一種低成本多功能著陸引導(dǎo)雷達(dá)模擬訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

劉云飛　田華明　黃子革　王鼎

摘要：著陸引導(dǎo)雷達(dá)是保障飛機(jī)安全著陸的重要設(shè)備，通過(guò)著陸引導(dǎo)雷達(dá)模擬器可以有效的完成著陸引導(dǎo)雷達(dá)的教學(xué)訓(xùn)練。本方案提出一種低成本多功能著陸引導(dǎo)雷達(dá)模擬訓(xùn)練器設(shè)計(jì)方案，介紹了模擬器功能需求和設(shè)計(jì)思路，闡述了模擬器硬件組成、機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)柜布局，詳細(xì)分析了雷達(dá)控制及指示模擬、顯示界面模擬、故障模擬和天線控制模擬的具體實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：著陸引導(dǎo)雷達(dá)；模擬器；模擬訓(xùn)練

0引言

著陸引導(dǎo)雷達(dá)是保障飛機(jī)著陸安全保障的重要設(shè)備，其技術(shù)比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，一般院校沒(méi)有配備。而要熟練掌握雷達(dá)的使用維護(hù)，必須要進(jìn)行大量的針對(duì)性訓(xùn)練，因此，為了滿足裝備教學(xué)的需求，使學(xué)員快速熟悉裝備操作使用、性能檢測(cè)和維護(hù)保障方法，并且能夠掌握雷達(dá)故障排除能力，研制對(duì)應(yīng)的模擬訓(xùn)練器成為經(jīng)濟(jì)實(shí)效的方法。

1功能需求

該型雷達(dá)主要由室內(nèi)主機(jī)設(shè)備、室外天線設(shè)備和供電設(shè)備等組成。室內(nèi)主機(jī)設(shè)備包括收發(fā)機(jī)柜、操縱員顯示機(jī)柜、領(lǐng)航員顯示機(jī)柜、控制機(jī)柜組成。室外設(shè)備主要包括下滑天線單元、航向天線單元、饋線單元和傳動(dòng)單元。供電設(shè)備主要包括電源控制箱和柴油發(fā)電機(jī)組。

模擬訓(xùn)練器主要供本科及士官學(xué)員教學(xué)訓(xùn)練使用。模擬訓(xùn)練器在機(jī)柜組成及內(nèi)部模塊在外觀上與雷達(dá)相同，模擬器每個(gè)開(kāi)關(guān)、旋鈕的操作所表現(xiàn)的現(xiàn)象（聲音、指示燈、顯示畫(huà)面、機(jī)柜電纜及連接器）與雷達(dá)一致，并能進(jìn)行相關(guān)拆裝操作。應(yīng)具備模擬與真實(shí)裝備相同的雷達(dá)操作顯示、信號(hào)檢測(cè)和故障設(shè)置與排除等功能。具體功能包括以下幾個(gè)方面。

1.1顯示功能

具有與真實(shí)雷達(dá)相同的各級(jí)（工作狀態(tài)、參數(shù)裝訂、系統(tǒng)修正和狀態(tài)選擇）顯示畫(huà)面：顯示畫(huà)面的數(shù)據(jù)或狀態(tài)為雷達(dá)典型或正常使用時(shí)的基本畫(huà)面：模擬器掃描畫(huà)面和回波清晰、逼真：顯示及切換方式與真實(shí)雷達(dá)相同。

1.2操控功能

能夠模擬完成著陸雷達(dá)的操作、設(shè)置等：按照雷達(dá)的操作流程、工作方式，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的操作界面，包括鍵盤(pán)操控、按鍵操控：能通過(guò)三維虛擬軟件模擬雷達(dá)的天線同步聯(lián)動(dòng)操作和顯示。

1.3工作狀態(tài)和信號(hào)模擬

模擬完成雷達(dá)的工作狀態(tài)的信息傳輸、顯示：參照雷達(dá)實(shí)際狀態(tài)指示情況，能夠?qū)Ω鞣謾C(jī)、單元顯著位置的基本狀態(tài)指示（指示燈、數(shù)值等）進(jìn)行模擬：參照雷達(dá)實(shí)際狀態(tài)指示情況，能夠?qū)π盘?hào)處理分機(jī)插拔面板的各種測(cè)試孔信號(hào)進(jìn)行模擬。

1.4故障設(shè)置模擬

實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)及分機(jī)內(nèi)部主要模塊、線路等環(huán)節(jié)進(jìn)行故障設(shè)置和模擬，而且能利用自檢和狀態(tài)回傳實(shí)現(xiàn)故障判別。

2設(shè)計(jì)思路

總體思路是以雷達(dá)實(shí)裝機(jī)柜為基礎(chǔ)，對(duì)各分機(jī)內(nèi)的插件及模塊等進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除30MHz以上射頻信號(hào)的產(chǎn)生和處理模塊，保留30MHz以下檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生模塊以模擬雷達(dá)測(cè)試信號(hào)，保留對(duì)外指示和開(kāi)關(guān)等。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬雷達(dá)顯示畫(huà)面和基本操作，在實(shí)現(xiàn)模擬訓(xùn)練器的基本功能的前提下盡量降低開(kāi)發(fā)研制成本。

主要設(shè)計(jì)方式：

①機(jī)柜采用框架結(jié)構(gòu)重新制作，代替原本昂貴的鑄件機(jī)柜，復(fù)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境要求即可：機(jī)柜內(nèi)的組件及模塊，按照原機(jī)一比一外形仿制：保留面板開(kāi)關(guān)、指示燈和機(jī)柜對(duì)外接口等，確保機(jī)柜外觀與原雷達(dá)一致；

②根據(jù)天線系統(tǒng)接口進(jìn)行控制機(jī)柜電路改進(jìn)，使控制機(jī)柜能夠控制虛擬仿真雷達(dá)天線進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)；

③使用計(jì)算機(jī)及專用軟件模擬雷達(dá)顯示畫(huà)面和鼠標(biāo)鍵盤(pán)操作；

④通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)置模擬雷達(dá)部分故障現(xiàn)象；

⑤通過(guò)一塊模擬控制板和一塊波形產(chǎn)生板來(lái)模擬產(chǎn)生雷達(dá)各測(cè)試接口信號(hào)并控制各面板指示。

3設(shè)計(jì)方案

3.1模擬訓(xùn)練器組成

模擬訓(xùn)練器主要由控制機(jī)柜、收發(fā)機(jī)柜、操顯機(jī)柜、領(lǐng)顯機(jī)柜和電源控制箱組成，其中天線部分由于十分龐大復(fù)雜，但是考慮實(shí)際訓(xùn)練科目涉及到的不多，結(jié)合成本控制需求，所以采用虛擬軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖l所示。電源控制箱與雷達(dá)實(shí)際所配的控制箱一致，用于給機(jī)柜供電。各機(jī)柜內(nèi)部根據(jù)設(shè)計(jì)需求重新規(guī)劃設(shè)計(jì)，機(jī)柜面板及控制臺(tái)面板外觀保持與原機(jī)柜一致，機(jī)柜背部插座和機(jī)柜間電纜與原雷達(dá)一致，電纜內(nèi)信號(hào)根據(jù)實(shí)際傳輸內(nèi)容重新定義。

3.2機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)柜采用框架結(jié)構(gòu)重新制作，根據(jù)原機(jī)柜尺寸搭建框架，保留原有的抽屜結(jié)構(gòu)，內(nèi)部模塊采取與原設(shè)備一直的板卡外形，板卡功能進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留所有連接線纜。機(jī)柜側(cè)板及后板采用鋁合金蒙皮方式制作，噴漆顏色與原機(jī)柜一致。

3.3機(jī)柜布局

①收發(fā)機(jī)柜。

收發(fā)機(jī)柜面板指示燈、開(kāi)關(guān)與表頭顯示功能與原機(jī)柜一致，該機(jī)柜內(nèi)的指示燈及開(kāi)關(guān)等由放置在本機(jī)柜內(nèi)的波形產(chǎn)生板控制。波形產(chǎn)生板根據(jù)來(lái)自模擬控制板的信號(hào)控制面板指示燈，原機(jī)柜面板上的測(cè)試表頭更換為數(shù)控表頭，由波形產(chǎn)生板進(jìn)行控制。同時(shí)波形產(chǎn)生板產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)送至機(jī)柜上的測(cè)試口，供測(cè)試使用。

②控制機(jī)柜。

控制機(jī)柜控制臺(tái)及控制分機(jī)面板上的開(kāi)關(guān)與指示燈等與原機(jī)柜一致，控制分機(jī)根據(jù)793B天線做適應(yīng)性改進(jìn)，通過(guò)機(jī)柜后部的電纜與天線連接，指示燈及開(kāi)關(guān)等通過(guò)機(jī)柜后部電纜連接至操顯機(jī)柜內(nèi)的模擬控制板，顯示表頭與收發(fā)機(jī)柜一樣更換為數(shù)控表頭，通過(guò)機(jī)柜間電纜連接至收發(fā)分機(jī)內(nèi)的波形產(chǎn)生板。

③操顯機(jī)柜。

操顯機(jī)柜內(nèi)裝有一臺(tái)計(jì)算機(jī)用于模擬顯示畫(huà)面，顯示器選用與實(shí)際雷達(dá)相同分辨率的顯示器，操顯控制臺(tái)上開(kāi)關(guān)、指示燈和鼠標(biāo)鍵盤(pán)的放置與原機(jī)柜一致。模擬控制板裝在本機(jī)柜內(nèi)，通過(guò)RS232接口與計(jì)算機(jī)和波形產(chǎn)生板通信。模擬控制板通過(guò)機(jī)柜間電纜與其他機(jī)柜的開(kāi)關(guān)和指示燈連接。

④領(lǐng)顯機(jī)柜。

領(lǐng)顯機(jī)柜與操顯機(jī)柜一樣裝有一臺(tái)計(jì)算機(jī)和顯示器，顯示相關(guān)操作與操顯機(jī)柜互不干擾。計(jì)算機(jī)通過(guò)機(jī)柜后的電纜與操顯機(jī)柜內(nèi)的模擬控制板連接。endprint

3.4雷達(dá)控制及指示模擬

由于機(jī)柜內(nèi)功能模塊均已精簡(jiǎn)，為了模擬出雷達(dá)控制開(kāi)關(guān)和面板指示燈效果，需要制作一塊模擬控制板和一塊波形產(chǎn)生板來(lái)對(duì)各機(jī)柜、各分機(jī)的面板開(kāi)關(guān)和指示等進(jìn)行控制模擬。如圖2所示，機(jī)柜上的面板開(kāi)關(guān)、指示燈和測(cè)試口等分別接入模擬控制板或波形產(chǎn)生板，模擬板根據(jù)各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，控制各指示燈，從而模擬雷達(dá)控制效果，“對(duì)消”、“自適應(yīng)”、“恒虛警”和“參差”四個(gè)開(kāi)關(guān)以及天線指向控制的狀態(tài)通過(guò)RS232串口發(fā)往顯示畫(huà)面模擬計(jì)算機(jī)：波形產(chǎn)生板通過(guò)RS232接口與模擬控制板連接，根據(jù)模擬控制板發(fā)來(lái)的指令控制指示燈顯示，同時(shí)波形產(chǎn)生板內(nèi)通過(guò)時(shí)鐘模擬產(chǎn)生幾種雷達(dá)測(cè)試信號(hào)發(fā)送至測(cè)試口。

模擬控制板和波形產(chǎn)生板均使用FPGA作為核心器件，外部信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)接隔離后送入FPGA中，在FPGA內(nèi)使用硬件編程實(shí)現(xiàn)各控制功能的模擬。

3.5雷達(dá)顯示界面模擬

雷達(dá)原顯示畫(huà)面的產(chǎn)生以及鼠標(biāo)鍵盤(pán)操作通過(guò)顯示電路分機(jī)完成，顯示分機(jī)接收來(lái)自信號(hào)處理的一次視頻等信息和來(lái)自天線的角碼和指向等信息，完成畫(huà)面顯示、目標(biāo)跟蹤、參數(shù)裝訂等功能。考慮模擬訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)不同，使用計(jì)算機(jī)通過(guò)雷達(dá)顯示模擬軟件模擬顯示畫(huà)面，雷達(dá)顯示模擬軟件根據(jù)雷達(dá)真實(shí)界面制作，完全還原雷達(dá)顯示界面操作，顯示界面與雷達(dá)真實(shí)界面保持一致，能夠產(chǎn)生模擬目標(biāo)并進(jìn)行模擬跟蹤，同時(shí)可根據(jù)用戶需求增加一些其他功能。

操顯、領(lǐng)顯機(jī)柜內(nèi)分別裝有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，使得操顯、領(lǐng)顯界面可跟實(shí)際雷達(dá)一樣單獨(dú)操作。通過(guò)與控制模擬板的RS232串口連接，可以接收“對(duì)消”、“自適應(yīng)”、“恒虛警”和“參差”四個(gè)開(kāi)關(guān)以及天線指向控制的狀態(tài)，并在畫(huà)面中顯示開(kāi)關(guān)狀態(tài)和指向暗帶變化。

3.6雷達(dá)故障模擬

采用位于各分機(jī)內(nèi)各模塊上的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)模擬各模塊狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)關(guān)通斷來(lái)模擬模塊工作的正常與故障兩種狀態(tài)。各種故障狀態(tài)通過(guò)顯示軟件中的故障監(jiān)測(cè)界面監(jiān)控。監(jiān)控軟件集成在領(lǐng)顯或操顯分系統(tǒng)內(nèi)。

故障主要包括天線系統(tǒng)故障、收發(fā)系統(tǒng)故障、顯示系統(tǒng)故障、控制系統(tǒng)故障、信處系統(tǒng)故障。故障由計(jì)算機(jī)串口將指令發(fā)送給控制模擬板，控制模擬板根據(jù)指令控制各指示燈顯示故障指示，并將波形產(chǎn)生板相關(guān)的指令轉(zhuǎn)發(fā)至波形產(chǎn)生板，由波形產(chǎn)生板控制顯示相關(guān)的故障指示。

3.7雷達(dá)天線控制模擬

天線控制電路在控制機(jī)柜內(nèi)，通過(guò)軟件，虛擬仿真雷達(dá)天線，建立雷達(dá)天線運(yùn)動(dòng)與雷達(dá)工作狀態(tài)交連關(guān)系。軟件基于C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，將天線外形通過(guò)軟件繪制出來(lái)，并將天線的俯仰、水平各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與雷達(dá)操控狀態(tài)交聯(lián)。

4結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案選擇的機(jī)柜制作方法能夠大幅降低原鑄件機(jī)柜成本，且生產(chǎn)周期較短。線路方面，模擬控制板和波形產(chǎn)生板均采用FPGA作為核心器件，F(xiàn)PGA集成度高、編程方便，具有較高的可靠性和設(shè)計(jì)靈活性。對(duì)于本方案，一般的FPGA性能即可滿足設(shè)計(jì)要求，其他所需器件均為常見(jiàn)元器件，進(jìn)一步降低了制作成本。顯示畫(huà)面通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬，能夠較高程度地還原顯示界面，在滿足教學(xué)訓(xùn)練需求的前提與真實(shí)裝備相比能大幅降低成本。功能方面能夠滿足本科和士官等多個(gè)層次的教學(xué)需求。endprint