某型無線電高度表“掉高”分析與應(yīng)對措施

蔣海超，黃子露

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

某型無線電高度表“掉高”分析與應(yīng)對措施

蔣海超，黃子露

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

分析了差拍計(jì)數(shù)調(diào)頻連續(xù)波無線電高度表的測高原理及無線電高度表測高誤差產(chǎn)生的原因，指出了出現(xiàn)"掉高"現(xiàn)象的危害。由此，對無線電高度表的垂直速度信號實(shí)施了針對性濾波措施，改進(jìn)后飛行試驗(yàn)結(jié)果表明該措施可行。

差拍計(jì)數(shù)；無線電高度表；濾波器

0 引言

為保證飛行器自動駕駛儀能按預(yù)定高度控制飛行，飛行器一般采用無線電高度表提供飛行高度信號。采用連續(xù)波調(diào)頻方式工作的無線電高度表，在飛行器低空飛行時(shí)容易受斜距信號和海浪干擾的影響，測得的高度偏大，造成測高誤差。為此，某型無線電高度表為提高低高度測高精度，將接收機(jī)原寬頻帶放大器設(shè)計(jì)成兩個(gè)放大器，尤其提高了低高度測高精度，但同時(shí)出現(xiàn)了高度表測高“掉高”現(xiàn)象。這種“掉高”現(xiàn)象會引起飛行器姿態(tài)劇烈變化，直接影響到飛行器的穩(wěn)定飛行，可能會使飛行器提前入水；另外，此刻飛行器處于末制導(dǎo)狀態(tài)，也可能會引起導(dǎo)引頭丟失目標(biāo)。因此，分析該型無線電高度表測高“掉高”原因及提出應(yīng)對措施，對于飛行器安全穩(wěn)定飛行，最終擊中目標(biāo)顯得極為重要。

1 差拍計(jì)數(shù)連續(xù)波調(diào)頻無線電高度表原理

差拍計(jì)數(shù)連續(xù)波調(diào)頻無線電高度表采用三角波線性調(diào)頻，被測高度、調(diào)頻頻偏、調(diào)制周期和差拍頻率從圖1可得到如下關(guān)系式：

式中：C為電磁波在空氣中的傳播速度，Tm為調(diào)制信號的調(diào)制周期，fb為差拍頻率，ΔF為調(diào)頻頻偏，即發(fā)射機(jī)振蕩器的振蕩頻率從最低到最高的變化量。從上述關(guān)系式可見，C是常量，只要把調(diào)頻頻偏、調(diào)制周期和差拍頻率三項(xiàng)參量中的兩項(xiàng)恒定，高度就是另外一項(xiàng)參量的函數(shù)，測出此參量就可得到高度。差拍計(jì)數(shù)式無線電高度表把調(diào)頻頻偏ΔF設(shè)計(jì)成常量使其不變，調(diào)制周期Tm是某一確定值時(shí)，高度H即為差拍頻率fb的函數(shù)。

圖1中：實(shí)線為發(fā)射信號，虛線為被接收的回波信號，τ為電磁波往返延遲時(shí)間，fT為發(fā)射頻率，fr為接收頻率。

差拍計(jì)數(shù)連續(xù)波調(diào)頻無線電高度表發(fā)射機(jī)振蕩器的微波振蕩頻率在調(diào)制器產(chǎn)生的三角形調(diào)制電壓作用下,隨調(diào)制周期Tm圍繞中心頻率f0作周期性的線性變化。發(fā)射機(jī)的振蕩頻率由發(fā)射天線輻射出去，同時(shí)取出很小一部分能量耦合到接收機(jī)平衡混頻器作為本振信號f1。接收天線接收海面反射的信號，反射信號f2經(jīng)隔離器加到平衡混頻器，與直達(dá)信號f1混頻，產(chǎn)生測量高度H所需的差拍信號fb，利用上面的關(guān)系式便可計(jì)算出高度H，工作原理如圖2。

2 原因分析

差拍計(jì)數(shù)式無線電高度表是通過差拍信號處理計(jì)算測量高度，而差拍信號的特征取決于目標(biāo)反射回來的回波信號，它除了與天線方向圖、飛行姿態(tài)等有關(guān)，還與飛行器下方被輻射地形有關(guān)。當(dāng)飛行器的姿態(tài)出現(xiàn)變化（傾斜或俯仰）時(shí)，天線的最大輻射方向就反射面不垂直，偏離垂直距離，并與垂直線形成一夾角，電磁波經(jīng)過的路程就變成了斜距離。

另外，被輻射地面通常分為二類，平坦的表面和粗糙的表面?；炷恋孛婧推届o的海面屬于平坦表面，其他類型的地面和海浪環(huán)境對高度表而言則屬于粗糙的表面。對于平坦表面，高度表接收天線接收到的信號受散射雜波干擾小，容易精確測高。對海浪環(huán)境來說，無線電波產(chǎn)生散射現(xiàn)象，從表面不同區(qū)域反射的無線電波以任意方向散射并向不同方向傳播。高度表實(shí)際測高時(shí)，高度表接收到的回波信號不止是與高度相對應(yīng)的最短距離反射回來的,通常還接收到其他散射信號,如海面斜距信號。因?yàn)楸ＷC飛行器機(jī)動飛行時(shí)無線電高度表正常工作，高度表天線波束范圍通常設(shè)計(jì)較大，能夠照射很大的地面區(qū)域，海面斜距信號同樣能夠被高度表天線接收。

在低高度時(shí)，該斜距信號對高度表測高精度影響非常大。這就意味著接收信號是由許多信號疊加而成的，其頻率和相位是相互無關(guān)的。這些接收信號使差拍信號頻譜展寬，疊加有各種噪聲，使測高誤差增大，出現(xiàn)“高指”現(xiàn)象。

為改善高度表“高指”情況，提高高度表測高精度，某型無線電高度表接收機(jī)原寬頻帶放大器被設(shè)計(jì)成兩個(gè)放大器，因此，高度表工作在不同高度時(shí)可使用不同的放大器。本型無線電高度表將測量高度15m作為放大器1和放大器2切換的標(biāo)志，具體實(shí)現(xiàn)是：當(dāng)飛行器飛行高度在15m以上時(shí)，無線電高度表微處理器將標(biāo)志位CTRL1置1，即“CTRL1=1”，高度表接收機(jī)工作在放大器1，可以有效地抑制接收天線直接接收發(fā)射天線泄露信號等產(chǎn)生的低頻噪聲的影響；當(dāng)飛行器飛行高度下降到15m時(shí)，無線電高度表微處理器將標(biāo)志位CTRL1置0，即“CTRL1=0”，高度表接收機(jī)工作在放大器2，這樣，高度表接收機(jī)在15m以下低高度通頻帶都相對更窄，接收機(jī)的信噪比可以顯著提高，提高了低高度的測高精度，便于飛行器掠海飛行。

由于無線電高度表采取上述技術(shù)措施，使得高度表在測量高度低于15m時(shí)，測高精度得到提高，“高指”情況得到改善，而高度表在大于15m時(shí)測高產(chǎn)生的誤差積累，導(dǎo)致高度表15m后測量的高度明顯“偏低”，如飛行試驗(yàn)高度表15m前后測高數(shù)據(jù)描繪的測高曲線圖3、圖6所示，高度表在15m后出現(xiàn)了測高“掉高”現(xiàn)象。這種“掉高”現(xiàn)象引起了高度表垂直速度信號劇烈突變，從而引起飛行器俯仰角速率信號跳變，直接影響飛行器的穩(wěn)定飛行，以及導(dǎo)引頭對目標(biāo)穩(wěn)定捕獲。信號曲線如圖3～圖5所示。

3 應(yīng)對措施

上述分析及高度表多次飛行試驗(yàn)記錄的測高數(shù)據(jù)表明，高度表在15m后一定出現(xiàn)測高“掉高”現(xiàn)象，只是每次“掉高”的高度存在一定差異，“掉高”的高度值基本在2～4m之間。這種“掉高”引起的干擾，會影響飛行器的穩(wěn)定飛行，以及導(dǎo)引頭對目標(biāo)穩(wěn)定捕獲。為應(yīng)對這種情況，減小高度表“掉高”的影響，削去高度表垂直速度信號的尖峰，針對性設(shè)計(jì)了一個(gè)限時(shí)使用的限速濾波器，對無線電高度表垂直速度信號進(jìn)行濾波。由于無線電高度表的“掉高”現(xiàn)象固定發(fā)生在放大器1和放大器2切換時(shí)，即測量高度15m處，而且延續(xù)時(shí)間1s左右，因此限速濾波器工作起點(diǎn)在放大器1和放大器2切換時(shí)，工作時(shí)間為1s，1s后濾波器無效，避免后續(xù)產(chǎn)生副作用。濾波器具體模型如下:

將無線電高度表在放大器1和放大器2切換時(shí)的時(shí)刻記為ta，此時(shí)刻的記為為濾波前的值，為濾波后的值。

則當(dāng)ta＜ta＋1.0時(shí)：

采用上述濾波措施后，飛行器飛行記錄參數(shù)顯示，未經(jīng)濾波的高度表垂直速度信號依然在15m后劇烈變化，但經(jīng)限速濾波器濾波后，高度表垂直速度信號在15m處的“掉高”后沒有出現(xiàn)劇烈突跳，同時(shí)，飛行器俯仰角速度信號也沒有劇烈變化，飛行器飛行姿態(tài)穩(wěn)定。具體數(shù)據(jù)曲線如圖6～圖9所示。

4 結(jié)語

某型差拍計(jì)數(shù)式無線電高度表接收機(jī)兩個(gè)放大器切換工作時(shí)出現(xiàn)的“掉高”，引起高度表垂直速度信號劇烈跳變，經(jīng)針對性的增加設(shè)計(jì)濾波措施后，飛行器飛行記錄參數(shù)顯示，飛行器飛行姿態(tài)穩(wěn)定，導(dǎo)引頭對目標(biāo)穩(wěn)定捕獲沒有受到影響，為飛行器的掠海飛行、擊中目標(biāo)提供了保證。

[1]陳鳳孚，徐崇貴，等.飛航導(dǎo)彈測高裝置與伺服機(jī)構(gòu)[M].北京：宇航出版社，1993，6.

[2]吳群主.微波工程技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005，3.

[3]張明廉.飛行控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984，1.

>>>作者簡介

蔣海超，男，1974年7月出生，1997年畢業(yè)于南昌航空工業(yè)學(xué)院，高級工程師，現(xiàn)從事飛行器總體設(shè)計(jì)工作。

Analysis and Solution for the“Height Drop”Error on a Type of Radio Altimeter

Jiang Haichao,Huang Zilu
(AVIC-HONGDU,Nanchang，Jiangxi 330024)

This paper analyzes the height measuring principle of the radio altimeter,which adopts the beat count continuous wave,finds out the cause for the height measuring error,and points out the bad effects of the"height drop"phenomenon.Based on these efforts,a specific filtering measure is used for the vertical velocity signal of this type of radio altimeter.The flight testing result after the modification demonstrates that this measure is feasible.

Beat count;Radio altimeter;Filter

2017-04-28）