对某型直升机无线电高度表低高度误差过大的分析

■ 陈池礼/国营锦江机器厂

某型直升机的无线电高度表系统存在问题：在直升机低高度飞行时，测量显示的无线电高度值均存在明显偏小的现象，其中一架飞机比正常值偏小高达1.4m左右（即当直升机机轮离地约2.4m时综合显示器显示的无线电高度值才会由0m变为1m）。由于无线电高度指示对载机的飞行与着陆安全非常重要，因此有必要对该现象进行深入的分析处理。

1 无线电高度表系统的组成及测量显示原理

该型直升机的无线电高度表系统由调频连续波恒差频式XXX无线电高度表和XXK-XX综合显示控制系统（以下简称综显）共同组成。XXX无线电高度表由XXX无线电高度收发机（以下简称收发机）、发射与接收天线和发射与接收电缆组成。综显由MFСD多功能显示器、MFK多功能键盘、DСP综合显示处理计算机等组成。

收发机负责测量载机相对于其所飞跃地形的真实高度，并输出对应的高度直流电压给DСP综合显示处理计算机，经其A/D采样和计算机软件处理后，通过RS422总线输至MFСD多功能显示器显示出无线电高度值，如图1所示。

图1 无线电高度表系统与综合显示控制系统交联关系图

根据无线电高度表工作原理，收发机通过测量电磁波信号的延迟时间来确定飞行器的相对飞行高度。该延迟时间由两部份组成，一是与飞行高度成正比的延迟时间Т=2H/С（H为飞行高度，С为电磁波传播速度3×108m/s），一是收发机与收发天线之间的高频馈线和停机时（对固定翼飞机而言，通常指起落架与跑道刚接触时）天线离地面高度的延时Тi，也称为收发机的飞机设备安装延时，该值为定值，随收发机的设计定型而固定。收发机内部通过特定的电路，输出与飞行高度成正比的高度直流电压。即VH＝k（Т-Тi）。

2 收发机的技术要求与实际装机状态存在差异

2.1 收发机的技术要求

收发机由收发机、收发天线、收发高频馈线和托架共同配套组成，全部由承制厂提供。该型无线电高度收发机机载设备维护手册的相关技术要求为：

1）飞机设备安装延时8.5 3 4 m（28ft）；

2）高度输出规律（线性直流模拟电压）0～6 0 0 m，U=0.0164H（V）（H单位为m）；

3）测高误差0～30m范围内为0.6m或3%H，取较大者。

可知：当载机处于停机状态时，收发机射频信号收发端的时延（等效高度）应为4.267m（14ft），输出的高度电压应为0V，允许的电压误差为±9.84mV。

2.2 实际装机状态试验验证情况

1） 机上系统闭环成套试验

先将收发机放在内场进行性能检查，在外接28ft延迟线作用下发现输出高度电压与其履历本最近修理记录的性能数据一致，都为0V，即0m时无误差。

在机上无线电高度表系统中并接入Agilent 34401A数字万用表，测试收发机输出的高度电压与综显示数情况，如表1所示。

试验结果反映出该机剩余高度存在-0.73m的误差，主要原因为机上高频馈线和停机时天线离地高度不够所致。

2） 机上系统开环试验

采用Agilent E5071С矢量网络分析仪，测试该型直升机的机上无线电高度表高频馈电系统（高频馈线、收发天线和离地空间）在4.3GHz的时延，如表2所示。

表1 载机处于正常停机状态下的闭环成套试验数据

表2 载机处于正常停机状态下的开环试验数据

由无线电信号传输速度和高度距离关系有：

23.4ns×0.3m/ns＝7.02m

7.02m－8.534m＝-1.514m

-1.514m÷2＝-0.757m

-0.757m×16.4mV/m＝-12.4mV

可见，两种试验方法结果基本一致，都说明XXX无线电高度收发机在该型直升机上的设备安装延时8.534m（28ft）设计存在-1.5m的较大误差，使实际测高增加了-0.75m的误差。

2.3 异常情况

在机上闭环测试收发机输出电压与综显示数情况的基础上，分别在机上收发机的收发高频馈线接口端串联接入28ft（等效高度4.267m）延迟线进行试验，却出现了异常情况，如表3所示。

根据高度表工作原理，串联接入延迟线后本应该是输出增加该延迟线的等效高度值，但实际在该机发射端串联接入延迟线时输出仅为1.5m，而在接收端串联接入延迟线时收发机还出现失锁，表现为不正常。

该收发机设备维护手册指标规定，0 m的灵敏度S要求值为：62dB≤S≤72dB；但在参数调整中要求调为67dB。承制厂的出厂数据也是67dB，而该产品本次由某公司修理出厂的数据为64dB。

表3 载机处于正常停机状态下串接延迟线试验情况

表4 高度表无线电波在自由空间测量高度上的传输损耗

表5 综显理论工作数据

根据工作在4.3GHz的高度表发射的无线电波在自由空间测量高度上的传输损耗（衰减）公式为Lf＝51.13＋20logH（dB），得到表4的计算值。

理论上，当高度表的安装延时和天线增益、连接高频馈线选定后，高度表的接收增益受高度控制的规律（灵敏度曲线）也就确定下来，并应与无线电波在自由空间测量高度上的传输损耗规律基本相同，这样才能更有利于测高误差的控制。

可见，将0 m（安装剩余高度4.267m）的灵敏度调整为64dB基本上是理论最低值，而根据信号传输要求和无线电信号反射衰减特性，通常应至少增加3dB以提高信噪比和工作可靠性，因此，将维护手册要求调整为67dB才是合理的。

综上，在收发机的收发端串接延迟线试验中出现的异常情况应是由于该收发机的低高度端灵敏度调整偏低所致：在发射端串接时，因该端射频信号功率较大，串接对高度信号的信噪比影响程度小，收发机还能跟踪但测量误差增大使输出的高度误差较大；在接收端串接时，因该端射频信号功率已经很小，再串接时对其信噪比影响较大，致使收发机因信噪比过低不能跟踪导致失锁。

3 综显的无线电高度通道设计情况

3.1 理论分析

根据综显技术资料和软件设计，综显的无线电高度通道设计情况为：

1）模拟量输入范围：0～20V；

2）接口采集模块状态：A/D采样12位，分辨率4.8828mV（0.298m），A/D模拟转换误差＜0.1%；

3）组织画面显示设计：高度计算值+0.5后取整显示（即四舍五入）。

因此，可以推导出综显的工作数据，如表5所示。

3.2 实测数据分析

采用微调高分辨率直流稳压电源（Agilent 34401A并联监测）模拟高度电压信号方法，得到试验实际机上综显的显示状态，如表6所示。

表6 综显实际工作数据

可见，实测数据与理论分析基本一致。综显实际性能数据更好，应是其内部的数据采集处理比技术资料描述更加复杂和优化，如采用分段A/D等，确保了在较低硬件基础上实现更高精度采样的目标。其中在0/1跳变显示时的数据相差较大，应是A/D在低端的线性度较低。

4 综合分析与处理结果

该型直升机的高度表发射天线装于7960～8840框，接收天线装于6630～7960框，两天线的中心与直升机旋翼轴的水平距离约4m，可以大致计算出机身俯仰（θ）对无线电高度测量值的影响约为4tgθ（m），即俯仰1˚影响0.07m。起落架缓冲支柱和机轮轮胎因减振作用设计，存在随载机的重量变化而变化的压缩量，正常停机情况下约为0.25m。

因此，综合分析收发机、综显和载机的技术状态，理论上当收发机的零高度误差为0时，载机保持水平飞行，机轮至少应离地1.3m，综显才会显示1m；当考虑收发机的测高误差（0.6m）和载机飞行的水平误差（≤3˚）时，机轮离地约2m，综显才显示1m，这是符合技术要求的。

造成该直升机的无线电高度表系统机轮离地约2.4m时综显才显示1m的原因是，收发机的低高度端灵敏度调整过低（0m时的灵敏度为64dB），使测量误差增大。

内场重新调整该机收发机的参数，将0m的灵敏度提高3dB至67dB，重新检查调整测高误差，使0m点电压在误差范围内略微偏正（+0.2m）。再装机进行地面通电检查，收发机输出高度电压约-3.8mV（-0.23m），综显示数为0m。最后经试飞验证，机轮离地约1.6m时综显显示1m，其他各高度点误差指标也达到了可接受范围。

当然，要进一步减小无线电高度表系统的低高度误差，还可以调整收发机的剩余高度值或增加机上的高频馈线长度（需相应增加其衰减量的灵敏度值），但这些调整都涉及原机定型状态的改变，通常需办理相关的批准手续。