无线电罗盘角度抖动问题分析研究

李明巧

（哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

无线电罗盘能连续地指示出直升机纵轴与电台方向之间的角度，因而能按地面台（导航台或广播电台）进行导航，有两种工作方式：收讯和罗盘。工作在收讯状态时，可作为一个中、长波接收机；工作在罗盘状态时，系统是一个自动定向设备，向飞行员提供相应地面台的相对方位信息，同时向直升机新品系统提供音频识别信号。

1 故障现象

某型机在地面校罗盘工程中发现，当接收信号中无音频时，角度稳定；当接收信号中有音频（莫尔斯码）时，角度开始出现抖动，不能稳定指示，超出误差范围，而且音频持续时间越长，角度抖动越大。

2 机理分析

2.1 无线电罗盘工作原理

该型机安装的无线电罗盘由接收机和天线组成，该型罗盘采用超外差体制。

无线电罗盘天线接收调幅波信号，系统工作需要两种天线。一种是无方向性的，称为垂直天线用来辨向。另一种是有方向性的，称为环形天线，用来提供方位信息。其中环形天线分为纵向（正弦）环形天线与横向（余弦）环形天线，接收的信号分别被低频调制信号调幅，两个调制信号相位相差90°；经过调制的两个信号合成后产生一个组合调制信号，这个组合调制信号与低频调制信号的相位差与飞机至地面电台的相对方位成正比，但存在0°和180°两个定向点，可能产生180°的定向误差。但当组合调制信号与垂直天线接收的信号叠加后，则可以消除错误定向点，其叠加信号的外包络相位即包含有相对方位信息。

接收机将组合天线输出信号转换为中频信号，经内部滤波放大处理后进行相干调制，得到复合信号，经相关电路处理后解算出音频信号和角度信息，音频信号经处理后送往机上音频系统，角度信息传送给主处理器计算角度。主处理器通过ARINC429 总线将解算出的方位信息并发送给显示系统显示，给出直升机与地面电台的相对方位，原理框图见图1。

图1 原理框图

2.2 关联影响分析

由信号处理流程分析，引起该现象一个综合过程，每一环节都可能影响角度稳定，为验证排查各方面影响，随开展相关影响排查。

（1）外部影响分析。①干扰分析。机上设备干扰或环境电磁干扰时，无线电罗盘作为敏感设备，被干扰时会出现角度输出不稳定，从而引起指针抖动问题，经隔离及环境电磁频谱测量，在测试频点没有发现相关干扰显现。②信号衰减分析。信号衰减时，会导致接收不稳定，引起指针抖动。引起引号衰减有几方面影响：一是射频电路故障或则连接不牢，相当于信号被衰减；二是接收机端接地不好，引入噪声导致，三是天线接地不好，导致接收灵敏度降低。针对该情况，进行射频路测试和检查，对接收机和天线端搭接进行复测和处理，均未有明显改善。

（2）内部影响分析。随后针对系统内部可能影响角度抖动因素影响进行逐一排查。

①接收机硬件故障。接收机内部电路出现问题时，会导致罗盘角度抖动。实验室按图2 搭建测试环境，通过天线模仿仪进行测试，设置信号源频率为248kHz，场强-37dBm，调制1kHz，调制深度30%。

图2 测试环境

按无线电罗盘接收机内部电路情况，分别对电源电路，滤波带通电路、频合电路、中放电路、解调电路、模数转换电路、音频放大电路、音频解调电路、角度调节电路等进行了测试或隔离排查，测试的电源电压；带通滤波器的衰减值；本振输出信号的频率及信号强度；不同信号强度下的中放输入输出信号强度；解调前后频率及信号强度；断开模数转换电路输入，并接入不同电压测试采集电压；隔离后级音频放大和解调电路；整体角度输出进行更改，减小角度误差测试等相关测试，并针对单频点快速切换信号源调制开关，模拟塔台莫尔斯码，均未发现明显引起角度抖动的现象。

40例患者X线造影检查提示，黏膜内癌者的胃壁密度明显增高，且舒张度明显降低，5例患者的胃壁轮廓不清楚，占总比例的12.5%。胃小沟较模糊，且胃小区中有颗粒状阴影，大小不一。局部胃壁有痉挛亦或者是异常收缩的情况，胃黏膜扭曲且比较粗大。4例胃内滞留液明显增多，占总比例的10.0%。黏膜下癌者有蠕动缓慢、胃壁僵硬以及边缘模糊的情况，且局部密度明显增高，部分存在轮廓线中断亦或者是消失的情况。4例胃小区和胃小沟处有颗粒状阴影，占总比例的10.0%。局部黏膜较为粗糙，且存在异常集聚钡的情况。

②天线硬件故障。随后将测试环境搭建为实装天线进行测试，主要针对影响灵敏度的搭接和内部电路进行测量，经搭接处理，虽然角度抖动有改善，但是仍出现角度超差问题；无线电罗盘天线为有源天线，天线内部电路出现问题时，会对天线输出信号的相位偏移产生影响，从而引起角度抖动。对单频点快速切换信号源调制开关，模拟塔台莫尔斯码时，发现角度输出有明显稳定现象，经记录测试，与机上抖动现象表现一致。使用频谱仪进行测量，放大电路输出载波强度出现短时间的8dBm，超过要求的5dBm。随后调节天线中增益控制电路中滑动变阻器，改变电路接入阻值降低放大电路静态增益，当放大电路输出载波强度没有出现超出5dBm 信号时，角度抖动明显改善。

综合上述测试和分析，天线中增益控制电阻引起输出信号相位变化，从而在音频切换时导致角度波形扰动，最终引起角度抖动。

2.3 机理分析

无线电罗盘组合天线接收到的信号为调幅信号：载波为Wc，音频为Wa，调制系数为m：

正弦余弦天线感应产生不同电压并分别耦合到正余弦基准信号上。

v4 为天线中最终输出信号。由信号v4 可知，由于调制系数m 范围为0 ～1，因此音频从无到有信号强度会出现最大6dB 的增强。

无线电罗盘塔台发射的音频莫尔斯码由“点”和“划”组成，其中“点”的长度约为106.6ms，“划”的长度约为746.6ms。

天线中，无音频时，放大电路工作在放大区，信号能够正常放大，机体方位不变时，V1 与V2 稳定，角度不会发生过大变化。有音频时，放大电路电感有寄生电容，由于信号强度突变，导致切换的一段时间（几毫秒）内有毛刺出现，在经过放大时，由于毛刺的出现，若放大电路增益偏高，将导致放大电路载波放大异常，表现为V1 与V2 中A·sin(θ)和A·cos(θ)出现扰动，造成天线输出信号短时间内出现相位偏差。

音频中“点”的长度约为106.6ms，“划”的长度约为746.6ms，接收机中角度解算周期为50ms，这样导致解算出的角度发生跳变。考虑到这种情况，电路中通过单片机监控解调整流后的模拟量来对电路的自动增益控制做相应的调节处理，通过设置低频（＜280kHz）和高频（≥280kHz）阈值结合信号强度，适当调节提高自动增益控制电路的调节能力，阈值越低，则强信号时，调节能力越强。但通过自动增益控制电路的调节能力有限。

综上，音频从无到有的短时间内，由于电路中电感的寄生电容影响，引起毛刺，天线放大电路静态增益偏高，信号经放大电路后，受毛刺影响，导致放大电路载波放大异常，出现扰动，造成天线输出信号短时间内出现相位偏差，接收机解调后偏差没有消除，最终引起指针抖动。

2.4 复现及验证情况

在莫尔斯码音频连续“点”“划”变换时，为验证天线中放大电路静态增益高低对信号输出的抖动影响，随后进行地面模拟测试。在248kHz 和511kHz 分别测试，当调节天线放大电路中的滑动变阻器，使放大增益调至9dB 后进行测试，随后调整至5dB 进行测试，分别模拟莫尔斯码音频进行对比测试，测试结果如表1。

表1

由测试结果分析，放大增益的调整对信号输出的影响非常明显，与机理分析结果一致。

放大电路静态增益的调整受元器件性能和前后端处理限制影响，并会带来别的问题，影响信号延迟，工程上需选择最优化原则，以工程实际需求，随后课题组对该值进行反复测算，并对随动性能进行测量，调整至最佳状态，满足相关标准和实际使用要求。

3 结语

本文从信号处理流程及原理着手，逐级深入分析问题深层次原因，总结归纳问题发生原因和调整处理方法，希望本文为同类工程中出现的类似问题提供借鉴参考。