基于工程经验的民机仪表着陆系统试飞技术研究

袁冲

摘要：介绍了仪表着陆系统（ILS）在民机领域的应用及特点，整理了适航规章对民机ILS系统的验证要求，分析了ILS的主要目的。参照已有型号经验，梳理了民机ILS试飞的构型控制要求、试飞机场条件以及测试改装要求，提出了ILS系统各功能验证的试飞方法和试验数据处理方法，进行了实际应用案例分析，并就民机ILS试飞技术及试飞安排给出了整体性建议。

关键词：仪表着陆系统（ILS）、构型控制、试飞方法、试飞判据、试飞数据处理方法

Abstract： This paper introduces the application and characteristics of instrument landing system （ILS） in the field of civil aircraft， sorts out the requirements of airworthiness regulations for the verification of ILS system in civil aircraft， and analyzes the main purpose of ILS. Referring to the existing model experience， this paper combs the configuration control requirements， test airport conditions and test modification requirements of civil aircraft ILS flight test. It puts forward the flight test methods and test data processing methods for various function verification of ILS system， analyzes the practical application cases， and gives overall suggestions on civil aircraft ILS flight test technology and flight test arrangement.

Key Words： Instrument landing system （ILS）;Configuration control; Flight test method;Flight test criteria;Test data processing method

民用飛机进近着陆时对飞机员的要求很高，短时间内要完成诸多操作，特别是在机场区域处于阴天、雾、云低飞、雨天及夜间等低能见度气象条件下，飞行员的准确操作就愈加困难，危险性也愈大[1]。据统计，大约50%的民机事故发生在进近着陆阶段，而且大部分民航机场的气象条件不能满足目视着陆水平能见度大于4.8km、云底高不小于300m的要求，因此民机必须装载两套仪表着陆系统。

60多年前，国际民航组织（ICAO）将仪表着陆系统（Instrument Landing System，简称ILS）确定为飞机标准进近和着陆设备，也是国内民航标准着陆系统，始终在民航发挥着重要作用[2-3]。本文结合ARJ21-700飞机、C919飞机研制经验，参照AC25-7A等适航相关要求，对民用运输类飞机ILS试飞技术进行了研究。

1ILS概述

ILS是民机导航系统的重要组成部分。通常，民机的导航系统需配置全静压和温度敏感系统、两套大气数据计算系统、两套姿态与航向基准系统、两套指点信标、两套仪表着陆系统、一套气象雷达（RTA-848）、两套无线电高度表、一套地形提示和警告系统、一套交通告警和防撞系统、两套伏尔、两套测距器、一套自动定向仪、两套空中交通管制、两套全球定位系统和一套飞行管理系统[4-6]。

其中指点信标、仪表着陆系统和甚高频全向信标可以统称为甚高频导航。指点信标接收机接收飞机进场时信标台信号，为机组提供视觉和音响指示。仪表着陆系统接收机接收航向信标和下滑信标地面台无线电波束信号，引导飞机按预定着陆轨迹安全降落。甚高频全向信标接收并处理地面台来的方位信号，与测距设备配合，实现近程导航。

2  适航要求

ILS 试飞是民用运输类飞机获取型号合格证前必须开展的一项重要飞行试验[7]，依据CCAR25部要求，需对不同飞机构型及飞行动作下的ILS指引信号（方位、下滑）的正确性进行检查和验证。

CCAR-25-R4规定了与仪表着陆系统有关的适航条款，包括§25.1301（d）（4）、§25.1307（e）、§25.1309（a）、§25.1431（c），除需进行专项的审定试飞外，还需在功能和可靠性试飞中进行检查，具体条款要求见表1[8-10]。

结合ARJ21-700飞机、C919飞机的适航试飞经验，ILS的试飞目的可归纳为以下几点：

（1）评估进场阶段航向信标接收情况;

（2）评估进场过程航向截获能力;

（3）评估进场过程航向跟踪能力;

（4）评估进场阶段下滑信标全向性;

（5）评估进场阶段下滑信标的截获能力;

（6）评估进场阶段下滑信标的跟踪性能;

（7）飞机飞行过程中电磁兼容性的验证。

3构型及机场要求

3.1  构型管控

试飞前需保证飞机的仪表着陆（ILS）、指点信标（MB）、甚高频全向信标（VOR）、自动定向仪（ADF）、飞行管理系统（FMS）及地形提示和警告（TAWS）等系统功能正常，并完成各系统的MOC5试验且符合适航要求，与之交联的大气数据系统、全球定位系统、惯性基准系统、无线电接口装置、测距器、电子飞行仪表等系统需功能正常，满足飞机设计要求。

3.2  机场条件

进行ILS试飞的机场需满足以下基本条件：

（1）机场的地形信息需包含在TAWS的地形数据库中，导航信息需包含在导航数据库中。

（2）机场具备特定的导航设备，且均经过民航部门校验，例如指点信标、NDB、VOR/DME、LOC和GS地面台。

4  试飞技术分析

4.1  测试改装

进行ILS试飞的试飞机需从系统总线抽引数据、加装DGPS，加装PFD视频记录设备，具体如下。

（1）加装传感器：高精度差分GPS。

（2）抽引信号：飞管系统从IOC设备上抽引总线信号，ADF抽引左右甚高频导航输出的总线各一条，左无线电高度表总线一条，左大气数据计算机总线一条，地形提示和告警总线一条等。

测试参数主要包括气压高度、无线电高度、垂直速度、偏航距离、垂直偏差、经纬度、航向角、俯仰角、横滚角等。

4.2  试飞方法

ILS试飞需进行航向信标、下滑信标、指点信标、电磁兼容性等试飞科目。

4.2.1航向信标

（1）航向接收性。在距离航向台至少25n mile处，飞机以2000ft高度按相对方位间隔45°的8个航向上飞经地标点，过点时压坡度10°，检查航向信标接收情况。从距离航向臺至少25n mile处，飞机沿跑道中心线延长线正常进场，截获航向信标后，向左（右）压坡度30°转弯，直到航向偏离跑道中心线60°，改坡度为15°继续转弯，直到航向偏离跑道中心线90°，改坡度为10°继续转弯，直到航向偏离跑道中心线180°为止，检查航向信标接收情况。

（2）航向信标截获。在距离航向台至少25n mile处，飞机以相对于跑道中心延长线至少50°的航向飞向跑道中心线，从跑道中心延长线左、右各进入一次[11]，检查航向信标接收情况。

（3）航向信标跟踪。沿跑道中心延长线归航飞行，在距外指点信标台5mile以内，改变飞行航向，直到航向指示满偏，然后使飞机重新飞回航道区并向航向台飞行，直到飞越航向台。

4.2.2下滑信标

（1）下滑接收性。飞机以与跑道延长线成10°、20°、30°的3个航向上飞经跑道延长线上距最后进近点（FAF）点10n mile处的一点，检查下滑信标接收情况。从跑道延长线左、右各执行一次。

（2）下滑信标截获。飞机沿跑道中心延长线上距FAF点10n mile处开始归航飞行，高度为FAF点处下滑道高度，直至飞越下滑台。

（3）下滑信标跟踪。操纵飞机跟踪下滑信标，引导飞行至机场跑道入口处上空（高度<100ft）。

4.2.3指点信标

飞机分别在高/低灵敏度模式下，以150kn地速、1000ft高度（AGL）飞越机场指点信标台上空，飞越过程中检查指点信标接收机的听觉和视觉指示以及持续时间是否正常。

4.2.4 电磁兼容（EMC）

检查机上仪表着陆系统是否干扰其他设备或被其他设备干扰。

4.3  数据处理方法

飞机偏离基准下滑道角度以及偏离跑道中心线角度计算方法如下。

第一步，将地面LOC台站以及载机实时位置的WGS-84坐标转换为空间直角坐标，计算公式见（1）。

式（2）中lon0、lat0为载机实时经度和纬度。X0，Y0，Z0;X，Y，Z 分别为载机实时位置和台站位置对应的空间直角坐标。XX，YY，ZZ为载机相对于地面台站的地平坐标值。

第三步，通过式（3）计算得到载机偏离跑道中心线基准角度。

LOC_BEAR = atan（YY/XX）+180-56   （3）

式（3）中XX、YY为由式2计算得到的地平坐标值，LOC_BEAR为载机偏离跑道中心线基准角度。

使用式（1）至式（2）规定的方法计算，得到飞机相对于GS地面台的地平坐标值，并使用（4）计算载机到达GS地面台的距离。

RANGE = （4）

使用式（5）计算得到载机偏离下滑道的基准角度。

GS_BEAR =asin（ZZ/（RANGE*1000））

*180/3.1415926-3  （5）

4.4  试飞判据

ILS试飞过程中，没有红色警告旗出现，能保持接收地面台的ID，航向偏差、下滑道偏差读出正确，机动飞行期间航向偏差变化、下滑道偏差变化平滑。

在航向信号接收全向性试飞中，应正确指示航向偏差，且连续有效，无航向信标告警指示。

在航向截获试飞中，航向偏差指示在从满偏到指零的过程中应连续有效，在信号覆盖范围内不应出现告警指示。

在航向跟踪试飞中，航向偏差指示应正确的引导飞机回航道，无航向信标告警指示。

在下滑信标接收全向性中，下滑偏差指示应连续有效，当载机飞行高度高于或低于下滑道时能将飞机引导回下滑道，在信号覆盖范围之内不应出现告警指示。

在下滑信标跟踪试飞中，当下滑偏差指示从正满偏到负满偏变化的过程中，应无任何告警指示出现，下滑偏差指示连续有效。

在电磁兼容性试飞中，仪表着陆系统与机上其它设备/系统之间无相互干扰现象。

指点信标接收机的听觉和视觉指示正常，过台指示灯应持续点亮8～12s，指点信标接收机与机上其他设备之间无相互干扰。

试飞员依据以上判据，评定试飞结果是否可以接受，即ILS试飞结果是否符合适航条款要求。

5应用分析

ILS试飞安全风险较低，一般安排2架次/4h飞行，可在两架试飞机上进行。某型新研民用飞机基于上述方法完成了ILS适航审定试飞，试飞过程和试飞结果满足适航规章要求。

以航向信号接受性为例，试验机以高度Hi=600m，分别以磁航向ψM=32°、77°、122°、167°、-148°、-103°、-58°、-13°飞经跑道延长线上某点（距航向台约25nm），过点时压坡度-10°。

依据飞行员评述，在整个飞行过程中，航向偏差指示无告警旗出现，航向偏差指示正常。飞机沿跑道中心延长线正常进场，截获航向信标后，向左压坡度30°转弯，直到航向偏离跑道中心线60°，改坡度为15°继续转弯，直到航向偏离跑道中心线90°，改坡度为10°继续转弯，直到航向偏离跑道中心线180°止，检查航向信标接收情况。整个飞行过程中，航向偏差指示无告警旗出现，航向偏差指示正常。飞行期间航向偏差DDM值、试验机偏离跑道中心线角度与试验机滚转角变化对比见图5，可见整个飞行过程中ILS输出的航向偏差连续，无丢失情况。

6结论

（1）CCAR25适航规章注重对ILS系统的功能性、可靠性及电磁兼容性的验证，除表明ILS系统本身的适航性外，申请人需通过装载两套ILS的设计方案以及真实的飞行试验表明条款符合性。

（2）进行ILS试飞前，飞机需满足构型要求，包括完成测试改装工作，以记录完备的飞行数据和系统测试数据，且数据有效。

（3）ILS试飞对试飞机场设备具有一定要求，无特殊气象条件要求。建议申请人梳理需要民用机场资源设备的试飞科目，进行打包试飞，减少试飞架次。

（4）建议综合考虑试飞空域限制、转弯半径和高空风速带来的影响，合理安排飞行计划，后期数据处理的计算方法需与局方达成一致。

（5）ILS试飞方法危险性不高，建议在飞机构型满足条件的情况下，直接进行局方试飞，减少试飞工作量。

参考文献

[1] 鲁志东.大型民机进近着陆段异常能量风险判据[J].航空学报.2020，42（6）：1-14.

[2] 周子琪.儀表着陆系统临界区与敏感区的划设研究[D].天津：中国民航大学.2020.

[3] 苟江川.仪表着陆系统（ILS）电磁环境分析及测试系统集成[D].成都：西南交通大学.2017.

[4] 张忠兴，李晓明.无线电导航理论与系统[M].西安：陕西科学技术出版社，1998.

[5] 孙政远.浅析仪表着陆系统[C].北京：决策论坛-“决策科学化与民主化学术研讨会”论文集.2017.

[6] 成剑.民用航空中的机载导航应用发展综述[J].卫星应用.2019（9）：25-31.

[7] 周自全.飞行试验工程[M].北京：航空工业出版社，2010.

[8] 中国民用航空局.运输类飞机适航标准：CCAR-25-R4[S].北京：中国民用航空局.2011.

[9] 中国民用航空局.目视和仪表飞行规范：MH/T 4023-2007[S].北京：中国民用航空局.2007.

[10] 中国民用航空局.一般运行与飞行规则：CCAR-91-R3[S].北京：中国民用航空局.2018.

[11] 乐娅菲.民机航向道信标接受功能定量评估方法研究.上海：民用飞机设计与研究.2021（2）：106-111.