DME原理介绍剖析

DME原理介绍剖析
测距机
距离测量设备是的缩写，是国际民航组织批准的近程导航系统之一，它由机载询问器和地面应答器组成通过测量脉冲信号的发射和接受时差而获得飞机到地面台的斜距当飞机的飞行高度远小于到台的斜距时，可将测得的斜距视作飞机到地面台的平距
询问机发射的脉冲对间隔是随机的，每架飞机使用的脉冲对间隔不一样，才能彼此有别，在同一空域有几架飞机使用各自的系统时，使飞机能识别自己发射的询问信号同时，每个地面台都能周期性地用摩尔斯码，以Hz发射该台的识别字母，使飞机可以确认哪个地面台是它的询问对象
地面台总与地面台或地面台靠在一起，当在电子飞行仪表系统控制面板上选定方式时，的频率与频率一起调谐；当在控制面板上选定方式时，频率与频率一起调谐但在控制面板上选定和方式时，频率是由飞机管理计算机提供的
距离的显示可以在无线电远距磁显示器上，也可以在上，距离>=海里时，显示可以精确到1海里距离<海里时，距离显示可以精确到十分之一海里系统有故障，显示为空白，距离超出允许显示范围，或无计算数据，显示为虚线选定或方式，距离在上显示，但选定和方式时，上显示的是根据飞行管理计算机来的待飞距离，而不是距离一．系统的组成
系统是一种询问——应答式脉冲测距系统，由机载设备和地面设备组成，见图1
系统
机载设备地面设备
询问器控制盒距离显示器天线
应答器监视器控制单元机内测试设备天线、电键器
系统的组成图1
(1) 系统地面设备
系统地面设备由应答器、监视器、控制单元、机内测试设备、天线和电键器组成应答器是系统地面设备的主要组成部分，它由接收机、视频信号处理电路和发射机组成接收机的作用是接受、放大和译码所接受的询问信号；视频信号处理电路的主要作用是对询问脉冲译码，并经过一定的时间的延迟后，产生编码回答脉冲对；发射机的作用是产生、放大和发送回答脉冲对
现在民航使用的设备通常具有全固态设计、微机控制及采用双监控器、双应答器构型等特点，从而大大提高了地面信标设备工作的可靠性、精度和可维修性，如公司生产的—型测距设备和公司生产的-40/45型测距设备等
以公司生产的—型测距设备为例—型测距机由接收机单元(RV)、发射机驱动器(TD)、测试询问器(TI)、发射机电源模块、监视单元、1千瓦射频放大单元(仅用于1kW设备)、控制和测试单元()、射频面板、交流电源单元、天线、远端维护与监视系统(，通常与—52D型共同使用)等组成图2为设备简要框图及信号流程(以1kW单机为例)，以下介绍1kW单机系统，双机系统的每一个应答机与之相同W设备除1kW射频放大单元外，其余流程相同
接收机模块主要提供接收的功能
发射机驱动器上有脉冲整形板、激励器、中频功放器、功率调制放大器测试询问器包括主板、射频产生器、调制和检测器、应答检测器以及衰减器测试询问器是一个独立的工作单元，它以一定的速率模拟飞机进行询问，测距机()应答机将这些询问脉冲作为正常的询问并给出相应的应答
监视器从天线以及相连的测试询问器上获得输入信号，这些信号代表了设备运行的参数，并且监视器对每一个信号进行通过/失败检测这个通过/失败结果由控制与测试单元获得并且根据所需进行告警指示或者产生控制行动
控制和测试单元监视、控制并且测试—型测距机()内部不同的功能
1千瓦射频功率放大器由功率分配器，功率合成器和10个W的射频放大模块组成
射频面板位于控制与测试单元后的机柜后部所有的天线反馈及耦合元件，使W或1kW 设备功率放大器降低射频衰减和泄露射频面板上安装有定向耦合器、环流器和接收机预选滤波器
发射机电源模块产生发射机驱动器所需的电流，在W机器中，射频功率放大器的所需电源也由此产生
交流电源单元用于将V交流变压后，给设备提供所需24V直流等，并给备用电源充电远端维护和监视系统负责监视—(通常还有—52D型)的操作和状态参数，并且可以进行开/关机操作它包括台站维护处理器()和中央监视终端系统等
台站维护处理器安装在机柜上，它是一个包含四个串口的信号板计算机，包含字节电池后备的内存和一个电池备份的实时时钟中央监视终端系统安装在监控中心，它包括一个兼容机(至少)和一个工业标准操作系统()以及中央监视终端系统软件
天线有两种：天线和内扫描/N型天线通常使用内扫描/N
型天线
天线耦合信号
询问脉冲
天线
定向耦合器
测试询问器模块监控器模块
环流器
预选滤波器
故障线路
接收机发射机驱动器发射机电源模块遥控
相关识别码
控制和测
试单元
设备开/关控制
遥控状态指示主识别
1KW射频放大器
应答脉冲
图2 —型测距设备简要框图及信号流程
来自飞机的询问信号被测距机()的天线接收，天线连接到测距机()设备上的射频板信号流经定向耦合器和环流器后到预选滤波器环流器的作用是防止耦合的发射机输出直接进入接收机预选滤波器包含三个调谐到接收频率的耦合谐振腔，它隔离中频镜象频率，隔离伪频率并且对发射机输出频率更进一步衰减然后，询问信号送到接收机模块
接收机检测并解码“通道视频”而且对同步回答触发脉冲对编码如果必要，随机应答脉冲对被加上，对于同步应答保持一个最小应答率Hz通过减少接收机灵敏度，最大应答率被限制在HzHz的识别码在每40秒发送一次
接收机输出应答脉冲对触发发射机驱动器模块上的调制产生器，送到1千瓦射频功放模块发射机驱动器的激励频率由接收机模块上的本地振荡器提供
功放上的输出被送回到射频板上，经过环流器和定向耦合器到天线，对飞机发送应答信号在双机系统上，射频板上含一个同轴转换中继，当一台发射机连接到天线时，另一台发射机连接到假负载
设备中还包括一个测试询问器和一个监控器，这两个单元一起用于检测测距机的性能测试询问器连续地向测距机()询问这如同模拟一架飞机，发射机对这些信号进行应答，然后监控器检测并处理应答信号对应答信号各项参数进行门限比较
测试询问器产生的询问脉冲通过定向耦合器到信标接收机，应答机对这些询问的应答也通过此定向耦合器送到测试询问器
(2) 系统机载设备
机载系统由询问器、距离指示器、天线和控制盒组成机载询问器由发射机、接收机和距离测量电路等组成，完成信号的发射、接受和距离的测量控制盒对询问器收发信机提供需要的控制和转换电路，还可以对通信或导航接收机提供频率的选择距离指示器可以显示飞机到地面台的斜距，飞机的地速以及飞机到台时间等信息询问天线的作用是发射询问信号和接受回答信号，它是具有垂直极化全向辐射图形的单个L波段天线
询问器是系统机载设备的主要组成部分，目前的典型产品有 -、 -37A 询问器等系列
以 -为例， -在对台工作方式时可提供多个所选地面信标台的距离信息；在自由扫描工作方式时，可提供在其工作范围的所有地面信标台的距离信息距离信息供给飞行管理计算机系统用于高精度定位，并可在驾驶舱显示另外，在上述两种工作方式时，还可以提供所选信标台的音响信号
-由机壳、电源、频率合成器、激励器、功放、接收机、视频处理器、距离处理器、和监控器等组件组成如图3是 -组成简化框图
发射机输出
环行器
低通滤波器
频率合成器激励器功率放大器
功放触发脉冲
激励器触发脉冲
接收机输入
频率合成器
调谐
本振激励
接收机
预选器调谐
视频
自动增益控制
监控器
距离处理器
视频处理器
输入输出音频输出
V AC Hz飞机电源
电源
稳压非稳压
机壳组件包括母板组件、后部插座、射频连接板和环行器/低通滤波器组件电源组件的作用是把V、Hz飞机电源变换为工作所需要的直流电压
频率合成器组件的功能是为所选择的信道产生正确的发射机信号它包括一个和一个稳定主控振荡器()产生L波段信号，并经由激励器-功放组件放大和调制包括锁相环，用以给产生调谐电压
激励器组件调制并放大来自频率合成器的L波段信号，供给功放脉冲的RF
图3 -组成简化框图
输出信号，供给接收机连续波(CW)激励信号激励器包括4级放大器和1级调制器
功放组件由RF放大器和调制器组成它放大并整形加到天线上去的RF脉冲信号
接收机接受选择、放大和检波输入的地对空信号它由预选器、63中放和中放/检波器组成
视频处理器由脉冲对译码器、中放自动增益控制放大器、输入/输出(I/O)装置、数字/模拟(D/A)转换器、总线接口电路、识别滤波器和音频放大器组成完成的基本功能是：对中频视频输出译码；控制接收机中频增益；调谐接收机预选器；与接口；提供音频识别信号
距离处理器由、存储器电路、发射机脉冲对编码器自检信号产生器、控制总线接口和包括距离时钟在内的距离计数器网络组成它的功能是：给发射机产生激励器和功放触发脉冲；测量第一个询问脉冲与所接受的第一个视频脉冲之间的时间间隔
监控器组件提供检测-内部故障的设备它由故障监控电路、非易失性存储器、输入/输出电路和-面板自检开关及故障指示器组成
(3) 精密测距机(/P)
/P是微波着陆系统()的一个必要组成部分，它提供精密测距功能图4为典型的/P地面信标应答器的方框图可以将它看作是由两个独立的应答器所组成：一个用于回答FA
方式询问，另一个则用于回答IA方式询问每个应答器均由接收机、信号处理电路和发射机组成两个应答器公用一个接收机，用于接受IA方式和FA方式询问
至FA方式回答延迟调整
IA方式回答延迟调整
监视器自动延迟稳定
峰值振幅查找
()
IA方式延迟
窄带
对数放大器费里斯鉴别器脉宽鉴别器
宽带窄带译码器
接收机
来自
宽带(带通滤波器）
对数放大器
延迟—衰减—比较
()
FA方式延迟
RF发射机调制器编码器优先级逻辑
回波抑制
随机脉冲对定时与控制输入/输出定时与控制
图4 /P系统地面信标应答器方框图
图5为典型的/P系统机载询问方框图它由接收机、信号处理电路、发射机及其IA、FA 方式编码器等电路组成
不产生距离估计
信号确认
搜索确定同步距离
接收机
窄带
费里斯鉴别器脉宽鉴别器译码器距离相关器搜索跟踪
脉冲检测电路
峰值振幅查找()
跟踪：更新信号设置
IA方式编码
器
发射机
FA方式编码
器
宽带(带通滤波器）距离计数器
时钟
速率限制器数据滤波器距离估计
自动延迟比较()
估计丢失数据
最后距离信息
图5 /P系统机载询问器方框图
二．系统的测距原理 (1) 测距原理
系统测距是从机载询问器向地面信标发射询问脉冲对开始的，地面台
接受这些询问脉冲对经过50s的固定延迟后，发射应答脉冲对，见图6其中50s 固定延迟，称为主延迟其作用是：一则使对询问的回答时间统一；二则可读出距离指示器零海里处因此，5s延迟也叫做零海里延迟
询问器的距离计算电路根据从发射询问脉冲对至接受应答脉冲对之间所经过的时刻差，计算出飞机到地面信标台的斜距
询问脉冲对
发射机
回答脉冲对
指示器
接收机
机载收、发信机
接收机
地面信标台
发射机
图6 的测距原理示意图
由于点播传播速度可以认为是一个常数，即3m/s，飞机到地面信标台
的斜距可以用下式来表示：
t tc
tR tD RD 2
式中 R——询问器与应答器之间的距离，以海里为单位；
R
tR——自发射询问脉冲对到接受回答脉冲对之间所经过的时间，以微秒为单
位；
tD50s——地面信标台接受询问和发送回答之间的延迟时间；
——射频电波传输1海里并返回所需要的时间，以微秒为单位
(2) 频闪原理
要测定发射询问脉冲对到接受应答脉冲对的时刻差，关键在于识别处从地面应答器应答的机载询问器本身的应答信号接受信号可能包括地面台对自己询问信号的应答信号、对其他飞机测距机询问的应答信号以及地面信标台断续发射的脉冲和识别信号为了识别地面应答机的应答信号，机载询问机通过所谓的频闪搜索原理来实现
频闪搜索的基本原理是：使询问器在开始询问的一段时间内，产生一串重复频率随机变化的询问脉冲对，于是地面台对飞机的应答脉冲对重复频率也按一定规律随机变化由于它们的变化规律是随机的，具有独特的变化形式，因而可以和其他飞机询问和地面台应答脉冲对重复频率的随机变化加以区别，这样就可以使询问器辨认出对自己询问的应答
三．系统的信号特征和系统性能 (1) 工作频率
系统工作在~频段内机载询问器的询问频率在~频段，地面信标台的回答频率在~频段
系统信道安排为X和Y两种信道X信道编排为：1X2X……X；Y信道编排为：1Y2Y……，Y 这样，系统共有个信道无论询问还是回答信道，相邻两个信道频率间隔为1任何一个信道的发送和接受频率差均为63，即
fR fI63
式中 fI——询问器的询问频率；fR——信标台的回答频率
系统的X/Y信道安排见图7其中X信道个，Y信道个在头63X信道内，回答频率比机载询问频率低63；在64X~X信道内，回答频率高于机载询问频率63而头63Y信道内，回答频率比机载询问频率高63；在64Y~Y信道内，回答频率比询问频率低63
编号应答RFX——64X——Y——1Y ——Y——64Y——X——1X——
询问RF
图7 X/Y 信道安排
尽管民用系统设计为具有个信道的工作能力，但其中有52个信道往往是不用的这52个信道是：1~16X和Y;60~69X和Y实际上只能工作在17~59X和Y；70~X和Y，共个信道上原因是：其一，在/和/连用方式中，和只占用个信道；其二，避开和应答器工作频率，以避免与它们之间可能的干扰由于系统地面信标台往往与和地面台安装在一起，为了充分利用频谱，有关导航设备工作频率一般是配对分配的例如：当在控制面板上选定一个频率时，的频率也就自动地调定了国际民航组织规定的甚高频导航与系统的频率配对列表于表1中表1 频率配对分配表
系统信道分配甚高频导航频率
1~16 非配对信道 ~~56
偶数编号的信道与配对奇数编号的信道与配对
60~69
57，58，59，70~
/
~
非配对信道
~ ~
(2) 脉冲对及脉冲间隔
的机载询问器和地面应答器，发射的信号都是脉冲对，对于X信道，脉冲间隔为12s；射频脉冲对的包络为钟形脉冲，脉冲宽度为s见图8
s
s
X
12s
12s
X
Y
36s
a 系统询问信号格式
脉冲
上升时间
脉冲下降时间
Y
30s
b 系统回答信号格式
脉冲宽度
脉冲间隔
c 系统发射脉冲的形状
图8 信号格式和脉冲形状
(3) 脉冲对重复频率
为保证记载询问器的正常工作以及地面应答器的容量限制，应答机发射的应答脉冲不能低于对每秒，同时不能高于对每秒
(4) 识别信号
在我国，的识别信号为三个英文字母的摩尔斯电码 (5) 系统延时
的系统延时根据国际民航组织的规定为50s，代表地面应答机收到询
问信号经过处理后发射应答喜好的时间差，其目的在于克服多路径反射波的干扰
(6) 的容量限制
国际民航组织规定，最多能为架飞机提供距离信息
(7) 覆盖范围和测距精度
的有效覆盖范围为 n ，在有效覆盖范围内，系统的测距误差不大于 n
四．系统在飞机导航中的使用方案
提供的斜距信息在飞机导航中可有多种用途：
(1) 定位
作为自动飞行控制系统的传感器所提供的距离信息，送到飞行管理计算机系统用于飞机的精确定位
(2) 航路间隔
为确保飞机的飞行安全和正常，所有在航路飞行的飞机均必须按指定的高度层和一定的距离间隔飞行而航路间隔可利用提供的距离信息来实现
(3) 进近到机场
在某些情况下，驾驶员可以利用提供的距离信息操纵飞机以某个方位飞向/信标台，然后转弯以便在新的方位上飞行到某个位置时再作圆周飞行，使飞机最后进入着陆航向，见图9
中指点信标
远指点信标
机场跑道
2
21
18
3
1
图9 利用使飞机进近到机场
(4) 避开保护空域
有时驾驶员为了避开某个空中禁区，可以操纵飞机在距空中禁区某一距离上作圆周飞行，待飞到一个新的径线方位时，再朝/信标飞行，见图10
(5) 在指定位置等待
驾驶员可根据航站所提供的距离信息，保持距离指示器读数为常数，即做圆周飞行，以等待进场着陆
(6) 计算地速和到台时间
飞机在飞行中，询问器连续地测量到所选地面信标台的斜距由于这个斜距是随飞机接近或离开信标台而变化的，所以测量斜距的变化率就可给出飞机接近或离开信标台的速度
系统是飞机无线电导航广泛使用的一种近程导航设备它既可用作导航设备，也可用作机场导航设备当它与其他近程导航和着陆设备如甚高频全向信标(/)和仪表着陆系统()相配合构成航线或机场导航设备时，可有多种使用方案：
18
15
保护空域
图10 利用避开保护空域
A．系统用作航线导航设备
系统用作导航设备时，主要有以下几种使用方案： (a) /使用方案
这种方案就是体制定位方案飞机分别测得至两个航线地面信标台的距离来确定飞机的位置为了提高定位精确度，消除定位的多值性，在实践中也可同时利用三个航线地面信标台所提供的距离信息进行定位，构成体制定位系统，如图11 飞机
N
1 2
/
(a) /使用方案
(b) /使用方案
图11 /和/使用方案
这种方案就是体制定位方案在此定位方案中，飞机可同时接受来自
(b) //使用方案
或提供的以磁北为基准的方位信息和来子地面信标的距离信息，用以确定飞机的位置由于是审定的标准近距导航系统，故使用最为普遍
(c) /()使用方案
塔康()是一种能给飞机提供到某一固定地面的方位和距离信息的战术空中导航系统实际上，它是一种军用航空导航体系由于与系统具有相同的测距功能，因此系统的机载设备与系统的地面设备，或者系统的机载设备与系统的地面信标可以互相配合工作，两者完全相容
B．系统用作机场导航设备。