民用飛機(jī)甚高頻通信系統(tǒng)測(cè)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(yǔ)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(chǎng)終端管制、航路對(duì)空通信等方面。民用飛機(jī)在取得型號(hào)合格證(TC)前，通常需要設(shè)計(jì)一套完整的測(cè)試程序?qū)C(jī)上每個(gè)系統(tǒng)的測(cè)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(mén)對(duì)甚高頻通信質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，VHF通信系統(tǒng)的測(cè)試就顯得尤為重要。如何對(duì)VHF通信系統(tǒng)進(jìn)行完整功能和適航符合性驗(yàn)證的測(cè)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(mén)關(guān)注的重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

VHF通信屬于視距通信，主要按直射波傳輸，信號(hào)傳輸形式包括語(yǔ)音和數(shù)據(jù)[4]。語(yǔ)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(duì)信號(hào)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(tái)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(hào)的輻射和接收。VHF通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保障等級(jí)[7](DAL)為C級(jí)，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(jí)和系統(tǒng)級(jí))的影響程度大小可以通過(guò)失效性概率來(lái)判定，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行等級(jí)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(jí)之間的關(guān)系如表1所示。一般地，完全喪失語(yǔ)音通信功能屬于III級(jí)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(jí)失效狀態(tài)。

表1 發(fā)生概率與失效狀態(tài)影響等級(jí)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(guò)程中，為了向?qū)彶榉奖砻鱒HF通信系統(tǒng)對(duì)適航規(guī)章的符合性，VHF通信系統(tǒng)一般應(yīng)至少表明對(duì)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(cè)試

3.1 導(dǎo)線綜合測(cè)試

VHF通信系統(tǒng)的導(dǎo)線綜合測(cè)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(cè)試一般包括測(cè)試系統(tǒng)中導(dǎo)線的導(dǎo)通和絕緣，還應(yīng)測(cè)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(cè)試目的可分為連續(xù)性測(cè)試、接地線導(dǎo)通測(cè)試和同軸電纜衰減測(cè)試。其中，連續(xù)性測(cè)試的主要內(nèi)容為導(dǎo)通性和絕緣性的測(cè)試；接地線導(dǎo)通測(cè)試的主要內(nèi)容為接地導(dǎo)通性測(cè)試；同軸電纜衰減測(cè)試的主要內(nèi)容為在典型工作頻率上同軸電纜的衰減測(cè)試。

為避免在飛機(jī)上的誤操作和誤布線對(duì)設(shè)備造成的損害，在進(jìn)行本試驗(yàn)前應(yīng)確保斷開(kāi)VHF通信系統(tǒng)所有航線可更換單元(LRU)的連接，在測(cè)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(cè)試中使用的測(cè)試設(shè)備包括自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、萬(wàn)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(cè)試應(yīng)首先形成系統(tǒng)從端連接器針孔號(hào)和到端連接器針孔號(hào)的阻值或同軸電纜衰減值的測(cè)試表，然后根據(jù)測(cè)試表采用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備或萬(wàn)用表測(cè)量系統(tǒng)中兩個(gè)指定的測(cè)試點(diǎn)之間的阻值，采用天饋分析儀測(cè)量收發(fā)機(jī)到天線間同軸電纜的衰減值，通常測(cè)量的衰減值應(yīng)不超過(guò)3 dB。需要注意的是，若被測(cè)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(cè)試值與設(shè)計(jì)要求值進(jìn)行對(duì)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(cè)試

VHF通信系統(tǒng)天線駐波比測(cè)試是通過(guò)測(cè)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(cè)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(cè)試設(shè)備，根據(jù)待測(cè)天線的工作頻段設(shè)置射頻分析儀，設(shè)置測(cè)量頻段以及VSWR 閥值。若VSWR 值沒(méi)有超過(guò)閥值，則試驗(yàn)通過(guò)，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(guò)/失敗記錄。一般情況下，VHF通信天線的駐波比測(cè)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(cè)試

3.3 系統(tǒng)功能測(cè)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(huì)對(duì)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(tái)、航空電臺(tái)手持麥克風(fēng)(Mic)、通信導(dǎo)航測(cè)試裝置(T-36C)和功率計(jì)。通常VHF通信系統(tǒng)機(jī)上功能測(cè)試項(xiàng)目包括收發(fā)機(jī)上電自檢、靜噪測(cè)試、通信試驗(yàn)、發(fā)射測(cè)試和接收測(cè)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(cè)得功率顯示如圖2、圖3。用功率計(jì)分別測(cè)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(shuō)明VHF通信天線發(fā)射功能正常。在接收試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)T-36C的輸出水平來(lái)測(cè)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(tīng)不到單音；高于T-36C的靜噪臨界值，正駕駛耳機(jī)中聽(tīng)到單音，按壓PTT開(kāi)關(guān)時(shí)，聽(tīng)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(cè)試

VHF通信系統(tǒng)天線方向圖測(cè)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(duì)電磁波的影響，還應(yīng)進(jìn)行裝機(jī)后測(cè)試。GJB 5035-2001[9]中提出了對(duì)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(guò)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(cè)試原理圖

測(cè)試場(chǎng)地依據(jù)等高架測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行布置，測(cè)試場(chǎng)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(cè)試天線布置圖

測(cè)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(cè)量點(diǎn)。

圖6 測(cè)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(kāi)始試驗(yàn)前，要求對(duì)被試的VHF通信系統(tǒng)編寫(xiě)試驗(yàn)任務(wù)書(shū)、試驗(yàn)大綱和構(gòu)型評(píng)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(cè)試、語(yǔ)音/數(shù)據(jù)模式切換測(cè)試、通信測(cè)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(yǔ)音通信試飛和VHF數(shù)據(jù)鏈通信試飛兩類。VHF語(yǔ)音通信試飛應(yīng)至少包括大于5 490 m高度的飛機(jī)測(cè)試、使用低于5 490 m高度的飛機(jī)測(cè)試、天線覆蓋范圍測(cè)量、遠(yuǎn)距離接收、高角度接收、進(jìn)場(chǎng)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(guò)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(píng)測(cè)。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(cè)試，測(cè)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(píng)測(cè)。

4 結(jié)論

針對(duì)民用飛機(jī)VHF通信系統(tǒng)測(cè)試，總結(jié)了系統(tǒng)中不同類別的測(cè)試項(xiàng)目，重點(diǎn)說(shuō)明測(cè)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(duì)工程研發(fā)和型號(hào)適航取證具有實(shí)踐意義。