外場條件下機載通信系統原位性能測試研究*

韓海艦，劉 勇，鄭艷艷

（1.92146部隊，廣東 湛江 524001；2.海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

0 引 言

外場機務工作的目標是“快出飛機，出好飛機”，即在有限的時間內做好飛機出動前、后的維護和檢查，并快速定位和排除故障。長期以來，外場對機載設備主要采取通電自檢或利用一線保障設備進行簡要功能測試的方式，將疑似故障設備或故障設備拆卸下來，并送到內場（二線）進行性能檢測。這種維修方式存在一定不足：（1）拆裝工作量往往大于測試工作量，頻繁拆裝易帶來“二次故障”；（2）由于使用環境（外場）與測試環境（內場）有差異，容易導致內場測試結果不能復現外場故障現象；（3）內場測試是針對單個設備（子系統）的離位測試，不能反映外場實際裝機條件下通信系統的整體性能狀態。

依靠現有的維護方法和手段，僅能判斷機載通信系統基本功能的好壞，無法掌握其實際性能狀況，難以復現或解決飛行中出現的故障現象。原位性能檢測[1-2]的核心思想是在保持被測對象原有狀態不變的前提下，迅速準確判斷被測對象的性能指標是否滿足飛行任務要求，同時測試過程不得對機上其他系統造成干擾和破壞。因此，考慮到當前外場檢查、內場測試存在的局限性，必須尋求在外場條件下對通信系統進行原位性能測試的途徑。

1 機載超短波通信系統簡介

機載通信系統作為現代飛機機載電子系統的重要組成部分，作用是實現飛機與地面、飛機與飛機以及飛機與其他平臺之間的話音和數據信息的傳輸。機載通信系統的使用貫穿飛機的起飛、訓練、巡航、作戰以及著陸的整個過程，是保證飛機飛行安全、訓練任務和作戰任務圓滿完成的主要保障條件[3]。

機載超短波通信是自航空通信成體系規范以來應用最廣泛的通信方式，主要用于視距傳輸、航空遙測遙控、空中交通管理系統、數據鏈傳輸等，都是基于超短波通信建立并逐漸融合了其他通信方式。優點是視距傳播特性好，可用頻帶比較寬。V/UHF通信在近距和中距航空通信中有著HF通信無法比擬的優勢，通信可靠性、可用性遠遠高于HF通信，且可以實現高速率的數據傳輸。民用航空數據鏈（VHF Datalink，VDL）和軍用航空戰術數據鏈（Joint Tactical Information Distribution System，JTIDS）都是基于超短波通信的優良屬性進行部署的。隨著近年來數字通信技術和通信體系的發展，基于軟件無線電的超短波通信設計和開放式通信體系的應用，航空超短波通信在未來全球互聯互通的航空通信網絡中仍將占據重要地位[4]。

2 測試方案

2.1 天線輻射法

在機載天線遠區場架設一副與機載天線相同的天線作為測試天線，無線電綜合測試儀通過該測試天線與機載通信系統進行無線電收發，同時通過一套音頻電纜，實現無線電綜合測試儀與機上通信系統的音頻信號交聯，完成相關性能測試。測試原理如圖1所示。

圖1 天線輻射法測試原理

該方案實施時應注意如下內容。

（1）場地選擇。天線與天線之間除直射波外，還有來自地面、周圍物體等的反射波，會造成增益變化、副瓣電平抬高等現象而引起測試誤差。所以，測試時將被測飛機停放在外場開闊場地，盡量減小反射波的影響。

（2）測試天線架設。測試天線架設在距離被測飛機20 m處（處于超短波頻段輻射遠區），架設高度與機上天線基本一致。測試天線下方放置一塊2 m×2 m的鋁板，作為測試天線的反射面，如圖2所示。

圖2 天線架設

2.2 線纜連接法

部隊飛機一般停放在機庫內，受飛行、保障車輛、天氣等因素影響，有時不便于提供開闊的測試場地，也可以在機庫內采用線纜連接法進行測試。發射參數和接收參數測試時，設備連接方式不同。

（1）發射參數測試。將電臺面板連接天線的射頻電纜擰下，連接到通過式功率計輸出端；用一根射頻電纜，將電臺面板射頻端口連接到通過式功率計輸入端，如圖3所示。

（2）接收參數測試。將超短波電臺天線饋線與電臺斷開，與無線電綜合測試儀射頻端口（T/R）分別連接至合路器的兩個輸入端口；將電臺射頻端口連接至合路器輸出端，同時通過一套音頻電纜，實現無線電綜合測試儀與機上通信系統的音頻信號交聯，如圖4所示。

圖3 發射參數測試連接

圖4 接收參數測試連接

3 測試指標選取

外場測試不需要面面俱到，不需要關注機載設備的所有技術參數，而是要從整體角度考核超短波通信系統的整體功能和性能，以保證系統效能的正常發揮。在指標選取時，應選用最能反映系統整體性能的技術參數，重點關注隨時間變化可能出現性能下降的指標。經過部隊和廠所調研，本文選取的測試指標如下。

3.1 天線方向性

天線的方向性[5]是指天線在空間不同方向輻射或接收無線電波的能力，通常用方向圖來評估。機載超短波天線為全向天線，理論上在水平面內的方向圖應為近似圓形，但受安裝位置和飛機機體結構影響，裝機天線的方向圖會發生變化。圖5為某型飛機機背超短波天線和機腹超短波天線在飛機水平面的方向圖，-90°為機頭方向，90°為機尾方向，測試頻點為125 MHz。顯然，裝機天線的方向圖并非理想的均勻全向，且機腹天線方向圖均勻度優于機背天線。

對于不同機型，測試天線架設的位置和天線增益密切相關，如果未考慮裝機天線方向性因素，必將導致較大的測試誤差。

圖5 機背天線與機腹天線水平面方向圖對比

3.2 天線駐波比

天線端口駐波比[6-7]是電臺信號能量通過天線輻射的指標。駐波比過大，一方面會減小電臺的正向功率輸出，導致通信距離縮短；另一方面會造成較大功率的能量反射，即沿原傳輸路徑反射回發射機端，形成很強的饋線發射，導致機內電磁環境惡化，嚴重時甚至會燒毀發射機[6]。

3.3 發射頻率和功率

發射機最主要的性能參數是發射頻率和功率。如果頻率偏差較大，將無法正常通信，而發射功率與通信距離直接相關。采用天線輻射法測試，如果發射功率正常，即可表征該通信系統發射通道狀態完好。這里發射通道包括發射機、射頻饋線、天線等，部分機型還包括共址濾波器。

3.4 靜噪靈敏度

接收機靈敏度[8-10]是衡量通信系統接收微弱信號能力的指標，也是影響通信距離和通話質量的關鍵指標。因此，靈敏度測試對于分析機載通信系統的電磁兼容狀態具有重要的參考價值。為抑制背景噪聲，飛行員在使用電臺時都是置于靜噪模式，所以本文也只測試靜噪靈敏度，與實際使用狀態一致。

4 測試原理及步驟

4.1 天線輻射法

4.1.1 天線方向性

（1）測試原理

機載天線與測試天線極化和阻抗均匹配，并且測試在滿足遠場條件下進行。由Friis傳輸公式[8]，可得：

式中：Pr為測試天線接收到的信號功率，單位為W；Pt為機上天線發射的信號功率，單位為W；Gr為測試天線的增益，單位為dBi；Gt為機上天線的增益，單位為dBi；λ為傳輸信號的工作波長，單位為m；R為機上天線與測試天線之間的距離，單位為m。

對式（1）進行變換，可得：

將式（2）以dB為單位，可變換為：

式中，f表示發射頻率，單位為MHz。

令Lp=32.45+201gR+201gf，表示電磁波空間傳輸損耗，則式（3）可表示為：

考慮到收發鏈路的饋線損耗，式（4）應修正為：

式中：Lt為機上天線饋線傳輸損耗，單位為dB；Lr為測試天線接收端電纜傳輸損耗，單位為dB。

由于收、發天線完全相同，即Gt=Gr=G，代入式（5），有：

（2）測試方法及步驟

測試步驟如下：

①測量收發饋線在各工作頻點的損耗值；

②測量天線之間的直線距離；

③從電臺射頻端口直接測量發射功率；

④按圖2進行設備連接，控制電臺在各工作波道發射，測量接收到的信號功率；

⑤根據式（6）計算各頻點天線增益。

⑥以機上天線位置為圓心，以20 m為半徑，在地面畫一個圓周，在圓周上沿飛機軸向兩側對稱位置選取若干測試點，如圖6所示；重復步驟④～步驟⑤，比較不同位置的天線增益，繪制方向圖。

圖6 裝機天線方向性測試

4.1.2 發射頻率和功率

（1）測試原理

設置電臺工作模式（AM/FM），選擇需要測試的工作波道（盡量覆蓋UHF和VHF波段），按下PTT按鈕，使電臺發射載波信號；通過無線電綜合測試儀測量天線接收到的信號頻率和功率，判斷是否正常。

頻率準確度的確定，可通過將測試值與電臺實際工作頻率進行比較；而發射功率的確定，則需要按式（7）進行換算得到：

其中，G為實測的機上天線增益（dBi）。

（2）測試方法及步驟

①在距離機上天線20 m處固定一個測試位置，架設測試天線；

②按圖2進行設備連接；

③預置電臺波道號；

④預置電臺工作在AM或FM模式；

⑤接通PTT，使電臺處于發射狀態；

⑥用無線電綜合測試儀測量發射的載波頻率和功率，并利用式（7）換算成電臺發射功率，與電臺技術指標進行比較。

4.1.3 靜噪靈敏度

（1）測試原理

通過設置無線電綜合測試儀，使其產生一個帶有標準音頻調制（AM或FM）的射頻信號，并通過天線向空間輻射；機載通信系統接收到該信號并進行解調處理，將解調后的音頻信號通過耳機通道送至無線電綜合測試儀的音頻輸入端口；調整無線電綜合測試儀射頻輸出功率從小到大，直到沖破電臺靜噪門限，此時觀察音頻信號的信納比是否滿足要求（大于10 dB）；電臺所能接收的最小輸出功率反映了該通信系統的靜噪靈敏度。

將無線電綜合測試儀輸出的當前功率值Ptmin按式（7）進行換算，即可計算出電臺的靜噪靈敏度Prmin：

其中，G為實測的機上天線增益（dBi）。

（2）測試方法及步驟

①在距離機上天線20 m處固定一個測試位置，架設測試天線；

②按圖2進行設備連接；

③設置無線電綜合測試儀工作于AM或FM狀態（調制頻率1 kHz正弦信號，AM 30%調制度或FM±6 kHz頻偏）；

④預置電臺波道號和工作模式（AM或FM），靜噪接通；

⑤從小到大逐漸調節無線電綜合測試儀的輸出射頻信號，直至靜噪“開啟”，此時SINAD會從0突然增大至10 dB左右，耳機中出現1 kHz的單音；

⑥記錄此時無線電綜合測試儀的輸出功率，并利用式（8）換算成電臺靜噪靈敏度，與技術指標進行對比。

4.2 線纜連接法

該方案的測試原理與內場測試基本相同，只是靜噪靈敏度測試時，通過一個合路器將機上天線接收到的電磁環境信號疊加至無線電綜合測試儀的射頻輸出信號中。

4.2.1 電臺發射功率和天線駐波比

（1）測試原理

將通過式功率計探頭串聯在機載超短波通信系統電臺射頻端口和天饋之間，在電臺發射時直接測量電臺發射功率和天線駐波比。

（2）測試步驟

①從超短波話音電臺前面板連接天線的射頻端口將饋線拆下，然后將該饋線連接至通過式功率計探頭的輸出端，再用一根射頻電纜連接通過式功率計探頭的輸入端至電臺前面板射頻端口，測試連接關系如圖3所示；

②預置電臺波道號；

③預置電臺工作在AM或FM模式；

④接通PTT，使電臺處于發射狀態；

⑤從通過式功率計上讀取電臺發射功率和天線駐波比。

4.2.2 靜噪靈敏度

（1）測試原理

通過設置無線電綜合測試儀，使其產生一個帶有標準音頻調制（AM或FM）的射頻信號，并通過合路器送至電臺。電臺接收機接收到該信號并進行解調處理，將解調后的音頻信號通過耳機通道送至無線電綜合測試儀的音頻輸入端口；調整無線電綜合測試儀射頻輸出功率從小到大，直到沖破電臺靜噪門限，此時觀察音頻信號的信納比是否滿足要求（大于10 dB）；電臺所能接收的最小輸出功率反映了該通信系統的靜噪靈敏度。

（2）測試方法及步驟

①將超短波電臺天線饋線與電臺斷開，與無線電綜合測試儀射頻端口（T/R）分別連接至合路器的兩個輸入端口；將電臺射頻端口連接至合路器輸出端。測試連接關系如圖4所示。

②設置無線電綜合測試儀工作于AM或FM狀態（調制頻率1 kHz正弦信號，AM 30%調制度或FM±6 kHz頻偏）；

③預置電臺波道號和工作模式（AM或FM），靜噪接通；

④從小到大逐漸調節無線電綜合測試儀的輸出射頻信號，直至靜噪“開啟”，此時SINAD會從0突然增大至10 dB左右，耳機中出現1 kHz的單音；

⑤記錄此時無線電綜合測試儀的輸出功率Ptmin，則靈敏度計算公式修正為式（9），減去合路器和線纜損耗，得到電臺靜噪靈敏度，與技術指標進行對比。

其中，Lr為測試電纜損耗，單位為dB；L合為合路器插入損耗，單位為dB。

5 測試結果

按照以上的系統級原位性能測試方案，對某型飛機的機載超短波通信系統性能進行測試驗證。為了體現測試的普遍適用性，選取該型10架飛機進行測試驗證，分別編號為1#～10#。測試中以電臺常用工作模式AM為例，選取常用波道1、2、3、4進行測試?，F以1#飛機為例，得到機載天線在某一工作頻點下的方向圖（如圖7所示），其他工作頻點的天線方向圖大體類似，在此不再列出。

從方向圖可以看出，該型飛機超短波天線在水平面方向性為近似圓形，符合全向天線的方向性特征。系統性能指標測試結果如表1所示。由測試結果可以看出，發射功率≥40 dBm，滿足指標要求；駐波比≤2.5，滿足指標要求；靜噪靈敏度在標稱值（-103 dBm）動態范圍內，滿足指標要求。

表1 1#飛機通信系統性能指標

圖7 某型機超短波通信系統裝機方向圖

測試中5#飛機存在發動機綜合電子調節器（綜調）干擾超短波電臺的故障現象，即飛機發動機左、右綜調上電后（正常工作），對電臺低頻段（130 MHz以下）產生較大電磁干擾，測試頻譜如圖8所示，造成通信系統靈敏度下降。更換綜調后干擾消失，通信系統靈敏度恢復正常。更換左綜調前靈敏度測試數據如表2所示，更換左綜調后靈敏度測試數據如表3所示。同時，部隊也反映該架飛機通信距離近的問題長期存在。通過測試和分析認為，該機綜調及相關線路是造成超短波電臺系統靈敏度下降的主要原因。

圖8 測試頻譜圖

表2 靈敏度測試（更換左綜調前）

表3 靈敏度測試數據（更換左綜調后）

上述測試實例充分證明了本文提出的原位性能測試方法能夠有效掌握機載超短波通信系統的主要性能，發現和定位系統故障。

6 結 語

本文對機載通信系統的原位性能測試原理和步驟進行探討研究，提出了兩種系統級原位性能測試方案，并以某型飛機的超短波通信系統為例進行了實際測試驗證。通過對機載通信系統進行系統級的原位性能測試驗證，一方面可以掌握系統實際裝機狀態下的性能狀態，確保系統效能的充分發揮；另一方面通過測試可以復現和查找系統故障。為了使外場機務保障人員更好地了解和掌握機載通信系統實際使用過程中的性能狀況，更好地做好裝備的維護保障，外場條件下的系統原位性能測試是現實的，也是必要的。