 매체를 통해 위상 정렬 데이터를 역방향으로 송신한다. 일부 실시예들에서, 시간 다중화 동기화 방식은 광 강도를 변조함으로써 적용될 수 있다. CU와 ARU 간의 연결들의 원리는 위에서 설명된 예들과 유사하거나 동일한 것이다.
아키텍처에 대한 위상 고정 루프(PLL)(Phase Locked Loop) 광학 구현의 사용이 또한 위에 설명되어 있다. 일부 실시예들에서, 대안은 광학 영역에서 동기화가 달성되도록 동기화 루프에서 광학 PLL들을 사용하는 것으로 이루어진다. 이 구현은 전체 동기화 정확도를 높일 것인데, 왜냐하면 더 빠른 광학 동기화로, 위상 잡음 및 지터가 전기적 동기화보다 높은 주파수들에 있기 때문이다.
공통 동기화 신호의 스타 분포
짧은 시간 간격 동안 ARU의 로컬 TCXO들을 고정할 가능성을 평가하기 위한 테스트가 수행되었고, 이러한 짧은 시간 간격 동안 제어 유닛은 공통 TCXO 전송에 사용된 동일한 케이블을 사용하여 ARU에 의해 리턴된 TCXO 지연을 측정할 수 있다.
테스트 벤치: 2개의 DVOR 송신기(115MHz에서 SDR), 각각은 자체 프리런 TCXO(40MHz)에 고정됨; 공급 전압, 부하, 온도, 노화에 따라 0.1÷1ppm(즉, GP 주파수에서 30Hz 초과) 정도의 크기의 경우 제조자에 의해 선언되는 주파수 안정성. 도 12는 일부 실시예들에 따라 구성된 2개의 DVOR 송신기를 도시한다.
측정 결과들은 (115MHz에서의) 두 개의 캐리어가 적어도 0.1Hz만큼 서로 이동함을 보여주는데, 이는 330MHz(GP 주파수)에서의 0.3Hz에 대응한다. 이 주파수 오프셋은 몇 분의 1초 안에 수십 도의 위상 시프트를 생성하며, 이는 허용되지 않는다.
결론은 송신기들이 동일한 TCXO로 구현된 경우에는 몇 분의 몇 초 동안이라도 그것들을 고정해제 상태로 둘 수 없다는 것이지만, 실행가능한 유일한 옵션은 로컬 TCXO를 몇 밀리초 동안 동결하는 것이고; 이 간격 동안 TCXO 표류들은 합리적으로 더 낮고, 변조 톤들이 90HZ 및 150Hz이기 때문에, 수신기 복조기는 공간 내 신호의 변동의 둔감할 수 있다.
논의 및 평가
여기에 개시된 다양한 실시예들에 대한 연구들의 결과들은, 원격 유닛의 위상 동기화가 1도 위상 정렬 목표를 충족하는 접근들(공통 신호 또는 다중 캐리어) 둘 다를 사용하여 실현가능함을 보여준다.
두 경우 모두에서, 변조 동기화에 대해, 저주파수 임펄스를 사용하여 변조 신호들을 적절하게 정렬하고 결국 양방향 구성 데이터를 전송하는 것이 가능하다. 고주파수 위상 동기화, 저주파수 임펄스들 및 데이터는 물론 전력을 원격 ARU에 결합하고 전송하기 위해 단일 케이블을 사용하는 솔루션을 구현하는 것이 가능하다.
여기에 개시된 다양한 실시예들에 의해 제공되는 핵심적인 차이들은 이하를 포함할 수 있다:
공통 동기화 신호의 스타 분포
1) 적절한 데이터를 전송하는 ARU에서 케이블 길이들이 주기적으로 측정되고 보상된다
2) 더 간단한 하드웨어(HW) 구현
3) 케이블 측정들 동안 TCXO가 동결될 필요가 있다
4) 시스템은 ARU 유닛들을 추가하되 시간 다중화 폴링 제약조건들을 고려하여 확장될 수 있다
다중 캐리어들에 기초하는 위상 동기화 루프
1) 케이블 길이들 및 온도 변동들에 둔감
2) 캐리어를 분리하기 위한 소정의 필터링, 그리고 일반적으로는 더 복잡한 HW 구현을 필요로 한다
3) 잠금의 실시간 제어, 및 TXCO 동결이 필요하지 않음
4) 시스템은 점대점 아키텍처를 복제함으로써 확장될 수 있다.
이제, 다양한 실시예들에서 도출된 요건들이 설명된다. 일부 실시예들은 이 연구에 대한 고유한 고객 요건들에 기초하는 이하의 요건들에 관련이 있다.
a) 일부 실시예들에 따르면 활공 경로 시스템은 비-이미징 타입이어야 한다.
- 종래의 이미징 타입 활공 경로 시스템들은 적절한 공간 내 신호를 생성하기 위해 활공 경로 안테나의 전방에 넓은 평면 영역을 필요로 한다. 따라서, 이미징 시스템은 "엄격한" 위치들에 설치하기 위한 요건을 충족할 수 없었다.
b) 활공 경로 시스템은 짧은 마스트 상에서 수평 안테나 어레이 또는 수직 안테나 어레이를 사용해야 한다.
- 종래의 활공 경로 안테나 어레이는 이동성(transportability) 및 설치 요건들과 호환되지 않는, 높고(최대 60피트) 무거운 타워에 장착된다.
c) 로컬라이저 및 활공 경로 어레이들 내의 각각의 안테나는 "소프트웨어 정의(software-defined)" 송신기 및 수신기인 별도의 안테나 무선 유닛(ARU)에 의해 구동되어야 한다. 수신기는 모니터링을 위해 사용된다.
- 종래의 로컬라이저 또는 활공 경로 시스템은 하드웨어 분배 유닛을 통해 안테나들에 연결된 단일 송신기를 갖는다. 각각의 안테나에 소형 ARU를 사용하는 것은 패키징 및 설치를 간단하게 하고, 각각의 안테나의 신호 진폭 및 위상이 소프트웨어를 통해 정밀하게 설정될 수 있기 때문에 설계 및 튜닝에 있어서 훨씬 더 큰 유연성을 제공한다.
이제, 개념 개발들, 평가 접근들, 및 적용되는 방법들의 일부 추가 실시예가 이하에 논의된다.
개발 노력의 대부분은 활공 경로 안테나 시스템에 집중되었는데, 왜냐하면 그것이 완전히 새로운 설계이기 때문이다. 패키징 및 셋업 시간 요건들의 제약들 내에서 공간 내 신호 성능을 분석하는 다양한 구성들이 고려되었다.
개념 도출을 위한 접근들에 대한 일부 실시예들이 이하에 논의된다.
활공 경로
일부 실시예들에서, 활공 경로 시스템은 안테나 어레이 설계에 대해 근본적으로 다른 접근을 필요로 한다. 연구된 각각의 어레이 구성에 대해, 공간 내 신호의 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션들이 수행되었다. 시뮬레이션들의 능력들은 이하를 포함한다:
a) 소정 범위의 방위각들에 걸친 앙각의 함수로서의 변조 깊이(Depth of Modulation)(DDM) 차이의 플롯. (참고: DDM은 항공기 ILS 수신기가 원하는 활공 경로에서 항공기 위치의 수직 편차를 측정할 수 있게 하는 기본 신호 특성이다. 전형적인 3° 활공 경로에 대해, DDM은 3°에서 제로이며, 항공기가 활공 경로 아래로 하강함에 따라 증가하고, 항공기가 활공 경로 위로 상승함에 따라 감소한다.)
b) 소정 범위의 앙각들에 걸친 방위각의 함수로서의 DDM의 플롯.
c) 소정 범위의 앙각들 및 방위각들에 걸친 활공 경로 안테나 어레이로부터의 거리 함수로서의 DDM의 플롯.
d) DDM에 대해 위에서 설명된 조건들 하에서의 CSB 및 SBO 전력 및 위상의 플롯. (참고: CSB[캐리어 더하기 측파대] 및 SBO[측파대 전용]는 결합될 때 DDM을 생성하는, 공간 내 신호의 두 개의 컴포넌트이다.)
e) 안테나 기계적 변위가 DDM에 미치는 효과.
f) ARU 전력 및 위상 에러가 DDM에 미치는 효과.
g) 거칠고 경사진 지면으로부터 오는 것을 포함하는 지면 반사들의 효과.
h) 어레이 내의 안테나들 간의 RF 커플링의 효과.
i) 개별 안테나들의 방사 패턴들 및 다른 특성들.
DDM의 플롯들은 공간 내 신호 활공 경로 각도 및 폭을 나타내고, 이는 ICAO Annex 10 및 FAA Order 8200.1 제한들과 비교되는 핵심 파라미터들이다.
로컬라이저
일부 실시예들에서, 로컬라이저 안테나 어레이는 기계적 지원 시스템(더 쉬운 패키징 및 설치를 위해 수정됨) 및 개별 안테나 요소 설계(크기 및 중량을 줄이기 위해 수정됨)에서 일부 기존 어레이들과 다를 수 있는 표준 8-요소 어레이에 기초할 수 있다. 또 다른 차이점은 8개 요소 각각에 대해 별도의 ARU를 사용한다는 것이다. 이는 셋업 시간의 엄청난 개선을 제공하는데, 왜냐하면 종래의 동축 케이블 트리밍 방법이 아니라 소프트웨어를 통해 정밀한 위상 조정이 행해질 수 있기 때문이다. 방사 패턴, 이득, 전후방 비율 등의 측면에서 후보 요소들의 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션들이 수행되었다.
일반적으로 사용되는 로컬라이저 안테나 어레이들은 8개 요소로부터 최대 32개 요소까지 크기가 다양하며, 요소가 많을수록 어레이가 더 넓어진다. 로컬라이저 빔 폭은 애퍼쳐 크기에 반비례하다. 더 넓은 애퍼쳐들을 가진 로컬라이저들은 코스 내에서 굴곡들을 야기하는 다중경로 반사들로 인한 왜곡에 덜 민감하다. 예를 들어, 활주로 근처에서 활주하는 초대형 항공기(예를 들어, 에어버스 A380)로 인해 접근 코스 내의 굴곡들이 CAT Ⅲ 제한을 초과하게 될 수 있는 공항들에서 카테고리 Ⅲ 로컬라이저들을 위해 32-요소 어레이가 사용된다.
본 출원에 대해서는 성능 요건들(CAT I)과 패키징 및 셋업 시간 요건들 간의 절충의 결과로서 8-요소 구성이 선택되었다.
개념 분석을 위한 접근.
이 연구를 위해 개발된 착륙 시스템 개념은 다양한 요건과 관련하여 분석되었다. 특정 요건들의 다수의 조합은 절충을 필요로 하는데, 예를 들면, 안정적인 공간 내 신호는 강력하고 견고한 안테나 장착 구조물들을 요구하지만, 패키징 및 셋업 요건들은 그들이 가능한 한 작고 가벼울 것을 요구한다.
활공 경로 안테나 어레이의 일부 실시예들이 이하에 설명된다.
이 프로그램의 모든 요건을 충족하는 활공 경로 안테나 어레이를 설계하는 것은 까다롭다. 두 가지 타입의 어레이, 즉 지면보다 1 또는 2미터 높게 장착된 수평 어레이 및 6미터 높이의 마스트에 장착된 수직 어레이가 분석되었다.
활공 경로 시스템의 공간 내 신호는 두 개의 컴포넌트, 즉 캐리어 더하기 측파대(carrier plus sideband)(CSB)와 측파대 전용(sideband only)(SBO)을 갖는다. CSB 신호는 동일 진폭으로 90Hz 및 150Hz에서 두 개의 톤에 의해 변조된 캐리어 80% 진폭인 반면, SBO는 CSB 톤들에 관련하여 서로에 대해 동일 진폭 및 반대 위상으로 90Hz 및 150Hz에서 두 개의 톤에 의해 변조된 억제된 캐리어 진폭을 갖는 신호이다. 및 는 공간의 임의의 포인트에서 수신된 총 CSB 및 SBO 변조 페이저들(phasors)이며(이 조합은 각각의 송신 안테나에 대한 수신기의 위치에 의존함), 해당 지점에서의 DDM은 아래와 같이 계산될 수 있다:
적절한 활공 경로 공간 내 신호(glide path signal in space)를 생성하기 위해서는, 활공 경로에서 제로의 DDM을 생성하기 위해 각각의 안테나 요소에서 적절한 CSB 및 SBO 진폭과 위상을 선택해야 한다. 전형적으로, 이것은 통상적으로 3°인 원하는 활공 경로 각도에서 SBO 진폭에 널(null)을 달성함으로써 수행된다. 이러한 접근은 수평 어레이에 대해 여기에서 사용될 수 있다. 그러나, 그것은 또한 코사인 함수를 제로로 만들도록(즉, CSB 및 SBO 위상을 직각으로 하도록) 위상을 조절하는 것에 의해서도 행해질 수 있고, 이것은 비-이미징 수직 어레이에 대해 취해진 접근이었다.
활공 경로 어레이에 대해 두 가지 타입의 안테나 요소, 즉 로그 주기 다이폴(log periodic dipole)(LPD), 및 본질적으로 평판인 테이퍼형 슬롯 안테나인 비발디(Vivaldi) 안테나가 고려되어 왔다. 비발디 유닛들은 선적을 위해 매우 컴팩트하게 적층될 수 있지만, LPD는 더 나은 지향성을 갖고, 이는 송신기 전력 요건을 완화한다. 도 13은 0.75m×0.75m이고 5.2dBi(더하기 어레이 인자(array factor))의 이득을 갖는 예시적인 비발디 안테나를 도시한다. 도 14는 또한 길이가 0.74m이고 이득이 9dBi(더하기 어레이 인자)일 수 있는 예시적인 LPD 안테나를 도시한다.
일부 실시예들에서, 중앙 유닛은 개별 ARU들 중 하나 이상으로부터 수신된 측정된 RF 파라미터들에 기초하여 공중의 항공기에 의해 수신된 변조 깊이(DDM), 신호 및/또는 변조 깊이 합계(Sum Depth of Modulation)(SDM)를 합성하도록 동작한다. 이 실시예에서, 중앙 유닛은 DDM 신호 및/또는 SDM 신호를 개별 ARU들의 하나 이상의 구성된 RF 파라미터에 비교한 것에 기초하여, 합성된 DDM 신호 및/또는 SDM 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 하는지를 결정하도록 동작한다. 일부 실시예들에서, 중앙 유닛은 합성된 DDM 신호 및/또는 SDM 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 한다는 결정에 응답하여 복수의 ARU의 동작을 중단하도록 동작한다. 일부 다른 실시예들에서, 중앙 유닛은 합성된 DDM 및/또는 SDM 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하거나 초과하지 않는다는 결정에 응답하여 복수의 ARU의 동작을 계속하도록 동작한다.
중앙 유닛에서의 모니터링을 위해, 공중의 사용자에 의해 수신된 필드는 개별 ARU의 Rx로부터의 측정된 RF 파라미터들에 기초하여 합성되어 중앙 유닛에 전달된다. CPM 내의 실행 모니터(executive monitor)는 결과적인 DDM을 합성하고 신호를 구성된 값들과 비교한다. 이 접근은 임의의 원하는 위치(방위각, 고도 및 근거리 필드)에서, 그리고 그것의 양에 관계없이, 공간-내-신호의 신속한 추정을 허용한다. 예를 들어, 모니터링은 임의의 위치에서 모니터 입력 신호들의 임의의 값 범위에 대해 수행될 수 있으며, 여전히, 공중의 사용자에 의해 경험되는 DDM이 합성될 수 있다. 대조적으로, 표준 ILS에서는 몇 개의 고정된 위치만이 추정될 수 있다. 미리 정의된 임계값을 초과하는 불일치가 검출되면, 모든 LOC TX/RX ARU가 중지되도록 트리거하는 통지가 LOC CPM로부터 전송된다.
일부 실시예들에서, 복수의 ARU 중의 각각의 ARU는 ARU에 연관된 복수의 안테나 중의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호를 수신하도록 동작하고, 변조된 RF 신호를 ARU의 하나 이상의 신호 파라미터에 비교한 것에 기초하여, 변조된 RF 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 하는지를 결정한다. 일부 실시예들에서, 복수의 ARU 중의 각각의 ARU는 변조된 RF 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 한다는 결정에 기초하여, 변조된 RF 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 한다는 표시를 포함하는 통지를 중앙 유닛에 전송하도록 추가로 동작한다. 이 실시예에서, 중앙 유닛은 통지에 기초하여 복수의 ARU 중 하나 이상의 동작을 계속할지 여부를 결정하도록 동작한다.
대안적으로, 중앙 유닛 내에서의 신호의 모니터링에 대해, 개별 RF 파라미터들의 개별 모니터링은 ARU 내에서 직접 수행될 수 있다. 이 경우, 항공기 위치에서 수신된 DDM의 유효성 간의 관계는 ARU별 개별 모니터 임계값들을 통해 보장된다. 각각의 (TX/RX) ARU는 자체 RF 신호를 수신하고, 신호 파라미터들을 구성된 값들과 비교한다. 검출 시에, 추가의 또는 모든 ARU를 중단할지를 결정하기 위해 추가 로직을 갖는 중앙 유닛에 통지가 송신된다.
일부 실시예들에서, 모니터 ARU는 복수의 안테나에 의해 방사되는 RF 신호들을 수신하도록 동작한다. 이 실시예에서, 모니터 ARU는 복수의 안테나에 의해 방사되는 RF 신호들이 ILS 시스템으로부터 공중 항공기에 의해 수신될 예상 DDM 신호 및/또는 SDM 신호와 정렬되는지를 결정하도록 추가로 동작한다. 일부 실시예들에서, 모니터 ARU는 복수의 안테나에 의해 방사되는 RF 신호들이 ILS 시스템으로부터 공중 항공기에 의해 수신될 예상 DDM 신호 및/또는 SDM 신호와 정렬되지 않는다는 결정에 응답하여, 복수의 안테나에 의한 RF 신호들의 방사의 중단을 개시하도록 추가로 동작한다. 일부 다른 실시예들에서, 모니터 ARU는 복수의 안테나에 의해 방사되는 RF 신호들이 ILS 시스템의 보정 프로세스 동안 방사되는 이전의 RF 신호들로부터 미리 정의된 임계값 내에서 벗어났다는 결정에 응답하여, 복수의 안테나에 의한 RF 신호들의 방사의 재보정을 개시하도록 추가로 동작한다.
추가 ARU는 DDM의 측면에서 방사되는 신호의 필드 모니터링에 전용인, 수신 전용(RX 전용)으로서 설치되고 구성될 수 있다. 전형적인 사용에서, 필드 모니터는 정렬불량이 검출되면 방사 신호를 중단한다. 추가로, 필드 모니터는 상태 모니터링을 위해 사용될 수 있는데, 즉 사용자에게는 중요하지 않지만 이전 보정 상태로부터 벗어나는 신호 변경들을 검출한다. 이러한 경우들에서, 필드 모니터는 비행 점검 항공기(flight check-aircraft)를 필요로 하지 않고서, 시스템에 자체 포함된 수단에 의해 신호를 재보정하기 위해 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 상이한 ARU들은 신호를 가능한 한 최소 장애 조건에 가깝게 만들기 위해 단독으로 또는 복수의 ARU의 그룹들로 신호를 방출하도록 중앙 유닛에 의해 명령을 받을 수 있다. 이것은 ARU마다 상이한 파라미터 값들을 순환하고 조절함으로써 원하는 DDM에 대한 최소 편차를 검색하는 검색 알고리즘에 의해 수행될 수 있다.
위에서는 모든 ARU의 동작을 중지하는 것이 설명되었지만, 일부 상황들에서는 하나 이상의 ARU의 동작을 중지하고 나머지 ARU들의 동작을 계속하는 것이 가능함을 이해해야 한다. 예를 들어, 결과적인 전체 필드가 여전히 허용오차 내에 있는 경우, 영향을 받는 ARU들이 정정될 때까지 나머지 ARU들의 동작이 가능하다. 이러한 상황에서, 영향을 받는 ARU 또는 ARU들의 손실을 처리하는 또 다른 파라미터 세트가 로드되어, 결과적인 전체 필드가 허용오차 내에 있게 된다.
일부 실시예들에서, 필드 모니터는 중앙 유닛에 연결된 수신 안테나 및 신호 측정 수신기를 운반하는 이동식 마스트(mobile mast)일 수 있다. 이러한 셋업은 보정을 위해서만 사용할 수 있으며, 신호 보정 후에 제거될 수 있다.
수평 활공 경로 어레이.
분석된 첫 번째 어레이는 지면에 평평하게 놓인, 타워에 장착된 2개의 안테나를 포함하는 종래의 널 기준 이미징 어레이(null reference imaging array)로서 구성된 비-영상 어레이였고, 널 기준 이미지들이 물리적 안테나들로 변환되어, 4-요소 선형 수평 어레이를 초래했다. 도 15는 이 어레이와 활주로의 항공 개략도를 보여준다(비율이 맞지 않음).
도 15는 일부 실시예들에 따른 4-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성을 도시한다.
안테나 위치 허용오차들에 대한 공간 내 신호의 민감도를 줄이기 위해, 이 어레이에 대한 요소들 사이의 간격은 수직 널 기준 어레이의 간격으로부터 크게 확장되었다. (활주로에 평행한) 어레이 애퍼쳐는 약 160미터였다. 이 어레이는 도 16에 도시된 바와 같이, 우수한 DDM 대 앙각 곡선을 생성했다. 보여진 곡선은 전형적인 3° 활공 경로 각도를 갖는 시스템에 대한 것이지만, 각도는 SBO 신호 위상을 조절하는 것에 의해 2.5°내지 3.5° 범위 내의 임의의 것으로 설정될 수 있다.
도 16은 일부 실시예들에 따른 4 요소 수평 어레이에 대한 DDM 대 앙각을 도시한다. DDM은 3° 고도에서 제로이고, 더 낮은 앙각들에서 점점 더 포지티브(플라이-업(fly-up) 표시)이고 더 높은 앙각들에서 점점 더 네거티브(플라이-다운(fly-down) 표시)임에 유의한다.
도 17은 CSB 및 SBO 전력 대 앙각을 보여준다. 3°에서의 SBO의 널에 유의해야 한다. 도 18은 CSB 및 SBO 위상을 앙각의 함수로서 보여준다. SBO 위상은 3° 앙각에서 -90°(CSB 위상과 직교)임에 유의해야 한다.
4-요소 어레이에서, SBO(캐리어 측파대 단독) 신호들은 외측 안테나 쌍을 구동하고, CSB(캐리어 더하기 측파대)는 내측 쌍을 구동한다. 추가 분석은 내측 쌍이 제거되고 외측 쌍이 CSB 및 SBO 둘 다에 의해 구동되는 경우 동일한 DDM 곡선이 획득될 수 있음을 보여주었다. 결과적인 2-요소 어레이가 도 19에 도시된다.
따라서, 일부 실시예들에서, 복수의 안테나는 활공 경로 안테나 어레이 및 로컬라이저 안테나 어레이를 포함하고, 로컬라이저 어레이의 각각의 안테나 및 로컬라이저 어레이의 각각의 안테나는 ARU들 중 상이한 것에 의해 구동된다. ARU들 각각은 프로그래밍가능한 캐리어 주파수 및 프로그래밍가능한 구성 값들에서 변조된 무선 주파수 신호를 생성하도록 동작하는 소프트웨어 정의 라디오들일 수 있다. 프로그래밍가능한 구성 값들은 RF 전력, RF 위상, 변조 깊이 및 위상들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 활공 경로 안테나 어레이는 적어도 4 요소 수평 어레이를 제공하기 위해 수평으로 이격되어 배열된 적어도 4개의 안테나 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 활공 경로 안테나 어레이는 10 요소 수평 어레이를 제공하기 위해 수평으로 이격되어 배열된 10개의 안테나 요소를 갖는다. 활공 경로 안테나 어레이가 4 요소 수평 어레이를 가질 때, 추가 실시예에서, 활공 경로 어레이의 외측 안테나 쌍은 캐리어 측파대 단독(SBO) 신호들로 구동되고, 활공 경로 어레이의 내측 안테나 쌍은 캐리어 더하기 측파대(CSB) 신호들로 구동된다.
도 19는 2-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성의 실시예를 도시한다. 어레이 축에 대한 소정 범위의 방위각에 걸쳐서 DDM 거동을 조사하면, 적절한 신호가 생성되는 범위가 실제 활공 경로 시스템에 비해 지나치게 작을 수 있음이 분명해진다. 2개, 4개 또는 임의의 수의 안테나 요소를 갖는 선형 활공 경로 어레이는 어레이 축을 둘러싸는 원추형 표면에서 활공 경로 각도가 일정한 공간 내 신호를 생성한다.
도 20은 원뿔의 단면을 갖는 종래의 널 기준 어레이에 대한 실시예의 측면도를 도시한다. 이 어레이의 일부 실시예들에서, 원뿔은 매우 얕고 안테나 타워 주위로 완전히 확장된다. 널 기준 이미징 어레이는 이론상 360° 방위각 커버리지를 가지며, 안테나 요소들의 방위각 방사 패턴에 의해서만 제한된다.
도 21은 수평 어레이의 실시예의 측면도를 도시한다. 이 경우, 활공 경로 표면은 매우 깊은 원뿔이다. 그리고 작은 방위각 범위를 다룬다. 도 22는 접근 경로 상의 항공기로부터 볼 때의 원뿔의 단면의 실시예를 도시한다.
일부 실시예들에서, 활공 경로 단면은 어레이 축을 둘러싸는 3°의 반경을 갖는 호이다. 반경은 선형 거리가 아니라 도(degrees) 단위라는 점에 유의해야 한다. 도 22는 또한 안테나 어레이로부터 활주로 중심선을 따라 주어진 거리에서의 활공 경로 표면까지의 거리를 보여주는 것으로 해석될 수 있다. 확장된 어레이 축 바로 위에 있는 항공기는 3°의 활공 경로에 있을 때 제로 DDM을 볼 것이다. 그러나, 어레이 축의 오른쪽 또는 왼쪽으로 3° 고도에 있는 항공기는 잘못된 네거티브 DDM(플라이-다운)을 볼 것이다. 항공기가 활주로 중심선의 측면으로 3°인 경우, 활공 경로 위로 3°에 등가인 심각한 플라이-다운 표시를 볼 것이다.
방위각 커버리지를 넓히는 방법은 어레이 축의 양측에 안테나를 추가하는 것이다. 예를 들어, 도 23은 10-요소 수평 활공 경로 안테나 어레이 구성의 실시예를 도시한다.
이 어레이는 5쌍의 안테나들로 구성되며, 중앙 쌍은 어레이 축(반드시 활주로와 평행하지는 않음)과 정렬되고, 2쌍은 어레이 축 양측으로 약 2.25°로 정렬되고, 2쌍은 어레이 축 양측으로 약 5°로 정렬된다. 그 결과, 120m 내지 160m 이격된 2개의 안테나 호(arc of antennas)가 생성된다. 정밀한 분리 거리는 중요하지 않은 것으로 결정되었다. 두 개의 안테나 호의 간격을 좁히는 것은 ARU들 간의 더 정밀한 위상 동기화를 허용하지만, 안테나 위치 에러들에 대한 공간 내 신호의 민감도를 증가시킨다. 최적의 간격은 아직 결정되지 않았지만, 이 범위의 하단에 있을 것으로 예상된다. 간격은 활공 경로 각도 또는 캐리어 주파수의 함수가 아니다. 간격은 모든 설치에 대해 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 10 요소 수평 어레이는 5쌍의 안테나를 포함하고, 중앙 쌍은 어레이 축과 정렬되고, 2쌍의 안테나는 어레이 축의 반대 편들에서 약 2.25°로 정렬되고, 2쌍은 어레이 축의 반대 편들에서 약 5°로 정렬되며, 각각의 쌍의 안테나들은 약 120미터 내지 약 160미터 사이에서 이격된다.
개별 안테나 쌍들의 활공 경로 표면들의 단면들이 도 24에 도시된다. 도 24는 개별 쌍의 활공 경로 단면의 실시예를 도시한다. 5쌍으로부터의 방사 신호들은 단순한 전력 가산이 아닌 복잡한 방식으로 결합된다. 각각의 안테나에 대한 CSB 및 SBO 전력들 및 위상들이 적절하게 선택되면, ±6°의 방위각 범위에 걸쳐서 거의 평평한 활공 경로 각도가 획득될 수 있다.
도 25는 이 어레이에 대한 방위각의 함수로서 3° 앙각에서의 DDM의 실시예를 도시한다. 이것은 활공 경로 각도가 ±6°의 방위각 범위에 걸쳐서 3°에 매우 가깝고 그 범위를 밖에서 급격히 낮아짐을 나타낸다.
일 실시예에서, ARU들은 ±6°의 방위각 범위에 걸쳐 거의 평평한 활공 경로 각도를 제공하도록 제어되는, 각각의 안테나에 대한 CSB 및 SBO 전력들 및 위상들을 사용하여 안테나들을 구동하도록 동작한다.
도 26은 10-요소 수평 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각의 실시예를 도시한다. 이 어레이에 대한 고도 및 방위각에 대한 DDM 곡선들은 한 가지 예외를 제외하고 카테고리 I 활공 경로 시스템에 적합하다. ±6° 밖의 방위각들에서의 DDM의 급격한 감소(즉, 플라이-다운 방향)는 안전상의 이유로 허용불가능할 수 있다. 더 안전한 솔루션은 DDM 곡선이 커버리지 범위 밖의 방위각들에서 플라이-업을 나타내게 하는 것이다. 이는 적절한 클리어런스 신호를 추가함으로써 달성될 수 있다.
클리어런스 신호(clearance signal)(CLR)는 주파수에서 5kHz 오프셋된, 즉 90Hz에 대해서만 150Hz의 고정 보급(fixed prevalence)으로 변조되는 별도의 캐리어 신호이고, 이는 순수한 고정 포지티브(즉, 플라이-업) DDM 신호를 생성한다. 클리어런스 신호의 방사 패턴은 그것의 전력이 ±6° 이내의 방위각들에 대해서는 경로 CSB 신호보다 작고 그 범위 밖의 방위각들에 대해서는 경로 CSB 신호보다 크도록 성형된다. "캡처 효과(capture effect)"를 통해, 항공기 활공 경로 수신기는 경로 신호 또는 클리어런스 신호 중 더 큰 값에 고정될 것이고, 이는 방위각 커버리지 범위 밖에서 플라이-업 테일들을 갖는 결합된 DDM 곡선을 야기한다.
따라서, 일 실시예에서, ARU들은 순수한 플라이-업 신호를 생성하는, 150Hz로 변조되는 주파수에서 5kHz 오프셋된 별도의 캐리어 신호인 클리어런스 신호(CLR)로 안테나들을 구동하도록 동작하며, 여기서 중앙 유닛은 ARU들 각각의 CLR을 개별적으로 조절하도록 동작한다. 클리어런스 신호(CLR)의 방사 패턴은 중앙 유닛의 제어 하에 성형될 수 있고, 따라서 CLR 전력은 ±6° 내의 방위각들에 대해서는 활공 경로 어레이의 안테나들에 의해 전송되는 활공 경로 코스 신호보다 작고, 그 범위 밖의 방위각에 대해서는 활공 경로 코스 신호보다 크다.
클리어런스 신호를 전송하기 위한 한 가지 옵션은 별도의 안테나 어레이를 사용하는 것이지만, 안테나 수를 최소화하기 위해, 기존 어레이의 전방부에 있는 5개의 안테나가 사용될 수 있다. 도 27은 클리어런스를 갖는 DDM 대 방위각의 실시예를 도시한다. 방위각들은 활공 경로 어레이 오프셋과 함께, 이 플롯 내의 확장된 활주로 중심선을 참조하고, 따라서 패턴은 대칭이 아니다.
전방 경로 안테나들은 클리어런스 패턴을 생성하기 위해 이상적으로 이격되지 않고, 따라서 DDM 패턴에서의 약간의 절충안이 필요했다. 일부 실시예들에서, 경로 및 클리어런스 신호 파라미터들은 물론, 안테나 간격은 합리적인 복합 DDM 방위각 곡선을 얻기 위해 조절되어야 한다. 방위각 커버리지 범위는 클리어런스가 없는 범위에 비해 다소 감소되고, 커버리지 범위 내 DDM 변동이 다소 더 크다는 점에 유의해야 한다. 방위각 범위 내에서 최대 평평도를 갖는 최대 방위각 범위를 생성하기 위한, 결합된 경로/클리어런스 신호의 최적화가 진행 중이다.
도 28은 클리어런스를 갖는 DDM 대 터치다운으로부터의 거리의 그래프를 도시한다. 그래프는 오프셋 활공 경로 어레이를 갖는 활주로 중심선 상의 항공기에 기초한다. 클리어런스 신호가 존재할 때, DDM은 터치다운 지점의 500미터 내에서 플라이-업 방향으로 이동한다는 점에 유의해야 한다. 이는 카테고리 I 결정 높이를 훨씬 초과하므로 정상 동작에는 영향을 미치지 않는다. 그러나, 그것은 클리어런스가 없는 DDM의 약 400미터에서 플라이-다운 특성을 커버하고, 이는 잠재적인 위험이 될 수 있다.
수평 어레이의 물리적 구현은 호들이 안테나의 선형 행(linear row)으로 대체되도록, 도 23에 보여진 배열을 약간 변경한다. 시뮬레이션들은 이러한 구성이 호들과 등가인 동일한 공간 내 신호를 생성할 수 있음을 보여준다. 전방 및 후방 서브어레이들을 선형으로 만드는 것은 도 29에 보여진 바와 같이 서브어레이 상의 안테나들이 단일 텔레스코핑 구조물 상에 장착되는 것을 가능하게 한다. 도 29는 일 실시예에 따른 수평 어레이 장착 구조물을 도시한다. 구조물은 LDP 안테나와 함께 보여진다.
수직 비-이미징 어레이.
수평 활공 경로 어레이의 대안은 수직 비-이미징 어레이이다. 이 개발에 대한 우리의 접근은 원하는 활공 경로 앙각에 SBO 널을 배치하는 일반적인 방법론으로부터 벗어난 것이었다. 대신에, 활공 경로 각도에서 코사인 함수를 제로로 만들기 위해 위상들을 조절함으로써(즉, SBO가 CSB에 대해 직각임) 활공 경로 각도에서의 제로 DDM이 생성되었으며, 이것은 비-이미징 수직 어레이에 대해 취해진 접근이었다. 도 30은 수직 무-이미지 어레이에 대한 플롯팅된 CSB 및 SBO 전력 대 앙각을 보여준다. 수평 어레이에 대한 도 17과 비교되어야 한다.
도 31은 수직 무-이미지 어레이에 대한 플롯팅된 CSB 및 SBO 위상 대 앙각을 보여준다. 수평 어레이에 대한 도 18과 비교되어야 한다. 수평 및 수직 어레이 둘 다에 대해, SBO 위상은 활공 경로 각도에서 CSB와 직교한다.
일부 실시예들에 따라, 도 32에 도시된 바와 같은 수직 어레이는 1m, 3.5m 및 6m의 높이로 이격되어 마스트에 장착된 3개의 안테나를 포함한다. 중앙 안테나는 적절한 활공 경로 신호를 생성하기 위해 상단 안테나와 하단 안테나 사이의 중간에 장착되어야 한다. 전체 간격은 (패키징 및 셋업 시간 요건들에 따른) 비교적 짧은 안테나 마스트의 필요성과 안테나 위치 허용오차에 대한 공간 내 신호의 민감도 사이의 절충안으로서 선택되었다. 하단 안테나를 1m보다 낮게 배치하면 바람직하지 않은 근거리 장 효과들(near-field effects)이 야기된다.
수직 어레이는 타입 M의 종래의 활공 경로 이미징 어레이와 비슷하긴 하지만, 완전히 다르고, 더 짧으며, 이미징 없이, 그리고 활공 경로 상에서 CSB와 SBO 간에 직교 위상차를 설정하는 기술을 사용하여 공간 내 신호를 생성한다.
도 33은 비-이미징 수직 활공 경로 어레이 DDM 대 앙각의 실시예를 도시한다. 점선은 DDM에 대한 ICAO Annex 10 제한을 나타낸다. DDM은 3° 고도에서 제로이지만, 도 27의 SBO 진폭은 해당 지점에서 널을 갖지 않음에 유의한다. 수직 어레이의 물리적 구현이 도 34에 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 34는 일부 실시예들에 따른 수직 어레이 장착 구조물을 도시한다. 컴팩트한 패키징과 신속한 셋업을 위한 마스트 텔레스코프들은 강풍에서의 견고함을 위해 가이 와이어들(guy wires)로 고정된다. 이것은 이중화된 LPD 안테나들로 표시된다. 일부 실시예들에서 안테나를 두 배로 할 필요성은 전력 예산(Power Budget)과 관련하여 아래에서 설명된다.
로컬라이저의 실시예가 아래에 설명된다.
로컬라이저 안테나 어레이는 전 세계적으로 카테고리 I 접근들에 사용되는 표준 8-요소의 단일 주파수(즉, 클리어런스 신호 없음) 어레이 구성에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에 대해, 일반 LPD 안테나 요소들은 LPD들보다 훨씬 더 작고 가벼운 이중 다이폴 요소들로 대체되고 있다. 이중 다이폴 요소들은 일 실시예에 따라 4.9dBi(더하기 어레이 인자)의 이득으로 0.68m×1.36m를 측정할 수 있다. 이중 다이폴들은 LPD보다 약간 덜 지향적(directive)이고, 이것은 DDM 패턴에 대해 작지만 중요하지 않은 효과를 가지며, 또한 송신기 전력 요건을 약간 증가시킨다. 안테나 장착 시스템은 더 작은 부피로 포장되고 더 신속하게 세워질 수 있도록 수정되었다.
도 35는 일부 실시예들에 따른 로컬라이저 어레이 안테나 요소들 및 지지 구조물에 대한 기계적 설계를 보여준다. 지지 구조 텔레스코프들은 선적을 위해 컴팩트한 유닛으로 된다. 안테나 요소들은 이중 다이폴들이다. 다이폴들 사이의 3개의 커넥팅 로드는 기계적 강성을 제공하기 위해 사용되는 비전도성 요소들이다. 이중 다이폴 안테나들은 LPD 안테나들보다 약간 덜 지향적이다.
절충의 결과로 8-요소 어레이가 선택될 수 있다. 일반적으로 사용되는 로컬라이저 어레이의 크기 범위는 8개 요소로부터 최대 32개 요소까지이다. 요소가 많을수록 어레이 애퍼쳐가 넓어지고, 애퍼쳐가 넓을수록 로컬라이저 빔이 좁아진다. 좁은-빔 로컬라이저들(narrow-beam localizers)은 접근 경로의 면에 대한 구조물로부터의 다중-경로 반사들로 인한 신호 열화에 덜 민감하다. 이러한 실시예들에서, 8-요소 어레이의 비교적 작은 크기로 인해, 그리고 ILS가 카테고리 I 접근만을 지원하면 되는 것으로 인해, 더 넓은 빔이 선호될 수 있다.
로컬라이저 신호는 상이한 변조 레벨을 제외하고는 활공 경로 신호와 유사하게 형성되고, 이하의 수학식에 따라 방위각 0에서 제로 DDM을 생성하도록 설계된다:
도 36 및 도 37은 CSB/SBO 전력 대 방위각, 및 DDM 대 방위각을 보여준다. 이 플롯들은 FEKO 시뮬레이션에 의해 생성되었다.
이제, 위에서 설명된 일부 실시예들에 대한 에러 및/또는 에러 민감도가 설명된다.
위의 도면들에 도시된 플롯은 "이론적으로 완벽한" 시스템들의 시뮬레이션들로부터 나온 것일 수 있다. 그러나, 실제 시스템들에는 많은 에러 소스가 있으므로, 알려진 에러들이 공간 내 신호에 미치는 영향들을 추정하도록 시뮬레이션들이 실행될 수 있다. 식별된 에러 소스들은 본질적으로 무작위이며, 그들의 크기는 시간에 따라 달라진다. 각각의 에러 소스는 장기적 컴포넌트(즉, 접근의 몇 분 동안 크게 변경되지 않는 컴포넌트), 및 접근 동안 크게 달라지는 단기적 컴포넌트를 갖는다고 가정될 수 있다.
활공 경로 각도에서의 공간 내 신호의 장기적 및 단기적 변동에 대해 상이한 제한들이 있을 수 있다. ICAO Annex 10 및 FAA Order 8200.1의 자연 재해(Natural Disasters) 섹션은 활공 경로 각도에 대한 "조절 및 유지" 제한들을 가지며, 이는 장기적 요건이다. 전형적으로 종래의 이미징 활공 경로 시스템에서 다중경로 반사들로 인해 야기되는 활공 경로 각도의 단기적 변동은 "구조(structure)" 또는 "굽힘(bends)"이라고 지칭되고, 또한 Annex 10 및 8200.1 제한을 갖는다. Annex 10은 95% 확률로 DDM 단위로 굽힘을 제한한다. 8200.1은 마이크로암페어(㎂) 단위들을 사용하고, 이는 DDM에 비례하는 항공기 수신기 출력을 참조한다.
표 2는 두 가지 요건 문서의 장기적 및 단기적 활공 경로 에러 제한들을 요약한다. 표 2의 모든 제한들은 도 단위들로 변환되었다. 8200.1 제한은 다소 느슨하고; 이들은 이 프로그램에 적용가능한 제한이라고 가정될 수 있다. 표 2는 Annex 10 및 8200.1 활공 경로 에러 제한들을 보여준다.
표 2 - 활공 경로 에러 제한들
분석된 에러 소스는 이하를 포함할 수 있다:
- 안테나 위치 에러들. 이러한 에러들은 설치 허용오차들은 물론, 강풍에서의 안테나 요소들의 동적 움직임을 포함한다. 에러들은 길이방향 위치 에러들만을 포함한다. 시뮬레이션들은 측방향 및 높이 위치 에러들에 대해 훨씬 낮은 민감도를 보여주었다.
- 송신기 전력 변동. 이들은 주로 온도 및 노화로부터의 장기적인(즉, 단일 접근보다 긴 시간 규모들에 걸친) 효과들이다.
- 송신기 위상 변동. 모든 안테나에서의 모든 신호들에 공통인 위상 시프트는 효과가 없지만, 각각의 안테나는 별도의 송신기에 의해 구동되기 때문에, 송신기들은 10 피코초의 허용오차 내에서 동기화되어야 한다. 이러한 허용오차는 안테나들 사이에 소량의 장기적 및 단기적 위상차를 야기한다.
안테나 위치, 진폭 및 위상에서의 에러들이 활공 경로 각도에 미치는 영향을 결정하기 위해 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션들이 실행되었다. 각각의 에러 소스에 대해 개별적으로 30회의 시뮬레이션이 실행되었으며, 모든 에러 소스가 제자리에 있는 상태에서 추가 시뮬레이션 세트가 실행되었다. 에러들은 주어진 범위에 걸쳐 균일한 확률 분포를 갖는 무작위 값들로서 시뮬레이션되었다. 몬테 카를로 시뮬레이션 결과들에 대해 아래에 참조되는 플롯들은 에러를 적용한 후의 활공 경로 앙각을 수직 축에 표시하고 샘플 번호를 수평 축에 보여준다. 각각의 점은 무작위 에러를 갖는 1회의 시뮬레이션의 결과들을 나타낸다. 플롯들의 일부는 활공 경로 각도 데이터에서 약간의 편향을 보여준다. 이것은 분석 중인 어레이가 약간(몇 백분의 1도) 활공 경로 각도 오프셋을 갖는 것의 결과이며 민감도 에러들의 결과가 아니다.
일부 수평 활공 경로 어레이 민감도들이 아래에 논의된다.
일부 장기적 에러들은 이하를 포함할 수 있다.
- 안테나 위치: 길이 방향(활주로에 평행)에서의 위치는 ±5mm 변경되었다. 이것은 튜닝 정정 후에 설치 허용오차로 가정되었다. 최대 20cm의 두 개의 서브어레이 사이의 초기 길이방향 에러들을 튜닝하기 위한 절차는 아래에 추가로 설명된다.
- 전력 변동: 각각의 안테나에의 전력은 ±0.2dB씩 개별적으로 변경되었다. CSB 및 SBO 전력은 상관관계가 있는 것으로 가정되었고, 따라서 동일한 양만큼 변동되었다.
- 위상 변동: 각각의 안테나에 대한 위상은 ±2°씩 개별적으로 변동되었다. CSB 및 SBO 위상은 상관관계가 있는 것으로 가정되었고, 따라서 동일한 양만큼 변동되었다.
도 38은 일부 실시예들에 따른 수평 어레이의 장기적 안테나 위치 에러 효과들을 도시한다. 도 39는 일부 실시예들에 따른 수평 어레이의 장기적 진폭 에러 효과들을 도시한다. 도 40은 일부 실시예들에 따른 수평 어레이의 장기적 위상 에러 효과들을 도시한다. 도 41은 일부 실시예들에 따른 수평 어레이의 결합된 장기적 에러 효과들을 도시한다.
단기적 효과에 대한 민감도.
일부 단기적 에러들은 이하를 포함할 수 있다:
- 안테나 위치: 길이 방향(활주로에 평행)에서의 위치는 ±5mm 변경되었다. 이것은 바람으로 인한 동적 변동으로 가정되었다.
- 전력 변동: 각각의 안테나에의 전력은 ±0.1dB씩 개별적으로 변경되었다. CSB 및 SBO 전력은 상관관계가 있는 것으로 가정되었고, 따라서 동일한 양만큼 변동되었다.
- 위상 변동: 각각의 안테나에 대한 위상은 ±1°씩 개별적으로 변동되었다. CSB 및 SBO 위상은 상관관계가 있는 것으로 가정되었고, 따라서 동일한 양만큼 변동되었다.
도 42는 결합된 단기적 에러 효과들을 갖는 수평 어레이에 대한 단기적 몬테 카를로 결과들을 보여준다. 이것은 활공 경로 각도에 있어서 장기적 결과들에 비해 약간 적은 변동을 보여준다.
일부 수직 활공 경로 어레이 민감도들이 이하에 논의된다.
일부 장기적 에러들은 이하를 포함할 수 있다:
- 안테나 위치: 길이 방향(활주로에 평행)에서의 위치는 ±5mm 변경되었다. 이것은 튜닝 정정 후에 설치 허용오차로 가정되었다.
- 전력 변동: 각각의 안테나에의 전력은 ±0.2dB씩 개별적으로 변경되었다. CSB 및 SBO 전력은 상관관계가 있는 것으로 가정되었고, 따라서 동일한 양만큼 변동되었다.
- 위상 변동: 각각의 안테나에 대한 위상은 ±2°씩 개별적으로 변동되었다. CSB 및 SBO 위상은 상관관계가 있는 것으로 가정되었고, 따라서 동일한 양만큼 변동되었다.
도 43은 일부 실시예들에 따른 수직 어레이 안테나의 장기적 위치 에러 효과들을 도시한다. 도 44는 일부 실시예들에 따른 수직 어레이의 장기적 진폭 에러 효과들을 도시한다. 도 45는 일부 실시예들에 따른 수직 어레이의 장기적 위상 에러 효과들을 도시한다. 도 46은 일부 실시예들에 따른 수직 어레이의 장기적인 결합된 에러 효과들을 도시한다.
단기적 효과들에 대한 민감도.
일부 단기적 에러들은 이하를 포함할 수 있다:
- 안테나 위치: 길이 방향(활주로에 평행)의 위치는 상단 안테나에 대해 ±1.5cm, 중간 안테나에 대해 0.75cm, 하단 안테나에 대해 0.38cm 변경되었다. 세 개의 위치는 무작위이지만 바람에 의해 구부러진 마스트를 시뮬레이션하기 위해 상관관계를 갖는다.
- 전력 변동: 각각의 안테나에의 전력은 ±0.1dB씩 개별적으로 변경되었다. CSB 및 SBO 전력은 상관관계가 있는 것으로 가정되었고, 따라서 동일한 양만큼 변동되었다.
- 위상 변동: 각각의 안테나에 대한 위상은 ±1°씩 개별적으로 변동되었다. CSB 및 SBO 위상은 상관관계가 있는 것으로 가정되었고, 따라서 동일한 양만큼 변동되었다.
도 47은 일부 실시예들에 따른 수직 어레이의 단기적인 결합된 에러 효과들을 도시한다.
지형 효과들
이 프로그램을 위해 분석되는 수평 및 수직 활공 경로 안테나 어레이들은 둘 다 비-이미징 어레이들이다. 이미징 어레이와 달리, 이들은 적절한 공간 내 신호를 생성하기 위해 지면으로부터의 반사에 의존하지 않는다. 그러나, 이들이 지면 반사들로부터의 효과들에 완전히 영향을 안 받는 것은 아니다.
지금까지 위에 표시된 시뮬레이션 결과들도 지면으로부터의 반사 효과들을 포함하지만, 지면은 완벽하게 평평하고 균일한 표면으로 가정될 수 있다. 이러한 표면으로부터의 반사들은 공간 내 신호에 대해 최소한의 효과를 가지며, 대부분 낮은 앙각들에서의 방사 전력 레벨들에만 영향을 미친다. 안테나들의 전방에 있는 거친 지면은 반사들에 영향을 주어 공간 내 신호를 변경할 수 있다.
지면 거칠기가 이러한 활공 경로 어레이들에 대한 공간 내 신호에 미치는 효과들을 정확하게 모델링하는 것은 어렵고 복잡하다. 여기에 보여진 결과들은 예비이며, 시뮬레이션 모델들이 개선됨에 따라 지나치게 비관적인 것으로 보여질 수 있다.
DDM에 대한 지형 거칠기의 효과를 결정하기 위해 시뮬레이션들이 실행될 수 있다. 계산을 단순화하기 위해, 2개의 차원에서의 지면의 정현파 높이(sinusoidal height)가 취해질 수 있으며, 무작위 프로세스에 의해 수정된다.
지면 고도(ground elevation)는 이하에 의해 계산될 수 있다:
여기서:
- Zground: 지면 고도.
- H: 최대 지형 고도
- I: 안테나 어레이로부터의 거리
- CL: 간섭성 길이(coherence length)
- g: 각각의 안테나 요소에 대해 상이한 지면을 시뮬레이션하는 것을 허용하는 무작위 파라미터.
수평 어레이에 대한 지형 효과들이 이하에 논의된다.
도 48a 내지 도 48d는 일부 실시예들에 따라, 지면 거칠기로부터의 수평 어레이 효과들을 도시한다. 3° 고도(활공 경로 각도), 및 2.3° 및 3.7°(활공 경로 섹터의 가장자리)에서의 DDM은 미터 단위의 H(지형 피크 높이, 거칠기 측정) 및 미터 단위의 CL(간섭성 길이, 피크들 사이의 거리 측정)의 다양한 값들에 대해 도 48a 내지 도 48d에 보여진다. 도 48a는 0.1m와 동일한 거칠기(H) 및 2m와 동일한 간섭성 길이(CL)를 갖는 상이한 무작위 지면들에 걸친 DDM 변동을 도시한다. 도 48b는 0.1m와 동일한 거칠기(H) 및 10m와 동일한 간섭성 길이(CL)를 갖는 상이한 무작위 지면들에 걸친 DDM 변동을 도시한다. 도 48c는 0.2m와 동일한 거칠기(H) 및 2m와 동일한 간섭성 길이(CL)를 갖는 상이한 무작위 지면들에 걸친 DDM 변동을 도시한다. 도 48d는 0.2m와 동일한 거칠기(H) 및 10m와 동일한 간섭성 길이(CL)를 갖는 상이한 무작위 지면들에 걸친 DDM 변동을 도시한다. 각각의 경우에 대해 시뮬레이션으로부터의 100개 샘플이 보여진다. 가장 큰 DDM 편차들은 더 큰 거칠기 높이와 더 작은 간섭성 길이에서 발생했음에 유의해야 한다.
수직 어레이에 대한 지형 효과들이 이하에 논의된다.
도 49a 내지 도 49d는 일부 실시예들에 따라, 지면 거칠기로부터의 수직 어레이 효과들을 도시한다. 수직 어레이는 수평 어레이보다 지면 거칠기에 더 민감하다. 거칠기는 경로 폭은 물론, 활공 경로 각도에 영향을 준다. 도 49a는 0.1m와 동일한 거칠기(H) 및 2m와 동일한 간섭성 길이(CL)를 갖는 상이한 무작위 지면들에 걸친 DDM 변동을 도시한다. 도 49b는 0.1m와 동일한 거칠기(H) 및 10m와 동일한 간섭성 길이(CL)를 갖는 상이한 무작위 지면들에 걸친 DDM 변동을 도시한다. 도 49c는 0.2m와 동일한 거칠기(H) 및 2m와 동일한 간섭성 길이(CL)를 갖는 상이한 무작위 지면들에 걸친 DDM 변동을 도시한다. 도 49d는 0.2m와 동일한 거칠기(H) 및 10m와 동일한 간섭성 길이(CL)를 갖는 상이한 무작위 지면들에 걸친 DDM 변동을 도시한다.
전력 예산
이하에서는 수평 및 수직 어레이를 사용하여 활공 경로 커버리지 요건들을 충족하시키는 데에 필요한 송신기 전력의 분석이 논의된다.
분석은 안테나 당 하나의 송신기를 가정한다. 이것은 로컬라이저 어레이(8개의 안테나) 및 수평 활공 경로 어레이(10개의 안테나)에 대해, 총 전력 요건이 상당히 많은 수의 송신기에 분산된다는 것을 의미한다. 분석에 따르면, 수직 어레이 내의 안테나들의 일부는 지향성을 높이기 위해 나란히 배치된 2개 이상의 안테나로 교체될 필요가 있다. 이 경우, 각각의 안테나는 여전히 별도의 송신기에 의해 구동될 것이고, 그에 의해 송신기당 요구되는 전력이 줄어든다. 필요한 안테나 수는 선택된 안테나 타입(비발디, LDP 등)의 지향성에 의존한다. 전력 예산 분석은 10nm(T) 또는 20nm(O)의 거리 적용 범위 요건을 가정했다.
수평 활공 경로 어레이의 평가
공간 내 신호. 이 어레이는 적절한 폭(DDM 고도 경사)과 함께 2.5°와 3.5° 사이의 활공 경로 각도 세팅들로 공간 내 신호를 생성할 수 있다. 방위각 커버리지 범위는 클리어런스가 포함될 때 ±5°보다 약간 더 크다. 수직 어레이에서보다 적긴 하지만, 방위각 커버리지는, 어레이가 접근 시에 ICAO Annex "Point A"(임계값으로부터 4nm)에서 방위각 범위를 측정하는 8200.1 제한들에 따라 비행 검사를 통과할 수 있도록 하기에 충분하다.
민감도들. FAA Order 8299.1은 원하는 또는 커미션된(commissioned) 각도의 ±0.5°의 활공 경로 각도 허용오차를 지정한다. 도 41에 보여진 활공 경로 각도 확산은 수백 회의 시뮬레이션에서 보일 수 있는 약간의 증가를 허용하더라도 이 허용오차 내에 있다. 두 개의 서브어레이 사이의 큰 거리(120m - 160m)로 인해, 이 어레이에 대해서는 긴밀한 동기화를 유지하는 것이 까다롭다. 우리는 최대 20cm의 길이방향 위치 에러들을 전자적으로 정정할 수 있는 드론을 사용하는 튜닝 절차를 생각해냈다. 접근 경로 내의 굴곡들을 유발하는 단기적 에러들에 대한 민감도는 장기적 민감도보다 약간 낮은 것으로 나타났다. DDM 단기적 변동은 ±0.21°(±45㎂)의 FAA Order 8200.1 구조 제한들 내에 있다.
패키징: 10개의 안테나와 그 지지 구조물들을 작은 부피 내에 패키징하는 것은 까다로운 일이다. 크기 대 전기적 성능을 절충하여, 수 개의 안테나 타입(LPD, 다이폴, 비발디)이 고려 중이다. 각각의 5-요소 서브어레이(전방 및 후방)는 단일 텔레스코핑 구조물에 장착된다.
설치: 기준 포인트는 활주로에서 터치다운 포인트에 반대되는 측에 설정된다. 각각의 서브어레이에 대한 위치는 본질적으로 아크 초 각도 정확도(arc second angle accuracy) 및 밀리미터 레벨 범위 정확도가 가능한, 결합된 디지털 t세오돌라이트 및 레이저 거리 측정기(combined digital theodolite and laser rangefinder)인 "토탈 스테이션" 측량 디바이스를 사용하여 기준 포인트에 대해 표시된다. 물리적 레이아웃은 전자적으로 조절되는 할당된 주파수 및 활공 경로 각도에 관계없이 동일하다. 서브어레이들 사이의 거리는 중요하지 않지만, 서브어레이들은 센티미터 정확도로 활주로에 수직이어야 한다.
거친 지면 성능. 예비 시뮬레이션들은 H = 0.2m, CL = 2m의 경우를 제외하고는, 이 어레이에 대한 공간 내 신호가 지면 거칠기에 의해 약간 영향을 받는 것을 보여준다. 이러한 결과가 얼마나 현실적인지를 평가하기 위해서는 추가 작업이 필요하다. 도 50은 수평 어레이에 대한 반사 영역들을 보여준다. 이러한 영역들 내의 지면은 상당히 평활해야 한다. 현재로서는 '합리적으로' 정량화하기가 어렵다. 이러한 영역들 외부의 지면 반사들은 로컬라이저 및 활공 경사 섹터 경계에 의해 정의되는 전체 접근 공간 부피 내의 공간 내 신호에 영향을 미치지 않는다. 도면의 수평축은 안테나 어레이로부터의 미터 단위의 길이방향 거리이고; 수직축은 활주로 중심선으로부터의 횡방향 거리이다. 안테나 오프셋은 40미터로 가정되었다.
전력 예산: 이 어레이는 종래의 널 기준(Null Reference) 이미징 활공 경로 어레이보다 더 많은 송신기 전력을 필요로 하지만, 동일한 전력으로, 여전히 커버리지 요건들을 충족하는 공간 내 신호를 생성한다.
수직 어레이의 평가
공간 내 신호. 이 어레이는 적절한 폭(DDM 고도 경사)과 함께 2.5°와 3.5° 사이의 활공 경로 각도 세팅들로 공간 내 신호를 생성할 수 있다. 방위각 범위는 안테나 요소들의 방사 패턴에 의해서만 제한되므로, 이론적으로 무지향성 안테나들의 경우 360°이다.
민감도. FAA Order 8299.1은 원하는 각도 또는 위임된 각도의 ±0.5°의 활공 경로 각도 허용 에러를 지정한다. 도 46에 보여진 장기적 활공 경로 각도 확산은 수백 회의 시뮬레이션에서 보일 수 있는 약간의 증가를 허용하더라도 이 허용오차 내에 있다. 도 47에 보여진, 단기적 안테나 위치, 전력 및 위상 변동들에 대한 이 어레이의 민감도는, 강풍에서 마스트가 구부러지는 것으로 인해 상단 안테나에서 최대 1.5cm의 움직임을 허용하는 경우에도, 아무런 문제 없이 요건 내에 있다.
패키징: 이 어레이는 접을 수 있는(collapsible) 마스트와 단 3개의 안테나 요소를 포함하여 컴팩트한 패키징에 적합하다(일부 안테나들은 두 배로 될 수 있지만 여전히 단일 마스트에 장착됨).
설치: 이 어레이의 단 하나의 컴포넌트(마스트)만이 현장에 정확하게 배치하면 된다. 3개의 안테나의 높이는 1cm 허용오차 내에서 제어되어야 한다. 물리적 레이아웃은 ARU들을 통해 전자적으로 조절되는 할당된 주파수 및 활공 경로 각도에 관계없이 동일하다.
거친 지면 성능. 예비 시뮬레이션들은 H = 0.2m, CL = 2m의 경우를 제외하고는, 이 어레이에 대한 공간 내 신호가 지면 거칠기에 의해 약간 영향을 받는 것을 보여준다. 이러한 결과가 얼마나 현실적인지를 평가하기 위해서는 추가 작업이 필요하다. 도 51은 수직 어레이에 대한 반사 영역을 보여준다. 이러한 영역 내의 지면은 상당히 평활해야 한다. 현재로서는 '합리적으로' 정량화하기가 어렵다. 이러한 영역 외부의 지면 반사들은 로컬라이저 및 활공 경사 섹터 경계들에 의해 정의되는 전체 접근 공간 부피 내의 공간 내 신호에 영향을 미치지 않는다. 도면의 수평축은 안테나 어레이로부터의 미터 단위의 길이방향 거리이고; 수직축은 활주로 중심선으로부터의 횡방향 거리이다. 안테나 오프셋은 40미터로 가정되었다.
전력 예산: 전력 예산 분석에 따르면, 크고 무거운 ARU들을 피하기 위해, 어레이의 지향성을 높이기 위해 마스트에 2개 이상의 안테나를 나란히 장착해야 할 필요가 있을 수 있다. 이 경우, 각각의 안테나는 별도의 송신기에 의해 구동될 것이다.
비교
표 3은 일부 실시예들에 따라, 수평 및 수직 활공 경로 어레이 특성들의 비교를 보여준다. 표 3은 수평 및 수직 활공 경로 어레이들의 상대적인 강도를 보여주며, "+"는 더 나은 성능을 나타내고, "-"는 더 나쁜 성능을 나타내고, "0"은 다른 어레이와 동일한 성능을 나타낸다.
| 성능 계수 | 수평 GP 어레이 | 수직 GP 어레이 | 해설 |
| 장기적 공간 내 신호 안정성 | 0 | 0 | 어레이들 둘 다가 안테나 위치, 송신기 전력 및 위상 안정성에 부과된 합리적인 허용오차들로 요건을 충족한다. |
| 단기적 공간 내 신호 안정성 | 0 | 0 | 어레이들 둘 다가 안테나 위치, 송신기 전력 및 위상 안정성에 부과된 합리적인 허용오차들로 요건을 충족한다. |
| 방위각 커버리지 | - | + | 수평 어레이는 Annex 10 방위각 커버리지 요건을 충족하지 않지만, 수평 어레이들에 대한 8200.1 방위각 커버리지 요건을 충족한다. |
| 컴팩트한 패키징 | - | + | 2개의 수평 5-요소 서브어레이 대 단일 3+ 요소 수직 어레이 |
| 짧은 셋업 시간 | - | + | 2개의 수평 5-요소 서브어레이 대 단일 3+ 요소 수직 어레이 |
| 거친 지면 환경에서의 성능 | + | - | 결과들은 예비적이다. |
| 전력 예산 | + | - | 비교는 수직 어레이에 대한 요소들의 수에 의존한다. |
| 신뢰성 | 0 | 0 | 어레이 타입들 둘 다가 부응하는 신뢰성 수치를 지원할 것으로 예상된다. |
| 측방향 다중경로 | + | 1 | 수직 어레이 빔 폭은 선택된 안테나 요소 타입에 의존한다. |
수평 및 수직 활공 경로 어레이 특성들의 비교
절충안의 예들
표 4는 일부 실시예들에 따라, 로컬라이저 및 활공 경로 안테나 어레이 절충안들을 보여준다.
| 절충안들 | 해설 |
| 로컬라이저 애퍼쳐 대 신호의 다중경로 열화 | 더 큰 애퍼쳐(더 많은 안테나 요소)는 다중경로 간섭 가능성을 줄이는 더 좁은 빔을 제공하다. 8-요소 로컬라이저 어레이는 본 출원에 대한 합리적인 절충안으로 고려되었다. |
| 수평 어레이의 안테나 요소 개수 대 방위각 커버리지 범위 | 방위각 커버리지가 증가하려면 더 큰 측방향 거리에 걸쳐서 확산된 더 많은 안테나가 필요하다. 10-요소 어레이는 적절한 방위각 커버리지를 제공하는 것으로 밝혀진 가장 작은 것이다. |
| 송신기 전력 대 안테나 개수 | 안테나 당 하나의 송신기가 있기 때문에, 더 많은 안테나를 갖는 것은 일반적으로 송신기 당 더 적은 전력이 요구됨을 의미한다. 두 개의 GP 안테나 요소를 나란히 배치하면 지향성이 증가하여, 송신기 전력 요건이 감소된다. |
| 안테나 높이 대 송신기 전력 요건 | 로컬라이저 또는 GP 안테나를 상승시키면 송신기 전력 요건이 감소되지만, 위치 안정성을 보장하는 데 필요한 기계적 마운트들의 크기와 복잡성이 증가한다. |
| GP 어레이 타입 대 방위각 커버리지 | 수평 어레이들은 제한된 방위각 범위를 갖고, 수직 어레이들은 안테나 요소 빔 폭에 의해서만 제한되는 방위각 범위를 갖는다. |
로컬라이저 및 활공 경로 안테나 어레이 절충안들
결론.
로컬라이저 8-요소 어레이는 ICAO Annex 10 공간 내 신호를 제공한다. 텔레스코핑 지지 구조물은 선적을 위해 컴팩트한 부피로 축소되고 신속하게 설치될 수 있도록 설계되었다. 튜닝은 공간 내 신호 측정을 수행하는 드론의 지원으로 완전히 전자적으로(케이블 트리밍 또는 안테나 위치 조절 없이) 달성될 수 있다. 드론은 또한 일부 중요한 비행 점검 측정들을 수행할 수 있다.
수평 활공 경로 어레이는 방위각 커버리지를 제외하고는 ICAO Annex 10을 준수하는 공간 내 신호를 제공한다. 그러나, 그것의 방위각 커버리지는 FAA Order 8200.1 비행 점검 요건들을 통과하기에 충분하다. 2개의 텔레스코핑 지지 구조물은 선적을 위해 컴팩트한 부피로 축소되고 신속하게 설치될 수 있다. 튜닝은 공간 내 신호 측정을 수행하는 드론의 지원으로 완전히 전자적으로(케이블 트리밍 또는 안테나 위치 조절 없이) 달성될 수 있다. 드론은 또한 일부 중요한 비행 점검 측정들을 수행할 수 있다.
수직 활공 경로 안테나는 방위각 커버리지 요건을 포함하여, ICAO Annex 10을 준수하는 공간 내 신호를 제공한다. 텔레스코핑 마스트 햇(telescoping mast hat)은 선적을 위해 컴팩트한 부피로 축소되고 신속하게 세워질 수 있다. 튜닝은 공간 내 신호 측정을 수행하는 드론의 지원으로 완전히 전자적으로(케이블 트리밍 또는 안테나 위치 조절 없이) 달성될 수 있다. 일부 안테나들은 선택된 안테나 요소 타입에 따라, 충분한 전력 마진을 달성하기 위해 두 배 또는 세 배로 될 필요가 있을 수 있다.
커버리지 및 전력 예산
이제, 다양한 실시예들에서 파생된 요건들이 설명된다. 일부 실시예들은 로컬라이저 및 활공 경로 시스템들의 요구되는 커버리지를 달성하는 데 필요한 ARU 전송 전력의 추정의 분석에 관한 것이다.
커버리지는 또한 어레이 기하형상, 및 GP 및 LOC에 대해 새로운 것인 안테나 요소에 의존한다.
분석은 두 가지 접근으로 수행된다:
a) 현재 시스템들과의 실질적인 비교
b) 요건들과의 이론적인 비교.
로컬라이저
접근 1: 현재 시스템과의 실질적인 비교
중앙 안테나들(1R 및 1L)에 연결된 ARU의 송신기 전력은 최대 전력에서 현재 시스템과 동일한 필드 강도를 달성하도록 계산된다. 도 52는 현재 시스템과 PILS 시스템의 구성을 보여준다. 이 도면에서, 방위각 어레이 이득(약 9.5dB)은 두 개의 어레이가 동일하기 때문에 고려되지 않는다.
방위각=0°, 거리 46000, 고도 600m(고도 0.75°)의 수신기:
- 현재 시스템: 8개의 LPD 안테나, hANT = 3m:
요소 이득 = +10dB
고도 이득 =
- PILS 시스템: 8개의 H-다이폴 안테나, hANT = 2m:
요소 이득 = +5dB
고도 이득 =
LPD 요소(G=10dB)를 대신하여 H-다이폴 요소들(G=5dB)이 사용되고, 그것들이 전형적인 3m 높이에 대해 2m로 낮춰질 때(3.5dB 더 높은 고도 손실), PILS 시스템의 전체 안테나 이득은 확장된 중심선 위에서 기존의 시스템보다 8.5dB 낮다.
PILS 시스템이 기존 시스템(중앙 안테나들의 최대 캐리어 전력이 3W임)과 동일한 필드 강도를 보장해야 하는 경우, 중앙 안테나들(1R 및 1L)에 연결된 ARU들의 최대 캐리어 전력은 8.5dB 높게, 즉 약 20W로 되어야 하는데, 이는 허용가능하지 않다.
PILS 시스템의 장점 중 하나는 ARU들의 소형화 및 중량이어야 하는데, 이러한 전송 전력으로는 달성될 수 없다. 따라서, 새로운 안테나들로 전체 송신기 전력을 줄일 수 있는 가능성을 찾기 위해, 현재 시스템의 실제 마진을 추정하는 것이 중요하다.
접근 2: 현재 시스템과의 이론적 비교
ICAO 커버리지 요건들에 대한 이론적 마진을 평가하기 위해, 중앙 안테나에서의 ARU 송신 전력이 20W일 때, 필드 강도의 값이 계산된다.
요건: 이하의 두 가지 중요한 포인트에서 전력 밀도 = -
114dBW
/m
2
:
a. 거리 = 46000m(25NM), 고도 = 600m(즉, θ=0.75°), 방위각 = 0°에서
b. 거리 = 31000m(17NM), 고도 = 600m(즉, 고도=1.1°), 방위각=35°에서
계산:
전력 밀도 = TX 전력 - 여유 공간 손실 + 안테나 이득
여기서,
TX 전력 = 20W = +13dBW
자유 공간 손실 = 10 * log(4πR2)은 거리 R에 의존한다:
a. R=46000m에서의 손실은 +104dB/m2이다.
b. R=31000m에서의 손실은 +100.5dB/m2이다.
안테나 이득 = 요소 이득 + 어레이 이득 + 고도 이득
· 요소 이득은 주로 수신기 방위각 Φ에 의존한다.
a. Φ = 0°에서의 이득은 +5dB이다.
b. Φ =35°에서의 이득은 +1dB이다.
· 어레이 이득은 주로 수신기 방위각 Φ에 의존한다.
a. Φ = 0°에서의 이득은 +9.5dB이다.
b. Φ =35°에서의 이득은 -3.5dB이다.
· 고도 이득은 수신기 고도 θ에 의존한다: ( )
a. θ = 0.75°에서 이득은 -18.5dB이다.
b. θ =1.1°에서 이득은 -15dB이다.
분명히:
a. 거리 = 46000m(25NM), 고도 = 600m(즉, θ=0.75°), 방위각 = 0°에서
전력 밀도 = +13dBW - 104dB/m2 + 5 + 9.5 - 18.5dB = - 95dBW /m 2
b. 거리 = 31000m(17NM), 고도 = 600m(즉, 고도=1.1°), 방위각=35°에서
전력 밀도 = +13dBW - 100.5dB/m2 +1 - 3.5 - 15dB = - 105dBW /m 2
도 53은 방위각에 대한 진폭의 변화를 도시하는, 8개의 요소를 갖는 로컬라이저의 CSB 패턴에 대한 그래프이다. 20W 송신기 전력에서, 요건에 대한 마진은 코스 섹터 내에서는 25NM에서 약 20dB인 반면, 클리어런스 에지에서는 17NM에서 약 10dB이다.
마진이 코스 섹터에서 10dB로 감소되고, 클리어런스 에지에서 0dB로 감소되면(어레이 패턴을 약간 수정함으로써 완화될 수 있음), 중앙 안테나들에서 요구되는 캐리어 전력은 2W로 감소될 수 있고, 이는 더 합리적인 값이다.
활공 경로(수평 버전)
접근 1: 기존 시스템과의 실질적인 비교
중앙 안테나들(F3 및 R3)에 연결된 ARU의 송신기 전력은 최대 전력에서 현재 시스템과 동일한 필드 강도를 달성하도록 계산된다. 도 54는 기존 시스템과 PILS 수평 시스템의 구성을 보여준다.
고도=3°, 거리 18500m(10NM), 방위각 = 0°에서의 수신기:
- 기존(널-기준) 시스템: 2개의 수직 캐스라인(Kathrein) 안테나(CSB 안테나 h=4.3m):
요소 이득 = +10dB
어레이 이득(이미지에만 기인함) = +6dB
- PILS 시스템: 10개의 수평 비발디 안테나(h=1.5m):
요소 이득 = +3dB
어레이 이득 = +14dB
수평 어레이가 선택되고(수직 어레이의 6dB을 대신하여 G=14dB) 비발디 요소가 사용되면(캐스라인 요소의 10dB을 대신하여 G=3dB), PILS 시스템의 총 안테나 이득은 전형적인 앙각(3°)에서 1dB 더 높다.
PILS 시스템이 기존 시스템(CSB 안테나에서의 최대 캐리어 전력이 4W임)과 동일한 필드 강도를 보장해야 하는 경우, 중앙 안테나들(F3 및 R3)에 연결된 ARU들의 최대 캐리어 전력은 1dB 더 낮게, 즉 약 3.2W로 되어야 하는데, 이는 허용가능하지 않다.
사실, 방위각 범위를 커버하기 위해 클리어런스 전력도 고려되어야 하며, 이는 총 송신기 전력(6.5W)의 2배를 필요로 하는데, 이는 경량 ARU들을 설계하고자 하는 경우 지나치게 많다(GP에 대해, 총 진폭 변조는 80%이고 피크 전력은 캐리어 전력의 거의 4배이기 때문임이 고려되어야 한다). 따라서, 새로운 안테나들을 사용하여 전체 송신기 전력을 줄일 수 있는 가능성을 찾기 위해 기존 시스템의 실제 마진을 추정하는 것이 중요하다.
접근 2: 요건들과의 이론적인 비교
ICAO 커버리지 요건들에 대한 이론적 마진을 평가하기 위해, 중앙 안테나들에서의 ARU 송신 전력이 3.2W일 때, 필드 강도의 값이 계산된다.
요건: 이하의 두 가지 중요한 포인트에서 전력 밀도 = -
95dBW
/m
2
:
a. 거리 = 18500m(10NM), 고도 = 3 °에서
b. 거리 = 18500m(10NM), 고도 = 0.9°에서
계산:
전력 밀도 = TX 전력 - 자유 공간 손실 + 요소 이득 + 어레이 이득, 여기서,
TX 전력 = 3.2W = +5dBW
거리 18500m에서의 자유 공간 손실 = 10 * log(4πR2) = 96.3dB/m2
요소 이득 = + 3dB(비발디, 활공 경로의 전체 각도 섹터에서 균일)
어레이 이득은 수신기 고도 θ에 의존한다.
a. θ=3°에서의 이득은 +14dB이다.
b. θ=0.9°에서의 이득은 0dB이다.
분명히:
a. 고도 = 3°에서, 전력 밀도 = +5dBW - 96.3dB/m2 + 3 +14dB = -74.3dBW/m2
b. 고도 = 0.9°에서, 전력 밀도 = +5dBW - 96.3dB/m2 + 3 + 0dB = -88.3dBW/m2
도 55는 활공 경로의 CSB 패턴을 도시하는 그래프이다. 3.2W 송신기 전력에서, 요건에 대한 마진은 전형적인 활공 경로 각도에서 약 20dB인 반면, 가장 낮은 고도 각도에서는 약 7dB이다.
마진을 3°에서 15dB로, 0.9°에서 2dB로 줄이면, 중앙 안테나들에서 요구되는 캐리어 전력이 1W(코스) + 1W(클리어런스)로 감소될 수 있고, 이는 더 합리적인 값들이다.
활공 경로(수직 버전: h=1m, 3.5m, 6m)
수직 버전의 어레이 이득(+2dB)은 더 적은 수의 안테나와 CSB 신호의 특정 전력 및 위상 분포로 인해 수평 버전(+14dB)보다 훨씬 낮다. 따라서, 캐스라인(10dB)을 대신하여 비발디 안테나들(3dB)이 사용되는 경우, 최대 전력에서 기존(현재라고도 지칭됨) 시스템과 동일한 필드 강도를 달성하기 위해, 중간 안테나에 연결된 ARU의 송신기 전력은 50W여야 한다. 도 56은 기존의 시스템, 일부 실시예들에 따른 PIL 수평 시스템, 및 일부 실시예들에 따른 PILS 수직 시스템을 도시한다.
이것은 대부분의 요건에서 허용되지 않고; 따라서 송신기들을 늘리거나 안테나들을 개선할 필요가 있다.
4개의 요소가 중간 안테나 높이에 장착되는 경우(그리고, 더 적은 CSB 전력을 필요로 하는, 더 낮은 및 더 높은 안테나들에 대해 결국 2개만), 방위각 지향성은 12dB만큼 증가하고(방위각의 큰 값들에 대해 문제가 되지 않는 측면 커버리지의 희생으로), 송신기 전력은 3W로, 또는 널 기준에 대해 허용가능한 단 2dB의 마진 손실만이 허용되는 경우에는 2W로 감소될 수 있다. 도 57은 일부 실시예들에 따른 PILS 수직 시스템을 도시한다.
개별 안테나 신호들은 90Hz와 150Hz 신호 사이의 복조 깊이가 공칭 활공 경로 주변에서 제로가 되도록 배열된다. 상부 안테나에는 90Hz 및 150Hz SBO가 공급되고, 제1 최대는 1.5°에 있고 널은 3°에 있다. 전형적으로, 복조 깊이는 두 개의 변조 깊이가 동일한 중심선과 GP 각도에서 각각 90Hz 및 150Hz의 변조 신호들 각각에 대해, GP의 경우 0.4이고 LOC의 경우 0.2이다.
복조 깊이(depth of demodulation)(DDM)의 차이는 접근 유도를 위해 항공기에 의해 사용되는 신호이다. 접근 경로의 중심에 있을 때, 90Hz 변조 신호와 150Hz 변조 간의 차이는 제로이다. 공칭 코스로부터 벗어난 경우에만, 그것은 왼쪽(LOC)이나 위쪽(GP)에서 90Hz가 우세한 것, 또는 오른쪽(LOC)이나 아래쪽(GP)에서 150Hz가 우세한 것으로 인해 제로가 아니다.
복조 깊이의 합은 중심에 있을 때 90Hz와 150Hz 변조의 합이기 때문에, 전형적으로 GP의 경우 0.8 또는 80%이고 LOC의 경우 0.4 또는 40%이다. SDM은 송신기 고장, 전환-코스 클리어런스(transition course) 또는 예상되지 않은 필드 효과들로 인해 공칭 값과 다를 수 있다. 합이 제로가 아니기 때문에, 그것은 공칭 경로의 중심에 있을 때의 모니터링 신호로서 더 적합하다. 공칭 경로의 옆에 있을 때, SDM과 DDM 둘 다는 제로가 아니며 모니터링 입력으로서 적합하다. 공칭 경로 상에서, GP의 경우 SDM=80%(LOC의 경우 40%) 및 DDM=0%이고; 공칭 경로 옆에서, SDM은 여전히 80% 또는 40%이고, DDM은 0%가 아니다. 공칭 경로 상에서, DDM은 모니터링 신호로서 SDM보다 더 중요하다.
일부 실시예들에서, 글레이드 경로 어레이는 널 기준 및 m-타입 활공 경로 어레이 중 하나를 포함한다. 예를 들어, 널 기준 GP는 수직으로 배열된 두 개의 안테나를 사용한다. 하부 안테나에는 90Hz 및 150Hz 톤으로 동일하게 변조된 CSB 기준 신호가 공급된다. 지표면은 이미징 표면으로서 사용된다(사실상 4개의 안테나가 GP 신호를 제공함). 이미징 안테나와 함께, 3°에서 제1 최대를 갖고 6°에서 제1 널을 갖는 필드가 야기된다(그 밖에 추가 최대들 및 최소들).
다른 예에서, M-타입(캡처 효과) GP는 널 기준 타입과 같은 GP의 이미징 타입이다. 그러나, 널 기준에 비해 지형에 다소 덜 민감하다. M-타입 GP는 수직으로 배열된 3개의 안테나 요소를 사용한다. 모든 안테나는 SBO 신호로 구동된다. 하부 및 중간 안테나들은 또한 CSB 신호로 구동된다. 상부 및 하부 안테나들에 대한 SBO 신호들은 네거티브 위상각을 갖는 반면, 중간 안테나에 대한 SBO는 +180°의 위상 시프트를 가지며 진폭이 더 크다. 중간 안테나에 대한 CSB는 공칭 진폭을 갖고 위상 시프트가 없는 반면, 하부 안테나에 대한 CSB는 증가된 진폭 및 +180° 위상 시프트를 갖는다. 공간 변조 후의 결과 필드는 이미징 표면의 크기를 감소시킨다.
LPD 요소들을 갖는 활공 경로(수평 및 수직 버전 둘 다)
이전 섹션들에서, 비발디 안테나(피더 및 케이블 손실을 포함하여 3dB 이득을 가짐)가 어레이 내의 요소로서 고려되었다. 이 안테나는 약 5dB의 시뮬레이션된 지향성을 가지며, 이는 피더 손실(1.5dB) 및 케이블 손실(0.5dB)도 고려되는 경우 3dB와 동일한 이득에 대응한다.
(탈레스(Thales) GP12 시스템에서 사용되는) LDP 요소가 고려되는 경우, 그것의 더 큰 지향성(9dB)으로 인해, ARU들에 요구되는 전력이 낮아진다. 2dB 손실에서, 요소 이득은 7dB이다. 따라서, 전송 전력은 약 4dB 더 낮다.
- 수평 어레이에 대해: 0.5W 미만 코스 + 0.5W 클리어런스
- 수직 어레이에 대해: 1W 미만, 또는 대안적으로 8개의 안테나 대신 4개의 안테나로 2W
수평 어레이 위치 에러 조절
두 개의 어레이 그룹(100m 초과의 거리를 가짐)이 활주로 방향을 따라 큰 정적 에러(최대 20cm)로 위치될 때, 일부 실시예들에 따라 도 58에 도시된 바와 같이, 송신기들의 위상 조절로 GP 각도가 정정될 수 있다.
이론적 설명
이하에는 정정이 가능한 이유에 대한 간략한 설명이 후속한다. 수평 GP의 작동 원리는 전방 그룹과 후방 그룹이 GP 각도에서만 반대 위상에 있는 두 개의 SBO 신호를 조사(irradiate)하여, 해당 각도에서 제로 DDM을 생성한다는 것이다. 예를 들어, 이것은 두 개의 어레이 사이의 거리가 반파장을 cos(3°)로 나눈 홀수 배수이고 SBO 송신기들이 동위상을 갖는 경우에 달성될 수 있다. 실제로, 이 경우, 두 개의 어레이로부터 오는 두 개의 신호는 반대 위상으로 수신기에 도착한다(도 59 상단의 도면에서 "에러 없음"으로 표시됨).
이제, 거리가 정확히 공칭 값이 아닌 경우, 3°에서, 두 개의 어레이로부터 오는 두 개의 광선은 위상 변위 Δψ로 수신기에 도달하고, 이는 두 개의 그룹의 송신기들을 동일한 위상 양 -Δψ에 의해 디-페이징(de-phasing)함으로써 쉽게 보상될 수 있다(도 59 상단의 도면에서 "에러"로 표시됨).
(5+5) 어레이에서의 ±10cm 변위의 예
이하의 플롯들은 중심선으로부터 40m 오프셋되고 약 120m 거리를 갖는 두 개의 5-요소 어레이로 구성된 시스템을 참조하지만, 예를 들어 160m와 같이 두 개의 그룹 사이의 거리가 무엇이든 동일한 고려사항들이 적용된다.
a) 동작 주파수가 332MHz일 때, 두 개의 어레이 사이의 거리는 다음과 같아야 한다.
이러한 이상적인 조건(에러 없음)에서, DDM은 도 60의 그래프에 보여진 것처럼 3°에서 제로이다.
b) 두 개의 그룹이 활주로 방향에서 10cm의 에러로 장착된 경우
D' = 121,16m + 10cm
DDM은 3° 대신에 3.8°에서 제로이다. 새로운 거리가 정확하게 측정될 수 없는 경우, 널의 위치는 나중에 설명되고 도 61의 그래프들에 도시된 바와 같이 방향 및 변위 에러의 양의 표시를 제공한다.
c) 위상 정정 Δψ가 후방 그룹의 SBO에 적용된 경우(또한, 폭 대칭을 유지하기 위해 CSB 신호에도 적용)
Δψ(SBO) = + 40°
DDM은 필요에 따라 3°에서 0이다. 위상 정정은 이론적 설명()으로부터 명백하고 나중에 설명되는 바와 같이, 위치 에러에 비례한다. 이 값은 위치 에러가 알려진 경우 직접 적용될 수 있으며, 그렇지 않은 경우 커미션된 GP 각도에서 제로 DDM 조건을 찾기 위해 반복적인 절차가 필요하다. 그러나, 실제 GP 각도는 실제 환경 거동으로 인해 이론값과 다를 수 있으므로, 이 절차는 어떤 식으로든 필요하다. 도 62는 활공 경로에 대한 DDM의 그래프를 도시한다.
d) 반대로, 위치 에러가 반대 방향인 경우(즉, 그룹들이 더 가까움)
D' = 121,16m - 10cm
DDM 제로 각도는 3° 초과 대신 3° 미만에서 1.9°이다(그러나, 차이는 이전 경우에 대해 동일한 양이 아님). 도 63은 일부 실시예들에 따라 활공 경로에 대한 DDM을 도시한다.
그리고, 적용될 위상 정정은 반대 방향(그리고 이전 경우에서와 동일한 양)이다.
Δψ(SBO) = -40°
요약
위의 예는, 위치 에러가 알려지지 않은 경우, DDM이 제로인 각도의 예비 측정이 적용될 SBO 위상 정정의 양 및 부호의 매우 양호한 표시를 제공함을 보여준다. 이 지식은 원하는 것과는 거리가 먼 상태에서 시작하여 GP 각도를 미세 조절하는 데 요구되는 시간을 최소화할 수 있다.
실제로, 이하의 표 5는 각도 DDM이 제로인 초기 위치 에러의 각각의 값에 대해, 3°에서 제로 DDM을 달성하기 위해 SBO(및 CSB) 위상의 어느 값이 적용되어야 하는지를 요약한 것이다.
표 5 - 제로 DDM을 달성하기 위한 SBO(및 CSB) 위상들의 값들
위상 정정은 위치 에러에 선형적으로 비례하는 반면, 제로 DDM 각도는 비례하지만 정확히 선형은 아니고; 또한 두 개의 그룹이 이론 값보다 15cm 넘게 더 가까울 경우, 제로 DDM은 0° 미만이므로, 6° 초과의 제2 "SBO 널"에서 제로 DDM 조건이 검색되어야 하며, 이는 현실적으로 어려울 수 있다. 도 64는 후방 그룹에 대한 전방 그룹의 예시적인 위치 에러를 cm 단위로 도시한다.
마지막으로, (다른 문서들에 정의된 적절한 정확도 및 안정성을 갖는) 모든 안테나의 고정 위치가 임의의 주파수(328.6MHz 내지 335.4MHz) 및 임의의 활공 경로 각도(2.5°내지 3.5°)에 대해 적절한 공간 내 신호를 생성할 수 있음이 쉽게 입증될 수 있다.
일단 안테나 위치들이 고정되면, 실제로, 송신기들의 가장 적합한 위상(SBO 및 CSB, 전방 및 후방)을 선택하는 것만으로 현장 동작 주파수에서 커미션된 활공 경로 각도를 조절하는 것이 가능하고, 이는 현장에서 프로그래밍가능하다.
다음으로, 일단 현장에서 검증된 첫 번째 프로토타입들의 결정된 값들은 주파수 및 커미션된 각도의 함수로서 (제어 유닛 또는 ARU들 중 어느 하나의) EEPROM에 저장될 수 있다.
그런 다음, 이러한 값들은 특정 환경의 공간 내 신호를 미세 조절하기 위해 어떤 식으로든 요구되는 현장 튜닝 절차의 시작점으로서 사용될 것이다.
로컬라이저 및 활공경로 기계적 구조
일부 실시예들에서, 로컬라이저 및 활공경로는 개별 안테나들을 유지하는 기계적 구조물들을 사용하고, ARU는 요소들이 사전-케이블링되도록 CU의 안테나들에 가깝다. 예를 들어, 기계적 구조물은 안테나들, ARU들 및 CU를 포함한 모든 부품들을 유지한다. ARU들은 ARU가 구동하는 안테나에 가깝거나 직접 결합된다. 구조물 내의 모든 요소는 프리-케이블링되므로, 운송을 위해, 구조물에서의 케이블링은 제거될 필요가 없다. 기계적 구조물 자체는 전체 구조물의 중심으로부터 외부로 폭이 감소하는 복수의 중첩된 짧은 트러스 프레임(truss frame)을 사용하여 경량 재료로 설계된다. 트러스 프레임은 짧은 트러스 요소들을 함께 미는 것에 의해 운송을 위해 압축될 수 있고, 현장에서 그것들을 당겨내는 것에 의해 인출될 수 있다. 인출가능(extractable) 및 압축가능(re-tractable) 구조는 매우 짧은 셋업 및 해체 시간을 허용한다.
트러스 프레임은 취약성을 보장하기 위해 과도한 힘이 가해질 때 그것의 요소들이 부서지도록 제작된다. 트러스 프레임은 풍하중(wind loads)을 포함한 정상 동작 범위 내의 모든 힘의 엔벨로프 내에서 견고하도록 제작된다. 견고함은 개별 안테나 위상 중심의 충분히 낮은 변동을 보장하고, 그에 의해 활주로의 측면 방향에서의 개별 안테나 위상 중심들 간의 차이는 캐리어의 동기화를 보장하기 위해 허용되는 최대(예를 들어, 5mm)보다 작게 된다.
LOC 및 GP 안테나들은 조인트들로 기둥의 트러스 프레임에 장착되고, 이는 그것들이 운송을 위해 접히는 것을 허용한다. 또한, 안테나들은 조절가능한 트랙들로 장착되고, 이는 활주로 옆에서의 위치 조절을 허용한다. 기둥들은 트러스 프레임에 부착된 중첩된 튜브들로 이루어지며, 안테나 높이의 수직 조절들을 허용한다. 안테나 위치들의 기계적 조절은 개별 LOC 및 GP 신호들의 전자 동기화 보정을 위한 검색 공간을 줄이도록 수행된다.
추가 정의들 및 실시예들이 이하에 설명된다.
본 발명의 개념들의 다양한 실시예들에 대한 상기의 설명에서, 여기에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것이고, 본 발명의 개념을 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다. 달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용되는 모든 용어(기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 발명의 개념이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전들에 정의된 것과 같은 용어들은 본 명세서 및 관련 기술 분야의 맥락에서의 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의된 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안 됨을 더 이해해야 할 것이다.
요소가 다른 요소에 "연결된", "결합된", "응답하는" 또는 이들의 변형으로 언급되는 경우, 그것이 다른 요소에 직접 연결, 결합 또는 응답할 수 있거나, 중간 요소들이 존재할 수 있다. 대조적으로, 요소가 다른 요소에 대해 "직접 연결된", "직접 결합된", "직접 응답하는" 또는 이들의 변형으로 언급되는 경우에는, 중간 요소가 존재하지 않는다. 동일한 번호들은 전체에 걸쳐 유사한 요소들을 참조한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "결합된", "연결된", "응답하는" 또는 이들의 변형은 무선으로 결합된 것, 연결된 것 또는 응답하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 것으로 의도된다. 널리 공지된 기능들 또는 구성들은 간결함 및/또는 명확성을 위해 상세하게 설명되지 않을 것이다. "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 나열된 연관 항목의 임의의 모든 조합을 포함한다.
제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 요소들/동작들을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들/동작들이 이러한 용어들에 의해 제한되어서는 안 된다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어들은 하나의 요소/동작을 다른 요소/동작과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 본 발명의 교시의 범위를 벗어나지 않으면서, 일부 실시예들에서의 제1 요소/동작은 다른 실시예들에서의 제2 요소/동작으로 명명될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서, 동일한 참조 번호들 또는 동일한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "포함한다(comprise)", "포함하는(comprising)", "포함한다(comprises)", "포함한다(include)", "포함하는(including)", "포함한다(includes)", "갖는다(have)", "갖는다(has)", "갖는(having)", 또는 이들의 변형은 개방적(open-ended)인 것이며, 하나 이상의 명시된 특징, 정수, 요소, 단계, 회로 또는 기능을 포함하지만 하나 이상의 다른 특징, 정수, 요소, 단계, 회로, 기능 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서에 사용될 때, 라틴어구 "예를 들어(exempli gratia)"로부터 파생된 일반적인 약어 "예를 들어(e.g.)"는 앞에서 언급된 항목의 일반적인 예 또는 예들을 소개하거나 지정하는 데 사용될 수 있으며, 이러한 항목을 제한하도록 의도되지 않는다. 라틴어구 "즉(id est)"으로부터 파생된 일반적인 약어 "즉(i.e.)"은 더 일반적인 기재로부터 특정 항목을 지정하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 예시적인 실시예들은 컴퓨터 구현 방법들, 장치(시스템들 및/또는 디바이스들) 및/또는 컴퓨터 프로그램 제품들의 블록도 및/또는 흐름도 도시를 참조하여 설명된다. 블록도 및/또는 흐름도 도시의 블록들, 및 블록도 및/또는 흐름도 도시의 블록들의 조합은 아날로그 회로들에 의해 구현되는 및/또는 하이브리드 디지털 및 아날로그 회로들에 의해 구현되는 하나 이상의 컴퓨터 회로에 의해 수행되는 컴퓨터 프로그램 명령어들에 의해 구현될 수 있음이 이해된다. 컴퓨터 프로그램 명령어들은 범용 컴퓨터 회로, 특수 목적 컴퓨터 회로 및/또는 다른 프로그래밍가능한 데이터 처리 회로의 처리 회로에 제공되어 머신을 생성할 수 있으며, 그에 의해, 컴퓨터 및/또는 다른 프로그래밍 가능한 데이터 처리 장치의 처리 회로를 통해 실행되는 명령어들은 트랜지스터들, 메모리 위치들에 저장된 값들, 및 그러한 회로 내의 다른 하드웨어 컴포넌트들을 변환하고 제어하여, 블록도들 및/또는 흐름도 블록 또는 블록들에 지정된 기능들/동작들을 구현함으로써, 블록도들 및/또는 흐름도 블록(들)에 지정된 기능들/동작들을 구현하기 위한 수단(기능성) 및/또는 구조를 생성한다.
이러한 컴퓨터 프로그램 명령어들은 또한 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍가능한 데이터 처리 장치로 하여금 특정 방식으로 기능하도록 지시할 수 있는 유형의(tangible) 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장될 수 있으며, 따라서 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장된 명령어들은 블록도들 및/또는 흐름도 블록 또는 블록들에 지정된 기능들/동작들을 구현하는 명령어들을 포함하는 제품을 만들어낸다. 따라서, 본 발명의 개념의 실시예들은 하드웨어 및/또는 소프트웨어(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로코드 등을 포함함)로 구현될 수 있으며, 이는 총칭하여 "회로", "모듈" 또는 그들의 변형으로 지칭될 수 있는 디지털 신호 프로세서와 같은 처리 회로에서 실행된다.
또한, 일부 대안적인 구현들에서, 블록들에 표시된 기능들/동작들이 흐름도에 표시된 순서와 다르게 발생할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 연속적으로 도시된 두 개의 블록은 실제로 실질적으로 동시에 실행될 수 있고, 또는 블록들은 관련된 기능/동작들에 따라 때때로 역순으로 실행될 수 있다. 더욱이, 흐름도들 및/또는 블록도들의 주어진 블록의 기능은 다수의 블록으로 분리될 수 있고/있거나, 흐름도들 및/또는 블록도들의 둘 이상의 블록의 기능은 적어도 부분적으로 통합될 수 있다. 마지막으로, 발명의 개념의 범위로부터 벗어나지 않고서, 도시된 블록들 사이에 다른 블록들이 추가/삽입될 수 있고/거나, 블록들/동작들이 생략될 수 있다. 더욱이, 도면들 중 일부는 통신의 주요 방향을 보여주기 위해 통신 경로들 상에 화살표들을 포함하지만, 통신은 도시된 화살표들에 반대되는 방향으로 발생할 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 개념들의 원리로부터 실질적으로 벗어나지 않고서, 실시예들에 다수의 변형 및 수정이 이루어질 수 있다. 이러한 모든 변형 및 수정은 본 발명의 개념의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 따라서, 위에 개시된 주제는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 실시예들의 첨부된 예들은 본 발명의 개념들의 사상 및 범위 내에 속하는 그러한 모든 수정, 개선 및 다른 실시예를 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명의 개념의 범위는 법률이 허용하는 최대한의 범위 내에서 아래의 실시예들 및 그 균등물들을 포함하는 본 개시내용의 가장 넓은 허용가능한 해석에 의해 결정되어야 하며, 전술한 상세한 설명에 의해 제약되거나 제한되어서는 안 된다.
Claims (41)
- 계기 착륙 시스템(instrument landing system)(ILS)으로서,
복수의 안테나;
전송을 위해 상기 복수의 안테나 중의 상이한 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호를 생성하도록 각각 동작하는 복수의 안테나 무선 유닛(antenna radio unit)(ARU); 및
전송을 위해 상기 ARU들에 의해 상기 복수의 안테나에 제공되는 상기 변조된 RF 신호 사이의 동기화를 조절하기 위해 상기 ARU들을 제어하도록 동작하는 중앙 처리 유닛
을 포함하는, ILS. - 제1항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 전송을 위해 상기 ARU들에 의해 상기 복수의 안테나에 제공되는 상기 변조된 RF 신호들 사이의 캐리어 주파수 및 위상의 동기화를 조절하기 위해 상기 ARU들을 제어하도록 동작하는, ILS.
- 제2항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 전송을 위해 상기 ARU들에 의해 상기 복수의 안테나에 제공되는 상기 변조된 RF 신호들 사이에 임계 RF 편차 이하를 갖도록 캐리어 위상 확산의 동기화를 조절하기 위해 상기 ARU들을 제어하도록 동작하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ARU들 각각은 상기 변조된 RF 신호들 중 하나를 전송을 위해 상기 복수의 안테나 중 단 하나에만 제공하기 위해 상기 복수의 안테나 중의 안테나에 직접 연결되는, ILS.
- 제4항에 있어서, 상기 ARU들 각각은 상기 중앙 처리 유닛에 의해 제공되는 기준 발진기 신호에 위상 고정하도록 동작하는 로컬 RF 발진기 회로를 포함하는, ILS.
- 제5항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 ARU들이 상기 변조된 RF 신호들을 생성하도록 복수의 케이블을 통해 신호들을 제공하기 위해, 상기 케이블들을 통해 상기 ARU들 중 상이한 ARU들에 각각 연결되고, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 중앙 처리 유닛과 상기 ARU들 각각 사이의 케이블 시그널링 지연들을 측정하고, 상기 케이블 시그널링 지연들의 측정들에 기초하여, 전송을 위해 상기 ARU들에 의해 상기 복수의 안테나에 제공되는 상기 변조된 RF 신호 사이의 동기화를 조절하도록 동작하는, ILS.
- 제6항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 기준 발진기 신호와 상기 로컬 RF 발진기 회로들 각각의 신호들 사이의 위상의 비교에 기초하여 상기 중앙 처리 유닛과 상기 ARU들 각각 사이의 상기 케이블 시그널링 지연들을 측정하도록 동작하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ARU들 각각은 상기 중앙 처리 유닛 내부의 온도 보상된 수정 발진기(Temperature Compensated Crystal Oscillator)(TCXO)로부터 상기 중앙 처리 유닛에 의해 브로드캐스트되는 동기화 신호에 고정되는 위상 고정 루프(phase locked loop)(PLL)에 의해 제어되는, 상기 ARU들 각각의 내부의 TCXO에 의해 구동되는 로컬 RF 발진기 회로를 포함하고, 주기적으로, 상기 중앙 처리 유닛은 하나의 ARU의 TCXO가 홀드 상태(hold state)로 동결되는 정의된 시간 슬롯 지속기간 동안 상기 하나의 ARU의 TCXO를 중지하도록 동작하고, 상기 하나의 ARU의 TCXO가 동결되는 동안, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 중앙 처리 유닛 내부의 TCXO와 케이블을 통해 상기 중앙 처리 유닛에 송신되는 상기 하나의 ARU 내부의 TCXO로부터의 신호 사이의 위상차를 측정하도록 동작하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ARU들 각각은 상기 중앙 처리 유닛에 의해 브로드캐스트되는 공통 TCXO에 고정된 캐리어 주파수의 결정론적 분수 곱셈(deterministic fractional multiplication)을 출력하도록 동작하는 로컬 RF 발진기 회로를 포함하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ARU들 각각은:
변조된 RF 신호를 전송하도록 동작하는 송신기 회로;
상기 송신기 회로에 의해 전송된 상기 변조된 RF 신호의 동기화를 제어하도록 동작하는 송신기 동기화 회로;
변조된 RF 신호를 수신하도록 동작하는 수신기 회로; 및
상기 수신기 회로에 의해 수신된 상기 변조된 RF 신호의 동기화를 제어하도록 동작하는 수신기 동기화 회로
를 포함하는, ILS. - 제10항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 ARU들 각각 내의 상기 송신기 회로들 사이에서 캐리어 주파수 및 위상의 동기화를 조절하도록 동작하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ARU들 각각은 프로그래밍가능한 캐리어 주파수 및 프로그래밍가능한 구성 값들에서 변조된 무선 주파수 신호를 생성하도록 동작하는 소프트웨어 정의 라디오들(software defined radios)인, ILS.
- 제12항에 있어서, 상기 프로그래밍가능한 구성 값들은 RF 전력, RF 위상, 변조 깊이들, 및 위상들 중 적어도 하나를 포함하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ARU들 각각은 상기 중앙 처리 유닛 내부의 온도 보상된 수정 발진기(TCXO)로부터 상기 중앙 처리 유닛에 의해 브로드캐스트되는 동기화 신호에 고정되는 위상 고정 루프(PLL)에 의해 제어되는, 상기 ARU들 각각의 내부의 TCXO에 의해 구동되는 로컬 RF 발진기 회로를 포함하고, 주기적으로, 상기 중앙 처리 유닛은 하나의 ARU의 TCXO가 홀드 상태로 동결되는 정의된 시간 슬롯 지속기간 동안 상기 하나의 ARU의 TCXO를 중지하도록 동작하고, 상기 하나의 ARU의 TCXO가 동결되는 동안, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 중앙 처리 유닛 내부의 TCXO와 케이블을 통해 상기 중앙 처리 유닛에 송신되는 상기 하나의 ARU 내부의 TCXO로부터의 신호 사이의 위상차를 측정하도록 동작하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 ARU들 각각은 로컬 RF 발진기 회로를 포함하고;
상기 중앙 처리 유닛은 상기 ARU들 각각에 두 개의 주파수 신호를 제공하며, 상기 신호들은 각각이 상기 중앙 처리 유닛을 상기 ARU들 중 상이한 ARU에 각각 연결하는 케이블들을 통해 제공되며, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 중앙 처리 유닛에서 동작 주파수 신호를 제공하기 위해 상기 두 개의 주파수 신호를 결합하며;
상기 ARU들 각각은 상기 두 개의 주파수 신호를 함께 혼합하여 상기 동작 주파수 신호를 획득하고, 다음으로, 상기 동작 주파수 신호는 각각의 케이블을 통해 상기 중앙 처리 유닛에 다시 제공되는 리턴 신호들을 생성하기 위해 2로 나누어지고;
상기 ARU들 각각에 대해, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 ARU로부터 상기 리턴 신호들을 수신하고, 상기 ARU로부터의 상기 리턴 신호들의 위상을 상기 중앙 처리 유닛에서의 상기 동작 주파수 신호와 비교하고, 위상 비교에 기초하여 상기 ARU의 동기화를 조절하는, ILS. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 안테나는 안테나들의 활공 경로 어레이 및 안테나들의 로컬라이저 어레이를 포함하고;
상기 활공 경로 어레이의 각각의 안테나와 상기 로컬라이저 어레이의 각각의 안테나는 상기 ARU들 중 상이한 ARU에 의해 구동되는, ILS. - 제16항에 있어서,
상기 ARU들 각각은 프로그래밍가능한 캐리어 주파수 및 프로그래밍가능한 구성 값들에서 변조된 무선 주파수 신호를 생성하도록 동작하는 소프트웨어 정의 라디오들인, ILS. - 제17항에 있어서,
상기 프로그래밍가능한 구성 값들은 RF 전력, RF 위상, 변조 깊이들, 및 위상들 중 적어도 하나를 포함하는, ILS. - 제16항에 있어서, 상기 안테나들의 활공 경로 어레이는 적어도 4 요소 수평 어레이를 제공하기 위해 수평으로 이격되어 배열되는 적어도 4개의 안테나 요소를 포함하는, ILS.
- 제19항에 있어서, 상기 활공 경로 어레이의 외측 안테나 쌍은 캐리어 측파대 단독(carrier sideband only)(SBO) 신호들로 구동되고, 상기 활공 경로 어레이의 내측 안테나 쌍은 캐리어 더하기 측파대(carrier plus sideband)(CSB) 신호들로 구동되는, ILS.
- 제19항에 있어서, 상기 안테나들의 활공 경로 어레이는 적어도 10 요소 수평 어레이를 제공하기 위해 수평으로 이격되어 배열된 적어도 10개의 안테나 요소를 갖는, ILS.
- 삭제
- 제21항에 있어서, 상기 ARU들은 방위각 범위에 걸쳐서 거의 평평한 활공 경로 각도를 제공하도록 제어되는, 각각의 안테나에 대한 CSB 및 SBO 전력들 및 위상들을 사용하여 상기 안테나들을 구동하도록 동작하는, ILS.
- 제16항에 있어서, 상기 ARU들은 순수한 플라이-업 신호(fly-up signal)를 생성하는, 150Hz로만 변조된 주파수에서 5kHz 오프셋된 별도의 캐리어 신호인 클리어런스 신호(clearance signal)(CLR)로 안테나들을 구동하도록 동작하고, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 ARU들 각각의 상기 CLR을 개별적으로 조절하도록 동작하는, ILS.
- 제24항에 있어서, 상기 클리어런스 신호(CLR)의 방사 패턴은, CLR 전력이 방위각 범위 내의 방위각들에 대해서는 상기 활공 경로 어레이의 안테나들에 의해 전송되는 활공 경로 코스 신호의 전력보다 작고 상기 방위각 범위 밖의 방위각에 대해서는 상기 활공 경로 코스 신호보다 크도록 상기 중앙 처리 유닛의 제어에 의해 성형되는, ILS.
- 제16항에 있어서, 상기 안테나들의 활공 경로 어레이는 수직으로 이격되어 배열된 적어도 3개의 안테나 요소를 포함하는, ILS.
- 삭제
- 제16항에 있어서, 상기 활공 경로 어레이는 널 기준(null-reference) 및 m-타입 활공 경로 어레이 중 하나를 포함하는, ILS.
- 제16항에 있어서, 상기 활공 경로 어레이는 비-이미징 활공 경로 어레이(non-imaging glide path array)를 포함하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은:
상기 개별 ARU들 중 하나 이상으로부터 수신된 측정된 RF 파라미터들에 기초하여 공중의 항공기(airborne aircraft)에 의해 수신된 변조 깊이(Depth of Modulation)(DDM) 신호 및/또는 변조 깊이 합(Sum Depth of Modulation)(SDM)을 합성하고;
상기 개별 ARU들의 하나 이상의 구성된 RF 파라미터에 대한 상기 DDM 신호 및/또는 SDM 신호의 비교에 기초하여, 상기 합성된 DDM 신호 및/또는 SDM 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 하는지를 결정하도록
추가로 동작하는, ILS. - 제30항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 합성된 DDM 신호 및/또는 SDM 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 한다는 결정에 응답하여 상기 복수의 ARU의 동작을 중단하도록 추가로 동작하는, ILS.
- 제30항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 합성된 DDM 신호 및/또는 SDM 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하거나 초과하지 않는다는 결정에 응답하여 상기 복수의 ARU의 동작을 계속하도록 추가로 동작하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 ARU 중의 각각의 ARU는:
상기 ARU에 연관된 상기 복수의 안테나 중의 안테나에 제공되는 상기 변조된 RF 신호를 수신하고;
상기 변조된 RF 신호를 상기 ARU의 하나 이상의 신호 파라미터에 비교하는 것에 기초하여, 상기 변조된 RF 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 하는지를 결정하도록
추가로 동작하는, ILS. - 제33항에 있어서, 상기 복수의 ARU 중의 각각의 ARU는, 상기 변조된 RF 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 한다는 결정에 기초하여, 상기 변조된 RF 신호가 미리 결정된 임계값을 충족하는 것 또는 초과하는 것 중 하나를 한다는 표시를 포함하는 통지를 상기 중앙 처리 유닛에 전송하도록 추가로 동작하는, ILS.
- 제34항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 통지에 기초하여 상기 복수의 ARU 중 하나 이상의 ARU의 동작을 계속할지를 결정하도록 추가로 동작하는, ILS.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ILS는:
상기 복수의 안테나에 의해 방사되는 RF 신호들을 수신하도록 동작하는 모니터 ARU를 더 포함하는, ILS. - 제36항에 있어서, 상기 모니터 ARU는, 상기 복수의 안테나에 의해 방사되는 RF 신호들이 상기 ILS로부터 공중의 항공기에 의해 수신될 예상 DDM 신호 및/또는 SDM 신호와 정렬되는지를 결정하도록 추가로 동작하는, ILS.
- 제37항에 있어서, 상기 모니터 ARU는, 상기 복수의 안테나에 의해 방사되는 RF 신호들이 상기 ILS로부터 공중의 항공기에 의해 수신될 예상 DDM 신호 및/또는 SDM 신호와 정렬되지 않는다는 결정에 응답하여, 상기 복수의 안테나에 의한 상기 RF 신호들의 방사 중단을 개시하도록 추가로 동작하는, ILS.
- 제37항에 있어서, 상기 모니터 ARU는, 상기 복수의 안테나에 의해 방사되는 RF 신호들이 상기 ILS의 보정 프로세스 동안 방사되는 이전 RF 신호들로부터 미리 정의된 임계값 내에서 벗어난다는 결정에 응답하여, 상기 복수의 안테나에 의한 상기 RF 신호들의 방사의 재보정을 개시하도록 추가로 동작하는, ILS.
- 제6항에 있어서, 상기 복수의 케이블은 광섬유 케이블들을 포함하고,
상기 중앙 처리 유닛은 상기 광섬유 케이블들을 통해 전송된 광학 동기화 신호들을 사용하여 전송을 위해 상기 ARU들에 의해 상기 복수의 안테나에 제공되는 변조된 RF 신호 사이의 동기화를 조절하기 위해 상기 ARU들을 제어하도록 추가로 동작하는, ILS. - 제40항에 있어서, 상기 중앙 처리 유닛은 상기 광섬유 케이블들의 광 강도의 변조에 의해 상기 광섬유 케이블들을 통해 전송되는 동기화 신호들을 시간 다중화하도록 추가로 동작하는, ILS.
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