自動著陸控制:背景,自動著陸控制套用,在飛機的套用,在無人機的套用,分類,儀表著陸

自動著陸控制（Automatic landing control）是指自動控制無人機著陸過程的控制。在航空領域，自動著陸（autoland）是指由機載自動飛行系統完全控制航空器，進行著陸飛行的過程。此時航空器駕駛員只是監視飛行狀態，在出現異常時才進行人工干預。

基本介紹

中文名：自動著陸控制
外文名：Automatic landing control
套用：無人機
涉及學科：信息科學
屬於：自動化
過程：著陸

背景,自動著陸控制套用,在飛機的套用,在無人機的套用,分類,儀表著陸控制,微波著陸控制,全球定位控制,使用和限制,自動著陸控制技術的發展,無人機自動著陸總體方案,定位系統—下滑波束導引系統,定向系統—航向波束導引系統,定高系統—高精度高度保持系統,

背景

飛行控制的最終目的是控制飛行器以規定的精度保持或跟蹤預定的飛行軌跡。控制飛行器運動軌跡的系統稱為制導系統，它是在角運動控制系統的基礎上形成的，其內迴路是姿態角控制系統。

自動著陸控制系統是由地面導引設備和機載制導設備兩部分組成。地面導引設備包括下滑導引設備、方位導引設備、測距設備，以及拉平引導和滑跑專用引導設備。它們可以為飛機提供無線電波束導引服務，具體地說，為飛行控制系統提供縱向偏差角(r)信號和側向偏差角(λ)信號。

國際民航組織(ICAO)按能見度條件將飛機進近著陸劃分為三個等級，其中第III類標準的精度要求為:

決斷高度(DH): 15m
水平定位精度:4m
垂直定位精度:0.5m

根據國內外資料，目前無線電波束導引系統的研製和設計都能滿足第III類標準的精度要求。

自動著陸控制套用

在飛機的套用

自從飛機問世以來很長一段時間，飛機的進近和著陸都是依靠駕駛員的目視操作完成。隨著飛機速度的提高，體積的增大，駕駛員目視操作著陸越來越難。尤其對於現代的大型民航客機而言，要實現飛機的安全、準確地進近和著陸，必須依靠一套非常精確的著陸引導系統的幫助。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著陸的飛行軌跡，引導飛機安全的降落在跑道上，實現飛機著陸自動控制。

在無人機的套用

無人機自主起飛和著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。起飛相對於著陸來說更簡單，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，通過較簡單程式控制就可以實現起飛，對系統的自主性沒有太大的要求;而著陸階段則比較複雜，需要無人機具有高精度自主定位導航、魯棒著陸軌跡跟蹤能力。據統計，由於無人機在著陸時，操縱複雜，地面干擾因素多，因此發生事故的機率比正常飛行時高出好幾倍。

分類

民機的進近著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。對民機著陸，目前世界上主要有儀表著陸系統（ILS）、微波著陸系統、全球定位系統三種方式。

儀表著陸系統目前發展比較成熟，但存在著智慧型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；微波著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、套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。

儀表著陸控制

ILS是ICAO在1948年指定的最後進近與著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，使飛機在著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著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。

微波著陸控制

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著陸系統要大大優於微波著陸系統，因而國際民航組織現在不再積極推薦微波著陸系統，因而它只能在民航中得到有限的套用。
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著陸，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，因此不象現在的ILS，可以免除了指點的需要。

全球定位控制

全球衛星定位系統（GPS）是一種無線電導航系統。飛機自動著陸導航系統中，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的進場著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，主動進場著陸，其工作容限僅受著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著陸，並可同時導引多架飛機著陸。它與儀表著陸系統和微波著陸系統兼容，互不干擾。飛機自動著陸的過程在飛機最後進場階段，通常採用儀表著陸系統和微波著陸系統。

GPS技術的出現，能提供三維坐標及速度信息。當然，目前標準GPS服務的誤差為100米量級，不能滿足著陸的要求。差分GPS的出現，使著陸成為可能。且GPS造價低，便於飛機安裝。
通常的著陸過程取決於飛機型號、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。儀表著陸系統和微波著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。在通常的自動著陸系統中，飛機的著陸路徑被控制在能使飛機著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感測器。差分GPS的作用是:提供差分改正數。它並不為著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著陸的空間三維基準路線，所以可以採用儀表著陸系統和微波著陸系統中類似的基準路線。

使用和限制

自動著陸並不是所有情況也可以使用，以747-400客機為例，手冊寫到使用自動降落最多逆風是25海里，最大順風是10海里，最大側風是25海里。除此之外，還要引擎反推，自動煞車和自動減速板運作正常，超出了任何一個限制機上的電腦是不會允許進入自動降落的操作。同時，飛機要進行自動降落也要機場有一定的設備支持:

跑道需要配備儀器降落系統(ILS Instrument Landing System)
跑道摩擦係數滿足要求
能夠保障對有關設備持續供電

自動著陸控制技術的發展

全天候著陸控制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里(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著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著陸控制試驗，重點是改善自動駕駛儀與儀表著陸系統禍合器、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著陸系統獲得更大進展並開始付諸實際套用的時期。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著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)儀表著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著陸系統及進行系統的性能考驗、批准和頒發合格程式。

無人機自動著陸總體方案

主要參照有人駕駛飛機自動著陸的原理和設備方案，在此基礎上進行改進，使方案更加適合無人機的自動著陸要求。對有人駕駛飛機，特別是民航客機自動著陸的地面機載設備就更加繁雜，也需要更多的資金投入。更主要的是這種複雜系統並不適合無人機的自動著陸。所以，方案一是在有人駕駛飛機自動著陸技術的基礎上提出的一種改型方案。

自動著陸系統是一個以儀表著陸系統為基礎的無人機自動起降定位感測器平台。無人機自動起降定位感測器包括:信標定位收發系統、信標定向收發系統、雷射高度感測器、空速感測器和升降速度感測器等。

無人機自動起降定位感測器的功能與指針：

(1)控制無人機按預定的軌跡起飛，監控離陸速度v並保證越過障礙物的高度大於巧米。

(2)無人機自動起降定位感測器的機載設備檢測無人機著陸時在方位角、高低角和高度的動態數據。

(3)信標定位傳送系統產生無人機下滑時的基準信號，在機載信標定位接收系統內把接收到的信標信號和等強度的基準信號進行比較，並把偏差信號傳給飛行控制系統來修正偏差。沿下滑軌跡，標準下滑軌跡角與無人機實際軌跡角偏差的均方值應小於1°。

(4)信標定向傳送系統產生無人機下滑及著陸時沿跑道中心線的基準信號，在信標定向接收系統內同樣產生誤差信號，由飛行控制系統來修正偏差。下滑時沿跑道中心線角度偏差的均方值，應小於0.5°。

(5)無人機自動起降定位感測器採用無線電(或雷射)高度表檢測無人機著陸時距離跑道的高度，並用飛行控制系統來修正偏差。無人機在著陸拉平階段的高度偏差應小於0.5米。

用於無人機自動起降定位感測器的地面站信標傳送設備配置圖如圖所示。

由圖可知地面站系統與有人機的配置相近。定向(方向)信標傳送機產生無人機下滑時，沿跑道方向的標準軌跡信號。定向信標傳送機的配置是沿跑道中心線並與跑道終點保持一定距離。

定位(下滑)信標傳送機產生無人機下滑軌跡的標準信號。定位信標傳送機的配置是在跑道著陸始點處與跑道保持一定距離。

定位系統—下滑波束導引系統

定位信標傳送系統是在地面產生標準的下滑軌跡信號，如圖。

定位(下滑)信標是在同一無線電信號波段採用兩種調幅波(如:150Hz和SOHz)進行調幅。為了減小干擾影響，定位信標往往採用2~3種載頻信號。在兩種波束的相交處形成等強度信號區，等強度信號區與地平面的夾角即形成標準軌跡下滑角

。

定位接收系統包括:信標接收機和禍合器組成機載設備。當無人機著陸下滑時如下滑軌跡角

，則禍合器產生正向偏差信號時則產生反向偏差信號。最後定位信號接收機把偏差信號傳輸給飛行控制系統修正誤差，使無人機沿標準波束導引角著陸。

定向系統—航向波束導引系統

定向信標傳送系統是在地面產生無人機下滑時沿跑道方向的標準軌跡信號如圖所示。

如圖所示，定向(方向)信標是在同一無線電信號波段沿跑道中線兩側採用同一種頻率(如:60Hz )調幅波進行調幅。所不同的是兩側的包絡線相差1800即形成可變相位場。這樣就決定了沿跑道的軸線方向信號強度為零。

此外定向傳送系統同時又發射一個無方向性的信號—稱為不變相位場。其信號特點是被某一信號(如10 kHz )調幅，同時又被60Hz信號調頻。

兩種信號場作用的結果是:沿跑道中線在一定範圍內(小於10，左右各o.s0 )只有不變相位場等強度信號。偏離這一範圍如左偏則信號增強;右偏則信號減弱，既反映對跑道中線的偏差。

定向接收系統包括:信標接收機和禍合器組成機載設備。當無人機著陸下滑時如相對跑道中心線的偏角，則接收機接收不變相位場和可變相位場兩種信號，禍合器產生正向偏差信號；則產生反向偏差信號。最後定向信號接收機把偏差信號傳輸給飛行控制系統修正誤差，使無人機沿跑道中心線標準軌跡下滑著陸。

定高系統—高精度高度保持系統

定高系統始終成為自動著陸系統的關鍵技術。這是因為精密檢測並保持低高度關係到自動著陸的成敗。當前滿足指標要求的高度表，國內、外都有所生產。在國內例如:782廠生產的低空高度表(0}30m)精度可以達到0.6m(大於100m時為士2%)，且有多種接口提供數字輸出信號。

美國的雷神(Raytheon)公司研製的“聯合精密進場和著陸系統(JPALS ) "是當前最高的定位系統。測距精度小於lm;垂直精度為0.3m，遠大於國際民航組織III級自動著陸的要求。這個系統己於2001年11月在美國海軍試飛成功。JPALS的特點在於是感測器的綜合運用，是聯合GPS、雙路數據鏈以及計算機技術的綜合套用。

鑒於國內的實際情況，參考國外的先進技術經驗，本課題首選國產高度表:另一方案是採用“內基線”方法的雷射高度感測器方案。由於雷射的高亮度、高定向性和高單色性，在技術套用領域要遠比光學和紅外的精度高、範圍廣。雷射測距的絕對精度可以達到1.1 mm的量級。

雷射測距的原理可分為相位法和脈衝法兩種方法。具體原理內容己超出本課題研究範圍，下面只說明採用雷射測距原理在檢測高度中的套用方案。

自動著陸控制