董 巍，李 麗，吳 曦

（海軍參謀部指揮保障大隊航空管制室，北京 100841）

0 引言

航管二次雷達也稱為航空交通管制雷達信標系統(tǒng)，通過地面站和目標應(yīng)答器之間的詢問和應(yīng)答，實現(xiàn)對目標的跟蹤。地面接收到的的回波信號包括目標距離、方位和氣壓高度信息，同時還能識別軍用和民用目標。航管二次雷達幫助管制員或者系統(tǒng)操作員在屏幕上跟蹤和詢問飛行器目標，從而提高了管制效率?，F(xiàn)有的航管二次雷達數(shù)據(jù)量較大，導(dǎo)致其處理周期較長，同時由于地面指揮站的綜合顯示系統(tǒng)的顯控功能不夠精確，一旦將二次雷達數(shù)據(jù)直接顯示到綜合顯示系統(tǒng)上，會導(dǎo)致視場中同時顯示的飛行器目標過多，影響操作人員的操作。

近些年來，隨著我國對航空也的需求日漸增加，民航系統(tǒng)引進和建設(shè)的地面雷達監(jiān)視導(dǎo)航系統(tǒng)也不斷增多，同時也對長時間的無故障工作有了更高的要求。如何提高我國空管雷達有效、高速、數(shù)字化的高性能檢測和保障，也成了擺在管理部分的一個急需解決的問題。長期以來，通過專業(yè)儀器對航管雷達進行檢測和維護是一個標準的流程，但是也出現(xiàn)過程復(fù)雜、時間較長、精度可靠性不夠高等方面的問題。因此，提高航管二次雷達控制系統(tǒng)的準確性、可靠性、安全性和可維護性具有十分重要的意義。

1 方案設(shè)計

車載雷達轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的主要任務(wù)是接收外部數(shù)據(jù)引導(dǎo)，精確指向并隨動跟蹤目標，并將高功率微波通過天線輻射至目標處，同時實時反饋天線的指向角度和狀態(tài)信息。天線伺服系統(tǒng)具備自動展開、收裝能力和運輸時的鎖緊機構(gòu)，整個系統(tǒng)與方艙裝載于同一載車平臺上，滿足三級公路運輸要求。系統(tǒng)安裝于方艙之上，并確保公路運輸不超限。轉(zhuǎn)臺由方位和俯仰機構(gòu)組成，帶動天線實現(xiàn)方位與俯仰兩方向動作，方艙內(nèi)部設(shè)計有伺服控制箱，既可以減少伺服系統(tǒng)的負載，又有利于伺服控制板的防護；在轉(zhuǎn)臺上是天線主面、天線副面和波束波導(dǎo)，天線主面、天線副面聯(lián)接于天線轉(zhuǎn)臺的俯仰機構(gòu)的背架上，通過轉(zhuǎn)臺背架的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)天線俯仰動作，并能夠?qū)崿F(xiàn)天線分系統(tǒng)從工作狀態(tài)到運輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換（或相反動作）。波束波導(dǎo)安裝在俯仰平臺上，俯仰通道通過聯(lián)軸器帶動波束波導(dǎo)轉(zhuǎn)動，保證微波波束始終指向天線副面。

2 系統(tǒng)硬件

根據(jù)對轉(zhuǎn)臺的使用要求，制定的控制系統(tǒng)方案具有如下突出特點：

2.1 能提供高穩(wěn)定高精度的方位數(shù)據(jù)

依據(jù)技術(shù)協(xié)議中的要求選擇合適的編碼器，編碼器與天線的回轉(zhuǎn)軸線同軸，增加編碼器的機械安裝精度，減少了編碼器的角位移讀數(shù)與真實角度位移之間的誤差，提高了編碼器校北誤差的精度。

2.2 全位置反饋伺服控制

獨立的校北功能，通過角位置反饋的三回路閉環(huán)控制方案，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.3 CANOpen總線

內(nèi)部通信采用CANOpen總線通信，具備實時性穩(wěn)定性通信能力。

2.4 硬件接口

硬件接口根據(jù)技術(shù)要求預(yù)留，確保硬件接口的通用性以及多樣性。

硬件組成部分如下：

編碼器選用AMO（奧地利）16位增量式編碼器。選用貝加萊的PLC實現(xiàn)通信、編碼器數(shù)據(jù)接收、故障判斷。PLC能完成控制系統(tǒng)間的故障監(jiān)測、伺服驅(qū)動器的控制、IO總線端子的信號采集、傳感器信息的接收、接收主機的命令并解析等相關(guān)功能。CANOpen主站模塊X20IF1072能夠?qū)崿F(xiàn)和驅(qū)動器之間的CANOpen通信。

伺服驅(qū)動器完成對伺服電機的驅(qū)動控制，和傳統(tǒng)的變頻器不同，伺服驅(qū)動器內(nèi)部集成了電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，能實現(xiàn)對伺服電機閉環(huán)控制，實現(xiàn)精準、快速定位以及穩(wěn)定的勻速運動。

編碼器處理模塊接收來自轉(zhuǎn)臺本體編碼器的原始信號，生成規(guī)定要求的信號格式并返回給雷達主機。采用FPGA的處理方式，其主頻為50MHz，同時具備RS232接口和PLC通訊，接收來自PLC的調(diào)零命令。

AC/DC電源輸出24VDC弱電，給PLC、驅(qū)動器、開關(guān)、繼電器控制等供電。

接觸器用來控制控制系統(tǒng)的強電輸入、伺服驅(qū)動器的強電輸出。斷路器則用在驅(qū)動器輸入前端，用于在維修時斷開故障控制系統(tǒng)的強電輸入。

開關(guān)用來控制對接觸器的控制及其他相關(guān)信號輸入到驅(qū)動器中。包括急停開關(guān)、自鎖開關(guān)、狀態(tài)顯示開關(guān)、聲光報警開關(guān)等。

為了方便現(xiàn)場維修，控制面板需要提供安全保護操作功能和狀態(tài)指示功能。

3 系統(tǒng)軟件

軟件應(yīng)具有容錯性設(shè)計，防止軟件跑飛和進入死循環(huán)。應(yīng)充分考慮接口的各種可能故障及軟件運行時各種異常情況，設(shè)計相應(yīng)的保護措施。計算導(dǎo)致的變量取值溢出和計算誤差可能導(dǎo)致的異常。軟件接口設(shè)計應(yīng)具備擴展性，能快速適應(yīng)功能和接口需求變更設(shè)計部署。

PLC接收來自主機的工作命令，同時接收來自兩路伺服驅(qū)動器的工作狀態(tài)，通過對工作命令和工作狀態(tài)的綜合判斷后，對兩路伺服驅(qū)動器發(fā)出工作指令，同時將控制系統(tǒng)的狀態(tài)返回給主機。

主機和控制系統(tǒng)間采用以太網(wǎng)通信，通信協(xié)議采用TCP/IP，每次通訊的最低間隔為1s。

工作模式為PLC內(nèi)部控制伺服驅(qū)動器的三種工作狀態(tài)：待機、正常運行、故障停機，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1所示。

圖1 單路控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

自檢采用內(nèi)部周期自檢的方式實現(xiàn)，自檢周期為10ms，通過采集轉(zhuǎn)臺各部分的狀態(tài)，由綜合算法來判斷是否有故障。

系統(tǒng)工作在系統(tǒng)自檢狀態(tài)時，離合器和轉(zhuǎn)臺是脫離的。系統(tǒng)自檢時由PLC發(fā)出運動指令驅(qū)動電機進行正弦運動；并記錄運動過程中軸角位置傳感器檢測的角位置信息；PLC根據(jù)這些信息診斷驅(qū)動元件、測量元件是否正常工作，并提供相應(yīng)的自檢結(jié)果。自檢程序和流程圖見圖2。

圖2 自檢程序流程圖

PLC根據(jù)主機的命令控制驅(qū)動器進行校北。伺服驅(qū)動器根據(jù)位置閉環(huán)命令和位置偏移量進行位置閉環(huán)工作，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺定位到指定位置。圖3給出了校北程序流程圖。

由于位置定位用的是電機自身的旋變作為位置反饋，在離合器脫離的情況下和測角設(shè)備的相對位置是會發(fā)生變化的，因此在定位的過程中有可能出現(xiàn)一次定位不能滿足主機要求的情況，可通過二次定位達到要求。

由雷達主機基于雙機輪休工作的計劃、設(shè)備檢修等相關(guān)任務(wù)的考慮進行控制系統(tǒng)間正常切換，在切換過程中，為保證切換的平穩(wěn)性，雙伺服控制系統(tǒng)會進入同時工作狀態(tài)。伺服控制系統(tǒng)正常切換的程序流程圖如圖4所示。

圖3 位置定位程序流程圖

圖4 控制系統(tǒng)正常切換程序流程圖

在外部負載過大的情況下，電控系統(tǒng)需要雙機同時工作，此時主機根據(jù)控制系統(tǒng)反饋的測量電流大小來判斷當(dāng)前工作控制系統(tǒng)的負荷運轉(zhuǎn)情況，如果負荷較大，則不再斷開之前正常工作的控制系統(tǒng)，讓雙控制系統(tǒng)同時工作。

PLC在轉(zhuǎn)臺單機驅(qū)動的過程中監(jiān)控整個系統(tǒng)的狀態(tài)。當(dāng)運行轉(zhuǎn)速閉環(huán)工作的單路伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過綜合判斷在保證安全的情況下，PLC應(yīng)將故障伺服系統(tǒng)中的離合器斷開，同時啟動待機的伺服系統(tǒng)。故障切換時間由CANOpen總線和離合器等開關(guān)啟停時間以及PLC的周期運算時間綜合決定。故障切換程序流程圖如圖5所示。

圖5 故障切換程序流程圖

在故障停機狀態(tài)下，PLC斷開驅(qū)動器輸出，松開離合器，同時關(guān)閉驅(qū)動器的輸出，并進行聲光報警。故障出現(xiàn)后的程序流程圖如圖6所示。

圖6 故障停機的程序流程圖

轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的安全保護控制主要包括：驅(qū)動系統(tǒng)的電源控制、各路驅(qū)動控制器的使能控制、緊急制動等。

PLC是實現(xiàn)邏輯控制的中樞核心。雷達主機通過網(wǎng)絡(luò)接口給PLC發(fā)送控制指令，PLC根據(jù)雷達主機指令控制各伺服驅(qū)動器的工作，同時檢測個回路的實時狀態(tài)。同時PLC能夠?qū)崿F(xiàn)在異常情況下的緊急保護指令，各驅(qū)動器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶按下緊急按鍵或驅(qū)動器發(fā)出故障信號時，PLC即刻發(fā)出急停指令給驅(qū)動器，通過電機制動和抱閘的方式將設(shè)備停止下來，為了能將能量快速釋放，通過外接制動再生電阻幫助實現(xiàn)能量消釋，以確保用戶設(shè)備和轉(zhuǎn)臺的安全。

4 結(jié)束語

隨著國家的空中交通的需求不斷增加，對于航空管制的雷達的高效運行的要求也不斷提高，除了通過引進和建設(shè)更為可靠的設(shè)備，通過現(xiàn)有設(shè)備的系統(tǒng)改進及提高也是一種比較好的方法。本文在現(xiàn)有航管雷達設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計了可靠性更高、操作更為簡單的二次航管雷達伺服控制系統(tǒng)，提高航管二次雷達控制系統(tǒng)的準確性、可靠性和安全性。