蔡志勇, 郭星燦, 李登登, 張宏志

(中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519040)

無線電高度表是飛機(jī)的重要測(cè)高設(shè)備，可以精確測(cè)定飛機(jī)到地面/水面的距離，輸出無線電高度。無線電高度表與電子飛行儀表系統(tǒng)、儀表著陸系統(tǒng)等配合，使飛機(jī)可以在復(fù)雜氣象條件下飛行，保證安全起飛和著陸，提高出勤率。絕大部分飛機(jī)都只進(jìn)行陸上起降，通常以飛機(jī)主起落架機(jī)輪作為無線電高度的零位基準(zhǔn)，無線電高度表天線主要布置在機(jī)腹位置。對(duì)于影響無線電高度表裝機(jī)工作性能的電源傳導(dǎo)干擾、多路徑干擾、斜距干擾、海浪散射、多普勒效應(yīng)、同頻干擾和一些原理性誤差等問題，目前已有較好的處理方法[1-7]。氣壓高度、慣性高度、加速度值、姿態(tài)角度等數(shù)據(jù)和一些誤差補(bǔ)充方法被引入無線電高度表進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，用于判別無線電高度數(shù)據(jù)有效性，改善測(cè)高精度[8-11]。水陸兩棲飛機(jī)既要進(jìn)行陸上起降又要進(jìn)行水上起降，水上起降時(shí)起落架處于收起狀態(tài)，與陸上起降時(shí)的零位基準(zhǔn)不同。水陸兩棲飛機(jī)的機(jī)腹是要接觸水的船體，無線電高度表天線不能布置在機(jī)腹[12]，只能布置在機(jī)翼或平尾的下表面。如無適當(dāng)修正，所測(cè)無線電高度代表的是機(jī)翼或尾翼的高度，而不是機(jī)腹或機(jī)輪的高度。朱佳程等[10]融合氣壓高度、加速度值、姿態(tài)角度等數(shù)據(jù)用于剔除無效的無線電高度數(shù)據(jù)，王宏倫等[11]幾何測(cè)量誤差補(bǔ)償方法可消除發(fā)射天線與接收天線的間距帶來的誤差，這些方法都不能消除天線布置在機(jī)翼或尾翼上造成的誤差。此外，水陸兩棲飛機(jī)在水中停泊和滑行時(shí)，部分機(jī)體沉入水中，使得零位基準(zhǔn)低于水面，需要顯示負(fù)高度。水陸兩棲飛機(jī)無線電高度表在零位基準(zhǔn)設(shè)置、天線布置、負(fù)高度顯示等方面具有特殊性，需要特殊的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)無線電高度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能滿足水陸兩棲飛機(jī)的要求。本文在前期已有工程實(shí)踐基礎(chǔ)上[13]，進(jìn)一步深入分析水陸兩棲飛機(jī)的特殊需求，推導(dǎo)完善了修正因零位基準(zhǔn)設(shè)置和天線布局所產(chǎn)生的誤差的理論基礎(chǔ)，將對(duì)姿態(tài)角的修正從俯仰角擴(kuò)展到橫滾角，適用性更廣、精度更高。

1 水陸兩棲飛機(jī)的數(shù)據(jù)處理要求

無線電高度表發(fā)射4200～4400 MHz的無線電波，接收地面/水面反射回來的反射波，測(cè)量發(fā)射時(shí)刻與接收時(shí)刻的時(shí)間差，即可得到飛機(jī)到地面/水面的真實(shí)高度[14-15]。相比于僅進(jìn)行陸上起降的飛機(jī)，水陸兩棲飛機(jī)的無線電高度表在多個(gè)方面具有特殊的數(shù)據(jù)處理要求。

1.1 零位基準(zhǔn)設(shè)置

無線電高度為飛機(jī)最低點(diǎn)到飛機(jī)下方地面或水面的真實(shí)高度。陸上起降時(shí)，飛機(jī)放下起落架，飛機(jī)的最低點(diǎn)為起落架機(jī)輪，因此陸上起降時(shí)無線電高度表一般以主起落架放下狀態(tài)的機(jī)輪位置為零位基準(zhǔn)，或以飛機(jī)停放在停機(jī)坪時(shí)的機(jī)輪位置為零位基準(zhǔn)。水陸兩棲飛機(jī)進(jìn)行水上起降時(shí)，起落架處于收起狀態(tài)，飛機(jī)的最低點(diǎn)不是放下狀態(tài)的起落架機(jī)輪，而是機(jī)腹結(jié)構(gòu)的最低點(diǎn)(一般在斷階結(jié)構(gòu)處)。水陸兩棲飛機(jī)陸上起降和水上起降的零位基準(zhǔn)高度差異如圖1所示。對(duì)于不同尺寸的水陸兩棲飛機(jī)，零位基準(zhǔn)差異范圍約0.2～1 m，因此需要根據(jù)飛機(jī)狀態(tài)設(shè)置零位基準(zhǔn)。

圖1 水上和陸上零位基準(zhǔn)高度差示意圖

1.2 天線布置的姿態(tài)角修正

因機(jī)腹是要接觸水的船體，不適合布置天線，水陸兩棲飛機(jī)的無線電高度表天線通常布置在機(jī)翼或平尾的下表面。為了避免水上起降時(shí)水噴濺的影響，收發(fā)天線布局位置一般比較高，離零位基準(zhǔn)點(diǎn)比較遠(yuǎn)[12]。

水陸兩棲飛機(jī)在起降、轉(zhuǎn)彎等飛行過程中，由于俯仰角和橫滾角發(fā)生變化，會(huì)引起無線電高度表天線安裝位置相對(duì)于零位基準(zhǔn)的高度變化。特別是在起降過程中，俯仰角對(duì)無線電高度的影響容易造成飛機(jī)已離地或離水而無線電高度仍指示零，或無線電高度已指示零而飛機(jī)仍未觸地或觸水。以某型水陸兩棲飛機(jī)為例，當(dāng)天線布置在平尾上時(shí)，俯仰角變化1°將導(dǎo)致無線電高度變化約0.3 m。天線距離零位基準(zhǔn)位置越遠(yuǎn)，姿態(tài)角對(duì)無線電高度的影響越大，需要進(jìn)行修正。

1.3 負(fù)高度指示要求

水陸兩棲飛機(jī)在水面停泊和滑行時(shí)，部分機(jī)體沉入水中，使得零位基準(zhǔn)低于水面。若無線電高度不能指示負(fù)高度，將出現(xiàn)飛機(jī)在上升而高度指示保持為零的情況。為便于機(jī)組駕駛水陸兩棲飛機(jī)進(jìn)行水上起降，要求無線電高度應(yīng)能指示負(fù)高度，以便于判斷飛機(jī)入水/離水的情況。

2 無線電高度數(shù)據(jù)處理方法

2.1 高度修正方法

假設(shè)O點(diǎn)為陸上起降零位基準(zhǔn)點(diǎn)；A點(diǎn)為無線電高度表發(fā)射天線與接收天線連線的中點(diǎn)；B點(diǎn)為水上起降零位基準(zhǔn)點(diǎn)。天線電高度示意圖如圖2所示。

圖2 無線電高度示意圖

為便于分析，先將測(cè)量的無線電高度修正到陸上起降零位基準(zhǔn)，再增加姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角)引起的修正量，并根據(jù)飛機(jī)狀態(tài)增加對(duì)零位基準(zhǔn)的修正量，獲得修正后的無線電高度，顯示給機(jī)組或供機(jī)上其他系統(tǒng)使用，如式(1)所示：

HC=HM-HA+ΔHA+k·(HB-ΔHB)

(1)

式中，HC為經(jīng)過零位基準(zhǔn)、姿態(tài)角等修正后的無線電高度，表示O點(diǎn)或B點(diǎn)到地面或水面的高度；HM為測(cè)量的無線電高度，表示A點(diǎn)到地面或水面的高度，假定已修正天線電纜、計(jì)算延遲等產(chǎn)生的誤差；HA為天線安裝高度，表示A點(diǎn)到O點(diǎn)的高度，恒定不變，在飛機(jī)平放于地面進(jìn)行無線電高度表零位校準(zhǔn)后將儲(chǔ)存于無線電高度表內(nèi)，或預(yù)先在飛機(jī)三維電子樣機(jī)中測(cè)量其值并裝訂到無線電高度表的軟件中；ΔHA為姿態(tài)角修正項(xiàng)；HB為水上起降零位基準(zhǔn)與陸上起降零位基準(zhǔn)的高度差；ΔHB為水上起降零位基準(zhǔn)修正項(xiàng)；k為零位基準(zhǔn)切換系數(shù)，陸上起降時(shí)為0，水上起降時(shí)為1。飛機(jī)應(yīng)給出進(jìn)行陸上起降還是水上起降的狀態(tài)判斷信息，以便確定k的值。一個(gè)簡(jiǎn)單的判斷準(zhǔn)則是：左主起下到位鎖定或右主起下到位鎖定，即判定飛機(jī)在陸上起降，否則為水上起降。

2.2 基于坐標(biāo)變換矩陣的姿態(tài)角修正公式

如上所述，無線電高度的數(shù)據(jù)處理主要是確定ΔHA和ΔHB修正項(xiàng)。飛行過程中，飛機(jī)姿態(tài)的變化(指俯仰角和橫滾角的變化，偏航角變化不會(huì)導(dǎo)致高度修正)導(dǎo)致A、B點(diǎn)相對(duì)于O點(diǎn)的坐標(biāo)發(fā)生變化，需通過坐標(biāo)變換確定姿態(tài)變化時(shí)A、B點(diǎn)相對(duì)于O點(diǎn)的高度，從而獲得ΔHA和ΔHB修正項(xiàng)。以下以A點(diǎn)為例，建立坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)變換矩陣推導(dǎo)ΔHA。

以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)按右手法則建立機(jī)體坐標(biāo)系Oxbybzb，xb軸指向飛機(jī)縱軸，yb軸指向飛機(jī)橫軸，zb軸指向飛機(jī)豎軸[16]。A點(diǎn)在Oxbybzb中的位置矢量為Ab=(xbA，ybA，zbA)T。顯然，若不考慮飛行中機(jī)體的變形，Ab是恒定不變的，可在飛機(jī)三維電子樣機(jī)中測(cè)量其值。

以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)按右手法則建立飛機(jī)牽連鉛垂地面坐標(biāo)系Oxgygzg，xg軸指向飛機(jī)縱軸在水平面內(nèi)的投影方向，yg軸與xg軸、zg軸正交，按右手法則確定，zg軸豎直向下[16]。A點(diǎn)在Oxgygzg中的位置矢量為Ag=(xgA，ygA，zgA)T。飛機(jī)水平停放時(shí)，可以認(rèn)為Oxgygzg和Oxbybzb重合，有Ag0=Ab。飛行時(shí)，Oxbybzb相對(duì)于Oxgygzg旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度即為偏航角ψ、俯仰角θ、滾轉(zhuǎn)角φ。

通過偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角，可以建立從Oxbybzb到Oxgygzg的坐標(biāo)變換矩陣，將Ab變換到Oxgygzg坐標(biāo)系中得到Ag。根據(jù)坐標(biāo)系定義，xb軸指向飛機(jī)縱軸，xg軸指向飛機(jī)縱軸在水平面內(nèi)的投影方向，所以偏航角ψ=0，從Oxbybzb到Oxgygzg的坐標(biāo)變換矩陣可簡(jiǎn)化為式(2)，如下所示[17-18]。

(2)

根據(jù)式(2)有：

ΔAg=Ag-Ag0

=LgbAb-Ab

(3)

因無線電高度數(shù)據(jù)處理只關(guān)心A點(diǎn)的zg軸分量變化，所以有：

ΔHA=ΔzgA=-xbAsinθ+ybAsinφcosθ+zbAcosφcosθ-zbA

(4)

2.3 零位基準(zhǔn)修正公式

將水上起降零位基準(zhǔn)點(diǎn)B視為另一組發(fā)射天線與接收天線的連線的中點(diǎn)，按2.2節(jié)的方法，可得：

ΔHB=ΔzgB=-xbBsinθ+ybBsinφcosθ+zbBcosφcosθ-zbB

(5)

3 數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用與分析

為了提高無線電高度的指示精度，某大型水陸兩棲飛機(jī)按照上述無線電高度數(shù)據(jù)處理方法對(duì)無線電高度測(cè)量值進(jìn)行處理，以左主起下到位鎖和右主起下到位鎖的狀態(tài)信息作為零位基準(zhǔn)的判據(jù)，修正了零位基準(zhǔn)和姿態(tài)角引起的誤差，提高了無線電高度的指示精度。

該機(jī)的無線電高度表天線安裝于平尾下表面，距離零位基準(zhǔn)較遠(yuǎn)。在三維電子樣機(jī)中量取O、A、B三點(diǎn)坐標(biāo)，得到A點(diǎn)、B點(diǎn)在Oxbybzb坐標(biāo)系下相對(duì)于O點(diǎn)的位置矢量Ab、Bb。對(duì)該機(jī)的試飛數(shù)據(jù)應(yīng)用上述式(1)、式(4)和式(5)進(jìn)行修正，得到修正前后的數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。

圖3 陸上起降的無線電高度修正

圖4 水上起降的無線電高度修正

圖3展示了飛機(jī)陸上降落-起飛的過程，姿態(tài)角修正量明顯隨俯仰角的變化而變化，受滾轉(zhuǎn)角變化的影響較小。主要原因是天線到零位基準(zhǔn)的距離在縱軸方向的分量較大，在橫軸方向分量較小角，其次是陸上起降過程中飛機(jī)俯仰角較大，而滾轉(zhuǎn)角很小。飛機(jī)降落時(shí)俯仰角較大，未修正的無線電高度在機(jī)輪未觸地時(shí)已提前指零，修正后無線電高度指零與機(jī)輪觸地同步，表明上述修正是正確的。

圖4展示了飛機(jī)水上降落-起飛的過程，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角對(duì)姿態(tài)角修正量的影響與圖3所示情況相似。零位基準(zhǔn)切換帶來的修正量基本穩(wěn)定，變化較小，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角對(duì)其影響很小，原因是水上和陸上零位基準(zhǔn)的距離很小，姿態(tài)角對(duì)零位基準(zhǔn)修正量的影響較小。無線電高度修正后，飛機(jī)著水時(shí)間更晚，離水時(shí)間更早，入水深度更淺，與試飛情況相符，表明上述修正是正確的。

無線電高度的誤差范圍隨飛機(jī)高度增加而增大，而上述修正與飛機(jī)高度無關(guān)，在飛機(jī)的整個(gè)起飛、爬升、巡航、下降、著陸/著水飛行過程中修正量的變化范圍約為-4～5 m。上述修正在低高度時(shí)才對(duì)無線電高度的精確性有比較顯著的影響，圖3和圖4中所示修正量達(dá)到2 m左右，已超過了無線電高度表在圖中所示低高度下的標(biāo)稱精度±0.66 m。

圖3和圖4僅展示出了飛機(jī)在起降階段高度較低時(shí)的修正情況，未展示出飛機(jī)大坡度轉(zhuǎn)彎時(shí)的修正情況。由于該機(jī)的天線布置離飛機(jī)對(duì)稱面比較近，滾轉(zhuǎn)角對(duì)姿態(tài)角修正量的影響較小。當(dāng)俯仰角接近0°、滾轉(zhuǎn)角達(dá)到15°～20°時(shí)，姿態(tài)角修正量約為1.0～1.5 m?？紤]到大坡度轉(zhuǎn)彎時(shí)飛機(jī)高度較高，無線電高度表的標(biāo)稱誤差已比較大，因此大坡度轉(zhuǎn)彎時(shí)姿態(tài)角修正量對(duì)無線電高度的精確性影響較小。

此外，圖3和圖4中未修正的無線電高度表都出現(xiàn)了負(fù)值，需向機(jī)組指示負(fù)高度，便于機(jī)組人員通過無線電高度識(shí)別飛機(jī)著水離水情況。使用能提供負(fù)高度數(shù)據(jù)的無線電高度表、或者在顯示端對(duì)無線電高度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以向機(jī)組指示負(fù)高度，如圖5中黑色顯示區(qū)所示。

圖5 負(fù)高度指示

4 結(jié)束語

綜上所述，本文建立的無線電高度數(shù)據(jù)處理方法，有效地解決了水陸兩棲飛機(jī)的特殊性造成的無線電高度誤差問題，并獲得結(jié)論如下。

① 姿態(tài)角變化和零位基準(zhǔn)切換在低高度時(shí)特別是起降過程中對(duì)無線電高度的精度影響顯著。

② 天線到零位基準(zhǔn)的距離越大，姿態(tài)角修正量越大。距離較大時(shí)應(yīng)進(jìn)行修正，距離較小時(shí)酌情考慮修正。

③ 陸上和水上零位基準(zhǔn)距離較小，零位基準(zhǔn)切換導(dǎo)致的修正量可簡(jiǎn)化為兩種零位基準(zhǔn)的高度差。

④ 利用“主起下到位”鎖定信號(hào)，給出了判定水面起降的判據(jù)及水面起降的負(fù)高度數(shù)據(jù)處理和指示方法。