机场助航灯光及其巡检监控系统

机场助航灯光及其巡检监控系统机场助航灯光系统是保障飞机在夜间、低能见度或者其它复杂天气条件下，在航空港进行正常的起飞、着陆、滑行的必要目视助航设备。

助航灯光系统的工作状况、可靠性、应急性与飞机的安全紧密相关。

为使飞行员有明晰的视觉效果和区别于其他灯光，助航灯光系统设置了不同的回路，由不同的回路对不同种类作不同功能使用的助航灯进行控制。

助航灯光的控制主要由塔台和灯光站完成。

从控制对象上来说，每一个回路分别由供电系统、恒流调光器、升压变压器、隔离变压器、助航灯具及电缆组成，如图1所示。

一般情况下，由于机场助航灯数目多，跑道长，机场在跑道两端附近分别各设有一个灯光站，位于主降端附近的称为主灯光站，位于次降端附近的称为次灯光站。

不同回路的助航灯，通过设在灯光站控制该回路的一个调光器来控制它们的开关灯和调光等级。

针对不同气候条件下不同的能见度范围，助航灯的调光等级设置了5个等级。

图1 助航灯光结构图鉴于机场助航灯光对于飞机起降安全的重要性，民航总局机场司下发的工作手册规定：灯光工作人员每天都要对所有灯泡巡检一次，更换烧坏和发暗的灯泡。

助航灯光巡检监控系统的产生，就是用于对整个机场所有助航灯进行状态检测及监控的。

助航灯光巡检监控系统由电脑主机及与灯位等量的故障定位器，及通讯环路组成。

系统的基本工作原理是，由安装于隔离变压器和灯具之间的故障定位器，实时检测隔离变压器和灯具的有关数据，将数据进行处理后，通过通讯环路传输，由监控系统的电脑主机接收显示，告知灯位的正常、老化、断芯及封装隔离变压器的铁桶进水等状态信息。

1国内外监控系统现状近年来，国内在助航灯光巡检监控系统的研究上有一定的进展。

太原的无宿机场、武汉的天河机场、福建的武夷山机场、西安的咸阳机场等，先后与国内的一些研究所联合研制助航灯光计算机监控和巡检系统。

并且在监控方面取得一定的成就，推动我国助航灯光管理的现代化发展，但是在故障巡检方面却没能研制出能实际应用的成熟系统，在机场大规模使用时效果并不理想，有待于进一步改进。

因此国内规模较大的机场都使用国外的助航灯光巡检系统。

同时，国内的监控系统价格也偏高，一个中型机场，要实现助航灯光巡检监控两种功能，需投资约几百万，这对于目前大多数并不景气的民航机场来讲是无法承受的。

此外，有不少从事机场灯光工作的技术人员，针对工作上遇到的一些问题与困难，做了一些技术革新和QC课题，使问题简单化（或部分解决），并使一些隐蔽的故障能及时有效地发现，这些技术上的创新，对于助航灯光系统的可靠运行，对于设备的维护都起到一定的辅助作用。

随着经济的发展，一些大的新建机场引进了国外的助航灯光监控和灯泡断芯监测系统。

其中南京禄口机场引进了英国的助航灯光监控系统；上海的浦东机场、杭州的萧山机场先后引进了瑞典的助航灯光监控与灯泡断芯监测系统。

但是这些系统的故障检测都只是完成灯泡的断芯检测，功能单一，不能满足我国机场的实际需要。

国外的产品虽然能完成一定的功能，但价格高。

据说上海浦东机场购买了瑞典的助航灯光监控系统的断芯检测，每盏灯折合人民币约3000元。

由于财力有限，灯泡的断芯检测只安装了少数灯位，占整个机场灯光的20％左右，余下约4000多盏灯还是靠人工开车巡检。

而整个系统建立起来，断芯检测只是系统的一小部分。

这样昂贵的价格，对一般的机场来讲是不现实的。

售后服务也是进口产品的另外一个问题。

从国外引进的系统，技术方面的资料很少，厂家一般不提供，这使得引进以后，用户对系统的掌握比较肤浅，给修护带来了麻烦。

遇到稍为复杂一点的问题，只能送厂家或请其公司人员来修理，修理、差旅、备件等费用也相当高，给机场带来沉重负担。

而且后续的软件升级，版本更新等会带来更多的问题。

目前，国外很多机场都另外铺设光纤，用于监控系统检测数据的通讯。

这种模式既有高速、可靠，又没有电磁污染，并能从根本上解决巡检系统的难点，能实现更多的检测功能，是非常不错的方案。

国外一般机场在建设时，都有铺设布线管，不用进行大规模施工就能进行光纤铺设。

但是这种方案在国内有相当的难度，国内机场除了近几年新建外，一般都没有预埋布线管道，有些机场将供电电缆直接布在跑道的水泥里。

因此，对处于运行中的机场进行如此大规模的施工并不现实，而且影响机场的正常运行。

3系统设计难点3.1 现有系统存在的问题目前国内外现有的助航灯检测系统，其检测数据的传送，都是采取调制耦合的方案，其主要思路是利用主电缆通讯。

在隔离变压器与灯泡之间安装检测电路，检测灯位信息，然后将检测数据通过隔离变压器的次级耦合到主电缆回路上，用载波的方式传到调光器，由控制台接收，然后解调显示。

其系统结构原理如图2所示。

图2 调制耦合方案的系统结构原理图这种方案虽然不用另外构架信道，但却存在许多技术难题。

首先是目前国内各机场所使用的调光器种类众多，其技术参数相差很大。

虽然主要频率均为50Hz，但输出波形都不相同，差别也比较大。

第二，根据隔离变压器生产商所提供的资料，每个隔离变压器初级两端的电压有效值为6～30V。

如果一个调光器带有100个负载（隔离变压器），调光器输出电压有效值将达到3000V，峰值还将更高。

要在这么高的电压里可靠检测伏级的灯位检测信息的调制信号是相当困难的，一点点小的干扰就会使系统产生误判断，使整个检测系统的检测可靠性大幅度下降。

第三，由于调光器的输出电路上接了很多的隔离变压器，隔离变压器在回路上为感性负载，信号频率越大阻抗就越大。

要把检测到的灯位信息用调制的方式传送到灯光站，隔离变压器就起着严重的阻碍作用。

第四，由于助航灯光系统的供电信号原则上都是低频的，所以隔离变压器生产商在设计时并没有考虑让隔离变压器能通过高频信号，隔离变压器的最高截止频率仅为300Hz，这对调制信号也造成了严重的障碍。

最后，调光器的输出电流在供电回路上造成的频谱，分布着广泛的杂波，对调制信号的解调也是一个难题。

因此，要想利用主电缆进行信号传输，并能满足所有调光器的方案是不可行的。

这些都是目前国内外此类系统可靠性难以保证并且价格昂贵的根本原因之一。

而采用光纤进行检测数据的通讯，对于国内营运中的机场来说又存在前面谈到的现实问题，因此我们放弃了传统思路，重新构思一种新的数据传送和通讯的思路——利用红外通讯进行检测数据的传送。

3.2 本系统的设计方案本课题研制的助航灯光巡检监控系统主要由电脑主机及与灯位等量的故障定位器，及红外无线通讯环路组成。

故障定位器安装于隔离变压器和灯具之间，实时检测隔离变压器和灯具的相关状态数据，这与现有的监控系统基本一致。

本系统的不同之处在与其通讯环路，系统首次将红外无线通讯应用于机场特殊环境条件下对助航灯光的灯位状态检测信息的传送，灯位状态信息经由红外通讯环路传送至电脑主机显示。

红外通讯装置安装于跑道边缘，对应于每一盏灯具，有左向、右向各一对收发器，可用于双向数据的收发。

在离灯光站和塔台最近的灯位上，分别设置一个出口站，在红外通讯环路中传送的数据从这里送出环路，用RS-485的通讯接口，将环路中所有灯位的状态数据分别传送至灯光站和塔台的电脑主机接收显示。

本系统不使用主电缆传送检测数据，因此与所使用的调光器性能完全无关，不影响主电缆绝缘性。

是目前已知的唯一可以适用于任何调光器的助航灯光故障监测定位系统。

本系统具有以下功能：(1) 完成各灯位中灯泡正常、老化、断芯、隔离变压器故障及封装隔离变压器的铁桶进水的检测，并可确定电缆两对地短路点之间范围；(2) 自动处理红外通讯环路中的故障；(3) 提供故障警示信息，显示各调光回路灯位分布图及其它相关信息；(4) 打印和存储维修报表，存储工作日记等。

(5) 光通讯环路具有多个出口，有多个调光控制室的机场可以用多台电脑独立地对整个机场地灯光系统进行监测。

3.3 系统设计的技术难点本系统采用红外通讯环路了进行灯位检测数据通讯的方案，克服和避开了前面所述的调制耦合方案所存在部分的技术困难，但它也存在其自身的技术难题。

(1) 红外通讯的距离问题红外通讯的缺点是距离很短，要使其能在相距五六十米甚至可能更长距离的两个灯位之间可靠地传送灯位检测信息，不但得设法增加其通讯距离，还同时得尽可能增强其抗干扰能力，以减少自然光和人工光线对红外传感器的干扰。

(2) 检测电路和红外器件的工作电源问题检测电路和红外通讯器件的工作电源都要在隔离变压器的次级取电，需要稳出一个稳定的工作电压。

灯泡正常时，隔离变压器次级（即灯泡两端）的电压有效值在1－5级光变化范围内约6－30V，在这个范围提取检测器的工作电压，是比较容易的。

但在灯泡断芯时，相当于隔离变压器的次级负载电阻无穷大，隔离变压器次级的电压就大幅度上升，根据目前测到的数据，在3级调光，次级电压的峰值已超过400V。

而根据从事灯光维修的同志介绍，有些隔离变压器的次级电压在5级光时高到3500V（用500型万用表测量）。

要把这么宽的电压稳定到检测器的工作电压，也是一个难题。

(3) 助航灯光供电及调光系统的多样性不同的恒流调光器输出的电流波形并不相同，这对上述工作电源的设计是有影响的。

目前投入商业运用的调光器，根据使用功率器件的不同，分为可控硅式、磁放大器式和铁磁谐振式。

早期的调光器一般采用磁放大技术，控制比较困难，体积大；大功率可控硅出现后，很多调光器都使用可控硅移相调压技术对正弦波进行却割从而控制输出电流大小，但可控硅在切割瞬间很容易产生冲激，对整个系统造成很大损坏；到了近期，国外的调光器一般是结合了这两种技术，先用可控硅对正弦波进行切割，控制电流，再利用磁放大技术对切割后的波形进行缓冲、整形，输出类似正弦波的波形。

但是目前国内生产的调光器还是使用单纯的可控硅移相调压技术，将切割后的波形直接输出。

目前，国内规模较大的机场一般采用英美等国进口的调光器，而中小机场则采用国内生产的调光器。

北京首都、厦门高崎国际机场引进美国CLOUSE－HINDS公司的系统，珠海机场引进德国ADB 公司的系统，武汉天河机场、汕头机场则使用大连电子研究所生产的系统。

图3 CCR－THO调光器输出波形图4 C－H调光器输出波形图5 HCR－2调光器输出波形为了确保巡检系统能适用于各种调光器，先后对厦门机场、汕头机场进行测量，图3、4、5分别为英国THORN公司的CCR－THO 调光器、美国CLOUSE－HINDS公司的C－H调光器、大连电子研究所的HCR－2调光器的输出波形。

三种调光器输出的波形都不相同，图3是最接近正弦波的，它的主要频率为50Hz。

图4则出现波形不对称，但这个波形的频谱也相对比较窄，比较干净。

而国内中小型机场普遍使用的调光器的输出波形（图5）相当复杂，其频谱非常宽。

另外这种信号对主电缆、隔离变压器等等设备都有损害，严格讲是个不合格的产品。