民航进口在役空管二次雷达维修维护实践

唐凯，徐鹏

（民航空管技术装备发展有限公司，北京，100015）

0 引言

截至2020年5月底，我国民航空管体系投产运行的一/二次合装雷达30套，单二次监视雷达110套，可见雷达保障航路安全的重要性不言而喻。贵阳磊庄雷达站INDRA二次雷达于2012年校飞后投产运行，有效完善了贵阳本场及部分航路雷达覆盖，其主要用户单位为贵州空管分局各管制室、驻磊庄空军部队等，2020年10月该雷达目标方位出现明显的偏移现象，导致分局航管在自动化系统中断开磊庄雷达信号[1]。

1 雷达信号方位偏移故障现象

贵阳磊庄INDRA二次雷达在S和A/C模式下均出现不同程度的目标偏移现象，切换主备通道，故障依旧。通过分析雷达现场连续一个月对测试应答机方位偏离度数据的采集结果，发现目标方位正偏移最大+1.69度，负偏移最大-1.1度，目标方位偏移度随时间变化，超前或滞后，偏移故障现象发生的时间点、持续时长均存在一定的不确定性，但偏移最大值变到最小值的过程体现出连续性现象，如图1所示，每间隔20分钟采集1次，共采集2100次。

图1 目标偏移方位数据采样图

2 单脉冲二次雷达目标方位测量原理

INDRA二次雷达采用单脉冲测角技术结合增量式光电编码器的机械方位，计算出飞机精准的方位信息。雷达目标实际方位由三部分构成，即天线瞄准轴指向角θ、偏离瞄准轴角度β、符号信息±。

方位角=C+N×0.022±β

其中：

C:预设的正北方位偏置角度，为可更改的常数

N:以编码器ARP脉冲为参考对ACP脉冲的计数

θ天线瞄准轴指向角=C+N×0.022°

β偏离瞄准轴角度，主要与接收的归一化和差信号幅度比 |EΔ/EΣ|有关

增量式光电编码器：天线驱动平台上有主备两个增量式光电编码器，随着天线同步转动，每转一圈输出16384个ACP增量脉冲并在固定位置上产生的1个ARP基准脉冲。

单脉冲测角技术：二次雷达天线阵列在接收飞机应答信号时，在水平方位上形成两个独立波束，分别处于波束瞄准轴两侧，并关于瞄准轴对称，空管二次雷达接收到的飞机应答信号通过天线阵列后，经过高频和差变换器，实现两个独立波束的加/减，输出等效的Σ、Δ射频信号经馈线传输给雷达接收机。应答信号在Δ通道里的幅度为|EΔ|，在Σ通道里的幅度为 |EΣ|，经过 lg|EΔ/EΣ|、A/D转换，查 OBA（off-boresight Angle）表可得出飞机偏离波束瞄准轴的方位数据，即偏轴角β。符号信息“±”表示目标相对于瞄准轴偏左或偏右，在接收机通道中，利用相位检波器检测Σ、Δ信号的相对相位关系来确定[2]。

3 故障处理过程

3.1 偏离瞄准轴角度β和符号信息±

OBA表实际上就是一个Table Index（表索引值）与OBA值的映射关系表，直接体现目标偏离瞄准轴角度“β”和符号信息“±”的数值。雷达初次调试、和差通道相关部件更换、录取器板件或软件更新后，均需重新校验生产正确的OBA表，才能保证目标方位准确性。

首先，将单脉冲表分别设置为2012年的参数、Default、重新生成，目标依然偏移；切换备用通道后，设置OBA表，故障依旧。另外，和差通道的相位差值和插损对生成信号单脉冲曲线至关重要，因此用矢量网络分析仪对射频切换开关、和差馈线、旋转交连、天线公分网络的相位/插损和电压驻波比进行了测量，测试值稳定，均在正常范围内。在上述常规检查未找到原因后，备份当前SLG软件，将SLG恢复的2012年校飞之后的版本，更换MCPU板，保留原有参数配置，通过VR3000显示，目标依旧偏移。

3.2 天线瞄准轴指向角θ

本次，利用 RASS（Radar Analysis Support System）雷达分析支持系统专用仪表，对编码器和天线旋转部分进行性能评估分析，主要用到雷达陀螺倾斜仪RGI596、雷达编码器记录仪RER794与应用软件RASS-S R7.2。在天线转盘上固定放置RGI596跟随天线同步旋转，以检测天线旋转的角速度参数，此外RGI596中内置有倾斜仪能够测量出转盘的水平性能，而RER794用来记录增量编码器输出的ACP、ARP脉冲信息。通过RASS-S应用软件分析陀螺倾斜仪和编码器记录仪的测量数据，产生精确的编码器脉冲质量、旋转平稳性和转台水平度。

测试前，确定了各项参数标准，根据《空中交通管制二次监视雷达系统技术规范》要求方位角鉴别力应不大于0.022°，雷达安装工艺要求天线转台水平通常在3′之内，结合航管二次雷达其他站点的天线旋转角速度偏差数据，旋转角速度最大偏差应该不超过0.2，例如嘉峪关0.038、民勤0.095、库车 0.096、大连 0.022、珠海 0.098、温州 0.015、静宁0.199、榆林 0.059、桂林0.039等。

本次首先检测编码器1和转台，天线总共旋转191圈，结果为倾斜水平度最大偏差0.117°，陀螺仪角速度最大偏差0.7775，编码器1最大方位偏差0.0068°；其次检测编码器2和转台，天线总共旋转365圈，结果为倾斜水平度最大偏差为0.128°，陀螺仪角速度最大偏差为0.971，编码器2的最大方位偏差为0.0081°，测出的天线旋转机械性能及编码器性能数据如图2、图3所示。

图2 天线旋转机械性能及编码器1分析图

图3 天线旋转机械性能及编码器2分析图

分析本次RASS检测的数据，判定编码器1、2性能正常，天线水平度不符合指标，天线旋转角速度偏差过大，因此怀疑导致目标偏移的可能为某机械传动机构故障引起天线旋转角速度测量值偏差过大，不排除是马达、减速箱、天线轴承环或其他配套机械旋转机构。

3.3 检查天线传动装置

根据RASS分析后，按操作难易程度，在更换马达、减速箱及旋转铰链后，再次进行RASS测试，天线旋转角速度偏差依旧过大，说明主要问题应该在转台内部。在讨论商定方案后，最终决定实施最复杂的排故手段，检查天线轴承环及其配套机械旋转机构。在有限作业空间的雷达罩内，采取搭设脚手架等措施对二次雷达天线进行了拆卸吊装平移，拆除并检查汇流环、天线转盘、双模连接器、编码器机械装置、轴承环的结构情况，并更换双模连接器、轴承环。

如图4所示，双模连接器是转盘与方位编码器传动机构的连接件，随转盘转动，并带动方位编码器的齿轮盘旋转。如图5所示，轴承环内侧有150个内齿，轴承环的外/内螺孔分别用于连接固定部分和转动部分，内环为转动部分，带动转盘转动，进一步驱动天线旋转[3]。

图4 双模连接器

图5 双模连接器、轴承环图表

在更换双模连接器之前，发现双模连接器内部螺丝松动，会导致方位传动装置齿轮盘与天线转台旋转不完全一致，经测量两者存在2°左右的最大偏差，更换备件后紧固，可解决了旋转不一致性的问题。在更换轴承环之前，测量了电机减速箱齿轮与轴承环内齿轮的间隙为0.7-0.8，因为齿侧间隙过大会产生齿间冲击，影响齿轮传动的平稳性，在更换轴承环后齿侧间隙为0.25～0.4，将大大提升转台旋转的平稳性。

3.4 天线旋转机械性能复测

更换双模连接器、轴承环后，重新配置雷达编码器方位偏置参数，再次利用RASS对编码器和天线旋转部分进行性能评估分析，结果为倾斜水平度最大偏差0.125°、陀螺仪角速度最大偏差0.134、编码器2的最大方位偏差为0.0078°，可见天线旋转角速度偏差明细改善。雷达开发射后，观察目标数月，方位偏移现象没有复现。

4 结束语

本文阐述了单脉冲二次雷达方位测量原理，在分析故障的原因时，紧密围绕天线瞄准轴指向角、目标偏离瞄准轴角度和符号展开，从射频电缆、电路板硬件、雷达软件到天线机械装置，结合以往实践经验逐步研究排查，顺利解决了目标方位偏移现象，希望能够对同行处理此类故障有一定的帮助。

随着雷达使用年限的增加，面对天线装置驱动机构磨损、器件老化、整机性能下降等原因引起的故障会越来越多。根据各地区正式上报空管局技术中心的雷达故障汇总情况（2018-2020年），单独就INDRA二次雷达而言，总共出现故障36次，其中10次涉及天线机械部分，建议定期实施雷达天线与天线座专项巡检，采取措施将隐患消灭在萌芽状态，同时历年的巡检数据可作为现场维护保障、运行状况评估、设备大修、设备更新改造以及建设规划的重要依据。