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，助航灯光系统设臵了不同的回路，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臵了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。红外通讯装臵安装于跑道边缘，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，分别设臵一个出口站，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。

4基于红外通讯的巡检监控系统

4.1 通讯环路的结构

环形结构是一种常用的拓扑结构。环形网中每个节点对占用环路传送数据都有相同权力，它发送的信息流按环路设计的流向流动。为了提高环路通讯的可靠性，可采用双环或多环等冗余措施来解决。在本系统中，采用双向环结构，当环中某站点出现故障，数据流将反向流动，可检测出环中的故障点，及时进行修复。

检测系统通讯环路中的站点是由检测单元构成，负责灯光状态的采集和数据的转发。大部分机场都有多个灯光站，因此要求通信网中要有多个出口能与灯光站联系，图6是本系统通信网的简易图，图中站点（黑点）为灯位检测单元，与灯光站（图中的A站、B站、C站、D站）相邻的又叫做出口站点。

图6 机场助航灯光检测系统通信网结构图

为了减少加工及设计的复杂度，出口站点与检测单元在硬件和软件上的设计都是一样的，不用单独设计出口站点（量较小），但设计板上用一个开关来控制该单元的状态。

根据监控系统的要求以及机场的实际情况，本项目在FDDI（光纤分布式数据接口,Fiber Distributed Data Interconnect）基础上进行修改，提出多出口双向环形网访问控制方式。多出口双向环形采用红外线作为传输介质。在FDDI中外环一般在系统出现故障是才接通使用。而双向环形网则使用接力控制方式，连续使用内外环。

本系统采用单向控制方式，只有出口站才能主动发送命令。当某个站点接收到命令信号，则将本站点臵成“忙”，不接收下个站点的数据；然后该站点检测自身是否有状态数据要发送，如果有，则将数据转发到上个站点（发送命令站点），与上个站点通讯完毕后，该站点判断是否要将命令传递下去，如果是本站主动发送的，就将命令卸去，否则转发到下个相邻的站点。除了出口站外，任何站点都不能主动产生命令，都只能进行命令的转发与数据的发送和转发；在环路没有出现故障时，命令信号循环一周后将由出口站卸去。

发送、转发数据帧是每个站点的基本任务，它与命令传输最大的区别在于每个站点都可以主动发送数据帧，站点都努力将本站的数据（包括转发的数据）发送出去，所有数据最终由相应出口站接收，传给控制主机。但是，所有数据的产生都是由于命令信号，站点根据接收到命令进行检测产生其它的数据信息。

当某个站点出现故障，故障点的上一个站点将产生报错信息，并作为一种数据发送到上上个站点，最终返回到控制主机，由主机

进行处理，如果有必要主机将发送命令按反方向进行检测，图7是双向环形网出现故障时的访问控制过程。

图7 双向环形网出现故障时的访问控制过程

4.2 红外通讯与系统结构设计

4.2.1 红外通讯的特性及调制方式

无线红外数字通讯是以红外线作为载体来传送数据信息，它作为无线通讯的一种，与无线电通讯相比，由于其性能价格比高，实现简单，具有抗电磁干扰、便于高速应用、空间接入灵活、经济的特点。

系统中使用ASK调制方式主要考虑到下面几个原因：(1) 红外系统经常用于存在有高强度红外辐射的环境或背景中，这种高强度红外辐射通常是由散热器、钨丝点灯和人体灯热源所产生的。为了

使红外系统能够区分出背景环境中的红外辐射并提供具有良好效果的传输范围，发射机所发射的红外光束总是由频率来调制。(2) 根据红外线波长以及空气中尘埃、水分子的特性，系统采用38KHz脉冲进行调整。(3) 红外LED和光敏探测器是反应极为快速的器件，因而一个红外系统的有效传输范围是由馈送给发射LED的峰值电流而不是由平均电流所决定的，因此可以降低功耗。

4.2.2 系统结构设计

(1) 系统整体结构

本系统设计主要分成五个模块：信息处理模块、电源监控模块、电源模块、红外发射接收模块、状态检测模块。如图8所示。

图8 系统整体设计框图

单片机P89LPC922是信息处理模块的核心，它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。P89LPC922集成了许多系统级的功能：看门狗、上电复位、2

个可选择输入和参考源的模拟比较器、增强型UART（具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用的中断功能）、400kHz字节宽度的I2C通讯端口、可配臵的片内振荡器及其频率范围和RC振荡器选项。这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。

(2) 接收模块

红外线数据传输距离较短，一般的发送接收电路不能满足实际应用，必须采用AGC电路更好的接收红外数据，增长接收距离。图9是红外接收电路的原理框图。

图9 红外接收模块的原理框图

(3) 发射模块

增加红外通讯距离其中的一个办法就是提供发射功率，即提高发射电流。但是电流也不能太大，一方面将对电源提出更高要求，在本系统中电源模块是设计的最大一个难点。另一方面，红外发射管的功率都有一定限制，一般的发射管浪涌电流不能超过1A。因此系统设计时采用600mA的脉冲发射电流，平均电流达到300mA，这对

电源会产生一定的影响。

图10 发射电路的原理图

为了保证发射电路能可靠的以600mA电流发射信号，电路中采用恒流源供电方式。图10是发射电路的原理图，图中使用两个红外发射管，可以增加通讯距离。经实地测量，使用图9和图10的发送接收电路，并以2400bit/S的速率传输数据，有效距离已达到50m，测量时也加入干扰源（日光、灯光）。

4.3 巡检系统检测的内容及实现方式

本系统将对灯泡老化、灯泡断芯、隔离变压器的封装桶入水进行检测。

(1) 灯泡断芯

灯泡断芯检测是本系统最主要的任务，根据前面的分析可知，当灯泡断芯时，隔离变压器两边（即灯泡两边）电压将迅速上升，

巡检系统就利用这个特性进行灯泡的断芯检测。将输入电压整流、分压，接入比较器一端，由单片机检测比较器的输出。电路中的分压比等参数都是根据实际测量的数据进行计算得出的。

(2) 灯泡老化

一些发达国家在消费观念上与我国有很大的差别。发达国家的助航灯光，灯泡固定用1000个小时，达到这个时间后，不管坏与不坏都进行更换。在我国就不一样，不坏一般不换。其实比较暗的灯泡也应该换，但暗到什么程度，没有一个衡量的标准。只能凭肉眼估计，由于不同人对暗的判断不一样，形成了灯光亮度不均匀性。在能见度不好时，灯光排列有不少空缺的感觉，存在安全隐患。

助航灯的灯泡与普通灯的灯泡不同，其灯泡老化时，灯泡电阻减小，由于系统是恒流供电，灯泡两端电压降低，用比较器对其电压进行比较判断。由于没有统一标准，实际应用时，考虑每个机场工作人员对灯暗定义不同，在电路中加入精密可调电阻进行调节。

(3) 隔离变压器封装桶的入水

任何含有矿物质的水均能导电。在隔离变压器的封装桶内，水含有桶被氧化的铁的成份，可以导电。本系统采用简单方式，使用两个导线作为探头，有水时，两根导线就会由水作介质，形成电流。此电流作为封装桶内入水的标志信号。

4.4宽交流输入的直流稳压电源

电子设备需要直流电源为其供电，以便使其内部的电子电路得到正常工作所必需的能源。考虑到成本问题，大多数设备的直流供

电方式都是将交流电经过变压、整流、滤波、稳压等一系列变换，得到所需的直流电压。现代设备中常用的稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关稳压电源。本系统中的直流稳压电源设计也按线性稳压电源和开关稳压电源进行尝试，最后根据系统的特性设计出能实际应用的直流稳压电源。

本系统要在四级调光的状态下工作，根据灯泡的不同状态（正常、老化或者断芯），隔离变压器的次级输出在10V到400V以上，所以所设计的直流稳压电源需要满足这么宽的输入范围。对各大公司和电源公司进行咨询，目前查到的芯片（模块）的输入电压范围最大为85V到264V。随着半导体技术发展，可能有满足要求的芯片（模块）问世，但价格必定昂贵，无法满足系统的低成本要求。

(1) 线性稳压电源方式

串联式稳压电路是目前应用较多得电路，它能提供几十毫安至十几安培的负载电流。串联式稳压电路得原理如图11所示，图中：RL为等效负载电阻；RS为串联调整元件的等效可变电阻，利用它能自动调整的原理，达到稳压的目的。

图11 串联式稳压原理

从图11进行粗略计算便知：当输入电压Ui为400V，输出为5V，负载电流为1A时，整个Rs的损耗将达395W。即使使用复杂电路进行改进，也改善不了多少。由于本系统使用的隔离变压器为200W，输出电压有所降低，Rs的损耗不可能达到395W，但也接近195W。这样的损耗将对铁桶产生影响，也使设备的老化速度剧增。

实验证实这样的电路是无法工作的。由于没有一种稳压器件能满足12V至400V的稳压范围，实验中采用BUT11A作为调整管、LT1117作为稳压器件。输入电压为5V，输出电流为500mA，调整管损坏达到80W，几分钟后BUT11A自动进行保护状态。

(2) 开关稳压电源方式

开关电源是一种较新的稳压电源，它和线性稳压电源在原理上有本质的区别，它的电压调整管工作在开关状态，必须经过储能电路的变换才能得到平滑、稳定的直流电压输出，它是通过取样电压控制和改变调整管导通或截止时间来实现稳定的电压输出的。

常用的开关稳压电源主要是串联型，图12是串联型大致组成框图。

图12 串联型开关稳压电源组成框图

但是开关电源的稳压范围对开关电源的性能有较大影响。在其它条件不变的情况下，稳压范围越大，转换效率越低，且可靠性下降，反之亦然。

图13是典型串联型开关稳压电源的等效原理图。一方面，起始时，输入端加上400V电压，电容C电量为零，此时开关管T的压降达到400V，导致开关管集电极电流Ic增大，进而导致开关管瞬时耗散功率Pc以及开关损耗Ps的增大（因Ps随Ic的增大而增大）；另一方面，控制开关管的脉冲并不是理想脉冲波形，有一定的上升沿和下降沿，这也导致开关管的耗散功率Pc增大。最终导致开关电源效率的降低和可靠性的下降。

图13 典型串联型开关稳压电源的等效原理图

(3) 输入电压分段处理方式

单从线性或开关稳压电源都无法设计出满足系统要求的电源。本设计在前端部分加入控制模块，其电源模块的原理框图如图14。