1.2 自动着陆控制技术

大型客机进近着陆时多采用自动着陆的方式，即由自动飞行控制系统完全控制飞机进近着陆。目前，国内外机场多采用仪表着陆系统对飞机的着陆进行引导。首先，仪表着陆系统下滑信标台（Glide Slope, GS）和航向信标台（Localizer, LOC）分别发射两束波瓣，形成一条梯形状的虚拟下滑道。然后，机载计算机可根据接收到的下滑道信号和航向道信号的调制深度，计算得到飞机当前位置相对于下滑道中心线的角度偏差，从而调整飞机姿态，使飞机沿着下滑道稳定下滑，实现精密进近。

国际民航组织将飞机进近着陆分为三个等级：CAT I、CAT II和CAT III。进近着陆等级越高，飞机着陆时不同高度段的位置与机场给定的进近航迹的航迹误差越小，导航精度越高，对提高机场终端区调度效率的作用越大。因此，CAT III着陆系统能够有效地提高着陆精度和着陆效率，是未来进近着陆系统的发展方向。CAT III着陆系统又细分为A、B、C三种类型，划分依据是决断高和跑道视程（Runway Visual Range, RVR）。其中，决断高是指在使用下滑引导的仪表进近中决定继续下降或立即复飞的最低高度限制，决断高的识别可由无线电高度表测量；航空器下降至决断高时，如果不能取得继续进近所需的目视参考，必须执行复飞。跑道视程是指飞机位于跑道中线上时，飞行员能看清跑道道面标志或跑道边灯或中线灯的最大距离；自动着陆系统工作时，飞行员在接地区和跑道上需要及时且可靠的能见度情况报告；跑道视程是用视距测量仪表系统及解析周边背景灯光效果和跑道灯强度的办法测量的。CAT III A着陆是指决断高低于30m或无决断高、跑道视程小于200m的精密进近着陆，CAT III B着陆是指决断高低于15m或无决断高、跑道视程小于200m但不小于50m的精密进近着陆；CAT III C着陆是指无决断高和无跑道视程的精密进近着陆。

CAT III着陆控制技术是未来民航客机进近着陆的主要着陆引导途径。国外对CAT III着陆控制技术的研究和实施已有较深厚的经验积累，CAT III着陆控制技术及配装设备的发展也日臻成熟。1969年，法国内陆航空的快帆飞机成为民用航空史上首架实施CAT III A着陆的航空器；后续的“三叉戟”飞机、波音B747飞机（1971年）、协和式飞机（1975年）等航空器均获得了CAT III A着陆批准。目前，国外航空公司机场以及机载设备均以满足CAT III着陆系统为目的进行配装。

相较于国外，国内针对CAT III着陆系统的研究起步较晚，但也在积极追赶。目前，国内民航以国外已具备CAT III着陆系统的航空器为基础，积极推进能够满足CAT III着陆条件的机场建设。CAT III着陆控制技术的研究在近几年取得了突破，根据中国民航网报道，2017年3月30日，随着一架东方航空公司运营的空客A330飞机在上海浦东机场第二跑道成功降落，浦东机场34L跑道仪表着陆系统的CAT III A盲降飞行程序和低能见度运行程序的验证试飞工作顺利完成，标志着浦东机场第二跑道的设备以及运行程序已经初步满足CAT III A着陆条件。浦东机场执行的CAT III A着陆以仪表着陆系统为引导基础，建立了ILS-III A类运行保障系统，使得浦东机场在跑道视程大于175m、云层高于15m的气象条件下具备完全依靠机载计算机和仪表引导实现飞机自动安全起降的能力。在此之前，国内机场仪表着陆系统的最高进近着陆等级为CAT II，相比于CAT II标准（跑道视程大于350m，云层高于30m），CAT III标准可在天气和能见度更为恶劣的情况下，提升机场航班保障能力，减少由于雾霾等低能见度天气对航班运行和旅客出行的负面影响。此次CAT III A着陆的试飞成功，为浦东机场最终通过CAT III A运行审批奠定了基础，浦东机场也成为国内民航第一家具有ILS-III A运行保障能力的民用机场，跻身全球飞机起降运行保障水平最高的民用机场行列，填补了国内CAT III A运行的空白。同年12月4日，北京首都国际机场完成了基于平视显示器（Head Up Display, HUD）的跑道视程为90m的可靠能见度下起飞，以及CAT III A着陆验证飞行。近几年，为了提升运行效率，中国民航在新技术应用上取得了很大突破，此次试飞，在华北空管的指挥下，一架空客A320飞机和一架波音B737飞机仅间隔7min，先后在首都国际机场以CAT III标准平稳着陆，实施CAT III A后，首都国际机场最低标准由跑道视程为300m进一步降低至跑道视程为175m，有效地减少雾霾等能见度低的天气下对旅客出行的影响，大幅度提高首都国际机场对客机进近着陆调度的效率，同时也标志着首都国际机场成为国内第二个具备实施CAT III A的机场。首都国际机场完成试飞后不久，上海浦东机场正式实施CAT III。

2019年8月6日，北京大兴国际机场圆满完成了CAT III B着陆。当天17时43分、17时46分、17时56分、18时24分、21时33分，东方航空公司的一架空客A320飞机、首都航空公司的一架空客A330飞机、中国联合航空公司的一架波音B737飞机、河北航空公司的一架波音B737飞机、成都航空公司的一架ARJ21 5飞机，在华北空管的指挥下，依次在大兴国际机场平稳着陆，实现了决断高低于15m、跑道视程不小于75m的着陆。

在建设满足CAT III着陆机场的同时，中国民航也在进一步发展大型客机进近着陆段可用的导航传感器。2019年9月2日，中国民航顺利完成美国霍尼韦尔公司和中国电子科技集团公司推出的两个型号的卫星导航地基增强系统（Ground-Based Augmentation System, GBAS）地面设备合格审定及测试工作，标志着地基增强系统这项新技术在中国民航的许可认证工作取得阶段性成果。地基增强系统是一套由卫星信号引导的飞机着陆系统，主要用于航空器进近着陆，通过全球卫星导航系统实现航空器精密进近，可以极大提升飞行安全性，减少由天气原因造成的复飞和返航，增强飞行运输能力及着陆能力。该技术的推行，进一步加快了国内机场实现CAT III着陆系统的建设。

CAT III着陆控制技术的使用不仅极大地减轻了飞行员的工作负担，同时也提高了飞机的精确性和可靠性，解决了因为天气而产生的安全和经济利益之间的矛盾，进而提高市场竞争力，还提高了机场运行效率和航班的经济性。最重要的是，大幅度提高了进近着陆段飞机的安全性和可靠性。因此，CAT III着陆对民用航空的发展至关重要。虽然国内近两年加快了CAT III着陆的研究，但是目前在CAT III着陆的研究成果和进度仍然大幅度落后于国外。例如，国产大型客机C919是首次配备了CAT III A着陆功能的国产民航客机，但国内能够实施CAT III着陆的机场仅有香港地区、北京和上海三地。为了提高中国民航的竞争力，对CAT III等级自动着陆系统的研究势在必行。要达到CAT III着陆，不仅要求自动飞行控制系统具有相应的可靠性和控制精度，而且要求用于着陆控制的地面导航设备和机载导航设备达到相应的精度水平，能够为CAT III着陆系统提供高精度的导航信息。因此，如何对CAT III着陆过程的可用导航传感器测量信息进行融合得到高精度的导航信息，对CAT III着陆的实施至关重要。

本书对满足CAT III着陆的高精度、强鲁棒性控制技术进行研究，其研究范围包括进近着陆段和地面滑跑段，研究重点在于自动着陆控制律设计、着陆引导策略和地面综合控制技术三个方面。因此，下面主要针对上述三个方面的研究现状进行介绍。