水陸兩棲飛機的無線電高度數(shù)據處理方法研究

蔡志勇, 郭星燦, 李登登, 張宏志

(中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519040)

無線電高度表是飛機的重要測高設備，可以精確測定飛機到地面/水面的距離，輸出無線電高度。無線電高度表與電子飛行儀表系統(tǒng)、儀表著陸系統(tǒng)等配合，使飛機可以在復雜氣象條件下飛行，保證安全起飛和著陸，提高出勤率。絕大部分飛機都只進行陸上起降，通常以飛機主起落架機輪作為無線電高度的零位基準，無線電高度表天線主要布置在機腹位置。對于影響無線電高度表裝機工作性能的電源傳導干擾、多路徑干擾、斜距干擾、海浪散射、多普勒效應、同頻干擾和一些原理性誤差等問題，目前已有較好的處理方法[1-7]。氣壓高度、慣性高度、加速度值、姿態(tài)角度等數(shù)據和一些誤差補充方法被引入無線電高度表進行數(shù)據融合，用于判別無線電高度數(shù)據有效性，改善測高精度[8-11]。水陸兩棲飛機既要進行陸上起降又要進行水上起降，水上起降時起落架處于收起狀態(tài)，與陸上起降時的零位基準不同。水陸兩棲飛機的機腹是要接觸水的船體，無線電高度表天線不能布置在機腹[12]，只能布置在機翼或平尾的下表面。如無適當修正，所測無線電高度代表的是機翼或尾翼的高度，而不是機腹或機輪的高度。朱佳程等[10]融合氣壓高度、加速度值、姿態(tài)角度等數(shù)據用于剔除無效的無線電高度數(shù)據，王宏倫等[11]幾何測量誤差補償方法可消除發(fā)射天線與接收天線的間距帶來的誤差，這些方法都不能消除天線布置在機翼或尾翼上造成的誤差。此外，水陸兩棲飛機在水中停泊和滑行時，部分機體沉入水中，使得零位基準低于水面，需要顯示負高度。水陸兩棲飛機無線電高度表在零位基準設置、天線布置、負高度顯示等方面具有特殊性，需要特殊的數(shù)據處理方法對無線電高度數(shù)據進行處理，才能滿足水陸兩棲飛機的要求。本文在前期已有工程實踐基礎上[13]，進一步深入分析水陸兩棲飛機的特殊需求，推導完善了修正因零位基準設置和天線布局所產生的誤差的理論基礎，將對姿態(tài)角的修正從俯仰角擴展到橫滾角，適用性更廣、精度更高。

1 水陸兩棲飛機的數(shù)據處理要求

無線電高度表發(fā)射4200～4400 MHz的無線電波，接收地面/水面反射回來的反射波，測量發(fā)射時刻與接收時刻的時間差，即可得到飛機到地面/水面的真實高度[14-15]。相比于僅進行陸上起降的飛機，水陸兩棲飛機的無線電高度表在多個方面具有特殊的數(shù)據處理要求。

1.1 零位基準設置

無線電高度為飛機最低點到飛機下方地面或水面的真實高度。陸上起降時，飛機放下起落架，飛機的最低點為起落架機輪，因此陸上起降時無線電高度表一般以主起落架放下狀態(tài)的機輪位置為零位基準，或以飛機停放在停機坪時的機輪位置為零位基準。水陸兩棲飛機進行水上起降時，起落架處于收起狀態(tài)，飛機的最低點不是放下狀態(tài)的起落架機輪，而是機腹結構的最低點(一般在斷階結構處)。水陸兩棲飛機陸上起降和水上起降的零位基準高度差異如圖1所示。對于不同尺寸的水陸兩棲飛機，零位基準差異范圍約0.2～1 m，因此需要根據飛機狀態(tài)設置零位基準。

圖1 水上和陸上零位基準高度差示意圖

1.2 天線布置的姿態(tài)角修正

因機腹是要接觸水的船體，不適合布置天線，水陸兩棲飛機的無線電高度表天線通常布置在機翼或平尾的下表面。為了避免水上起降時水噴濺的影響，收發(fā)天線布局位置一般比較高，離零位基準點比較遠[12]。

水陸兩棲飛機在起降、轉彎等飛行過程中，由于俯仰角和橫滾角發(fā)生變化，會引起無線電高度表天線安裝位置相對于零位基準的高度變化。特別是在起降過程中，俯仰角對無線電高度的影響容易造成飛機已離地或離水而無線電高度仍指示零，或無線電高度已指示零而飛機仍未觸地或觸水。以某型水陸兩棲飛機為例，當天線布置在平尾上時，俯仰角變化1°將導致無線電高度變化約0.3 m。天線距離零位基準位置越遠，姿態(tài)角對無線電高度的影響越大，需要進行修正。

1.3 負高度指示要求

水陸兩棲飛機在水面停泊和滑行時，部分機體沉入水中，使得零位基準低于水面。若無線電高度不能指示負高度，將出現(xiàn)飛機在上升而高度指示保持為零的情況。為便于機組駕駛水陸兩棲飛機進行水上起降，要求無線電高度應能指示負高度，以便于判斷飛機入水/離水的情況。

2 無線電高度數(shù)據處理方法

2.1 高度修正方法

假設O點為陸上起降零位基準點；A點為無線電高度表發(fā)射天線與接收天線連線的中點；B點為水上起降零位基準點。天線電高度示意圖如圖2所示。

圖2 無線電高度示意圖

為便于分析，先將測量的無線電高度修正到陸上起降零位基準，再增加姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角)引起的修正量，并根據飛機狀態(tài)增加對零位基準的修正量，獲得修正后的無線電高度，顯示給機組或供機上其他系統(tǒng)使用，如式(1)所示：

HC=HM-HA+ΔHA+k·(HB-ΔHB)

(1)

式中，HC為經過零位基準、姿態(tài)角等修正后的無線電高度，表示O點或B點到地面或水面的高度；HM為測量的無線電高度，表示A點到地面或水面的高度，假定已修正天線電纜、計算延遲等產生的誤差；HA為天線安裝高度，表示A點到O點的高度，恒定不變，在飛機平放于地面進行無線電高度表零位校準后將儲存于無線電高度表內，或預先在飛機三維電子樣機中測量其值并裝訂到無線電高度表的軟件中；ΔHA為姿態(tài)角修正項；HB為水上起降零位基準與陸上起降零位基準的高度差；ΔHB為水上起降零位基準修正項；k為零位基準切換系數(shù)，陸上起降時為0，水上起降時為1。飛機應給出進行陸上起降還是水上起降的狀態(tài)判斷信息，以便確定k的值。一個簡單的判斷準則是：左主起下到位鎖定或右主起下到位鎖定，即判定飛機在陸上起降，否則為水上起降。

2.2 基于坐標變換矩陣的姿態(tài)角修正公式

如上所述，無線電高度的數(shù)據處理主要是確定ΔHA和ΔHB修正項。飛行過程中，飛機姿態(tài)的變化(指俯仰角和橫滾角的變化，偏航角變化不會導致高度修正)導致A、B點相對于O點的坐標發(fā)生變化，需通過坐標變換確定姿態(tài)變化時A、B點相對于O點的高度，從而獲得ΔHA和ΔHB修正項。以下以A點為例，建立坐標系，通過坐標變換矩陣推導ΔHA。

以O點為原點按右手法則建立機體坐標系Oxbybzb，xb軸指向飛機縱軸，yb軸指向飛機橫軸，zb軸指向飛機豎軸[16]。A點在Oxbybzb中的位置矢量為Ab=(xbA，ybA，zbA)T。顯然，若不考慮飛行中機體的變形，Ab是恒定不變的，可在飛機三維電子樣機中測量其值。

以O點為原點按右手法則建立飛機牽連鉛垂地面坐標系Oxgygzg，xg軸指向飛機縱軸在水平面內的投影方向，yg軸與xg軸、zg軸正交，按右手法則確定，zg軸豎直向下[16]。A點在Oxgygzg中的位置矢量為Ag=(xgA，ygA，zgA)T。飛機水平停放時，可以認為Oxgygzg和Oxbybzb重合，有Ag0=Ab。飛行時，Oxbybzb相對于Oxgygzg旋轉，旋轉的角度即為偏航角ψ、俯仰角θ、滾轉角φ。

通過偏航角、俯仰角、滾轉角，可以建立從Oxbybzb到Oxgygzg的坐標變換矩陣，將Ab變換到Oxgygzg坐標系中得到Ag。根據坐標系定義，xb軸指向飛機縱軸，xg軸指向飛機縱軸在水平面內的投影方向，所以偏航角ψ=0，從Oxbybzb到Oxgygzg的坐標變換矩陣可簡化為式(2)，如下所示[17-18]。

(2)

根據式(2)有：

ΔAg=Ag-Ag0

=LgbAb-Ab

(3)

因無線電高度數(shù)據處理只關心A點的zg軸分量變化，所以有：

ΔHA=ΔzgA=-xbAsinθ+ybAsinφcosθ+zbAcosφcosθ-zbA

(4)

2.3 零位基準修正公式

將水上起降零位基準點B視為另一組發(fā)射天線與接收天線的連線的中點，按2.2節(jié)的方法，可得：

ΔHB=ΔzgB=-xbBsinθ+ybBsinφcosθ+zbBcosφcosθ-zbB

(5)

3 數(shù)據處理方法的應用與分析

為了提高無線電高度的指示精度，某大型水陸兩棲飛機按照上述無線電高度數(shù)據處理方法對無線電高度測量值進行處理，以左主起下到位鎖和右主起下到位鎖的狀態(tài)信息作為零位基準的判據，修正了零位基準和姿態(tài)角引起的誤差，提高了無線電高度的指示精度。

該機的無線電高度表天線安裝于平尾下表面，距離零位基準較遠。在三維電子樣機中量取O、A、B三點坐標，得到A點、B點在Oxbybzb坐標系下相對于O點的位置矢量Ab、Bb。對該機的試飛數(shù)據應用上述式(1)、式(4)和式(5)進行修正，得到修正前后的數(shù)據如圖3和圖4所示。

圖3 陸上起降的無線電高度修正

圖4 水上起降的無線電高度修正

圖3展示了飛機陸上降落-起飛的過程，姿態(tài)角修正量明顯隨俯仰角的變化而變化，受滾轉角變化的影響較小。主要原因是天線到零位基準的距離在縱軸方向的分量較大，在橫軸方向分量較小角，其次是陸上起降過程中飛機俯仰角較大，而滾轉角很小。飛機降落時俯仰角較大，未修正的無線電高度在機輪未觸地時已提前指零，修正后無線電高度指零與機輪觸地同步，表明上述修正是正確的。

圖4展示了飛機水上降落-起飛的過程，俯仰角和滾轉角對姿態(tài)角修正量的影響與圖3所示情況相似。零位基準切換帶來的修正量基本穩(wěn)定，變化較小，俯仰角和滾轉角對其影響很小，原因是水上和陸上零位基準的距離很小，姿態(tài)角對零位基準修正量的影響較小。無線電高度修正后，飛機著水時間更晚，離水時間更早，入水深度更淺，與試飛情況相符，表明上述修正是正確的。

無線電高度的誤差范圍隨飛機高度增加而增大，而上述修正與飛機高度無關，在飛機的整個起飛、爬升、巡航、下降、著陸/著水飛行過程中修正量的變化范圍約為-4～5 m。上述修正在低高度時才對無線電高度的精確性有比較顯著的影響，圖3和圖4中所示修正量達到2 m左右，已超過了無線電高度表在圖中所示低高度下的標稱精度±0.66 m。

圖3和圖4僅展示出了飛機在起降階段高度較低時的修正情況，未展示出飛機大坡度轉彎時的修正情況。由于該機的天線布置離飛機對稱面比較近，滾轉角對姿態(tài)角修正量的影響較小。當俯仰角接近0°、滾轉角達到15°～20°時，姿態(tài)角修正量約為1.0～1.5 m?？紤]到大坡度轉彎時飛機高度較高，無線電高度表的標稱誤差已比較大，因此大坡度轉彎時姿態(tài)角修正量對無線電高度的精確性影響較小。

此外，圖3和圖4中未修正的無線電高度表都出現(xiàn)了負值，需向機組指示負高度，便于機組人員通過無線電高度識別飛機著水離水情況。使用能提供負高度數(shù)據的無線電高度表、或者在顯示端對無線電高度數(shù)據進行處理，可以向機組指示負高度，如圖5中黑色顯示區(qū)所示。

圖5 負高度指示

4 結束語

綜上所述，本文建立的無線電高度數(shù)據處理方法，有效地解決了水陸兩棲飛機的特殊性造成的無線電高度誤差問題，并獲得結論如下。

① 姿態(tài)角變化和零位基準切換在低高度時特別是起降過程中對無線電高度的精度影響顯著。

② 天線到零位基準的距離越大，姿態(tài)角修正量越大。距離較大時應進行修正，距離較小時酌情考慮修正。

③ 陸上和水上零位基準距離較小，零位基準切換導致的修正量可簡化為兩種零位基準的高度差。

④ 利用“主起下到位”鎖定信號，給出了判定水面起降的判據及水面起降的負高度數(shù)據處理和指示方法。