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某型高度表数据跳变问题的研究和分析

发表时间：2021/7/2 来源：《中国科技信息》2021年8月作者：王国璋王少博

[导读] 针对某型高度表在飞机上地面联试时数据跳变问题进行了原因分析及故障定位，给出了通过滑窗式滤波测量方法改善数据跳变问题的方案，并通过试验验证了方案的有效性及可行性。

陕西长岭电子科技有限责任公司陕西宝鸡王国璋王少博 721006

【摘要】针对某型高度表在飞机上地面联试时数据跳变问题进行了原因分析及故障定位，给出了通过滑窗式滤波测量方法改善数据跳变问题的方案，并通过试验验证了方案的有效性及可行性。
【关键词】跳变伪码测距多径干扰
        0 引言
        高度表为飞机用于在各种气候条件下精确测量飞行器离地面或海面的实际高度的重要设备。目前使用的高度表有调频式、脉冲式和伪码测距3种类型。伪码测距具有测距范围大、测距精度高、抗干扰能力强、保密性好等特点。某型飞机上的高度表采用了伪码测距，在该型飞机上地面联试过程中，高度表出现了输出高度数据跳变的问题。本文针对该问题进行了故障原因分析及定位，给出了改善数据跳变问题的方案，并通过试验验证了方案的有效性及可行性。
        1 原因分析
        1.1 两部高度表间相互干扰
        由于机上装了2套高度表，首先考虑两套高度表之间是否存在干扰。
机载高度表采用了伪码测距的原理进行高度测量。两套高度表采用了码分多址，即根据机上安装位置使用了不同的伪码，地面滑跑中不会出现2套高度表接收机错误跟踪对方信号的情况，而且现场试验时，当关闭1套高度表时，另外一部高度表仍然有跳变。两部高度表在他机试飞时，未出现丢失及乱跟踪现象。
综上所述，两套高度表之间产生相互干扰的可能性很小，此原因可以排除。
        1.2 电源传导干扰
        机上用电系统种类众多，设备用电情况复杂，在发动机开机后，飞机电源品质变差，电源线上会出现各种干扰。如果电源线上干扰频率或尖峰脉冲耦合到高频回路中，也可引起高度表收到的信号产生畸变，导致计算出错误高度。
        该高度表已完成了相关电磁兼容试验项目，具有抗电源干扰的特性，因此，此项原因可以排除。
        1.3 飞机振动干扰
        高度表输出的高度数据跳变发生在发动机开机后，发动机与高度表在飞机上并无直接信号交联，因此考虑发动机开机后以及地面滑跑过程中引起飞机振动，产生的振动可能引起高度表电缆接触不良或接收机内单元模块与主板接触不良，导致高度表反复重新跟踪。
        高度表在丢失信号重新跟踪的情况下，会产生数据断续，输出数据在计算出满足精度的数据后才会输出，即在地面滑跑时，应有数据中断，且不应输出高于1的高度数据，与故障现象不合。该型飞机所安装的高度表经过了严格的生产制造工艺考核，完成了振动和耐久性振动试验，均未出现接触不良的现象。
        综上所述，此项原因也可以排除。
        1.4 多径干扰
        常见的干扰包括对流层误差、电离层误差和多路径误差，其中，对流层误差、电离层误差属于系统误差，多路径误差属于偶然误差。多路径效应造成的误差为高精度扩频测距系统中的主要误差，将降低接收机定位精度。天线工作环境对信号反射路径影响很大。两套高度表天线在机上的安装位置为机腹平坦部位，两侧为起落架舱。飞机在地面时天线位置如图1 所示，高度表天线距地面高度较低，发射模块发出信号经地面反射后，回波较强。由于机腹较平坦，地面及周围环境复杂，信号可经机腹或周围环境再次反射，并最终进入接收天线，造成进入接收端的回波信号中包含多次反射信号，即进入天线的高频信号为直接反射信号和多次反射信号叠加后形成的多径信号。

                                       图1 多径反射图
        多径信号由于传播路径比较长，总是晚于直达信号到达接收机，而且在反射过程中会有能量衰减，一般比直达信号功率低，除非直达信号被遮蔽。由于天线距离地面较近且机腹较平坦，二次反射的能量叠加起来可能会比较强，导致多径干扰信号影响飞机正常的高度测量。
        针对多径问题需对高度表高度测量的干扰进行理论分析和机上安装时滑跑情况分析，并进行试验室故障重现、跑车试验、吊高试验、地面滑跑验证。
        2 干扰原理分析
        多径信号具有晚于直达信号到达接收机，且一般比直达信号功率低的特性。飞机在地面时，多径信号可能强于直达信号，导致直达信号被淹没。在无线电测高系统中不存在多径信号时(如图2所示)，测量跟踪误差为0的位置对应鉴相函数过零点，即跟踪误差为0的位置对应相关函数的峰值；当多径存在时(如图3所示)，相关函数发生畸变，鉴相函数的零点不再对应跟踪误差的零值，即跟踪误差为0的位置不再对应相关函数的峰值，此时，高度表算法中依然以相关函数最高峰位置作为跟踪误差为零的位置，导致跟踪错误信号，计算出的高度值含有多径信号带来的误差。

                                       图3 存在多径干扰时的相关函数
        多径使得码相关函数不再是关于峰值对称的，即峰值两侧主瓣的坡度不同。当多径信号与合成信号相同或反向时，跟踪误差达到最大。
        3 试验室故障重现
        为确认机腹反射面滑跑过程中产生的振动确实会造成多径环境快速变化，以至高度数据随机跳变，试验室模拟了多径干扰试验。
        在地面及天线上部铺上铝板形成强反射面，模拟天线在机上的安装环境，天线对地辐射测高信号，当晃动天线上部铝板时，高度表输出的高度数据出现了±6m的数据跳变，验证了该问题存在的可能性。
        4 解决措施
        某型飞机上选用的天线是已定型的产品，其设计技术较成熟，天线特性改进空间不大，因此通过改进天线设计解决或改善此多径问题可能性不大。
        该高度表目前所采用的高度测量方式为独立测量，即每次计算输出的测量数据只与本次测量计算有关，与之前测量高度数据无关。由以上分析可知，高度表数据跳变的原因为地面多径回波信号及环境条件扰动造成，考虑使用多次测量数据进行综合计算，即对高度数据采用多次平滑滤波措施，从高度数据源降低地面多径信号在不同环境下扰动等因素造成的高度数据抖动的幅度。
        由于在某型飞机上，高度表通过ARINC 429总线与上级系统交联，数据更新周期为40ms，将连续8 次测量的高度数据进行滤波，平滑滤波计算时间约为0.8ms，为保证高度数据输出频率不变，采用滑窗式测量，避免影响高度表正常工作。据此对测高算法进行更改，由独立高度测量更改为8次滑窗式数据滤波测量法。
        针对以上分析，在数据处理中采用了8次滑窗式数据滤波测量法对多径干扰下的测高数据进行平滑滤波，并采取多种试验进行验证。
        5. 试验
        算法更改后，重新进行跑车试验、吊高试验和滑跑试验，独立测高算法测量数据及8次滑窗式数据滤波试验数据均满足要求，结果良好。
        在某型飞机飞行过程中，地面滑跑时数据跳变不大于3m；当飞机起飞和低空降落时，地面反射回波随高度平稳变化，高度表能正常工作并输出正确的高度值，可以正常工作。某型飞机试飞验证了高度表在飞行过程中未受起落架舱门影响抓低高度信号，离开地面后多径干扰问题也迅速消失。
        6 结束语
        本文对某型飞机高度表数据跳变问题进行了分析，采用了试验室模拟、跑车试验、吊高试验等方法，确定了高度表数据跳变的原因。采用8次滑窗式数据滤波算法，能有效改善地面多径干扰的影响，经验证，达到了预期设计效果，为其它型号高度表排故提供了一种干扰问题解决思路和方法。
参考文献
[1] 朱启明.雷达高度表设计理论基础 [M] .国防工业出版社，1992 年，25~82
[2] 丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001，123-125
[3] 蔡世学.国产雷达高度表的研制与应用[J].世界导弹与航天[J]，1990，2(10):44-47.