符合标准性能的三类A级仪表着陆系统建模

张冉++李中

摘 要：传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑几何学关系，该方法已不能满足现代飞机系统设计过程中对该级别仪表着陆系统模型高仿真度的要求。本文首先建立三类A级仪表着陆系统建模标准几何模型，依据ICAO相关标准规范，建立地面设备的性能模型；依据RTCA相关的标准规范，建立机载接收机的性能模型；最终形成一套满足行业标准性能、满足其他系统设计需要的高仿真度三类A级仪表着陆系统模型。

关键词：仪表着陆系统 仿真建模 ICAO RTCA

中图分类号：V37 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0014-02

仪表着陆系统能够对进近着陆中的飞机进行引导，提供飞机相对于标准下滑道和航向道的偏差信息。飞行员可以利用显示系统获取该偏差信息修正飞机的航迹角和航向，或者利用自动飞行控制系统自动修正偏差，使飞机稳定在标准下滑道和航向道上。不同级别仪表着陆系统能保证飞机安全地下降到不同的离地高度（决断高度）。在此高度以下，飞行员需要借助飞机外部的景物参考目视操纵飞机继续着陆，而不再依赖仪表着陆提供的偏差，也不能继续利用自动飞行控制系统修正着陆偏差。仪表着陆系统的分类如下。

一类仪表着陆系统（CATⅠ），在能见度为800 m时，引导飞机进近到离地60 m的高度。

二类仪表着陆系统（CATⅡ），在能见度为400 m时，引导飞机进近到离地30 m的高度。

三类仪表着陆系统（CATⅢ），在能见度为0米时，引导飞机进近着陆直到接地。

传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑地理学和几何学关系。一些飞机系统的设计，特别是自动着陆功能的设计对仪表着陆系统建模的仿真度有着较高的要求。因此，高仿真度的仪表着陆系统模型可以降低系统研制风险和成本，提高系统研制效率。本文参考一系列的飞机机载和地面真实设备的性能规范，建立了一套满足行业标准性能、满足其他系统设计需要的三类A级仪表着陆系统模型。

1 系统建模

1.1 标准几何模型

本文首先从几何学的角度，建立仪表着陆系统模型。模型的初始化参数为跑道入口的地理坐标LLA（Longitude，Latitude，Altitude）和方位角、下滑台相对于跑道入口的安装位置、航向台相对于跑道入口的安装位置；模型的输出为飞机相对于理想下滑道和航向道的偏差角。模型的输入输出接口如图1所示，模型的原理图如图2所示。

已知跑道入口的地理坐标LLA为：

跑道进近方位角为，飞机地理坐标为：

分别为纬度、精度和高度。以跑道入口为原点，跑道进近方向为轴建立跑道坐标系，由地理学和几何学知识可求解飞机在跑道坐标系下的三维坐标：

步骤1：求取飞机和跑道入口在ECEF坐标系下坐标和（ECEF坐标系是随地球自转的非惯性坐标系。x轴沿赤道平面指向0度经线；z轴沿自转轴指向北极；y轴按右手定则与xz平面垂直）。

其中：为当地平均海平面高度：

为地表半径：

为地球扁率：

为赤道半径：

同理：

步骤2：求解飞机在跑道坐标系中的坐标。

步骤3：已知下滑台和航向台在跑道坐标系中的安装位置和，分别求在飞机在下滑台坐标系和航向台坐标系的坐标和：

步骤 4：已知下滑角，求下滑偏差角和航向偏差角

则下滑道偏差：

，（4.1.49）

航向道偏差：

.（4.1.50）

1.2 地面台性能模型

地面台性能模型在几何模型的基础上将偏差的单位从角度偏转为DDM（调制深度差），并加入换下滑台和航向台的性能误差，其接口如图3所示。本文仅以下滑台为例推导模型的建立过程，航向台的模型完全类似该过程。

根据ICAO相关标准，三类A级下滑台的DDM应满足如下图所示以下的标准结构。在DDM=0到DDM=±0.0875范围内，DDM应随偏差角线性变化；在DDM=±0.0875到DDM=±0.175范围随偏差角近似线性变化，如图4所示。

因此可得到精确的DDM模型：

根据ICAO标准，三类A级下滑道结构的性能应以95%的置信度满足以下误差范围要求：

覆盖区边缘到A点：0.035 DDM；

A点到B点： 从 0.035 DDM线性下降到0.023 DDM；

B点到T点： 0.023 DDM；

其中，ILS “A”点指沿进近相反方向，在跑道平面上距离跑道入口7500m处的点；ILS “B”点指沿进近相反方向，在跑道平面上距离跑道入口1050m处的点；ILS “T”点（基准数据点）指沿进近相反方向，在跑道平面上距离下滑道高度15m处的点。如图5所示。

因此，ILS A、B、T三点在GS坐标系的横坐标为

已知飞机在GS坐标系的横坐标为，通过下面的插值表可得到在该点的误差要求如图6。

由95%的置信度要求，可以利用正态分布建立误差模型：

1.3 机载接收机性能模型

机载接收机性能模型在地面台性能模型的基础上加入机载接收机的性能误差和动态响应模型，其接口如图7所示。本文仅以下滑台为例推导模型的建立过程，航向台的模型完全类似。

（1）精度模型。

根据RTCA DO-192对三类A级下滑道接收机的最低性能标准要求，其精度保持在5%以内，因此可以利用平均分布建立误差模型：

（2）动态响应模型。

根据RTCA DO-192要求，机载接收机的阶跃动态响应应满足0.6 s时达到67%稳态值，且超调不超过2%。因此，可用二阶低通滤波器模拟这一动态响应。利用简单的线性搜索法，可得到满足上述指标的二阶低通滤波器阻尼比和自然频率：

2 结论

针对传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑地理学和几何学关系、模型仿真度不高的缺点，本文首先建立三类A级仪表着陆系统建模标准几何模型，依据ICAO和RTCA的相关标准规范，在几何模型基础上增加了地面设备和机载设备的性能模型，该模型提高仪表着陆系统模型的仿真度，能够帮助其他需要该模型的系统设计降低风险和成本，提高研制效率。

参考文献

[1] 大气和空间飞行器坐标系统.ANSI/AIAA r-004-1992.1992.

[2] ICAO附件10航空通信，I卷-无线电导航设备[M].5版.1996.

[3] RTCA do-192.机载ILS最低运行性能标准滑翔斜率接收设备在326.6-335.4兆赫的无线电频率范的操作[M].RTCA.1986：11-13.endprint

摘 要：传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑几何学关系，该方法已不能满足现代飞机系统设计过程中对该级别仪表着陆系统模型高仿真度的要求。本文首先建立三类A级仪表着陆系统建模标准几何模型，依据ICAO相关标准规范，建立地面设备的性能模型；依据RTCA相关的标准规范，建立机载接收机的性能模型；最终形成一套满足行业标准性能、满足其他系统设计需要的高仿真度三类A级仪表着陆系统模型。

关键词：仪表着陆系统 仿真建模 ICAO RTCA

中图分类号：V37 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0014-02

仪表着陆系统能够对进近着陆中的飞机进行引导，提供飞机相对于标准下滑道和航向道的偏差信息。飞行员可以利用显示系统获取该偏差信息修正飞机的航迹角和航向，或者利用自动飞行控制系统自动修正偏差，使飞机稳定在标准下滑道和航向道上。不同级别仪表着陆系统能保证飞机安全地下降到不同的离地高度（决断高度）。在此高度以下，飞行员需要借助飞机外部的景物参考目视操纵飞机继续着陆，而不再依赖仪表着陆提供的偏差，也不能继续利用自动飞行控制系统修正着陆偏差。仪表着陆系统的分类如下。

一类仪表着陆系统（CATⅠ），在能见度为800 m时，引导飞机进近到离地60 m的高度。

二类仪表着陆系统（CATⅡ），在能见度为400 m时，引导飞机进近到离地30 m的高度。

三类仪表着陆系统（CATⅢ），在能见度为0米时，引导飞机进近着陆直到接地。

传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑地理学和几何学关系。一些飞机系统的设计，特别是自动着陆功能的设计对仪表着陆系统建模的仿真度有着较高的要求。因此，高仿真度的仪表着陆系统模型可以降低系统研制风险和成本，提高系统研制效率。本文参考一系列的飞机机载和地面真实设备的性能规范，建立了一套满足行业标准性能、满足其他系统设计需要的三类A级仪表着陆系统模型。

1 系统建模

1.1 标准几何模型

本文首先从几何学的角度，建立仪表着陆系统模型。模型的初始化参数为跑道入口的地理坐标LLA（Longitude，Latitude，Altitude）和方位角、下滑台相对于跑道入口的安装位置、航向台相对于跑道入口的安装位置；模型的输出为飞机相对于理想下滑道和航向道的偏差角。模型的输入输出接口如图1所示，模型的原理图如图2所示。

已知跑道入口的地理坐标LLA为：

跑道进近方位角为，飞机地理坐标为：

分别为纬度、精度和高度。以跑道入口为原点，跑道进近方向为轴建立跑道坐标系，由地理学和几何学知识可求解飞机在跑道坐标系下的三维坐标：

步骤1：求取飞机和跑道入口在ECEF坐标系下坐标和（ECEF坐标系是随地球自转的非惯性坐标系。x轴沿赤道平面指向0度经线；z轴沿自转轴指向北极；y轴按右手定则与xz平面垂直）。

其中：为当地平均海平面高度：

为地表半径：

为地球扁率：

为赤道半径：

同理：

步骤2：求解飞机在跑道坐标系中的坐标。

步骤3：已知下滑台和航向台在跑道坐标系中的安装位置和，分别求在飞机在下滑台坐标系和航向台坐标系的坐标和：

步骤 4：已知下滑角，求下滑偏差角和航向偏差角

则下滑道偏差：

，（4.1.49）

航向道偏差：

.（4.1.50）

1.2 地面台性能模型

地面台性能模型在几何模型的基础上将偏差的单位从角度偏转为DDM（调制深度差），并加入换下滑台和航向台的性能误差，其接口如图3所示。本文仅以下滑台为例推导模型的建立过程，航向台的模型完全类似该过程。

根据ICAO相关标准，三类A级下滑台的DDM应满足如下图所示以下的标准结构。在DDM=0到DDM=±0.0875范围内，DDM应随偏差角线性变化；在DDM=±0.0875到DDM=±0.175范围随偏差角近似线性变化，如图4所示。

因此可得到精确的DDM模型：

根据ICAO标准，三类A级下滑道结构的性能应以95%的置信度满足以下误差范围要求：

覆盖区边缘到A点：0.035 DDM；

A点到B点： 从 0.035 DDM线性下降到0.023 DDM；

B点到T点： 0.023 DDM；

其中，ILS “A”点指沿进近相反方向，在跑道平面上距离跑道入口7500m处的点；ILS “B”点指沿进近相反方向，在跑道平面上距离跑道入口1050m处的点；ILS “T”点（基准数据点）指沿进近相反方向，在跑道平面上距离下滑道高度15m处的点。如图5所示。

因此，ILS A、B、T三点在GS坐标系的横坐标为

已知飞机在GS坐标系的横坐标为，通过下面的插值表可得到在该点的误差要求如图6。

由95%的置信度要求，可以利用正态分布建立误差模型：

1.3 机载接收机性能模型

机载接收机性能模型在地面台性能模型的基础上加入机载接收机的性能误差和动态响应模型，其接口如图7所示。本文仅以下滑台为例推导模型的建立过程，航向台的模型完全类似。

（1）精度模型。

根据RTCA DO-192对三类A级下滑道接收机的最低性能标准要求，其精度保持在5%以内，因此可以利用平均分布建立误差模型：

（2）动态响应模型。

根据RTCA DO-192要求，机载接收机的阶跃动态响应应满足0.6 s时达到67%稳态值，且超调不超过2%。因此，可用二阶低通滤波器模拟这一动态响应。利用简单的线性搜索法，可得到满足上述指标的二阶低通滤波器阻尼比和自然频率：

2 结论

针对传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑地理学和几何学关系、模型仿真度不高的缺点，本文首先建立三类A级仪表着陆系统建模标准几何模型，依据ICAO和RTCA的相关标准规范，在几何模型基础上增加了地面设备和机载设备的性能模型，该模型提高仪表着陆系统模型的仿真度，能够帮助其他需要该模型的系统设计降低风险和成本，提高研制效率。

参考文献

[1] 大气和空间飞行器坐标系统.ANSI/AIAA r-004-1992.1992.

[2] ICAO附件10航空通信，I卷-无线电导航设备[M].5版.1996.

[3] RTCA do-192.机载ILS最低运行性能标准滑翔斜率接收设备在326.6-335.4兆赫的无线电频率范的操作[M].RTCA.1986：11-13.endprint

摘 要：传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑几何学关系，该方法已不能满足现代飞机系统设计过程中对该级别仪表着陆系统模型高仿真度的要求。本文首先建立三类A级仪表着陆系统建模标准几何模型，依据ICAO相关标准规范，建立地面设备的性能模型；依据RTCA相关的标准规范，建立机载接收机的性能模型；最终形成一套满足行业标准性能、满足其他系统设计需要的高仿真度三类A级仪表着陆系统模型。

关键词：仪表着陆系统 仿真建模 ICAO RTCA

中图分类号：V37 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0014-02

仪表着陆系统能够对进近着陆中的飞机进行引导，提供飞机相对于标准下滑道和航向道的偏差信息。飞行员可以利用显示系统获取该偏差信息修正飞机的航迹角和航向，或者利用自动飞行控制系统自动修正偏差，使飞机稳定在标准下滑道和航向道上。不同级别仪表着陆系统能保证飞机安全地下降到不同的离地高度（决断高度）。在此高度以下，飞行员需要借助飞机外部的景物参考目视操纵飞机继续着陆，而不再依赖仪表着陆提供的偏差，也不能继续利用自动飞行控制系统修正着陆偏差。仪表着陆系统的分类如下。

一类仪表着陆系统（CATⅠ），在能见度为800 m时，引导飞机进近到离地60 m的高度。

二类仪表着陆系统（CATⅡ），在能见度为400 m时，引导飞机进近到离地30 m的高度。

三类仪表着陆系统（CATⅢ），在能见度为0米时，引导飞机进近着陆直到接地。

传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑地理学和几何学关系。一些飞机系统的设计，特别是自动着陆功能的设计对仪表着陆系统建模的仿真度有着较高的要求。因此，高仿真度的仪表着陆系统模型可以降低系统研制风险和成本，提高系统研制效率。本文参考一系列的飞机机载和地面真实设备的性能规范，建立了一套满足行业标准性能、满足其他系统设计需要的三类A级仪表着陆系统模型。

1 系统建模

1.1 标准几何模型

本文首先从几何学的角度，建立仪表着陆系统模型。模型的初始化参数为跑道入口的地理坐标LLA（Longitude，Latitude，Altitude）和方位角、下滑台相对于跑道入口的安装位置、航向台相对于跑道入口的安装位置；模型的输出为飞机相对于理想下滑道和航向道的偏差角。模型的输入输出接口如图1所示，模型的原理图如图2所示。

已知跑道入口的地理坐标LLA为：

跑道进近方位角为，飞机地理坐标为：

分别为纬度、精度和高度。以跑道入口为原点，跑道进近方向为轴建立跑道坐标系，由地理学和几何学知识可求解飞机在跑道坐标系下的三维坐标：

步骤1：求取飞机和跑道入口在ECEF坐标系下坐标和（ECEF坐标系是随地球自转的非惯性坐标系。x轴沿赤道平面指向0度经线；z轴沿自转轴指向北极；y轴按右手定则与xz平面垂直）。

其中：为当地平均海平面高度：

为地表半径：

为地球扁率：

为赤道半径：

同理：

步骤2：求解飞机在跑道坐标系中的坐标。

步骤3：已知下滑台和航向台在跑道坐标系中的安装位置和，分别求在飞机在下滑台坐标系和航向台坐标系的坐标和：

步骤 4：已知下滑角，求下滑偏差角和航向偏差角

则下滑道偏差：

，（4.1.49）

航向道偏差：

.（4.1.50）

1.2 地面台性能模型

地面台性能模型在几何模型的基础上将偏差的单位从角度偏转为DDM（调制深度差），并加入换下滑台和航向台的性能误差，其接口如图3所示。本文仅以下滑台为例推导模型的建立过程，航向台的模型完全类似该过程。

根据ICAO相关标准，三类A级下滑台的DDM应满足如下图所示以下的标准结构。在DDM=0到DDM=±0.0875范围内，DDM应随偏差角线性变化；在DDM=±0.0875到DDM=±0.175范围随偏差角近似线性变化，如图4所示。

因此可得到精确的DDM模型：

根据ICAO标准，三类A级下滑道结构的性能应以95%的置信度满足以下误差范围要求：

覆盖区边缘到A点：0.035 DDM；

A点到B点： 从 0.035 DDM线性下降到0.023 DDM；

B点到T点： 0.023 DDM；

其中，ILS “A”点指沿进近相反方向，在跑道平面上距离跑道入口7500m处的点；ILS “B”点指沿进近相反方向，在跑道平面上距离跑道入口1050m处的点；ILS “T”点（基准数据点）指沿进近相反方向，在跑道平面上距离下滑道高度15m处的点。如图5所示。

因此，ILS A、B、T三点在GS坐标系的横坐标为

已知飞机在GS坐标系的横坐标为，通过下面的插值表可得到在该点的误差要求如图6。

由95%的置信度要求，可以利用正态分布建立误差模型：

1.3 机载接收机性能模型

机载接收机性能模型在地面台性能模型的基础上加入机载接收机的性能误差和动态响应模型，其接口如图7所示。本文仅以下滑台为例推导模型的建立过程，航向台的模型完全类似。

（1）精度模型。

根据RTCA DO-192对三类A级下滑道接收机的最低性能标准要求，其精度保持在5%以内，因此可以利用平均分布建立误差模型：

（2）动态响应模型。

根据RTCA DO-192要求，机载接收机的阶跃动态响应应满足0.6 s时达到67%稳态值，且超调不超过2%。因此，可用二阶低通滤波器模拟这一动态响应。利用简单的线性搜索法，可得到满足上述指标的二阶低通滤波器阻尼比和自然频率：

2 结论

针对传统三类A级仪表着陆系统建模只考虑地理学和几何学关系、模型仿真度不高的缺点，本文首先建立三类A级仪表着陆系统建模标准几何模型，依据ICAO和RTCA的相关标准规范，在几何模型基础上增加了地面设备和机载设备的性能模型，该模型提高仪表着陆系统模型的仿真度，能够帮助其他需要该模型的系统设计降低风险和成本，提高研制效率。

参考文献

[1] 大气和空间飞行器坐标系统.ANSI/AIAA r-004-1992.1992.

[2] ICAO附件10航空通信，I卷-无线电导航设备[M].5版.1996.

[3] RTCA do-192.机载ILS最低运行性能标准滑翔斜率接收设备在326.6-335.4兆赫的无线电频率范的操作[M].RTCA.1986：11-13.endprint