AC311A直升机S模式应答机信号丢失问题分析与处理

范 翠

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

空中交通管制的目的是有序地组织和实施空中交通，防止飞机相撞，保证飞行安全，同时提高航空交通繁忙空域特别是中心机场的利用效率。机载应答机是空中交通管制雷达信标系统的机载设备，与地面二次雷达配合工作，其功能是向地面管制中心报告飞机的识别代码、飞机的气压高度及一些特殊代码等[1]，在军用敌我识别和民用航空交通管制方面起着至关重要的作用。

AC311A直升机在适航取证试飞过程中，S模式应答机信号频繁丢失，无法持续回答地面二次雷达系统的询问信号，不能为空中交通管制员提供直升机的位置和识别信息，很大程度上影响了民用航空的安全与效率，保障不了飞行安全，极易造成灾难性后果。

1 问题描述

AC311A直升机试飞过程如图1所示。S模式应答机代码设置为4402，直升机由吕蒙机场(距昌北机场塔台130km)起飞进入试飞航线，爬升到高度1800m，以速度180km/h背台平飞，应答机信号丢失频繁。直升机继续爬升至5000m，爬升过程中依然存在应答信号丢失的情况。当爬升至5000m后，直升机背台平飞，最大应答距离为143km。试飞过程中应答机作用距离记录见表1。

图1 试飞过程示意图

应答机作用距离/(km)143144148有无应答指示背台有丢失无向台有丢失无

根据适航咨询通告的规定，旋翼航空器在距雷达站80海里(148km)以内的整个空域，从无线电视距高度到旋翼航空器合格审定最大高度的90%～100%高度上沿直线平飞时，空中交通管制(ATC)应答机系统应能给询问雷达站提供强而稳定的回答信号。当旋翼航空器在上述空域内作下列机动飞行时，其丢失信号的时间不应超过20s[2]：

1) 侧倾角直至10°的转弯；

2) 以正常的最大爬升和下降姿态进行爬升和下降。

试飞结果表明，在1800m到6000m高度爬升、下降、转弯过程中，二次监视雷达收到的应答机信号不稳定，丢失信号时间超过20s；在5000m高度平飞时，应答机作用距离143km，不满足作用距离148km的要求。

2 原因分析

机载应答机信号的稳定性及作用距离与直升机飞行高度、飞行姿态、地形状况、天线位置及发射机发射功率等因素密切相关。从设计角度，应答机信号的稳定性及作用距离主要取决于天线的辐射效能、辐射功率大小及发射机与天线间互联线缆上的信号衰减这三个方面。

2.1 天线布局对辐射效能的影响

S模式应答机天线为垂直极化的全向刀型天线，装机时要求周围无明显金属遮挡物，其接收频率为1030MHz±0.2 MHz，发射频率为1090MHz±1 MHz。天线在机上安装位置如图2所示。其中，天线位置1为原安装位置，天线位置2为研制单位经过理论分析后确定的安装位置，空速管为垂直安装的金属件，与天线1距离200mm(约为2/3波长)。通过电磁仿真分析软件计算的天线自由空间和装机辐射方向图如图3所示。

图2 天线安装示意图

图3 天线辐射方向图

从图3中可以看出，装机后天线的辐射方向图在空速管一侧畸变严重。在位置2处天线增益较自由空间最大下降5.34dB，比位置1处情况更为恶劣，表明天线在直升机上安装位置的不同会严重影响天线的辐射效能。由于天线辐射效能降低，S模式应答机在试飞过程中即表现为应答信号不稳定，丢失信号时间超过20s。

2.2 发射功率对作用距离的影响

根据电磁波传输理论，接收机接收到的发射源信号电平为：

PR=PT+GT-LT-L(f,d)+

GR-LR-LP

(1)

式中：PR为接收机接收到的信号电平，单位dBm；PT为发射机功率，单位dBm；GT为发射天线增益，单位dBi；LT为发射机与发射天线互连电缆损耗，单位dB；L(f,d)为电磁波自由空间损耗，单位dB；GR为接收天线增益，单位dB；LR为接收机与接收天线互连电缆损耗，单位dB；LP为发射天线与接收天线极化失配损耗，单位dB。

其中，电磁波自由空间传输损耗计算方法如下[3]：

L(f,d)=32.44+20 lgf+20 lgd

(2)

式中：f为接收机接收频率，单位MHz；d为电磁波传播距离，单位km。

S模式应答机发射机峰值功率：125W～500W，接收机的灵敏度为-74±3dBm，实际发射功率为160W。根据仿真计算结果，天线最大增益4dBi，忽略天线极化失配损耗及电缆损耗，在距离144km处，计算得到接收机接收到的信号电平为-75.9dBm。接收机的灵敏度为-74±3dBm，接收到的信号恰处于接收机灵敏度动态范围临界处，而在天线增益较小的方位接收信号则超出接收机灵敏度范围，出现应答信号丢失的情况。

3 解决措施

通过仿真计算，由于机体遮挡，此位置处的天线辐射方向图不能达到技术指标中方位面全向的要求，需对天线布局进行优化；通过理论计算，在目前发射机160W发射功率下，应答机通信距离也难以满足技术指标中148km的要求，需提高其发射功率。

3.1 天线布局优化

由于前期依据理论分析对S模式应答机天线在图2所示位置2处进行了重新布局，经试飞验证效果不佳。现采取理论结合仿真计算的方式进行方案设计。由2.1节原因分析可知，应答机信号丢失的主要原因是天线布局不当，机体结构遮挡导致天线辐射方向图严重畸变，因此需对应答机天线重新布置。经理论分析，初步确定以下两种解决措施：

1) 更改天线位置：将天线移到远离空速管且机体遮挡较小的位置，如尾梁。

2) 加高天线安装支座：由于空速管底面截面积较大，加高S模式应答机天线安装支座理论上可减少空速管和机体对其的遮挡。

表2 两种措施比较

由于该型机已进入适航试飞取证阶段，结构开孔、设备线缆重新布局在此阶段不易实现，综合考虑后采取措施二。从电磁干扰角度分析可知，天线支座凸出的高度越大，机体结构对天线的遮挡影响越小。但支座高度对结构、强度等方面有较大影响。通过与结构、强度等专业的沟通协调，在满足结构、强度等要求的条件下将天线支座加高至72mm。利用电磁仿真软件FEKO计算了原支座高度12mm和支座高度为72mm时的天线装机辐射方向图，见图4。

通过图4中对天线自由空间、原安装位置和安装支座加高后位置的辐射方向图的比较可以看出，装机后天线的辐射方向图在空速管一侧有部分畸变，天线增益降低明显，而支座加高后天线辐射方向图畸变幅度相对原位置有了较大改善，理论上满足天线增益下降不超过3dB的指标要求。

3.2 增大发射功率

针对通信距离不足的问题，应答机研制单位通过更改设备电源模块变压器的线圈匝数，提高功放模块的输入电压，将应答机的发射功率由原来的160W增到了260W。工艺人员对机上应答机与天线之间的互联电缆进行梳理，通过合理的电缆布局，缩短电缆长度，减少信号在线缆上的衰减。

图4 不同支座高度的天线辐射方向图

按公式(1)、(2)计算距离148km处接收机接收的信号强度为-73.9dBm。考虑互联电缆损耗后，即使在天线增益最小的角度，该信号仍在接收机灵敏度动态范围内，理论上可满足通信距离要求。

4 验证

按照仿真计算的结果对应答机天线布局进行优化，将改进后的S模式应答机装机并对线缆进行优化后进行了试飞验证：

直升机飞行高度为1000m，距离昌北机场塔台距离为130km。飞行过程中直升机作转弯、爬升、下降等机动动作，应答机没有明显丢失信号，丢失时间不超过20s，满足信号稳定的要求。

直升机在距地面询问雷达站148km处，飞行高度分别为1700m和5400m时，直升机沿直线平飞过程中应答信号无丢失，能给询问雷达站提供强而稳定的回答信号，满足作用距离148km的要求。

5 小结

本文从天线布局和发射功率两方面以仿真和理论计算为手段对S模式应答机应答信号丢失的问题进行了分析处理：通过加高S模式应答机天线支座的高度调整天线位置，减小机体及空速管对全向天线的遮挡影响，提高了应答机的信号稳定度；通过增大应答机发射机发射功率和降低线缆损耗提高天线输入端的发射功率，增加了应答机的应答距离。通过试飞验证，表明措施有效可行，对后续处理类似问题具有一定的借鉴意义。

使用仿真软件对直升机机载天线布局进行预测评估是未来设计的一种主要手段。在设计初期进行仿真预测评估可防止在型号研制过程中出现颠覆性问题，缩短型号研制周期，降低型号研制费用。

[1] 何晓薇，徐亚军，郑国平.航空电子设备[M].成都：西南交通大学出版社，2004.

[2] 陈 穷.电磁兼容性工程设计手册[M]. 北京：国防工业出版社，1993.

[3] CCAR-27-R1.正常类旋翼航空器适航规定[S].景德镇：中航工业直升机设计研究所适航技术室，2010.