基于 ILS 航向信标导航原理虚拟仿真研究
（中国民航大学 电子信息与自动化创新创业实践基地，天津 300300）摘 要：仪表着陆系统(ILS)，早在 1949 年就被 ICAO 定为飞机标准进近和着陆设备，时至今日，ILS 在保障飞机进近和着陆安全方面起着重要作用，为我国民航强国事业发展奠定基础。本文主要针对研究 ILS 的航向信标系统(LLZ)信号产生和机载设备的接收控制。
关键词：仪表着陆系统、航向信标系统、CSB、SBO、DDM。
1 引言
仪表着陆系统(ILS，Instrument Landing System)是飞机进行精密进近和着陆的国际标准导航系统。在低天气标准或者飞行员无法看到任何目视参考的天气情况下，仪表着陆系统是飞机展开非目视进近以及着陆的重要工具，故通常人们又将其称为盲降。概括来说，ILS 面向着陆过程中的飞机提供着陆引导信息来实现在某些特殊情况之下，无法进行可视操作的时候，比如低能见度或者恶劣天气条件的时候来，实现飞机的安全着陆。具体而言，ILS 依赖地基设备辐射出特定的导航信标给进近以及着落的飞机提供包括距离信息、航向道信息和下滑道信息等引导信息，给飞机安全着陆提供保障。
仪表着陆系统由地基设备和机载设备组成。地面设备可以分为三个部分：VHF 航向信标台(LOC)、UHF 下滑信标台(GS)、两个或三个VHF 指点信标台(MB)组成。航向信标 LOC（108.1~111.95MHz）给进近和着陆的飞机提供水平制导信息，即“飞左”或“飞右”的指令；下滑信标 GS （329.15~335.0MHz）给进近和着陆的飞机提供垂直制导信息，即“飞下”或“飞上”的指令；指点信标外 MB（400Hz）、中 MB（1300Hz)、内 MB（3000Hz）提供飞机的高度信息和距跑道入口处的距离信息，当测距机 DME 代替指点信标时，DME 也可以实现该功能。
本文针对基于 ILS 航向信标系统导航原理和 NM7000 ILS 机柜进行研究，重点研究 CSB、SBO 信号的产生、航向信标的馈电、监视器对信标参数的监视、控制器对信标的控制内容及实现，对整个系统框架有清晰的认识。
2 航向信标系统理论分析
2.1 调制原理
调制原理部分主要包括 CSB 和 SBO 的生成原理。NM7000B 设备实现了全软件调试功能，为实现软件控制无线电的功能，设备采用了正交调制（I/Q 调制）。
正交幅度调制（ QAM，Quadrature Amplitude Modulation）是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式，而且这两个载波通常是相位差为 90°的正弦波，因此被称作正交调制。
1.CSB 信号生成
NM7000B的调制信号是由低频信号板直接生成CSB和SBO的包络信号，在 CSB 通道中，二路输入的 I 信号和 Q 信号相同。其中，I 信号直接对载波调幅，Q 信号对经过 90°相移的载波调幅，I 和 Q 信号调制的载波相位相差 90°——正交。
其中，E 是 I 和 Q 信号的幅度，m 90 是 90Hz 信号的调制度，m 150 是150Hz 信号的调制度。
应用三角函数：
又 I=Q，得
2.SBO 信号生成
SBO 的 I/Q 信号输入与 CSB 的 I/Q 信号不同，为分别输入，I 信号和 Q 信号的幅度（a 和 b）不同。其中，I 信号直接对载波调幅，Q 信号对经过 90°相移的载波调幅，I 和 Q 信号调制的载波相位相差 90°——正交。
其中，E I 、E Q 分别是是 I、Q 信号得幅度，m 90 是 90Hz 信号的调制度，m 150 是 150Hz 信号的调制度。
应用三角函数：
改变 E I 、E Q 的大小差异，使 SBO 的 I 和 Q 信号的幅度产生幅度差，将会改变 SBO 的输出相位，以实现相位调整的目的。在 NM7000B 操作软件中，通过调整 SBO 的 I 和 Q 信号的幅度差，就可以对 SBO 信号的输出相位进行调整，实现软件调相的目的。
2.2 M 型等信号测角法
为了给飞机提供水平引导，航向信标采用的是 M 型等信号测角法。
CSB 信号对天线阵里的所有天线单元同相馈电，产生最大值沿着跑道中心线的单瓣方向性图；SBO 信号则对天线阵中的左右天线单元反向馈电，产生零值辐射点指向跑道中心的两瓣方向性图。除了 CSB 信号和 SBO 信号，航向信标发射机还要生产代表导航台的 Morse 码识别信号。
设航向天线阵对 CSB 信号产生的方向图为 F CSB (θ)，则 LOC 天线阵辐射出去的 CSB 信号为
同理，设航向天线阵对 SBO 信号产生的方向图为 F SBO （θ），则 LOC天线阵辐射出去的 SBO 信号为
设 SBO 信号相对于 CSB 信号相位φ=0，则总辐射信号是上述两个辐射信号的和信号为
不难得出 r T 中 150Hz 和 90Hz 信号调制度里的角度信息，即航向信标产生的 M 型测向信号。令
其中 k 是 SBO 信号相对于 CSB 信号的幅度。从中可知，在辐射范围的某一点，90Hz 调制信号和 150Hz 调制信号的调制度等于发射机调制度和空间调制度的合成。将 150Hz 调制信号的调制度与 90Hz 调制信号的调制度之差定义为 DDM(Difference in Depth of Modulation)，也称为调制深度差。
可见 DDM 是角坐标函数。
机载接收机对接收到的航向信标解调，计算 DDM 来引导飞机飞行。当 DDM=0，满足 M 150 (θ)=M 90 (θ)，即等强度信号方向，飞机位于航向面上；当 DDM>0，此时 M 150 (θ)>M 90 (θ)，150Hz 信号调制度大于90Hz 信号调制度，飞机位于航向面右侧，飞行仪表指示飞机向左飞行；当 DDM<0，此时 M 150 (θ)<M 90 (θ)，150Hz 信号调制度小于 90Hz 信号调制度，飞机位于航向面左侧，飞行仪表指示飞机向右飞行。
3 总结
尽管 ILS 在提供航向频道数量有限、下划线单一和对安装场地要求高、安装费用大等方面暴露出自身的缺点和局限性，但是 ILS 作为国际民航组织（ICAO）标准精密进近着陆设备，全球民用航空现役 ILS地面设备已超过 2000 套。在我国，仪表着陆系统成为民航机场的主要着陆引导保障设备，截止到 2013 年，中国民航共装备 ILS 设备 270 余套，为我国今后民航事业高速发展和民航强国事业奠定了坚实的基础。
注：项目编号：202010059140
中国民航大学大学生创新创业训练计划项目资助
