某型飞机无线电高度表“高空指零”故障仿真与分析

■ 丁永强 邵宏 连向威/空军工程大学航空机务士官学校 中国人民解放军第95903部队

某型飞机安装的脉冲式无线电高度表，通过跟踪反射的回波脉冲信号，能够准确测量飞机到地面或海面的真实高度，用于自动驾驶、进场着陆引导、低高度告警或对地瞄准轰炸等[1]。但是，如果维护不良或飞机构型不合理，则可能发生电磁泄漏或机体反射，高空飞行时出现“零高度”指示和“注意高度”的语音告警[2-4]，不但影响相关设备的正常工作，还会对飞行人员造成干扰和影响，甚至引起错误判断，引发飞行事故。

无线电高度表“高空指零”故障均发生在飞行状态下，地面通电检查时无法复现，也很难通过高度表测试设备进行试验验证，不利于故障的分析研究。利用数字仿真技术，通过对无线电测高过程进行数学建模，能够研究不同飞行高度、不同电磁泄漏强度或机体反射强度情况下的回波信号特性，可以为故障研究提供方法和手段。

脉冲式无线电高度表是一部以地面或海面为测距对象的脉冲式雷达。某型飞机安装的脉冲式无线电高度表由收发机、发射天线、接收天线等外场可更换单元（LRU）组成，其中，收发机主要包括发射电路、接收电路、高度解算电路、可靠性电路等[1，5]，如图1所示。

图1 脉冲式无线电高度表测高原理

无线电高度表工作时，发射电路产生射频脉冲调制信号，一路通过发射天线向地面辐射，另一路经耦合检波后，输出T0时基脉冲送入高度解算电路；
接收天线接收到地面反射的回波信号后，经接收电路变频、滤波、放大、检波后，输出回波脉冲信号，也送入高度解算电路；
高度解算电路根据回波脉冲滞后T0时基脉冲的时间Δt，解算出飞机的真实高度。可靠性电路根据设备工作情况、飞行姿态和测高范围，控制高度信息的输出，在各部分电路均正常工作且飞行姿态满足测高要求的情况下，如低于测高范围，无线电高度信息正常输出；
如高于测高范围，无线电高度信息不输出。

根据脉冲式无线电高度表测高原理，应用SYSTEM VIWE仿真软件[1]，建立无线电高度表基本测高模型（见图2），主要包括发射电路模型、信道传播模型和接收电路模型等。

图2 脉冲式无线电高度表基本测高模型

2.1 发射电路模型及参数设置

发射电路模型主要由脉冲信号产生器（Pulse Train）、载波信号发生器（Sinusoid）、乘法器（Multiplier）、放大器（Gain）、全波整流器（Rectify）、低通滤波器（LowPass）组成。脉冲信号产生器产生的周期性脉冲信号送入乘法器，与载波信号发生器产生的载波信号进行脉冲调制，得到射频脉冲调制信号，一路经放大器进行功率放大后送入信道模型，一路经全波整流和低通滤波后，输出T0时基脉冲送入信号分析器（Analysis）。发射电路参数设置如表1所示。

表1 发射电路参数设置

2.2 信道传播模型及参数设置

信道传播模型主要由延时器（Delay）、放大器（Gain）、加法器（Adder）组成，用于模拟地面反射信号、电磁泄漏信号、机体反射信号的信道传播。延时器用于对射频脉冲调制信号的延时，通过设置不同的延时值，模拟不同飞行高度条件下的传播时延；
放大器用于对射频脉冲调制信号的衰减，通过设置不同的衰减值，模拟不同的传播损耗。

正常测高条件下，当不存在电磁泄漏或机体反射信号时，接收电路与发射电路间仅有一条地面反射信道；
当存在电磁泄漏或机体反射信号时，接收电路与发射电路间，不仅包括地面反射信道，也包括电磁泄漏信道或机体反射信道。信道传播模型参数设置如表2所示。

表2 信道传播模型参数设置

2.3 接收电路模型及参数设置

接收电路模型主要由带通滤波器（BandPass）、放 大 器（Gain）、载波信号发生器（Sinusoid）、乘法器（Multiplier）、全波整流器（Rectify）、低通滤波器（LowPass）等组成。经信道传播模型处理后的射频回波信号送入带通滤波器，完成选频滤波后，输出至放大器进行高频放大；
放大后的射频回波信号与载波信号发生器产生的载波信号在乘法器中进行混频，经全波整流和低通滤波后，输出回波脉冲送入信号分析器（Analysis）。接收电路参数设置如表3所示。

表3 接收电路参数设置

根据电路参数设置仿真环境参数，仿真起始时间为0s，终止时间为499μs，采样速率为10GHz，采样点数为500万点。

3.1 测高范围内不存在电磁泄漏或机体反射时的仿真分析

当飞机高度在测高范围内，无电磁泄漏或机体反射时，信道传播模型仅包含地面反射信道，回波脉冲仅包含地面反射回波脉冲。T0时基脉冲如图3所示，回波脉冲如图4所示（高度900m时）。

图3 T0时基脉冲

图4中，回波脉冲滞后T0时基脉冲6μs，根据测高公式：

图4 高度900m时回波脉冲（无电磁泄漏或机体反射）

式中，c为光速；
Δt为回波脉冲滞后T0时基脉冲时间。

由此计算得出，飞机高度900m，高度变化时回波脉冲前后移动；
回波脉冲幅度因AGC的作用，基本保持不变。

3.2 测高范围内存在电磁泄漏或机体反射时的仿真分析

当飞机高度在测高范围内存在电磁泄漏或机体反射时，信道传播模型不仅包含地面反射信道，也包含电磁泄漏信道或机体反射信道，回波脉冲中则包含地面反射回波脉冲、电磁泄漏或机体反射回波脉冲，如图5所示（高度900m时）。

图5 高度900m时回波脉冲（有电磁泄漏或机体反射）

回波脉冲中，地面反射回波脉冲较强，电磁泄漏或机体反射回波脉冲较弱；
电磁泄漏或机体反射回波脉冲由于传输距离近，相对于T0时基脉冲的延时基本为0，超前于地面反射回波脉冲。由于地面反射回波脉冲较强，高度解算电路跟踪地面反射回波脉冲，输出飞机的真实高度。

3.3 测高范围外存在电磁泄漏或机体反射时的仿真分析

测高范围外存在电磁泄漏或机体反射时的信道传播模型，与测高范围内存在电磁泄漏或机体反射时的信道传播模型基本相同。但随着飞机高度不断增加，地面反射回波信号不断减小，由于电磁泄漏或机体反射信号保持恒定，两者的合成信号也不断减小；
由于接收机AGC的作用，接收机放大倍数不断增大，导致回波脉冲中的地面反射回波脉冲不断减小，电磁泄漏或机体反射回波脉冲不断增大，如图6所示（高度6000m时）。

图6 高空时的回波脉冲（有电磁泄漏或机体反射）

随着地面反射回波脉冲的不断减小以及电磁泄漏或机体反射回波脉冲不断增大，高度表解算电路可能错误跟踪电磁泄漏或机体反射回波脉冲。由于电磁泄漏或机体反射回波脉冲相对于T0时基脉冲的延时基本为0，解算输出0m，即出现“高空指零”现象。

当飞机高度降低后，回波脉冲中的地面反射回波脉冲不断增大，电磁泄漏或机体反射回波脉冲不断减小，高度表解算电路开始跟踪地面反射回波脉冲，高度表返回正常工作状态，“高空指零”现象消失。

本文在分析某型脉冲式无线电高度表测高原理的基础上，利用SYSTEM VIEW仿真软件建立了该型脉冲式无线电高度表的测高模型，并仿真分析了不同高度条件下、不同电磁泄漏或机体反射情况时无线电高度表的回波脉冲特性；
仿真结果表明，当存在电磁泄漏或机体反射时，由于电磁泄漏或机体反射信号幅度基本恒定，而地面反射回波信号随飞机高度变化而变化，在接收机AGC的控制下，随着高度的变化，两者间回波脉冲幅度存在此消彼长的变化过程；
当电磁泄漏或机体反射回波脉冲大于地面反射回波脉冲时，可能出现“高空指零”现象。由于该故障仅发生在高空飞行情况下，地面通电检查时无法复现，因此外场维护过程中应加强无线电高度表射频电缆的检查，并合理规划飞机构型，避免出现“高空指零”故障。

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