民航進(jìn)口在役空管二次雷達(dá)維修維護(hù)實(shí)踐

唐凱，徐鵬

（民航空管技術(shù)裝備發(fā)展有限公司，北京，100015）

0 引言

截至2020年5月底，我國(guó)民航空管體系投產(chǎn)運(yùn)行的一/二次合裝雷達(dá)30套，單二次監(jiān)視雷達(dá)110套，可見(jiàn)雷達(dá)保障航路安全的重要性不言而喻。貴陽(yáng)磊莊雷達(dá)站INDRA二次雷達(dá)于2012年校飛后投產(chǎn)運(yùn)行，有效完善了貴陽(yáng)本場(chǎng)及部分航路雷達(dá)覆蓋，其主要用戶(hù)單位為貴州空管分局各管制室、駐磊莊空軍部隊(duì)等，2020年10月該雷達(dá)目標(biāo)方位出現(xiàn)明顯的偏移現(xiàn)象，導(dǎo)致分局航管在自動(dòng)化系統(tǒng)中斷開(kāi)磊莊雷達(dá)信號(hào)[1]。

1 雷達(dá)信號(hào)方位偏移故障現(xiàn)象

貴陽(yáng)磊莊INDRA二次雷達(dá)在S和A/C模式下均出現(xiàn)不同程度的目標(biāo)偏移現(xiàn)象，切換主備通道，故障依舊。通過(guò)分析雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)一個(gè)月對(duì)測(cè)試應(yīng)答機(jī)方位偏離度數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)方位正偏移最大+1.69度，負(fù)偏移最大-1.1度，目標(biāo)方位偏移度隨時(shí)間變化，超前或滯后，偏移故障現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)均存在一定的不確定性，但偏移最大值變到最小值的過(guò)程體現(xiàn)出連續(xù)性現(xiàn)象，如圖1所示，每間隔20分鐘采集1次，共采集2100次。

圖1 目標(biāo)偏移方位數(shù)據(jù)采樣圖

2 單脈沖二次雷達(dá)目標(biāo)方位測(cè)量原理

INDRA二次雷達(dá)采用單脈沖測(cè)角技術(shù)結(jié)合增量式光電編碼器的機(jī)械方位，計(jì)算出飛機(jī)精準(zhǔn)的方位信息。雷達(dá)目標(biāo)實(shí)際方位由三部分構(gòu)成，即天線瞄準(zhǔn)軸指向角θ、偏離瞄準(zhǔn)軸角度β、符號(hào)信息±。

方位角=C+N×0.022±β

其中：

C:預(yù)設(shè)的正北方位偏置角度，為可更改的常數(shù)

N:以編碼器ARP脈沖為參考對(duì)ACP脈沖的計(jì)數(shù)

θ天線瞄準(zhǔn)軸指向角=C+N×0.022°

β偏離瞄準(zhǔn)軸角度，主要與接收的歸一化和差信號(hào)幅度比 |EΔ/EΣ|有關(guān)

增量式光電編碼器：天線驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上有主備兩個(gè)增量式光電編碼器，隨著天線同步轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)一圈輸出16384個(gè)ACP增量脈沖并在固定位置上產(chǎn)生的1個(gè)ARP基準(zhǔn)脈沖。

單脈沖測(cè)角技術(shù)：二次雷達(dá)天線陣列在接收飛機(jī)應(yīng)答信號(hào)時(shí)，在水平方位上形成兩個(gè)獨(dú)立波束，分別處于波束瞄準(zhǔn)軸兩側(cè)，并關(guān)于瞄準(zhǔn)軸對(duì)稱(chēng)，空管二次雷達(dá)接收到的飛機(jī)應(yīng)答信號(hào)通過(guò)天線陣列后，經(jīng)過(guò)高頻和差變換器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立波束的加/減，輸出等效的Σ、Δ射頻信號(hào)經(jīng)饋線傳輸給雷達(dá)接收機(jī)。應(yīng)答信號(hào)在Δ通道里的幅度為|EΔ|，在Σ通道里的幅度為 |EΣ|，經(jīng)過(guò) lg|EΔ/EΣ|、A/D轉(zhuǎn)換，查 OBA（off-boresight Angle）表可得出飛機(jī)偏離波束瞄準(zhǔn)軸的方位數(shù)據(jù)，即偏軸角β。符號(hào)信息“±”表示目標(biāo)相對(duì)于瞄準(zhǔn)軸偏左或偏右，在接收機(jī)通道中，利用相位檢波器檢測(cè)Σ、Δ信號(hào)的相對(duì)相位關(guān)系來(lái)確定[2]。

3 故障處理過(guò)程

3.1 偏離瞄準(zhǔn)軸角度β和符號(hào)信息±

OBA表實(shí)際上就是一個(gè)Table Index（表索引值）與OBA值的映射關(guān)系表，直接體現(xiàn)目標(biāo)偏離瞄準(zhǔn)軸角度“β”和符號(hào)信息“±”的數(shù)值。雷達(dá)初次調(diào)試、和差通道相關(guān)部件更換、錄取器板件或軟件更新后，均需重新校驗(yàn)生產(chǎn)正確的OBA表，才能保證目標(biāo)方位準(zhǔn)確性。

首先，將單脈沖表分別設(shè)置為2012年的參數(shù)、Default、重新生成，目標(biāo)依然偏移；切換備用通道后，設(shè)置OBA表，故障依舊。另外，和差通道的相位差值和插損對(duì)生成信號(hào)單脈沖曲線至關(guān)重要，因此用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)射頻切換開(kāi)關(guān)、和差饋線、旋轉(zhuǎn)交連、天線公分網(wǎng)絡(luò)的相位/插損和電壓駐波比進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試值穩(wěn)定，均在正常范圍內(nèi)。在上述常規(guī)檢查未找到原因后，備份當(dāng)前SLG軟件，將SLG恢復(fù)的2012年校飛之后的版本，更換MCPU板，保留原有參數(shù)配置，通過(guò)VR3000顯示，目標(biāo)依舊偏移。

3.2 天線瞄準(zhǔn)軸指向角θ

本次，利用 RASS（Radar Analysis Support System）雷達(dá)分析支持系統(tǒng)專(zhuān)用儀表，對(duì)編碼器和天線旋轉(zhuǎn)部分進(jìn)行性能評(píng)估分析，主要用到雷達(dá)陀螺傾斜儀RGI596、雷達(dá)編碼器記錄儀RER794與應(yīng)用軟件RASS-S R7.2。在天線轉(zhuǎn)盤(pán)上固定放置RGI596跟隨天線同步旋轉(zhuǎn)，以檢測(cè)天線旋轉(zhuǎn)的角速度參數(shù)，此外RGI596中內(nèi)置有傾斜儀能夠測(cè)量出轉(zhuǎn)盤(pán)的水平性能，而RER794用來(lái)記錄增量編碼器輸出的ACP、ARP脈沖信息。通過(guò)RASS-S應(yīng)用軟件分析陀螺傾斜儀和編碼器記錄儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，產(chǎn)生精確的編碼器脈沖質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)臺(tái)水平度。

測(cè)試前，確定了各項(xiàng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《空中交通管制二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求方位角鑒別力應(yīng)不大于0.022°，雷達(dá)安裝工藝要求天線轉(zhuǎn)臺(tái)水平通常在3′之內(nèi)，結(jié)合航管二次雷達(dá)其他站點(diǎn)的天線旋轉(zhuǎn)角速度偏差數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)角速度最大偏差應(yīng)該不超過(guò)0.2，例如嘉峪關(guān)0.038、民勤0.095、庫(kù)車(chē) 0.096、大連 0.022、珠海 0.098、溫州 0.015、靜寧0.199、榆林 0.059、桂林0.039等。

本次首先檢測(cè)編碼器1和轉(zhuǎn)臺(tái)，天線總共旋轉(zhuǎn)191圈，結(jié)果為傾斜水平度最大偏差0.117°，陀螺儀角速度最大偏差0.7775，編碼器1最大方位偏差0.0068°；其次檢測(cè)編碼器2和轉(zhuǎn)臺(tái)，天線總共旋轉(zhuǎn)365圈，結(jié)果為傾斜水平度最大偏差為0.128°，陀螺儀角速度最大偏差為0.971，編碼器2的最大方位偏差為0.0081°，測(cè)出的天線旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能及編碼器性能數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2 天線旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能及編碼器1分析圖

圖3 天線旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能及編碼器2分析圖

分析本次RASS檢測(cè)的數(shù)據(jù)，判定編碼器1、2性能正常，天線水平度不符合指標(biāo)，天線旋轉(zhuǎn)角速度偏差過(guò)大，因此懷疑導(dǎo)致目標(biāo)偏移的可能為某機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障引起天線旋轉(zhuǎn)角速度測(cè)量值偏差過(guò)大，不排除是馬達(dá)、減速箱、天線軸承環(huán)或其他配套機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

3.3 檢查天線傳動(dòng)裝置

根據(jù)RASS分析后，按操作難易程度，在更換馬達(dá)、減速箱及旋轉(zhuǎn)鉸鏈后，再次進(jìn)行RASS測(cè)試，天線旋轉(zhuǎn)角速度偏差依舊過(guò)大，說(shuō)明主要問(wèn)題應(yīng)該在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部。在討論商定方案后，最終決定實(shí)施最復(fù)雜的排故手段，檢查天線軸承環(huán)及其配套機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。在有限作業(yè)空間的雷達(dá)罩內(nèi)，采取搭設(shè)腳手架等措施對(duì)二次雷達(dá)天線進(jìn)行了拆卸吊裝平移，拆除并檢查匯流環(huán)、天線轉(zhuǎn)盤(pán)、雙模連接器、編碼器機(jī)械裝置、軸承環(huán)的結(jié)構(gòu)情況，并更換雙模連接器、軸承環(huán)。

如圖4所示，雙模連接器是轉(zhuǎn)盤(pán)與方位編碼器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接件，隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)方位編碼器的齒輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)。如圖5所示，軸承環(huán)內(nèi)側(cè)有150個(gè)內(nèi)齒，軸承環(huán)的外/內(nèi)螺孔分別用于連接固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)天線旋轉(zhuǎn)[3]。

圖4 雙模連接器

圖5 雙模連接器、軸承環(huán)圖表

在更換雙模連接器之前，發(fā)現(xiàn)雙模連接器內(nèi)部螺絲松動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致方位傳動(dòng)裝置齒輪盤(pán)與天線轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)不完全一致，經(jīng)測(cè)量?jī)烧叽嬖?°左右的最大偏差，更換備件后緊固，可解決了旋轉(zhuǎn)不一致性的問(wèn)題。在更換軸承環(huán)之前，測(cè)量了電機(jī)減速箱齒輪與軸承環(huán)內(nèi)齒輪的間隙為0.7-0.8，因?yàn)辇X側(cè)間隙過(guò)大會(huì)產(chǎn)生齒間沖擊，影響齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，在更換軸承環(huán)后齒側(cè)間隙為0.25～0.4，將大大提升轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

3.4 天線旋轉(zhuǎn)機(jī)械性能復(fù)測(cè)

更換雙模連接器、軸承環(huán)后，重新配置雷達(dá)編碼器方位偏置參數(shù)，再次利用RASS對(duì)編碼器和天線旋轉(zhuǎn)部分進(jìn)行性能評(píng)估分析，結(jié)果為傾斜水平度最大偏差0.125°、陀螺儀角速度最大偏差0.134、編碼器2的最大方位偏差為0.0078°，可見(jiàn)天線旋轉(zhuǎn)角速度偏差明細(xì)改善。雷達(dá)開(kāi)發(fā)射后，觀察目標(biāo)數(shù)月，方位偏移現(xiàn)象沒(méi)有復(fù)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了單脈沖二次雷達(dá)方位測(cè)量原理，在分析故障的原因時(shí)，緊密?chē)@天線瞄準(zhǔn)軸指向角、目標(biāo)偏離瞄準(zhǔn)軸角度和符號(hào)展開(kāi)，從射頻電纜、電路板硬件、雷達(dá)軟件到天線機(jī)械裝置，結(jié)合以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)逐步研究排查，順利解決了目標(biāo)方位偏移現(xiàn)象，希望能夠?qū)ν刑幚泶祟?lèi)故障有一定的幫助。

隨著雷達(dá)使用年限的增加，面對(duì)天線裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損、器件老化、整機(jī)性能下降等原因引起的故障會(huì)越來(lái)越多。根據(jù)各地區(qū)正式上報(bào)空管局技術(shù)中心的雷達(dá)故障匯總情況（2018-2020年），單獨(dú)就INDRA二次雷達(dá)而言，總共出現(xiàn)故障36次，其中10次涉及天線機(jī)械部分，建議定期實(shí)施雷達(dá)天線與天線座專(zhuān)項(xiàng)巡檢，采取措施將隱患消滅在萌芽狀態(tài)，同時(shí)歷年的巡檢數(shù)據(jù)可作為現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保障、運(yùn)行狀況評(píng)估、設(shè)備大修、設(shè)備更新改造以及建設(shè)規(guī)劃的重要依據(jù)。