某型无线电高度表“掉高”分析与应对措施

蒋海超，黄子露

（航空工业洪都，江西 南昌 330024）

某型无线电高度表“掉高”分析与应对措施

蒋海超，黄子露

（航空工业洪都，江西 南昌 330024）

分析了差拍计数调频连续波无线电高度表的测高原理及无线电高度表测高误差产生的原因，指出了出现"掉高"现象的危害。由此，对无线电高度表的垂直速度信号实施了针对性滤波措施，改进后飞行试验结果表明该措施可行。

差拍计数；无线电高度表；滤波器

0 引言

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，某型无线电高度表为提高低高度测高精度，将接收机原宽频带放大器设计成两个放大器，尤其提高了低高度测高精度，但同时出现了高度表测高“掉高”现象。这种“掉高”现象会引起飞行器姿态剧烈变化，直接影响到飞行器的稳定飞行，可能会使飞行器提前入水；另外，此刻飞行器处于末制导状态，也可能会引起导引头丢失目标。因此，分析该型无线电高度表测高“掉高”原因及提出应对措施，对于飞行器安全稳定飞行，最终击中目标显得极为重要。

1 差拍计数连续波调频无线电高度表原理

差拍计数连续波调频无线电高度表采用三角波线性调频，被测高度、调频频偏、调制周期和差拍频率从图1可得到如下关系式：

式中：C为电磁波在空气中的传播速度，Tm为调制信号的调制周期，fb为差拍频率，ΔF为调频频偏，即发射机振荡器的振荡频率从最低到最高的变化量。从上述关系式可见，C是常量，只要把调频频偏、调制周期和差拍频率三项参量中的两项恒定，高度就是另外一项参量的函数，测出此参量就可得到高度。差拍计数式无线电高度表把调频频偏ΔF设计成常量使其不变，调制周期Tm是某一确定值时，高度H即为差拍频率fb的函数。

图1中：实线为发射信号，虚线为被接收的回波信号，τ为电磁波往返延迟时间，fT为发射频率，fr为接收频率。

差拍计数连续波调频无线电高度表发射机振荡器的微波振荡频率在调制器产生的三角形调制电压作用下,随调制周期Tm围绕中心频率f0作周期性的线性变化。发射机的振荡频率由发射天线辐射出去，同时取出很小一部分能量耦合到接收机平衡混频器作为本振信号f1。接收天线接收海面反射的信号，反射信号f2经隔离器加到平衡混频器，与直达信号f1混频，产生测量高度H所需的差拍信号fb，利用上面的关系式便可计算出高度H，工作原理如图2。

2 原因分析

差拍计数式无线电高度表是通过差拍信号处理计算测量高度，而差拍信号的特征取决于目标反射回来的回波信号，它除了与天线方向图、飞行姿态等有关，还与飞行器下方被辐射地形有关。当飞行器的姿态出现变化（倾斜或俯仰）时，天线的最大辐射方向就反射面不垂直，偏离垂直距离，并与垂直线形成一夹角，电磁波经过的路程就变成了斜距离。

另外，被辐射地面通常分为二类，平坦的表面和粗糙的表面。混凝土地面和平静的海面属于平坦表面，其他类型的地面和海浪环境对高度表而言则属于粗糙的表面。对于平坦表面，高度表接收天线接收到的信号受散射杂波干扰小，容易精确测高。对海浪环境来说，无线电波产生散射现象，从表面不同区域反射的无线电波以任意方向散射并向不同方向传播。高度表实际测高时，高度表接收到的回波信号不止是与高度相对应的最短距离反射回来的,通常还接收到其他散射信号,如海面斜距信号。因为保证飞行器机动飞行时无线电高度表正常工作，高度表天线波束范围通常设计较大，能够照射很大的地面区域，海面斜距信号同样能够被高度表天线接收。

在低高度时，该斜距信号对高度表测高精度影响非常大。这就意味着接收信号是由许多信号叠加而成的，其频率和相位是相互无关的。这些接收信号使差拍信号频谱展宽，叠加有各种噪声，使测高误差增大，出现“高指”现象。

为改善高度表“高指”情况，提高高度表测高精度，某型无线电高度表接收机原宽频带放大器被设计成两个放大器，因此，高度表工作在不同高度时可使用不同的放大器。本型无线电高度表将测量高度15m作为放大器1和放大器2切换的标志，具体实现是：当飞行器飞行高度在15m以上时，无线电高度表微处理器将标志位CTRL1置1，即“CTRL1=1”，高度表接收机工作在放大器1，可以有效地抑制接收天线直接接收发射天线泄露信号等产生的低频噪声的影响；当飞行器飞行高度下降到15m时，无线电高度表微处理器将标志位CTRL1置0，即“CTRL1=0”，高度表接收机工作在放大器2，这样，高度表接收机在15m以下低高度通频带都相对更窄，接收机的信噪比可以显著提高，提高了低高度的测高精度，便于飞行器掠海飞行。

由于无线电高度表采取上述技术措施，使得高度表在测量高度低于15m时，测高精度得到提高，“高指”情况得到改善，而高度表在大于15m时测高产生的误差积累，导致高度表15m后测量的高度明显“偏低”，如飞行试验高度表15m前后测高数据描绘的测高曲线图3、图6所示，高度表在15m后出现了测高“掉高”现象。这种“掉高”现象引起了高度表垂直速度信号剧烈突变，从而引起飞行器俯仰角速率信号跳变，直接影响飞行器的稳定飞行，以及导引头对目标稳定捕获。信号曲线如图3～图5所示。

3 应对措施

上述分析及高度表多次飞行试验记录的测高数据表明，高度表在15m后一定出现测高“掉高”现象，只是每次“掉高”的高度存在一定差异，“掉高”的高度值基本在2～4m之间。这种“掉高”引起的干扰，会影响飞行器的稳定飞行，以及导引头对目标稳定捕获。为应对这种情况，减小高度表“掉高”的影响，削去高度表垂直速度信号的尖峰，针对性设计了一个限时使用的限速滤波器，对无线电高度表垂直速度信号进行滤波。由于无线电高度表的“掉高”现象固定发生在放大器1和放大器2切换时，即测量高度15m处，而且延续时间1s左右，因此限速滤波器工作起点在放大器1和放大器2切换时，工作时间为1s，1s后滤波器无效，避免后续产生副作用。滤波器具体模型如下:

将无线电高度表在放大器1和放大器2切换时的时刻记为ta，此时刻的记为为滤波前的值，为滤波后的值。

则当ta＜ta＋1.0时：

采用上述滤波措施后，飞行器飞行记录参数显示，未经滤波的高度表垂直速度信号依然在15m后剧烈变化，但经限速滤波器滤波后，高度表垂直速度信号在15m处的“掉高”后没有出现剧烈突跳，同时，飞行器俯仰角速度信号也没有剧烈变化，飞行器飞行姿态稳定。具体数据曲线如图6～图9所示。

4 结语

某型差拍计数式无线电高度表接收机两个放大器切换工作时出现的“掉高”，引起高度表垂直速度信号剧烈跳变，经针对性的增加设计滤波措施后，飞行器飞行记录参数显示，飞行器飞行姿态稳定，导引头对目标稳定捕获没有受到影响，为飞行器的掠海飞行、击中目标提供了保证。

[1]陈凤孚，徐崇贵，等.飞航导弹测高装置与伺服机构[M].北京：宇航出版社，1993，6.

[2]吴群主.微波工程技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005，3.

[3]张明廉.飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社，1984，1.

>>>作者简介

蒋海超，男，1974年7月出生，1997年毕业于南昌航空工业学院，高级工程师，现从事飞行器总体设计工作。

Analysis and Solution for the“Height Drop”Error on a Type of Radio Altimeter

Jiang Haichao,Huang Zilu
(AVIC-HONGDU,Nanchang，Jiangxi 330024)

This paper analyzes the height measuring principle of the radio altimeter,which adopts the beat count continuous wave,finds out the cause for the height measuring error,and points out the bad effects of the"height drop"phenomenon.Based on these efforts,a specific filtering measure is used for the vertical velocity signal of this type of radio altimeter.The flight testing result after the modification demonstrates that this measure is feasible.

Beat count;Radio altimeter;Filter

2017-04-28）