专利名称：无源飞行器监视系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及飞行器监视系统领域，更具体说涉及利用由仪表着陆系统发出并由飞行器反射的信号的无源飞行器位置和飞行路线监视系统。
目前，绝大部分机场都利用一种机场监视雷达系统对空中进行扫描，来监视飞入和飞出的飞行器。但是这种监视雷达具有一个高度限制，在此高度以下的飞行器便探测不到。飞行器在着陆之前和起飞之后的时间内，是通过目视或直接与飞行员进行无线电联络而进行监视的。为了在能见度较差的情况下辅助飞行器着陆，许多机场都配备了仪表着陆系统(ILS)及标志信标。ILS能够使飞行器确定其是否在指定的跑道上以正确的路线进行正确的着陆。标志信标是在离开跑道的起点一个予定的距离处设置的并为飞行器指示距跑道的距离。但是ILS和标志信标只能用来为飞行器本身指明其所处的位置，而无助于机场指挥塔或空中交通控制人员。
本发明可以充许机场塔台或空中交通控制人员利用现有的射频发射机如构成目前大部分机场所共同使用的仪表着陆系统的设备以最小的成本对机场监视雷达的高度限制以下的飞入和飞出的飞行器的位置进行监视，在一个实施例中，本发明包括了一种用于监视沿着仪表着陆系统飞行路线飞行的飞行器的方法。首先，由沿着ILS飞行路线飞行的由飞行器反射的ILS信号被接收到，然后产生由接收机接收的反射的ILS信号的数字样值。对这些数字样值进行快速付立叶(Fourier)变换，将该信号转变成频率域。在这些转换的数字样值中确定多普勒频移，飞行器的范围或速度与属性即可被计算出来。地面速度可利用接收和计时由沿ILS飞行路线的飞行器反射的ILS标志信标信号而确定。另外也可以接收由单一ILS发射机发射的90和150HZ的调制信号的反射信号。通过比较二种不同信号的反射辐度，飞行器相对于该两信号的位置即可以被确定，以显示其是否处于正确的接近跑道的路线。
图1是具有ILS的跑道的侧视图，显示了一架正在接近的飞行器及滑行坡度以及标志信标发射机信号。
图2为同一跑道和ILS系统的预视图，显示了一架飞行器及定位信标无线发射，以及用于实施本发明的监视系统。
图3为图2中监视系统的方框图;以及图4为根据本发明的飞行器监视方法的流程图。
参见图1，具有仪表(无线电导航)着陆系统的典型的机场具有一条跑道10，及一套标志信标12-1，12-2和12-3，每个都距处于与跑道的开端一个予定的距离。第一个信标比较典型地是处于跑道的开端。第二个信标比较典型是位于距跑道开端3500英尺处，而第三个信标距离跑道开端5英里。根据美国联邦航空管理局(USFederalAviationAdministration)的规则，信标直接向上发射频率为75MHZ的信号。当飞行器经过信标上空时，该信号向飞行员指示其距跑道的距离。ILS也具有两个发射天线，一个滑行着陆发射天线14，及一个定位信标发射天线16，滑行着陆天线发射一个在329-335MHZ的频率范围的选出的载波频率上调制的90HZ和150HZ调制信号。该90HZ和150HZ信号为扇形并沿着特定跑道的标准着陆滑道传播。所述信号是垂直的以便通过比较两信号的相对幅度使飞行器可以确定其是否处于两个扇形信号之前以及其是否处于正确的着陆飞行或接近路线的恰当的高度。类似地，定位信标发射天线发射调制在从108-112MHZ中选出的载波频率上的90和150HZ调制信号;但是这两个信号是并列的如图2中所示，通过对这两个信号的幅度的比较，使飞行器可以确定其是否处于平行跑道并在一个水平面内处于跑道的中心的飞行路线上。定位信标天线比较典型地是放在与正在接近的飞行器跑道端相对的另一端，而滑行着陆天线比较典型地是放在跑道中点的边侧。充许沿跑道的任一方向着陆是大部分机场共同采用的方式，这样即在另外方向再设置一个所述的ILS即可;为简单起见，图1和图2中只示出了一套ILS发射天线和标志信标。
如图2所示，根据本发明，一个无源监视系统20被设于跑道的一侧，并可以检测从接近跑道的飞行器反射的信号。图2显示了一条平行并通过跑道中心延伸的X一轴及垂直于跑道延伸的Y一轴，两轴的原点如图所示。在这里，此无源监视系统最好是位于距离滑行路线五英里而设置于跑道的住一侧，距离再远会削减信号的接收而距离较近会限制精确度。所述系统也被放置在平行于X一轴的一条线上的一个可获得监视信息最大精确度的位置，由于监视系统的双站几何条件，因此，当飞行器与无源监视系统处于同一X轴位置时，其位置即可极为精确地被确定。为了在沿X轴从跑道端5英里的位置处获得最大的位置精度，该系统也应该处于沿X轴的相同的5英里处位置并沿Y轴偏移5英里。图2中所示的飞行器监视系统的位置，从着陆的飞行器中看，是直接从跑道中心向右首偏移的。但是，如上所述，许多不同的位置都是可行的。
如图3中所示，飞行器监视系统20具有一个无线22，设计用来接收上述的ILS的75MHZ-335MHZ的载频上的信号。可以利用传统的VHF/UHF天线。该天线被耦合至接收机24，接收机24可被调到相关频率。在典型的机场配备中，每个ILS滑行着陆及定位信标发射机被调谐至指定范围内的不同频率。例如，定位信标天线可被指定为108-112MHZ内的住一频率。在一个两个跑道的机场中，可以使用4个不同的定位信标载频，每一个用于一个跑道的每个着陆方向。IcomR9000型接收机是较佳的且有足够的调谐范围。接收机被调谐到特定的频率并找出来自滑行着陆及定位信标天线的90和150HZ调制信号。然后由一个截止频率为500HZ或更少的低面滤液器26对这些信号进行处理，以使反射的ILS信号的叉积互调最小。这些信号从低通滤波器被送至数字采集处理器28例如MicrostarLaboratory2400型处理器。处理器将接收机的模拟输出转换成数字样值并对这些样值进行快速付立叶变换，将这些来自天线接收信号的时间域表达式变成频率域表达式。频率域样值然后由计算机30进一步处理，计算机30控制数字采集处理器也通过一个电平转换器32(从R5232到TTL)控制接收机。电平转换器只是将微计算机的指令转换成适合于接收机的电平，在本例中即从R5232电平信号至TTL电平信号。微计算机可以根据指令将接收机调谐到其频率范围内的住一频率。计算机30为传统的具有一个键盘及显示器的微计算机，并已经被编程以实施本发明的方法。数字采集处理器比较典型地是被装到计算机底座上的一个卡。计算机也可以被编程以已知的技术向机场塔台，空中交通管理人员发射从监视系统得到的任何信息。利用来自在ILS范围之内的飞行器的反射以及监视系统天线22，该系统可能确定由飞行器产生的ILS信号中的多普勒频移，并由此确定飞行器的范围或速度等属性。
参见图2，每个飞行器距定位信标天线一个特定的距离R1(t)1由于飞行器具有一定速度，所以该距离是时间的函数。如果定位信标天线处于坐标(XLO)而飞行器处于(XA，YA)则飞行器与定位信标天线的距离为(XL-VAt)，VA为飞行器的速度。从无源监视系统的接收机(XR，YR)到飞行器(XA，YA)的距离由下面的等式(1)给出。
R2(t)＝((Xr-XA)2+(Yr-YA)2)1/2＝((Xr-VAT)2+Y2r)1/2多普勒频移与总信号路径R(t)＝Rt(t)+R2(t)的长度的时间的变化率成比例，即信号必须通过的总距离为由从定位信标发射机到飞行器再到无源监视系统天线。所述比例等式由下面的等式(2)给出。
F多普勒＝ 1/(C) (d)/(dt) (R(t))f0其中F多普勒为频移，C为光速，f0为定位信标天线发射的信号的频率。应用上述等式，R(t)为由下述等式3给出。
R(t)＝XL-VAt+((Xr-VAt)2+Y2r)X2于是多普勒频移由下面的等式(4)得出。
F多普勒(t)=- (VA)/(C) [1+ ((Xr-VAt))/(((Xr-VAt)2+Yr2)1/2) ]fo如果坐标系统的选择使得VA(t)为目前飞行器位置的X坐标(XA)而飞行器位置的Y坐标保持的0则方程4可简化如下。
F多普勒(t)=- (VA)/(C) [1+ ((Xr-XA))/(((Xr-VA)2+rr2)1/2) ]fo其中f0，VA，C，Xr，Yr皆为常数。因此，多普勒频移只是飞行器速度和飞行器位置的函数。如果飞行的位置知道，则速度即可精确地被确定。相反，如果飞行器速度已知，则其位置便可被精确确定。
商业上使用的飞行器比较典型地都具有一个特定的着陆速度，该速度是制造商为特定型号的飞行器所确定的。为了确定飞行器的位置，可以假定飞行器遵守制造商的推荐并以推荐的速度接近跑道。进行第一步近似，正在接近跑道的飞行器的速度可以假定是恒定的。如果决定利用制造商批荐的着陆速度，则位置的精确度在1/4英里以内。速度也可以通过观测标志信标的反射来确定。当飞行器正处在标志信标上空时，来自该信标的反射将处于一个幅度峰值。通过在监视系统天线22标测在监视系统天线22的标志信标信号，飞行器经过每个标志信标的时间也可以确定。由于标志信标的位置是已知的，飞行器的速度即可根据标志信标之间的距离及飞行器通过两个信标之间所需的时间而得以确定。相反，如果飞行器通过一个标志信标并检测到从信标反射的信号，飞行器的位置已知，飞行器的速度可从定位信标或滑行着陆天线的反射中的多普勒频移而计算出来。飞行器的速度也可以直接与飞行器通信从机上仪表估算其地面速度而确定。上述描述是针对定位信标发射机并根据多普勒频移确定飞行器的位置及速度的，对于滑行着陆发射机也同样的能确定飞行器的位置及速度。为简单起见，上述只选用了定位信标发射机。定位信标一般比较典型地是位于X轴上。在实际当中，最好利用滑行着陆发射机反射，因为滑行着陆发射机的载频较高。较高的频率在多普勒频移中提供较高的分辨率，从而就整个系统而言充许更高的精确度。
除了确定多普勒频移以外，由于所述无源监视系统接收90和150HZ两种调制信号，所以可以确定两种信号反射的相对幅度来确定飞行器是否处于90和150HZ调制的扇形波束的中心。为了做到这一点，两个反射信号对于特定飞行器而言大体是相同的，其幅度被确定并加以比较。例如，如果150HZ信号强于90HZ信号，则飞行器接近150HZ扇形波束的中心超过接近90HZ扇形波束的中心。偏移二波束的中心的精确值可通过比较反射信号的相对幅度确定。通过比较90和150HZ信号的反射，并已知飞行器距跑道的距离，即可估算飞行器高度及飞行器的水平偏移。这实际上是重复飞行器上的机上ILS设备的工作，使机场塔台可得到此重要的信息。
图4示出了实施本发明的最佳方法。系统首先从步40开始。然后在步42微计算机将接收机24设定到滑行着陆发射天线频率，用于监视跑道和着陆路线。这可通过将指令通过电平转换器32直接送到接收机24而实现。在实际当中，由于要接收的反射信号的多普勒频移，接收机必须以所需的滑行着陆发射频率的中心进行一系列频率的扫描。沿同一飞行路线的不行飞行器在不同的偏移频率上反射信号。调谐接收机使发射的150和90HZ调制信号通过低通滤波器26，到达数字采集处理器28。处理器对接收机的输出取样44，并对时域的信号进行快速付立叶变换46。然后在微计算机30中对数字频率域信号滤波。首先，直接从ILS发射机接收的信号被去除，因为本系统只对飞入的飞行器的反射信号感兴趣，然后去除数据中的平均噪声功率并进行6HZ宽的积分以使数据平滑。然后计算机搜索两个相距60HZ的信号组50。60HZ代表ILS发射机的150和90HZ调制的信号的差。由于多普勒效应，这些信号及其载波的准确频率会发生偏移。对每组发现的信号，求出两信号的比值52，存储所得信息。由于图2所示的双站几何性质，及方程1到5所表示，多普勒频移变化更多地是取决于几何(位置)而不是飞行器的速度。这意味着，只要系统所处位置不同，在同一飞行路线上的具有相似速度的飞机即可由一单一系统独立地进行监视。多普勒频移也可以由较慢移动的车辆产生，如在机场上移动的服务车辆。这些车辆的位置也可以用本发明监视。在步54，所有飞行器的范围或距跑道的距离即可通过90和150HZ的原始值的调制频率的多普勒频移而计算出来。给出范围以及滑行着陆的扇形波束几何尺寸，即可用上述54利用从滑行着陆发射机反射的两个相差60HZ的信号的幅值之比计算飞机的高度。
然后计算机调整接收机接收定位信标频率信号58。接收机输出再次被取样44，进行快速付立叶变换46，对FFT样值滤波48，相隔60HZ的两个信号被找到50，对于每个被监视的飞行器及车辆，求出该二信号的幅度的比值52。由于较高频率的滑行着陆发射机的反射的多普勒频移更为精确，所以最好不用来自定位信标发射机的多普勒频移信息。但可以利用它来核查滑行着陆反射的准确性。当接收机被调谐到定位信标的频率，飞行器的水平位置，即如图2中所示相对于Y轴的偏移即可通过求出每组信号幅值的比率而得以确定60，最后所有的信息都用来刷新计算机的显示62，或将这些信息发射到另外的地方。所述显示最好与图1和图2类似显示跑道，并表示当所有被监视的飞行器及它们相对于跑道的相对位置。位置可以以高度及距跑道的水平距离来表示。在显示被刷新以后，计算机可以监视其它跑道的滑行着陆及定位信标频率或对同一跑道再次重复所述过程。根据飞行器的范围及速度可确定每个飞行器的到达时间。如上面所讨论，利用离开跑道不同距离上的几个无源监视系统可以增强系统的准确性。在此情况下，计算机最好互相通信以确定最准确的信息发射进而显示。此外在有多条跑道的情况下，可以利用多个监视系统，使每个系统可独立地监视一条跑道。另外，由于每条跑道的ILS频率不同，也可只用一个系统在同时监视几个不同的跑道。
尽管前面只讨论了本发明的几个实施例，但在不脱离本发明的精神的情况下可对本发明做出各种改进和修改。本发明不仅适用于上述的美国ILS系统，也适用于任何跑道靠近发射机的地方，并允许双站几何特性，包括例如目前被联邦航空管理局研究的微波着陆系统。本发明也可用来监视不在着陆和起飞路线上的飞行器，和用现有的硬件，无需改动机场着陆系统或飞行器即可很容易地实施本发明。本系统可用来补充现有系统或提供目前使用的标准机场监视雷达以外的监视能力。本发明不局限于上述的实施例而只由附后的权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于监视在跑道上接近或起飞飞行路线上的飞行器的方法，其中飞行器受着陆系统的电磁辐射信号的控制，该信号具有已知的频率及来源，该方法包括在横向偏离跑道的位置，接收由沿所述飞行路线飞行的飞行器反射的信号；对由接收机接收的反射信号产生数字样值；对这些数字样值进行付立叶变换，从而将这些信号变换成频率域；在这些数字样值中确定多普勒频移；以及利用反射信号的多普勒频移，计算飞行器的属性。
2.权利要求1的方法，进一步包括在进行付立叶变换之后，区分从不同飞行器反射的信号，其中计算范围的步骤包括分别为每个飞行器计算范围。
3.权利要求1的方法，其中计算属性的步骤包括利用多普勒频移计算飞行器的范围。
4.权利要求3的方法，其中计算范围的步骤包括确定飞行器的地面速度及将该地面速度代入多普勒频移。
5.一种用于监视沿仪表着陆系统(ILS)飞行路线飞行的飞行器的系统，包括一个用于接收从沿ILS飞行路线飞行的飞行器反射的ILS信号的接收机;一个用于将接收机接收的反射的ILS信号转换成数字样值的模拟到数字转换器;一个数字信号处理器，用于对这些数字样值进行付立叶变换，将这些信号转换成频率域;一个处理单元，用于在转换的数字样值中确定多普勒频移，并根据飞行器反射的信号利用多普勒频移计算飞行器的属性。
6.权利要求5的系统，其中的属性包括飞行器的范围。
7.权利要求6的系统，其中处理单元通过确定飞行器的地面速度并将其代入多普勒频移而计算所述范围。
8.权利要求5的系统，其中所述属性还包括飞行器的地面速度。
9.权利要求5的系统，还包括一个鉴别器识别由不同飞行器反射信号，其中由处理单元来分别为每个飞行器计算范围。
10.权利要求5的系统，还包括一个耦合在算术单元和接收机之间的转换开关，用于将频率转换到接收机所调谐的频率。
11.一种用于监视沿仪表着陆系统(ILS)飞行路线飞行的飞行器的方法，包括接收由沿ILS路线飞行的飞行器反射的信号;产生由接收机接收的反射的ILS信号的数字样值;对这些数字样值进行付立叶变换，从而将信号转换成频率域;在转换的数字样值中确定多普勒频移;利用反射信号的多普勒频移计算飞行器的属性。
12.权利要求11的方法，其中计算属性的步骤包括利用多普勒频移计算飞行器的范围。
13.权利要求12的方法，其中计算范围的步骤包括确定飞行器的地面速度，并将该地面速度应用于多普勒频移。
14.权利要求13的方法，其中确定飞行器地面速度的方法包括接收由ILS路线上的飞行器反射的标志信标信号;比较反射的信标信号接收到的时间确定飞行器在相应的信标发射机之间的飞行器速度。
15.权利要求11的方法，其中计算属性的步骤包括利用多普勒频移计算飞行器的地面速度。
16.权利要求11的方法，还包括，在进行付立叶变换之后，识别由不同飞行器反射的信号，并且计算范围的步骤包括为每个飞行器分别计算范围。
17.权利要求11的方法，其中接收ILS信号的步骤包括接收从一个ILS发射机发射的具有两个不同频率成分的反射。
18.权利要求17的方法，其中识别信号的步骤包括搜索两个频率成分组的转换的数字样值，该两频率成分具有代表从单一ILS发射的两个不同频率成分之间的之着的区别。
19.权利要求17的方法，还包括比较两个不同频率成分的反射的幅度，用于确定飞行器相对于ILS发射机发射的两信号的位置。
20.权利要求19的方法，其中比较步骤包括比较90和150HZ滑行着陆发射机反射的幅度以确定飞行器相对于ILS飞行路线的高度。
21.权利要求19的方法，其中比较步骤包括比较90和150HZ定位信标发射机反射的幅度以确定飞行器相对于ILS飞行路线的横向接近角度。
22.一种用于确定沿仪表着陆系统(ILS)飞行路线飞行的飞行器的地面速度的方法接收从ILS飞行路线上的飞行器反射的标志信标信号;比较反射的信标信号接收到的时间，确定在相应信标发射机之间的飞行器的速度。
全文摘要
一种无源飞行器监视系统(20)，接收由仪表着陆系统(14、16)发射的并由飞行器(18)反射的信号。利用反射信号中的多普勒频移计算飞行器的位置和速度。通过利用由飞行器反射的ILS90和150Hz信号并比较其幅度，飞行器的高度及水平位置也得以确定。
文档编号G01S1/14GK1081011SQ93105789
公开日1994年1月19日 申请日期1993年5月18日 优先权日1992年5月19日
发明者马斯·芬克斯汀, 马丁·J·杰斯曼, 托马斯·J·林奇 申请人:休斯航空公司