[科普中国]-自动着陆控制

飞行控制的最终目的是控制飞行器以规定的精度保持或跟踪预定的飞行轨迹。控制飞行器运动轨迹的系统称为制导系统，它是在角运动控制系统的基础上形成的，其内回路是姿态角控制系统。

自动着陆控制系统是由地面导引设备和机载制导设备两部分组成。地面导引设备包括下滑导引设备、方位导引设备、测距设备，以及拉平引导和滑跑专用引导设备。它们可以为飞机提供无线电波束导引服务，具体地说，为飞行控制系统提供纵向偏差角(r)信号和侧向偏差角(λ)信号。1

国际民航组织(ICAO)按能见度条件将飞机进近着陆划分为三个等级，其中第III类标准的精度要求为:

决断高度(DH): 15m

水平定位精度:4m

垂直定位精度:0.5m

根据国内外资料，目前无线电波束导引系统的研制和设计都能满足第III类标准的精度要求。

自从飞机问世以来很长一段时间，飞机的进近和着陆都是依靠驾驶员的目视操作完成。随着飞机速度的提高，体积的增大，驾驶员目视操作着陆越来越难。尤其对于现代的大型民航客机而言，要实现飞机的安全、准确地进近和着陆，必须依靠一套非常精确的着陆引导系统的帮助。这套系统包括飞机上安装的信号接受设备和机场安装的引导信号发射装置。正是这些引导系统的存在，才使得现代民航客机在极低的能见度下实现安全降落成为可能，当然，也正是这些引导信号为飞机自动飞行系统提供了正确的进近和着陆的飞行轨迹，引导飞机安全的降落在跑道上，实现飞机着陆自动控制。2

无人机自主起飞和着陆作为自主控制关键技术中的一个重要内容，它是实现无人机的回收和重复使用的前提。根据作战性能要求，无人机具有多架次同时起降，机场靠近战斗前沿等特点，因此要求无人机能够在无固定跑道或短距离跑道的小型机场上起飞，使用带起落架的短距或垂直起降方式。起飞相对于着陆来说更简单，主要包括加速滑跑和离地爬升两个阶段，当起飞条件满足时，通过较简单程序控制就可以实现起飞，对系统的自主性没有太大的要求;而着陆阶段则比较复杂，需要无人机具有高精度自主定位导航、鲁棒着陆轨迹跟踪能力。据统计，由于无人机在着陆时，操纵复杂，地面干扰因素多，因此发生事故的概率比正常飞行时高出好几倍。3

民机的进近着陆阶段是事故多发阶段，也是最复杂的飞行阶段。由于这一阶段飞行高度低，所以，对飞机安全的要求也最高，尤其在终端进近时，飞机的所有状态都必须高精度保持，直到准确地在一个规定的点上接地。对民机着陆，目前世界上主要有仪表着陆系统（ILS）、微波着陆系统、全球定位系统三种方式。

仪表着陆系统目前发展比较成熟，但存在着智能提供单一而又固定的下滑道、波束覆盖区小、多径干扰严重等缺点；微波着陆系统主要优点是导引精度高、比例覆盖区大，能提供各种进场航线和全天候导引功能，但造价高，地面和记载设备要求高，换装代价较大，发展受到限制；GPS是美国军方研制的卫星导航系统，是继惯性导航之后，导航技术的又一重大发展，具有全球、全天候定位能力、军用信号定位精度高、应用范围广和相对造价低的优点，但也存在由于受到人为干扰时误差较大的缺点。

ILS是ICAO在1948年指定的最后进近与着陆的非目视标准设备。是通过地面的无线电导航设备和飞机上的无线电领航仪表配合工作，使飞机在着陆过程中建立一条正确的下滑线，飞行员(或自动飞行系统)根据仪表的信号修正航向、高度和下滑速率，以保持正确的下滑轨迹。
　　ILS地面设备包括两部高方向性的发射系统(航向信标发射机和下滑道发射机)以及排列在进近方向的两部或三部指点信标。通常向驾驶员(和自动飞行系统)提供:

a)从航向信标和下滑道所得到的关于进近航径的信息;
　　b)凭借指点信标得到的沿着进近航径重要点的距离信息;
　　c)在飞行最后阶段，从进近灯、接地灯与中线灯、跑道灯得到的目视信息。4

MLS是ILS的改进型，由于ILS的引导信号极易受到其他无线电信号和机场附近的一些高层建筑的干扰，甚至跑道附近的飞机和车辆也会导致引导信号的严重失真，所以，1970年ICAO批准使用MLS，来克服ILS的一些缺点，并规定最晚至2015年由MLS完全取代ILS。可是卫星导航技术的迅速发展超过了人们的预计，在20世纪90年代初己经看出卫星着陆系统要大大优于微波着陆系统，因而国际民航组织现在不再积极推荐微波着陆系统，因而它只能在民航中得到有限的应用。
　　MLS的运行是根据时间基准扫描波原则。电子波束以顺时针方向，然后反时针方向往返的方式扫描所覆盖的服务区域的容积。这种扫描产生方位的角度功能。标高、复飞方位和拉平的引导与信息。在离跑道中心线+40度区域，在标高2度至10度之间，并在距离20与40海里之间的范围内，提供可使用的导航信息。MLS能够在能见度为零的情况下进行着陆，与ILS基本上只能提供单一进航径不同，MLS在较少产生场地和干扰问题的同时，并行覆盖较广的区域，因此可以提供一些可能的进近航径。此外，一体化的DME提供连续的距离信息，因此不象现在的ILS，可以免除了指点的需要。

全球卫星定位系统（GPS）是一种无线电导航系统。飞机自动着陆导航系统中，设在飞机跑道某点的基准站与飞机相距很近，因而大多数 GPS 误差源对分别工作在基准站和飞机上的接收机是公共的，可在差分方式中几乎全部被消除，从而提高系统的性能。5

基于差分GPS的进场着陆系统对地面场站无特殊要求，尤其对条件恶劣的野战机场；系统设备简单，有很大的经济效益。它是一种由飞机导出数据的系统，主动进场着陆，其工作容限仅受着陆飞机最小间距的限制。工作覆盖区大，能引导飞机沿曲线，分段和全方位进场。它可提供多种下滑轨迹，适合各种机型以不同的下滑角度着陆，并可同时导引多架飞机着陆。它与仪表着陆系统和微波着陆系统兼容，互不干扰。飞机自动着陆的过程在飞机最后进场阶段，通常采用仪表着陆系统和微波着陆系统。

GPS技术的出现，能提供三维坐标及速度信息。当然，目前标准GPS服务的误差为100米量级，不能满足着陆的要求。差分GPS的出现，使着陆成为可能。且GPS造价低，便于飞机安装。
　　通常的着陆过程取决于飞机型号、进场类别或进场精度、飞机上的仪器设备以及地面辅助设备的情况。仪表着陆系统和微波着陆系统可给飞机提供一条基准路径，它包括方位角、迎角和相对跑道的距离。在飞机上惯性设备可以向飞机提.供姿态、位置和速度的附加数据。在通常的自动着陆系统中，飞机的着陆路径被控制在能使飞机着地时达到要求的位置和速度精度的一个圆锥形内。
　　在差分GPS中，是由GPS提供独立的位置和速度传感器。差分GPS的作用是:提供差分改正数。它并不为着陆提供任何特定的基准路径。

飞机在动力飞行和控制时，自动驾驶仪必须具有一条它所追踪的基准路径以及最后目标的位置。利用GPS所提供的地心坐标，转换为当地具体坐标系，由此可方便地设计出任意一条着陆的空间三维基准路线，所以可以采用仪表着陆系统和微波着陆系统中类似的基准路线。

自动着陆并不是所有情况也可以使用，以747-400客机为例，手册写到使用自动降落最多逆风是25海里，最大顺风是10海里，最大侧风是25海里。除此之外，还要引擎反推，自动煞车和自动减速板运作正常，超出了任何一个限制机上的电脑是不会允许进入自动降落的操作。 同时，飞机要进行自动降落也要机场有一定的设备支持:

跑道需要配备仪器降落系统(ILS Instrument Landing System)

跑道摩擦系数满足要求

能够保障对有关设备持续供电

全天候着陆控制技术的发展已经经历了半个多世纪的时间。由于客观气象条件的原因，这项技术首先在英国受到重视，20世纪50年代以后美、法等国家也都积极开展了这方面的研究工作。
　　英伦三岛多雾的天气促使英国成为最早建立航空工业的国家之一。在第二次世界大战后的第一个十年里(大约为1946年~1956年)，以英国皇家飞机公司的盲降实验机构为代表开始进行自动着陆基本原理方案的探讨，在不同类型的飞机上进行了上万次的自动着陆控制试验，重点是改善自动驾驶仪与仪表着陆系统祸合器、无线电高度表及方位引导系统。
　　1957年~1968年这段时间是全天候着陆系统获得更大进展并开始付诸实际应用的时期。这一阶段的早期工作是集中于多重系统的研制，以解决系统的可靠性问题。因此，飞行控制系统的余度技术首先是伴随自动着陆系统的研制发展起来的。随之，在民用飞机方面重点解决了如下几个方面的问题:

(1)仪表着陆系统作为进场导引系统的合理性及生命力。
　　(2)低能见度环境下系统工作安全性要求的定量化。
　　(3)外界干扰(无线电干扰、各种风干扰)的限制。
　　(4)使驾驶员和旅客接受自动着陆系统及进行系统的性能考验、批准和颁发合格程序。

主要参照有人驾驶飞机自动着陆的原理和设备方案，在此基础上进行改进，使方案更加适合无人机的自动着陆要求。对有人驾驶飞机，特别是民航客机自动着陆的地面机载设备就更加繁杂，也需要更多的资金投入。更主要的是这种复杂系统并不适合无人机的自动着陆。所以，方案一是在有人驾驶飞机自动着陆技术的基础上提出的一种改型方案。6

自动着陆系统是一个以仪表着陆系统为基础的无人机自动起降定位传感器平台。无人机自动起降定位传感器包括:信标定位收发系统、信标定向收发系统、激光高度传感器、空速传感器和升降速度传感器等。

无人机自动起降定位传感器的功能与指针：

(1)控制无人机按预定的轨迹起飞，监控离陆速度v并保证越过障碍物的高度大于巧米。

(2)无人机自动起降定位传感器的机载设备检测无人机着陆时在方位角、高低角和高度的动态数据。

(3)信标定位发送系统产生无人机下滑时的基准信号，在机载信标定位接收系统内把接收到的信标信号和等强度的基准信号进行比较，并把偏差信号传给飞行控制系统来修正偏差。沿下滑轨迹，标准下滑轨迹角与无人机实际轨迹角偏差的均方值应小于1°。

(4)信标定向发送系统产生无人机下滑及着陆时沿跑道中心线的基准信号，在信标定向接收系统内同样产生误差信号，由飞行控制系统来修正偏差。下滑时沿跑道中心线角度偏差的均方值，应小于0.5°。

(5)无人机自动起降定位传感器采用无线电(或激光)高度表检测无人机着陆时距离跑道的高度，并用飞行控制系统来修正偏差。无人机在着陆拉平阶段的高度偏差应小于0.5米。

用于无人机自动起降定位传感器的地面站信标发送设备配置图如图所示。

由图可知地面站系统与有人机的配置相近。定向(方向)信标发送机产生无人机下滑时，沿跑道方向的标准轨迹信号。定向信标发送机的配置是沿跑道中心线并与跑道终点保持一定距离。

定位(下滑)信标发送机产生无人机下滑轨迹的标准信号。定位信标发送机的配置是在跑道着陆始点处与跑道保持一定距离。

定位信标发送系统是在地面产生标准的下滑轨迹信号，如图。

定位(下滑)信标是在同一无线电信号波段采用两种调幅波(如:150Hz和SOHz)进行调幅。为了减小干扰影响，定位信标往往采用2~3种载频信号。在两种波束的相交处形成等强度信号区，等强度信号区与地平面的夹角即形成标准轨迹下滑角。

定位接收系统包括:信标接收机和祸合器组成机载设备。当无人机着陆下滑时如下滑轨迹角 > ，则祸合器产生正向偏差信号时则产生反向偏差信号。最后定位信号接收机把偏差信号传输给飞行控制系统修正误差，使无人机沿标准波束导引角着陆。

定向信标发送系统是在地面产生无人机下滑时沿跑道方向的标准轨迹信号如图所示。

如图所示，定向(方向)信标是在同一无线电信号波段沿跑道中线两侧采用同一种频率(如:60Hz )调幅波进行调幅。所不同的是两侧的包络线相差1800即形成可变相位场。这样就决定了沿跑道的轴线方向信号强度为零。

此外定向发送系统同时又发射一个无方向性的信号—称为不变相位场。其信号特点是被某一信号(如10 kHz )调幅，同时又被60Hz信号调频。

两种信号场作用的结果是:沿跑道中线在一定范围内(小于10，左右各o.s0 )只有不变相位场等强度信号。偏离这一范围如左偏则信号增强;右偏则信号减弱，既反映对跑道中线的偏差。

定向接收系统包括:信标接收机和祸合器组成机载设备。当无人机着陆下滑时如相对跑道中心线的偏角，则接收机接收不变相位场和可变相位场两种信号，祸合器产生正向偏差信号；则产生反向偏差信号。最后定向信号接收机把偏差信号传输给飞行控制系统修正误差，使无人机沿跑道中心线标准轨迹下滑着陆。

定高系统始终成为自动着陆系统的关键技术。这是因为精密检测并保持低高度关系到自动着陆的成败。当前满足指标要求的高度表，国内、外都有所生产。在国内例如:782厂生产的低空高度表(0}30m)精度可以达到0.6m(大于100m时为士2%)，且有多种接口提供数字输出信号。

美国的雷神(Raytheon)公司研制的“联合精密进场和着陆系统(JPALS ) "是当前最高的定位系统。测距精度小于lm;垂直精度为0.3m，远大于国际民航组织III级自动着陆的要求。这个系统己于2001年11月在美国海军试飞成功。JPALS的特点在于是传感器的综合运用，是联合GPS、双路数据链以及计算机技术的综合应用。

鉴于国内的实际情况，参考国外的先进技术经验，本课题首选国产高度表:另一方案是采用“内基线”方法的激光高度传感器方案。由于激光的高亮度、高定向性和高单色性，在技术应用领域要远比光学和红外的精度高、范围广。激光测距的绝对精度可以达到1.1 mm的量级。

激光测距的原理可分为相位法和脉冲法两种方法。具体原理内容己超出本课题研究范围，下面只说明采用激光测距原理在检测高度中的应用方案。