直升机上导致无线电高度表高度跳变的原因及分析论文_马书

摘要：针对直升机上常见的无线电高度跳变现象的原因进行了分析，给出了由于不同原因导致的高度跳变现象的对应解决方案，并通过试验验证了方案的有效性及可行性。

关键词：无线电高度表；跳变；原因分析；解决方案

前言

无线电高度表作为直升机上必备的无线电导航设备之一，能够在各种气候条件下提供直升机距地面、水面的真实高度信息。与气压高度表相比，无线电高度表在直升机主飞的低空领域具有测高精度高、数据稳定的优点，因此在直升机起飞、着陆以及其他需要高度信息作为辅助条件的任务中，能够稳定输出可靠高度数据的无线电高度表就显得格外重要。若无线电高度表出现高度跳变现象，无法准确指示高度，不但影响某些任务的执行，还有可能给飞行安全带来较大影响。

本文以某型直升机在飞行中出现的高度跳变问题为例，针对可能导致直升机上出现的高度跳变现象的几种典型原因进行了分析，给出了对应的解决方案，并通过试验验证了解决方案的有效性及可行性。

1 高度跳变现象

高度跳变现象是指无线电高度表在直升机飞行过程中，不能准确指示直升机距地面、水面的实时高度，输出的无线电高度数据存在反复上下波动的情况。

直升机在飞行过程中，如果无线电高度表频繁出现高度跳变情况，飞行员在飞行过程中将无法通过综合显示器实时观察飞机距地面的准确高度，不但使某些需要高度数据作为辅助条件的训练科目无法正常进行，在地面条件复杂时甚至会对飞行安全造成影响。

根据近些年对直升机上出现高度跳变情况的原因进行统计，发现导致高度跳变情况的典型原因多为以下几种：

a）高度表抗干扰性能不足；

b）天线布局不合理；

c）高度表灵敏度设置不合理。

2 无线电高度表工作原理

某型直升机选用的无线电高度表为调频连续波恒定差拍体制无线电高度表，这种体制的无线电高度表通过发射天线向地面发送C波段无线电信号，经地面或水面的反射后的回波信号被接收天线接收，发射信号和回波信号的波形如图1所示。

图1 发射信号和回波信号的波形

从图1中可以看出，从地面反射回来的回波信号在时间上比发射信号延迟时间τ，τ=2H/c，H为飞机飞行高度。

从图1可得差拍信号fb（t）：

（1）

（2）

（1）、（2）式中：

fb—差拍信号；

H—飞行高度；

F（t）—发射信号频率；

F（t-τ）—接收信号频率；

c—光速；

ΔF—调制带宽；

Tm—锯齿波调制周期。

从式（2）可以看出，当高度变化时，fb随之变化。鉴频器电路将其频率信息变成电压信息，用来控制锯齿波频率，当信号频率大于25kHz时，误差电压调制锯齿波斜率使之变小，反之，使锯齿波斜率变大，这样fb频率始终为25kHz。以上电路构成伺服跟踪环路，实现恒定差拍。

只要保持fb恒定，式（2）就可写成：

（3）

式中：

H—飞行高度；

c—光速，取3×108m/s；

Tm—锯齿波调制周期；

fb—差拍信号，取25kHz；

ΔF—调制带宽，取123MHz；

式（3）中，c、ΔF、fb为确定值，则H只与Tm有关，因此，只要测量出调制周期Tm，就可计算出高度H。

当在某些情况下，fb的频率超过频率鉴频器的鉴频范围，跟踪fb恒定的闭合环路无法正常工作，这时整机从跟踪状态转变成搜索状态，搜索状态时，跟踪回路断开，而锯齿波发生器的控制端与搜索信号相接，搜索信号使锯齿波的周期从小到大连续重复变化（模拟飞机高度从低向高变化），当锯齿波周期变化到某一数值时，差拍信号频率值也变为在频率鉴频器的鉴频范围内，此时，跟踪回路接通，整机就可转成跟踪状态，跟踪飞机高度的变化。

3 机理分析

3.1 高度表抗干扰性能不足

一般来说，直升机上的干扰信号基本分为两种形式，一种为传导干扰，另外一种为耦合干扰。由于无线电高度表的结构属于金属密闭腔体，电磁兼容性较好，耦合干扰信号很难进入无线电高度表收发机内部，因此能够导致无线电高度表出现高度跳变的干扰多为传导干扰，干扰信号一般通过低频电缆进入无线电高度表收发机内部。

干扰信号进入无线电高度表收发机内部后，如果干扰信号幅度超过了无线电高度表的跟踪门限，频率接近差拍信号fb（23kHz～27kHz）时，高度表就有可能跟踪到干扰信号上，同时fb的频率相应改变，使得控制鉴频器作出误判，输出错误的高度值，由于干扰信号的不可预知性，无线电高度表就会出现高度跳变的情况。

3.2 天线布局不合理

无线电高度表的天线承担着发射和接收无线电信号的任务，由于天线属于无源器件，对其接收的信号不具有选择性，因此良好的天线安装环境对于确保无线电高度表正常工作就显得极为重要。

某型直升机将天线由传统的尾梁环境调整到了机腹下后舱门附近，发射和接收天线之间有船型机体凸起物，两侧有两个后机轮，安装环境与尾梁相比较为复杂。其安装环境示意图见图2。

图2 天线安装环境示意图

在图2所示的天线安装环境中，受复杂的天线装机环境的影响，导致天线接收到的无线电信号除地面的正常回波信号外，还包括了受机轮、船型机腹凸起的影响而带来的直达信号及多次反射信号。直升机在飞行过程中，这些信号夹杂在正常地面回波信号中通过天线进入无线电高度表收发机，被无线电高度表进行解算后输出，输出的高度包含了直升机距地面的高度以及机轮距天线的直接距离或多次反射后的距离，显示在综显上的无线电高度就表现出高度跳变的特征。

3.3 高度表灵敏度设置不合理

某型直升机上使用的无线电高度表灵敏度由收发机内GVA信号控制，通过更改一定给定范围内不同电阻值来调整无线电高度表内部伺服板上的GVA放大电路的静态工作点实现

当0m灵敏度设置太低时，直升机停在地面时无线电高度表不能得到足够增益的低放信号，无线电高度表会始终处于搜索状态，无法进行高度测量；当0m灵敏度设置太高时，直升机在空中飞行后，如果受偶然因素影响无线电高度表进入搜索状态，将从0m开始重新搜索，此时发射天线直达接收天线的信号或飞行姿态下经机轮遮挡的信号强度有可能超过地面正常回波信号强度，导致高度表误跟踪天线直达信号或经机轮遮挡的信号，使无线电高度表出现高度跳变的情况，

4 解决方案及验证情况

4.1 提高高度表抗干扰能力

对于某型直升机上出现的无线电高度表受干扰后出现的高度跳变问题，对干扰路径进行综合分析判断后，认为某型直升机选用的无线电高度表现有的低频抗干扰措施不足以应对机上的干扰信号，需要增强抗干扰措施，提高无线电高度表抗干扰能力。

由于受客观条件限制，无法对进入无线电高度表的干扰信号频率进行测试，因此在保留无线电高度表原有的滤波插座（C型滤波）的基础上，进一步增加滤波电缆组件（π型滤波），两种滤波方式共同作用于无线电高度表低频回路，增强其抗干扰能力。滤波电缆组件在制作时选用了单根屏蔽线和双绞屏蔽线，线缆外部包裹了防波套，形成良好接地，对于机上低频电缆上的传导干扰和由此形成的耦合干扰能够通过滤波电缆组件的屏蔽层传导至低频插头，再顺着机壳导入飞机蒙皮，使干扰信号泄到机壳地，对无线电高度表自身抗干扰能力有进一步提高。

对增加滤波电缆组件后的无线电高度表的滤波特性进行测试，其部分频点特性见表1。

表1 部分频点特性

从表1可以看出，增加了滤波电缆组件后的无线电高度表从低频段（10kHz～100kHz）到高频段（大于100MHz）对干扰信号均有较强的抑制效果，可以有效降低干扰信号对无线电高度表的影响。

将上述状态的无线电高度表按GJB 151A-1997要求分别进行了CS101、CE106、CS114、CS115、CS116项目电磁兼容试验，无线电高度表全程工作正常；去掉滤波电缆组件后，再次进行电磁兼容试验，在进行CS114项目时，无线电高度表出现了高度跳变、精度超差等情况，证明了措施的有效性。

经试验验证该措施有效后，将此措施落实到直升机上，在验证试飞的过程中，无线电高度表始终工作正常，进一步证明了该措施可以有效滤除干扰信号，避免干扰信号影响无线电高度表正常工作而出现高度跳变的情况。

4.2 更换高性能天线

对于某型直升机由于复杂的天线装机环境带来的高度跳变问题，通常情况下最理想的解决方案应为调整天线装机位置，移到尾粱等周围无遮挡的环境。但尾粱已经被多种机载设备占用，考虑到某型直升机的试飞进度安排，因此考虑更换更高性能的天线，尽量减少复杂装机环境带来的影响。

某型直升机上无线电高度表原定配套使用的天线为微带天线，具有体积小、重量轻的特点，但这款微带天线的波瓣宽度较宽，当天线安装环境较为复杂时，受安装环境带来反射信号影响的几率也更大。因此更换了另一款背腔天线进行使用，两款天线的波瓣宽度及增益对比见表2。

表2 天线波瓣宽度及增益对比

从表2中内容可以看出，背腔天线与微带天线相比波瓣宽度收窄了10°以上，可以减少天线附近的机轮和船型机体产生的多次反射的干扰信号对天线的影响，同时提高了增益，增加了正常回波信号的强度，改善了高度表的信噪比，降低了干扰信号对高度表的影响。

将背腔天线装机进行试飞验证过程中，无线电高度表始终工作正常，进一步证明了该措施可以避免复杂的天线装机环境对无线电高度表的影响，使无线电高度表不再出现高度跳变问题。

4.3 优化高度表灵敏度曲线

对于某型直升机由于高度表灵敏度曲线不合理而出现的高度跳变问题，厂内进行了0m灵敏度确定试验，试验分别在水泥地面、湿草地、干草地上进行，天线分别用微带天线、背腔天线。高度表连接如图3、图4所示。

图3 灵敏度确定试验连接图

图4 不同地面、不同天线测试情况

试验结果见表3。

表3 试验结果

试验结果可以看出，在各类地形中，水泥地面衰减最小，干草地衰减居中，泥泞的湿草地对信号的衰减最大，因此将此环境下的衰减作为高度表0m灵敏度指标的下限，根据表3实测数据，湿草地的衰减为-11dB～-12dB。

取-12dB进行计算，灵敏度下限最低可设51dB，为留有余量，下限设为58dB，而根据外场直升机的实际飞行情况，0m灵敏度设69dB时，出现误跟踪低高度值的概率较大，为留有余量，故将66dB确定为高度表0m灵敏度指标的上限。最终确定0m灵敏度指标由74±3dB调整为63+3 -5dB。

同时避免降低0m灵敏度影响高度表的接收能力，确保高度表在各种地形地貌下都能稳定跟踪，不会频繁出现丢失现象，同时对高度表信噪比门限电路进行了适应性调整，将特征频率由0.66MHz提高到1.32MHz，使低通频率范围提高一倍，降低机内噪声，提高信噪比，使高度表在回波信号较弱的情况下仍能处于稳定跟踪状态，避免空中出现搜索情况。

将调整过灵敏度的无线电高度表再次装机进行试飞验证，无线电高度表始终工作正常，进一步证明了该措施的有效性。

5 结束语

本文以某型直升机为例，对无线电高度表出现的高度跳变问题进行了分析，针对不同原因导致的高度跳变问题提供了不同的解决方案。经试验验证、试飞验证，能有效解决无线电高度表高度跳变问题，达到了预期效果。为其他无线电高度表出现类似问题提供了解决思路和方法。

参考文献：

[1]王军侠，LFMCW无线电高度表测高不稳定问题的技术分析和研究【D】，西安：西安电子科技大学，2018.

论文作者:马书

论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/30