载波通信方式实现高级场面引导（A-SMGCS）系统对助航灯光隔离变压器的要求

林建华

（元翔< 福州> 国际航空港有限公司 福建 福州 350000）

0 引言

近年来，我国民航业飞速发展，随着机场航班流量的增长，机场规模逐渐加大，滑行道布局复杂，在低能见度的运行条件下，靠管制员在指挥室监视地面航空器的滑行引导方式已不能满足日益增长的航班量需要，机场地面雷达也存在受气候影响的缺点。高级场面引导（A-SMGCS）系统通过预埋集成了各类传感器的监控单元提供自动航空器路由规划、冲突算法等功能，很好地解决了高密度航班地面滑行时的监视和引导，福州机场二期工程将对两条跑道设置A-SMGCS 系统。A-SMGCS 系统的每一监控单元通过隔离变压器将现场数据以电力载波的方式传输至集控中心，作为该传输通道上的主要器件，其容量、效率、衰减、漏感等均对A-SMGCS 系统信号稳定造成影响，因此，隔离变压器选择设计时也是关注的重点。

1 助航灯光功能与回路组成

机场助航灯光是提供复杂气象条件下如降雨、雾天等低能见度以及夜间航空器起飞着陆提供目视引导的重要设施[1]。根据《民用机场飞行区技术标准》中助航灯光回路构成的要求[2]（见图1），由调光器、助航灯具、隔离变压器构成的串联回路。通过调光器改变输出的电流大小，达到控制助航灯具在相应光级下符合要求的光强，满足不同气象条件下提供飞行员足够的目视参考。根据串联回路特性，即等流分压的回路特性，该回路连接的灯具因功率相同，电流一致，所以其在同一光级下光强一致[3]；而串联回路另一特性，即点开路会导致整个回路开路，灯泡损坏会导致整个回路无法正常开启，所以每个助航灯具均配有隔离变压器，当灯泡损坏时不会影响回路正常运行或造成回路开路故障。

图1 助航灯光回路构成

2 高级场面引导控制系统

2.1 定义

根据国际民航组织《先进的场面活动引导和控制系统手册》[4]，机场高级场面活动引导和控制系统（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，A-SMGCS），是在满足机场能见度运行等级的所有气象条件下，航空器和车辆能保持运动速率安全性而对其提供路由、引导及监视进行控制的自动化系统。A-SMGCS 的使用将减少飞机与飞机、飞机和车辆以及车辆与车辆在滑行道、跑道和机坪范围内的运行冲突。飞机、车辆能够按照程序设定的最佳路线运行，在提高机场的周转率和运行效率方面起到积极、安全的作用[5]。

2.2 功能及等级划分

主要功能：（a）场面监视；（b）控制告警；（c）路径规划；（d）自动引导；（e)状态感知。（见表1）

表1 ICAO A-SMGCS 系统分级定义

2.2.1 监视功能（I 级系统）

监视功能是对在机场飞行区域范围内运动的航空器和车辆进行连续定位与标识，在管制员席位界面上显示场面运动目标的运行态势和运行环境，通过使用该功能，即使在低能见度等恶劣天气条件下也不会降低机场运行的安全标准。

2.2.2 告警功能（Ⅱ级系统）

告警功能是系统通过自动产生与机场活动相关的各类告警信息，如：路由冲突/交叉告警、偏离跑道/滑行道告警、跑道/限制区侵入告警、场面活动目标间隔(过小)告警、速度过快/过慢告警等，为管制员提供对场面活动进行控制的信息，从而确保场面活动的安全、顺畅和高效运行。

2.2.3 滑行路径规划功能（Ⅲ级系统）

依据空中与地面的运行情况为起飞或降落的航空器自动提供最优的滑行路径建议，并能自动解决滑行过程中的潜在冲突。

2.2.4 灯光引导功能（IV 级系统）

灯光引导功能是指系统根据航空器滑行路线、场面运动航迹、跑道视程等数据，自动产生滑行路径上助航灯光的点亮、熄灭、灯光强度等控制数据，发送给助航灯光监控系统，实现助航灯的灯光段控制，形成与航空器同步运行的“引导灯光段”，自动引导航空器沿规划的路由滑行、停止和穿越交叉口。

2.2.5 状态感知（Ⅴ级系统）

机载设备具备可视化导航功能后，管制员、飞行员、车辆驾驶员具备相同态势感知能力，从而实现A-SMGCS V级的功能。

3 单灯控制

A-SMGCS IV 级条件下要实现自动引导功能，即航空器在脱离跑道后向指定机位滑行过程或从机位推出向指定跑道等待起飞位置滑行过程中，根据路由规划设定的灯光回路划分规则，通过指定的单个或多个滑行的中线灯、停止排灯开启和关闭，引导航空器按照指定路径滑行，从而实现指定路由上的助航灯光开启，非指定路由上的助航灯光熄灭，实现引导功能[6]。

3.1 控制要求

A-SMGCS 按照50 km/h 的飞机滑行速度，且滑行道中线灯间距为30 m 条件下，评估控制每一盏灯开关响应时间应不超过2 s，才能满足系统的控制要求。

3.2 控制实现

目前全世界第一个也是唯一一个全场、全天候、全架次使用A-SMGCS Ⅳ级条件下引导航空器的机场是北京大兴国际机场。其单灯监控方案采用的是电力载波技术，使用灯光一次供电回路作为通信线路（见图2），其原理是在现有灯光回路的隔离变压器二次输出侧加装单灯信号，将以灯光回路电缆和隔离变压器一次侧为介质，在通信介质构建的信号闭合回路中流动。通过隔离变压器的耦合将灯的状态信息经由灯光一次电缆进行载波通信；单灯监控系统给每个单灯单元设定地址，以此作为回路中唯一识别的标志，每个灯具都与单灯监控单元对应，通过电力载波通信技术对可寻址的单灯监控单元发送命令和接收状态信息，控制灯具开启和关闭，同时反馈灯具状态。

图2 通信线路

4 隔离变压器的重要性

单灯监控系统的基本要求是必须建立一个安全、稳定和准确的电力载波通信链路。实际使用的助航灯光回路中，连接灯光站的主机和放置在灯具回路的单灯之间的通讯媒介是回路本身。由于单灯装置安装在隔离变压器和灯具之间的二次侧载波通信包括主机对单灯或单灯对主机的通信，无论何种通信均需要解决隔离变压器对通信产生的影响。标准隔离变压器基于工频设计，在电气隔离将能量传递至灯具，避免某个灯具故障而影响整个回路的正常运行，而不是设计用来通讯。对于电力线载波通信的单灯监控器，漏感对其信号频率（一般为2 kHz～200 kHz）的作用就非常显著，漏感的感抗随信号频率的提高而递增，令载波信号产生不同程度的衰减。本次抽测了国内普遍使用的隔变样品，其衰减在100 kHz 下达到了18 dB 左右。另外，隔离变压器还会影响到整体回路滤波器的选择、通讯频段、主机和单灯的通信功率等。

图3 隔离变压器衰减率曲线

4.1 信号调制方案

目前的电力线载波方案分为宽带方案和窄带方案。根据上图隔离变压器衰减率曲线，隔离变压器可用带宽一般不会超过100 kHz，所以宽带载波方案实现难度较大。以下是不同的调制技术简介[7]：

调幅（ASK）振幅调变，简称为调振幅，通过改变输出信号的振幅，来实现传送信息的目的；

调相（PSK）是载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式相；

调频（FSK）是对无线电进行信息加载，得到调制波。它是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式，通过利用载波的不同频率来表达不同的信息。

窄带方案中，普遍采用的是频移键控（FSK）和正交频分复用（OFDM）。

对于在助航灯光串联回路中进行电力线载波通信技术而言，构建通信道只能满足基本的通信要求，而不能解决回路中的衰减、噪声或谐波带来的通信干扰。大量的现场数据表明，任何一种基于中高频为数字传输频点的载波方式，在理想变压器上的传输几乎没有什么衰减而在以屏蔽电缆（灯光电缆）构建的回路上，隔离变压器的漏感、电缆的感性与电缆的分布电容特性会在回路中构建多个信号滤波器，加剧了局部信号的衰减[8]。为解决此类问题,国际上以FSK 为核心载波技术的单灯监控系统采用一个以LC谐振为机理、中心频段为发生衰减频段的滤波设备安装在整个回路的物理中心点,以此抬升由于分布电容造成的较低的信号幅度[9]。

4.2 隔离变压器对信号调制解调和滤波的影响

单灯监控系统的信号调制首先作用于隔离变压器[10]，因此隔离变压器的漏感对信号的影响不可忽略。系统设计时所选择的信号频率应考虑隔离变压器漏感的影响，降低频率以适应标准隔离变压器或者选择漏感更低的隔离变压器改善信号通路，都是系统设计阶段需要考虑的重要方面。另外，A-SMGCS 对系统期望达到的响应时间要求与信号的频率有直接关系，如果考虑适应标准隔离变压器，要达到A-SMGCS 要求的响应时间，对回路中监控的灯具数量势必要减少；采用低漏感隔变可令信号频率提高达到更快的响应速度。

要实现可靠的单灯监控功能，建立完整的信号通路和消除干扰是非常重要的。滤波器是单灯监控系统设计的必要组成部分。灯光回路中隔离变压器的组成就是一个巨大的无源滤波器网络；另外，滤波器另有一个重要的指标，就是阶数。阶数的定义就是无功器件（电感或电容）的数量，一个无功器件就是一阶。所以一个基础灯光回路中，如果有100 个灯具，就表示有100 个隔离变压器，也就是表示这是一个至少100 阶的无源滤波器网络。隔离变压器构成的通信网络是一个典型的低通网络，滤波器的阶数越高，隔绝高频的效果越好，这也就是通信不能走高频或宽带的原因。如果隔离变压器选择不当，感抗较大，再加上数量众多，这会直接影响到整个回路的截止频率，直接把载波信号衰减掉。

4.3 隔离变压器漏感的影响

变压器的漏感实际上可等效为信号在隔离变压器输入侧接入了一个电感（如图4），在漏感上的这部分能量是不能传递到变压器的输出侧的，对信号而言，漏感在变压器输出侧也有相同的作用。人们所说的信号衰减很大程度上取决于隔离变压器的漏感。漏感越低越有利于将信号以最小的衰减传递到灯光回路中。

图4 隔离变压器的等效电路

隔离变压器漏感测量方案，在隔离变压器带载的情况下，在初级加载1 KHz～200 KHz 的信号，通过测量初级电压、次级电压，计算在不同频率下的衰减率。

信号衰减计算方式：

当信号通过隔离变压器时，信号会有所损失，计算方式如下：

信号衰减=20log（V 初级/V 次级）

衰减-20 dB 即信号在次级的电压降低为初级电压的十分之一。将次级短路，就能得到隔变的漏感。

单个隔离变压器的等效电路（如图5），其中L1 对应的就是漏感，L2 对应的就是开路电感，当然实际使用中还有直流阻抗Rs 和分部电容C，但由于值较小，在此忽略不计，R1 为隔变后的等效负载。

图5 单个隔离变压器的等效图

通过等效电路进行回路的仿真，测试不同漏感与信号强度的关系得到如图6所示的波特图。

图6 漏感与信号强度的关系

研究人员发现隔离变压器的漏感，不是越大越好，或者越小越好。从理论上来说，根据等效图L1 和L2 对应的阻抗是Z1 和Z2，而整个隔离变压器可以等效于Z2//（Z1+R1），由于L2 是远大于L1 的，L1 和L2 是正相关的，即L1 越大，L2 也越大，所以在相同频率下，Z2 也是远大于Z1 的。当Z1 极小的时候，等效阻抗Z2//（Z1+R1）就会变小，而电缆阻抗不会变化，此时R1 上的信号也会因为隔变阻抗变小而减小。当Z1 极大的时候，等效阻抗Z2//（Z1+R1）也会变大，此时R1 上的分压会因为Z1 的变大而减小。

5 结论

在民航标准和FAA 标准中，对隔离变压器的漏感都没有具体数据要求，实际上隔离变压器的漏感会对整个回路的通信产生极大的影响。本文针对以电力载波通信方式，配以单灯监控单元模式构成的助航灯光单灯控制系统，对信号传输与助航灯光隔离变压器之间的关联进行分析。通过仿真结果可知，采用低漏感隔离变压器是实现高级地面引导系统助航灯光引导功能稳定运行的关键；同时理论模型给设计院在设计阶段的设备选型提供依据：隔离变压器漏感值小于100 u，也为民航行业完善关于隔离变压器的标准提供了参考依据。