民用飞机甚高频通信系统设计

郭 磊 宋金泽

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

甚高频(very high frequency，简称VHF)通信系统提供视距范围内的通信，因其频带宽、近距离抗干扰性能好的优势被广泛应用在民航领域。民用飞机VHF通信形式主要包括语音和数据通信，语音通信用于飞机与飞机或飞机与地面间的相互通信，属于模拟通信；数据通信主要是飞机与地面间数据的交换，属于数字通信。随着民航业务中空地通信业务指数级增长以及空管部门对VHF通信的质量日益提高，如何设计一个可靠、稳定的民用飞机VHF通信系统就显得尤为重要，因此，对民用飞机VHF通信系统的深入研究具有重要的价值。

1 系统设计方案

1.1 系统功能定义

为了保证VHF通信系统的高度可靠，民航飞机通常都要求安装2套～3套VHF通信系统，相互独立、相互隔离，系统失效不会影响飞行安全，系统的设计保障等级(Design assurance level，简称DAL)定义为C级。在进行VHF通信系统功能定义时，应在确保系统功能完整性的前提下，尽量提升功能级别，减少功能层次，从上到下将功能分解到合适的层次，便于进行后期系统级的功能危害性分析。VHF通信系统的功能定义如表1所示。

表1 VHF通信系统的功能定义

1.2 系统方案设计

VHF通信系统的组成部件应包括VHF通信收发机和VHF通信天线，并且与无线电通信控制面板、遥控电子组件和音频控制面板关联并协同工作。VHF通信系统在发射时，来自正副驾驶和观察员的话筒音频被送到遥控电子组件的发射电路，经遥控电子组件路由后进入到VHF通信收发机，收发机内产生射频(Radio Frequency，简称RF)载波信号，并将到达的音频信号调制到载波信号上进行发射。VHF通信系统在接收时，天线接收载有音频的RF信号进入收发机，VHF通信收发机从RF信号中解调出音频信号，并发送到遥控电子组件的接收电路，由遥控电子组件送到正副驾驶和观察员的耳机中。VHF通信系统的设计方案如图1所示。

图1 VHF通信系统的设计方案

VHF通信系统对外的接口包括频率调谐控制接口、语音输入输出接口、机载维护接口、选择呼叫接口、起落架轮载(Weight On Wheels，简称WOW)信号接口和指示记录接口。其中，频率调谐控制接口提供机组通过无线电通信控制面板调节VHF通信频率，从而实现对通信频率的控制；语音输入输出接口提供机组通过手持话筒、氧气面罩、头戴式话筒耳机组经遥控电子组件处理后到VHF通信收发机的双向传输；机载维护接口提供系统运行的故障数据下传到机载维护子系统的通道；选择呼叫接口提供VHF通信系统对选择呼叫的提示；起落架WOW信号接口提供VHF收发机数据加载在地面/空中状态的抑制，只有当WOW信号为地面信号时才能数据加载，空中无法数据加载。另外，指示记录接口主要提供VHF数据链信息的显示。从天线接收地面传来的VHF数据链信息经收发机到达遥控电子组件，经其中的通信管理单元处理和数据转换后，显示在指示记录系统的设备界面；机组从指示记录系统显示设备界面输入的VHF数据链信息经遥控电子组件中的通信管理单元处理后发送到收发机，经天线发射后传输到地面，从而实现飞机与地面的双向VHF数据链通信。

1.3 系统性能要求

VHF通信系统的性能一般包括应提供在118.000 MHz～136.992 MHz频率范围内以25 kHz和8.33 kHz频率间隔通信，应支持3个语音单工收发信道和1个数据通信信道，发射类别应包括5K0A3E(或者5K00A3E)、10K0A3E 和14K0G1D 发射类别，输入电压应满足直流+28 V(22.0 V～32.2 V，应急电压16 V)，接收模式最大电流0.5 A，发射模式最大电流6 A。VHF通信系统应能支持飞行在3 000 m高度通信距离达80 km以上的性能，且飞行高度越高，通信距离应越远，一般应达到300 km以上通信距离的要求。另外 VHF通信系统的性能要求应满足最新的ARINC 429、 ARINC 604、ARINC 716和ARINC 750相应规范，表2给出了VHF通信系统主要性能指标要求。

表2 VHF通信系统主要性能指标要求

VHF通信系统组件的环境适应性应满足RTCA DO-160环境鉴定试验要求，软硬件应分别符合DO-178和DO-254要求。另外，VHF通信系统的组件VHF通信收发机和VHF通信天线的平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure，简称MTBF)应不低于30 000 h，且VHF通信收发机的平均非计划维修间隔时间(Mean Time Between Unscheduled Removals，简称MTBUR)应不低于22 500 h，VHF通信天线的MTBUR应不低于33 000 h。

2 系统机上设计

在系统机上设计中，三套VHF通信收发机通常安装在飞机的电子电气舱(EE舱)前后设备架的两侧，以防共模失效。VHF通信天线的安装应综合考虑气动影响、电磁干扰、结构强度和总体布置的因素，通常要求至少一套VHF通信天线安装在机身上部和下部，以满足信号全方位覆盖。与VHF通信系统交联的无线电通信控制面板和音频控制面板一般安装在驾驶舱的中央操纵台，遥控电子组件安装在电气设备(Electronic Equipment，简称EE)舱。VHF通信收发机和VHF通信天线的机上安装实例如图2和图3所示。

A.前EE舱前设备架 B.前EE舱后设备架 C.甚高频收发机 D.甚高频天线图2 某型号VHF通信收发机的位置 图3 某型号VHF通信天线位置

VHF通信系统的信号辐射应能满足VHF通信空/空、空/地通信的要求。GJB 5035-2001中规定：对飞机两侧的方向图覆盖范围同前后方向覆盖范围一样重要；当方向图覆盖范围对上、下都有要求时，下面的覆盖范围应优于上面的覆盖范围。

VHF通信系统布线应满足冗余和隔离的要求，VHF收发机的线路应在机身左右两侧分开布置，且分别使用不同的电源，保证在应急条件下主用的一套VHF通信系统能够正常使用；布线应尽量减少模拟信号的干扰。此外，在选择导线时应尽量选择线规小的导线，尽量避免同轴电缆转弯，必要转弯处应保证转弯半径大于电缆的最小安装转弯半径。VHF通信收发机和天线间的传输线应采用最短的射频电缆，两者之间的最大容许损耗一般不得超过2 dB。

VHF通信天线的电搭接可以采取天线底座与蒙皮的面面电搭接，也可以采用紧固件与导电密封剂的电搭接。通常测量天线底面与结构或紧固件与结构之间的最大阻值应不超过0.5 mΩ。另外，早期的VHF通信天线安装采用在天线底座与飞机蒙皮缝隙进行密封剂填角密封，但在实际使用过程中由于密封剂老化导致水汽的进入会造成蒙皮的腐蚀；同时，填角密封也会导致拆卸VHF通信天线的工作量额外增加。因此，目前VHF通信天线的安装普遍采用在天线底座与飞机蒙皮间增加密封垫的方式，然后再对紧固的螺钉端头进行密封剂封包处理。

3 系统功能验证

为验证VHF通信系统功能符合预期设计，可以满足飞机与飞机、飞机与地面的正常通信，通常需要对系统进行功能验证。试验所需的测试设备包括VHF航空电台、航空电台手持麦克风(Microphone，简称Mic)、功率计、通信导航测试装置和多功能VHF数据链设备(MVDL)。其中，VHF航空电台可采用ICOM公司的IC-A120E，电台的配件有HM-216和HM-217的扬声器型手持话筒；通信导航测试装置可采用Aeroflex公司的T-36C；多功能VHF数据链设备可采用MVDL-3101型号。

在VHF通信系统功能试验前，为保证试验所产生的VHF信号不影响空中无线电波秩序，应首先向试验所在地的无线电频率管理部门申请试验频率，然后目视检查甚高频通信系统，以证实系统安装完整，连接器已可靠连接，并将系统所需的断路器闭合。

VHF通信系统功能验证的项目包括：

1) VHF通信收发机上电自检。为验证系统的功能正常，需首先对VHF通信收发机进行上电自检。分别选中任一VHF通信通道，并将相应通道的静噪打开，然后选中相应站位的驾驶舱扬声器，将扬声器音量调为适中，最后将该通道对应的VHF通信收发机的断路器断开后并重新闭合，根据自检测现象判断收发机功能是否正常。不同型号的VHF通信收发机可能自检测现象不同，表3给出了某型VHF通信收发机自检测故障隔离代码。

表3 某型VHF通信收发机自检测故障隔离代码

2) 通信试验。VHF通信系统语音通信试验以VHF航空电台为地面电台，分别在正、副驾驶员和观察员站位上使用不同的VHF通信通道在试验前已申请批复的频点上进行通话，并记录语音质量等级。根据GJB 2763-1996《通信设备话音质量等级标准语评测方法》进行主观质量评测，采用语音信号质量等级准备评判方法，并将语音信号分为5 个质量等级，等级标准如表4所示。VHF数据链通信的试验应包括飞机与地面(或工装MVDL)VHF数据链路建立和数据链应用报文收发的测试，测试结果应根据机上和地面(或工装MVDL)相应报文显示响应进行评测。

表4 通信设备语音质量等级标准语评测质量等级

3) 发射和接收试验。VHF通信系统的发射试验连接示意图如图4所示。发射试验使用功率计串联在VHF通信收发机端同轴电缆和VHF通信天线端同轴电缆之间，分别测量正向功率和反向功率。当正向功率和反向功率同时满足设计指标时，说明VHF通信系统发射功能正常。在功率测量过程中禁止使用对讲机等便携设备，以免对测量数值造成干扰。VHF通信系统的接收试验采用T-36C作为信号发生源，机上的VHF通信系统对T-36C产生的不同输出水平的信号会产生不同的响应。如某型号机上VHF通信系统对低于门限值的信号无响应，对高于门限值的信号耳机中会听到单音。

图4 VHF通信系统发射试验连接示意图

4 结论

VHF通信系统的设计需要在兼顾系统工作性能的前提下，既要考虑人机工程方面的因素，又要结合机上总体布置、电磁环境、集成安装和维护更换等因素，是一个多方面综合的设计过程。随着空中航线日趋繁忙的需求，如何提高民用飞机VHF通信系统的抗干扰性能，保证信息被可靠有效地传输，这将是未来民用飞机VHF通信系统的重点研究方向。