韓海艦,劉 勇,鄭艷艷
(1.92146部隊(duì),廣東 湛江 524001;2.海軍航空大學(xué),山東 煙臺(tái) 264001)
外場(chǎng)機(jī)務(wù)工作的目標(biāo)是“快出飛機(jī),出好飛機(jī)”,即在有限的時(shí)間內(nèi)做好飛機(jī)出動(dòng)前、后的維護(hù)和檢查,并快速定位和排除故障。長(zhǎng)期以來(lái),外場(chǎng)對(duì)機(jī)載設(shè)備主要采取通電自檢或利用一線保障設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)要功能測(cè)試的方式,將疑似故障設(shè)備或故障設(shè)備拆卸下來(lái),并送到內(nèi)場(chǎng)(二線)進(jìn)行性能檢測(cè)。這種維修方式存在一定不足:(1)拆裝工作量往往大于測(cè)試工作量,頻繁拆裝易帶來(lái)“二次故障”;(2)由于使用環(huán)境(外場(chǎng))與測(cè)試環(huán)境(內(nèi)場(chǎng))有差異,容易導(dǎo)致內(nèi)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果不能復(fù)現(xiàn)外場(chǎng)故障現(xiàn)象;(3)內(nèi)場(chǎng)測(cè)試是針對(duì)單個(gè)設(shè)備(子系統(tǒng))的離位測(cè)試,不能反映外場(chǎng)實(shí)際裝機(jī)條件下通信系統(tǒng)的整體性能狀態(tài)。
依靠現(xiàn)有的維護(hù)方法和手段,僅能判斷機(jī)載通信系統(tǒng)基本功能的好壞,無(wú)法掌握其實(shí)際性能狀況,難以復(fù)現(xiàn)或解決飛行中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象。原位性能檢測(cè)[1-2]的核心思想是在保持被測(cè)對(duì)象原有狀態(tài)不變的前提下,迅速準(zhǔn)確判斷被測(cè)對(duì)象的性能指標(biāo)是否滿足飛行任務(wù)要求,同時(shí)測(cè)試過(guò)程不得對(duì)機(jī)上其他系統(tǒng)造成干擾和破壞。因此,考慮到當(dāng)前外場(chǎng)檢查、內(nèi)場(chǎng)測(cè)試存在的局限性,必須尋求在外場(chǎng)條件下對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行原位性能測(cè)試的途徑。
機(jī)載通信系統(tǒng)作為現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)的重要組成部分,作用是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與地面、飛機(jī)與飛機(jī)以及飛機(jī)與其他平臺(tái)之間的話音和數(shù)據(jù)信息的傳輸。機(jī)載通信系統(tǒng)的使用貫穿飛機(jī)的起飛、訓(xùn)練、巡航、作戰(zhàn)以及著陸的整個(gè)過(guò)程,是保證飛機(jī)飛行安全、訓(xùn)練任務(wù)和作戰(zhàn)任務(wù)圓滿完成的主要保障條件[3]。
機(jī)載超短波通信是自航空通信成體系規(guī)范以來(lái)應(yīng)用最廣泛的通信方式,主要用于視距傳輸、航空遙測(cè)遙控、空中交通管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)?,都是基于超短波通信建立并逐漸融合了其他通信方式。優(yōu)點(diǎn)是視距傳播特性好,可用頻帶比較寬。V/UHF通信在近距和中距航空通信中有著HF通信無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),通信可靠性、可用性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于HF通信,且可以實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。民用航空數(shù)據(jù)鏈(VHF Datalink,VDL)和軍用航空戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈(Joint Tactical Information Distribution System,JTIDS)都是基于超短波通信的優(yōu)良屬性進(jìn)行部署的。隨著近年來(lái)數(shù)字通信技術(shù)和通信體系的發(fā)展,基于軟件無(wú)線電的超短波通信設(shè)計(jì)和開放式通信體系的應(yīng)用,航空超短波通信在未來(lái)全球互聯(lián)互通的航空通信網(wǎng)絡(luò)中仍將占據(jù)重要地位[4]。
在機(jī)載天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)架設(shè)一副與機(jī)載天線相同的天線作為測(cè)試天線,無(wú)線電綜合測(cè)試儀通過(guò)該測(cè)試天線與機(jī)載通信系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線電收發(fā),同時(shí)通過(guò)一套音頻電纜,實(shí)現(xiàn)無(wú)線電綜合測(cè)試儀與機(jī)上通信系統(tǒng)的音頻信號(hào)交聯(lián),完成相關(guān)性能測(cè)試。測(cè)試原理如圖1所示。
圖1 天線輻射法測(cè)試原理
該方案實(shí)施時(shí)應(yīng)注意如下內(nèi)容。
(1)場(chǎng)地選擇。天線與天線之間除直射波外,還有來(lái)自地面、周圍物體等的反射波,會(huì)造成增益變化、副瓣電平抬高等現(xiàn)象而引起測(cè)試誤差。所以,測(cè)試時(shí)將被測(cè)飛機(jī)停放在外場(chǎng)開闊場(chǎng)地,盡量減小反射波的影響。
(2)測(cè)試天線架設(shè)。測(cè)試天線架設(shè)在距離被測(cè)飛機(jī)20 m處(處于超短波頻段輻射遠(yuǎn)區(qū)),架設(shè)高度與機(jī)上天線基本一致。測(cè)試天線下方放置一塊2 m×2 m的鋁板,作為測(cè)試天線的反射面,如圖2所示。
圖2 天線架設(shè)
部隊(duì)飛機(jī)一般停放在機(jī)庫(kù)內(nèi),受飛行、保障車輛、天氣等因素影響,有時(shí)不便于提供開闊的測(cè)試場(chǎng)地,也可以在機(jī)庫(kù)內(nèi)采用線纜連接法進(jìn)行測(cè)試。發(fā)射參數(shù)和接收參數(shù)測(cè)試時(shí),設(shè)備連接方式不同。
(1)發(fā)射參數(shù)測(cè)試。將電臺(tái)面板連接天線的射頻電纜擰下,連接到通過(guò)式功率計(jì)輸出端;用一根射頻電纜,將電臺(tái)面板射頻端口連接到通過(guò)式功率計(jì)輸入端,如圖3所示。
(2)接收參數(shù)測(cè)試。將超短波電臺(tái)天線饋線與電臺(tái)斷開,與無(wú)線電綜合測(cè)試儀射頻端口(T/R)分別連接至合路器的兩個(gè)輸入端口;將電臺(tái)射頻端口連接至合路器輸出端,同時(shí)通過(guò)一套音頻電纜,實(shí)現(xiàn)無(wú)線電綜合測(cè)試儀與機(jī)上通信系統(tǒng)的音頻信號(hào)交聯(lián),如圖4所示。
圖3 發(fā)射參數(shù)測(cè)試連接
圖4 接收參數(shù)測(cè)試連接
外場(chǎng)測(cè)試不需要面面俱到,不需要關(guān)注機(jī)載設(shè)備的所有技術(shù)參數(shù),而是要從整體角度考核超短波通信系統(tǒng)的整體功能和性能,以保證系統(tǒng)效能的正常發(fā)揮。在指標(biāo)選取時(shí),應(yīng)選用最能反映系統(tǒng)整體性能的技術(shù)參數(shù),重點(diǎn)關(guān)注隨時(shí)間變化可能出現(xiàn)性能下降的指標(biāo)。經(jīng)過(guò)部隊(duì)和廠所調(diào)研,本文選取的測(cè)試指標(biāo)如下。
天線的方向性[5]是指天線在空間不同方向輻射或接收無(wú)線電波的能力,通常用方向圖來(lái)評(píng)估。機(jī)載超短波天線為全向天線,理論上在水平面內(nèi)的方向圖應(yīng)為近似圓形,但受安裝位置和飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)影響,裝機(jī)天線的方向圖會(huì)發(fā)生變化。圖5為某型飛機(jī)機(jī)背超短波天線和機(jī)腹超短波天線在飛機(jī)水平面的方向圖,-90°為機(jī)頭方向,90°為機(jī)尾方向,測(cè)試頻點(diǎn)為125 MHz。顯然,裝機(jī)天線的方向圖并非理想的均勻全向,且機(jī)腹天線方向圖均勻度優(yōu)于機(jī)背天線。
對(duì)于不同機(jī)型,測(cè)試天線架設(shè)的位置和天線增益密切相關(guān),如果未考慮裝機(jī)天線方向性因素,必將導(dǎo)致較大的測(cè)試誤差。
圖5 機(jī)背天線與機(jī)腹天線水平面方向圖對(duì)比
天線端口駐波比[6-7]是電臺(tái)信號(hào)能量通過(guò)天線輻射的指標(biāo)。駐波比過(guò)大,一方面會(huì)減小電臺(tái)的正向功率輸出,導(dǎo)致通信距離縮短;另一方面會(huì)造成較大功率的能量反射,即沿原傳輸路徑反射回發(fā)射機(jī)端,形成很強(qiáng)的饋線發(fā)射,導(dǎo)致機(jī)內(nèi)電磁環(huán)境惡化,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤Оl(fā)射機(jī)[6]。
發(fā)射機(jī)最主要的性能參數(shù)是發(fā)射頻率和功率。如果頻率偏差較大,將無(wú)法正常通信,而發(fā)射功率與通信距離直接相關(guān)。采用天線輻射法測(cè)試,如果發(fā)射功率正常,即可表征該通信系統(tǒng)發(fā)射通道狀態(tài)完好。這里發(fā)射通道包括發(fā)射機(jī)、射頻饋線、天線等,部分機(jī)型還包括共址濾波器。
接收機(jī)靈敏度[8-10]是衡量通信系統(tǒng)接收微弱信號(hào)能力的指標(biāo),也是影響通信距離和通話質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。因此,靈敏度測(cè)試對(duì)于分析機(jī)載通信系統(tǒng)的電磁兼容狀態(tài)具有重要的參考價(jià)值。為抑制背景噪聲,飛行員在使用電臺(tái)時(shí)都是置于靜噪模式,所以本文也只測(cè)試靜噪靈敏度,與實(shí)際使用狀態(tài)一致。
4.1.1 天線方向性
(1)測(cè)試原理
機(jī)載天線與測(cè)試天線極化和阻抗均匹配,并且測(cè)試在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行。由Friis傳輸公式[8],可得:
式中:Pr為測(cè)試天線接收到的信號(hào)功率,單位為W;Pt為機(jī)上天線發(fā)射的信號(hào)功率,單位為W;Gr為測(cè)試天線的增益,單位為dBi;Gt為機(jī)上天線的增益,單位為dBi;λ為傳輸信號(hào)的工作波長(zhǎng),單位為m;R為機(jī)上天線與測(cè)試天線之間的距離,單位為m。
對(duì)式(1)進(jìn)行變換,可得:
將式(2)以dB為單位,可變換為:
式中,f表示發(fā)射頻率,單位為MHz。
令Lp=32.45+201gR+201gf,表示電磁波空間傳輸損耗,則式(3)可表示為:
考慮到收發(fā)鏈路的饋線損耗,式(4)應(yīng)修正為:
式中:Lt為機(jī)上天線饋線傳輸損耗,單位為dB;Lr為測(cè)試天線接收端電纜傳輸損耗,單位為dB。
由于收、發(fā)天線完全相同,即Gt=Gr=G,代入式(5),有:
(2)測(cè)試方法及步驟
測(cè)試步驟如下:
①測(cè)量收發(fā)饋線在各工作頻點(diǎn)的損耗值;
②測(cè)量天線之間的直線距離;
③從電臺(tái)射頻端口直接測(cè)量發(fā)射功率;
④按圖2進(jìn)行設(shè)備連接,控制電臺(tái)在各工作波道發(fā)射,測(cè)量接收到的信號(hào)功率;
⑤根據(jù)式(6)計(jì)算各頻點(diǎn)天線增益。
⑥以機(jī)上天線位置為圓心,以20 m為半徑,在地面畫一個(gè)圓周,在圓周上沿飛機(jī)軸向兩側(cè)對(duì)稱位置選取若干測(cè)試點(diǎn),如圖6所示;重復(fù)步驟④~步驟⑤,比較不同位置的天線增益,繪制方向圖。
圖6 裝機(jī)天線方向性測(cè)試
4.1.2 發(fā)射頻率和功率
(1)測(cè)試原理
設(shè)置電臺(tái)工作模式(AM/FM),選擇需要測(cè)試的工作波道(盡量覆蓋UHF和VHF波段),按下PTT按鈕,使電臺(tái)發(fā)射載波信號(hào);通過(guò)無(wú)線電綜合測(cè)試儀測(cè)量天線接收到的信號(hào)頻率和功率,判斷是否正常。
頻率準(zhǔn)確度的確定,可通過(guò)將測(cè)試值與電臺(tái)實(shí)際工作頻率進(jìn)行比較;而發(fā)射功率的確定,則需要按式(7)進(jìn)行換算得到:
其中,G為實(shí)測(cè)的機(jī)上天線增益(dBi)。
(2)測(cè)試方法及步驟
①在距離機(jī)上天線20 m處固定一個(gè)測(cè)試位置,架設(shè)測(cè)試天線;
②按圖2進(jìn)行設(shè)備連接;
③預(yù)置電臺(tái)波道號(hào);
④預(yù)置電臺(tái)工作在AM或FM模式;
⑤接通PTT,使電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài);
⑥用無(wú)線電綜合測(cè)試儀測(cè)量發(fā)射的載波頻率和功率,并利用式(7)換算成電臺(tái)發(fā)射功率,與電臺(tái)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較。
4.1.3 靜噪靈敏度
(1)測(cè)試原理
通過(guò)設(shè)置無(wú)線電綜合測(cè)試儀,使其產(chǎn)生一個(gè)帶有標(biāo)準(zhǔn)音頻調(diào)制(AM或FM)的射頻信號(hào),并通過(guò)天線向空間輻射;機(jī)載通信系統(tǒng)接收到該信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)處理,將解調(diào)后的音頻信號(hào)通過(guò)耳機(jī)通道送至無(wú)線電綜合測(cè)試儀的音頻輸入端口;調(diào)整無(wú)線電綜合測(cè)試儀射頻輸出功率從小到大,直到?jīng)_破電臺(tái)靜噪門限,此時(shí)觀察音頻信號(hào)的信納比是否滿足要求(大于10 dB);電臺(tái)所能接收的最小輸出功率反映了該通信系統(tǒng)的靜噪靈敏度。
將無(wú)線電綜合測(cè)試儀輸出的當(dāng)前功率值Ptmin按式(7)進(jìn)行換算,即可計(jì)算出電臺(tái)的靜噪靈敏度Prmin:
其中,G為實(shí)測(cè)的機(jī)上天線增益(dBi)。
(2)測(cè)試方法及步驟
①在距離機(jī)上天線20 m處固定一個(gè)測(cè)試位置,架設(shè)測(cè)試天線;
②按圖2進(jìn)行設(shè)備連接;
③設(shè)置無(wú)線電綜合測(cè)試儀工作于AM或FM狀態(tài)(調(diào)制頻率1 kHz正弦信號(hào),AM 30%調(diào)制度或FM±6 kHz頻偏);
④預(yù)置電臺(tái)波道號(hào)和工作模式(AM或FM),靜噪接通;
⑤從小到大逐漸調(diào)節(jié)無(wú)線電綜合測(cè)試儀的輸出射頻信號(hào),直至靜噪“開啟”,此時(shí)SINAD會(huì)從0突然增大至10 dB左右,耳機(jī)中出現(xiàn)1 kHz的單音;
⑥記錄此時(shí)無(wú)線電綜合測(cè)試儀的輸出功率,并利用式(8)換算成電臺(tái)靜噪靈敏度,與技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。
該方案的測(cè)試原理與內(nèi)場(chǎng)測(cè)試基本相同,只是靜噪靈敏度測(cè)試時(shí),通過(guò)一個(gè)合路器將機(jī)上天線接收到的電磁環(huán)境信號(hào)疊加至無(wú)線電綜合測(cè)試儀的射頻輸出信號(hào)中。
4.2.1 電臺(tái)發(fā)射功率和天線駐波比
(1)測(cè)試原理
將通過(guò)式功率計(jì)探頭串聯(lián)在機(jī)載超短波通信系統(tǒng)電臺(tái)射頻端口和天饋之間,在電臺(tái)發(fā)射時(shí)直接測(cè)量電臺(tái)發(fā)射功率和天線駐波比。
(2)測(cè)試步驟
①?gòu)某滩ㄔ捯綦娕_(tái)前面板連接天線的射頻端口將饋線拆下,然后將該饋線連接至通過(guò)式功率計(jì)探頭的輸出端,再用一根射頻電纜連接通過(guò)式功率計(jì)探頭的輸入端至電臺(tái)前面板射頻端口,測(cè)試連接關(guān)系如圖3所示;
②預(yù)置電臺(tái)波道號(hào);
③預(yù)置電臺(tái)工作在AM或FM模式;
④接通PTT,使電臺(tái)處于發(fā)射狀態(tài);
⑤從通過(guò)式功率計(jì)上讀取電臺(tái)發(fā)射功率和天線駐波比。
4.2.2 靜噪靈敏度
(1)測(cè)試原理
通過(guò)設(shè)置無(wú)線電綜合測(cè)試儀,使其產(chǎn)生一個(gè)帶有標(biāo)準(zhǔn)音頻調(diào)制(AM或FM)的射頻信號(hào),并通過(guò)合路器送至電臺(tái)。電臺(tái)接收機(jī)接收到該信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)處理,將解調(diào)后的音頻信號(hào)通過(guò)耳機(jī)通道送至無(wú)線電綜合測(cè)試儀的音頻輸入端口;調(diào)整無(wú)線電綜合測(cè)試儀射頻輸出功率從小到大,直到?jīng)_破電臺(tái)靜噪門限,此時(shí)觀察音頻信號(hào)的信納比是否滿足要求(大于10 dB);電臺(tái)所能接收的最小輸出功率反映了該通信系統(tǒng)的靜噪靈敏度。
(2)測(cè)試方法及步驟
①將超短波電臺(tái)天線饋線與電臺(tái)斷開,與無(wú)線電綜合測(cè)試儀射頻端口(T/R)分別連接至合路器的兩個(gè)輸入端口;將電臺(tái)射頻端口連接至合路器輸出端。測(cè)試連接關(guān)系如圖4所示。
②設(shè)置無(wú)線電綜合測(cè)試儀工作于AM或FM狀態(tài)(調(diào)制頻率1 kHz正弦信號(hào),AM 30%調(diào)制度或FM±6 kHz頻偏);
③預(yù)置電臺(tái)波道號(hào)和工作模式(AM或FM),靜噪接通;
④從小到大逐漸調(diào)節(jié)無(wú)線電綜合測(cè)試儀的輸出射頻信號(hào),直至靜噪“開啟”,此時(shí)SINAD會(huì)從0突然增大至10 dB左右,耳機(jī)中出現(xiàn)1 kHz的單音;
⑤記錄此時(shí)無(wú)線電綜合測(cè)試儀的輸出功率Ptmin,則靈敏度計(jì)算公式修正為式(9),減去合路器和線纜損耗,得到電臺(tái)靜噪靈敏度,與技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。
其中,Lr為測(cè)試電纜損耗,單位為dB;L合為合路器插入損耗,單位為dB。
按照以上的系統(tǒng)級(jí)原位性能測(cè)試方案,對(duì)某型飛機(jī)的機(jī)載超短波通信系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。為了體現(xiàn)測(cè)試的普遍適用性,選取該型10架飛機(jī)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,分別編號(hào)為1#~10#。測(cè)試中以電臺(tái)常用工作模式AM為例,選取常用波道1、2、3、4進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)以1#飛機(jī)為例,得到機(jī)載天線在某一工作頻點(diǎn)下的方向圖(如圖7所示),其他工作頻點(diǎn)的天線方向圖大體類似,在此不再列出。
從方向圖可以看出,該型飛機(jī)超短波天線在水平面方向性為近似圓形,符合全向天線的方向性特征。系統(tǒng)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出,發(fā)射功率≥40 dBm,滿足指標(biāo)要求;駐波比≤2.5,滿足指標(biāo)要求;靜噪靈敏度在標(biāo)稱值(-103 dBm)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),滿足指標(biāo)要求。
表1 1#飛機(jī)通信系統(tǒng)性能指標(biāo)
圖7 某型機(jī)超短波通信系統(tǒng)裝機(jī)方向圖
測(cè)試中5#飛機(jī)存在發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電子調(diào)節(jié)器(綜調(diào))干擾超短波電臺(tái)的故障現(xiàn)象,即飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)左、右綜調(diào)上電后(正常工作),對(duì)電臺(tái)低頻段(130 MHz以下)產(chǎn)生較大電磁干擾,測(cè)試頻譜如圖8所示,造成通信系統(tǒng)靈敏度下降。更換綜調(diào)后干擾消失,通信系統(tǒng)靈敏度恢復(fù)正常。更換左綜調(diào)前靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示,更換左綜調(diào)后靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。同時(shí),部隊(duì)也反映該架飛機(jī)通信距離近的問(wèn)題長(zhǎng)期存在。通過(guò)測(cè)試和分析認(rèn)為,該機(jī)綜調(diào)及相關(guān)線路是造成超短波電臺(tái)系統(tǒng)靈敏度下降的主要原因。
圖8 測(cè)試頻譜圖
表2 靈敏度測(cè)試(更換左綜調(diào)前)
表3 靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)(更換左綜調(diào)后)
上述測(cè)試實(shí)例充分證明了本文提出的原位性能測(cè)試方法能夠有效掌握機(jī)載超短波通信系統(tǒng)的主要性能,發(fā)現(xiàn)和定位系統(tǒng)故障。
本文對(duì)機(jī)載通信系統(tǒng)的原位性能測(cè)試原理和步驟進(jìn)行探討研究,提出了兩種系統(tǒng)級(jí)原位性能測(cè)試方案,并以某型飛機(jī)的超短波通信系統(tǒng)為例進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)機(jī)載通信系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的原位性能測(cè)試驗(yàn)證,一方面可以掌握系統(tǒng)實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)下的性能狀態(tài),確保系統(tǒng)效能的充分發(fā)揮;另一方面通過(guò)測(cè)試可以復(fù)現(xiàn)和查找系統(tǒng)故障。為了使外場(chǎng)機(jī)務(wù)保障人員更好地了解和掌握機(jī)載通信系統(tǒng)實(shí)際使用過(guò)程中的性能狀況,更好地做好裝備的維護(hù)保障,外場(chǎng)條件下的系統(tǒng)原位性能測(cè)試是現(xiàn)實(shí)的,也是必要的。