通过试飞测量大型直升机超短波天线的方向图*

2017-12-20

电讯技术 2017年12期

(中国飞行试验研究院，西安710089)

汤恒仁**

(中国飞行试验研究院，西安710089)

超短波天线方向图的精确测量对摸清机载通信系统性能底数，指导部队战术应用具有重要意义。针对传统试飞方法均不适用于大型直升机天线方向图测量的问题,通过分析大型直升机的飞行性能特点，提出了一种新的适用于大型直升机的超短波天线方向图试飞方法。通过分析计算给出了试飞中载机高度、速度、姿态等参数的限制数据，制定了详细的试飞流程，提出了逐架次、逐频点采集校准数据并完成校准曲线拟合的方法，得到了较高的测量精度。该方法已在某大型直升机定型试飞中进行了应用，试飞结果表明该方法的测量结果与传统测量方法之间的标准差在1.6 dB内，试飞效率提高了66%。

大型直升机；超短波天线；方向图测量；飞行试验

1 引言

机载超短波电台是航空器进行对外通信所依赖的主要手段，超短波天线方向图的精确测量对摸清机载通信系统性能底数，指导部队战术使用具有重要意义。天线方向图的获取方法主要有仿真计算、缩比模型测量、全尺寸模型静态测量以及飞行试验动态测量等4种。装机后的天线方向图不仅和天线自身有关，还取决于其在机上的安装位置、机体形状以及蒙皮材料等多个方面。由于机体表面不规则、蒙皮材料电特性不确定以及地面测量中无法避免的地面反射等因素，使得通过数学仿真或其他地面测量手段获得的天线方向图与真实飞行条件下获得的天线方向图之间存在较大差异，特别是对于直升机而言，其机载天线方向图还易受到主旋翼、尾旋翼等旋转部件的动态影响，导致其方向图的动静态特性差异更大，因此开展机载天线方向图动态测量十分必要。

用于机载天线方向图动态测量的方法有很多。文献[1]给出了“8”字飞行以及盘旋飞行等基本的机载天线方向图动态测量方法。文献[2]在文献[1]的基础上提出了一种采用场强数值归算法的机载天线方向图动态测量方法，在一定程度上改善了飞机盘旋过程中所产生的位置变化引入的测量误差，提高了测试精度。文献[3]提出了一种使用悬停回转飞行法进行试飞测试的直升机天线方向图动态测量方法，利用了直升机独特的定点悬停能力，解决了前述方法对直升机而言试飞效率过低的问题，其缺点是对直升机悬停性能的要求太高，仅适用于轻型直升机试飞。

本文针对大型直升机的飞行特点，提出了一种基于盘旋飞行和事后精确场强修正的水平方向图动态测量方法，降低了飞行难度，提高了试飞效率，解决了传统方法均不适用于大型直升机天线方向图试飞的问题。

2 传统天线方向图试飞方法

传统的天线方向图试飞方法有“梅花瓣”飞行法、等场强区飞行法以及悬停回转飞行法等，针对载机飞行性能的特点可选用不同的飞行方法。

2.1 “梅花瓣”飞行法

要求载机在远场区进行“梅花瓣”飞行，并在飞越“梅花瓣”中心点时发射载波，地面进行场强同步测量。该方法的优点是能保证测量过程中载机与地面测量设备之间的距离一定，测量结果的精度很高；缺点是试飞效率太低，根据载机飞行速度以及航向间隔设置的不同，完成1次“梅花瓣”飞行的时间需4～5 h，因此该方法对于直升机等低速平台来说并不适用。对该方法应用较多的是飞行速度适中，续航时间较长的大型固定翼飞机，例如固定翼预警机、大型运输机等。

2.2 等场强区飞行法

要求载机在等场强区做“8”字或盘旋飞行，航向每改变一定角度发射载波，地面进行场强同步测量，飞行结束后利用文献[2]所述方法进行场强修正，从而改善由“8”字或盘旋飞行所产生的到测试点距离变化带来的测量误差。该方法的优点是利用了等场强区场强缓变的特征，使用“8”字或盘旋飞行替代“梅花瓣”飞行，提高了试飞效率；缺点是该方法以及文献[2]所述的修正方法仅适用于多径损耗特性基本呈线性特征的等场强区，而等场强区一般距地面测试点较远，文献[1]所述方法考虑载机出航、返航所占用的时间，这对于飞行速度较低(最大巡航速度在200 km/h左右)的大型直升机来说试飞效率过低，并不适用。

2.3 悬停回转飞行法

该方法是专门针对直升机天线方向图试飞所提出的一种方法，要求直升机在距地面测量设备特定距离处，以低高度进行悬停回转。由于悬停位置处于场强快速衰落区，且未采取任何场强修正措施，从而要求悬停位置保持精度非常高，综合考虑要规避高空风对悬停位置保持精度的影响、保证飞行员对地面参照物的良好目视以及最大程度减少地面反射波影响等因素，其悬停高度推荐值为100～150 m，期间改变直升机航向，发射载波，地面进行场强同步测量。该方法要求直升机能够长时间进行低高度无地效精准悬停，这对于轻型武装直升机尚能实现，但对于大型直升机而言，特别是大重量状态下，其操纵性能差、悬停升限低，例如某大型直升机的无地效悬停升限已不足100 m，该方法并不适用。

3 大型直升机超短波天线方向图动态测量

鉴于传统试飞方法均不能满足大型直升机超短波天线方向图动态测量的需求，本文提出了一种基于盘旋飞行和事后精确场强修正的大型直升机超短波天线水平方向图试飞方法，该方法的试飞剖面图见图1。

图1 试飞剖面图Fig.1 Flight profile

3.1 地面测量点的确定

为保证所测信号幅度和相位保持稳定，包括校准航线在内的整个试飞区域需处于远场区[4]，远场区的计算参照下式：

r≥ 2D2/λ。

(1)

式中：r为载机和地面测量设备之间的距离，单位m；D为天线尺寸，工程上一般取机体最大尺寸，单位m；λ为所测频点波长，单位m。

对军用大型直升机而言，其机体尺寸的典型值约18 m，为覆盖30～400 MHz的整个超短波频段，根据式(1)计算得到整个测量飞行期间载机距地面测量点的距离应大于864 m，也即图1中的校准航线起点距地面测试点至少864 m。

3.2 飞行高度、速度的确定

为满足在整个测量范围内通视的要求，载机的最低飞行高度可按式(2)计算得到。式(2)由文献[2]中视距计算公式反推得到。此外，在实际规划飞行高度时，还应兼顾航管要求以及试飞空域内最低安全飞行高度的要求。

(2)

式中：h2为满足通视要求的最低飞行高度，单位km；h1为地面测量天线高度，单位km；r为校准航线终点也即航线最远点到测量点的距离，单位km；a为地球平均半径，取值6 365 km。

根据经验，地面测量设备所接收的载波电平稳定需要一定时间，因此要求每次发射载波的时间在2 s以上，并对稳定后的强度值进行记录。根据实测结果，快速衰落区的场强变化梯度可达12 dB/km以上，按照测量不确定度1～3 dB的要求[5]，为保证测量精度应控制每次载波发射期间的飞行距离不超过80 m，在兼顾测量效率的前提下，飞行速度可在100～140 km/h之间进行选择。

3.3 校准数据的获取

由于盘旋飞行将导致测量期间机载天线到台距离动态变化，必须对其带来的场强测量误差进行修正。利用标准电磁波传播模型可以对距离和相对接收场强的关系进行推算，但由于受到气象、地表特征多变等系列因素的多重影响，真实的距离、相对场强关系与标准模型之间的差异较大。图2为某次接收场强计算值与实测值之间的对比(测试频点356.250 MHz，飞行高度1 000 m，水平极化，地面介质为干土地)，图中接收场强计算值中的K为常数，其大小取决于发射功率、天线增益和线缆损耗。由图2可见两者在特定距离上的相对场强变化规律差异较大，若直接利用标准模型进行修正，可能会引入额外的测试误差。

图2 接收场强计算值与实测值之间对比Fig.2 Comparison between measured values and calculated values

为保证修正精度，本方法要求采用真实飞行测试的方式进行逐架次、逐频点校准数据获取，并完成曲线拟合。具体做法是，按照图1所示校准飞行航线，进行背台直线平飞，为保证后续曲线拟合精度，校准飞行航线应完全覆盖盘旋飞行区域，期间每隔3 s发射载波，地面进行场强同步测量和记录。飞行后，利用记录的场强与距离序列，进行曲线拟合，形成该架次、该频点的电磁波衰减模型，为后续数据修正做准备。采用多项式拟合法来拟合距离和场强之间的关系函数，在不同阶次下分别对数据进行曲线拟合，通过比较拟合结果的残差平方来确定最高阶次，应将残差控制在1 dB以下。数据拟合可直接利用Matlab提供的ployfit函数实现，例如对某次实测数据进行曲线拟合，经计算当采用15阶多项式进行拟合时，其残差就降低到0.96 dB左右，能够很好地实现对包括拐点在内的场强衰减的拟合。原始校准数据及拟合后的曲线见图3。最后利用获得的校准函数将盘旋飞行期间的场强归一化到盘旋中心点处，用于方向图绘制。

图3 拟合曲线与实测曲线对比Fig.3 Comparison between the fitting curve and the measured curve

3.4 方向图测量

方向图测量试飞采用小半径盘旋的方式进行，为保证机载被试天线与地面测量天线之间的极化失配度较小且稳定，应将载机横滚角控制在3°±1°以内且保持稳定[5]，不能剧烈变化，可利用式(3)对盘旋半径进行计算，当飞行速度在100～140 km/h之间变化时，其盘旋半径在1.5～3.4 km之间。盘旋飞行期间，每隔3 s发送1次载波，地面进行场强同步测量和记录。

(3)

式中：R为理论盘旋半径，单位m；V为真空速，单位m/s；g为引力常数9.8 m/s2；β为滚转角，单位度。

此外，需要注意的是由于惯性器件在连续盘旋条件下性能会有所下降，导致载机航向输出误差加大，影响相对方位角的计算精度，因此应尽量避免连续同一方向盘旋，应该顺时针、逆时针交替进行。

4 试飞应用

在某大型直升机超短波天线方向图试飞中，采用了本文所述的飞行方法和数据校准方法。盘旋中心点选择在距地面测量点25 km处，飞行高度选择1 000 m，获取了4副超短波天线低、中、高频点的共计12幅天线方向图。参照该型直升机机载超短波电台通信距离试飞结果，其向台(对应方向图0°方位)和背台(对应方向图180°方位)极限通信距离与对应方位上的场强相对值匹配，也即所测得的方向图能正确表征电台在各个方位上的通信效果。此外，在该直升机试飞项目中还采用传统飞行方法中测量精度较高的“梅花瓣”飞行法，测得了机上某天线在8个方位上的相对场强数据，经统计两种方法测量结果之间差值的标准差为1.6 dB。两种方法测量结果对比见图4，满足文献[5]提出的测量不确定度要求，同时其精度也满足国军标GJB 5035-2001要求的“最弱方位的零值深度不得超过20 dB”的测量要求。利用该方法，仅利用4个飞行架次就完成了该型机超短波天线方向图试飞，较之传统方法节约试飞架次66%，试飞周期缩短15天以上。

图4 两种方法测量结果对比Fig.4 Comparison of measurement results between two methods

5 结束语

本文提出的大型直升机超短波天线方向图动态测量试飞方法采用常规的盘旋飞行替代悬停飞行，回避了大型直升机悬停性能差的问题。提出的一种适用于非等场强区的场强校准方法，使得直升机无需飞行至距离较远的等场强区即可实现高精度场强修正，在保证测量精度的同时提高了试飞效率。在某大型直升机型号试飞中的实际应用表明，该方法能够满足实际试飞要求，可进一步推广应用。

后续研究可针对试飞结果与地面试验结果之间的一致性分析开展，在两者之间进行迭代，逐步提高地面试验结果的精度，以期利用地面试验部分替代飞行试验，降低试验成本。

[1] STOLIKER F. Introduction to flight test engineering[M]. Neuilly-sur-Seine Cedex ,France：Research and Technology Organisation of North Atlantic Treaty Organisation，1995.

[2] 高向东, 朱科原. 采用场强数值归算法测试飞机通讯天线方向图的试飞方法研究[C]// 中国电子学会1999年天线年会论文集.嘉兴：中国电子学会，1999：283-288.

[3] 尹建峰, 唐彩虹, 孟超. 悬停回转试飞方法在直升机超短波天线方向图测试中的应用[J]. 电讯技术,2012, 52(6):1047-1050.

YIN Jianfeng,TANG Caihong,MENG Chao.Application of hovering flight test method in helicopter-borne VHF antenna radiation pattern measurement[J].Telecommunication Engineering,2012,52(6):1047-1050. (in Chinese)

[4] 魏平, 邓乐武. 远场机载天线方向图自动化测量[J]. 测控技术, 2017, 36(7):121-123.

WEI Ping,DENG Lewu.Automatic measurement of far-field airborne antenna pattern[J].Measurement&Control Technology, 2017, 36(7):121-123. (in Chinese)

[5] 张建华, 李振亚. 机载天线方向图回归研究[J]. 电波科学学报, 2015, 30(4) :777-782.

ZHANG Jianhua,LI Zhenya.Regression analysis of airborne antenna pattern[J].Chinese Jounal of Radio Science, 2015, 30(4):777-782. (in Chinese)

DeterminationofLarge-scaleHelicopter-borneV/UHFAntennaRadiationPatternsbyFlightTest

TANG Hengren

(Chinese Flight Test Establishment, Xi'an 710089, China)

The accurate measurements of V/UHF antenna radiation patterns(ARP) is very important for testing the performance of airborne communication systems and guiding its operation. As the traditional test methods are not suitable for a large-scale helicopter, through the analysis of its flight characteristics, a new method of ARP measurement suitable for large-scale helicopters is proposed. Limit values of the flight parameters including altitude, velocity and attitude are given through calculation.The detailed process is also provided.By acquiring the calibration data of all test frequencies in each flight and completing the calibration curve fitting, high precision is guaranteed. The method has been applied in the flight test of a large-scale helicopter and the results show that the standard deviation between this method and the traditional method is within 1.6 dB, and the flight test efficiency is improved by 66%.

large-scale helicopter;W/UHF antenna;antenna radiation pattern(ARP) measurement;flight test

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.12.010

汤恒仁.通过试飞测量大型直升机超短波天线的方向图[J].电讯技术，2017,57(12):1404-1407.[TANG Hengren.Determination of large-scale helicopter-borne V/UHF antenna radiation patterns by flight test[J].Telecommunication Engineering,2017,57(12):1404-1407.]

2017-09-11；

2017-11-27

date:2017-09-11；Revised date：2017-11-27

tanghengren@sohu.comCorrespondingauthortanghengren@sohu.com

TN822

1001-893X(2017)12-1404-04