儀表著陸系統(tǒng)機載設(shè)備檢測系統(tǒng)研制

牛強軍，緱朋帥

（1.空軍第一航空學院航空電子工程系，河南信陽464000；2.鄭州大學信息工程學院，河南鄭州450001）

儀表著陸系統(tǒng)機載設(shè)備檢測系統(tǒng)研制

牛強軍1，2，緱朋帥2

（1.空軍第一航空學院航空電子工程系，河南信陽464000；2.鄭州大學信息工程學院，河南鄭州450001）

為滿足儀表著陸系統(tǒng)機載設(shè)備的性能功能檢測、故障診斷及系統(tǒng)效能評估，采用信號合成、虛擬儀器與自動測試等技術(shù)，以工控機為核心內(nèi)嵌多功能數(shù)據(jù)采集卡、通訊總線控制卡、綜合保障卡，配合儀表著陸信號模擬器，構(gòu)建了滿足儀表著陸系統(tǒng)機載設(shè)備檢測系統(tǒng)的軟硬件平臺。解決了基于DSP和DAC的多種高精度低頻調(diào)制信號產(chǎn)生、基于鎖相式多波段頻率合成、基于矢量調(diào)制技術(shù)的射頻信號產(chǎn)生、基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的專家系統(tǒng)的構(gòu)建等關(guān)鍵問題。經(jīng)測試，系統(tǒng)綜合性好，自動化程度高，適應基層級、中繼級、基地級的維修需求。文中介紹的檢測系統(tǒng)已經(jīng)小批量推廣應用，其使用技術(shù)具有一定的借鑒意義。

儀表著陸；信號模擬器；測控子系統(tǒng)；虛擬儀器

據(jù)調(diào)查研究顯示全世界范圍內(nèi)的運輸飛機有40%以上的飛行事故發(fā)生在著陸階段，其中客運飛機在進近著陸階段的飛行事故超過全部飛行事故的60%[1]。軍用飛機要進行全天候飛行，事故率要遠高于民用飛機。因此在飛機著陸階段對飛機進行精密的引導尤為必要。儀表著陸系統(tǒng)作為精密進場引導設(shè)備，它的工作狀態(tài)直接影響飛機的安全著陸，因此對儀表著陸系統(tǒng)機載設(shè)備進行定期的檢測與校驗是十分必要的。針對現(xiàn)有檢測設(shè)備的功能不夠完善，智能化、自動化程度低的問題，結(jié)合目前軍用和民用領(lǐng)域?qū)x表著陸機載設(shè)備檢測系統(tǒng)的迫切需求，本文設(shè)計了一種儀表著陸機載設(shè)備檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)x表著陸機載設(shè)備進行全面的檢測與評估，大大提高了檢測效率，保障了飛機在著陸階段的飛行安全。

1 儀表著陸系統(tǒng)導航原理

儀表著陸系統(tǒng)通過儀表的表針向飛行員提供飛機著陸時航向和下滑的偏差信息。航向面由兩側(cè)分別被90 Hz和150 Hz單音信號調(diào)幅的甚高頻載波組成，如圖1（a）所示。當飛機偏離跑道中心線左側(cè)時90 Hz的信號的調(diào)制度M90占優(yōu)勢，飛機偏離跑道中心線右側(cè)時150 Hz的信號的調(diào)制度M150占優(yōu)勢，機載接收機通過比較90 Hz和150 Hz載波信號的調(diào)制度差（DDM）來判斷飛機偏離航向面中心線的距離[2-3]。令 DDM=M90-M150，航向面中心線左側(cè) DDM＞0，航向面中心線右側(cè)DDM＜0，航向面中心線上DDM=0。航向面中心線兩側(cè)的DDM值的絕對值對稱分布，并隨飛機偏離中心線距離的增大而增大。下滑面與航向面類似，由上方90 Hz和下方150 Hz的單音信號調(diào)幅的超高頻載波組成，如圖1（b）所示。下滑面上方DDM＞0，下滑道下方DDM＜0，下滑道上DDM=0。飛機通過儀表著陸機載接收機接收地面導航臺的航向信號和下滑信號并解算出兩個DDM值，根據(jù)DDM值不斷調(diào)整前進方向，使飛機沿著航向面和下滑面的“交線”漸近著陸。

圖1 儀表著陸波束圖

2 系統(tǒng)設(shè)計原理與技術(shù)實現(xiàn)

2.1 設(shè)計思路

檢測系統(tǒng)按照“送信號，看輸出”的技術(shù)思想進行設(shè)計[4]。首先設(shè)計儀表著陸系統(tǒng)信號模擬器模擬儀表著陸航向信標臺（LOC）、下滑信標臺（GS）、指點信標臺（MKR）的信號。在測控子系統(tǒng)的控制下儀表著陸信號模擬器產(chǎn)生各種激勵信號并注入到儀表著陸機載接收設(shè)備，利用測控子系統(tǒng)檢測儀表著陸機載接收設(shè)備輸出的響應信號，分析這些響應信號的狀態(tài)及其變化規(guī)律判斷儀表著陸機載接收設(shè)備各項性能指標是否符合要求。因此，一次完整的測試包括用信號模擬器產(chǎn)生的信號激勵被測單元（UUT），利用測控系統(tǒng)檢測UUT的反饋信息[5]，分析反饋信息并得出結(jié)論。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

儀表著陸機載設(shè)備檢測系統(tǒng)的硬件組成如圖2，系統(tǒng)是由儀表著陸信號模擬器和儀表著陸測控子系統(tǒng)構(gòu)成的完整的檢測系統(tǒng)。

圖2 儀表著陸機載設(shè)備檢測系統(tǒng)框圖

儀表著陸信號模擬器完成儀表著陸地面導航臺的信號模擬，這些信號可以從端口適配器引出。另外信號模擬器還設(shè)有天線借口，通過外接天線可以實現(xiàn)儀表著陸系統(tǒng)地面臺站的發(fā)射信號波束模擬。信號模擬器與接口適配器、外接天線及測控子系統(tǒng)配合，完成儀表著陸機載設(shè)備的性能、功能測試[6-8]。信號模擬器有獨立的顯示和控制面板，用于對輸出信號參數(shù)的顯示和調(diào)節(jié)。信號模擬器的輸出信號參數(shù)還可以通過RS232接口由上位機調(diào)控，配合測試軟件產(chǎn)生各種激勵信號。

儀表著陸測控子系統(tǒng)是以工業(yè)控制計算機為核心構(gòu)成的一個開放的、易擴展的、維護性好的硬件平臺。工控機與普通PC相比，有較高的防磁、防塵、抗沖擊能力，對惡劣環(huán)境具有較強的適應性，并且便于安裝調(diào)試。以工控機為核心，有助于增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足儀表著陸機載設(shè)備檢測系統(tǒng)的內(nèi)外場工作需求。儀表著陸測控子系統(tǒng)以工控機作為構(gòu)建平臺，通過PCI端口掛接通訊總線驅(qū)動卡、多功能數(shù)據(jù)采集卡、綜合保障卡等設(shè)備組成完整的測控單元。儀表著陸測控子系統(tǒng)通過嵌入的ARINC429數(shù)據(jù)總線卡接收儀表著陸機載設(shè)備的反饋信號，分析這些信號可以得到儀表著陸機載設(shè)備的工作狀態(tài)，進而對其性能功能進行測試。測控子系統(tǒng)還設(shè)有PCI-1718多功能數(shù)據(jù)采集卡，該卡提供16路模數(shù)轉(zhuǎn)換、單通道數(shù)模轉(zhuǎn)換、16通道數(shù)字量輸入、16通道數(shù)字量輸出和定時/計數(shù)器5種功能。數(shù)據(jù)采集卡采集儀表著陸機載設(shè)備的輸出或者其電路板上測試點的信號，分析這些信號的狀態(tài)及其變化規(guī)律，能夠進一步對儀表著陸機載設(shè)備的工作狀況進行評估。通過綜合分析數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)和被測單元的反饋數(shù)據(jù)，能夠幫助維修工程師盡快鎖定故障點，節(jié)省大量的維修時間。綜合保障卡內(nèi)設(shè)有自檢控制電路和電源監(jiān)控電路，用于系統(tǒng)自檢和對整機的電源及功耗進行監(jiān)控。

此外，以工業(yè)控制計算機作為構(gòu)建平臺，可以利用虛擬儀器的強大功能，編寫基于Lab Windows的上位機軟件。通過上位機軟件對系統(tǒng)的全部資源進行調(diào)配，對檢測數(shù)據(jù)進行分析及顯示，提供友好的人機交互界面，這些功能提高了測控系統(tǒng)的自動化程度。

2.3 軟件設(shè)計

本文基于虛擬儀器的思想設(shè)計上位機軟件[9]。在信號模擬器和測控子系統(tǒng)構(gòu)建的硬件基礎(chǔ)上，編寫基于LabWindows的虛擬儀器軟件。虛擬儀器軟件是整個測控系統(tǒng)的核心部分，其主要完成對系統(tǒng)自檢的控制、對信號模擬器和測控子系統(tǒng)進行控制、對檢測數(shù)據(jù)進行分析和處理以及對分析結(jié)果進行輸出顯示等功能，軟件結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖

軟件中儀器自檢程序依靠測控子系統(tǒng)中的自檢電路對儀器自身的各個單元進行檢測。儀表著陸信號模擬軟件模塊通過RS232接口對信號模擬器的工作模式（LOC、GS、MKR）、信號參數(shù)（波道號、DDM、常態(tài)/識別）等數(shù)據(jù)進行設(shè)置。機載設(shè)備測控系統(tǒng)軟件模塊配合信號模擬軟件模塊對機載接收機的接收靈敏度、DDM誤差、抗干擾能力、告警和臺站識別等功能進行檢測。軟件中的故障診斷系統(tǒng)[10-11]將自檢信息、著陸信號參數(shù)與對機載設(shè)備的測試信息進行統(tǒng)一的分析處理后輸出檢測報告。上位機軟件可以對系統(tǒng)的全部資源進行調(diào)配，對檢測數(shù)據(jù)進行分析及顯示，這些功能提高了測控系統(tǒng)的自動化程度。

文中所編寫的上位機軟件由3部分組成，如圖4所示。圖4（a）是軟件的主界面，在該頁面內(nèi)可以設(shè)置RS232、ARINC429的接口參數(shù)，對測控系統(tǒng)工作電壓進行監(jiān)控，實現(xiàn)測控系統(tǒng)的自檢。圖4（b）是對儀表著陸信號模擬器進行調(diào)控的區(qū)域，在該面板上可以對輸出信號的電平、DDM、工作模式等進行設(shè)置及調(diào)整。圖4（c）是檢測系統(tǒng)的主要顯示及控制界面，顯示內(nèi)容主要包括DDM、接收功率、接收靈敏度以及數(shù)據(jù)信號的誤碼率等內(nèi)容。

圖4 上位機軟件部分界面

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于DSP的信號合成技術(shù)

音頻信號的頻率范圍為90～3 000 Hz，頻率較低，但是對90 Hz和150 Hz調(diào)制信號的電平精度有較高的要求。綜合考慮音頻調(diào)制信號的頻率低、電平精度高的特點，選擇由DSP和DAC電路直接合成的方法。該方法關(guān)鍵是要用數(shù)字信號處理的方法實現(xiàn)音頻調(diào)制信號的高精度輸出。由DSP通過軟件運算的方法對音頻調(diào)制信號的幅度進行調(diào)整，然后疊加，再經(jīng)過DAC電路實現(xiàn)調(diào)制信號的高穩(wěn)定輸出。這種方法可以保證對幅度調(diào)制時高線性度的要求，避免出現(xiàn)調(diào)制度穩(wěn)定性低的問題[12-15]。

具體實現(xiàn)步驟如圖5所示，DSP分別從波形數(shù)據(jù)存儲表中找出90 Hz和150 Hz調(diào)制信號當前要輸出的波形數(shù)據(jù)，再分別對波形表輸出的調(diào)制信號波形數(shù)據(jù)乘以不同的幅度系數(shù)得到高精度的幅度數(shù)據(jù)（圖中的虛線框表示乘法器分時復用），然后將幅度調(diào)整后的90 Hz和150 Hz信號數(shù)據(jù)序列在加法器中進行數(shù)字疊加，將加法器輸出的疊加信號數(shù)據(jù)送入DAC轉(zhuǎn)換電路即可得到所需的模擬調(diào)制信號。

圖5 幅度數(shù)據(jù)預置示意圖

3.2 載波信號合成和射頻信號的矢量調(diào)制技術(shù)

因為本文設(shè)計的著陸設(shè)備信號模擬器在兩個頻段中共有80個載波頻點，相鄰頻道的間隔最小僅有50 kHz，并且載波頻率穩(wěn)定度須優(yōu)于2×10-5，實現(xiàn)起來有較大難度。采用鎖相式頻率合成器可以解決系統(tǒng)要求的多波道、高穩(wěn)定高頻信號的產(chǎn)生問題。但單純的鎖相式頻率合成器帶寬有限，難以解決寬頻帶、多波段的難點問題。為了解決這一問題，系統(tǒng)采用了復合式鎖相頻率合成技術(shù)，也就是鎖相式多波段頻率合成技術(shù)。鎖相式多波段頻率合成器內(nèi)部采用了多個壓控振蕩器選擇使用，鑒相器、分頻器復合使用的方法。由于每個VCO工作在不同的頻率上，且具有不同的帶寬，所以多個壓控振蕩器的總帶寬可以滿足系統(tǒng)多波段、寬頻帶的技術(shù)要求。由于鎖相式多波段頻率合成器是以鎖相式頻率合成器為基礎(chǔ)構(gòu)成的，所以它具有頻率穩(wěn)定、準確度高、便于集成的優(yōu)點。

為了提高電路的抗干擾性能和集成化程度，系統(tǒng)采用LMX2306作為頻率合成器，LMX2306片內(nèi)集成有鑒相器、分頻器，簡化了電路的復雜度，提高了電路的可靠性。VCO采用MAX公司的MAX2606和MAX2608，它們的調(diào)諧范圍非別是70～150 MHz和300～500 MHz，這兩個頻段涵蓋了包括航向信號、下滑信號和指點信標信號在內(nèi)的載波頻段，可以滿足系統(tǒng)多波段、寬頻帶的技術(shù)要求。

將DAC輸出的I/Q信號直接送射頻矢量調(diào)制電路完成幅度調(diào)制。通用信號源輸出信號的調(diào)制度一般都在80%以下，而本文設(shè)計的信號模擬器其輸出信號的總調(diào)制度最高要達到80%，而且要求線性度高、失真小。為此系統(tǒng)采用了ADI公司的ADL5385寬帶正交調(diào)制器，該調(diào)制器內(nèi)部采用矢量疊加的原理，較好的實現(xiàn)了大調(diào)制度的無失真調(diào)制。

3.3 組合衰減技術(shù)

信號模擬器作為檢測系統(tǒng)中的激勵源，它的輸出電壓精度必須足夠高并能夠在0.7～100 000 μV（-7～-110 dBm）范圍內(nèi)連續(xù)步進可調(diào)。為解決這個技術(shù)難題，系統(tǒng)采用了組合衰減技術(shù)。組合衰減技術(shù)采用電控衰減器與步進衰減器組合使用的方法，電控定值衰減器用于實現(xiàn)大范圍的衰減，步進衰減器用于實現(xiàn)衰減量的連續(xù)調(diào)整。采用電控定值衰減器與步進衰減器組合使用恰好可以取長補短，在大范圍內(nèi)實現(xiàn)輸出的連續(xù)調(diào)整，達到了預期的效果。

4 結(jié) 論

儀表著陸機載設(shè)備檢測系統(tǒng)的各項技術(shù)指標均達到了要求。儀表著陸信號模擬器在設(shè)計過程中克服了多波段、寬頻帶、高穩(wěn)定度信號產(chǎn)生、多種音頻調(diào)制信號的合成以及大動態(tài)范圍電平控制的技術(shù)難題，實現(xiàn)了儀表著陸地面設(shè)備的信號模擬。儀表著陸測控子系統(tǒng)以工控機為構(gòu)建平臺，嵌入總線驅(qū)動卡、多功能數(shù)據(jù)采集卡、綜合保障卡及端口適配電路，構(gòu)成了一個開放的、易擴展的、維護性好的硬件平臺。機載儀表著陸設(shè)備檢測系統(tǒng)能夠完成儀表著陸地面設(shè)備的信號模擬、對機載設(shè)備的功能檢查、性能測試、效能評估等任務(wù)，具有智能化程度高、性價比高、維護性好等特點。

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Development of instrument landing system airborne equipment detecting system

NIU Qiang?jun1,2，GOU Peng?shuai2
（1.Dept.of Aeronautic Electronic Engineering，The1st Aeronautic Institute of Air Force，Xinyang464000，China；2.Information and Engineering Institute，Zhengzhou University，Zhengzhou450001，China）

In order to meet the performance function detecting，fault diagnosis and efficiency evaluation of the instrument landing system airborne equipment，technologies such as signal synthesis，virtual instruments and automatic testing and so on are adopted in the detecting system，and thus the hardware and software platform is constructed.Industrial personal computer is used as the core of the hardware platform which is embedded multi?function data acquisition card，communication bus control card and comprehensive security cards.Key problems such as the synthesis of multi?band carrier signal and a variety of high?precision low?frequency modulation signal and the construction of expert system have been solved.Good synthesis and high automaticity of the system satisfy the different test for basic level，relay level and base level.The detecting system introduced in this paper has been applied in small batch，and the technology used in the detecting system has a certain reference value.

instrument landing system；signal simulator；measurement and control subsystem；virtual instrument

TN96

A

1674-6236（2017）22-0089-04

2016-09-23稿件編號：201609210

牛強軍（1969—），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，教授。研究方向：機載綜合航空電子系統(tǒng)應用與測試的教學、研究。