DME的原理

测距机距离测量设备DME是Distance Measuring Equipment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（机载DME询问机)和地面应答器(DME天线和地面DME台)组成。DME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DME测得的斜距视作飞机到地面台的平距。DME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DME系统时，使飞机能识别自己发射的询问信号。同时，每个DME地面台都能周期性地用摩尔斯码,以1350Hz发射该台的识别字母，使飞机可以确认哪个DME地面台是它的询问对象。DME地面台总与VOR地面台或ILS地面台靠在一起，当在电子飞行仪表系统（EFIS）控制面板上选定VOR方式时，DME的频率与VOR频率一起调谐；当在EFIS控制面板上选定ILS方式时，DME频率与ILS频率一起调谐.但在EFIS控制面板上选定MAP和PLAN方式时，DME频率是由飞机管理计算机提供的。DME距离的显示可以在无线电远距磁显示器（RDMI）上,也可以在EHSI上，距离=100海里时，显示可以精确到1海里。距离100海里时，DME距离显示可以精确到十分之一海里。DME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ILS或VOR方式,DME距离在EHSI上显示，但选定MAP和PIAN方式时,EHSI上显示的是根据飞行管理计算机来的待飞距离(distancetogo）,而不是DME距离。一 DME系统的组成DME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。图1 DME系统的组成(1) DME系统地面设备DME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DME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DME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AWA公司生产的LDB102型测距设备和ALCATEL公司生产的FSD40/45型测距设备等.以AWA公司生产的LDB102型测距设备为例。LDB102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(CTU)、射频面板、交流电源单元、天线、远端维护与监视系统(RMM,通常与VRB-52D型DVOR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。150W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(DME）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LDB102型测距机（DME）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250W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150W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150W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220V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LDB102（通常还有VRB52D型DVOR)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(NMP)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0.5M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IBM兼容机（至少486)和一个工业标准操作系统(Windows3.11)以及中央监视终端系统软件.天线有两种:Chu天线和内扫描DME/N型天线。通常使用内扫描DME/N型天线.图2 LDB102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(DME)的天线接收，天线连接到测距机（DME）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945Hz。通过减少接收机灵敏度，最大应答率被限制在2800Hz。1350Hz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（DME）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) DME系统机载设备机载DME系统由询问器、距离指示器、天线和控制盒组成.机载DME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VHF通信或导航接收机提供频率的选择.DME距离指示器可以显示飞机到地面DME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DME系统机载设备的主要组成部分，目前的典型产品有Collins DME700、Bendix DME-37A DME询问器等700系列DME。以Collins DME-700为例，Collins DME-700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ienei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。Collins DME700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Collins DME700组成简化框图。图3 DME-700组成简化框图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115V、400Hz飞机电源变换为DME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DME信道产生正确的发射机信号。它包括一个VCO和一个稳定主控振荡器（SMO)。VCO产生L波段信号,并经由激励器-功放组件放大和调制。SMO包括锁相环,用以给VCO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、63MHz中放和10.7MHz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（AGC）放大器、输入/输出（I/O)装置、数字/模拟(D/A）转换器、ARINC429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ARINC接口；提供音频识别信号。距离处理器由CPU、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DME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DME700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DME-700面板自检开关及故障指示器组成。(3) 精密测距机(DME/P)DME/P是微波着陆系统（MLS）的一个必要组成部分,它提供精密测距功能。图4为典型的DME/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.图4 DME/P系统地面信标应答器方框图图5为典型的DME/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.图5 DME/P系统机载询问器方框图二DME系统的测距原理(1) 测距原理DME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50的固定延迟后，发射应答脉冲对,见图6。其中50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(相应与地面信标台所在机场跑道的接地点处）.因此,5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.图6 DME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，飞机到地面信标台的斜距可以用下式来表示:式中 R询问器与应答器之间的距离，以海里为单位；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；-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 DME系统的信号特征和系统性能(1) 工作频率DME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。DME系统信道安排为X和Y两种信道。X信道编排为：1X,2X，,126X；Y信道编排为：1Y,2Y,，126Y.这样，DME系统共有256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，即式中 询问器的询问频率；信标台的回答频率。DME系统的X/Y信道安排见图7.其中X信道126个，Y信道126个。在头63X信道内，回答频率比机载询问频率低63;在64X126X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64Y126Y信道内,回答频率比询问频率低63。图7 X/Y信道安排尽管民用DME系统设计为具有252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：116X和Y;6069X和Y。DME实际上只能工作在1759X和Y;70126X和Y，共200个信道上。原因是：其一，在DME/VOR和DME/ILS连用方式中，VOR和ILS只占用200个信道；其二，避开1030和1090ATC应答器工作频率，以避免与它们之间可能的干扰.由于DME系统地面信标台往往与VOR和ILS地面台安装在一起，为了充分利用频谱,有关导航设备（如DME/VOR/ILS）工作频率一般是配对分配的。例如：当在VOR控制面板上选定一个VOR频率时，DME的频率也就自动地调定了.国际民航组织(ICAO)规定的甚高频导航与DME系统的频率配对列表于表1中。表1 频率配对分配表DME系统信道分配甚高频导航频率（）116非配对信道134。4135。91756偶数编号的DME信道与ILS配对奇数编号的DME信道与ILS配对ILS/VOR108.0112.06069非配对信道133。3134。257，58，59,70126VOR112。0117.9(2) 脉冲对及脉冲间隔DME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12;射频脉冲对的包络为钟形脉冲,脉冲宽度为3.5。见图8。图8 DME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945对每秒，同时不能高于2800对每秒。（4） 识别信号在我国，DME的识别信号为三个英文字母的摩尔斯电码。(5) 系统延时DME的系统延时根据国际民航组织的规定为50，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） DME的容量限制国际民航组织规定，DME最多能为100架飞机提供距离信息。(7) 覆盖范围和测距精度 DME的有效覆盖范围为200 n mile，在有效覆盖范围内，系统的测距误差不大于0。5 n mile.四 DME系统在飞机导航中的使用方案DME提供的斜距信息在飞机导航中可有多种用途：(1) 定位DME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(FMCS）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DME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DME提供的距离信息操纵飞机以某个方位飞向DME/VOR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。图9 利用DME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DME/VOR信标飞行，见图10。(5) 在指定位置等待驾驶员可根据航站DME所提供的距离信息，保持DME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，DME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.DME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(VOR/DVOR)和仪表着陆系统(ILS）相配合构成航线或机场导航设备时，可有多种使用方案：图10 利用DME避开保护空域ADME系统用作航线导航设备DME系统用作导航设备时,主要有以下几种使用方案：(a） DME/DME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DME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。图11 DME/DME和VOR/DME使用方案(b） DME/VOR/DVOR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VOR或DVOR提供的以磁北为基准的方位信息和来子DME地面信标的距离信息，用以确定飞机的位置。由于是ICAO审定的标准近距导航系统，故使用最为普遍.（c） VOR/TACAN(VORTAC）使用方案塔康（TACAN）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TACAN与DME系统具有相同的测距功能，因此TACAN系统的机载设备与DME系统的地面设备，或者DME系统的机载设备与TACAN系统的地面信标可以互相配合工作，两者完全相容。BDME系统用作机场导航设备DME系统用作机场导航设备时，可有以下三种使用方案:(a） DME/ILS使用方案在某些不便于安装指点标的机场内，常由DME系统地面信标与ILS相配合。即使在微波着陆系统（MLS）代替(ILS）功能后,MLS仍需要有提供距离信息的相应设备，即精密测距机（DME/P),只不过DME/P可提供更加精确的距离信息而已。(b）DME/TVOR/DVOR使用方案这与航线体系定位系统类似，即由机场DME地面信标与机场全向信标(TVOR）或机场多普勒全向信标(DTVOR）相配合,构成体制定位系统。此方案既可以更加有效的利用空域外，还可以提高在ILS进近程序中的安全性。（c）DME/DME使用方案这也与航线体制定位系统类似.DME/DME使用方案构成机场航站体制定位系统.在某些小机场内，设备还可以用作短场起落（STOL)和垂直起落（VTOL）飞机的着陆设备。CDME系统用于区域导航(RNAV）区域导航是指那些能够在一个广阔的区域内提供导航能里的导航系统。现在民用飞机已普遍使用以VOR/DME为基础的RNAV系统，即VOR/DME RNAV系统.它是一种利用VOR的方位角、DME的斜距以及气压高度作为基本输入信号，来计算飞机到某个航路点的航向和距离的导航和引导系统。图12为VOR/DME RNAV系统示意图。图13为典型的RNAV系统方框图。它由导航计算机、VOR接收机、DME询问器、中央大气数据计算机、控制显示单元、水平状态指示器和自动驾驶侧滚通道所组成.图12 VOR/DME RNAV系统