外场条件下机载通信系统原位性能测试研究*

韩海舰，刘 勇，郑艳艳

（1.92146部队，广东 湛江 524001；2.海军航空大学，山东 烟台 264001）

0 引 言

外场机务工作的目标是“快出飞机，出好飞机”，即在有限的时间内做好飞机出动前、后的维护和检查，并快速定位和排除故障。长期以来，外场对机载设备主要采取通电自检或利用一线保障设备进行简要功能测试的方式，将疑似故障设备或故障设备拆卸下来，并送到内场（二线）进行性能检测。这种维修方式存在一定不足：（1）拆装工作量往往大于测试工作量，频繁拆装易带来“二次故障”；（2）由于使用环境（外场）与测试环境（内场）有差异，容易导致内场测试结果不能复现外场故障现象；（3）内场测试是针对单个设备（子系统）的离位测试，不能反映外场实际装机条件下通信系统的整体性能状态。

依靠现有的维护方法和手段，仅能判断机载通信系统基本功能的好坏，无法掌握其实际性能状况，难以复现或解决飞行中出现的故障现象。原位性能检测[1-2]的核心思想是在保持被测对象原有状态不变的前提下，迅速准确判断被测对象的性能指标是否满足飞行任务要求，同时测试过程不得对机上其他系统造成干扰和破坏。因此，考虑到当前外场检查、内场测试存在的局限性，必须寻求在外场条件下对通信系统进行原位性能测试的途径。

1 机载超短波通信系统简介

机载通信系统作为现代飞机机载电子系统的重要组成部分，作用是实现飞机与地面、飞机与飞机以及飞机与其他平台之间的话音和数据信息的传输。机载通信系统的使用贯穿飞机的起飞、训练、巡航、作战以及着陆的整个过程，是保证飞机飞行安全、训练任务和作战任务圆满完成的主要保障条件[3]。

机载超短波通信是自航空通信成体系规范以来应用最广泛的通信方式，主要用于视距传输、航空遥测遥控、空中交通管理系统、数据链传输等，都是基于超短波通信建立并逐渐融合了其他通信方式。优点是视距传播特性好，可用频带比较宽。V/UHF通信在近距和中距航空通信中有着HF通信无法比拟的优势，通信可靠性、可用性远远高于HF通信，且可以实现高速率的数据传输。民用航空数据链（VHF Datalink，VDL）和军用航空战术数据链（Joint Tactical Information Distribution System，JTIDS）都是基于超短波通信的优良属性进行部署的。随着近年来数字通信技术和通信体系的发展，基于软件无线电的超短波通信设计和开放式通信体系的应用，航空超短波通信在未来全球互联互通的航空通信网络中仍将占据重要地位[4]。

2 测试方案

2.1 天线辐射法

在机载天线远区场架设一副与机载天线相同的天线作为测试天线，无线电综合测试仪通过该测试天线与机载通信系统进行无线电收发，同时通过一套音频电缆，实现无线电综合测试仪与机上通信系统的音频信号交联，完成相关性能测试。测试原理如图1所示。

图1 天线辐射法测试原理

该方案实施时应注意如下内容。

（1）场地选择。天线与天线之间除直射波外，还有来自地面、周围物体等的反射波，会造成增益变化、副瓣电平抬高等现象而引起测试误差。所以，测试时将被测飞机停放在外场开阔场地，尽量减小反射波的影响。

（2）测试天线架设。测试天线架设在距离被测飞机20 m处（处于超短波频段辐射远区），架设高度与机上天线基本一致。测试天线下方放置一块2 m×2 m的铝板，作为测试天线的反射面，如图2所示。

图2 天线架设

2.2 线缆连接法

部队飞机一般停放在机库内，受飞行、保障车辆、天气等因素影响，有时不便于提供开阔的测试场地，也可以在机库内采用线缆连接法进行测试。发射参数和接收参数测试时，设备连接方式不同。

（1）发射参数测试。将电台面板连接天线的射频电缆拧下，连接到通过式功率计输出端；用一根射频电缆，将电台面板射频端口连接到通过式功率计输入端，如图3所示。

（2）接收参数测试。将超短波电台天线馈线与电台断开，与无线电综合测试仪射频端口（T/R）分别连接至合路器的两个输入端口；将电台射频端口连接至合路器输出端，同时通过一套音频电缆，实现无线电综合测试仪与机上通信系统的音频信号交联，如图4所示。

图3 发射参数测试连接

图4 接收参数测试连接

3 测试指标选取

外场测试不需要面面俱到，不需要关注机载设备的所有技术参数，而是要从整体角度考核超短波通信系统的整体功能和性能，以保证系统效能的正常发挥。在指标选取时，应选用最能反映系统整体性能的技术参数，重点关注随时间变化可能出现性能下降的指标。经过部队和厂所调研，本文选取的测试指标如下。

3.1 天线方向性

天线的方向性[5]是指天线在空间不同方向辐射或接收无线电波的能力，通常用方向图来评估。机载超短波天线为全向天线，理论上在水平面内的方向图应为近似圆形，但受安装位置和飞机机体结构影响，装机天线的方向图会发生变化。图5为某型飞机机背超短波天线和机腹超短波天线在飞机水平面的方向图，-90°为机头方向，90°为机尾方向，测试频点为125 MHz。显然，装机天线的方向图并非理想的均匀全向，且机腹天线方向图均匀度优于机背天线。

对于不同机型，测试天线架设的位置和天线增益密切相关，如果未考虑装机天线方向性因素，必将导致较大的测试误差。

图5 机背天线与机腹天线水平面方向图对比

3.2 天线驻波比

天线端口驻波比[6-7]是电台信号能量通过天线辐射的指标。驻波比过大，一方面会减小电台的正向功率输出，导致通信距离缩短；另一方面会造成较大功率的能量反射，即沿原传输路径反射回发射机端，形成很强的馈线发射，导致机内电磁环境恶化，严重时甚至会烧毁发射机[6]。

3.3 发射频率和功率

发射机最主要的性能参数是发射频率和功率。如果频率偏差较大，将无法正常通信，而发射功率与通信距离直接相关。采用天线辐射法测试，如果发射功率正常，即可表征该通信系统发射通道状态完好。这里发射通道包括发射机、射频馈线、天线等，部分机型还包括共址滤波器。

3.4 静噪灵敏度

接收机灵敏度[8-10]是衡量通信系统接收微弱信号能力的指标，也是影响通信距离和通话质量的关键指标。因此，灵敏度测试对于分析机载通信系统的电磁兼容状态具有重要的参考价值。为抑制背景噪声，飞行员在使用电台时都是置于静噪模式，所以本文也只测试静噪灵敏度，与实际使用状态一致。

4 测试原理及步骤

4.1 天线辐射法

4.1.1 天线方向性

（1）测试原理

机载天线与测试天线极化和阻抗均匹配，并且测试在满足远场条件下进行。由Friis传输公式[8]，可得：

式中：Pr为测试天线接收到的信号功率，单位为W；Pt为机上天线发射的信号功率，单位为W；Gr为测试天线的增益，单位为dBi；Gt为机上天线的增益，单位为dBi；λ为传输信号的工作波长，单位为m；R为机上天线与测试天线之间的距离，单位为m。

对式（1）进行变换，可得：

将式（2）以dB为单位，可变换为：

式中，f表示发射频率，单位为MHz。

令Lp=32.45+201gR+201gf，表示电磁波空间传输损耗，则式（3）可表示为：

考虑到收发链路的馈线损耗，式（4）应修正为：

式中：Lt为机上天线馈线传输损耗，单位为dB；Lr为测试天线接收端电缆传输损耗，单位为dB。

由于收、发天线完全相同，即Gt=Gr=G，代入式（5），有：

（2）测试方法及步骤

测试步骤如下：

①测量收发馈线在各工作频点的损耗值；

②测量天线之间的直线距离；

③从电台射频端口直接测量发射功率；

④按图2进行设备连接，控制电台在各工作波道发射，测量接收到的信号功率；

⑤根据式（6）计算各频点天线增益。

⑥以机上天线位置为圆心，以20 m为半径，在地面画一个圆周，在圆周上沿飞机轴向两侧对称位置选取若干测试点，如图6所示；重复步骤④～步骤⑤，比较不同位置的天线增益，绘制方向图。

图6 装机天线方向性测试

4.1.2 发射频率和功率

（1）测试原理

设置电台工作模式（AM/FM），选择需要测试的工作波道（尽量覆盖UHF和VHF波段），按下PTT按钮，使电台发射载波信号；通过无线电综合测试仪测量天线接收到的信号频率和功率，判断是否正常。

频率准确度的确定，可通过将测试值与电台实际工作频率进行比较；而发射功率的确定，则需要按式（7）进行换算得到：

其中，G为实测的机上天线增益（dBi）。

（2）测试方法及步骤

①在距离机上天线20 m处固定一个测试位置，架设测试天线；

②按图2进行设备连接；

③预置电台波道号；

④预置电台工作在AM或FM模式；

⑤接通PTT，使电台处于发射状态；

⑥用无线电综合测试仪测量发射的载波频率和功率，并利用式（7）换算成电台发射功率，与电台技术指标进行比较。

4.1.3 静噪灵敏度

（1）测试原理

通过设置无线电综合测试仪，使其产生一个带有标准音频调制（AM或FM）的射频信号，并通过天线向空间辐射；机载通信系统接收到该信号并进行解调处理，将解调后的音频信号通过耳机通道送至无线电综合测试仪的音频输入端口；调整无线电综合测试仪射频输出功率从小到大，直到冲破电台静噪门限，此时观察音频信号的信纳比是否满足要求（大于10 dB）；电台所能接收的最小输出功率反映了该通信系统的静噪灵敏度。

将无线电综合测试仪输出的当前功率值Ptmin按式（7）进行换算，即可计算出电台的静噪灵敏度Prmin：

其中，G为实测的机上天线增益（dBi）。

（2）测试方法及步骤

①在距离机上天线20 m处固定一个测试位置，架设测试天线；

②按图2进行设备连接；

③设置无线电综合测试仪工作于AM或FM状态（调制频率1 kHz正弦信号，AM 30%调制度或FM±6 kHz频偏）；

④预置电台波道号和工作模式（AM或FM），静噪接通；

⑤从小到大逐渐调节无线电综合测试仪的输出射频信号，直至静噪“开启”，此时SINAD会从0突然增大至10 dB左右，耳机中出现1 kHz的单音；

⑥记录此时无线电综合测试仪的输出功率，并利用式（8）换算成电台静噪灵敏度，与技术指标进行对比。

4.2 线缆连接法

该方案的测试原理与内场测试基本相同，只是静噪灵敏度测试时，通过一个合路器将机上天线接收到的电磁环境信号叠加至无线电综合测试仪的射频输出信号中。

4.2.1 电台发射功率和天线驻波比

（1）测试原理

将通过式功率计探头串联在机载超短波通信系统电台射频端口和天馈之间，在电台发射时直接测量电台发射功率和天线驻波比。

（2）测试步骤

①从超短波话音电台前面板连接天线的射频端口将馈线拆下，然后将该馈线连接至通过式功率计探头的输出端，再用一根射频电缆连接通过式功率计探头的输入端至电台前面板射频端口，测试连接关系如图3所示；

②预置电台波道号；

③预置电台工作在AM或FM模式；

④接通PTT，使电台处于发射状态；

⑤从通过式功率计上读取电台发射功率和天线驻波比。

4.2.2 静噪灵敏度

（1）测试原理

通过设置无线电综合测试仪，使其产生一个带有标准音频调制（AM或FM）的射频信号，并通过合路器送至电台。电台接收机接收到该信号并进行解调处理，将解调后的音频信号通过耳机通道送至无线电综合测试仪的音频输入端口；调整无线电综合测试仪射频输出功率从小到大，直到冲破电台静噪门限，此时观察音频信号的信纳比是否满足要求（大于10 dB）；电台所能接收的最小输出功率反映了该通信系统的静噪灵敏度。

（2）测试方法及步骤

①将超短波电台天线馈线与电台断开，与无线电综合测试仪射频端口（T/R）分别连接至合路器的两个输入端口；将电台射频端口连接至合路器输出端。测试连接关系如图4所示。

②设置无线电综合测试仪工作于AM或FM状态（调制频率1 kHz正弦信号，AM 30%调制度或FM±6 kHz频偏）；

③预置电台波道号和工作模式（AM或FM），静噪接通；

④从小到大逐渐调节无线电综合测试仪的输出射频信号，直至静噪“开启”，此时SINAD会从0突然增大至10 dB左右，耳机中出现1 kHz的单音；

⑤记录此时无线电综合测试仪的输出功率Ptmin，则灵敏度计算公式修正为式（9），减去合路器和线缆损耗，得到电台静噪灵敏度，与技术指标进行对比。

其中，Lr为测试电缆损耗，单位为dB；L合为合路器插入损耗，单位为dB。

5 测试结果

按照以上的系统级原位性能测试方案，对某型飞机的机载超短波通信系统性能进行测试验证。为了体现测试的普遍适用性，选取该型10架飞机进行测试验证，分别编号为1#～10#。测试中以电台常用工作模式AM为例，选取常用波道1、2、3、4进行测试。现以1#飞机为例，得到机载天线在某一工作频点下的方向图（如图7所示），其他工作频点的天线方向图大体类似，在此不再列出。

从方向图可以看出，该型飞机超短波天线在水平面方向性为近似圆形，符合全向天线的方向性特征。系统性能指标测试结果如表1所示。由测试结果可以看出，发射功率≥40 dBm，满足指标要求；驻波比≤2.5，满足指标要求；静噪灵敏度在标称值（-103 dBm）动态范围内，满足指标要求。

表1 1#飞机通信系统性能指标

图7 某型机超短波通信系统装机方向图

测试中5#飞机存在发动机综合电子调节器（综调）干扰超短波电台的故障现象，即飞机发动机左、右综调上电后（正常工作），对电台低频段（130 MHz以下）产生较大电磁干扰，测试频谱如图8所示，造成通信系统灵敏度下降。更换综调后干扰消失，通信系统灵敏度恢复正常。更换左综调前灵敏度测试数据如表2所示，更换左综调后灵敏度测试数据如表3所示。同时，部队也反映该架飞机通信距离近的问题长期存在。通过测试和分析认为，该机综调及相关线路是造成超短波电台系统灵敏度下降的主要原因。

图8 测试频谱图

表2 灵敏度测试（更换左综调前）

表3 灵敏度测试数据（更换左综调后）

上述测试实例充分证明了本文提出的原位性能测试方法能够有效掌握机载超短波通信系统的主要性能，发现和定位系统故障。

6 结 语

本文对机载通信系统的原位性能测试原理和步骤进行探讨研究，提出了两种系统级原位性能测试方案，并以某型飞机的超短波通信系统为例进行了实际测试验证。通过对机载通信系统进行系统级的原位性能测试验证，一方面可以掌握系统实际装机状态下的性能状态，确保系统效能的充分发挥；另一方面通过测试可以复现和查找系统故障。为了使外场机务保障人员更好地了解和掌握机载通信系统实际使用过程中的性能状况，更好地做好装备的维护保障，外场条件下的系统原位性能测试是现实的，也是必要的。