某型飛機(jī)無線電高度表“高空指零”故障仿真與分析

■ 丁永強(qiáng) 邵宏 連向威/空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校 中國人民解放軍第95903部隊(duì)

0 引言

某型飛機(jī)安裝的脈沖式無線電高度表，通過跟蹤反射的回波脈沖信號，能夠準(zhǔn)確測量飛機(jī)到地面或海面的真實(shí)高度，用于自動駕駛、進(jìn)場著陸引導(dǎo)、低高度告警或?qū)Φ孛闇?zhǔn)轟炸等[1]。但是，如果維護(hù)不良或飛機(jī)構(gòu)型不合理，則可能發(fā)生電磁泄漏或機(jī)體反射，高空飛行時出現(xiàn)“零高度”指示和“注意高度”的語音告警[2-4]，不但影響相關(guān)設(shè)備的正常工作，還會對飛行人員造成干擾和影響，甚至引起錯誤判斷，引發(fā)飛行事故。

無線電高度表“高空指零”故障均發(fā)生在飛行狀態(tài)下，地面通電檢查時無法復(fù)現(xiàn)，也很難通過高度表測試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，不利于故障的分析研究。利用數(shù)字仿真技術(shù)，通過對無線電測高過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，能夠研究不同飛行高度、不同電磁泄漏強(qiáng)度或機(jī)體反射強(qiáng)度情況下的回波信號特性，可以為故障研究提供方法和手段。

1 脈沖式無線電高度表測高原理

脈沖式無線電高度表是一部以地面或海面為測距對象的脈沖式雷達(dá)。某型飛機(jī)安裝的脈沖式無線電高度表由收發(fā)機(jī)、發(fā)射天線、接收天線等外場可更換單元（LRU）組成，其中，收發(fā)機(jī)主要包括發(fā)射電路、接收電路、高度解算電路、可靠性電路等[1，5]，如圖1所示。

圖1 脈沖式無線電高度表測高原理

無線電高度表工作時，發(fā)射電路產(chǎn)生射頻脈沖調(diào)制信號，一路通過發(fā)射天線向地面輻射，另一路經(jīng)耦合檢波后，輸出T0時基脈沖送入高度解算電路；接收天線接收到地面反射的回波信號后，經(jīng)接收電路變頻、濾波、放大、檢波后，輸出回波脈沖信號，也送入高度解算電路；高度解算電路根據(jù)回波脈沖滯后T0時基脈沖的時間Δt，解算出飛機(jī)的真實(shí)高度。可靠性電路根據(jù)設(shè)備工作情況、飛行姿態(tài)和測高范圍，控制高度信息的輸出，在各部分電路均正常工作且飛行姿態(tài)滿足測高要求的情況下，如低于測高范圍，無線電高度信息正常輸出；如高于測高范圍，無線電高度信息不輸出。

2 脈沖式無線電高度表仿真模型的建立

根據(jù)脈沖式無線電高度表測高原理，應(yīng)用SYSTEM VIWE仿真軟件[1]，建立無線電高度表基本測高模型（見圖2），主要包括發(fā)射電路模型、信道傳播模型和接收電路模型等。

圖2 脈沖式無線電高度表基本測高模型

2.1 發(fā)射電路模型及參數(shù)設(shè)置

發(fā)射電路模型主要由脈沖信號產(chǎn)生器（Pulse Train）、載波信號發(fā)生器（Sinusoid）、乘法器（Multiplier）、放大器（Gain）、全波整流器（Rectify）、低通濾波器（LowPass）組成。脈沖信號產(chǎn)生器產(chǎn)生的周期性脈沖信號送入乘法器，與載波信號發(fā)生器產(chǎn)生的載波信號進(jìn)行脈沖調(diào)制，得到射頻脈沖調(diào)制信號，一路經(jīng)放大器進(jìn)行功率放大后送入信道模型，一路經(jīng)全波整流和低通濾波后，輸出T0時基脈沖送入信號分析器（Analysis）。發(fā)射電路參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 發(fā)射電路參數(shù)設(shè)置

2.2 信道傳播模型及參數(shù)設(shè)置

信道傳播模型主要由延時器（Delay）、放大器（Gain）、加法器（Adder）組成，用于模擬地面反射信號、電磁泄漏信號、機(jī)體反射信號的信道傳播。延時器用于對射頻脈沖調(diào)制信號的延時，通過設(shè)置不同的延時值，模擬不同飛行高度條件下的傳播時延；放大器用于對射頻脈沖調(diào)制信號的衰減，通過設(shè)置不同的衰減值，模擬不同的傳播損耗。

正常測高條件下，當(dāng)不存在電磁泄漏或機(jī)體反射信號時，接收電路與發(fā)射電路間僅有一條地面反射信道；當(dāng)存在電磁泄漏或機(jī)體反射信號時，接收電路與發(fā)射電路間，不僅包括地面反射信道，也包括電磁泄漏信道或機(jī)體反射信道。信道傳播模型參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 信道傳播模型參數(shù)設(shè)置

2.3 接收電路模型及參數(shù)設(shè)置

接收電路模型主要由帶通濾波器（BandPass）、放 大 器（Gain）、載波信號發(fā)生器（Sinusoid）、乘法器（Multiplier）、全波整流器（Rectify）、低通濾波器（LowPass）等組成。經(jīng)信道傳播模型處理后的射頻回波信號送入帶通濾波器，完成選頻濾波后，輸出至放大器進(jìn)行高頻放大；放大后的射頻回波信號與載波信號發(fā)生器產(chǎn)生的載波信號在乘法器中進(jìn)行混頻，經(jīng)全波整流和低通濾波后，輸出回波脈沖送入信號分析器（Analysis）。接收電路參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 接收電路參數(shù)設(shè)置

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)電路參數(shù)設(shè)置仿真環(huán)境參數(shù)，仿真起始時間為0s，終止時間為499μs，采樣速率為10GHz，采樣點(diǎn)數(shù)為500萬點(diǎn)。

3.1 測高范圍內(nèi)不存在電磁泄漏或機(jī)體反射時的仿真分析

當(dāng)飛機(jī)高度在測高范圍內(nèi)，無電磁泄漏或機(jī)體反射時，信道傳播模型僅包含地面反射信道，回波脈沖僅包含地面反射回波脈沖。T0時基脈沖如圖3所示，回波脈沖如圖4所示（高度900m時）。

圖3 T0時基脈沖

圖4中，回波脈沖滯后T0時基脈沖6μs，根據(jù)測高公式：

圖4 高度900m時回波脈沖（無電磁泄漏或機(jī)體反射）

式中，c為光速；Δt為回波脈沖滯后T0時基脈沖時間。

由此計算得出，飛機(jī)高度900m，高度變化時回波脈沖前后移動；回波脈沖幅度因AGC的作用，基本保持不變。

3.2 測高范圍內(nèi)存在電磁泄漏或機(jī)體反射時的仿真分析

當(dāng)飛機(jī)高度在測高范圍內(nèi)存在電磁泄漏或機(jī)體反射時，信道傳播模型不僅包含地面反射信道，也包含電磁泄漏信道或機(jī)體反射信道，回波脈沖中則包含地面反射回波脈沖、電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖，如圖5所示（高度900m時）。

圖5 高度900m時回波脈沖（有電磁泄漏或機(jī)體反射）

回波脈沖中，地面反射回波脈沖較強(qiáng)，電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖較弱；電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖由于傳輸距離近，相對于T0時基脈沖的延時基本為0，超前于地面反射回波脈沖。由于地面反射回波脈沖較強(qiáng)，高度解算電路跟蹤地面反射回波脈沖，輸出飛機(jī)的真實(shí)高度。

3.3 測高范圍外存在電磁泄漏或機(jī)體反射時的仿真分析

測高范圍外存在電磁泄漏或機(jī)體反射時的信道傳播模型，與測高范圍內(nèi)存在電磁泄漏或機(jī)體反射時的信道傳播模型基本相同。但隨著飛機(jī)高度不斷增加，地面反射回波信號不斷減小，由于電磁泄漏或機(jī)體反射信號保持恒定，兩者的合成信號也不斷減小；由于接收機(jī)AGC的作用，接收機(jī)放大倍數(shù)不斷增大，導(dǎo)致回波脈沖中的地面反射回波脈沖不斷減小，電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖不斷增大，如圖6所示（高度6000m時）。

圖6 高空時的回波脈沖（有電磁泄漏或機(jī)體反射）

隨著地面反射回波脈沖的不斷減小以及電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖不斷增大，高度表解算電路可能錯誤跟蹤電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖。由于電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖相對于T0時基脈沖的延時基本為0，解算輸出0m，即出現(xiàn)“高空指零”現(xiàn)象。

當(dāng)飛機(jī)高度降低后，回波脈沖中的地面反射回波脈沖不斷增大，電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖不斷減小，高度表解算電路開始跟蹤地面反射回波脈沖，高度表返回正常工作狀態(tài)，“高空指零”現(xiàn)象消失。

4 結(jié)論

本文在分析某型脈沖式無線電高度表測高原理的基礎(chǔ)上，利用SYSTEM VIEW仿真軟件建立了該型脈沖式無線電高度表的測高模型，并仿真分析了不同高度條件下、不同電磁泄漏或機(jī)體反射情況時無線電高度表的回波脈沖特性；仿真結(jié)果表明，當(dāng)存在電磁泄漏或機(jī)體反射時，由于電磁泄漏或機(jī)體反射信號幅度基本恒定，而地面反射回波信號隨飛機(jī)高度變化而變化，在接收機(jī)AGC的控制下，隨著高度的變化，兩者間回波脈沖幅度存在此消彼長的變化過程；當(dāng)電磁泄漏或機(jī)體反射回波脈沖大于地面反射回波脈沖時，可能出現(xiàn)“高空指零”現(xiàn)象。由于該故障僅發(fā)生在高空飛行情況下，地面通電檢查時無法復(fù)現(xiàn)，因此外場維護(hù)過程中應(yīng)加強(qiáng)無線電高度表射頻電纜的檢查，并合理規(guī)劃飛機(jī)構(gòu)型，避免出現(xiàn)“高空指零”故障。