民航進口在役空管二次雷達維修維護實踐

唐凱，徐鵬

（民航空管技術裝備發(fā)展有限公司，北京，100015）

0 引言

截至2020年5月底，我國民航空管體系投產(chǎn)運行的一/二次合裝雷達30套，單二次監(jiān)視雷達110套，可見雷達保障航路安全的重要性不言而喻。貴陽磊莊雷達站INDRA二次雷達于2012年校飛后投產(chǎn)運行，有效完善了貴陽本場及部分航路雷達覆蓋，其主要用戶單位為貴州空管分局各管制室、駐磊莊空軍部隊等，2020年10月該雷達目標方位出現(xiàn)明顯的偏移現(xiàn)象，導致分局航管在自動化系統(tǒng)中斷開磊莊雷達信號[1]。

1 雷達信號方位偏移故障現(xiàn)象

貴陽磊莊INDRA二次雷達在S和A/C模式下均出現(xiàn)不同程度的目標偏移現(xiàn)象，切換主備通道，故障依舊。通過分析雷達現(xiàn)場連續(xù)一個月對測試應答機方位偏離度數(shù)據(jù)的采集結(jié)果，發(fā)現(xiàn)目標方位正偏移最大+1.69度，負偏移最大-1.1度，目標方位偏移度隨時間變化，超前或滯后，偏移故障現(xiàn)象發(fā)生的時間點、持續(xù)時長均存在一定的不確定性，但偏移最大值變到最小值的過程體現(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 目標偏移方位數(shù)據(jù)采樣圖

2 單脈沖二次雷達目標方位測量原理

INDRA二次雷達采用單脈沖測角技術結(jié)合增量式光電編碼器的機械方位，計算出飛機精準的方位信息。雷達目標實際方位由三部分構成，即天線瞄準軸指向角θ、偏離瞄準軸角度β、符號信息±。

方位角=C+N×0.022±β

其中：

C:預設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ACP脈沖的計數(shù)

θ天線瞄準軸指向角=C+N×0.022°

β偏離瞄準軸角度，主要與接收的歸一化和差信號幅度比 |EΔ/EΣ|有關

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

單脈沖測角技術：二次雷達天線陣列在接收飛機應答信號時，在水平方位上形成兩個獨立波束，分別處于波束瞄準軸兩側(cè)，并關于瞄準軸對稱，空管二次雷達接收到的飛機應答信號通過天線陣列后，經(jīng)過高頻和差變換器，實現(xiàn)兩個獨立波束的加/減，輸出等效的Σ、Δ射頻信號經(jīng)饋線傳輸給雷達接收機。應答信號在Δ通道里的幅度為|EΔ|，在Σ通道里的幅度為 |EΣ|，經(jīng)過 lg|EΔ/EΣ|、A/D轉(zhuǎn)換，查 OBA（off-boresight Angle）表可得出飛機偏離波束瞄準軸的方位數(shù)據(jù)，即偏軸角β。符號信息“±”表示目標相對于瞄準軸偏左或偏右，在接收機通道中，利用相位檢波器檢測Σ、Δ信號的相對相位關系來確定[2]。

3 故障處理過程

3.1 偏離瞄準軸角度β和符號信息±

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

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

3.2 天線瞄準軸指向角θ

本次，利用 RASS（Radar Analysis Support System）雷達分析支持系統(tǒng)專用儀表，對編碼器和天線旋轉(zhuǎn)部分進行性能評估分析，主要用到雷達陀螺傾斜儀RGI596、雷達編碼器記錄儀RER794與應用軟件RASS-S R7.2。在天線轉(zhuǎn)盤上固定放置RGI596跟隨天線同步旋轉(zhuǎn)，以檢測天線旋轉(zhuǎn)的角速度參數(shù)，此外RGI596中內(nèi)置有傾斜儀能夠測量出轉(zhuǎn)盤的水平性能，而RER794用來記錄增量編碼器輸出的ACP、ARP脈沖信息。通過RASS-S應用軟件分析陀螺傾斜儀和編碼器記錄儀的測量數(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)臺水平度。

測試前，確定了各項參數(shù)標準，根據(jù)《空中交通管制二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)技術規(guī)范》要求方位角鑒別力應不大于0.022°，雷達安裝工藝要求天線轉(zhuǎn)臺水平通常在3′之內(nèi)，結(jié)合航管二次雷達其他站點的天線旋轉(zhuǎn)角速度偏差數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)角速度最大偏差應該不超過0.2，例如嘉峪關0.038、民勤0.095、庫車 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。

本次首先檢測編碼器1和轉(zhuǎn)臺，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°；其次檢測編碼器2和轉(zhuǎn)臺，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°，測出的天線旋轉(zhuǎn)機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)機械性能及編碼器1分析圖

圖3 天線旋轉(zhuǎn)機械性能及編碼器2分析圖

分析本次RASS檢測的數(shù)據(jù)，判定編碼器1、2性能正常，天線水平度不符合指標，天線旋轉(zhuǎn)角速度偏差過大，因此懷疑導致目標偏移的可能為某機械傳動機構故障引起天線旋轉(zhuǎn)角速度測量值偏差過大，不排除是馬達、減速箱、天線軸承環(huán)或其他配套機械旋轉(zhuǎn)機構。

3.3 檢查天線傳動裝置

根據(jù)RASS分析后，按操作難易程度，在更換馬達、減速箱及旋轉(zhuǎn)鉸鏈后，再次進行RASS測試，天線旋轉(zhuǎn)角速度偏差依舊過大，說明主要問題應該在轉(zhuǎn)臺內(nèi)部。在討論商定方案后，最終決定實施最復雜的排故手段，檢查天線軸承環(huán)及其配套機械旋轉(zhuǎn)機構。在有限作業(yè)空間的雷達罩內(nèi)，采取搭設腳手架等措施對二次雷達天線進行了拆卸吊裝平移，拆除并檢查匯流環(huán)、天線轉(zhuǎn)盤、雙模連接器、編碼器機械裝置、軸承環(huán)的結(jié)構情況，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)盤與方位編碼器傳動機構的連接件，隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，并帶動方位編碼器的齒輪盤旋轉(zhuǎn)。如圖5所示，軸承環(huán)內(nèi)側(cè)有150個內(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)動部分，內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)動部分，帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，進一步驅(qū)動天線旋轉(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，會導致方位傳動裝置齒輪盤與天線轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)不完全一致，經(jīng)測量兩者存在2°左右的最大偏差，更換備件后緊固，可解決了旋轉(zhuǎn)不一致性的問題。在更換軸承環(huán)之前，測量了電機減速箱齒輪與軸承環(huán)內(nèi)齒輪的間隙為0.7-0.8，因為齒側(cè)間隙過大會產(chǎn)生齒間沖擊，影響齒輪傳動的平穩(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)臺旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

3.4 天線旋轉(zhuǎn)機械性能復測

更換雙模連接器、軸承環(huán)后，重新配置雷達編碼器方位偏置參數(shù)，再次利用RASS對編碼器和天線旋轉(zhuǎn)部分進行性能評估分析，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°，可見天線旋轉(zhuǎn)角速度偏差明細改善。雷達開發(fā)射后，觀察目標數(shù)月，方位偏移現(xiàn)象沒有復現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文闡述了單脈沖二次雷達方位測量原理，在分析故障的原因時，緊密圍繞天線瞄準軸指向角、目標偏離瞄準軸角度和符號展開，從射頻電纜、電路板硬件、雷達軟件到天線機械裝置，結(jié)合以往實踐經(jīng)驗逐步研究排查，順利解決了目標方位偏移現(xiàn)象，希望能夠?qū)ν刑幚泶祟惞收嫌幸欢ǖ膸椭?/p>

隨著雷達使用年限的增加，面對天線裝置驅(qū)動機構磨損、器件老化、整機性能下降等原因引起的故障會越來越多。根據(jù)各地區(qū)正式上報空管局技術中心的雷達故障匯總情況（2018-2020年），單獨就INDRA二次雷達而言，總共出現(xiàn)故障36次，其中10次涉及天線機械部分，建議定期實施雷達天線與天線座專項巡檢，采取措施將隱患消滅在萌芽狀態(tài)，同時歷年的巡檢數(shù)據(jù)可作為現(xiàn)場維護保障、運行狀況評估、設備大修、設備更新改造以及建設規(guī)劃的重要依據(jù)。