牛強軍，緱朋帥

（1.空軍第一航空學院航空電子工程系，河南信陽464000；2.鄭州大學信息工程學院，河南鄭州450001）

儀表著陸系統(tǒng)機載設備檢測系統(tǒng)研制

牛強軍1，2，緱朋帥2

（1.空軍第一航空學院航空電子工程系，河南信陽464000；2.鄭州大學信息工程學院，河南鄭州450001）

為滿足儀表著陸系統(tǒng)機載設備的性能功能檢測、故障診斷及系統(tǒng)效能評估，采用信號合成、虛擬儀器與自動測試等技術，以工控機為核心內嵌多功能數據采集卡、通訊總線控制卡、綜合保障卡，配合儀表著陸信號模擬器，構建了滿足儀表著陸系統(tǒng)機載設備檢測系統(tǒng)的軟硬件平臺。解決了基于DSP和DAC的多種高精度低頻調制信號產生、基于鎖相式多波段頻率合成、基于矢量調制技術的射頻信號產生、基于數據庫技術的專家系統(tǒng)的構建等關鍵問題。經測試，系統(tǒng)綜合性好，自動化程度高，適應基層級、中繼級、基地級的維修需求。文中介紹的檢測系統(tǒng)已經小批量推廣應用，其使用技術具有一定的借鑒意義。

儀表著陸；信號模擬器；測控子系統(tǒng)；虛擬儀器

據調查研究顯示全世界范圍內的運輸飛機有40%以上的飛行事故發(fā)生在著陸階段，其中客運飛機在進近著陸階段的飛行事故超過全部飛行事故的60%[1]。軍用飛機要進行全天候飛行，事故率要遠高于民用飛機。因此在飛機著陸階段對飛機進行精密的引導尤為必要。儀表著陸系統(tǒng)作為精密進場引導設備，它的工作狀態(tài)直接影響飛機的安全著陸，因此對儀表著陸系統(tǒng)機載設備進行定期的檢測與校驗是十分必要的。針對現(xiàn)有檢測設備的功能不夠完善，智能化、自動化程度低的問題，結合目前軍用和民用領域對儀表著陸機載設備檢測系統(tǒng)的迫切需求，本文設計了一種儀表著陸機載設備檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠對儀表著陸機載設備進行全面的檢測與評估，大大提高了檢測效率，保障了飛機在著陸階段的飛行安全。

1 儀表著陸系統(tǒng)導航原理

儀表著陸系統(tǒng)通過儀表的表針向飛行員提供飛機著陸時航向和下滑的偏差信息。航向面由兩側分別被90 Hz和150 Hz單音信號調幅的甚高頻載波組成，如圖1（a）所示。當飛機偏離跑道中心線左側時90 Hz的信號的調制度M90占優(yōu)勢，飛機偏離跑道中心線右側時150 Hz的信號的調制度M150占優(yōu)勢，機載接收機通過比較90 Hz和150 Hz載波信號的調制度差（DDM）來判斷飛機偏離航向面中心線的距離[2-3]。令 DDM=M90-M150，航向面中心線左側 DDM＞0，航向面中心線右側DDM＜0，航向面中心線上DDM=0。航向面中心線兩側的DDM值的絕對值對稱分布，并隨飛機偏離中心線距離的增大而增大。下滑面與航向面類似，由上方90 Hz和下方150 Hz的單音信號調幅的超高頻載波組成，如圖1（b）所示。下滑面上方DDM＞0，下滑道下方DDM＜0，下滑道上DDM=0。飛機通過儀表著陸機載接收機接收地面導航臺的航向信號和下滑信號并解算出兩個DDM值，根據DDM值不斷調整前進方向，使飛機沿著航向面和下滑面的“交線”漸近著陸。

圖1 儀表著陸波束圖

2 系統(tǒng)設計原理與技術實現(xiàn)

2.1 設計思路

檢測系統(tǒng)按照“送信號，看輸出”的技術思想進行設計[4]。首先設計儀表著陸系統(tǒng)信號模擬器模擬儀表著陸航向信標臺（LOC）、下滑信標臺（GS）、指點信標臺（MKR）的信號。在測控子系統(tǒng)的控制下儀表著陸信號模擬器產生各種激勵信號并注入到儀表著陸機載接收設備，利用測控子系統(tǒng)檢測儀表著陸機載接收設備輸出的響應信號，分析這些響應信號的狀態(tài)及其變化規(guī)律判斷儀表著陸機載接收設備各項性能指標是否符合要求。因此，一次完整的測試包括用信號模擬器產生的信號激勵被測單元（UUT），利用測控系統(tǒng)檢測UUT的反饋信息[5]，分析反饋信息并得出結論。

2.2 硬件結構

儀表著陸機載設備檢測系統(tǒng)的硬件組成如圖2，系統(tǒng)是由儀表著陸信號模擬器和儀表著陸測控子系統(tǒng)構成的完整的檢測系統(tǒng)。

圖2 儀表著陸機載設備檢測系統(tǒng)框圖

儀表著陸信號模擬器完成儀表著陸地面導航臺的信號模擬，這些信號可以從端口適配器引出。另外信號模擬器還設有天線借口，通過外接天線可以實現(xiàn)儀表著陸系統(tǒng)地面臺站的發(fā)射信號波束模擬。信號模擬器與接口適配器、外接天線及測控子系統(tǒng)配合，完成儀表著陸機載設備的性能、功能測試[6-8]。信號模擬器有獨立的顯示和控制面板，用于對輸出信號參數的顯示和調節(jié)。信號模擬器的輸出信號參數還可以通過RS232接口由上位機調控，配合測試軟件產生各種激勵信號。

儀表著陸測控子系統(tǒng)是以工業(yè)控制計算機為核心構成的一個開放的、易擴展的、維護性好的硬件平臺。工控機與普通PC相比，有較高的防磁、防塵、抗沖擊能力，對惡劣環(huán)境具有較強的適應性，并且便于安裝調試。以工控機為核心，有助于增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足儀表著陸機載設備檢測系統(tǒng)的內外場工作需求。儀表著陸測控子系統(tǒng)以工控機作為構建平臺，通過PCI端口掛接通訊總線驅動卡、多功能數據采集卡、綜合保障卡等設備組成完整的測控單元。儀表著陸測控子系統(tǒng)通過嵌入的ARINC429數據總線卡接收儀表著陸機載設備的反饋信號，分析這些信號可以得到儀表著陸機載設備的工作狀態(tài)，進而對其性能功能進行測試。測控子系統(tǒng)還設有PCI-1718多功能數據采集卡，該卡提供16路模數轉換、單通道數模轉換、16通道數字量輸入、16通道數字量輸出和定時/計數器5種功能。數據采集卡采集儀表著陸機載設備的輸出或者其電路板上測試點的信號，分析這些信號的狀態(tài)及其變化規(guī)律，能夠進一步對儀表著陸機載設備的工作狀況進行評估。通過綜合分析數據采集卡采集的數據和被測單元的反饋數據，能夠幫助維修工程師盡快鎖定故障點，節(jié)省大量的維修時間。綜合保障卡內設有自檢控制電路和電源監(jiān)控電路，用于系統(tǒng)自檢和對整機的電源及功耗進行監(jiān)控。

此外，以工業(yè)控制計算機作為構建平臺，可以利用虛擬儀器的強大功能，編寫基于Lab Windows的上位機軟件。通過上位機軟件對系統(tǒng)的全部資源進行調配，對檢測數據進行分析及顯示，提供友好的人機交互界面，這些功能提高了測控系統(tǒng)的自動化程度。

2.3 軟件設計

本文基于虛擬儀器的思想設計上位機軟件[9]。在信號模擬器和測控子系統(tǒng)構建的硬件基礎上，編寫基于LabWindows的虛擬儀器軟件。虛擬儀器軟件是整個測控系統(tǒng)的核心部分，其主要完成對系統(tǒng)自檢的控制、對信號模擬器和測控子系統(tǒng)進行控制、對檢測數據進行分析和處理以及對分析結果進行輸出顯示等功能，軟件結構框圖見圖3。

圖3 軟件結構框圖

軟件中儀器自檢程序依靠測控子系統(tǒng)中的自檢電路對儀器自身的各個單元進行檢測。儀表著陸信號模擬軟件模塊通過RS232接口對信號模擬器的工作模式（LOC、GS、MKR）、信號參數（波道號、DDM、常態(tài)/識別）等數據進行設置。機載設備測控系統(tǒng)軟件模塊配合信號模擬軟件模塊對機載接收機的接收靈敏度、DDM誤差、抗干擾能力、告警和臺站識別等功能進行檢測。軟件中的故障診斷系統(tǒng)[10-11]將自檢信息、著陸信號參數與對機載設備的測試信息進行統(tǒng)一的分析處理后輸出檢測報告。上位機軟件可以對系統(tǒng)的全部資源進行調配，對檢測數據進行分析及顯示，這些功能提高了測控系統(tǒng)的自動化程度。

文中所編寫的上位機軟件由3部分組成，如圖4所示。圖4（a）是軟件的主界面，在該頁面內可以設置RS232、ARINC429的接口參數，對測控系統(tǒng)工作電壓進行監(jiān)控，實現(xiàn)測控系統(tǒng)的自檢。圖4（b）是對儀表著陸信號模擬器進行調控的區(qū)域，在該面板上可以對輸出信號的電平、DDM、工作模式等進行設置及調整。圖4（c）是檢測系統(tǒng)的主要顯示及控制界面，顯示內容主要包括DDM、接收功率、接收靈敏度以及數據信號的誤碼率等內容。

圖4 上位機軟件部分界面

3 關鍵技術

3.1 基于DSP的信號合成技術

音頻信號的頻率范圍為90～3 000 Hz，頻率較低，但是對90 Hz和150 Hz調制信號的電平精度有較高的要求。綜合考慮音頻調制信號的頻率低、電平精度高的特點，選擇由DSP和DAC電路直接合成的方法。該方法關鍵是要用數字信號處理的方法實現(xiàn)音頻調制信號的高精度輸出。由DSP通過軟件運算的方法對音頻調制信號的幅度進行調整，然后疊加，再經過DAC電路實現(xiàn)調制信號的高穩(wěn)定輸出。這種方法可以保證對幅度調制時高線性度的要求，避免出現(xiàn)調制度穩(wěn)定性低的問題[12-15]。

具體實現(xiàn)步驟如圖5所示，DSP分別從波形數據存儲表中找出90 Hz和150 Hz調制信號當前要輸出的波形數據，再分別對波形表輸出的調制信號波形數據乘以不同的幅度系數得到高精度的幅度數據（圖中的虛線框表示乘法器分時復用），然后將幅度調整后的90 Hz和150 Hz信號數據序列在加法器中進行數字疊加，將加法器輸出的疊加信號數據送入DAC轉換電路即可得到所需的模擬調制信號。

圖5 幅度數據預置示意圖

3.2 載波信號合成和射頻信號的矢量調制技術

因為本文設計的著陸設備信號模擬器在兩個頻段中共有80個載波頻點，相鄰頻道的間隔最小僅有50 kHz，并且載波頻率穩(wěn)定度須優(yōu)于2×10-5，實現(xiàn)起來有較大難度。采用鎖相式頻率合成器可以解決系統(tǒng)要求的多波道、高穩(wěn)定高頻信號的產生問題。但單純的鎖相式頻率合成器帶寬有限，難以解決寬頻帶、多波段的難點問題。為了解決這一問題，系統(tǒng)采用了復合式鎖相頻率合成技術，也就是鎖相式多波段頻率合成技術。鎖相式多波段頻率合成器內部采用了多個壓控振蕩器選擇使用，鑒相器、分頻器復合使用的方法。由于每個VCO工作在不同的頻率上，且具有不同的帶寬，所以多個壓控振蕩器的總帶寬可以滿足系統(tǒng)多波段、寬頻帶的技術要求。由于鎖相式多波段頻率合成器是以鎖相式頻率合成器為基礎構成的，所以它具有頻率穩(wěn)定、準確度高、便于集成的優(yōu)點。

為了提高電路的抗干擾性能和集成化程度，系統(tǒng)采用LMX2306作為頻率合成器，LMX2306片內集成有鑒相器、分頻器，簡化了電路的復雜度，提高了電路的可靠性。VCO采用MAX公司的MAX2606和MAX2608，它們的調諧范圍非別是70～150 MHz和300～500 MHz，這兩個頻段涵蓋了包括航向信號、下滑信號和指點信標信號在內的載波頻段，可以滿足系統(tǒng)多波段、寬頻帶的技術要求。

將DAC輸出的I/Q信號直接送射頻矢量調制電路完成幅度調制。通用信號源輸出信號的調制度一般都在80%以下，而本文設計的信號模擬器其輸出信號的總調制度最高要達到80%，而且要求線性度高、失真小。為此系統(tǒng)采用了ADI公司的ADL5385寬帶正交調制器，該調制器內部采用矢量疊加的原理，較好的實現(xiàn)了大調制度的無失真調制。

3.3 組合衰減技術

信號模擬器作為檢測系統(tǒng)中的激勵源，它的輸出電壓精度必須足夠高并能夠在0.7～100 000 μV（-7～-110 dBm）范圍內連續(xù)步進可調。為解決這個技術難題，系統(tǒng)采用了組合衰減技術。組合衰減技術采用電控衰減器與步進衰減器組合使用的方法，電控定值衰減器用于實現(xiàn)大范圍的衰減，步進衰減器用于實現(xiàn)衰減量的連續(xù)調整。采用電控定值衰減器與步進衰減器組合使用恰好可以取長補短，在大范圍內實現(xiàn)輸出的連續(xù)調整，達到了預期的效果。

4 結 論

儀表著陸機載設備檢測系統(tǒng)的各項技術指標均達到了要求。儀表著陸信號模擬器在設計過程中克服了多波段、寬頻帶、高穩(wěn)定度信號產生、多種音頻調制信號的合成以及大動態(tài)范圍電平控制的技術難題，實現(xiàn)了儀表著陸地面設備的信號模擬。儀表著陸測控子系統(tǒng)以工控機為構建平臺，嵌入總線驅動卡、多功能數據采集卡、綜合保障卡及端口適配電路，構成了一個開放的、易擴展的、維護性好的硬件平臺。機載儀表著陸設備檢測系統(tǒng)能夠完成儀表著陸地面設備的信號模擬、對機載設備的功能檢查、性能測試、效能評估等任務，具有智能化程度高、性價比高、維護性好等特點。

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Development of instrument landing system airborne equipment detecting system

NIU Qiang?jun1,2，GOU Peng?shuai2
（1.Dept.of Aeronautic Electronic Engineering，The1st Aeronautic Institute of Air Force，Xinyang464000，China；2.Information and Engineering Institute，Zhengzhou University，Zhengzhou450001，China）

In order to meet the performance function detecting，fault diagnosis and efficiency evaluation of the instrument landing system airborne equipment，technologies such as signal synthesis，virtual instruments and automatic testing and so on are adopted in the detecting system，and thus the hardware and software platform is constructed.Industrial personal computer is used as the core of the hardware platform which is embedded multi?function data acquisition card，communication bus control card and comprehensive security cards.Key problems such as the synthesis of multi?band carrier signal and a variety of high?precision low?frequency modulation signal and the construction of expert system have been solved.Good synthesis and high automaticity of the system satisfy the different test for basic level，relay level and base level.The detecting system introduced in this paper has been applied in small batch，and the technology used in the detecting system has a certain reference value.

instrument landing system；signal simulator；measurement and control subsystem；virtual instrument

TN96

A

1674-6236（2017）22-0089-04

2016-09-23稿件編號：201609210

牛強軍（1969—），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，教授。研究方向：機載綜合航空電子系統(tǒng)應用與測試的教學、研究。