無線電羅盤角度抖動問題分析研究

李明巧

（哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

無線電羅盤能連續地指示出直升機縱軸與電臺方向之間的角度，因而能按地面臺（導航臺或廣播電臺）進行導航，有兩種工作方式：收訊和羅盤。工作在收訊狀態時，可作為一個中、長波接收機；工作在羅盤狀態時，系統是一個自動定向設備，向飛行員提供相應地面臺的相對方位信息，同時向直升機新品系統提供音頻識別信號。

1 故障現象

某型機在地面校羅盤工程中發現，當接收信號中無音頻時，角度穩定；當接收信號中有音頻（莫爾斯碼）時，角度開始出現抖動，不能穩定指示，超出誤差范圍，而且音頻持續時間越長，角度抖動越大。

2 機理分析

2.1 無線電羅盤工作原理

該型機安裝的無線電羅盤由接收機和天線組成，該型羅盤采用超外差體制。

無線電羅盤天線接收調幅波信號，系統工作需要兩種天線。一種是無方向性的，稱為垂直天線用來辨向。另一種是有方向性的，稱為環形天線，用來提供方位信息。其中環形天線分為縱向（正弦）環形天線與橫向（余弦）環形天線，接收的信號分別被低頻調制信號調幅，兩個調制信號相位相差90°；經過調制的兩個信號合成后產生一個組合調制信號，這個組合調制信號與低頻調制信號的相位差與飛機至地面電臺的相對方位成正比，但存在0°和180°兩個定向點，可能產生180°的定向誤差。但當組合調制信號與垂直天線接收的信號疊加后，則可以消除錯誤定向點，其疊加信號的外包絡相位即包含有相對方位信息。

接收機將組合天線輸出信號轉換為中頻信號，經內部濾波放大處理后進行相干調制，得到復合信號，經相關電路處理后解算出音頻信號和角度信息，音頻信號經處理后送往機上音頻系統，角度信息傳送給主處理器計算角度。主處理器通過ARINC429 總線將解算出的方位信息并發送給顯示系統顯示，給出直升機與地面電臺的相對方位，原理框圖見圖1。

圖1 原理框圖

2.2 關聯影響分析

由信號處理流程分析，引起該現象一個綜合過程，每一環節都可能影響角度穩定，為驗證排查各方面影響，隨開展相關影響排查。

（1）外部影響分析。①干擾分析。機上設備干擾或環境電磁干擾時，無線電羅盤作為敏感設備，被干擾時會出現角度輸出不穩定，從而引起指針抖動問題，經隔離及環境電磁頻譜測量，在測試頻點沒有發現相關干擾顯現。②信號衰減分析。信號衰減時，會導致接收不穩定，引起指針抖動。引起引號衰減有幾方面影響：一是射頻電路故障或則連接不牢，相當于信號被衰減；二是接收機端接地不好，引入噪聲導致，三是天線接地不好，導致接收靈敏度降低。針對該情況，進行射頻路測試和檢查，對接收機和天線端搭接進行復測和處理，均未有明顯改善。

（2）內部影響分析。隨后針對系統內部可能影響角度抖動因素影響進行逐一排查。

①接收機硬件故障。接收機內部電路出現問題時，會導致羅盤角度抖動。實驗室按圖2 搭建測試環境，通過天線模仿儀進行測試，設置信號源頻率為248kHz，場強-37dBm，調制1kHz，調制深度30%。

圖2 測試環境

按無線電羅盤接收機內部電路情況，分別對電源電路，濾波帶通電路、頻合電路、中放電路、解調電路、模數轉換電路、音頻放大電路、音頻解調電路、角度調節電路等進行了測試或隔離排查，測試的電源電壓；帶通濾波器的衰減值；本振輸出信號的頻率及信號強度；不同信號強度下的中放輸入輸出信號強度；解調前后頻率及信號強度；斷開模數轉換電路輸入，并接入不同電壓測試采集電壓；隔離后級音頻放大和解調電路；整體角度輸出進行更改，減小角度誤差測試等相關測試，并針對單頻點快速切換信號源調制開關，模擬塔臺莫爾斯碼，均未發現明顯引起角度抖動的現象。

40例患者X線造影檢查提示，黏膜內癌者的胃壁密度明顯增高，且舒張度明顯降低，5例患者的胃壁輪廓不清楚，占總比例的12.5%。胃小溝較模糊，且胃小區中有顆粒狀陰影，大小不一。局部胃壁有痙攣亦或者是異常收縮的情況，胃黏膜扭曲且比較粗大。4例胃內滯留液明顯增多，占總比例的10.0%。黏膜下癌者有蠕動緩慢、胃壁僵硬以及邊緣模糊的情況，且局部密度明顯增高，部分存在輪廓線中斷亦或者是消失的情況。4例胃小區和胃小溝處有顆粒狀陰影，占總比例的10.0%。局部黏膜較為粗糙，且存在異常集聚鋇的情況。

②天線硬件故障。隨后將測試環境搭建為實裝天線進行測試，主要針對影響靈敏度的搭接和內部電路進行測量，經搭接處理，雖然角度抖動有改善，但是仍出現角度超差問題；無線電羅盤天線為有源天線，天線內部電路出現問題時，會對天線輸出信號的相位偏移產生影響，從而引起角度抖動。對單頻點快速切換信號源調制開關，模擬塔臺莫爾斯碼時，發現角度輸出有明顯穩定現象，經記錄測試，與機上抖動現象表現一致。使用頻譜儀進行測量，放大電路輸出載波強度出現短時間的8dBm，超過要求的5dBm。隨后調節天線中增益控制電路中滑動變阻器，改變電路接入阻值降低放大電路靜態增益，當放大電路輸出載波強度沒有出現超出5dBm 信號時，角度抖動明顯改善。

綜合上述測試和分析，天線中增益控制電阻引起輸出信號相位變化，從而在音頻切換時導致角度波形擾動，最終引起角度抖動。

2.3 機理分析

無線電羅盤組合天線接收到的信號為調幅信號：載波為Wc，音頻為Wa，調制系數為m：

正弦余弦天線感應產生不同電壓并分別耦合到正余弦基準信號上。

v4 為天線中最終輸出信號。由信號v4 可知，由于調制系數m 范圍為0 ～1，因此音頻從無到有信號強度會出現最大6dB 的增強。

無線電羅盤塔臺發射的音頻莫爾斯碼由“點”和“劃”組成，其中“點”的長度約為106.6ms，“劃”的長度約為746.6ms。

天線中，無音頻時，放大電路工作在放大區，信號能夠正常放大，機體方位不變時，V1 與V2 穩定，角度不會發生過大變化。有音頻時，放大電路電感有寄生電容，由于信號強度突變，導致切換的一段時間（幾毫秒）內有毛刺出現，在經過放大時，由于毛刺的出現，若放大電路增益偏高，將導致放大電路載波放大異常，表現為V1 與V2 中A·sin(θ)和A·cos(θ)出現擾動，造成天線輸出信號短時間內出現相位偏差。

音頻中“點”的長度約為106.6ms，“劃”的長度約為746.6ms，接收機中角度解算周期為50ms，這樣導致解算出的角度發生跳變。考慮到這種情況，電路中通過單片機監控解調整流后的模擬量來對電路的自動增益控制做相應的調節處理，通過設置低頻（＜280kHz）和高頻（≥280kHz）閾值結合信號強度，適當調節提高自動增益控制電路的調節能力，閾值越低，則強信號時，調節能力越強。但通過自動增益控制電路的調節能力有限。

綜上，音頻從無到有的短時間內，由于電路中電感的寄生電容影響，引起毛刺，天線放大電路靜態增益偏高，信號經放大電路后，受毛刺影響，導致放大電路載波放大異常，出現擾動，造成天線輸出信號短時間內出現相位偏差，接收機解調后偏差沒有消除，最終引起指針抖動。

2.4 復現及驗證情況

在莫爾斯碼音頻連續“點”“劃”變換時，為驗證天線中放大電路靜態增益高低對信號輸出的抖動影響，隨后進行地面模擬測試。在248kHz 和511kHz 分別測試，當調節天線放大電路中的滑動變阻器，使放大增益調至9dB 后進行測試，隨后調整至5dB 進行測試，分別模擬莫爾斯碼音頻進行對比測試，測試結果如表1。

表1

由測試結果分析，放大增益的調整對信號輸出的影響非常明顯，與機理分析結果一致。

放大電路靜態增益的調整受元器件性能和前后端處理限制影響，并會帶來別的問題，影響信號延遲，工程上需選擇最優化原則，以工程實際需求，隨后課題組對該值進行反復測算，并對隨動性能進行測量，調整至最佳狀態，滿足相關標準和實際使用要求。

3 結語

本文從信號處理流程及原理著手，逐級深入分析問題深層次原因，總結歸納問題發生原因和調整處理方法，希望本文為同類工程中出現的類似問題提供借鑒參考。