雷達高度計

<image>

雷達高度計（radar altimeter，簡稱為RA），又名電子高度計（electronic altimeter）、反射高度計（reflection altimeter）、無線電高度表（radio altimeter，RADALT）、低範圍無線電高度表（low range radio altimeter，LRRA），是使用在飛機等航空器上測量高度，以它發射的電波從它下方的地形反射回來所需要的時間，測量飛機或太空船與下方的距離。這種類型的高度計提供天線和下方地表的直接距離，與基於平均海平面的氣壓高度計不同。

民用航空器上使用的無線電高度表一般為低高度無線電高度表（LRRA，Low Range Radio Altimeter），測量範圍為-20到2,500英尺，通常用於航空器進近和著陸階段，特別是在低能見度和自動著陸的情況下。無線電高度表是近地警告系統（GPWS）的基本組成部分。

## 原理

據名可究，該系統使用與雷達相同的原理。它向地面發射無線電波，進而根據電波傳播時間和光速測算出離地高度。與使用陰極射線管的早期雷達系統不同，雷達高度計僅僅依靠簡單的時間差來測量即可，所以能在常規儀表上得以顯示。

為此，發射機需要發送一個調頻信號。在給定時間 $T$ 內，該信號的頻率在最小值 $F_{min}$ 和最大值 $F_{max}$ 之間往復變化。在早期設備中，這是通過小型電動機驅動的可調電容 LC 諧振迴路實現的。該輸出隨後與射頻載波信號混合，由發射天線發出。

由於信號往返地面需要時間，接收信號的頻率相對於當前發送信號的頻率存在些許延遲，這段時間差直接表徵了高度資訊。混頻器可提取這兩個頻率的差值。其輸出頻率通常在每秒數百次（Hz）量級，而非兆赫（MHz）量級，因此能在模擬儀表上顯示。該技術被稱為。

雷達高度計顯示的是絕對高度，即，這與標準氣壓高度計顯示的指示高度不同。

截至2010年，所有商用雷達高度計均採用線性調頻連續波（LFMCW或FMCW）技術，並且美國約25000架飛機都配備了至少一台無線電高度計。

## 歷史

### 早期

<image>

雷達高度計的原理概念並非源自整個雷達領域，而是起源於貝爾實驗室對長距離電話通信的研究。在20世紀10年代，貝爾電話公司一直面臨電話線路的阻抗變化所引起的信號反射問題，這些問題通常發生在設備與線路的連接處，而在接續站尤為明顯。不匹配的阻抗會導致大量信號反射，從而極大阻礙了長距離電話通信的進行。

工程師們觀察到，信號反射具有一種明顯的「波峰波谷」規律：對於任何特定的信號頻率，只有當設備位於線路的特定節點時，這一問題才會變得顯著。由此，工程師們想到向線路發送測試信號並逐步改變其頻率，直到接收到明顯的回波為止。通過測量回波的時間，便可大致確定設備所在距離。這樣即使在設置了大量接續站的複雜線路中，也能實現定位和糾正。

在貝爾實驗室工作期間首次將這一現象應用於電線距離測量。他在該領域的早期成果之一，是1919年（1924年獲批）的一項專利。該專利的核心思想是向鐵軌發送信號，並測量到達「不連續點」的距離。這項技術最初可用於檢測斷軌，而如果測得的距離變化速率超過列車運行速度，亦可預警同一線路上有其他列車存在。

### 阿普爾頓對電離層的測量

在同一時期，物理學界圍繞無線電波傳播的性質展開了一場盛大的辯論。古列爾莫·馬可尼成功跨大西洋的無線電信號傳輸，其原理在當時看來是難以置信的。無線電信號的研究表明，它們至少在遠距離傳輸時是沿直線傳播的，因此，在康沃爾發射的信號本應消失在太空，而不是在紐芬蘭接收到。於是，人們提出了疑問：信號是如何穿越大洋的？

1902年，英國的奧利弗·黑維塞和美國的獨立提出了一個假說：高層大氣中存在一層電離層，該電離層能夠將信號反射回地面，使其得以被接收，即後人所知的。

儘管理論很飽滿，但直接證據卻很缺乏。直到1924年，愛德華·阿普爾頓和才在與英國廣播公司合作進行的一系列實驗中成功證明了這種電離層的存在。當年，在例行傳輸結束後，英國廣播公司位於伯恩茅斯的一台發射機發出信號，並緩慢提升其頻率。此信號被阿普爾頓在牛津的接收器接收到，此時接收器記錄了兩個信號。一個信號是來自發射站的直接信號，即；另一個信號是經過更長時間到達哈維賽德層並反射回來的信號，即。

至此，證明天波信號確實是通過大氣層回彈得來成為關鍵。這就是改變頻率的目的所在：地面信號傳播路徑更短，到達接收器的時間更近，因此其頻率與瞬間發射的頻率更接近；而天波由於路徑更長，傳輸時間更久，因此它承載的是一個「過去」的頻率。

通過在混頻器中混合二者可產生第三個具有獨特頻率的信號，該頻率攜帶了兩個輸入信號之間頻率差異的編碼。由於該新頻率差異源於傳輸路徑的差異，因此它能直接表示信號的傳輸路徑長度。儘管技術上更為複雜，但它本質上就是貝爾公司最初用於測量電線中反射體距離的基礎技術原理。

### 埃弗里特與紐豪斯

1929年，俄亥俄州立大學教授開始考慮將阿普爾頓的基本技術應用於高度計系統。他將此項目交由兩位大四學生和 M. W. 哈維爾（M. W. Havel）負責。他們的實驗系統更接近貝爾實驗室早期的工作，即利用頻率變化來測量導線兩端的距離。兩人以該系統作為了1929年的一項聯合畢業論文課題發表。

埃弗里特向美國專利局透露了該概念，但當時並未提交專利。隨後，他尋求了的開發資金。基金會秘書吉米·杜利特爾聯繫了貝爾實驗室的萬尼瓦爾·布希尋求判斷。布希對當時該系統能否成熟開發持懷疑態度，但仍建議基金會資助開發一個原型。這使得紐豪斯得以搭建一台實驗設備，並將其作為與 J. D. 科利（J. D. Corley）合作的1930年碩士論文基礎。

該原型設備隨後被帶到，由著名的飛機導航專家進行測試。赫根伯格發現該系統運作符合預期，但指出要實現實用化，必須將其頻率提升到更高。

### 埃斯蓬希德與紐豪斯

埃斯蓬希德也曾考慮應用阿普爾頓的方法進行高度測量。1926年，他提出了該概念，不僅作為測量高度的方法，還將其視為一種預見性的、用於地形規避和碰撞檢測的系統。然而，當時所用的短波無線電頻率比實際所需的頻率低了五十倍。

埃斯蓬希德最終在1930年為該方法申請了專利。那時，紐豪斯已經離開了俄亥俄州立大學，並在貝爾實驗室找到了工作。在這裡，他遇到了對無線電導航課題同樣感興趣的彼得·桑德雷托（Peter Sandretto）。桑德雷托於1932年離開貝爾，成為美聯航的通信主管，負責引領商用無線電系統的開發。

埃斯蓬希德的專利直到1936年才獲批，其發布引發了極大的關注。與此同時，貝爾實驗室正在研發新的電子管，它們能在高達 500MHz 的頻率下輸出5至10瓦的功率，完美符合該應用的需求。這促使桑德雷托聯繫貝爾。在1937年，貝爾實驗室與美聯航建立了合作關係，目標是構建一個實用的檢測系統。在紐豪斯的帶領下，一個團隊於1938年初完成了原型測試，西部電氣（當時為貝爾門下的製造部門）也為生產模型做好了準備。紐豪斯也基於此工作提交了多項技術改進專利。

### 商業應用

雷達高度測量系統於1938年10月8日和9日首次公開亮相。二戰期間，美國無線電公司接手了大規模生產，型號分別為ABY-1和RC-24，戰後則由多家公司接手。隨著盲降的普遍化，該系統成為許多飛機的標準設備。

次年，埃斯蓬希德和紐豪斯聯合發表了一篇描述該系統的論文。該論文分析了系統的誤差來源，並得出結論，最壞情況下固有的誤差約為9%，但在飛行至城市建成區等複雜地形時，此誤差可能高達10%。

在系統早期的飛行測試中，人們注意到示波器上顯示的信號返回模式會根據飛機下方地形的不同類型呈現出獨特的規律。這為該技術開闢了包括地面掃描和導航等各種用途的可能性。然而，當時貝爾實驗室尚未能探索這些概念。

### 通用雷達系統的應用

<image>

從19世紀末以來，人們便知曉金屬和水是優秀的無線電信號反射體。自那時起，科學家們便嘗試開發過無數用於探測船隻、列車和冰山等目標的設備。然而，這些早期嘗試大多存在顯著的實際限制，主要是因為它們使用了低頻信號，而低頻信號的良好性能要求天線必須足夠巨大。與此相比，工作基頻為450 MHz的貝爾天線是其時代最高頻率的系統之一，故其具有極大的實用性。

在加拿大，國家研究委員會開始以貝爾高度計為基礎開發車載雷達系統。1940年10月，英國研究人員參加訪問加拿大時得知此事。這讓英國人感到極大震驚，因為此前英國人一直以為自己是唯一參與該概念研究的國家。眼見該想法已不再是秘密，訪問團便向加拿大國家研究委員會展示了其生產級設計方案。基於貝爾的原型設計最終被放棄，轉而採用開發更完善、以更高功率運行的英國。

在法國，IT&T法國分部的研究人員當時也在進行類似的雷達實驗，直到德軍入侵巴黎的實驗室。為防止研究成果落入德國人手中，實驗室被故意銷毀。德軍技術人員在瓦礫堆中發現了天線並追問緣由。IT&T 的研究主管將雜誌封面上的高度計展示給他們看，聲稱他們對最新的導航技術了解不夠，以此成功地轉移了德軍的懷疑焦點。

## 實際應用

### 民用航空

<image>

<image>

雷達高度計廣泛用於商用飛機的進近和著陸階段，尤其是在低能見度條件下（參見儀表飛行規則）以及自動著陸過程中。當飛機在距地面 200–300 英尺（61–91 米）以下並進入下滑道截獲模式時，雷達高度計可讓自動駕駛系統判斷何時開始動作。雷達高度計同時還會向自動油門系統提供數據，而自動油門系統屬於飛行電腦的一部分。

雷達高度計通常只能提供最高至距地面 2,500 英尺（760 米）的高度讀數。很多情況下，機載氣象雷達也可向下探測，從而獲得更遠距離的數據，最高可達距地面 60,000 英尺（18,000 米）。截至 2012 年，所有客機至少配備兩台雷達高度計，有些甚至更多，因為它們對自動著陸能力至關重要。20 世紀 60 年代的老式客機（如英國飛機公司 BAC 1-11）以及 50 座以下的小型支線客機（如 ATR 42 和宇航捷流系列）也都配備了雷達高度計。

雷達高度計也是近地警告系統的關鍵組成部分。當飛機飛得過低或下降速度過快時，它會向飛行員發出警報。不過，雷達高度計無法探測飛機前方地形，只能測量正下方地面的距離；若要實現前視地形探測，則需要結合飛機位置與地形資料庫，或使用前視地形雷達。雷達高度計天線的主波束較寬，約為 80°，因此在橫滾角不超過約 40° 時，雷達測得的是飛機到地面的距離（至最近大型反射物的距離）。這是因為系統會以每個採樣周期返回的首個信號來計算距離。只有當橫滾或俯仰超過約 40° 時，系統才會開始測量斜距。不過，這在著陸過程中並不是問題，因為飛機的俯仰和橫滾通常不會超過 20°。

民航使用的無線電高度計工作在 IEEE C 波段，即 4.2–4.4 GHz 頻率範圍內。

2022 年初在美國，部分 5G 手機基站可能對無線電高度計產生干擾，導致一些航班延誤，甚至少量航班取消。

### 軍用航空

<image>

雷達高度計同樣廣泛應用於軍用飛機，使其能夠貼近地面或海面低空飛行，以規避雷達探測、防空炮火或地對空飛彈的鎖定。與之相關的一項技術是地形追沿雷達（TFR），它能夠讓戰鬥轟炸機以極低高度飛行。

澳大利亞皇家空軍和美國空軍裝備的 F-111 戰鬥機 配備了前視地形追沿雷達，並通過數字電腦與自動駕駛儀連接。在機頭雷達罩下方安裝有兩套獨立的 TFR 天線，分別向雙通道 TFR 系統提供數據。一旦該系統發生故障，F-111 還可啟用備用雷達高度計系統，該系統同樣與自動駕駛儀相連。

因此，如果 F-111 因任何原因下降到預設最低高度以下（例如 15 米），自動駕駛系統便會立即指令飛機執行 2G 拉升動作（即大仰角快速爬升），以避免撞擊地面或海面。即便是在戰鬥環境中，撞地風險通常也遠高於被敵方發現的風險。澳大利亞和美國裝備的F/A-18 「超級大黃蜂」戰鬥機也採用了類似系統。

## 國際監管

國際電信聯盟（ITU）在（RR）第 1.108 條中，將無線電高度計定義為：「安裝於航空器或太空飛行器上的設備，用於測定航空器或太空飛行器相對於地球表面或其他表面的高度。」

無線電導航設備應依據其永久或臨時運行所屬的無線電通信業務進行分類。無線電高度計設備被歸類為，並且是導航系統中的關鍵組成部分，因此必須受到嚴格的抗干擾保護。

## 另請參閱

- 高度表
- 光學雷達