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自動着陸系統

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自動着陸系統

自動着陸系統是引導航空器着陸的自動控制系統，由地面設備和機上設備兩部分組成。世界上主要有儀表着陸系統（ILS）、微波着陸系統、全球定位系統三種方式。

簡介

在飛機的應用

自從飛機問世以來很長一段時間，飛機的進近和着陸都是依靠駕駛員的目視操作完成。隨着飛機速度的提高，體積的增大，駕駛員目視操作着陸越來越難。尤其對於現代的大型民航客機而言，要實現飛機的安全、準確地進近和着陸，必須依靠一套非常精確的着陸引導系統的幫助。這套系統包括飛機上安裝的信號接受設備和機場安裝的引導信號發射裝置。正是這些引導系統的存在，才使得現代民航客機在極低的能見度下實現安全降落成為可能，當然，也正是這些引導信號為飛機自動飛行系統提供了正確的進近和着陸的飛行軌跡，引導飛機安全的降落在跑道上，實現飛機着陸自動控制。

在無人機的應用

無人機自主起飛和着陸作為自主控制關鍵技術中的一個重要內容，它是實現無人機的回收和重複使用的前提。根據作戰性能要求，無人機具有多架次同時起降，機場靠近戰鬥前沿等特點，因此要求無人機能夠在無固定跑道或短距離跑道的小型機場上起飛，使用帶起落架的短距或垂直起降方式。起飛相對於着陸來說更簡單，主要包括加速滑跑和離地爬升兩個階段，當起飛條件滿足時，通過較簡單程序控制就可以實現起飛，對系統的自主性沒有太大的要求;而着陸階段則比較複雜，需要無人機具有高精度自主定位導航、魯棒着陸軌跡跟蹤能力。據統計，由於無人機在着陸時，操縱複雜，地面干擾因素多，因此發生事故的概率比正常飛行時高出好幾倍。

民機的進近着陸階段是事故多發階段，也是最複雜的飛行階段。由於這一階段飛行高度低，所以，對飛機安全的要求也最高，尤其在終端進近時，飛機的所有狀態都必須高精度保持，直到準確地在一個規定的點上接地。對民機着陸，世界上主要有儀表着陸系統（ILS）、微波着陸系統、全球定位系統三種方式。

儀表着陸系統發展比較成熟，但存在着智能提供單一而又固定的下滑道、波束覆蓋區小、多徑干擾嚴重等缺點；微波着陸系統主要優點是導引精度高、比例覆蓋區大，能提供各種進場航線和全天候導引功能，但造價高，地面和記載設備要求高，換裝代價較大，發展受到限制；GPS 是美國軍方研製的衛星導航系統，是繼慣性導航之後，導航技術的又一重大發展，具有全球、全天候定位能力、軍用信號定位精度高、應用範圍廣和相對造價低的優點，但也存在由於受到人為干擾時誤差較大的缺點。

儀表着陸系統

ILS是ICAO在1948年指定的最後進近與着陸的非目視標準設備。是通過地面的無線電導航設備和飛機上的無線電領航儀表配合工作，使飛機在着陸過程中建立一條正確的下滑線，飛行員(或自動飛行系統)根據儀表的信號修正航向、高度和下滑速率，以保持正確的下滑軌跡。

ILS地面設備包括兩部高方向性的發射系統(航向信標發射機和下滑道發射機)以及排列在進近方向的兩部或三部指點信標。通常向駕駛員(和自動飛行系統)提供:

a)從航向信標和下滑道所得到的關於進近航徑的信息;

b)憑藉指點信標得到的沿着進近航徑重要點的距離信息;

c)在飛行最後階段，從進近燈、接地燈與中線燈、跑道燈得到的目視信息。

微波着陸系統

MLS是ILS的改進型，由於ILS的引導信號極易受到其他無線電信號和機場附近的一些高層建築的干擾，甚至跑道附近的飛機和車輛也會導致引導信號的嚴重失真，所以，1970年ICAO批准使用MLS，來克服ILS的一些缺點，並規定最晚至2015年由MLS完全取代ILS。可是衛星導航技術的迅速發展超過了人們的預計，在20世紀90年代初己經看出衛星着陸系統要大大優於微波着陸系統，因而國際民航組織不再積極推薦微波着陸系統，因而它只能在民航中得到有限的應用。 MLS的運行是根據時間基準掃描波原則。電子波束以順時針方向，然後反時針方向往返的方式掃描所覆蓋的服務區域的容積。這種掃描產生方位的角度功能。標高、復飛方位和拉平的引導與信息。在離跑道中心線+40度區域，在標高2度至10度之間，並在距離20與40海里之間的範圍內，提供可使用的導航信息。MLS能夠在能見度為零的情況下進行着陸，與ILS基本上只能提供單一進航徑不同，MLS在較少產生場地和干擾問題的同時，並行覆蓋較廣的區域，因此可以提供一些可能的進近航徑。此外，一體化的DME提供連續的距離信息，因此不象ILS，可以免除了指點的需要。

全球定位系統

全球衛星定位系統（GPS）是一種無線電導航系統。飛機自動着陸導航系統中，設在飛機跑道某點的基準站與飛機相距很近，因而大多數 GPS 誤差源對分別工作在基準站和飛機上的接收機是公共的，可在差分方式中幾乎全部被消除，從而提高系統的性能。

基於差分GPS的進場着陸系統對地面場站無特殊要求，尤其對條件惡劣的野戰機場；系統設備簡單，有很大的經濟效益。它是一種由飛機導出數據的系統，主動進場着陸，其工作容限僅受着陸飛機最小間距的限制。工作覆蓋區大，能引導飛機沿曲線，分段和全方位進場。它可提供多種下滑軌跡，適合各種機型以不同的下滑角度着陸，並可同時導引多架飛機着陸。它與儀表着陸系統和微波着陸系統兼容，互不干擾。飛機自動着陸的過程在飛機最後進場階段，通常採用儀表着陸系統和微波着陸系統。

GPS技術的出現，能提供三維坐標及速度信息。當然，標準GPS服務的誤差為100米量級，不能滿足着陸的要求。差分GPS的出現，使着陸成為可能。且GPS造價低，便于飛機安裝。

通常的着陸過程取決于飛機型號、進場類別或進場精度、飛機上的儀器設備以及地面輔助設備的情況。儀表着陸系統和微波着陸系統可給飛機提供一條基準路徑，它包括方位角、迎角和相對跑道的距離。在飛機上慣性設備可以向飛機提.供姿態、位置和速度的附加數據。在通常的自動着陸系統中，飛機的着陸路徑被控制在能使飛機着地時達到要求的位置和速度精度的一個圓錐形內。

在差分GPS中，是由GPS提供獨立的位置和速度傳感器。差分GPS的作用是:提供差分改正數。它並不為着陸提供任何特定的基準路徑。

飛機在動力飛行和控制時，自動駕駛儀必須具有一條它所追蹤的基準路徑以及最後目標的位置。利用GPS所提供的地心坐標，轉換為當地具體坐標系，由此可方便地設計出任意一條着陸的空間三維基準路線，所以可以採用儀表着陸系統和微波着陸系統中類似的基準路線。

自動着陸技術的發展

全天候着陸技術的發展已經經歷了半個多世紀的時間。由於客觀氣象條件的原因，這項技術首先在英國受到重視，20世紀50年代以後美、法等國家也都積極開展了這方面的研究工作。

英倫三島多霧的天氣促使英國成為最早建立航空工業的國家之一。在第二次世界大戰後的第一個十年裡(大約為1946年~1956年)，以英國皇家飛機公司的盲降實驗機構為代表開始進行自動着陸基本原理方案的探討，在不同類型的飛機上進行了上萬次的自動着陸試驗，重點是改善自動駕駛儀與儀表着陸系統禍合器、無線電高度表及方位引導系統。

1957年~1968年這段時間是全天候着陸系統獲得更大進展並開始付諸實際應用的時期。這一階段的早期工作是集中於多重系統的研製，以解決系統的可靠性問題。因此，飛行控制系統的余度技術首先是伴隨自動着陸系統的研製發展起來的。隨之，在民用飛機方面重點解決了如下幾個方面的問題:

(1)儀表着陸系統作為進場導引系統的合理性及生命力。

(2)低能見度環境下系統工作安全性要求的定量化。

(3)外界干擾(無線電干擾、各種風乾擾)的限制。

(4)使駕駛員和旅客接受自動着陸系統及進行系統的性能考驗、批准和頒發合格程序。