雙余度調(diào)頻高度表的隔離度研究

呂百成

北京青云航空儀表有限公司，北京，101300

0 引言

根據(jù)飛行任務(wù)需要，多型飛機(jī)要求配套的無(wú)線電高度表使用雙余度的工作方式。高度表在雙余度安裝使用時(shí)對(duì)天線有較高的安裝距離及天線增益、方向性圖等設(shè)計(jì)要求，如果雙表的天線安裝距離較近，高度表易產(chǎn)生互相干擾的問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法正常測(cè)高。為解決這一問(wèn)題，本文首先介紹了調(diào)頻高度表的工作原理及測(cè)高實(shí)現(xiàn)方式，然后分析了高度表雙余度使用時(shí)各信號(hào)的作用，在對(duì)信號(hào)干擾產(chǎn)生條件分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)測(cè)試，給出了調(diào)頻高度表雙余度使用過(guò)程中的隔離度要求[1]。

1 調(diào)頻連續(xù)波高度表工作原理及測(cè)高實(shí)現(xiàn)

高度表可以連續(xù)測(cè)量載體對(duì)地面或海面的相對(duì)高度。無(wú)線電測(cè)高技術(shù)發(fā)展成脈沖體制和調(diào)頻連續(xù)波體制兩類(lèi)，調(diào)頻連續(xù)波高度表又可分為恒定周期體制和恒定差拍體制。其中恒定差拍調(diào)頻連續(xù)波、頻譜前沿探測(cè)的工作體制測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，特別適合用于中、低高度測(cè)量應(yīng)用[2]。

恒定差拍體制調(diào)頻高度表一般有微波收發(fā)組件、低放鑒頻組件、伺服環(huán)路控制組件，經(jīng)發(fā)射天線向地面發(fā)射經(jīng)鋸齒波調(diào)制的射頻線性調(diào)頻波，當(dāng)發(fā)射的時(shí)間為t1，該調(diào)頻波頻率為F1，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間τ后，從地面反射回來(lái)的信號(hào)經(jīng)接收天線進(jìn)入無(wú)線電高度表，頻率仍為F1，τ是往返飛機(jī)與地面之間（電磁波傳播）所需的時(shí)間，稱之為“渡越時(shí)間”。在t2（t2=t1+τ）時(shí)刻時(shí)，發(fā)射頻率從F1變?yōu)镕2，高度表接收的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)（頻率為F2）在混頻器內(nèi)進(jìn)行混頻，得到一個(gè)差頻信號(hào)fb（fb=F1-F1），差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、增益控制、信號(hào)濾波、鑒頻等，提供輸出信號(hào)給伺服環(huán)路作為搜索/跟蹤及調(diào)整鋸齒波時(shí)間T的依據(jù)，使高度表進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，同時(shí)使差頻信號(hào)保持在某一恒定頻率，測(cè)量鋸齒波時(shí)間T，計(jì)算出當(dāng)前高度[2-3]。圖1表示其測(cè)高工作原理。

根據(jù)直角三角形之間的關(guān)系，可以得出下列公式：

如果將系統(tǒng)的差拍頻率fb和頻偏ΔF保持為與高度無(wú)關(guān)的常數(shù)，而正比于高度變化的參數(shù)僅是發(fā)射機(jī)的頻率調(diào)制斜率（即周期），上述基本公式可寫(xiě)成：

延遲時(shí)間τ由兩部分構(gòu)成，一部分是與飛行高度成正比的延遲時(shí)間2h/c，另一部分是設(shè)備安裝延時(shí)Ti(包括高度表連接到天線的電纜長(zhǎng)度以及飛機(jī)機(jī)輪高度),故：

其中：Ti為高度；Ti設(shè)備的安裝延遲AID（包括安裝電纜長(zhǎng)度，天線間距，天線局地高度）；T頻率調(diào)制周期；c電磁波傳播速度；ΔF峰值之間的頻偏；fb差拍頻率。

2 雙表干擾分析

2.1 跟蹤工作時(shí)高度表A受到的干擾信號(hào)

高度表在雙余度使用時(shí)，如果兩組天線間距較小，則高度表之間會(huì)互相干擾，輸出錯(cuò)誤高度。如在凈空試驗(yàn)時(shí)，高度表會(huì)錯(cuò)誤跟蹤高度[3]。

高度表雙余度安裝使用，正常跟蹤測(cè)高時(shí)的工作情況如圖2所示。高度表A接收的信號(hào)有T21、T24、S21、S24，其中：

T21是接收天線AT2接收的，經(jīng)地面反射的發(fā)射天線AT1的發(fā)射信號(hào)。

T24是接收天線AT2接收的，經(jīng)地面反射的發(fā)射天線AT4的發(fā)射信號(hào)。

S21是接收天線AT2接收的，未經(jīng)地面反射的發(fā)射天線AT1的發(fā)射信號(hào)。

S24是接收天線AT2接收的，未經(jīng)地面反射的發(fā)射天線AT4的發(fā)射信號(hào)。

對(duì)高度表A來(lái)講，以上信號(hào)中只有T21是含有高度信息的有效信號(hào)，其他均為干擾信號(hào)。只有高度表A跟蹤、測(cè)量T21信號(hào)才是正常跟蹤工作狀態(tài)，如果跟蹤、測(cè)量其他信號(hào)，則認(rèn)為高度表A被干擾[5]。

2.2 干擾源信號(hào)的分析

2.2.1 同步的干擾情況

2.2.1.1 不干擾的充分條件

如果S24信號(hào)與高度表A的發(fā)射信號(hào)同步，混頻信號(hào)為f24，根據(jù)高度表工作原理，f24信號(hào)如果對(duì)高度表造成干擾，f24信號(hào)的頻率應(yīng)在20kHz～30kHz范圍內(nèi)，否則該信號(hào)將在低頻放大器中被濾波。

當(dāng)f24信號(hào)的頻率在20kHz～30kHz范圍內(nèi)時(shí)，如果f24信號(hào)經(jīng)高度表A放大電路放大后不能使鑒頻器輸出達(dá)到跟蹤/搜索觸發(fā)器門(mén)限，那么，高度表A就不會(huì)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行跟蹤，反之造成干擾。

此時(shí)，高度表A對(duì)接收信號(hào)的放大增益取決于高度表A當(dāng)前搜索測(cè)量高度。而高度表A此時(shí)的測(cè)量高度可能為任何值，所以高度表A對(duì)接收信號(hào)的放大增益可能為最小放大增益也可能為最大放大增益。

以最嚴(yán)酷情況即最大放大增益計(jì)，在同步狀態(tài)下，只要f24信號(hào)經(jīng)最大放大增益放大后，達(dá)到跟蹤/搜索觸發(fā)器門(mén)限，則跟蹤/搜索信號(hào)跳轉(zhuǎn)，高度表進(jìn)入鎖相狀態(tài)，伺服環(huán)路由跟蹤鑒頻器輸出，等待20ms后，跟蹤狀態(tài)有效，S24信號(hào)干擾成功。

如果f24信號(hào)經(jīng)最大放大增益放大后不能達(dá)到跟蹤/搜索觸發(fā)器門(mén)限，那么S24信號(hào)一定不會(huì)造成干擾[4]。

那么S24信號(hào)不干擾的充分條件是：發(fā)射天線AT4與接收天線AT2之間的天線隔離度Lh14＞高度表A最大靈敏度Smax，或者考慮電纜衰減情況下高度表B“發(fā)”端與高度表A“收”端的設(shè)備隔離度大于高度表A最大靈敏度。

由此我們得到了信號(hào)不干擾的充分條件，但是高度表的最大靈敏度一般為＞124dB，而如果天線隔離度要達(dá)到124dB，則天線安裝間距要求＞4m，但是實(shí)際的安裝間距不需要這樣大就可不干擾工作，所以該條件不是S24信號(hào)不干擾的充分條件，對(duì)干擾現(xiàn)象需進(jìn)一步研究。

2.2.1.2 同步干擾的可能性

在前節(jié)討論中的前提條件是S24信號(hào)與高度表A的發(fā)射信號(hào)同步，且混頻信號(hào)f24信號(hào)的頻率應(yīng)在20kHz～30kHz范圍內(nèi)。

高度表的發(fā)射信號(hào)是帶寬為10 0 M H z～150MHz的連續(xù)調(diào)頻波，每一次搜索中約100個(gè)不同的調(diào)頻鋸齒波，要求f24信號(hào)的頻率在20kHz～30kHz的范圍內(nèi)，則高度表B與高度表A的同步概率為1%×10kHz/100MHz=0.000001，即百萬(wàn)分之一。

那么如果出現(xiàn)上述情況，在同步的瞬間高度表A應(yīng)該跟蹤/搜索信號(hào)跳轉(zhuǎn)，然后信號(hào)需保持20ms才確認(rèn)跟蹤有效。在這20ms中f24信號(hào)需在20kHz～30kHz范圍內(nèi)保持，而f24信號(hào)是由高度表A與高度表B的混頻信號(hào)，這就要求高度表A與高度表B的微波頻帶的不一致性小于10kHz/100MHz=0.0001，參照高度表微波組件調(diào)頻帶寬的非線性小于1.5%的最高工藝指標(biāo)要求，可知兩只微波組件達(dá)到萬(wàn)分之一的不一致性是不可能的。

即使有兩只微波組件達(dá)到萬(wàn)分之一的不一致性，并且碰上了百萬(wàn)分之一的同步概率，也只得到了20kHz～30kHz的f24信號(hào)，該信號(hào)將對(duì)高度表A進(jìn)行伺服調(diào)整，伺服調(diào)整的結(jié)果將改變高度表A發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻斜率從而使高度表A與高度表B由同步狀態(tài)轉(zhuǎn)為不同步狀態(tài)[5]。

綜上所述，同步干擾概率極低，并且同步干擾是不穩(wěn)定狀態(tài)，所以同步干擾是不可能實(shí)現(xiàn)的，在使用中不需要考慮同步干擾的情況。

2.2.2 異步的干擾情況

S24信號(hào)與高度表A的發(fā)射信號(hào)異步時(shí)，最容易出現(xiàn)干擾的情況應(yīng)是：

a)被干擾的高度表A對(duì)信號(hào)的放大量最大，即高度表A當(dāng)前測(cè)量高度較高；

b)干擾信號(hào)S24在單位時(shí)間內(nèi)與被干擾的高度表A的發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生最多的20kHz～30kHz內(nèi)的混頻信號(hào)，即高度表B當(dāng)前測(cè)量高度極低。

在上述情況下，在高度表A與高度表B的鋸齒波相交時(shí)，高度表中A將產(chǎn)生20kHz～30kHz范圍內(nèi)的混頻信號(hào)。在實(shí)際工作中，高度表最短鋸齒波約110us，休止期為220us，另外試驗(yàn)測(cè)定每次混頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間約70us。

如果混頻信號(hào)f24’經(jīng)控制鑒頻器鑒頻輸出信號(hào)滿足跟蹤要求，則跟蹤/搜索信號(hào)由搜索狀態(tài)跳轉(zhuǎn)為鎖相，如果持續(xù)時(shí)間保持20ms，則高度表A轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài)，被干擾。

2.2.3 T24信號(hào)與S24信號(hào)的關(guān)系

S24信號(hào)是高度表B的發(fā)射信號(hào)直接傳播到高度表A的，其能量大小是一定的，與飛行高度、姿態(tài)等無(wú)關(guān)，其與高度表A發(fā)射信號(hào)的同步關(guān)系是不確定的。

可見(jiàn)，對(duì)高度表A來(lái)講，S24信號(hào)和T24信號(hào)都是隨機(jī)干擾，區(qū)別只是能量大小不同。在一定高度以下時(shí)，T24信號(hào)能量大于S24信號(hào)，在高高度時(shí)，T24信號(hào)能量小于S24信號(hào)。

3 雙表干擾試驗(yàn)

為模擬高度表在雙余度使用時(shí)的干擾情況，并測(cè)定隔離度要求，考慮進(jìn)行高度表雙表收發(fā)直饋干擾試驗(yàn)。

將高度表B的“發(fā)”端通過(guò)電纜及可變衰減器連接高度表A的“收”端，觀察高度表A的被干擾情況。其中電纜衰減和可變衰減器的衰減共同組成高度表A的“收”端與高度表B的“發(fā)”端之間的設(shè)備隔離度。兩只高度表均無(wú)閉合的信號(hào)回路，所以為搜索狀態(tài)，可認(rèn)為模擬凈空輻射試驗(yàn)或高空飛行狀態(tài)。

當(dāng)高度表B“發(fā)”端與高度表A“收”端的設(shè)備隔離度大于95dB時(shí)，高度表A、B均一直為搜索狀態(tài)。逐漸減小可變衰減器衰減量，當(dāng)高度表B“發(fā)”端與高度表A“收”端的設(shè)備隔離度小于95dB時(shí)，高度表A的狀態(tài)信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)情況。

再次減小可變衰減器衰減量，當(dāng)高度表B“發(fā)”端與高度表A“收”端的設(shè)備隔離度小于92dB時(shí)，高度表A有跟蹤狀態(tài)顯示及錯(cuò)誤高度輸出[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波高度表飛機(jī)上雙表實(shí)際安裝方式，進(jìn)行了高度表正常跟蹤工作模式下的發(fā)射及接收信號(hào)的互擾情況分析，進(jìn)行了接收信號(hào)的同步及異步干擾情況的分析，及雙表的直饋干擾試驗(yàn)?？梢缘贸稣{(diào)頻連續(xù)波高度表相同體制雙表工作時(shí)應(yīng)滿足兩只高度表設(shè)備隔離度不小于95dB的要求。對(duì)于天線，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的裝機(jī)電纜不同長(zhǎng)度的衰減、天線增益、方向性圖及實(shí)測(cè)隔離度數(shù)據(jù)綜合考慮，再確定天線的安裝間距，從而確定天線隔離度，使其滿足系統(tǒng)隔離高的要求。