基于工程經驗的民機儀表著陸系統試飛技術研究

袁沖

摘要：介紹了儀表著陸系統（ILS）在民機領域的應用及特點，整理了適航規章對民機ILS系統的驗證要求，分析了ILS的主要目的。參照已有型號經驗，梳理了民機ILS試飛的構型控制要求、試飛機場條件以及測試改裝要求，提出了ILS系統各功能驗證的試飛方法和試驗數據處理方法，進行了實際應用案例分析，并就民機ILS試飛技術及試飛安排給出了整體性建議。

關鍵詞：儀表著陸系統（ILS）、構型控制、試飛方法、試飛判據、試飛數據處理方法

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

民用飛機進近著陸時對飛機員的要求很高，短時間內要完成諸多操作，特別是在機場區域處于陰天、霧、云低飛、雨天及夜間等低能見度氣象條件下，飛行員的準確操作就愈加困難，危險性也愈大[1]。據統計，大約50%的民機事故發生在進近著陸階段，而且大部分民航機場的氣象條件不能滿足目視著陸水平能見度大于4.8km、云底高不小于300m的要求，因此民機必須裝載兩套儀表著陸系統。

60多年前，國際民航組織（ICAO）將儀表著陸系統（Instrument Landing System，簡稱ILS）確定為飛機標準進近和著陸設備，也是國內民航標準著陸系統，始終在民航發揮著重要作用[2-3]。本文結合ARJ21-700飛機、C919飛機研制經驗，參照AC25-7A等適航相關要求，對民用運輸類飛機ILS試飛技術進行了研究。

1ILS概述

ILS是民機導航系統的重要組成部分。通常，民機的導航系統需配置全靜壓和溫度敏感系統、兩套大氣數據計算系統、兩套姿態與航向基準系統、兩套指點信標、兩套儀表著陸系統、一套氣象雷達（RTA-848）、兩套無線電高度表、一套地形提示和警告系統、一套交通告警和防撞系統、兩套伏爾、兩套測距器、一套自動定向儀、兩套空中交通管制、兩套全球定位系統和一套飛行管理系統[4-6]。

其中指點信標、儀表著陸系統和甚高頻全向信標可以統稱為甚高頻導航。指點信標接收機接收飛機進場時信標臺信號，為機組提供視覺和音響指示。儀表著陸系統接收機接收航向信標和下滑信標地面臺無線電波束信號，引導飛機按預定著陸軌跡安全降落。甚高頻全向信標接收并處理地面臺來的方位信號，與測距設備配合，實現近程導航。

2 ?適航要求

ILS 試飛是民用運輸類飛機獲取型號合格證前必須開展的一項重要飛行試驗[7]，依據CCAR25部要求，需對不同飛機構型及飛行動作下的ILS指引信號（方位、下滑）的正確性進行檢查和驗證。

CCAR-25-R4規定了與儀表著陸系統有關的適航條款，包括§25.1301（d）（4）、§25.1307（e）、§25.1309（a）、§25.1431（c），除需進行專項的審定試飛外，還需在功能和可靠性試飛中進行檢查，具體條款要求見表1[8-10]。

結合ARJ21-700飛機、C919飛機的適航試飛經驗，ILS的試飛目的可歸納為以下幾點：

（1）評估進場階段航向信標接收情況;

（2）評估進場過程航向截獲能力;

（3）評估進場過程航向跟蹤能力;

（4）評估進場階段下滑信標全向性;

（5）評估進場階段下滑信標的截獲能力;

（6）評估進場階段下滑信標的跟蹤性能;

（7）飛機飛行過程中電磁兼容性的驗證。

3構型及機場要求

3.1 ?構型管控

試飛前需保證飛機的儀表著陸（ILS）、指點信標（MB）、甚高頻全向信標（VOR）、自動定向儀（ADF）、飛行管理系統（FMS）及地形提示和警告（TAWS）等系統功能正常，并完成各系統的MOC5試驗且符合適航要求，與之交聯的大氣數據系統、全球定位系統、慣性基準系統、無線電接口裝置、測距器、電子飛行儀表等系統需功能正常，滿足飛機設計要求。

3.2 ?機場條件

進行ILS試飛的機場需滿足以下基本條件：

（1）機場的地形信息需包含在TAWS的地形數據庫中，導航信息需包含在導航數據庫中。

（2）機場具備特定的導航設備，且均經過民航部門校驗，例如指點信標、NDB、VOR/DME、LOC和GS地面臺。

4 ?試飛技術分析

4.1 ?測試改裝

進行ILS試飛的試飛機需從系統總線抽引數據、加裝DGPS，加裝PFD視頻記錄設備，具體如下。

（1）加裝傳感器：高精度差分GPS。

（2）抽引信號：飛管系統從IOC設備上抽引總線信號，ADF抽引左右甚高頻導航輸出的總線各一條，左無線電高度表總線一條，左大氣數據計算機總線一條，地形提示和告警總線一條等。

測試參數主要包括氣壓高度、無線電高度、垂直速度、偏航距離、垂直偏差、經緯度、航向角、俯仰角、橫滾角等。

4.2 ?試飛方法

ILS試飛需進行航向信標、下滑信標、指點信標、電磁兼容性等試飛科目。

4.2.1航向信標

（1）航向接收性。在距離航向臺至少25n mile處，飛機以2000ft高度按相對方位間隔45°的8個航向上飛經地標點，過點時壓坡度10°，檢查航向信標接收情況。從距離航向臺至少25n mile處，飛機沿跑道中心線延長線正常進場，截獲航向信標后，向左（右）壓坡度30°轉彎，直到航向偏離跑道中心線60°，改坡度為15°繼續轉彎，直到航向偏離跑道中心線90°，改坡度為10°繼續轉彎，直到航向偏離跑道中心線180°為止，檢查航向信標接收情況。

（2）航向信標截獲。在距離航向臺至少25n mile處，飛機以相對于跑道中心延長線至少50°的航向飛向跑道中心線，從跑道中心延長線左、右各進入一次[11]，檢查航向信標接收情況。

（3）航向信標跟蹤。沿跑道中心延長線歸航飛行，在距外指點信標臺5mile以內，改變飛行航向，直到航向指示滿偏，然后使飛機重新飛回航道區并向航向臺飛行，直到飛越航向臺。

4.2.2下滑信標

（1）下滑接收性。飛機以與跑道延長線成10°、20°、30°的3個航向上飛經跑道延長線上距最后進近點（FAF）點10n mile處的一點，檢查下滑信標接收情況。從跑道延長線左、右各執行一次。

（2）下滑信標截獲。飛機沿跑道中心延長線上距FAF點10n mile處開始歸航飛行，高度為FAF點處下滑道高度，直至飛越下滑臺。

（3）下滑信標跟蹤。操縱飛機跟蹤下滑信標，引導飛行至機場跑道入口處上空（高度<100ft）。

4.2.3指點信標

飛機分別在高/低靈敏度模式下，以150kn地速、1000ft高度（AGL）飛越機場指點信標臺上空，飛越過程中檢查指點信標接收機的聽覺和視覺指示以及持續時間是否正常。

4.2.4 電磁兼容（EMC）

檢查機上儀表著陸系統是否干擾其他設備或被其他設備干擾。

4.3 ?數據處理方法

飛機偏離基準下滑道角度以及偏離跑道中心線角度計算方法如下。

第一步，將地面LOC臺站以及載機實時位置的WGS-84坐標轉換為空間直角坐標，計算公式見（1）。

式（2）中lon0、lat0為載機實時經度和緯度。X0，Y0，Z0;X，Y，Z 分別為載機實時位置和臺站位置對應的空間直角坐標。XX，YY，ZZ為載機相對于地面臺站的地平坐標值。

第三步，通過式（3）計算得到載機偏離跑道中心線基準角度。

LOC_BEAR = atan（YY/XX）+180-56 ? （3）

式（3）中XX、YY為由式2計算得到的地平坐標值，LOC_BEAR為載機偏離跑道中心線基準角度。

使用式（1）至式（2）規定的方法計算，得到飛機相對于GS地面臺的地平坐標值，并使用（4）計算載機到達GS地面臺的距離。

RANGE = （4）

使用式（5）計算得到載機偏離下滑道的基準角度。

GS_BEAR =asin（ZZ/（RANGE*1000））

*180/3.1415926-3 ?（5）

4.4 ?試飛判據

ILS試飛過程中，沒有紅色警告旗出現，能保持接收地面臺的ID，航向偏差、下滑道偏差讀出正確，機動飛行期間航向偏差變化、下滑道偏差變化平滑。

在航向信號接收全向性試飛中，應正確指示航向偏差，且連續有效，無航向信標告警指示。

在航向截獲試飛中，航向偏差指示在從滿偏到指零的過程中應連續有效，在信號覆蓋范圍內不應出現告警指示。

在航向跟蹤試飛中，航向偏差指示應正確的引導飛機回航道，無航向信標告警指示。

在下滑信標接收全向性中，下滑偏差指示應連續有效，當載機飛行高度高于或低于下滑道時能將飛機引導回下滑道，在信號覆蓋范圍之內不應出現告警指示。

在下滑信標跟蹤試飛中，當下滑偏差指示從正滿偏到負滿偏變化的過程中，應無任何告警指示出現，下滑偏差指示連續有效。

在電磁兼容性試飛中，儀表著陸系統與機上其它設備/系統之間無相互干擾現象。

指點信標接收機的聽覺和視覺指示正常，過臺指示燈應持續點亮8～12s，指點信標接收機與機上其他設備之間無相互干擾。

試飛員依據以上判據，評定試飛結果是否可以接受，即ILS試飛結果是否符合適航條款要求。

5應用分析

ILS試飛安全風險較低，一般安排2架次/4h飛行，可在兩架試飛機上進行。某型新研民用飛機基于上述方法完成了ILS適航審定試飛，試飛過程和試飛結果滿足適航規章要求。

以航向信號接受性為例，試驗機以高度Hi=600m，分別以磁航向ψM=32°、77°、122°、167°、-148°、-103°、-58°、-13°飛經跑道延長線上某點（距航向臺約25nm），過點時壓坡度-10°。

依據飛行員評述，在整個飛行過程中，航向偏差指示無告警旗出現，航向偏差指示正常。飛機沿跑道中心延長線正常進場，截獲航向信標后，向左壓坡度30°轉彎，直到航向偏離跑道中心線60°，改坡度為15°繼續轉彎，直到航向偏離跑道中心線90°，改坡度為10°繼續轉彎，直到航向偏離跑道中心線180°止，檢查航向信標接收情況。整個飛行過程中，航向偏差指示無告警旗出現，航向偏差指示正常。飛行期間航向偏差DDM值、試驗機偏離跑道中心線角度與試驗機滾轉角變化對比見圖5，可見整個飛行過程中ILS輸出的航向偏差連續，無丟失情況。

6結論

（1）CCAR25適航規章注重對ILS系統的功能性、可靠性及電磁兼容性的驗證，除表明ILS系統本身的適航性外，申請人需通過裝載兩套ILS的設計方案以及真實的飛行試驗表明條款符合性。

（2）進行ILS試飛前，飛機需滿足構型要求，包括完成測試改裝工作，以記錄完備的飛行數據和系統測試數據，且數據有效。

（3）ILS試飛對試飛機場設備具有一定要求，無特殊氣象條件要求。建議申請人梳理需要民用機場資源設備的試飛科目，進行打包試飛，減少試飛架次。

（4）建議綜合考慮試飛空域限制、轉彎半徑和高空風速帶來的影響，合理安排飛行計劃，后期數據處理的計算方法需與局方達成一致。

（5）ILS試飛方法危險性不高，建議在飛機構型滿足條件的情況下，直接進行局方試飛，減少試飛工作量。

參考文獻

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