“導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”虛擬仿真實驗教學(xué)體系構(gòu)建

陳萬通 倪育德 萬棣 崔銘

[摘 要] “導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”是民航類高等院校的一門專業(yè)必修課，但由于DME、VOR和ILS等陸基導(dǎo)航設(shè)備占地面積大、造價昂貴，實際運行需要有許可和諸多配套設(shè)施支持，學(xué)生難以接觸到實際設(shè)備來提高工程實踐能力。根據(jù)工程教育認證理念及其畢業(yè)要求，構(gòu)建適用于“導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”課程的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，結(jié)合SELEX公司的典型設(shè)備（1150 DVOR、1119A DME）和NORMARC公司的NM7000儀表著陸系統(tǒng)，分別設(shè)計了DVOR/DME地面信標天線安裝與板件互聯(lián)虛擬仿真實驗系統(tǒng)和ILS航向信標信號測試與排故虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該實驗靈活高效、易實施、投入小，有助于學(xué)生深刻掌握DME、VOR和ILS等陸基導(dǎo)航設(shè)備的工作原理、信號輻射場特征和實際維護的典型操作，對民航高等院校實施工程教育及陸基導(dǎo)航實驗室建設(shè)具有重要的參考價值。

[關(guān)鍵詞] 工程教育;虛擬仿真;實驗教學(xué);陸基導(dǎo)航

[基金項目] 2020年度中國民航大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)項目“SELEX DVOR/DME地面信標天線安裝與板件互聯(lián)虛擬仿真實驗”（XF2020010）

[作者簡介] 陳萬通（1986—），男（滿族），河北承德人，博士，中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事導(dǎo)航原理與系統(tǒng)等課程的實驗和科研;倪育德（1963—），男，江西鷹潭人，碩士，中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事陸基導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航研究;萬 棣（1968—），女，江西南昌人，學(xué)士，中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院副教授，主要從事虛擬仿真和三維建模研究。

[中圖分類號] TN929.5? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0133-04? ?[收稿日期] 2020-11-25

一、引言

“導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”是民航類高等院校通信工程專業(yè)開設(shè)的一門與行業(yè)結(jié)合十分緊密的必修課。近年來，民航業(yè)高速發(fā)展，民航專業(yè)技術(shù)人才需求量持續(xù)增長。據(jù)國際機場理事會（ACI）預(yù)測：2025年之前，全球航空班次將增加至每年2200萬次，高峰日可達7.2萬次商業(yè)航班和48萬次通用航空航班;平均每天將有830萬人次登上飛機。此外，教育部要求高等院校全面貫徹落實“以學(xué)生為中心;以產(chǎn)出為導(dǎo)向;持續(xù)改進”的工程教育理念，扎實推動一流專業(yè)建設(shè)，切實增強質(zhì)量意識，推動全國高校掀起一場本科教學(xué)的“質(zhì)量革命”。在外在行業(yè)高速增長和新時代本科教育人才培養(yǎng)的雙重驅(qū)動下，“導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”的課程建設(shè)亟待實施工程教育視域下的改革與創(chuàng)新[1]。

“導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”的核心教學(xué)內(nèi)容是VOR、DME和ILS等陸基導(dǎo)航設(shè)備的工作原理，這些設(shè)備通常安裝在導(dǎo)航臺站或機場周邊，體積龐大、造價高昂，設(shè)備運行需要取得許可，學(xué)生無法在實驗室開展相關(guān)設(shè)備的工程實踐。同時，對于上述陸基導(dǎo)航設(shè)備，其地面信標天線輻射的電磁場和電磁波及信號處理流程無法可視化，學(xué)生較難建立直觀的認識[2]。因此，迫切需要建立一套能夠直觀展示VOR、DME和ILS等陸基導(dǎo)航設(shè)備及其天線輻射場的虛擬仿真教學(xué)平臺。

從行業(yè)需求視角來看，目前國內(nèi)民航導(dǎo)航臺設(shè)備多為DVOR與DME的合裝臺，可同時為飛機提供方位距離信息。近幾年，國內(nèi)新裝Selex公司的DVOR/DME合裝導(dǎo)航設(shè)備逐漸增多[3]，在新站點建設(shè)和設(shè)備維護中，迫切需要一線工程師對Selex設(shè)備板件的運行原理、安裝部署和互聯(lián)方式熟練掌握;而對于儀表著陸系統(tǒng)，以挪威NORMARC A/S公司生產(chǎn)的NM7000系統(tǒng)最為典型，目前在國內(nèi)各類機場應(yīng)用較為廣泛，占據(jù)了較大的市場份額，各大機場和空管部門為了使新員工對NM7000型的儀表著陸設(shè)備原理有更深入的了解和認識，其技術(shù)保障部每年都要組織安排一系列相關(guān)課程和上崗培訓(xùn)，從而為行業(yè)培養(yǎng)出“上手快”的專業(yè)技能人才。

針對上述問題和需求，本文構(gòu)建了適合“導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”課程的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。首先，基于Selex公司的Model 1150 DVOR和Model 1119A DME地面信標系統(tǒng)[4]，設(shè)計了DVOR/DME地面信標天線安裝與板件互聯(lián)虛擬仿真實驗系統(tǒng);其次，基于NORMARC公司的NM7000 ILS儀表著陸系統(tǒng)[5]，設(shè)計了航向信標信號測試與排故虛擬仿真實驗系統(tǒng)。這兩類虛擬仿真實驗涵蓋了“導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”課程的核心知識點，旨在使理論教學(xué)與現(xiàn)行陸基導(dǎo)航設(shè)備緊密結(jié)合，為民航類院校和民航通信導(dǎo)航相關(guān)專業(yè)的實驗課程改革及實驗室建設(shè)提供新思路。

二、陸基導(dǎo)航DVOR/DME虛擬仿真實驗系統(tǒng)

（一）實驗?zāi)康?/p>

以DVOR/DME地面合裝導(dǎo)航臺的實際典型系統(tǒng)為研究對象，構(gòu)建虛擬仿真平臺（具體以Selex 1150 DVOR和1119A DME為建模原型），培養(yǎng)學(xué)生對DVOR/DME地面導(dǎo)航信標各系統(tǒng)組件安裝和設(shè)備維護的工程實踐能力，提高學(xué)生對導(dǎo)航系統(tǒng)地面信標工作原理、工程操作及實際運行的認知水平，為今后開展導(dǎo)航臺站點建設(shè)和設(shè)備維護奠定基礎(chǔ)。

（二）實施過程

學(xué)生通過查閱Selex Model 1150 DVOR/Antenna和Selex Model 1118A/1119A DME官方手冊的相關(guān)章節(jié)，分別掌握DVOR/DME地面信標系統(tǒng)的工作原理、設(shè)備接口、板件互聯(lián)方式和天線安裝方法等內(nèi)容，面向仿真環(huán)境和虛擬設(shè)備，實施DVOR/DME合裝式導(dǎo)航臺完整系統(tǒng)的安裝和部署。具體實驗步驟：（1）學(xué)生登錄虛擬仿真實驗系統(tǒng)，在仿真的導(dǎo)航臺地面信標場景中完成查驗導(dǎo)航臺周邊環(huán)境、設(shè)備機房、地網(wǎng)、機柜等準備工作，熟悉仿真系統(tǒng)的一般操作;（2）根據(jù)DVOR邊帶天線工作原理與安裝規(guī)范，完成DVOR邊帶天線安裝;（3）根據(jù)DVOR載波天線工作原理與安裝規(guī)范，完成DVOR載波天線安裝;（4）根據(jù)DVOR監(jiān)視天線工作原理與安裝規(guī)范，完成DVOR監(jiān)視天線安裝;（5）根據(jù)DME天線工作原理與安裝規(guī)范，完成DME天線安裝;（6）完成防雷設(shè)施安裝、障礙燈等輔助設(shè)施的安裝;（7）完成DVOR/DME天線射頻線纜與各自機柜的物理連接;（8）完成DVOR機柜中發(fā)射機各核心板件的互聯(lián)，主要包括頻率合成器組件、CSB功率放大器組件、音頻發(fā)生器組件、邊帶發(fā)生器組件等;（9）完成DVOR機柜中其他核心板件的物理互聯(lián)，具體包括本地控制單元（LCU）、遠程監(jiān)視系統(tǒng)組件、射頻監(jiān)視組件、轉(zhuǎn)換繼電器、電池充電器電源子系統(tǒng)（BCP）等組件;（10）完成DME機柜中收發(fā)信機核心板件的物理互聯(lián)，具體包括收發(fā)控制器（RTC）、高功率放大器、低功率放大器、監(jiān)控詢問器組件等;（11）完成DME機柜中其他核心板件的互聯(lián)，具體包括遙控系統(tǒng)（RMS）處理器板、I/O設(shè)備板、接口板、電池充電電源模塊（BCPS）、電源監(jiān)控器;（12）完成數(shù)據(jù)維護終端（PMDT）與DVOR和DME機柜的接入;（13）完成主備供電引接;（14）完成DVOR/DME系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，包括工作頻率、監(jiān)控參數(shù)等。