艾文光， 王曉春 ， 鄧 軍， 張 靜

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第39研究所 陜西 西安 710065；2.空軍裝備研究院通信導(dǎo)航與指揮自動(dòng)化研究所 北京100085）

由于飛行測(cè)試條件要求和成本限制，需要研制機(jī)載數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的模擬設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱：中繼模擬器），用于地面仿真機(jī)載數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)操作使用，并提供操作人員培訓(xùn)[1]。

機(jī)載數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)由衛(wèi)星接收天線和數(shù)據(jù)接收機(jī)等組成，衛(wèi)星接收天線是伺服穩(wěn)定的三軸機(jī)械座架天線，用于接收衛(wèi)星信號(hào)。數(shù)據(jù)接收機(jī)用于解調(diào)接收到的信號(hào)，并將數(shù)據(jù)輸出，完成數(shù)據(jù)中繼。中繼模擬器模擬衛(wèi)星接收天線和數(shù)據(jù)接收機(jī)的全部功能，生成并上報(bào)各種狀態(tài)，接收并轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。中繼模擬器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳遞狀態(tài)與控制指令，包括設(shè)備狀態(tài)上報(bào)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收，控制指令接收。實(shí)時(shí)接收并處理教學(xué)管理分系統(tǒng)發(fā)出的故障設(shè)置命令，供教學(xué)管理分系統(tǒng)判定操作人員訓(xùn)練成績(jī)。中繼模擬器為培訓(xùn)人員的技術(shù)訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練、故障（特情）處置訓(xùn)練、改裝培訓(xùn)和考核評(píng)估提供相應(yīng)手段。

1 總體結(jié)構(gòu)和組成

1.1 總體設(shè)計(jì)

采用與真實(shí)設(shè)備相同的外觀和布局，建立虛擬真實(shí)的設(shè)備操作環(huán)境。中繼模擬器的外觀和尺寸結(jié)構(gòu)與和機(jī)載數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)實(shí)物相同，包括設(shè)備面板、開(kāi)關(guān)和顯示器件也與實(shí)物完全相同。同時(shí)通過(guò)燈光噪聲等其他手段，讓學(xué)員獲得真實(shí)的操作感受。

為了保證仿真系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性，中繼模擬器采用半實(shí)物仿真方式[2]。在中繼模擬器中內(nèi)置一臺(tái)真實(shí)數(shù)據(jù)接收機(jī)，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，并解調(diào)輸出。通過(guò)軟件模擬衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)特性、機(jī)載衛(wèi)星接收天線的運(yùn)動(dòng)特性和機(jī)載衛(wèi)星接收天線的目標(biāo)特性，軟件生成衛(wèi)星接收天線和數(shù)據(jù)接收機(jī)的全部工作狀態(tài)，生成并上報(bào)開(kāi)（關(guān)）機(jī)狀態(tài)、衛(wèi)星位置、天線姿態(tài)等仿真信息。通過(guò)軟件模擬方法可以有效的降低成本[3]。具備故障設(shè)置與特情設(shè)置功能，模擬飛行中可能出現(xiàn)的故障或特情，為學(xué)員積累排故經(jīng)驗(yàn)和增強(qiáng)特情處置能力。為教員提供觀察與指導(dǎo)訓(xùn)練、模擬空勤人員配合訓(xùn)練、生成訓(xùn)練日志、考核評(píng)判成績(jī)等教學(xué)管理手段。

1.2 中繼模擬器組成

中繼模擬器全部設(shè)備安裝在一個(gè)19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，包括配電單元模擬器、天線控制單元模擬器、信號(hào)檢測(cè)單元模擬器、數(shù)據(jù)接收機(jī)模擬器、跟蹤下變頻器模擬器、跟蹤接收機(jī)模擬器等多個(gè)模擬器單元。中繼模擬器組成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 中繼模擬器組成框圖Fig.1 Block diagram of simulator of air borne data-relay system

單個(gè)模擬器單元設(shè)備內(nèi)配置西門子公司S7-200系列可編程序控制器（PLC），單個(gè)模擬器單元可獨(dú)立操作，設(shè)備之間采用RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)。人員的操作動(dòng)作由S7-200 PLC讀入，S7-200 PLC將設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)狀態(tài)等通過(guò)RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送給兩臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)。同時(shí)，根據(jù)嵌入式計(jì)算機(jī)的控制指令，S7-200 PLC進(jìn)行相應(yīng)的邏輯操作。

中繼模擬器核心是兩臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這兩臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)間通過(guò)高速以太網(wǎng)互聯(lián)交換數(shù)據(jù)。天線控制計(jì)算機(jī)用于模擬天線控制單元運(yùn)行狀態(tài)，接收指控模擬器的控制指令；中繼系統(tǒng)模擬計(jì)算機(jī)用于中繼模擬器后臺(tái)管理及控制，接收教學(xué)管理系統(tǒng)的控制指令。

1.3 嵌入式計(jì)算機(jī)

中繼模擬器嵌入式計(jì)算機(jī)采用PC-104總線計(jì)算機(jī)，兩臺(tái)具備相同的硬件配置，擴(kuò)展板卡有I/O接口卡、電子盤，網(wǎng)絡(luò)接口卡，RS-485通信接口卡等，如圖2所示。

圖2嵌入式計(jì)算機(jī)構(gòu)成Fig.2 Composed of embedded computer system

PC-104主板模塊選用為MSM-P3-SEV，CPU為低功耗PIⅡ-400 SMARECORE。板卡可在-40～+70°C寬溫度范圍操作。

操作系統(tǒng)采用Microsoft公司的Windows NT 4.0 Embedded，編程工具使用Borland公司的可視化編程工具C++Builder 6。RS-485通信編程采用MOXA公司PCOMM串口函數(shù)庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP，編程接口為SOCKET。

2 軟件模塊及仿真過(guò)程

2.1 軟件模塊劃分

中繼模擬器軟件模塊包括人機(jī)接口模塊、通信接口模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、天線運(yùn)動(dòng)模擬模塊、天線驅(qū)動(dòng)模擬模塊、天線控制模擬模塊、衛(wèi)星位置模擬模塊、數(shù)據(jù)接收機(jī)控制模塊和跟蹤接收機(jī)模擬模塊等。模擬器軟件模塊工作流程如圖3所示。

國(guó)家及遼寧省教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃均明確指出，踐行知行合一，將實(shí)踐教學(xué)作為深化教學(xué)改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[2]要強(qiáng)化課堂教學(xué)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)的融合，普及推廣項(xiàng)目教學(xué)、案例教學(xué)、情境教學(xué)等教學(xué)模式。[3]

圖3中，人機(jī)接口模塊是用戶的操作界面，是仿真程序的主框架[4]。顯示內(nèi)容包括接收到的教學(xué)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)、RS-485現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿姘彘_(kāi)關(guān)狀態(tài)和指示燈狀態(tài)和仿真系統(tǒng)內(nèi)部全部狀態(tài)（天線位置、運(yùn)動(dòng)速度、電流、電源、陀螺、接收機(jī)參數(shù)等）。數(shù)據(jù)交換模塊用于中繼系統(tǒng)模擬程序和天線控制單元程序的數(shù)據(jù)通信。通信接口模塊包括網(wǎng)絡(luò)通信和RS-485串口通信，其中網(wǎng)絡(luò)通信用來(lái)與教學(xué)管理系統(tǒng)通信；RS-485串口通信用來(lái)與各PLC的通信，通過(guò)通信接口模塊將模擬故障數(shù)據(jù)注入各仿真模塊，完成故障模擬。

圖3 中繼模擬器系統(tǒng)軟件模塊關(guān)系Fig.3 Connection of software modules for data-relay system

2.2 天線目標(biāo)特性仿真

2.2.1天線“和”波束模型

用接收機(jī)和電平近似表示天線“和”波束特性[5]，天線“和”波束特性由天線半功率角θhp決定，最大幅度V0可調(diào)，缺省設(shè)置為10.0 V。當(dāng)天線準(zhǔn)確指向目標(biāo)時(shí)（理論），接收機(jī)輸出和電平等于V0；當(dāng)目標(biāo)在天線波束范圍內(nèi)時(shí)，接收機(jī)鎖定，同時(shí)“和”電平有如下特性：

式中△θ是天線與目標(biāo)夾角的模，

其中，A0和E0是目標(biāo)角度位置。

2.2.2天線“差”波束模型

天線“差”波束模型的典型特性是S型曲線，但是當(dāng)天線在目標(biāo)附件時(shí)，角誤差檢測(cè)特性可以近似為線性：

式中，△θ是天線與目標(biāo)夾角的模，μ是角誤差解調(diào)器的差斜率，bA、bE分別為角誤差解調(diào)器的在對(duì)應(yīng)軸向的零點(diǎn)偏移。

2.2.3天線目標(biāo)特性仿真過(guò)程

天線目標(biāo)特性仿真過(guò)程通過(guò)跟蹤接收機(jī)模擬模塊和數(shù)據(jù)接收機(jī)控制模塊來(lái)完成的。跟蹤接收機(jī)模擬模塊包括天線“和”波束特性模擬和“差”波束特性模擬，通過(guò)取得仿真天線與飛機(jī)的相對(duì)位置，與仿真飛機(jī)本身的位置、方向等參數(shù)擬和后，計(jì)算出仿真衛(wèi)星在仿真天線坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系。依照天線方向特性模型，就可以仿真出鎖定狀態(tài)、AGC電平、誤差電壓等參數(shù)。

數(shù)據(jù)接收機(jī)控制模塊是根據(jù)天線偏移衛(wèi)星的角度，模擬出數(shù)據(jù)接收機(jī)工作狀態(tài)。當(dāng)衛(wèi)星在天線波束內(nèi)時(shí)，控制數(shù)據(jù)接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)流。當(dāng)衛(wèi)星偏離出天線波束時(shí)，禁止數(shù)據(jù)接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)流。在特定情況下，如飛機(jī)對(duì)天線有遮擋，關(guān)閉數(shù)據(jù)流輸出。

2.3 天線運(yùn)動(dòng)特性仿真

2.3.1天線運(yùn)動(dòng)特性

天線運(yùn)動(dòng)特性依照給定的速度電壓，模擬出天線的速度環(huán)特征，簡(jiǎn)化的速度環(huán)傳遞函數(shù)一般形式為：

式中，純積分環(huán)節(jié)是電動(dòng)機(jī)的積分作用；Ki為速度開(kāi)環(huán)增益；Ti為速度環(huán)時(shí)間常數(shù)。

2.3.2天線運(yùn)動(dòng)特性仿真過(guò)程

天線運(yùn)動(dòng)特性仿真過(guò)程包括天線運(yùn)動(dòng)模擬模塊、天線驅(qū)動(dòng)模擬模塊、天線控制單元模擬模塊。

天線運(yùn)動(dòng)模擬模塊模擬天線體運(yùn)動(dòng)，接收速度指令，經(jīng)速度環(huán)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成天線的位置運(yùn)動(dòng)，并將天線位置輸出。根據(jù)位置數(shù)據(jù)，模擬天線的限位動(dòng)作，并將限位狀態(tài)輸出。同時(shí)，天線運(yùn)動(dòng)模擬模塊依照天線體運(yùn)動(dòng)特征，產(chǎn)生天線上安裝的速率陀螺輸出。天線驅(qū)動(dòng)模擬模塊根據(jù)速度指令，依照電流環(huán)和速度環(huán)數(shù)學(xué)模型，模擬出測(cè)速機(jī)輸出和電流輸出。天線控制單元模擬模塊模擬天線控制單元運(yùn)行，產(chǎn)生天線控制單元運(yùn)行狀態(tài)，并將故障狀態(tài)送其他各模塊和顯示[6]。

2.4 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)特性仿真

按照NORAD SGP4/SDP4軌道模型[7]計(jì)算衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng)，使用當(dāng)前衛(wèi)星軌道兩行根數(shù)（TLE）計(jì)算衛(wèi)星星歷，可以獲得精確的軌道預(yù)測(cè)[8]。衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的具體計(jì)算，在這里不作詳細(xì)介紹。

衛(wèi)星位置模擬模塊可以模擬出衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡。依照衛(wèi)星的軌道位置和飛機(jī)所在地經(jīng)緯度，計(jì)算，再根據(jù)衛(wèi)星的星歷計(jì)算星下點(diǎn)軌跡的經(jīng)緯度，再計(jì)算輸出天線在特定地點(diǎn)位置，實(shí)時(shí)計(jì)算出衛(wèi)星的位置和天線指向衛(wèi)星的角度等。

3 驗(yàn)證與確認(rèn)

經(jīng)過(guò)模擬器仿真輸出數(shù)據(jù)同真實(shí)設(shè)備飛行記錄數(shù)據(jù)比對(duì)，數(shù)據(jù)間一致性好，模擬器仿真數(shù)據(jù)沒(méi)有出現(xiàn)奇異點(diǎn)，這確認(rèn)了仿真模型正確，計(jì)算的實(shí)時(shí)性也滿足要求。

中繼模擬器通過(guò)了由第三方評(píng)測(cè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)的 “四性”評(píng)估試驗(yàn)?！八男浴痹u(píng)估經(jīng)過(guò)兩步，空軍裝備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)中心首先對(duì)中繼模擬器進(jìn)行了可靠性評(píng)估試驗(yàn)，共進(jìn)行了259小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果合格，經(jīng)過(guò)用戶一段時(shí)間使用后，該中心又對(duì)中繼模擬器系統(tǒng)進(jìn)行了維修性、測(cè)試性、保障性評(píng)估試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格并出具評(píng)估報(bào)告。

通過(guò)機(jī)載數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)模擬器全面訓(xùn)練培養(yǎng)了學(xué)員執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)和正確應(yīng)對(duì)空中特情的能力，大量減少空中飛行訓(xùn)練時(shí)間，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。在由院校組織學(xué)員培訓(xùn)過(guò)程中，通過(guò)模擬飛機(jī)飛行過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行操作技能訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)協(xié)同訓(xùn)練；通過(guò)故障設(shè)置和空中特情設(shè)置，培養(yǎng)并提高學(xué)員的反應(yīng)能力和應(yīng)對(duì)技能，中繼模擬器外觀逼真，工作可靠，用戶反饋使用效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用真實(shí)天線和數(shù)據(jù)接收機(jī)接收數(shù)據(jù)，使用軟件模擬機(jī)載天線運(yùn)動(dòng)和波束的方法，合理的分配了機(jī)載數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)模擬器的仿真內(nèi)容，通過(guò)這種半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)，可靠經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)了中繼模擬器的全部功能。通過(guò)高速以太網(wǎng)和RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線兩級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)的方法，中繼模擬器具備單獨(dú)節(jié)點(diǎn)可操作能力和快速實(shí)時(shí)響應(yīng)特性，該方法在復(fù)雜設(shè)備的仿真中具有明顯優(yōu)點(diǎn)。

但是中繼模擬器使用軟件仿真天線的運(yùn)動(dòng)，學(xué)員不能直觀的看到天線運(yùn)動(dòng)情況，下一步可以考慮采用文獻(xiàn)[9]的方法，以3D視圖的形式將天線運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)顯示，采用文獻(xiàn)[10]的方法，以2D視圖的形式將衛(wèi)星位置顯示，讓仿真結(jié)果更加直觀清晰。

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