基于飛機(jī)平臺(tái)的北斗救生信標(biāo)機(jī)的性能測(cè)試技術(shù)研究

阮先麗，孟　超

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安710089）

基于飛機(jī)平臺(tái)的北斗救生信標(biāo)機(jī)的性能測(cè)試技術(shù)研究

阮先麗，孟超

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，西安710089）

從北斗系統(tǒng)組成、功能及原理入手，分析了北斗救生信標(biāo)機(jī)在飛機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行性能測(cè)試的特點(diǎn)，介紹了性能測(cè)試和評(píng)判方法，分析并研究了驗(yàn)證結(jié)果。應(yīng)用結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的試飛和測(cè)試評(píng)估方法科學(xué)可行，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，充分體現(xiàn)了被測(cè)設(shè)備的功能性能，暴露了設(shè)計(jì)缺陷，給出了使用限制建議。研究結(jié)果具有重要的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)橛脩籼峁┦褂脜⒖肌?/p>

飛機(jī)平臺(tái)；北斗救生信標(biāo)；定位；鏈路

0　引言

北斗救生信標(biāo)機(jī)安裝在飛機(jī)上通過“北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)與其他同類飛機(jī)和地面指揮中心之間的通信及定位功能，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星通信通道和有源定位、電文通信工作方式［1］，很好地解決了在高原地區(qū)、海上、丘陵山區(qū)等無有效的地面通信設(shè)施支持時(shí)的應(yīng)急定位、位置報(bào)告、飛行簡(jiǎn)況通報(bào)以及指揮所準(zhǔn)實(shí)時(shí)掌握所屬目標(biāo)直升機(jī)飛行位置與軌跡等問題。

北斗救生信標(biāo)機(jī)的工作平臺(tái)是飛機(jī)，所以，在飛機(jī)動(dòng)態(tài)的環(huán)境下，北斗救生信標(biāo)機(jī)是否能夠正常工作、性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求等都需要通過空中測(cè)試及數(shù)據(jù)分析等手段驗(yàn)證。在飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行中，如何全面且有針對(duì)性的對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行檢驗(yàn)是一個(gè)全新的技術(shù)難題，性能測(cè)試中，如何設(shè)計(jì)試飛方案以最大化的體現(xiàn)系統(tǒng)功能和性能、如何設(shè)計(jì)平臺(tái)飛行動(dòng)作以最大化的暴露設(shè)計(jì)缺陷，以及如何對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估將是本文研究的重點(diǎn)。

1　北斗系統(tǒng)介紹

北斗系統(tǒng)利用地球同步衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)定位，由空間衛(wèi)星部分、地面系統(tǒng)部分和各類用戶設(shè)備組成［2］。地球同步衛(wèi)星作信號(hào)的中繼站，用戶接收機(jī)接收一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面中心站的測(cè)距詢問信號(hào)，然后向兩顆衛(wèi)星同時(shí)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，地面中心站根據(jù)兩顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)用戶機(jī)的回答信號(hào)及用戶的高程（或用戶的地心距）計(jì)算出用戶機(jī)的位置，并將這一位置數(shù)據(jù)再經(jīng)衛(wèi)星發(fā)給用戶機(jī)，由用戶機(jī)在顯示器上顯示出定位結(jié)果。在發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)北斗用戶機(jī)發(fā)射超短波救生信號(hào)，同時(shí)發(fā)送緊急定位申請(qǐng)，通過“北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)”將緊急定位信息發(fā)送至地面指揮中心，地面指揮中心依據(jù)收到的求救信息及時(shí)制定救援方案，實(shí)現(xiàn)有效救援。

北斗系統(tǒng)組成及工作原理［3-5］如圖1所示。

圖1　北斗救生信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理Fig.1　Composition and principle of the BeiDou rescue beacon system

2　在飛機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行性能測(cè)試的特點(diǎn)分析

北斗救生信標(biāo)機(jī)的工作平臺(tái)是飛機(jī)，對(duì)其性能測(cè)試是在飛機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行，所以，飛機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)特征直接影響著設(shè)備性能測(cè)試，影響設(shè)備性能的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）飛機(jī)平臺(tái)是高速運(yùn)動(dòng)的，北斗救生信標(biāo)機(jī)天線要在飛機(jī)平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)的條件下保持對(duì)衛(wèi)星的精確跟蹤，要能克服由于飛機(jī)相對(duì)衛(wèi)星的移動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移。

2）飛機(jī)在飛行過程中是會(huì)有姿態(tài)變化的，不同的航向、俯仰、橫滾可能會(huì)對(duì)其性能造成影響。

3）在北斗救生信標(biāo)機(jī)機(jī)載平臺(tái)上安裝，空間受限，可能受到機(jī)體（機(jī)尾、機(jī)翼、機(jī)身）遮擋，需檢查是否遮擋、遮擋的角度以及遮擋后恢復(fù)工作能力。

4）北斗救生信標(biāo)機(jī)天線不僅接收來自北斗衛(wèi)星的直接波，還接收從機(jī)背、機(jī)翼、機(jī)尾經(jīng)不同途徑反射來的幅度與相位各不相同的反射波及地面反射波，引起接收信號(hào)電平發(fā)生隨機(jī)起伏，需在試飛中檢查多徑衰落影響。

5）由于北斗救生信標(biāo)機(jī)是安裝在飛行中的飛機(jī)上，工作時(shí)受振動(dòng)影響較大，特別是在飛機(jī)的起飛和降落階段，需在試飛全過程中檢查設(shè)備抗振動(dòng)技術(shù)的有效性。

6）由于飛機(jī)平臺(tái)內(nèi)電子設(shè)備多、空間小，在狹小的空間中，頻段接近的設(shè)備，特別是氣象雷達(dá)、超短波電臺(tái)等大功率發(fā)射設(shè)備，其電磁兼容性設(shè)計(jì)是必須要考慮的一個(gè)問題。

7）北斗救生信標(biāo)機(jī)工作在L段和S段，該通信頻段可能會(huì)受到雨衰的影響，需在試飛過程中檢查雨衰對(duì)設(shè)備的影響。

3　主要性能測(cè)試方法

3.1設(shè)計(jì)飛機(jī)飛行航路測(cè)試功能及性能

北斗救生信標(biāo)機(jī)天線一般安裝在飛機(jī)的尾部，實(shí)現(xiàn)通信和定位的北斗中繼通信衛(wèi)星位于赤道上空，為了全面檢查測(cè)試北斗救生信標(biāo)機(jī)的功能及性能，基于以上分析，設(shè)計(jì)特殊的航路全面檢驗(yàn)和測(cè)試天線性能和設(shè)備整體性能。主要從以下幾個(gè)方面設(shè)計(jì)試飛方法：

（1）飛機(jī)以不同坡度的“8”形航路飛行

在飛機(jī)飛行航路中增加“8”形飛行線路，轉(zhuǎn)彎半徑R可根據(jù)需要設(shè)定。在“8”形航路飛行中，可檢查測(cè)試以下主要項(xiàng)目：

①檢查測(cè)試北斗救生信標(biāo)機(jī)天線捕獲跟蹤性能；

②檢查北斗救生信標(biāo)機(jī)天線受機(jī)體（機(jī)尾、機(jī)翼、機(jī)身）遮擋情況，以及恢復(fù)正常工作能力的情況；

③檢查北斗救生信標(biāo)機(jī)天線被機(jī)體遮擋的角度和跟蹤衛(wèi)星的能力。

（2）飛機(jī)以東西向、南北向飛行

分別選擇東西向和南北向兩條航線，以不同的高度飛行，在航線上進(jìn)行大速度、加減速等機(jī)動(dòng)飛行，在這個(gè)過程中檢查測(cè)試以下主要項(xiàng)目：

①檢查北斗救生信標(biāo)機(jī)在飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)的條件下，保持對(duì)北斗衛(wèi)星的精確跟蹤的能力；

②檢查飛機(jī)相對(duì)北斗衛(wèi)星的移動(dòng)而產(chǎn)生多普勒頻移的影響；

③檢查多徑衰落影響。

（3）爬升、下降及全程飛行

在飛機(jī)進(jìn)行起飛、降落以及整個(gè)試飛過程中，進(jìn)行以下功能檢查：

①檢查天線的跟蹤性；

②檢查爬升、下降過程中機(jī)體遮擋對(duì)設(shè)備性能的影響；

③檢查系統(tǒng)與機(jī)上其他各類電子設(shè)備之間的電磁兼容性。

（4）降雨條件下飛行

在降雨的條件下，檢查雨衰對(duì)北斗救生信標(biāo)機(jī)定位信息和鏈路信息傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3.2數(shù)據(jù)采集記錄

設(shè)備在飛機(jī)平臺(tái)上的性能測(cè)試不僅取決于科學(xué)合理的試飛方法，也取決于數(shù)據(jù)采集記錄及評(píng)判準(zhǔn)則。在北斗救生信標(biāo)機(jī)性能測(cè)試中，采集記錄飛機(jī)平臺(tái)輸出的慣導(dǎo)姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)，在飛機(jī)平臺(tái)上加裝位置基準(zhǔn)傳感器和數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備，以飛機(jī)實(shí)時(shí)的位置和姿態(tài)參數(shù)建立一個(gè)精確的測(cè)姿定位基準(zhǔn)系統(tǒng)，同時(shí)采集記錄關(guān)鍵傳感器的輸出數(shù)據(jù)，為北斗救生信標(biāo)機(jī)的功能及性能測(cè)試提供參考。

在飛行航路中采集記錄以下數(shù)據(jù)：

1）飛機(jī)的飛行時(shí)刻、空域及經(jīng)度、緯度；

2）飛機(jī)的俯仰角、橫滾角、航向角；

3）與參數(shù)回傳對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)。

4　應(yīng)用效果

利用測(cè)姿定位基準(zhǔn)系統(tǒng)和平臺(tái)傳感器采集記錄系統(tǒng)，分析北斗救生信標(biāo)機(jī)的各項(xiàng)功能和性能，最大程度地檢查設(shè)備的缺陷，正確地反映出設(shè)備的性能特點(diǎn)。下面以典型的故障問題進(jìn)行詳細(xì)的剖析，從設(shè)計(jì)原理上對(duì)故障問題進(jìn)行定位。

4.1定位問題及分析

在試飛測(cè)試過程中，把北斗輸出的定位信息與測(cè)姿定位基準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)北斗救生信標(biāo)機(jī)給出的定位信息誤差較大，如圖2所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，地面中心站在定位解算［6-7］時(shí)使用的是一個(gè)固定高度，導(dǎo)致定位誤差較大，鑒于飛機(jī)平臺(tái)上裝有測(cè)高傳感器，地面中心站采用飛機(jī)平臺(tái)真實(shí)的絕對(duì)氣壓高度（1s/次）進(jìn)行定位解算，從而改善定位準(zhǔn)確性，改善后的定位結(jié)果如圖3所示。

圖2　固定高度參與解算的定位信息Fig.2　Time history curve of the comparison between the BeiDou and the reference with the fixed height

圖3　飛機(jī)平臺(tái)真實(shí)高度參與解算的定位信息Fig.3　Time history curve of the comparison between the BeiDou and the reference with the true height from the aircraft platform

4.2鏈路傳輸問題及分析

北斗救生信標(biāo)機(jī)通過中繼衛(wèi)星建立上行、下行鏈路，實(shí)現(xiàn)定位、短報(bào)文通信。對(duì)鏈路的測(cè)試評(píng)估是通過定位信息、參數(shù)回傳信息以及短報(bào)文的接收成功率統(tǒng)計(jì)。結(jié)合飛機(jī)平臺(tái)環(huán)境，在飛機(jī)不同的航向角、橫滾角姿態(tài)條件下，以及在降雨環(huán)境下對(duì)定位成功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1、表2所示，表中單站點(diǎn)定位成功率是相對(duì)于總站定位成功率的歸一化值。

表1　不同航向和不同橫滾角的定位信息接收情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1　The reception statistical results of the positioning information with different directions and different roll angles

表2　降雨時(shí)定位統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2　The statistical results of the positioning information in the rain

從表1和表2中的統(tǒng)計(jì)可以看出，向著衛(wèi)星方向飛行、以較大橫滾角飛行以及在降雨環(huán)境飛行時(shí)，定位成功率明顯較低，建議用戶使用時(shí)考慮飛機(jī)姿態(tài)以及降雨環(huán)境。

5　結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，從北斗系統(tǒng)組成、功能及原理入手，分析了北斗救生信標(biāo)機(jī)在飛機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行性能測(cè)試的特點(diǎn)，介紹了性能測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理及評(píng)判方法，并對(duì)設(shè)計(jì)的試飛方案進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了分析和研究。從應(yīng)用結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的試飛和測(cè)試評(píng)估方法科學(xué)可行，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，能夠暴露設(shè)計(jì)缺陷，并且能夠充分體現(xiàn)被測(cè)設(shè)備的功能性能，針對(duì)使用限制給出了明確的建議，為用戶使用提供很好的指導(dǎo)。

［1］北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）［Z］.中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2013. Public service performance specifications for Beidou satellite navigation system（version 1.0）［Z］.China's Satellite Navigation System Management Office，2013.

［2］袁建平，羅建軍.衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用［M］.北京∶中國(guó)宇航出版社，2004. YUAN Jian-ping，LUO Jian-jun.Principle and application of satellite navigation［M］.Beijing∶China Aerospace Press，2004.

［3］周露，劉寶忠.北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的技術(shù)特性分析與應(yīng)用［J］.全球定位系統(tǒng)，2004，29（4）∶12-16.ZHOU Lu，LIU Bao-zhong.Analysis of the technical characteristics and application for Beidou satellite positioning system［J］.Global Positioning System，2004，29 （4）∶12-16.

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［5］郭建寧.雙星定位系統(tǒng)的定位計(jì)算和數(shù)字地圖［J］.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，1992（6）∶14-22. GUO Jian-ning.Positioning calculation and digital map for binary satellite［J］.Chinese Space Science and Technology，1992（6）∶14-22.

［6］林雪原，何友，張力.高程誤差對(duì)雙星定位系統(tǒng)定位精度的影響研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2005，30 （12）∶1039-1043. LIN Xue-yuan，HE You，ZHANG Li.Study on effect of altitude error on position precision of double-star positioning system［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2005，30（12）∶1039-1043.

［7］Kazuhiro K，Eihisa M.Communication and radio determination system using two geostationary satellites part 2∶analysis of positioning accuracy［J］.Transaction on Aerospace and Electronic System，1996，32（1）∶314-325.

The Performance Test Technology Research for the BeiDou Rescue Beacon System Based on theAircraft Platform

RUAN Xian-li，MENG Chao
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089）

Based on the composition，function and principle of the BeiDou system，the characteristics of performance testing on aircraft platform is analyzed，the performance testing and evaluation method for the BeiDou rescue beacon system are introduced，the verification results are studied and analyzed.Application results show that the design of the flight test and the test evaluation method is scientific and feasible，and the test results are accurate，the function of the device under test is fully embodies，the design flaw is exposed，use restriction advice is given.The results have important value in engineering application，and provide users with high reference value.

aircraft platform；BeiDou rescue beacon；location；link

U666.1

A

1674-5558（2016）05-01068

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.019

2015-01-26

阮先麗，女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭諜C(jī)載電子設(shè)備試飛技術(shù)。