基于飞机平台的北斗救生信标机的性能测试技术研究

阮先丽，孟　超

（中国飞行试验研究院，西安710089）

基于飞机平台的北斗救生信标机的性能测试技术研究

阮先丽，孟超

（中国飞行试验研究院，西安710089）

从北斗系统组成、功能及原理入手，分析了北斗救生信标机在飞机平台上进行性能测试的特点，介绍了性能测试和评判方法，分析并研究了验证结果。应用结果表明，本文设计的试飞和测试评估方法科学可行，测试结果准确，充分体现了被测设备的功能性能，暴露了设计缺陷，给出了使用限制建议。研究结果具有重要的工程实际应用价值，能够为用户提供使用参考。

飞机平台；北斗救生信标；定位；链路

0　引言

北斗救生信标机安装在飞机上通过“北斗卫星通信系统”实现与其他同类飞机和地面指挥中心之间的通信及定位功能，利用北斗卫星导航系统卫星通信通道和有源定位、电文通信工作方式［1］，很好地解决了在高原地区、海上、丘陵山区等无有效的地面通信设施支持时的应急定位、位置报告、飞行简况通报以及指挥所准实时掌握所属目标直升机飞行位置与轨迹等问题。

北斗救生信标机的工作平台是飞机，所以，在飞机动态的环境下，北斗救生信标机是否能够正常工作、性能指标是否满足设计要求等都需要通过空中测试及数据分析等手段验证。在飞机机动飞行中，如何全面且有针对性的对设备性能进行检验是一个全新的技术难题，性能测试中，如何设计试飞方案以最大化的体现系统功能和性能、如何设计平台飞行动作以最大化的暴露设计缺陷，以及如何对试验结果进行评估将是本文研究的重点。

1　北斗系统介绍

北斗系统利用地球同步卫星来实现定位，由空间卫星部分、地面系统部分和各类用户设备组成［2］。地球同步卫星作信号的中继站，用户接收机接收一颗卫星转发地面中心站的测距询问信号，然后向两颗卫星同时发送应答信号，地面中心站根据两颗卫星转发用户机的回答信号及用户的高程（或用户的地心距）计算出用户机的位置，并将这一位置数据再经卫星发给用户机，由用户机在显示器上显示出定位结果。在发生应急事件时北斗用户机发射超短波救生信号，同时发送紧急定位申请，通过“北斗卫星通信系统”将紧急定位信息发送至地面指挥中心，地面指挥中心依据收到的求救信息及时制定救援方案，实现有效救援。

北斗系统组成及工作原理［3-5］如图1所示。

图1　北斗救生信标机系统组成及工作原理Fig.1　Composition and principle of the BeiDou rescue beacon system

2　在飞机平台上进行性能测试的特点分析

北斗救生信标机的工作平台是飞机，对其性能测试是在飞机平台上进行，所以，飞机平台的结构以及运动特征直接影响着设备性能测试，影响设备性能的关键技术点主要表现在以下几个方面：

1）飞机平台是高速运动的，北斗救生信标机天线要在飞机平台高速运动的条件下保持对卫星的精确跟踪，要能克服由于飞机相对卫星的移动而产生的多普勒频移。

2）飞机在飞行过程中是会有姿态变化的，不同的航向、俯仰、横滚可能会对其性能造成影响。

3）在北斗救生信标机机载平台上安装，空间受限，可能受到机体（机尾、机翼、机身）遮挡，需检查是否遮挡、遮挡的角度以及遮挡后恢复工作能力。

4）北斗救生信标机天线不仅接收来自北斗卫星的直接波，还接收从机背、机翼、机尾经不同途径反射来的幅度与相位各不相同的反射波及地面反射波，引起接收信号电平发生随机起伏，需在试飞中检查多径衰落影响。

5）由于北斗救生信标机是安装在飞行中的飞机上，工作时受振动影响较大，特别是在飞机的起飞和降落阶段，需在试飞全过程中检查设备抗振动技术的有效性。

6）由于飞机平台内电子设备多、空间小，在狭小的空间中，频段接近的设备，特别是气象雷达、超短波电台等大功率发射设备，其电磁兼容性设计是必须要考虑的一个问题。

7）北斗救生信标机工作在L段和S段，该通信频段可能会受到雨衰的影响，需在试飞过程中检查雨衰对设备的影响。

3　主要性能测试方法

3.1设计飞机飞行航路测试功能及性能

北斗救生信标机天线一般安装在飞机的尾部，实现通信和定位的北斗中继通信卫星位于赤道上空，为了全面检查测试北斗救生信标机的功能及性能，基于以上分析，设计特殊的航路全面检验和测试天线性能和设备整体性能。主要从以下几个方面设计试飞方法：

（1）飞机以不同坡度的“8”形航路飞行

在飞机飞行航路中增加“8”形飞行线路，转弯半径R可根据需要设定。在“8”形航路飞行中，可检查测试以下主要项目：

①检查测试北斗救生信标机天线捕获跟踪性能；

②检查北斗救生信标机天线受机体（机尾、机翼、机身）遮挡情况，以及恢复正常工作能力的情况；

③检查北斗救生信标机天线被机体遮挡的角度和跟踪卫星的能力。

（2）飞机以东西向、南北向飞行

分别选择东西向和南北向两条航线，以不同的高度飞行，在航线上进行大速度、加减速等机动飞行，在这个过程中检查测试以下主要项目：

①检查北斗救生信标机在飞机高速运动的条件下，保持对北斗卫星的精确跟踪的能力；

②检查飞机相对北斗卫星的移动而产生多普勒频移的影响；

③检查多径衰落影响。

（3）爬升、下降及全程飞行

在飞机进行起飞、降落以及整个试飞过程中，进行以下功能检查：

①检查天线的跟踪性；

②检查爬升、下降过程中机体遮挡对设备性能的影响；

③检查系统与机上其他各类电子设备之间的电磁兼容性。

（4）降雨条件下飞行

在降雨的条件下，检查雨衰对北斗救生信标机定位信息和链路信息传输的影响。

3.2数据采集记录

设备在飞机平台上的性能测试不仅取决于科学合理的试飞方法，也取决于数据采集记录及评判准则。在北斗救生信标机性能测试中，采集记录飞机平台输出的惯导姿态数据，同时，在飞机平台上加装位置基准传感器和数据采集记录设备，以飞机实时的位置和姿态参数建立一个精确的测姿定位基准系统，同时采集记录关键传感器的输出数据，为北斗救生信标机的功能及性能测试提供参考。

在飞行航路中采集记录以下数据：

1）飞机的飞行时刻、空域及经度、纬度；

2）飞机的俯仰角、横滚角、航向角；

3）与参数回传对应的基准传感器的测试数据。

4　应用效果

利用测姿定位基准系统和平台传感器采集记录系统，分析北斗救生信标机的各项功能和性能，最大程度地检查设备的缺陷，正确地反映出设备的性能特点。下面以典型的故障问题进行详细的剖析，从设计原理上对故障问题进行定位。

4.1定位问题及分析

在试飞测试过程中，把北斗输出的定位信息与测姿定位基准系统的测试数据对比分析，发现北斗救生信标机给出的定位信息误差较大，如图2所示。经分析发现，地面中心站在定位解算［6-7］时使用的是一个固定高度，导致定位误差较大，鉴于飞机平台上装有测高传感器，地面中心站采用飞机平台真实的绝对气压高度（1s/次）进行定位解算，从而改善定位准确性，改善后的定位结果如图3所示。

图2　固定高度参与解算的定位信息Fig.2　Time history curve of the comparison between the BeiDou and the reference with the fixed height

图3　飞机平台真实高度参与解算的定位信息Fig.3　Time history curve of the comparison between the BeiDou and the reference with the true height from the aircraft platform

4.2链路传输问题及分析

北斗救生信标机通过中继卫星建立上行、下行链路，实现定位、短报文通信。对链路的测试评估是通过定位信息、参数回传信息以及短报文的接收成功率统计。结合飞机平台环境，在飞机不同的航向角、横滚角姿态条件下，以及在降雨环境下对定位成功率进行统计，统计结果如表1、表2所示，表中单站点定位成功率是相对于总站定位成功率的归一化值。

表1　不同航向和不同横滚角的定位信息接收情况统计结果Table 1　The reception statistical results of the positioning information with different directions and different roll angles

表2　降雨时定位统计结果Table 2　The statistical results of the positioning information in the rain

从表1和表2中的统计可以看出，向着卫星方向飞行、以较大横滚角飞行以及在降雨环境飞行时，定位成功率明显较低，建议用户使用时考虑飞机姿态以及降雨环境。

5　结论

结合工程实际应用，从北斗系统组成、功能及原理入手，分析了北斗救生信标机在飞机平台上进行性能测试的特点，介绍了性能测试方法和数据处理及评判方法，并对设计的试飞方案进行了验证，对验证结果进行了分析和研究。从应用结果可以看出，本文设计的试飞和测试评估方法科学可行，测试结果准确，能够暴露设计缺陷，并且能够充分体现被测设备的功能性能，针对使用限制给出了明确的建议，为用户使用提供很好的指导。

［1］北斗卫星导航系统公开服务性能规范（1.0版）［Z］.中国卫星导航系统管理办公室，2013. Public service performance specifications for Beidou satellite navigation system（version 1.0）［Z］.China's Satellite Navigation System Management Office，2013.

［2］袁建平，罗建军.卫星导航原理与应用［M］.北京∶中国宇航出版社，2004. YUAN Jian-ping，LUO Jian-jun.Principle and application of satellite navigation［M］.Beijing∶China Aerospace Press，2004.

［3］周露，刘宝忠.北斗卫星定位系统的技术特性分析与应用［J］.全球定位系统，2004，29（4）∶12-16.ZHOU Lu，LIU Bao-zhong.Analysis of the technical characteristics and application for Beidou satellite positioning system［J］.Global Positioning System，2004，29 （4）∶12-16.

［4］张怡，赵少松.基于双星定位系统的无源定位方案研究［J］.电子测量技术，2007，30（9）∶153-156. ZHANG Yi，ZHAO Shao-song.Passive positioning study on double-star positioning system［J］.Electronic Measurement Technology，2007，30（9）∶153-156.

［5］郭建宁.双星定位系统的定位计算和数字地图［J］.中国空间科学技术，1992（6）∶14-22. GUO Jian-ning.Positioning calculation and digital map for binary satellite［J］.Chinese Space Science and Technology，1992（6）∶14-22.

［6］林雪原，何友，张力.高程误差对双星定位系统定位精度的影响研究［J］.武汉大学学报（信息科学版），2005，30 （12）∶1039-1043. LIN Xue-yuan，HE You，ZHANG Li.Study on effect of altitude error on position precision of double-star positioning system［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2005，30（12）∶1039-1043.

［7］Kazuhiro K，Eihisa M.Communication and radio determination system using two geostationary satellites part 2∶analysis of positioning accuracy［J］.Transaction on Aerospace and Electronic System，1996，32（1）∶314-325.

The Performance Test Technology Research for the BeiDou Rescue Beacon System Based on theAircraft Platform

RUAN Xian-li，MENG Chao
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089）

Based on the composition，function and principle of the BeiDou system，the characteristics of performance testing on aircraft platform is analyzed，the performance testing and evaluation method for the BeiDou rescue beacon system are introduced，the verification results are studied and analyzed.Application results show that the design of the flight test and the test evaluation method is scientific and feasible，and the test results are accurate，the function of the device under test is fully embodies，the design flaw is exposed，use restriction advice is given.The results have important value in engineering application，and provide users with high reference value.

aircraft platform；BeiDou rescue beacon；location；link

U666.1

A

1674-5558（2016）05-01068

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.019

2015-01-26

阮先丽，女，硕士，高级工程师，研究方向为空机载电子设备试飞技术。