某型飛機無線電高度表“高空指零”故障仿真與分析

■ 丁永強 邵宏 連向威/空軍工程大學航空機務士官學校 中國人民解放軍第95903部隊

0 引言

某型飛機安裝的脈沖式無線電高度表，通過跟蹤反射的回波脈沖信號，能夠準確測量飛機到地面或海面的真實高度，用于自動駕駛、進場著陸引導、低高度告警或對地瞄準轟炸等[1]。但是，如果維護不良或飛機構型不合理，則可能發生電磁泄漏或機體反射，高空飛行時出現“零高度”指示和“注意高度”的語音告警[2-4]，不但影響相關設備的正常工作，還會對飛行人員造成干擾和影響，甚至引起錯誤判斷，引發飛行事故。

無線電高度表“高空指零”故障均發生在飛行狀態下，地面通電檢查時無法復現，也很難通過高度表測試設備進行試驗驗證，不利于故障的分析研究。利用數字仿真技術，通過對無線電測高過程進行數學建模，能夠研究不同飛行高度、不同電磁泄漏強度或機體反射強度情況下的回波信號特性，可以為故障研究提供方法和手段。

1 脈沖式無線電高度表測高原理

脈沖式無線電高度表是一部以地面或海面為測距對象的脈沖式雷達。某型飛機安裝的脈沖式無線電高度表由收發機、發射天線、接收天線等外場可更換單元（LRU）組成，其中，收發機主要包括發射電路、接收電路、高度解算電路、可靠性電路等[1，5]，如圖1所示。

圖1 脈沖式無線電高度表測高原理

無線電高度表工作時，發射電路產生射頻脈沖調制信號，一路通過發射天線向地面輻射，另一路經耦合檢波后，輸出T0時基脈沖送入高度解算電路；接收天線接收到地面反射的回波信號后，經接收電路變頻、濾波、放大、檢波后，輸出回波脈沖信號，也送入高度解算電路；高度解算電路根據回波脈沖滯后T0時基脈沖的時間Δt，解算出飛機的真實高度。可靠性電路根據設備工作情況、飛行姿態和測高范圍，控制高度信息的輸出，在各部分電路均正常工作且飛行姿態滿足測高要求的情況下，如低于測高范圍，無線電高度信息正常輸出；如高于測高范圍，無線電高度信息不輸出。

2 脈沖式無線電高度表仿真模型的建立

根據脈沖式無線電高度表測高原理，應用SYSTEM VIWE仿真軟件[1]，建立無線電高度表基本測高模型（見圖2），主要包括發射電路模型、信道傳播模型和接收電路模型等。

圖2 脈沖式無線電高度表基本測高模型

2.1 發射電路模型及參數設置

發射電路模型主要由脈沖信號產生器（Pulse Train）、載波信號發生器（Sinusoid）、乘法器（Multiplier）、放大器（Gain）、全波整流器（Rectify）、低通濾波器（LowPass）組成。脈沖信號產生器產生的周期性脈沖信號送入乘法器，與載波信號發生器產生的載波信號進行脈沖調制，得到射頻脈沖調制信號，一路經放大器進行功率放大后送入信道模型，一路經全波整流和低通濾波后，輸出T0時基脈沖送入信號分析器（Analysis）。發射電路參數設置如表1所示。

表1 發射電路參數設置

2.2 信道傳播模型及參數設置

信道傳播模型主要由延時器（Delay）、放大器（Gain）、加法器（Adder）組成，用于模擬地面反射信號、電磁泄漏信號、機體反射信號的信道傳播。延時器用于對射頻脈沖調制信號的延時，通過設置不同的延時值，模擬不同飛行高度條件下的傳播時延；放大器用于對射頻脈沖調制信號的衰減，通過設置不同的衰減值，模擬不同的傳播損耗。

正常測高條件下，當不存在電磁泄漏或機體反射信號時，接收電路與發射電路間僅有一條地面反射信道；當存在電磁泄漏或機體反射信號時，接收電路與發射電路間，不僅包括地面反射信道，也包括電磁泄漏信道或機體反射信道。信道傳播模型參數設置如表2所示。

表2 信道傳播模型參數設置

2.3 接收電路模型及參數設置

接收電路模型主要由帶通濾波器（BandPass）、放 大 器（Gain）、載波信號發生器（Sinusoid）、乘法器（Multiplier）、全波整流器（Rectify）、低通濾波器（LowPass）等組成。經信道傳播模型處理后的射頻回波信號送入帶通濾波器，完成選頻濾波后，輸出至放大器進行高頻放大；放大后的射頻回波信號與載波信號發生器產生的載波信號在乘法器中進行混頻，經全波整流和低通濾波后，輸出回波脈沖送入信號分析器（Analysis）。接收電路參數設置如表3所示。

表3 接收電路參數設置

3 仿真結果分析

根據電路參數設置仿真環境參數，仿真起始時間為0s，終止時間為499μs，采樣速率為10GHz，采樣點數為500萬點。

3.1 測高范圍內不存在電磁泄漏或機體反射時的仿真分析

當飛機高度在測高范圍內，無電磁泄漏或機體反射時，信道傳播模型僅包含地面反射信道，回波脈沖僅包含地面反射回波脈沖。T0時基脈沖如圖3所示，回波脈沖如圖4所示（高度900m時）。

圖3 T0時基脈沖

圖4中，回波脈沖滯后T0時基脈沖6μs，根據測高公式：

圖4 高度900m時回波脈沖（無電磁泄漏或機體反射）

式中，c為光速；Δt為回波脈沖滯后T0時基脈沖時間。

由此計算得出，飛機高度900m，高度變化時回波脈沖前后移動；回波脈沖幅度因AGC的作用，基本保持不變。

3.2 測高范圍內存在電磁泄漏或機體反射時的仿真分析

當飛機高度在測高范圍內存在電磁泄漏或機體反射時，信道傳播模型不僅包含地面反射信道，也包含電磁泄漏信道或機體反射信道，回波脈沖中則包含地面反射回波脈沖、電磁泄漏或機體反射回波脈沖，如圖5所示（高度900m時）。

圖5 高度900m時回波脈沖（有電磁泄漏或機體反射）

回波脈沖中，地面反射回波脈沖較強，電磁泄漏或機體反射回波脈沖較弱；電磁泄漏或機體反射回波脈沖由于傳輸距離近，相對于T0時基脈沖的延時基本為0，超前于地面反射回波脈沖。由于地面反射回波脈沖較強，高度解算電路跟蹤地面反射回波脈沖，輸出飛機的真實高度。

3.3 測高范圍外存在電磁泄漏或機體反射時的仿真分析

測高范圍外存在電磁泄漏或機體反射時的信道傳播模型，與測高范圍內存在電磁泄漏或機體反射時的信道傳播模型基本相同。但隨著飛機高度不斷增加，地面反射回波信號不斷減小，由于電磁泄漏或機體反射信號保持恒定，兩者的合成信號也不斷減小；由于接收機AGC的作用，接收機放大倍數不斷增大，導致回波脈沖中的地面反射回波脈沖不斷減小，電磁泄漏或機體反射回波脈沖不斷增大，如圖6所示（高度6000m時）。

圖6 高空時的回波脈沖（有電磁泄漏或機體反射）

隨著地面反射回波脈沖的不斷減小以及電磁泄漏或機體反射回波脈沖不斷增大，高度表解算電路可能錯誤跟蹤電磁泄漏或機體反射回波脈沖。由于電磁泄漏或機體反射回波脈沖相對于T0時基脈沖的延時基本為0，解算輸出0m，即出現“高空指零”現象。

當飛機高度降低后，回波脈沖中的地面反射回波脈沖不斷增大，電磁泄漏或機體反射回波脈沖不斷減小，高度表解算電路開始跟蹤地面反射回波脈沖，高度表返回正常工作狀態，“高空指零”現象消失。

4 結論

本文在分析某型脈沖式無線電高度表測高原理的基礎上，利用SYSTEM VIEW仿真軟件建立了該型脈沖式無線電高度表的測高模型，并仿真分析了不同高度條件下、不同電磁泄漏或機體反射情況時無線電高度表的回波脈沖特性；仿真結果表明，當存在電磁泄漏或機體反射時，由于電磁泄漏或機體反射信號幅度基本恒定，而地面反射回波信號隨飛機高度變化而變化，在接收機AGC的控制下，隨著高度的變化，兩者間回波脈沖幅度存在此消彼長的變化過程；當電磁泄漏或機體反射回波脈沖大于地面反射回波脈沖時，可能出現“高空指零”現象。由于該故障僅發生在高空飛行情況下，地面通電檢查時無法復現，因此外場維護過程中應加強無線電高度表射頻電纜的檢查，并合理規劃飛機構型，避免出現“高空指零”故障。