民用飛機(jī)甚高頻通信系統(tǒng)測試

郭 磊 宋金澤 陸曉剛

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

VHF通信系統(tǒng)是提供飛機(jī)與地面、飛機(jī)與飛機(jī)之間進(jìn)行雙向語音和數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)，現(xiàn)已成為民航領(lǐng)域主要的地空通信手段[1]，主要應(yīng)用在機(jī)場終端管制、航路對空通信等方面。民用飛機(jī)在取得型號合格證(TC)前，通常需要設(shè)計(jì)一套完整的測試程序?qū)C(jī)上每個(gè)系統(tǒng)的測試進(jìn)行驗(yàn)證[2]，進(jìn)而保證整機(jī)設(shè)計(jì)符合規(guī)定的民用飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)和要求[3]。隨著民用航空業(yè)的空前發(fā)展，飛機(jī)安全性的要求不斷提高，空管部門對甚高頻通信質(zhì)量的要求也越來越高，VHF通信系統(tǒng)的測試就顯得尤為重要。如何對VHF通信系統(tǒng)進(jìn)行完整功能和適航符合性驗(yàn)證的測試，既是民用飛機(jī)適航取證階段的難點(diǎn)，也是適航管理部門關(guān)注的重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)簡介

VHF通信屬于視距通信，主要按直射波傳輸，信號傳輸形式包括語音和數(shù)據(jù)[4]。語音指飛機(jī)與地面或飛機(jī)與飛機(jī)間的話音，數(shù)據(jù)指地面與飛機(jī)的數(shù)據(jù)鏈報(bào)文。根據(jù)ARINC 716定義[5]，VHF 通信系統(tǒng)應(yīng)支持以25 kHz 和8.33 kHz 的頻道間隔選擇，工作頻率分別為118.000 MHz～136.975 MHz(間隔為25 kHz，共760個(gè)信道)或118.000 MHz～136.992 MHz(間隔為8.33 kHz，共3 040個(gè)信道)。VHF通信系統(tǒng)的組成部件包括收發(fā)機(jī)、控制裝置和天線[6]。通常，收發(fā)機(jī)安裝在飛機(jī)電子電氣(EE)艙設(shè)備架上，任意兩套之間應(yīng)有余度設(shè)計(jì)，確保甚高頻通信的安全性要求，用于對信號進(jìn)行調(diào)制、發(fā)射和解調(diào)；控制裝置安裝在駕駛艙中央操作臺上，用于頻率調(diào)節(jié)和通道的選擇等；天線安裝在機(jī)身上部或下部的中軸線附近，內(nèi)部用加強(qiáng)墊板固定，采用天線底座與機(jī)身蒙皮面面搭接或緊固件電搭接的方式，用于射頻信號的輻射和接收。VHF通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保障等級[7](DAL)為C級，還與飛機(jī)的音頻綜合系統(tǒng)、機(jī)載維護(hù)等系統(tǒng)交聯(lián)。

2 適航要求

2.1 適航安全性要求

民用飛機(jī)所有功能失效狀態(tài)(包括飛機(jī)級和系統(tǒng)級)的影響程度大小可以通過失效性概率來判定，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行等級劃分，飛機(jī)所有功能失效發(fā)生的概率與失效狀態(tài)影響等級之間的關(guān)系如表1所示。一般地，完全喪失語音通信功能屬于III級失效狀態(tài)，但同時(shí)喪失不可恢復(fù)的導(dǎo)航功能與通信功能則屬于I級失效狀態(tài)。

表1 發(fā)生概率與失效狀態(tài)影響等級之間的關(guān)系

2.2 適航規(guī)章要求

表2 滿足適航要求的符合性驗(yàn)證方法

在飛機(jī)研制過程中，為了向?qū)彶榉奖砻鱒HF通信系統(tǒng)對適航規(guī)章的符合性，VHF通信系統(tǒng)一般應(yīng)至少表明對CCAR 25部[8]25.1301、25.1307(d)、25.1309、25.1353(a)、25.1353(c)和25.1431(a)、25.1431 (c)、25.1431 (d)的符合性。表2給出了滿足上述條款的符合性方法。

3 系統(tǒng)測試

3.1 導(dǎo)線綜合測試

VHF通信系統(tǒng)的導(dǎo)線綜合測試主要用于驗(yàn)證系統(tǒng)中導(dǎo)線的完整性和正確性。VHF通信系統(tǒng)的導(dǎo)線綜合測試一般包括測試系統(tǒng)中導(dǎo)線的導(dǎo)通和絕緣，還應(yīng)測量電源地線的電阻以驗(yàn)證供電線路的地線可靠接地。根據(jù)測試目的可分為連續(xù)性測試、接地線導(dǎo)通測試和同軸電纜衰減測試。其中，連續(xù)性測試的主要內(nèi)容為導(dǎo)通性和絕緣性的測試；接地線導(dǎo)通測試的主要內(nèi)容為接地導(dǎo)通性測試；同軸電纜衰減測試的主要內(nèi)容為在典型工作頻率上同軸電纜的衰減測試。

為避免在飛機(jī)上的誤操作和誤布線對設(shè)備造成的損害，在進(jìn)行本試驗(yàn)前應(yīng)確保斷開VHF通信系統(tǒng)所有航線可更換單元(LRU)的連接，在測試完成并滿足試驗(yàn)要求后方可重新連接。VHF通信系統(tǒng)的導(dǎo)線綜合測試中使用的測試設(shè)備包括自動(dòng)測試設(shè)備、萬用表、28 V直流穩(wěn)壓電源和天饋分析儀。

VHF通信系統(tǒng)的導(dǎo)線綜合測試應(yīng)首先形成系統(tǒng)從端連接器針孔號和到端連接器針孔號的阻值或同軸電纜衰減值的測試表，然后根據(jù)測試表采用自動(dòng)測試設(shè)備或萬用表測量系統(tǒng)中兩個(gè)指定的測試點(diǎn)之間的阻值，采用天饋分析儀測量收發(fā)機(jī)到天線間同軸電纜的衰減值，通常測量的衰減值應(yīng)不超過3 dB。需要注意的是，若被測的同軸電纜存在分離面，應(yīng)確保各分離面的連接器連接良好。最后，將測試值與設(shè)計(jì)要求值進(jìn)行對比，判斷系統(tǒng)中的導(dǎo)線功能是否正常。

3.2 天線駐波比測試

VHF通信系統(tǒng)天線駐波比測試是通過測量與天線端接電纜的VSWR，驗(yàn)證VHF通信天線及電纜的安裝是否正確，驗(yàn)證VHF通信天線以及相關(guān)電纜是否按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝和敷設(shè)，性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求；驗(yàn)證VHF通信天線及附件的電搭接設(shè)計(jì)是否符合電搭接要求。測試設(shè)備包括射頻分析儀、VHF仿真盒。

如圖1所示，連接VHF通信系統(tǒng)VSWR測試設(shè)備，根據(jù)待測天線的工作頻段設(shè)置射頻分析儀，設(shè)置測量頻段以及VSWR 閥值。若VSWR 值沒有超過閥值，則試驗(yàn)通過，若VSWR 值超出閥值，則試驗(yàn)失敗，應(yīng)保存失敗數(shù)據(jù)，以便后續(xù)進(jìn)行分析，將試驗(yàn)通過/失敗記錄。一般情況下，VHF通信天線的駐波比測試結(jié)果應(yīng)不大于2.0：1。

圖1 利用VHF仿真盒進(jìn)行的天線VSWR測試

3.3 系統(tǒng)功能測試

為驗(yàn)證VHF通信系統(tǒng)在飛機(jī)與飛機(jī)、飛機(jī)與地面雙向通信的功能正常，通常會對VHF通信系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)上功能試驗(yàn)。VHF通信系統(tǒng)機(jī)上功能試驗(yàn)所需的工裝包括VHF航空電臺、航空電臺手持麥克風(fēng)(Mic)、通信導(dǎo)航測試裝置(T-36C)和功率計(jì)。通常VHF通信系統(tǒng)機(jī)上功能測試項(xiàng)目包括收發(fā)機(jī)上電自檢、靜噪測試、通信試驗(yàn)、發(fā)射測試和接收測試。其中，發(fā)射試驗(yàn)中使用的功率計(jì)與天線同軸線纜的連接方式及測得功率顯示如圖2、圖3。用功率計(jì)分別測量三套VHF-1/2/3天線同軸線纜的正向和反向功率，若正向功率和反向功率同時(shí)滿足輻射功率指標(biāo)時(shí)，說明VHF通信天線發(fā)射功能正常。在接收試驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)T-36C的輸出水平來測試收發(fā)機(jī)的接收性能。若低于T-36C的靜噪臨界值，正駕駛耳機(jī)中聽不到單音；高于T-36C的靜噪臨界值，正駕駛耳機(jī)中聽到單音，按壓PTT開關(guān)時(shí)，聽不到單音，則VHF通信天線的接收功能正常。

圖2 功率計(jì)與VHF通信天線同軸線纜連接方式

圖3 T-36C

3.4 天線方向圖測試

VHF通信系統(tǒng)天線方向圖測試是為了確保VHF通信天線裝機(jī)后方向圖在各個(gè)方向上的增益都符合設(shè)計(jì)要求。通常天線布置的位置需要完成天線方向圖仿真計(jì)算，且在實(shí)際安裝于飛機(jī)后，由于存在機(jī)體對電磁波的影響，還應(yīng)進(jìn)行裝機(jī)后測試。GJB 5035-2001[9]中提出了對方向圖的要求：輻射方向在方位面上必須是全方位的，作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最弱的方位的零值深度不得超過20 dB，且不應(yīng)出現(xiàn)在飛機(jī)的縱軸方向。

圖4 某型民用飛機(jī)VHF通信天線方向圖測試原理圖

測試場地依據(jù)等高架測試場進(jìn)行布置，測試場幾何關(guān)系如圖5所示，其中天線架設(shè)高度h為3.4 m，架設(shè)距離R為50 m。

圖5 某型民用飛機(jī)VHF通信天線測試天線布置圖

測量點(diǎn)布置位置如圖6所示，標(biāo)定以飛機(jī)機(jī)頭方向?yàn)?°，VHF通信天線為中心，飛機(jī)右側(cè)方向?yàn)?0°，機(jī)尾方向?yàn)?80°，飛機(jī)左側(cè)方向?yàn)?70°，順時(shí)針變更雙錐天線測量點(diǎn)。

圖6 測量點(diǎn)布置位置示意圖

3.5 機(jī)上地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)

VHF通信系統(tǒng)的機(jī)上地面試驗(yàn)(MOC5)和飛行試驗(yàn)(MOC6)用以表明系統(tǒng)滿足CCAR25部適航條款]25.1301、25.1307(d)、25.1353(a)、25.1353(c)和25.1431(a)、25.1431 (c)和25.1431 (d)。在開始試驗(yàn)前，要求對被試的VHF通信系統(tǒng)編寫試驗(yàn)任務(wù)書、試驗(yàn)大綱和構(gòu)型評估報(bào)告，并進(jìn)行制造符合性檢查，以明確當(dāng)前VHF通信系統(tǒng)的構(gòu)型狀態(tài)，確保MOC5和MOC6表明符合性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。MOC5和MOC6試驗(yàn)流程如圖7。

圖7 MOC5/6試驗(yàn)流程

VHF通信系統(tǒng)的MOC5試驗(yàn)和MOC6為局方目擊試驗(yàn)，典型MOC5試驗(yàn)項(xiàng)目包括收發(fā)機(jī)上電自檢(BIT)、VHF頻率范圍測試、語音/數(shù)據(jù)模式切換測試、通信測試等。根據(jù)AC25-7C[12]，VHF通信系統(tǒng)的MOC6試飛項(xiàng)目包括VHF語音通信試飛和VHF數(shù)據(jù)鏈通信試飛兩類。VHF語音通信試飛應(yīng)至少包括大于5 490 m高度的飛機(jī)測試、使用低于5 490 m高度的飛機(jī)測試、天線覆蓋范圍測量、遠(yuǎn)距離接收、高角度接收、進(jìn)場形態(tài)和電磁兼容性七個(gè)方面，并給出了具體的試飛方式。通過以上七個(gè)方面的試飛，檢查VHF通信系統(tǒng)通信質(zhì)量，通信質(zhì)量可以依據(jù)GJB 2763-1996[13]進(jìn)行評測。VHF數(shù)據(jù)鏈通信試飛應(yīng)包括飛機(jī)在起飛前和飛行中VHF數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用報(bào)文收發(fā)的測試，測試結(jié)果可以根據(jù)機(jī)上相應(yīng)報(bào)文顯示響應(yīng)進(jìn)行評測。

4 結(jié)論

針對民用飛機(jī)VHF通信系統(tǒng)測試，總結(jié)了系統(tǒng)中不同類別的測試項(xiàng)目，重點(diǎn)說明測試步驟和要求，并從適航取證角度進(jìn)行了符合性驗(yàn)證方法的闡述，對工程研發(fā)和型號適航取證具有實(shí)踐意義。