劉云飛　田華明　黃子革　王鼎

摘要：著陸引導(dǎo)雷達(dá)是保障飛機(jī)安全著陸的重要設(shè)備，通過著陸引導(dǎo)雷達(dá)模擬器可以有效的完成著陸引導(dǎo)雷達(dá)的教學(xué)訓(xùn)練。本方案提出一種低成本多功能著陸引導(dǎo)雷達(dá)模擬訓(xùn)練器設(shè)計(jì)方案，介紹了模擬器功能需求和設(shè)計(jì)思路，闡述了模擬器硬件組成、機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)柜布局，詳細(xì)分析了雷達(dá)控制及指示模擬、顯示界面模擬、故障模擬和天線控制模擬的具體實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：著陸引導(dǎo)雷達(dá)；模擬器；模擬訓(xùn)練

0引言

著陸引導(dǎo)雷達(dá)是保障飛機(jī)著陸安全保障的重要設(shè)備，其技術(shù)比較復(fù)雜，價格昂貴，一般院校沒有配備。而要熟練掌握雷達(dá)的使用維護(hù)，必須要進(jìn)行大量的針對性訓(xùn)練，因此，為了滿足裝備教學(xué)的需求，使學(xué)員快速熟悉裝備操作使用、性能檢測和維護(hù)保障方法，并且能夠掌握雷達(dá)故障排除能力，研制對應(yīng)的模擬訓(xùn)練器成為經(jīng)濟(jì)實(shí)效的方法。

1功能需求

該型雷達(dá)主要由室內(nèi)主機(jī)設(shè)備、室外天線設(shè)備和供電設(shè)備等組成。室內(nèi)主機(jī)設(shè)備包括收發(fā)機(jī)柜、操縱員顯示機(jī)柜、領(lǐng)航員顯示機(jī)柜、控制機(jī)柜組成。室外設(shè)備主要包括下滑天線單元、航向天線單元、饋線單元和傳動單元。供電設(shè)備主要包括電源控制箱和柴油發(fā)電機(jī)組。

模擬訓(xùn)練器主要供本科及士官學(xué)員教學(xué)訓(xùn)練使用。模擬訓(xùn)練器在機(jī)柜組成及內(nèi)部模塊在外觀上與雷達(dá)相同，模擬器每個開關(guān)、旋鈕的操作所表現(xiàn)的現(xiàn)象（聲音、指示燈、顯示畫面、機(jī)柜電纜及連接器）與雷達(dá)一致，并能進(jìn)行相關(guān)拆裝操作。應(yīng)具備模擬與真實(shí)裝備相同的雷達(dá)操作顯示、信號檢測和故障設(shè)置與排除等功能。具體功能包括以下幾個方面。

1.1顯示功能

具有與真實(shí)雷達(dá)相同的各級（工作狀態(tài)、參數(shù)裝訂、系統(tǒng)修正和狀態(tài)選擇）顯示畫面：顯示畫面的數(shù)據(jù)或狀態(tài)為雷達(dá)典型或正常使用時的基本畫面：模擬器掃描畫面和回波清晰、逼真：顯示及切換方式與真實(shí)雷達(dá)相同。

1.2操控功能

能夠模擬完成著陸雷達(dá)的操作、設(shè)置等：按照雷達(dá)的操作流程、工作方式，設(shè)置相對應(yīng)的操作界面，包括鍵盤操控、按鍵操控：能通過三維虛擬軟件模擬雷達(dá)的天線同步聯(lián)動操作和顯示。

1.3工作狀態(tài)和信號模擬

模擬完成雷達(dá)的工作狀態(tài)的信息傳輸、顯示：參照雷達(dá)實(shí)際狀態(tài)指示情況，能夠?qū)Ω鞣謾C(jī)、單元顯著位置的基本狀態(tài)指示（指示燈、數(shù)值等）進(jìn)行模擬：參照雷達(dá)實(shí)際狀態(tài)指示情況，能夠?qū)π盘柼幚矸謾C(jī)插拔面板的各種測試孔信號進(jìn)行模擬。

1.4故障設(shè)置模擬

實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)及分機(jī)內(nèi)部主要模塊、線路等環(huán)節(jié)進(jìn)行故障設(shè)置和模擬，而且能利用自檢和狀態(tài)回傳實(shí)現(xiàn)故障判別。

2設(shè)計(jì)思路

總體思路是以雷達(dá)實(shí)裝機(jī)柜為基礎(chǔ)，對各分機(jī)內(nèi)的插件及模塊等進(jìn)行簡化處理，去除30MHz以上射頻信號的產(chǎn)生和處理模塊，保留30MHz以下檢測信號產(chǎn)生模塊以模擬雷達(dá)測試信號，保留對外指示和開關(guān)等。通過計(jì)算機(jī)軟件模擬雷達(dá)顯示畫面和基本操作，在實(shí)現(xiàn)模擬訓(xùn)練器的基本功能的前提下盡量降低開發(fā)研制成本。

主要設(shè)計(jì)方式：

①機(jī)柜采用框架結(jié)構(gòu)重新制作，代替原本昂貴的鑄件機(jī)柜，復(fù)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境要求即可：機(jī)柜內(nèi)的組件及模塊，按照原機(jī)一比一外形仿制：保留面板開關(guān)、指示燈和機(jī)柜對外接口等，確保機(jī)柜外觀與原雷達(dá)一致；

②根據(jù)天線系統(tǒng)接口進(jìn)行控制機(jī)柜電路改進(jìn)，使控制機(jī)柜能夠控制虛擬仿真雷達(dá)天線進(jìn)行掃描運(yùn)動；

③使用計(jì)算機(jī)及專用軟件模擬雷達(dá)顯示畫面和鼠標(biāo)鍵盤操作；

④通過開關(guān)設(shè)置模擬雷達(dá)部分故障現(xiàn)象；

⑤通過一塊模擬控制板和一塊波形產(chǎn)生板來模擬產(chǎn)生雷達(dá)各測試接口信號并控制各面板指示。

3設(shè)計(jì)方案

3.1模擬訓(xùn)練器組成

模擬訓(xùn)練器主要由控制機(jī)柜、收發(fā)機(jī)柜、操顯機(jī)柜、領(lǐng)顯機(jī)柜和電源控制箱組成，其中天線部分由于十分龐大復(fù)雜，但是考慮實(shí)際訓(xùn)練科目涉及到的不多，結(jié)合成本控制需求，所以采用虛擬軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖l所示。電源控制箱與雷達(dá)實(shí)際所配的控制箱一致，用于給機(jī)柜供電。各機(jī)柜內(nèi)部根據(jù)設(shè)計(jì)需求重新規(guī)劃設(shè)計(jì)，機(jī)柜面板及控制臺面板外觀保持與原機(jī)柜一致，機(jī)柜背部插座和機(jī)柜間電纜與原雷達(dá)一致，電纜內(nèi)信號根據(jù)實(shí)際傳輸內(nèi)容重新定義。

3.2機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)柜采用框架結(jié)構(gòu)重新制作，根據(jù)原機(jī)柜尺寸搭建框架，保留原有的抽屜結(jié)構(gòu)，內(nèi)部模塊采取與原設(shè)備一直的板卡外形，板卡功能進(jìn)行簡化，保留所有連接線纜。機(jī)柜側(cè)板及后板采用鋁合金蒙皮方式制作，噴漆顏色與原機(jī)柜一致。

3.3機(jī)柜布局

①收發(fā)機(jī)柜。

收發(fā)機(jī)柜面板指示燈、開關(guān)與表頭顯示功能與原機(jī)柜一致，該機(jī)柜內(nèi)的指示燈及開關(guān)等由放置在本機(jī)柜內(nèi)的波形產(chǎn)生板控制。波形產(chǎn)生板根據(jù)來自模擬控制板的信號控制面板指示燈，原機(jī)柜面板上的測試表頭更換為數(shù)控表頭，由波形產(chǎn)生板進(jìn)行控制。同時波形產(chǎn)生板產(chǎn)生的測試信號送至機(jī)柜上的測試口，供測試使用。

②控制機(jī)柜。

控制機(jī)柜控制臺及控制分機(jī)面板上的開關(guān)與指示燈等與原機(jī)柜一致，控制分機(jī)根據(jù)793B天線做適應(yīng)性改進(jìn)，通過機(jī)柜后部的電纜與天線連接，指示燈及開關(guān)等通過機(jī)柜后部電纜連接至操顯機(jī)柜內(nèi)的模擬控制板，顯示表頭與收發(fā)機(jī)柜一樣更換為數(shù)控表頭，通過機(jī)柜間電纜連接至收發(fā)分機(jī)內(nèi)的波形產(chǎn)生板。

③操顯機(jī)柜。

操顯機(jī)柜內(nèi)裝有一臺計(jì)算機(jī)用于模擬顯示畫面，顯示器選用與實(shí)際雷達(dá)相同分辨率的顯示器，操顯控制臺上開關(guān)、指示燈和鼠標(biāo)鍵盤的放置與原機(jī)柜一致。模擬控制板裝在本機(jī)柜內(nèi)，通過RS232接口與計(jì)算機(jī)和波形產(chǎn)生板通信。模擬控制板通過機(jī)柜間電纜與其他機(jī)柜的開關(guān)和指示燈連接。

④領(lǐng)顯機(jī)柜。

領(lǐng)顯機(jī)柜與操顯機(jī)柜一樣裝有一臺計(jì)算機(jī)和顯示器，顯示相關(guān)操作與操顯機(jī)柜互不干擾。計(jì)算機(jī)通過機(jī)柜后的電纜與操顯機(jī)柜內(nèi)的模擬控制板連接。endprint

3.4雷達(dá)控制及指示模擬

由于機(jī)柜內(nèi)功能模塊均已精簡，為了模擬出雷達(dá)控制開關(guān)和面板指示燈效果，需要制作一塊模擬控制板和一塊波形產(chǎn)生板來對各機(jī)柜、各分機(jī)的面板開關(guān)和指示等進(jìn)行控制模擬。如圖2所示，機(jī)柜上的面板開關(guān)、指示燈和測試口等分別接入模擬控制板或波形產(chǎn)生板，模擬板根據(jù)各開關(guān)的狀態(tài)，控制各指示燈，從而模擬雷達(dá)控制效果，“對消”、“自適應(yīng)”、“恒虛警”和“參差”四個開關(guān)以及天線指向控制的狀態(tài)通過RS232串口發(fā)往顯示畫面模擬計(jì)算機(jī)：波形產(chǎn)生板通過RS232接口與模擬控制板連接，根據(jù)模擬控制板發(fā)來的指令控制指示燈顯示，同時波形產(chǎn)生板內(nèi)通過時鐘模擬產(chǎn)生幾種雷達(dá)測試信號發(fā)送至測試口。

模擬控制板和波形產(chǎn)生板均使用FPGA作為核心器件，外部信號經(jīng)過轉(zhuǎn)接隔離后送入FPGA中，在FPGA內(nèi)使用硬件編程實(shí)現(xiàn)各控制功能的模擬。

3.5雷達(dá)顯示界面模擬

雷達(dá)原顯示畫面的產(chǎn)生以及鼠標(biāo)鍵盤操作通過顯示電路分機(jī)完成，顯示分機(jī)接收來自信號處理的一次視頻等信息和來自天線的角碼和指向等信息，完成畫面顯示、目標(biāo)跟蹤、參數(shù)裝訂等功能?？紤]模擬訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)不同，使用計(jì)算機(jī)通過雷達(dá)顯示模擬軟件模擬顯示畫面，雷達(dá)顯示模擬軟件根據(jù)雷達(dá)真實(shí)界面制作，完全還原雷達(dá)顯示界面操作，顯示界面與雷達(dá)真實(shí)界面保持一致，能夠產(chǎn)生模擬目標(biāo)并進(jìn)行模擬跟蹤，同時可根據(jù)用戶需求增加一些其他功能。

操顯、領(lǐng)顯機(jī)柜內(nèi)分別裝有一臺計(jì)算機(jī)，使得操顯、領(lǐng)顯界面可跟實(shí)際雷達(dá)一樣單獨(dú)操作。通過與控制模擬板的RS232串口連接，可以接收“對消”、“自適應(yīng)”、“恒虛警”和“參差”四個開關(guān)以及天線指向控制的狀態(tài)，并在畫面中顯示開關(guān)狀態(tài)和指向暗帶變化。

3.6雷達(dá)故障模擬

采用位于各分機(jī)內(nèi)各模塊上的撥動開關(guān)來模擬各模塊狀態(tài)，通過開關(guān)通斷來模擬模塊工作的正常與故障兩種狀態(tài)。各種故障狀態(tài)通過顯示軟件中的故障監(jiān)測界面監(jiān)控。監(jiān)控軟件集成在領(lǐng)顯或操顯分系統(tǒng)內(nèi)。

故障主要包括天線系統(tǒng)故障、收發(fā)系統(tǒng)故障、顯示系統(tǒng)故障、控制系統(tǒng)故障、信處系統(tǒng)故障。故障由計(jì)算機(jī)串口將指令發(fā)送給控制模擬板，控制模擬板根據(jù)指令控制各指示燈顯示故障指示，并將波形產(chǎn)生板相關(guān)的指令轉(zhuǎn)發(fā)至波形產(chǎn)生板，由波形產(chǎn)生板控制顯示相關(guān)的故障指示。

3.7雷達(dá)天線控制模擬

天線控制電路在控制機(jī)柜內(nèi)，通過軟件，虛擬仿真雷達(dá)天線，建立雷達(dá)天線運(yùn)動與雷達(dá)工作狀態(tài)交連關(guān)系。軟件基于C++語言進(jìn)行編程，將天線外形通過軟件繪制出來，并將天線的俯仰、水平各種運(yùn)動狀態(tài)與雷達(dá)操控狀態(tài)交聯(lián)。

4結(jié)語

本設(shè)計(jì)方案選擇的機(jī)柜制作方法能夠大幅降低原鑄件機(jī)柜成本，且生產(chǎn)周期較短。線路方面，模擬控制板和波形產(chǎn)生板均采用FPGA作為核心器件，F(xiàn)PGA集成度高、編程方便，具有較高的可靠性和設(shè)計(jì)靈活性。對于本方案，一般的FPGA性能即可滿足設(shè)計(jì)要求，其他所需器件均為常見元器件，進(jìn)一步降低了制作成本。顯示畫面通過計(jì)算機(jī)軟件模擬，能夠較高程度地還原顯示界面，在滿足教學(xué)訓(xùn)練需求的前提與真實(shí)裝備相比能大幅降低成本。功能方面能夠滿足本科和士官等多個層次的教學(xué)需求。endprint