AC311A直升機(jī)S模式應(yīng)答機(jī)信號(hào)丟失問(wèn)題分析與處理

范 翠

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

空中交通管制的目的是有序地組織和實(shí)施空中交通，防止飛機(jī)相撞，保證飛行安全，同時(shí)提高航空交通繁忙空域特別是中心機(jī)場(chǎng)的利用效率。機(jī)載應(yīng)答機(jī)是空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備，與地面二次雷達(dá)配合工作，其功能是向地面管制中心報(bào)告飛機(jī)的識(shí)別代碼、飛機(jī)的氣壓高度及一些特殊代碼等[1]，在軍用敵我識(shí)別和民用航空交通管制方面起著至關(guān)重要的作用。

AC311A直升機(jī)在適航取證試飛過(guò)程中，S模式應(yīng)答機(jī)信號(hào)頻繁丟失，無(wú)法持續(xù)回答地面二次雷達(dá)系統(tǒng)的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，不能為空中交通管制員提供直升機(jī)的位置和識(shí)別信息，很大程度上影響了民用航空的安全與效率，保障不了飛行安全，極易造成災(zāi)難性后果。

1 問(wèn)題描述

AC311A直升機(jī)試飛過(guò)程如圖1所示。S模式應(yīng)答機(jī)代碼設(shè)置為4402，直升機(jī)由呂蒙機(jī)場(chǎng)(距昌北機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)130km)起飛進(jìn)入試飛航線(xiàn)，爬升到高度1800m，以速度180km/h背臺(tái)平飛，應(yīng)答機(jī)信號(hào)丟失頻繁。直升機(jī)繼續(xù)爬升至5000m，爬升過(guò)程中依然存在應(yīng)答信號(hào)丟失的情況。當(dāng)爬升至5000m后，直升機(jī)背臺(tái)平飛，最大應(yīng)答距離為143km。試飛過(guò)程中應(yīng)答機(jī)作用距離記錄見(jiàn)表1。

圖1 試飛過(guò)程示意圖

應(yīng)答機(jī)作用距離/(km)143144148有無(wú)應(yīng)答指示背臺(tái)有丟失無(wú)向臺(tái)有丟失無(wú)

根據(jù)適航咨詢(xún)通告的規(guī)定，旋翼航空器在距雷達(dá)站80海里(148km)以?xún)?nèi)的整個(gè)空域，從無(wú)線(xiàn)電視距高度到旋翼航空器合格審定最大高度的90%～100%高度上沿直線(xiàn)平飛時(shí)，空中交通管制(ATC)應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能給詢(xún)問(wèn)雷達(dá)站提供強(qiáng)而穩(wěn)定的回答信號(hào)。當(dāng)旋翼航空器在上述空域內(nèi)作下列機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，其丟失信號(hào)的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)20s[2]：

1) 側(cè)傾角直至10°的轉(zhuǎn)彎；

2) 以正常的最大爬升和下降姿態(tài)進(jìn)行爬升和下降。

試飛結(jié)果表明，在1800m到6000m高度爬升、下降、轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，二次監(jiān)視雷達(dá)收到的應(yīng)答機(jī)信號(hào)不穩(wěn)定，丟失信號(hào)時(shí)間超過(guò)20s；在5000m高度平飛時(shí)，應(yīng)答機(jī)作用距離143km，不滿(mǎn)足作用距離148km的要求。

2 原因分析

機(jī)載應(yīng)答機(jī)信號(hào)的穩(wěn)定性及作用距離與直升機(jī)飛行高度、飛行姿態(tài)、地形狀況、天線(xiàn)位置及發(fā)射機(jī)發(fā)射功率等因素密切相關(guān)。從設(shè)計(jì)角度，應(yīng)答機(jī)信號(hào)的穩(wěn)定性及作用距離主要取決于天線(xiàn)的輻射效能、輻射功率大小及發(fā)射機(jī)與天線(xiàn)間互聯(lián)線(xiàn)纜上的信號(hào)衰減這三個(gè)方面。

2.1 天線(xiàn)布局對(duì)輻射效能的影響

S模式應(yīng)答機(jī)天線(xiàn)為垂直極化的全向刀型天線(xiàn)，裝機(jī)時(shí)要求周?chē)鸁o(wú)明顯金屬遮擋物，其接收頻率為1030MHz±0.2 MHz，發(fā)射頻率為1090MHz±1 MHz。天線(xiàn)在機(jī)上安裝位置如圖2所示。其中，天線(xiàn)位置1為原安裝位置，天線(xiàn)位置2為研制單位經(jīng)過(guò)理論分析后確定的安裝位置，空速管為垂直安裝的金屬件，與天線(xiàn)1距離200mm(約為2/3波長(zhǎng))。通過(guò)電磁仿真分析軟件計(jì)算的天線(xiàn)自由空間和裝機(jī)輻射方向圖如圖3所示。

圖2 天線(xiàn)安裝示意圖

圖3 天線(xiàn)輻射方向圖

從圖3中可以看出，裝機(jī)后天線(xiàn)的輻射方向圖在空速管一側(cè)畸變嚴(yán)重。在位置2處天線(xiàn)增益較自由空間最大下降5.34dB，比位置1處情況更為惡劣，表明天線(xiàn)在直升機(jī)上安裝位置的不同會(huì)嚴(yán)重影響天線(xiàn)的輻射效能。由于天線(xiàn)輻射效能降低，S模式應(yīng)答機(jī)在試飛過(guò)程中即表現(xiàn)為應(yīng)答信號(hào)不穩(wěn)定，丟失信號(hào)時(shí)間超過(guò)20s。

2.2 發(fā)射功率對(duì)作用距離的影響

根據(jù)電磁波傳輸理論，接收機(jī)接收到的發(fā)射源信號(hào)電平為：

PR=PT+GT-LT-L(f,d)+

GR-LR-LP

(1)

式中：PR為接收機(jī)接收到的信號(hào)電平，單位dBm；PT為發(fā)射機(jī)功率，單位dBm；GT為發(fā)射天線(xiàn)增益，單位dBi；LT為發(fā)射機(jī)與發(fā)射天線(xiàn)互連電纜損耗，單位dB；L(f,d)為電磁波自由空間損耗，單位dB；GR為接收天線(xiàn)增益，單位dB；LR為接收機(jī)與接收天線(xiàn)互連電纜損耗，單位dB；LP為發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)極化失配損耗，單位dB。

其中，電磁波自由空間傳輸損耗計(jì)算方法如下[3]：

L(f,d)=32.44+20 lgf+20 lgd

(2)

式中：f為接收機(jī)接收頻率，單位MHz；d為電磁波傳播距離，單位km。

S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)峰值功率：125W～500W，接收機(jī)的靈敏度為-74±3dBm，實(shí)際發(fā)射功率為160W。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，天線(xiàn)最大增益4dBi，忽略天線(xiàn)極化失配損耗及電纜損耗，在距離144km處，計(jì)算得到接收機(jī)接收到的信號(hào)電平為-75.9dBm。接收機(jī)的靈敏度為-74±3dBm，接收到的信號(hào)恰處于接收機(jī)靈敏度動(dòng)態(tài)范圍臨界處，而在天線(xiàn)增益較小的方位接收信號(hào)則超出接收機(jī)靈敏度范圍，出現(xiàn)應(yīng)答信號(hào)丟失的情況。

3 解決措施

通過(guò)仿真計(jì)算，由于機(jī)體遮擋，此位置處的天線(xiàn)輻射方向圖不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中方位面全向的要求，需對(duì)天線(xiàn)布局進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)理論計(jì)算，在目前發(fā)射機(jī)160W發(fā)射功率下，應(yīng)答機(jī)通信距離也難以滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)中148km的要求，需提高其發(fā)射功率。

3.1 天線(xiàn)布局優(yōu)化

由于前期依據(jù)理論分析對(duì)S模式應(yīng)答機(jī)天線(xiàn)在圖2所示位置2處進(jìn)行了重新布局，經(jīng)試飛驗(yàn)證效果不佳。現(xiàn)采取理論結(jié)合仿真計(jì)算的方式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。由2.1節(jié)原因分析可知，應(yīng)答機(jī)信號(hào)丟失的主要原因是天線(xiàn)布局不當(dāng)，機(jī)體結(jié)構(gòu)遮擋導(dǎo)致天線(xiàn)輻射方向圖嚴(yán)重畸變，因此需對(duì)應(yīng)答機(jī)天線(xiàn)重新布置。經(jīng)理論分析，初步確定以下兩種解決措施：

1) 更改天線(xiàn)位置：將天線(xiàn)移到遠(yuǎn)離空速管且機(jī)體遮擋較小的位置，如尾梁。

2) 加高天線(xiàn)安裝支座：由于空速管底面截面積較大，加高S模式應(yīng)答機(jī)天線(xiàn)安裝支座理論上可減少空速管和機(jī)體對(duì)其的遮擋。

表2 兩種措施比較

由于該型機(jī)已進(jìn)入適航試飛取證階段，結(jié)構(gòu)開(kāi)孔、設(shè)備線(xiàn)纜重新布局在此階段不易實(shí)現(xiàn)，綜合考慮后采取措施二。從電磁干擾角度分析可知，天線(xiàn)支座凸出的高度越大，機(jī)體結(jié)構(gòu)對(duì)天線(xiàn)的遮擋影響越小。但支座高度對(duì)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等方面有較大影響。通過(guò)與結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等專(zhuān)業(yè)的溝通協(xié)調(diào)，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等要求的條件下將天線(xiàn)支座加高至72mm。利用電磁仿真軟件FEKO計(jì)算了原支座高度12mm和支座高度為72mm時(shí)的天線(xiàn)裝機(jī)輻射方向圖，見(jiàn)圖4。

通過(guò)圖4中對(duì)天線(xiàn)自由空間、原安裝位置和安裝支座加高后位置的輻射方向圖的比較可以看出，裝機(jī)后天線(xiàn)的輻射方向圖在空速管一側(cè)有部分畸變，天線(xiàn)增益降低明顯，而支座加高后天線(xiàn)輻射方向圖畸變幅度相對(duì)原位置有了較大改善，理論上滿(mǎn)足天線(xiàn)增益下降不超過(guò)3dB的指標(biāo)要求。

3.2 增大發(fā)射功率

針對(duì)通信距離不足的問(wèn)題，應(yīng)答機(jī)研制單位通過(guò)更改設(shè)備電源模塊變壓器的線(xiàn)圈匝數(shù)，提高功放模塊的輸入電壓，將應(yīng)答機(jī)的發(fā)射功率由原來(lái)的160W增到了260W。工藝人員對(duì)機(jī)上應(yīng)答機(jī)與天線(xiàn)之間的互聯(lián)電纜進(jìn)行梳理，通過(guò)合理的電纜布局，縮短電纜長(zhǎng)度，減少信號(hào)在線(xiàn)纜上的衰減。

圖4 不同支座高度的天線(xiàn)輻射方向圖

按公式(1)、(2)計(jì)算距離148km處接收機(jī)接收的信號(hào)強(qiáng)度為-73.9dBm?？紤]互聯(lián)電纜損耗后，即使在天線(xiàn)增益最小的角度，該信號(hào)仍在接收機(jī)靈敏度動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，理論上可滿(mǎn)足通信距離要求。

4 驗(yàn)證

按照仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)應(yīng)答機(jī)天線(xiàn)布局進(jìn)行優(yōu)化，將改進(jìn)后的S模式應(yīng)答機(jī)裝機(jī)并對(duì)線(xiàn)纜進(jìn)行優(yōu)化后進(jìn)行了試飛驗(yàn)證：

直升機(jī)飛行高度為1000m，距離昌北機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)距離為130km。飛行過(guò)程中直升機(jī)作轉(zhuǎn)彎、爬升、下降等機(jī)動(dòng)動(dòng)作，應(yīng)答機(jī)沒(méi)有明顯丟失信號(hào)，丟失時(shí)間不超過(guò)20s，滿(mǎn)足信號(hào)穩(wěn)定的要求。

直升機(jī)在距地面詢(xún)問(wèn)雷達(dá)站148km處，飛行高度分別為1700m和5400m時(shí)，直升機(jī)沿直線(xiàn)平飛過(guò)程中應(yīng)答信號(hào)無(wú)丟失，能給詢(xún)問(wèn)雷達(dá)站提供強(qiáng)而穩(wěn)定的回答信號(hào)，滿(mǎn)足作用距離148km的要求。

5 小結(jié)

本文從天線(xiàn)布局和發(fā)射功率兩方面以仿真和理論計(jì)算為手段對(duì)S模式應(yīng)答機(jī)應(yīng)答信號(hào)丟失的問(wèn)題進(jìn)行了分析處理：通過(guò)加高S模式應(yīng)答機(jī)天線(xiàn)支座的高度調(diào)整天線(xiàn)位置，減小機(jī)體及空速管對(duì)全向天線(xiàn)的遮擋影響，提高了應(yīng)答機(jī)的信號(hào)穩(wěn)定度；通過(guò)增大應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射功率和降低線(xiàn)纜損耗提高天線(xiàn)輸入端的發(fā)射功率，增加了應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答距離。通過(guò)試飛驗(yàn)證，表明措施有效可行，對(duì)后續(xù)處理類(lèi)似問(wèn)題具有一定的借鑒意義。

使用仿真軟件對(duì)直升機(jī)機(jī)載天線(xiàn)布局進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估是未來(lái)設(shè)計(jì)的一種主要手段。在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)評(píng)估可防止在型號(hào)研制過(guò)程中出現(xiàn)顛覆性問(wèn)題，縮短型號(hào)研制周期，降低型號(hào)研制費(fèi)用。

[1] 何曉薇，徐亞軍，鄭國(guó)平.航空電子設(shè)備[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2004.

[2] 陳 窮.電磁兼容性工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1993.

[3] CCAR-27-R1.正常類(lèi)旋翼航空器適航規(guī)定[S].景德鎮(zhèn)：中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所適航技術(shù)室，2010.