飛機(jī)空中交通管制系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置研制及難點(diǎn)研究

■ 周博 丁政 姜威/北京飛機(jī)維修工程有限公司

0 引言

IFR6000 型空中交通管制系統(tǒng)測(cè)試儀是集應(yīng)答機(jī)（XPDR）、測(cè)距機(jī)（DME）、空中交通管制（TCAS）、機(jī)載空對(duì)空監(jiān)視廣播（ADS-B）等系統(tǒng)測(cè)試功能于一體的綜合測(cè)試設(shè)備。按照操作手冊(cè)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需手動(dòng)完成32 個(gè)測(cè)試步驟，同時(shí)使用10臺(tái)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，測(cè)試步驟和接線非常復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間大約需要3 天。目前只有原廠擁有該設(shè)備的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，且不對(duì)外開放使用。北京飛機(jī)維修工程有限公司通過對(duì)該設(shè)備校準(zhǔn)流程的詳細(xì)研究，采用基于軟件自動(dòng)化的方法，結(jié)合RF 多路復(fù)用開關(guān)和矩陣開關(guān)，使用包絡(luò)提取及特征提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的校準(zhǔn)裝置的研制，攻克了研發(fā)過程中的多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，將每臺(tái)儀表的測(cè)量周期縮短至3 小時(shí)內(nèi)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目的是將各類測(cè)試儀器以程控的方式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，需要PC（NI PXI 控制器）端的軟件程控所有儀器。這里使用GPIB 的方式，串聯(lián)每臺(tái)儀表的程控接口，基于每臺(tái)儀表的驅(qū)動(dòng)或通過SCPI 指令的方式程控儀器。上位機(jī)（PC端軟件）通過LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)。

由于儀表之間涉及觸發(fā)信號(hào)發(fā)生、模擬量信號(hào)發(fā)生、模擬量信號(hào)采集等要求，且不同測(cè)試步驟中儀表之間的連接方式不同，再考慮到信號(hào)的頻率和裝置成本，決定采用由RF 多路復(fù)用開關(guān)和矩陣開關(guān)相結(jié)合的方式創(chuàng)建一個(gè)矩陣網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)不同儀表間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的測(cè)試軟件，對(duì)功能、效率、精度和靈活性提出了諸多挑戰(zhàn)。為滿足以上需求，需要對(duì)程序的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的架構(gòu)。因此，利用LabVIEW 的JKI 狀態(tài)機(jī)，結(jié)合隊(duì)列創(chuàng)建程序主體框架。將每一個(gè)測(cè)試步驟設(shè)為子程序，子程序順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)子步驟的功能。主程序與子程序之間使用隊(duì)列進(jìn)行通信。用戶界面左側(cè)采用Step 的方式，以高亮和背景色變換的形式顯示當(dāng)前測(cè)試步驟和測(cè)試狀態(tài)；右側(cè)為具體結(jié)果顯示界面，分別實(shí)現(xiàn)了矩陣開關(guān)切換、儀表程控、數(shù)據(jù)采集、包絡(luò)及特征提取、結(jié)果判斷等功能，也可分步驟查看和監(jiān)測(cè)具體測(cè)試結(jié)果。圖2、圖3 分別為軟件的界面和架構(gòu)。

圖2 軟件界面

圖3 程序總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖4 高頻信號(hào)矩陣開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2 矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案

矩陣開關(guān)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試流程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。由于各測(cè)試項(xiàng)對(duì)應(yīng)不同測(cè)試儀器的不同接口，信號(hào)頻率范圍跨度大，從低頻（1MHz 以下）到高頻（1213MHz），對(duì)矩陣開關(guān)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

為解決以上問題，對(duì)于高頻信號(hào)（962 ～1213MHz），采用6 個(gè)RF 多路復(fù)用開關(guān)，將儀表接口與復(fù)用開關(guān)公共端口相連接、復(fù)用端口之間相連接、復(fù)用端口與6dB 相連接的方式，實(shí)現(xiàn)多個(gè)儀表之間的信號(hào)傳輸。既可以解決矩陣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的問題，更關(guān)鍵的是解決了高頻信號(hào)的插入損耗問題。

圖4 所示為自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的高頻信號(hào)連線方式，所有儀表的高頻接口都與RF 復(fù)用開關(guān)的公共端相連接，根據(jù)每一個(gè)測(cè)試步驟的連接方式，通過PC 端軟件編程切換開關(guān)的連接方式，并將程序加入主程序中。

3 包絡(luò)及特征提取難點(diǎn)分析及解決方案

本項(xiàng)目需要解決的另一個(gè)難點(diǎn)是示波器信號(hào)的包絡(luò)及特征提取。由于該項(xiàng)目中示波器采集的脈沖調(diào)制信號(hào)的采樣率達(dá)4Gsa/s，數(shù)據(jù)量較大，且不同測(cè)試項(xiàng)的波形數(shù)量和波形類型均不同，帶來如下挑戰(zhàn)：

1）不同波形類型的包絡(luò)及特征提??；

2）不同測(cè)試項(xiàng)波形數(shù)目的計(jì)算；

3）不同測(cè)試項(xiàng)存在不同波形類型情況下的包絡(luò)及特征提??；

4）不同測(cè)試項(xiàng)不同類型波形包絡(luò)及特征提取后的時(shí)間延遲計(jì)算；

5）部分測(cè)試項(xiàng)存在波形跳變現(xiàn)象，不易于捕捉。

3.1 不同波形類型、數(shù)目和幅度的包絡(luò)分析

圖5 不同波形類型和數(shù)目的包絡(luò)圖

圖6 不同幅度的包絡(luò)圖

圖7 包絡(luò)提取部分的核心實(shí)現(xiàn)過程

圖8 典型測(cè)試項(xiàng)的特征提取程序

本項(xiàng)目存在兩種調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)類型，一種是方波型的包絡(luò)，一種是正弦型的包絡(luò)。多數(shù)情況下，同一測(cè)試項(xiàng)中可以同時(shí)存在不同的包絡(luò)類型和多個(gè)包絡(luò)，且數(shù)目不定，這些包絡(luò)要求能夠同時(shí)正確地提取，圖5 給出的是包含多個(gè)不同波形類型和數(shù)目的包絡(luò)圖。

部分測(cè)試項(xiàng)，除了包絡(luò)類型不同外，包絡(luò)幅度大小也不相同，這給包絡(luò)提取和特征提取帶來了困難，如圖6 所示。

從以上兩個(gè)典型的包絡(luò)類型可以看出，包絡(luò)的多樣性和不同特征造成了提取的困難，如何實(shí)現(xiàn)正確的提取和計(jì)算，是本項(xiàng)目的一個(gè)重要難點(diǎn)。

3.2 特征提取及時(shí)間延遲計(jì)算分析

包絡(luò)提取的目的是為了進(jìn)行后續(xù)的特征提取和時(shí)間延遲計(jì)算，其中包括P1-Px Spacing、SPR Spacing、Rising/FallingTime、Px Width 等。對(duì)于部分測(cè)試項(xiàng)，需要同時(shí)得到以上的部分或者全部結(jié)果，不僅涉及包絡(luò)提取的準(zhǔn)確性，還涉及特征提取算法的設(shè)計(jì)。為了解決以上難點(diǎn)，提出基于快速希爾伯特變換和Savitzky-Golay 濾波器相結(jié)合的方式進(jìn)行包絡(luò)提取。特征提取部分采用符合IEEE 181-2003 標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 瞬態(tài)、脈沖和相關(guān)波形標(biāo)準(zhǔn)的脈沖測(cè)量和瞬態(tài)測(cè)量方法。通過對(duì)不同測(cè)試步驟不同波形數(shù)量和波形類型的參數(shù)調(diào)整及信號(hào)捕捉方法的靈活設(shè)置，可解決一系列相關(guān)難點(diǎn)。

包絡(luò)提取部分的核心實(shí)現(xiàn)過程（軟件實(shí)現(xiàn)）如圖7 所示。

首先對(duì)采集的波形進(jìn)行歸一化處理，然后進(jìn)行快速希爾伯特變化，之后對(duì)實(shí)部虛部進(jìn)行復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換，將絕對(duì)值代入Savitzky-Golay 濾波器處理，輸出的結(jié)果即為包絡(luò)。

針對(duì)特征提取和時(shí)間延遲計(jì)算，首先對(duì)歸一化的波形進(jìn)行脈沖測(cè)量和瞬態(tài)測(cè)量，針對(duì)波形類型不同的情況，設(shè)置不同的參數(shù)，如不同的參考電平設(shè)置、邊沿號(hào)及極性等；針對(duì)波形幅度不同的情況，為保證檢測(cè)精度，對(duì)整個(gè)波形進(jìn)行二次切割并設(shè)置不同的參數(shù)提取特征。圖8 給出了典型測(cè)試項(xiàng)的特征提取部分程序。

通過靈活的設(shè)置及算法調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜情況下的包絡(luò)提取及特征提取，圖9 和圖10 給出了軟件的實(shí)現(xiàn)效果。

圖9 包絡(luò)及特征提取效果

圖10 包絡(luò)提取及特征提取效果

4 總結(jié)

本項(xiàng)目的主要工作在于測(cè)試步驟的實(shí)現(xiàn)及RF多路復(fù)用及矩陣開關(guān)的設(shè)計(jì)，主要難點(diǎn)在于采集射頻信號(hào)的包絡(luò)提取及后續(xù)的特征量提取，特別是為了滿足設(shè)備校準(zhǔn)和全自動(dòng)化要求，工程上需要對(duì)采集和分析結(jié)果的重復(fù)性及準(zhǔn)確性進(jìn)行保證，因此設(shè)計(jì)了大量用于避免分析錯(cuò)誤和誤測(cè)的程序邏輯。

為了滿足測(cè)試的靈活性，在功能上設(shè)計(jì)了Step 順序測(cè)試、單步測(cè)試、某步開始繼續(xù)測(cè)試等右鍵功能選項(xiàng)，便于出現(xiàn)問題后的重復(fù)測(cè)試，避免了無必要的重測(cè)。

每一步測(cè)試后都可將測(cè)試結(jié)果和狀態(tài)等信息插入word 模板中，測(cè)試結(jié)束后自動(dòng)生成word 文檔，并可連接打印機(jī)進(jìn)行打印。