AC311A直升機S模式應答機信號丟失問題分析與處理

范 翠

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

空中交通管制的目的是有序地組織和實施空中交通，防止飛機相撞，保證飛行安全，同時提高航空交通繁忙空域特別是中心機場的利用效率。機載應答機是空中交通管制雷達信標系統的機載設備，與地面二次雷達配合工作，其功能是向地面管制中心報告飛機的識別代碼、飛機的氣壓高度及一些特殊代碼等[1]，在軍用敵我識別和民用航空交通管制方面起著至關重要的作用。

AC311A直升機在適航取證試飛過程中，S模式應答機信號頻繁丟失，無法持續回答地面二次雷達系統的詢問信號，不能為空中交通管制員提供直升機的位置和識別信息，很大程度上影響了民用航空的安全與效率，保障不了飛行安全，極易造成災難性后果。

1 問題描述

AC311A直升機試飛過程如圖1所示。S模式應答機代碼設置為4402，直升機由呂蒙機場(距昌北機場塔臺130km)起飛進入試飛航線，爬升到高度1800m，以速度180km/h背臺平飛，應答機信號丟失頻繁。直升機繼續爬升至5000m，爬升過程中依然存在應答信號丟失的情況。當爬升至5000m后，直升機背臺平飛，最大應答距離為143km。試飛過程中應答機作用距離記錄見表1。

圖1 試飛過程示意圖

應答機作用距離/(km)143144148有無應答指示背臺有丟失無向臺有丟失無

根據適航咨詢通告的規定，旋翼航空器在距雷達站80海里(148km)以內的整個空域，從無線電視距高度到旋翼航空器合格審定最大高度的90%～100%高度上沿直線平飛時，空中交通管制(ATC)應答機系統應能給詢問雷達站提供強而穩定的回答信號。當旋翼航空器在上述空域內作下列機動飛行時，其丟失信號的時間不應超過20s[2]：

1) 側傾角直至10°的轉彎；

2) 以正常的最大爬升和下降姿態進行爬升和下降。

試飛結果表明，在1800m到6000m高度爬升、下降、轉彎過程中，二次監視雷達收到的應答機信號不穩定，丟失信號時間超過20s；在5000m高度平飛時，應答機作用距離143km，不滿足作用距離148km的要求。

2 原因分析

機載應答機信號的穩定性及作用距離與直升機飛行高度、飛行姿態、地形狀況、天線位置及發射機發射功率等因素密切相關。從設計角度，應答機信號的穩定性及作用距離主要取決于天線的輻射效能、輻射功率大小及發射機與天線間互聯線纜上的信號衰減這三個方面。

2.1 天線布局對輻射效能的影響

S模式應答機天線為垂直極化的全向刀型天線，裝機時要求周圍無明顯金屬遮擋物，其接收頻率為1030MHz±0.2 MHz，發射頻率為1090MHz±1 MHz。天線在機上安裝位置如圖2所示。其中，天線位置1為原安裝位置，天線位置2為研制單位經過理論分析后確定的安裝位置，空速管為垂直安裝的金屬件，與天線1距離200mm(約為2/3波長)。通過電磁仿真分析軟件計算的天線自由空間和裝機輻射方向圖如圖3所示。

圖2 天線安裝示意圖

圖3 天線輻射方向圖

從圖3中可以看出，裝機后天線的輻射方向圖在空速管一側畸變嚴重。在位置2處天線增益較自由空間最大下降5.34dB，比位置1處情況更為惡劣，表明天線在直升機上安裝位置的不同會嚴重影響天線的輻射效能。由于天線輻射效能降低，S模式應答機在試飛過程中即表現為應答信號不穩定，丟失信號時間超過20s。

2.2 發射功率對作用距離的影響

根據電磁波傳輸理論，接收機接收到的發射源信號電平為：

PR=PT+GT-LT-L(f,d)+

GR-LR-LP

(1)

式中：PR為接收機接收到的信號電平，單位dBm；PT為發射機功率，單位dBm；GT為發射天線增益，單位dBi；LT為發射機與發射天線互連電纜損耗，單位dB；L(f,d)為電磁波自由空間損耗，單位dB；GR為接收天線增益，單位dB；LR為接收機與接收天線互連電纜損耗，單位dB；LP為發射天線與接收天線極化失配損耗，單位dB。

其中，電磁波自由空間傳輸損耗計算方法如下[3]：

L(f,d)=32.44+20 lgf+20 lgd

(2)

式中：f為接收機接收頻率，單位MHz；d為電磁波傳播距離，單位km。

S模式應答機發射機峰值功率：125W～500W，接收機的靈敏度為-74±3dBm，實際發射功率為160W。根據仿真計算結果，天線最大增益4dBi，忽略天線極化失配損耗及電纜損耗，在距離144km處，計算得到接收機接收到的信號電平為-75.9dBm。接收機的靈敏度為-74±3dBm，接收到的信號恰處于接收機靈敏度動態范圍臨界處，而在天線增益較小的方位接收信號則超出接收機靈敏度范圍，出現應答信號丟失的情況。

3 解決措施

通過仿真計算，由于機體遮擋，此位置處的天線輻射方向圖不能達到技術指標中方位面全向的要求，需對天線布局進行優化；通過理論計算，在目前發射機160W發射功率下，應答機通信距離也難以滿足技術指標中148km的要求，需提高其發射功率。

3.1 天線布局優化

由于前期依據理論分析對S模式應答機天線在圖2所示位置2處進行了重新布局，經試飛驗證效果不佳。現采取理論結合仿真計算的方式進行方案設計。由2.1節原因分析可知，應答機信號丟失的主要原因是天線布局不當，機體結構遮擋導致天線輻射方向圖嚴重畸變，因此需對應答機天線重新布置。經理論分析，初步確定以下兩種解決措施：

1) 更改天線位置：將天線移到遠離空速管且機體遮擋較小的位置，如尾梁。

2) 加高天線安裝支座：由于空速管底面截面積較大，加高S模式應答機天線安裝支座理論上可減少空速管和機體對其的遮擋。

表2 兩種措施比較

由于該型機已進入適航試飛取證階段，結構開孔、設備線纜重新布局在此階段不易實現，綜合考慮后采取措施二。從電磁干擾角度分析可知，天線支座凸出的高度越大，機體結構對天線的遮擋影響越小。但支座高度對結構、強度等方面有較大影響。通過與結構、強度等專業的溝通協調，在滿足結構、強度等要求的條件下將天線支座加高至72mm。利用電磁仿真軟件FEKO計算了原支座高度12mm和支座高度為72mm時的天線裝機輻射方向圖，見圖4。

通過圖4中對天線自由空間、原安裝位置和安裝支座加高后位置的輻射方向圖的比較可以看出，裝機后天線的輻射方向圖在空速管一側有部分畸變，天線增益降低明顯，而支座加高后天線輻射方向圖畸變幅度相對原位置有了較大改善，理論上滿足天線增益下降不超過3dB的指標要求。

3.2 增大發射功率

針對通信距離不足的問題，應答機研制單位通過更改設備電源模塊變壓器的線圈匝數，提高功放模塊的輸入電壓，將應答機的發射功率由原來的160W增到了260W。工藝人員對機上應答機與天線之間的互聯電纜進行梳理，通過合理的電纜布局，縮短電纜長度，減少信號在線纜上的衰減。

圖4 不同支座高度的天線輻射方向圖

按公式(1)、(2)計算距離148km處接收機接收的信號強度為-73.9dBm。考慮互聯電纜損耗后，即使在天線增益最小的角度，該信號仍在接收機靈敏度動態范圍內，理論上可滿足通信距離要求。

4 驗證

按照仿真計算的結果對應答機天線布局進行優化，將改進后的S模式應答機裝機并對線纜進行優化后進行了試飛驗證：

直升機飛行高度為1000m，距離昌北機場塔臺距離為130km。飛行過程中直升機作轉彎、爬升、下降等機動動作，應答機沒有明顯丟失信號，丟失時間不超過20s，滿足信號穩定的要求。

直升機在距地面詢問雷達站148km處，飛行高度分別為1700m和5400m時，直升機沿直線平飛過程中應答信號無丟失，能給詢問雷達站提供強而穩定的回答信號，滿足作用距離148km的要求。

5 小結

本文從天線布局和發射功率兩方面以仿真和理論計算為手段對S模式應答機應答信號丟失的問題進行了分析處理：通過加高S模式應答機天線支座的高度調整天線位置，減小機體及空速管對全向天線的遮擋影響，提高了應答機的信號穩定度；通過增大應答機發射機發射功率和降低線纜損耗提高天線輸入端的發射功率，增加了應答機的應答距離。通過試飛驗證，表明措施有效可行，對后續處理類似問題具有一定的借鑒意義。

使用仿真軟件對直升機機載天線布局進行預測評估是未來設計的一種主要手段。在設計初期進行仿真預測評估可防止在型號研制過程中出現顛覆性問題，縮短型號研制周期，降低型號研制費用。

[1] 何曉薇，徐亞軍，鄭國平.航空電子設備[M].成都：西南交通大學出版社，2004.

[2] 陳 窮.電磁兼容性工程設計手冊[M]. 北京：國防工業出版社，1993.

[3] CCAR-27-R1.正常類旋翼航空器適航規定[S].景德鎮：中航工業直升機設計研究所適航技術室，2010.