《机载调频无线电高度表敏感特性分析》
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[摘 要]无线电高度模拟装置是无线电高度表测试设备的重要组成部分,用于高度表测试时模拟不同高度时的高度信号,满足不同的飞行高度对无线电高度表测试需求.通过试验和仿真分析方法研究机载调频无线电高度表对雷达脉冲信号的敏感特性,期望实现二者的同频段共用.研究结果表明,处于同一频段的雷达脉冲信号会对机载调频无线电高度表产生有害干扰,雷达脉冲信号会影响高度表指示,使高度表示值不断增大直至满刻度,从而危及飞行安全.
[关键词]调频；无线电高度表；敏感特性
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0075-01
无线电高度表是一种重要的机载导航设备,利用电波的传播时延测量飞机与地面间的真实高度.常用的测量时延方法有脉冲测时法和频率测时法,对应的高度表有脉冲式无线电高度表和调频式无线电高度表.无线电高度表是一种测距导航设备,它利用雷达工作原理,以地面为反射体,在飞行器上发射电波,并接收地面的反射波以测定飞行器到地面的相对高度.当飞行器作低空飞行,尤其在进近着陆时,无线电高度表对保障飞行安全起着重要的作用.伪随机码扩频技术在通信系统和卫星导航系统中得到广泛应用,扩频式伪码测距方法也应用到无线电高度表测高中,采用正弦波调制的调频无线电高度表对雷达脉冲信号的敏感特性,用以规范和指导对雷达的布局应用,评估两者的兼容性,确保飞行安全.
一、调频无线电高度表组成及其工作原理
1、调频无线电高度表组成.调频无线电高度表的基本组成,它主要部分组成： 发射和接收天线、调频发射机、混频器、放大器和限幅器、频率计以及指示器.调频发射机包括调制器和高频振荡器两部分,用于产生连续高频等幅波,其频率在时间上按三角、锯齿或按正弦规律变化,地面回波和发射机直接耦合过来的信号加到接收机混频器内.无线电高度表系统工作时需要两部天线,一部用于发射,一部用于接收.调频信号通过发射天线辐射出去,在无线电波传播到地面并返回到接收天线的这段时间内,发射信号频率较之回波信号频率已经有了变化,因此在混频器输出端便出现了差频电压,后者经放大、限幅后加到频率计上.由于差频电压的频率与测量高度相关,通过指示器可将该差拍电压转换为对应的高度指示值.
2、脉冲式无线电高度表.脉冲式无线电高度表,又被称为雷达高度表,由发射电路、接收电路、高度解算、指示器和电源电路等组成,发射机向地面发射载波为4300 MHz、重复频率为8kHz 的射频脉冲信号,同时向高度解算电路输出时间基准脉冲.射频脉冲经地面反射作为回波信号被接收电路接收,变换,放大,检波后,变为8 kHz 的视频回波脉冲后也输至高度解算电路.高度解算电路将时间基准脉冲与视频回波脉冲之间的间隔转换成与高度成正比的直流电压.指示电路对高度电压进行隔离和放大后显示出飞机的真实高度.脉冲式无线电高度表采用窄脉冲和脉冲前沿跟踪技术,提高了测量精度和测高范围,老式的高度表测量范围为0m～1500m.由于使用新的工艺,目前脉冲式无线电高度表测量高度已提高到15000m.
二、调频无线电高度表敏感度仿真分析
1、调频无线电高度表仿真建模.调频无线电高度表原理框图,高频振荡器产生等幅信号,并调频于100Hz 低频,形成无线电高度表调频发射信号,反射信号则是通过延迟器延迟获得.两路信号均通过放大系数来调节信号强度,然后送至差拍检波器进行差拍检波,输出带有差拍频率的信号,最后送至计算器,计算器根据差拍频率计算获取高度值,采用Agilent公司的ADS 软件实现的仿真分析模型.
2、雷达脉冲信号发射模型.现实中,对无线电高度表产生干扰输入的是一些对空探测雷达.典型的对空探测雷达采用脉冲调制体制,其脉冲宽度为1.6μs,脉冲周期为80μs,高频振荡器产生等幅信号,然后调制脉冲信号,通过放大系数调整输出信号强度.
3、调频无线电高度表敏感特性仿真.联合调频无线电高度表仿真模型和雷达脉冲信号发射模型,仿真分析调频无线电高度表在遭受雷达脉冲信号干扰时的敏感特性,着重研究调频无线电高度表在测量100m 高度时,无线电高度表接收机受到雷达脉冲信号干扰时的敏感度.敏感度定义为调频无线电高度表测高误差等于10%时的雷达脉冲干扰信号幅度.调频无线电高度表敏感特性分析原理框图,雷达脉冲干扰信号从无线电高度表反射信号端口注入,调频无线电高度表敏感特性ADS 仿真模型,依次改变干扰信号频率,从而得到调频无线电高度表在各个频率点对干扰信号的敏感度,仿真结果显示,随着雷达干扰脉冲信号幅度的增大,无线电高度表指示值也逐渐偏大.逐步增加雷达干扰脉冲信号,当调频无线电高度表指示值比实际值高10%时,对应的雷达脉冲干扰信号幅度的敏感度.
4、敏感特性分析.当雷达脉冲信号进入调频无线电高度表接收通道时,通过对模型的每一级电路采集信号,发现当这种干扰信号经过调频无线电高度表的差拍检波器电路后,无线电高度表的调频信号就产生了畸变,在没有雷达脉冲干扰信号时,差拍检波器的输出信号,而施加雷达脉冲干扰信号后差拍检波器的输出信号,相比而言,调频信号上出现了许多毛刺,这是雷达脉冲干扰信号的频响特性.这种存在毛刺的调频信号通过限幅器后,致使脉冲数目增加,进一步导致计算器输出的差拍直流电压增大,从而使调频无线电高度表的读数增大显示的是没有施加脉冲干扰信号时限幅器输出的信号,而显示的则是施加雷达脉冲干扰信号后限幅器输出的信号.如图
三、敏感度试验结果
通过试验获取无线电高度表对雷达脉冲信号的敏感特性,测试连接框图无线电高度表信号通过延迟线、滤波器、可变衰减器和耦合器到达接收端口,可变衰减器用于调节高度表发射信号,使高度表工作于灵敏度状态.雷达脉冲干扰信号采用信号源模拟,通过耦合器进入高度表接收端口,形成干扰.改变信号源信号强度,观察高度表指示器的变化,当指示器开始有变化时进行文字和视频记录.调频无线电高度表敏感度试验结果试验中发现,当脉冲干扰信号越强,高度指示越大,直至指示器指针达到满刻度.试验结果表明,调频无线电高度表的敏感度与仿真分析结果有一定偏差.这是由于测试样本量限制,测试结果有一定随机性； 其次是由于實际设备元器件和仿真元器件存在差别,导致结果产生误差.对于安全级别高的航空电子设备,电磁兼容性中定义的安全裕度一般为16. 5dB.仿真结果与实际测试结果误差在10dB 以内,且仿真结果和实际测试结果中对无线电高度表的干扰影响趋势是一致的,其结果是可信的.
为保证飞行器自动驾驶仪能按预定高度控制飞行,飞行器一般采用无线电高度表提供飞行高度信号.采用连续波调频方式工作的无线电高度表,在飞行器低空飞行时容易受斜距信号和海浪干扰的影响,测得的高度偏大,造成测高误差.为此,通过研究发现,雷达脉冲调制信号对机载调频无线电高度表会产生有害干扰.随着雷达信号强度的不断增加,对高度表正常工作影响越大,无线电高度表显示相对高度示值不断增大直至满刻度.这对于进近着陆阶段的飞行器是非常危险的,会危机飞行器的安全.对于大型飞机来说,需要装备2 套或3 套无线电高度表,此时,装备伪码测距高度表优势明显,既可降低同体制双套设备间的相互干扰,又可降低与其它设备的干扰.因此,同频段雷达的部署应谨慎考虑机场进近着陆安全.
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