DME的原理介紹

1、測距機DME距離測量設備DME是Distance Measuring Equipment的縮寫，是國際民航組織批準的近程導航系統(tǒng)之一，它由機載詢問器（機載DME詢問機）和地面應答器（DME天線和地面DME臺）組成。DME通過測量脈沖信號的發(fā)射和接受時差而獲得飛機到地面臺的斜距。當飛機的飛行高度遠小于到臺的斜距時，可將DME測得的斜距視作飛機到地面臺的平距。DME詢問機發(fā)射的脈沖對間隔是隨機的，每架飛機使用的脈沖對間隔不一樣，才能彼此有別，在同一空域有幾架飛機使用各自的DME系統(tǒng)時，使飛機能識別自己發(fā)射的詢問信號。同時，每個DME地面臺都能周期性地用摩爾斯碼，以1350Hz發(fā)射該臺的識別字母，使

2、飛機可以確認哪個DME地面臺是它的詢問對象。DME地面臺總與VOR地面臺或ILS地面臺靠在一起，當在電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）控制面板上選定VOR方式時，DME的頻率與VOR頻率一起調(diào)諧；當在EFIS控制面板上選定ILS方式時，DME頻率與ILS頻率一起調(diào)諧。但在EFIS控制面板上選定MAP和PLAN方式時，DME頻率是由飛機管理計算機提供的。DME距離的顯示可以在無線電遠距磁顯示器（RDMI）上，也可以在EHSI上，距離>=100海里時，顯示可以精確到1海里。距離<100海里時，DME距離顯示可以精確到十分之一海里。DME系統(tǒng)有故障，顯示為空白，距離超出允許顯示范圍，或無計算數(shù)

3、據(jù)，顯示為虛線。選定ILS或VOR方式，DME距離在EHSI上顯示，但選定MAP和PIAN方式時，EHSI上顯示的是根據(jù)飛行管理計算機來的待飛距離（distance-to-go），而不是DME距離。一 DME系統(tǒng)的組成DME系統(tǒng)是一種詢問應答式脈沖測距系統(tǒng)，由機載設備和地面設備組成，見圖1。圖1 DME系統(tǒng)的組成(1) DME系統(tǒng)地面設備DME系統(tǒng)地面設備由應答器、監(jiān)視器、控制單元、機內(nèi)測試設備、天線和電鍵器組成。應答器是DME系統(tǒng)地面設備的主要組成部分，它由接收機、視頻信號處理電路和發(fā)射機組成。接收機的作用是接受、放大和譯碼所接受的詢問信號；視頻信號處理電路的主要作用是對詢問脈沖譯碼，并經(jīng)過

4、一定的時間的延遲后，產(chǎn)生編碼回答脈沖對；發(fā)射機的作用是產(chǎn)生、放大和發(fā)送回答脈沖對。現(xiàn)在民航使用的DME設備通常具有全固態(tài)設計、微機控制及采用雙監(jiān)控器、雙應答器構型等特點，從而大大提高了地面信標設備工作的可靠性、精度和可維修性，如AWA公司生產(chǎn)的LDB102型測距設備和ALCATEL公司生產(chǎn)的FSD-40/45型測距設備等。以AWA公司生產(chǎn)的LDB102型測距設備為例。LDB102型測距機由接收機單元(RV)、發(fā)射機驅(qū)動器(TD)、測試詢問器(TI)、發(fā)射機電源模塊、監(jiān)視單元、1千瓦射頻放大單元(僅用于1kW設備)、控制和測試單元(CTU)、射頻面板、交流電源單元、天線、遠端維護與監(jiān)視系統(tǒng)(RM

5、M，通常與VRB52D型DVOR共同使用)等組成。圖2為設備簡要框圖及信號流程(以1kW單機為例)， 以下介紹1kW單機系統(tǒng)，雙機系統(tǒng)的每一個應答機與之相同。150W設備除1kW射頻放大單元外，其余流程相同。接收機模塊主要提供接收的功能。發(fā)射機驅(qū)動器上有脈沖整形板、激勵器、中頻功放器、功率調(diào)制放大器測試詢問器包括主板、射頻產(chǎn)生器、調(diào)制和檢測器、應答檢測器以及衰減器。測試詢問器是一個獨立的工作單元，它以一定的速率模擬飛機進行詢問，測距機(DME)應答機將這些詢問脈沖作為正常的詢問并給出相應的應答。監(jiān)視器從天線以及相連的測試詢問器上獲得輸入信號，這些信號代表了設備運行的參數(shù)，并且監(jiān)視器對每一個信號

6、進行通過/失敗檢測。這個通過/失敗結果由控制與測試單元獲得并且根據(jù)所需進行告警指示或者產(chǎn)生控制行動控制和測試單元監(jiān)視、控制并且測試LDB102型測距機(DME)內(nèi)部不同的功能。1千瓦射頻功率放大器由功率分配器，功率合成器和10個250W的射頻放大模塊組成。射頻面板位于控制與測試單元后的機柜后部。所有的天線反饋及耦合元件，使150W或1kW設備功率放大器降低射頻衰減和泄露。射頻面板上安裝有定向耦合器、環(huán)流器和接收機預選濾波器。發(fā)射機電源模塊產(chǎn)生發(fā)射機驅(qū)動器所需的電流，在150W機器中，射頻功率放大器的所需電源也由此產(chǎn)生。交流電源單元用于將220V交流變壓后，給設備提供所需24V直流等，并給備用電

7、源充電。遠端維護和監(jiān)視系統(tǒng)負責監(jiān)視LDB102(通常還有VRB52D型DVOR)的操作和狀態(tài)參數(shù)，并且可以進行開/關機操作。它包括臺站維護處理器(NMP)和中央監(jiān)視終端系統(tǒng)等。臺站維護處理器安裝在機柜上，它是一個包含四個串口的信號板計算機，包含0.5M字節(jié)電池后備的內(nèi)存和一個電池備份的實時時鐘。中央監(jiān)視終端系統(tǒng)安裝在監(jiān)控中心，它包括一個IBM兼容機(至少486)和一個工業(yè)標準操作系統(tǒng)(Windows3.11)以及中央監(jiān)視終端系統(tǒng)軟件。天線有兩種：Chu天線和內(nèi)掃描DME/N型天線。通常使用內(nèi)掃描DME/N型天線。圖2 LDB102型測距設備簡要框圖及信號流程來自飛機的詢問信號被測距機(DME)

8、的天線接收，天線連接到測距機(DME)設備上的射頻板。信號流經(jīng)定向耦合器和環(huán)流器后到預選濾波器。環(huán)流器的作用是防止耦合的發(fā)射機輸出直接進入接收機。預選濾波器包含三個調(diào)諧到接收頻率的耦合諧振腔，它隔離中頻鏡象頻率，隔離偽頻率并且對發(fā)射機輸出頻率更進一步衰減。然后，詢問信號送到接收機模塊。接收機檢測并解碼“通道視頻”而且對同步回答觸發(fā)脈沖對編碼。如果必要，隨機應答脈沖對被加上，對于同步應答保持一個最小應答率945Hz。通過減少接收機靈敏度，最大應答率被限制在2800Hz。1350Hz的識別碼在每40秒發(fā)送一次。接收機輸出應答脈沖對觸發(fā)發(fā)射機驅(qū)動器模塊上的調(diào)制產(chǎn)生器，送到1千瓦射頻功放模塊。發(fā)射機驅(qū)

9、動器的激勵頻率由接收機模塊上的本地振蕩器提供。功放上的輸出被送回到射頻板上，經(jīng)過環(huán)流器和定向耦合器到天線，對飛機發(fā)送應答信號。在雙機系統(tǒng)上，射頻板上含一個同軸轉(zhuǎn)換中繼，當一臺發(fā)射機連接到天線時，另一臺發(fā)射機連接到假負載。設備中還包括一個測試詢問器和一個監(jiān)控器，這兩個單元一起用于檢測測距機的性能。測試詢問器連續(xù)地向測距機(DME)詢問這如同模擬一架飛機，發(fā)射機對這些信號進行應答，然后監(jiān)控器檢測并處理應答信號對應答信號各項參數(shù)進行門限比較。測試詢問器產(chǎn)生的詢問脈沖通過定向耦合器到信標接收機，應答機對這些詢問的應答也通過此定向耦合器送到測試詢問器。(2) DME系統(tǒng)機載設備機載DME系統(tǒng)由詢問器、距

10、離指示器、天線和控制盒組成。機載DME詢問器由發(fā)射機、接收機和距離測量電路等組成，完成信號的發(fā)射、接受和距離的測量。控制盒對詢問器收發(fā)信機提供需要的控制和轉(zhuǎn)換電路，還可以對VHF通信或?qū)Ш浇邮諜C提供頻率的選擇。DME距離指示器可以顯示飛機到地面DME臺的斜距，飛機的地速以及飛機到臺時間等信息。詢問天線的作用是發(fā)射詢問信號和接受回答信號，它是具有垂直極化全向輻射圖形的單個L波段天線。詢問器是DME系統(tǒng)機載設備的主要組成部分，目前的典型產(chǎn)品有Collins DME-700、Bendix DME-37A DME詢問器等700系列DME。以Collins DME-700為例，Collins DME-7

11、00在對臺工作方式時可提供多個所選地面信標臺的距離信息；在自由掃描工作方式時，可提供在其工作范圍ienei的所有地面信標臺的距離信息。距離信息供給飛行管理計算機系統(tǒng)用于高精度定位，并可在駕駛艙顯示。另外，在上述兩種工作方式時，還可以提供所選信標臺的音響信號。Collins DME-700由機殼、電源、頻率合成器、激勵器、功放、接收機、視頻處理器、距離處理器、和監(jiān)控器等組件組成。如圖3是Collins DME-700組成簡化框圖。圖3 DME-700組成簡化框圖機殼組件包括母板組件、后部插座、射頻連接板和環(huán)行器/低通濾波器組件。電源組件的作用是把115V、400Hz飛機電源變換為DME工作所需要

12、的直流電壓。頻率合成器組件的功能是為所選擇的DME信道產(chǎn)生正確的發(fā)射機信號。它包括一個VCO和一個穩(wěn)定主控振蕩器(SMO)。VCO產(chǎn)生L波段信號，并經(jīng)由激勵器-功放組件放大和調(diào)制。SMO包括鎖相環(huán)，用以給VCO產(chǎn)生調(diào)諧電壓。激勵器組件調(diào)制并放大來自頻率合成器的L波段信號，供給功放脈沖的RF輸出信號，供給接收機連續(xù)波(CW)激勵信號。激勵器包括4級放大器和1級調(diào)制器。功放組件由RF放大器和調(diào)制器組成。它放大并整形加到天線上去的RF脈沖信號。接收機接受選擇、放大和檢波輸入的地對空信號。它由預選器、63MHz中放和10.7MHz中放/檢波器組成。視頻處理器由脈沖對譯碼器、中放自動增益控制（AGC）放

13、大器、輸入/輸出(I/O)裝置、數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器、ARINC429總線接口電路、識別濾波器和音頻放大器組成。完成的基本功能是：對中頻視頻輸出譯碼；控制接收機中頻增益；調(diào)諧接收機預選器；與ARINC接口；提供音頻識別信號。距離處理器由CPU、存儲器電路、發(fā)射機脈沖對編碼器。自檢信號產(chǎn)生器、控制總線接口和包括距離時鐘在內(nèi)的距離計數(shù)器網(wǎng)絡組成。它的功能是：給DME發(fā)射機產(chǎn)生激勵器和功放觸發(fā)脈沖；測量第一個詢問脈沖與所接受的第一個視頻脈沖之間的時間間隔。監(jiān)控器組件提供檢測DME-700內(nèi)部故障的設備。它由故障監(jiān)控電路、非易失性存儲器、輸入/輸出電路和DME-700面板自檢開關及故障指示器組成

14、。(3) 精密測距機(DME/P)DME/P是微波著陸系統(tǒng)(MLS)的一個必要組成部分，它提供精密測距功能。圖4為典型的DME/P地面信標應答器的方框圖可以將它看作是由兩個獨立的應答器所組成：一個用于回答FA方式詢問，另一個則用于回答IA方式詢問。每個應答器均由接收機、信號處理電路和發(fā)射機組成。兩個應答器公用一個接收機，用于接受IA方式和FA方式詢問。圖4 DME/P系統(tǒng)地面信標應答器方框圖圖5為典型的DME/P系統(tǒng)機載詢問方框圖。它由接收機、信號處理電路、發(fā)射機及其IA、FA方式編碼器等電路組成。圖5 DME/P系統(tǒng)機載詢問器方框圖二DME系統(tǒng)的測距原理(1) 測距原理DME系統(tǒng)測距是從機載

15、詢問器向地面信標發(fā)射詢問脈沖對開始的，地面臺接受這些詢問脈沖對經(jīng)過50的固定延遲后，發(fā)射應答脈沖對，見圖6。其中50固定延遲，稱為主延遲。其作用是：一則使對詢問的回答時間統(tǒng)一；二則可讀出距離指示器零海里處（相應與地面信標臺所在機場跑道的接地點處）。因此，5延遲也叫做零海里延遲。詢問器的距離計算電路根據(jù)從發(fā)射詢問脈沖對至接受應答脈沖對之間所經(jīng)過的時刻差，計算出飛機到地面信標臺的斜距。圖6 DME的測距原理示意圖由于點播傳播速度可以認為是一個常數(shù)，即，飛機到地面信標臺的斜距可以用下式來表示：式中 R詢問器與應答器之間的距離，以海里為單位；自發(fā)射詢問脈沖對到接受回答脈沖對之間所經(jīng)過的時間，以微秒為單

16、位；地面信標臺接受詢問和發(fā)送回答之間的延遲時間；射頻電波傳輸1海里并返回所需要的時間，以微秒為單位。(2) 頻閃原理要測定發(fā)射詢問脈沖對到接受應答脈沖對的時刻差，關鍵在于識別處從地面應答器應答的機載詢問器本身的應答信號。接受信號可能包括地面臺對自己詢問信號的應答信號、對其他飛機測距機詢問的應答信號以及地面信標臺斷續(xù)發(fā)射的脈沖和識別信號。為了識別地面應答機的應答信號，機載詢問機通過所謂的頻閃搜索原理來實現(xiàn)。頻閃搜索的基本原理是：使詢問器在開始詢問的一段時間內(nèi)，產(chǎn)生一串重復頻率隨機變化的詢問脈沖對，于是地面臺對飛機的應答脈沖對重復頻率也按一定規(guī)律隨機變化。由于它們的變化規(guī)律是隨機的，具有獨特的變化

17、形式，因而可以和其他飛機詢問和地面臺應答脈沖對重復頻率的隨機變化加以區(qū)別，這樣就可以使詢問器辨認出對自己詢問的應答。三 DME系統(tǒng)的信號特征和系統(tǒng)性能(1) 工作頻率DME系統(tǒng)工作在頻段內(nèi)。機載詢問器的詢問頻率在頻段，地面信標臺的回答頻率在頻段。DME系統(tǒng)信道安排為X和Y兩種信道。X信道編排為：1X,2X,126X；Y信道編排為：1Y,2Y,，126Y。這樣，DME系統(tǒng)共有256個信道。無論詢問還是回答信道，相鄰兩個信道頻率間隔為1.任何一個信道的發(fā)送和接受頻率差均為63，即式中 詢問器的詢問頻率；信標臺的回答頻率。DME系統(tǒng)的X/Y信道安排見圖7。其中X信道126個，Y信道126個。在頭63

18、X信道內(nèi)，回答頻率比機載詢問頻率低63；在64X126X信道內(nèi)，回答頻率高于機載詢問頻率63。而頭63Y信道內(nèi)，回答頻率比機載詢問頻率高63；在64Y126Y信道內(nèi)，回答頻率比詢問頻率低63。圖7 X/Y信道安排盡管民用DME系統(tǒng)設計為具有252個信道的工作能力，但其中有52個信道往往是不用的。這52個信道是：116X和Y;6069X和Y。DME實際上只能工作在1759X和Y；70126X和Y，共200個信道上。原因是：其一，在DME/VOR和DME/ILS連用方式中，VOR和ILS只占用200個信道；其二，避開1030和1090ATC應答器工作頻率，以避免與它們之間可能的干擾。由于DME系統(tǒng)

19、地面信標臺往往與VOR和ILS地面臺安裝在一起，為了充分利用頻譜，有關導航設備（如DME/VOR/ILS）工作頻率一般是配對分配的。例如：當在VOR控制面板上選定一個VOR頻率時，DME的頻率也就自動地調(diào)定了。國際民航組織（ICAO）規(guī)定的甚高頻導航與DME系統(tǒng)的頻率配對列表于表1中。表1 頻率配對分配表DME系統(tǒng)信道分配甚高頻導航頻率（）116非配對信道134.4135.91756偶數(shù)編號的DME信道與ILS配對奇數(shù)編號的DME信道與ILS配對ILS/VOR108.0112.06069非配對信道133.3134.257，58，59，70126VOR112.0117.9(2) 脈沖對及脈沖間隔

20、DME的機載詢問器和地面應答器，發(fā)射的信號都是脈沖對，對于X信道，脈沖間隔為12；射頻脈沖對的包絡為鐘形脈沖，脈沖寬度為3.5。見圖8。圖8 DME信號格式和脈沖形狀(3) 脈沖對重復頻率為保證記載詢問器的正常工作以及地面應答器的容量限制，應答機發(fā)射的應答脈沖不能低于945對每秒，同時不能高于2800對每秒。(4) 識別信號在我國，DME的識別信號為三個英文字母的摩爾斯電碼。(5) 系統(tǒng)延時DME的系統(tǒng)延時根據(jù)國際民航組織的規(guī)定為50，代表地面應答機收到詢問信號經(jīng)過處理后發(fā)射應答喜好的時間差，其目的在于克服多路徑反射波的干擾。(6) DME的容量限制國際民航組織規(guī)定，DME最多能為100架飛機

21、提供距離信息。(7) 覆蓋范圍和測距精度 DME的有效覆蓋范圍為200 n mile，在有效覆蓋范圍內(nèi)，系統(tǒng)的測距誤差不大于0.5 n mile。四 DME系統(tǒng)在飛機導航中的使用方案DME提供的斜距信息在飛機導航中可有多種用途：(1) 定位DME作為自動飛行控制系統(tǒng)的傳感器所提供的距離信息，送到飛行管理計算機系統(tǒng)（FMCS）用于飛機的精確定位。(2) 航路間隔為確保飛機的飛行安全和正常，所有在航路飛行的飛機均必須按指定的高度層和一定的距離間隔飛行。而航路間隔可利用DME提供的距離信息來實現(xiàn)。(3) 進近到機場在某些情況下，駕駛員可以利用DME提供的距離信息操縱飛機以某個方位飛向DME/VOR信

22、標臺，然后轉(zhuǎn)彎以便在新的方位上飛行到某個位置時再作圓周飛行，使飛機最后進入著陸航向，見圖9。圖9 利用DME使飛機進近到機場(4) 避開保護空域有時駕駛員為了避開某個空中禁區(qū)，可以操縱飛機在距空中禁區(qū)某一距離上作圓周飛行，待飛到一個新的徑線方位時，再朝DME/VOR信標飛行，見圖10。(5) 在指定位置等待駕駛員可根據(jù)航站DME所提供的距離信息，保持DME距離指示器讀數(shù)為常數(shù)，即做圓周飛行，以等待進場著陸。(6) 計算地速和到臺時間飛機在飛行中，DME詢問器連續(xù)地測量到所選地面信標臺的斜距。由于這個斜距是隨飛機接近或離開信標臺而變化的，所以測量斜距的變化率就可給出飛機接近或離開信標臺的速度。D

23、ME系統(tǒng)是飛機無線電導航廣泛使用的一種近程導航設備。它既可用作導航設備，也可用作機場導航設備。當它與其他近程導航和著陸設備如甚高頻全向信標(VOR/DVOR)和儀表著陸系統(tǒng)(ILS)相配合構成航線或機場導航設備時，可有多種使用方案：圖10 利用DME避開保護空域ADME系統(tǒng)用作航線導航設備DME系統(tǒng)用作導航設備時，主要有以下幾種使用方案：(a) DME/DME使用方案這種方案就是體制定位方案。飛機分別測得至兩個航線DME地面信標臺的距離來確定飛機的位置。為了提高定位精確度，消除定位的多值性，在實踐中也可同時利用三個航線地面信標臺所提供的距離信息進行定位，構成體制定位系統(tǒng)，如圖11。圖11 DME/DME和VOR/DME使用方案(b) DME/VOR/DVOR使用方案這種方案就是體制定位方案。在此定位方案中，飛機可同時接受來自VOR或DVOR提供的以磁北為基準的方位信息和來子DME地面信標的距離信息，用以確定飛機的位置。由于是ICAO審定的標準近距導航系統(tǒng)，故使用最為普遍。(c) VOR/TACAN(VORTAC)使用方案塔康(TACAN)是一種能給飛機提供到某一固定地面