對某型直升機無線電高度表低高度誤差過大的分析

■ 陳池禮/國營錦江機器廠

某型直升機的無線電高度表系統(tǒng)存在問題：在直升機低高度飛行時，測量顯示的無線電高度值均存在明顯偏小的現象，其中一架飛機比正常值偏小高達1.4m左右（即當直升機機輪離地約2.4m時綜合顯示器顯示的無線電高度值才會由0m變?yōu)?m）。由于無線電高度指示對載機的飛行與著陸安全非常重要，因此有必要對該現象進行深入的分析處理。

1 無線電高度表系統(tǒng)的組成及測量顯示原理

該型直升機的無線電高度表系統(tǒng)由調頻連續(xù)波恒差頻式XXX無線電高度表和XXK-XX綜合顯示控制系統(tǒng)（以下簡稱綜顯）共同組成。XXX無線電高度表由XXX無線電高度收發(fā)機（以下簡稱收發(fā)機）、發(fā)射與接收天線和發(fā)射與接收電纜組成。綜顯由MFСD多功能顯示器、MFK多功能鍵盤、DСP綜合顯示處理計算機等組成。

收發(fā)機負責測量載機相對于其所飛躍地形的真實高度，并輸出對應的高度直流電壓給DСP綜合顯示處理計算機，經其A/D采樣和計算機軟件處理后，通過RS422總線輸至MFСD多功能顯示器顯示出無線電高度值，如圖1所示。

圖1 無線電高度表系統(tǒng)與綜合顯示控制系統(tǒng)交聯關系圖

根據無線電高度表工作原理，收發(fā)機通過測量電磁波信號的延遲時間來確定飛行器的相對飛行高度。該延遲時間由兩部份組成，一是與飛行高度成正比的延遲時間Т=2H/С（H為飛行高度，С為電磁波傳播速度3×108m/s），一是收發(fā)機與收發(fā)天線之間的高頻饋線和停機時（對固定翼飛機而言，通常指起落架與跑道剛接觸時）天線離地面高度的延時Тi，也稱為收發(fā)機的飛機設備安裝延時，該值為定值，隨收發(fā)機的設計定型而固定。收發(fā)機內部通過特定的電路，輸出與飛行高度成正比的高度直流電壓。即VH＝k（Т-Тi）。

2 收發(fā)機的技術要求與實際裝機狀態(tài)存在差異

2.1 收發(fā)機的技術要求

收發(fā)機由收發(fā)機、收發(fā)天線、收發(fā)高頻饋線和托架共同配套組成，全部由承制廠提供。該型無線電高度收發(fā)機機載設備維護手冊的相關技術要求為：

1）飛機設備安裝延時8.5 3 4 m（28ft）；

2）高度輸出規(guī)律（線性直流模擬電壓）0～6 0 0 m，U=0.0164H（V）（H單位為m）；

3）測高誤差0～30m范圍內為0.6m或3%H，取較大者。

可知：當載機處于停機狀態(tài)時，收發(fā)機射頻信號收發(fā)端的時延（等效高度）應為4.267m（14ft），輸出的高度電壓應為0V，允許的電壓誤差為±9.84mV。

2.2 實際裝機狀態(tài)試驗驗證情況

1） 機上系統(tǒng)閉環(huán)成套試驗

先將收發(fā)機放在內場進行性能檢查，在外接28ft延遲線作用下發(fā)現輸出高度電壓與其履歷本最近修理記錄的性能數據一致，都為0V，即0m時無誤差。

在機上無線電高度表系統(tǒng)中并接入Agilent 34401A數字萬用表，測試收發(fā)機輸出的高度電壓與綜顯示數情況，如表1所示。

試驗結果反映出該機剩余高度存在-0.73m的誤差，主要原因為機上高頻饋線和停機時天線離地高度不夠所致。

2） 機上系統(tǒng)開環(huán)試驗

采用Agilent E5071С矢量網絡分析儀，測試該型直升機的機上無線電高度表高頻饋電系統(tǒng)（高頻饋線、收發(fā)天線和離地空間）在4.3GHz的時延，如表2所示。

表1 載機處于正常停機狀態(tài)下的閉環(huán)成套試驗數據

表2 載機處于正常停機狀態(tài)下的開環(huán)試驗數據

由無線電信號傳輸速度和高度距離關系有：

23.4ns×0.3m/ns＝7.02m

7.02m－8.534m＝-1.514m

-1.514m÷2＝-0.757m

-0.757m×16.4mV/m＝-12.4mV

可見，兩種試驗方法結果基本一致，都說明XXX無線電高度收發(fā)機在該型直升機上的設備安裝延時8.534m（28ft）設計存在-1.5m的較大誤差，使實際測高增加了-0.75m的誤差。

2.3 異常情況

在機上閉環(huán)測試收發(fā)機輸出電壓與綜顯示數情況的基礎上，分別在機上收發(fā)機的收發(fā)高頻饋線接口端串聯接入28ft（等效高度4.267m）延遲線進行試驗，卻出現了異常情況，如表3所示。

根據高度表工作原理，串聯接入延遲線后本應該是輸出增加該延遲線的等效高度值，但實際在該機發(fā)射端串聯接入延遲線時輸出僅為1.5m，而在接收端串聯接入延遲線時收發(fā)機還出現失鎖，表現為不正常。

該收發(fā)機設備維護手冊指標規(guī)定，0 m的靈敏度S要求值為：62dB≤S≤72dB；但在參數調整中要求調為67dB。承制廠的出廠數據也是67dB，而該產品本次由某公司修理出廠的數據為64dB。

表3 載機處于正常停機狀態(tài)下串接延遲線試驗情況

表4 高度表無線電波在自由空間測量高度上的傳輸損耗

表5 綜顯理論工作數據

根據工作在4.3GHz的高度表發(fā)射的無線電波在自由空間測量高度上的傳輸損耗（衰減）公式為Lf＝51.13＋20logH（dB），得到表4的計算值。

理論上，當高度表的安裝延時和天線增益、連接高頻饋線選定后，高度表的接收增益受高度控制的規(guī)律（靈敏度曲線）也就確定下來，并應與無線電波在自由空間測量高度上的傳輸損耗規(guī)律基本相同，這樣才能更有利于測高誤差的控制。

可見，將0 m（安裝剩余高度4.267m）的靈敏度調整為64dB基本上是理論最低值，而根據信號傳輸要求和無線電信號反射衰減特性，通常應至少增加3dB以提高信噪比和工作可靠性，因此，將維護手冊要求調整為67dB才是合理的。

綜上，在收發(fā)機的收發(fā)端串接延遲線試驗中出現的異常情況應是由于該收發(fā)機的低高度端靈敏度調整偏低所致：在發(fā)射端串接時，因該端射頻信號功率較大，串接對高度信號的信噪比影響程度小，收發(fā)機還能跟蹤但測量誤差增大使輸出的高度誤差較大；在接收端串接時，因該端射頻信號功率已經很小，再串接時對其信噪比影響較大，致使收發(fā)機因信噪比過低不能跟蹤導致失鎖。

3 綜顯的無線電高度通道設計情況

3.1 理論分析

根據綜顯技術資料和軟件設計，綜顯的無線電高度通道設計情況為：

1）模擬量輸入范圍：0～20V；

2）接口采集模塊狀態(tài)：A/D采樣12位，分辨率4.8828mV（0.298m），A/D模擬轉換誤差＜0.1%；

3）組織畫面顯示設計：高度計算值+0.5后取整顯示（即四舍五入）。

因此，可以推導出綜顯的工作數據，如表5所示。

3.2 實測數據分析

采用微調高分辨率直流穩(wěn)壓電源（Agilent 34401A并聯監(jiān)測）模擬高度電壓信號方法，得到試驗實際機上綜顯的顯示狀態(tài)，如表6所示。

表6 綜顯實際工作數據

可見，實測數據與理論分析基本一致。綜顯實際性能數據更好，應是其內部的數據采集處理比技術資料描述更加復雜和優(yōu)化，如采用分段A/D等，確保了在較低硬件基礎上實現更高精度采樣的目標。其中在0/1跳變顯示時的數據相差較大，應是A/D在低端的線性度較低。

4 綜合分析與處理結果

該型直升機的高度表發(fā)射天線裝于7960～8840框，接收天線裝于6630～7960框，兩天線的中心與直升機旋翼軸的水平距離約4m，可以大致計算出機身俯仰（θ）對無線電高度測量值的影響約為4tgθ（m），即俯仰1?影響0.07m。起落架緩沖支柱和機輪輪胎因減振作用設計，存在隨載機的重量變化而變化的壓縮量，正常停機情況下約為0.25m。

因此，綜合分析收發(fā)機、綜顯和載機的技術狀態(tài)，理論上當收發(fā)機的零高度誤差為0時，載機保持水平飛行，機輪至少應離地1.3m，綜顯才會顯示1m；當考慮收發(fā)機的測高誤差（0.6m）和載機飛行的水平誤差（≤3?）時，機輪離地約2m，綜顯才顯示1m，這是符合技術要求的。

造成該直升機的無線電高度表系統(tǒng)機輪離地約2.4m時綜顯才顯示1m的原因是，收發(fā)機的低高度端靈敏度調整過低（0m時的靈敏度為64dB），使測量誤差增大。

內場重新調整該機收發(fā)機的參數，將0m的靈敏度提高3dB至67dB，重新檢查調整測高誤差，使0m點電壓在誤差范圍內略微偏正（+0.2m）。再裝機進行地面通電檢查，收發(fā)機輸出高度電壓約-3.8mV（-0.23m），綜顯示數為0m。最后經試飛驗證，機輪離地約1.6m時綜顯顯示1m，其他各高度點誤差指標也達到了可接受范圍。

當然，要進一步減小無線電高度表系統(tǒng)的低高度誤差，還可以調整收發(fā)機的剩余高度值或增加機上的高頻饋線長度（需相應增加其衰減量的靈敏度值），但這些調整都涉及原機定型狀態(tài)的改變，通常需辦理相關的批準手續(xù)。