基于模塊化的空管設(shè)備虛擬仿真平臺研究

王杰 王軒

摘要：目的：通過虛擬仿真搭建一套空管設(shè)備模擬運(yùn)行平臺，在節(jié)約大量財力物力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)空管技術(shù)保障人員對典型設(shè)備的原理掌握及故障復(fù)現(xiàn)，并力求對未來空管設(shè)備的改擴(kuò)建起到一定的指導(dǎo)意義。方法：將部分典型空管設(shè)備在工作原理層面上進(jìn)行模塊化拆分，并通過MATLAB GUI及SIMULINK功能進(jìn)行平臺仿真。結(jié)果：對典型空管設(shè)備的關(guān)鍵原理點(diǎn)進(jìn)行了仿真，并以圖形化的界面直觀的進(jìn)行了顯示。同時實(shí)現(xiàn)了典型空管設(shè)備的故障模擬及復(fù)現(xiàn)。結(jié)論：利用MATLAB對部分典型空管設(shè)備進(jìn)行了模塊化的仿真，并通過直觀的圖形界面進(jìn)行了顯示，相較于以實(shí)際設(shè)備搭建測試平臺，節(jié)約了大量的財力和物力，同時可以有效地模擬設(shè)備故障，實(shí)現(xiàn)故障復(fù)現(xiàn)，對空管技術(shù)保障人員掌握典型設(shè)備原理，提升運(yùn)維水平有良好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：空管設(shè)備;模塊化;MATLAB;虛擬仿真

0 引言

迄今為止，針對空管典型設(shè)備的模塊化仿真研究鮮有報道。同時，已有文獻(xiàn)資料顯示這些仿真平臺大都僅局限于單一設(shè)備或模塊，全系統(tǒng)級和多系統(tǒng)集成仿真未曾看到。其中，在空管二次雷達(dá)系統(tǒng)仿真層面，電子科技大學(xué)的張清平[1]，中國民航大學(xué)的楊思[2]，西南交通大學(xué)的孫雪冬[3]等人都曾做過一些卓有成效的研究;在甚高頻輻射和電磁傳播仿真層面，中國民航大學(xué)的姜鴻曄[4]、周宏宇[5]、李朝陽[5]等人都曾有相關(guān)研究成果公布，但是大部分研究人員都局限于傳播模型的研究，結(jié)合高保真地形的設(shè)臺傳播仿真還很少見;在多點(diǎn)定位系統(tǒng)布站方面，中國民航大學(xué)的李家蓬[6]、田梅[7]等人的研究已相當(dāng)深入，但是，上述研究也僅從幾何精度因子方面給出了不同布站方式的精度范圍，對于結(jié)合一定的選站策略和實(shí)際地形遮蔽進(jìn)行的多點(diǎn)定位研究還很少見。至于針對導(dǎo)航等設(shè)備的模塊化仿真平臺更是少之又少。

鑒于上文所述，本文提出了一種基于模塊化的空管設(shè)備虛擬仿真平臺設(shè)計方法。首先對仿真平臺進(jìn)行了介紹，對平臺涉及的主要的顯示界面進(jìn)行了設(shè)計，并以空管二次雷達(dá)為例對主要功能菜單進(jìn)行了總結(jié)。然后對部分仿真成果進(jìn)行了介紹。本文所提的空管設(shè)備虛擬仿真平臺，是一個多系統(tǒng)集合的仿真平臺，具備模擬設(shè)備模塊故障以及輔助空管設(shè)備改擴(kuò)建等復(fù)雜功能。

1 虛擬仿真平臺設(shè)計

在民航空管設(shè)備中，系統(tǒng)繁雜，不易搭建系統(tǒng)測試平臺，耗資巨大的典型設(shè)備主要包括空管二次雷達(dá)、場監(jiān)雷達(dá)和導(dǎo)航設(shè)備。本文所提的基于模塊化的空管設(shè)備虛擬仿真平臺，主要針對的就是上述設(shè)備的系統(tǒng)級MATLAB仿真。同時，為了滿足甚高頻臺站以及多點(diǎn)定位設(shè)備遠(yuǎn)端站遷址布站，改擴(kuò)建等的需要，還提出了基于真實(shí)地形的高保真仿真方法。

本文中所提的基于模塊化的空管設(shè)備虛擬仿真平臺利用MATLAB GUI和SIMULINK功能進(jìn)行開發(fā)。MATLAB GUI功能相當(dāng)強(qiáng)大，在繼承了MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力的基礎(chǔ)上，通過簡單的模塊拼接可以實(shí)現(xiàn)相對美觀的圖形界面設(shè)計，同時也可以輕松的實(shí)現(xiàn)可執(zhí)行文件封裝。而MATLAB SIMULINK功能則更偏向于硬件平臺的模擬，在平臺仿真中需要SIMULINK進(jìn)行一些功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，MATLAB能夠?qū)崿F(xiàn)GUI對SIMULINK模塊的調(diào)用，這些友好的軟件功能特性，為空管設(shè)備虛擬仿真平臺的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了可能。

平臺設(shè)計的初衷是力求簡潔，以膠東新機(jī)場作為背景圖片，除藍(lán)色的仿真平臺名稱外，平臺涉及的各分系統(tǒng)均以淺綠色BUTTON按鈕呈現(xiàn)，點(diǎn)擊相關(guān)按鈕可以進(jìn)入對應(yīng)系統(tǒng)模塊的仿真界面。從平臺主界面也可以看出，空管設(shè)備虛擬仿真平臺基本可以分成兩大類，一大類是以二次雷達(dá)、場監(jiān)雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備等為代表的系統(tǒng)原理和故障模擬類仿真。另一類是以甚高頻和多點(diǎn)定位系統(tǒng)為代表的驗證設(shè)計類仿真。

空管設(shè)備虛擬仿真平臺涉及的其他系統(tǒng)的設(shè)計思路與上文所提的二次雷達(dá)系統(tǒng)基本類似，力求以子菜單和功能鍵的方式呈現(xiàn)，各系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定及仿真結(jié)果都會在子菜單中以彈窗的形式展示。

2 仿真成果介紹

基于模塊化的空管設(shè)備虛擬仿真平臺經(jīng)過前期的研究，已經(jīng)形成了一部分成果，其中有些仿真結(jié)果還在現(xiàn)實(shí)中得到了應(yīng)用。下文就已有仿真成果做一個介紹。

在二次雷達(dá)系統(tǒng)模塊仿真中，陣列天線相關(guān)參數(shù)的仿真至關(guān)重要。該雷達(dá)實(shí)測場型有旁瓣穿刺的現(xiàn)象，導(dǎo)致假目標(biāo)的產(chǎn)生。該仿真中假設(shè)天線陣元存在一定的幅相誤差，仿真結(jié)果顯示當(dāng)天線陣存在幅相誤差時會導(dǎo)致旁瓣太高，與實(shí)測場型對比，說明該雷達(dá)的天線陣列存在幅相誤差是導(dǎo)致旁瓣穿刺的原因之一。

對于空管二次雷達(dá)，單脈沖測角可以有效提高測角的精度，和波束及差波束是單脈沖測角的核心，本文所提的虛擬仿真平臺也具備和差波束的仿真能力。

本文所提的基于模塊化的空管設(shè)備虛擬仿真平臺對于甚高頻和多點(diǎn)定位系統(tǒng)的仿真最突出的特點(diǎn)在于高保真的地理環(huán)境仿真。因此，本文中將DEM（數(shù)字高程）數(shù)據(jù)和DLCD（地表分類覆蓋）數(shù)據(jù)引入到平臺仿真中，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的地理信息數(shù)據(jù)抓取和仿真。

3 結(jié)束語

本文提出的基于模塊化的空管設(shè)備虛擬仿真平臺是一個多系統(tǒng)集成的通用仿真平臺，希望通過對文中所提的空管重要設(shè)備的仿真來促進(jìn)空管技術(shù)保障人員對現(xiàn)實(shí)設(shè)備的認(rèn)識和提升運(yùn)維保障能力。同時，本文所提仿真平臺是一個相對龐雜的系統(tǒng)，目前還只是處于系統(tǒng)設(shè)計和部分功能仿真實(shí)現(xiàn)的初期階段，后面還需要針對運(yùn)維需求進(jìn)行功能優(yōu)化以及更完善的仿真驗證。

參考文獻(xiàn)：

[1]張清平.模塊化二次雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2018.

[2]楊思.二次雷達(dá)仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估[D].中國民航大學(xué)，2019.

[3]孫雪冬.二次雷達(dá)探測建模與仿真研究[D].西南交通大學(xué)，2017.

[4]姜鴻曄.飛機(jī)甚高頻通信系統(tǒng)測試環(huán)境模擬與仿真[D].中國民航大學(xué)，2020.

[5]周宏宇，李朝陽.低空地空通信覆蓋分析與仿真[J].信息通信，2017（03）：171-172.

[6]李家蓬.MLAT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與仿真設(shè)計[D].中國民航大學(xué)，2015.

[7]田梅.MLAT系統(tǒng)及定位算法優(yōu)化仿真研究[D].中國民航大學(xué)，2014.