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        無線電羅盤自動測試系統(tǒng)

        2022-02-25 01:39:44石勁松1羅運(yùn)虎1徐林林
        測控技術(shù) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:羅盤接收機(jī)定向

        石勁松1, 羅運(yùn)虎1, 謝 地, 徐林林

        (1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院,江蘇 南京 210016; 2.中國人民解放軍第5720工廠,安徽 蕪湖 241007)

        作為飛機(jī)上重要的獲取方位信息與通信的部件,無線電羅盤是一種基于無線電技術(shù)的用于接收地面導(dǎo)航臺所發(fā)射的音頻與位置信息的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備。無線電羅盤一旦出現(xiàn)定向偏差較大或靈敏度降低等情況,將會導(dǎo)致飛機(jī)偏航、通信中斷等不良后果,所以對其性能進(jìn)行測試顯得至關(guān)重要。

        然而,近年來,對無線電羅盤的研究主要集中在天線方位定位、電磁干擾源、電子兼容設(shè)計,同時伴隨著通過軟件的方法實(shí)現(xiàn)無線電羅盤等方面。文獻(xiàn)[1]通過環(huán)形天線感應(yīng)電動勢表達(dá)式,推導(dǎo)出在不同入射波方向下電動勢大小來確定天線方位圖;文獻(xiàn)[2]通過分析無線電羅盤的常見故障現(xiàn)象,給出每種故障相應(yīng)的排故方法;文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]通過分析不同低噪聲放大器架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)、性能對比,推導(dǎo)出最好的噪聲消除的架構(gòu);文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分析了無線電羅盤的兩大干擾源并結(jié)合仿真驗(yàn)證分析給出電磁兼容設(shè)計;文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]提出了不同的無線電羅盤天線信號產(chǎn)生方法;文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]闡述了用坐標(biāo)圖解法進(jìn)行靜止衛(wèi)星地面站天線方位角的計算,并提出了一種基于FPGA的雷達(dá)天線模擬方法。

        目前,修理工廠對無線電羅盤關(guān)鍵部件接收機(jī)的修理與測試依然采用手動方式,測試流程煩瑣,測試效率和測試精度較低,且信號測試均采用注入法,未將環(huán)形天線加入測試系統(tǒng),沒有保證系統(tǒng)完整性,從而給飛機(jī)修理帶來很大的修理風(fēng)險。基于上述現(xiàn)狀,為滿足羅盤接收機(jī)電氣修理與自動測試需要,本文基于自動測試?yán)碚摚O(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種無線電羅盤自動測試系統(tǒng)。

        1 無線電羅盤系統(tǒng)

        1.1 系統(tǒng)組成

        無線電羅盤系統(tǒng)由前端的垂直天線、環(huán)形天線、天線放大器、環(huán)匹配器、接收機(jī)和控制盒組成,如圖1所示,其中垂直天線與環(huán)形天線負(fù)責(zé)接收歸航臺發(fā)射的無線電波,天線放大器用于濾波和功率提升,并依靠環(huán)匹配器完成環(huán)形天線信號的混頻與耦合,接收機(jī)負(fù)責(zé)解算出方位信息與音頻信息,并配合控制盒完成頻段選擇。

        圖1 無線電羅盤系統(tǒng)框圖

        1.2 測向原理

        無線電羅盤通過組合天線測向,組合天線包括垂直天線和環(huán)形天線,其中無向性垂直天線輔助環(huán)形天線進(jìn)行測向。環(huán)形天線結(jié)構(gòu)如圖2所示,坐標(biāo)原點(diǎn)處的電場強(qiáng)度為eo=Eosinωt,環(huán)形天線總感應(yīng)電動勢為

        e=Emcosωt

        (1)

        定義:

        (2)

        圖2 環(huán)形天線測角原理

        設(shè)入射波為等幅波,則無向性天線輸出仍為等幅波,可表示為

        e1=E1msinωt

        (3)

        環(huán)形天線輸出信號為

        e2=E2m maxsinθcosωt

        (4)

        將環(huán)形天線信號進(jìn)行移相90°、放大和平衡調(diào)制后,可得:

        (5)

        環(huán)形天線與垂直天線信號疊加后:

        (6)

        組合天線電動勢在0~180°和180~360°時相位相反,從而消除了單環(huán)形天線定向存在的多值性問題。組合天線測向原理框圖如圖3所示。

        圖3 組合天線測向原理框圖

        圖4為組合天線測向的仿真結(jié)果,圖4(a)為垂直天線輸出信號,為AM調(diào)制信號;圖4(b)為無垂直天線分量下,組合天線輸出,即環(huán)形天線經(jīng)過匹配調(diào)制之后的輸出信號;圖4(c)為組合天線測向,匹配電路輸出。

        圖4 組合天線仿真結(jié)果

        2 測試系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 測試原理

        為模擬羅盤接收機(jī)真實(shí)工作環(huán)境,結(jié)合組合天線測向原理,本系統(tǒng)采用“垂直發(fā)射天線+組合天線+轉(zhuǎn)臺+信號匹配電路+接收機(jī)”的測試架構(gòu)(如圖5所示),其中轉(zhuǎn)臺負(fù)責(zé)模擬飛機(jī)空中航向角;垂直發(fā)射天線模擬地面歸航臺,輻射等幅波信號;組合天線中的無向天線通過注入法模擬,其信號直接通過饋線接入系統(tǒng);環(huán)形天線方位信號的獲取通過轉(zhuǎn)臺的水平轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn),轉(zhuǎn)角的不同,導(dǎo)致環(huán)形天線各信號的幅值變化,因而不同的幅值表示不同的方位信息。

        圖5 測試原理框圖

        2.2 測試架構(gòu)

        由于本系統(tǒng)所使用的控制數(shù)據(jù)、測試資源較多,為達(dá)到靈活控制、高效測試的目標(biāo),本系統(tǒng)采用多代理系統(tǒng),基于PCI總線,通過主控計算機(jī)下放控制權(quán),由各個子系統(tǒng)根據(jù)上級系統(tǒng)的調(diào)度自行改變運(yùn)行狀態(tài)的分布式協(xié)調(diào)控制方式,可以使系統(tǒng)更加靈活、高效地運(yùn)行。

        上級系統(tǒng)通過1553B協(xié)議與羅盤接收機(jī)交換數(shù)據(jù),通過BC→RT指令切換接收機(jī)頻段與工作模式,通過RT→BC指令獲取接收機(jī)解算的方位角。

        上級系統(tǒng)基于USB總線的SCPI指令與RS232,控制萬用表、交/直流電壓源、信號源、音頻電子負(fù)載發(fā)出激勵信號,并采集信號。

        基于表2的測試需求,系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足如下參數(shù):接收機(jī)供電為AC 115 V/400 Hz與DC 27 V,測試系統(tǒng)繼電器線圈供電DC 5 V/24 V;射頻信號源頻段滿足150 kHz~31.75 MHz,幅值滿足-110~7 dBm;音頻電子負(fù)載滿足5 kΩ純阻性負(fù)載調(diào)節(jié),并通過分壓電路控制羅盤輸出端耳機(jī)負(fù)載兩端電壓;音頻分析儀對羅盤輸出音頻信號進(jìn)行失真度、電壓變化率測量;代理控制單元滿足二進(jìn)制指令與電信號轉(zhuǎn)換;信號調(diào)理單元完成天線信號匹配和功率放大;所有測試儀器與代理系統(tǒng)均采用不同總線的通信協(xié)議,以滿足自動測試系統(tǒng)的需求。

        所搭建的測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示,該系統(tǒng)硬件采用“工控機(jī)+各種程控部件(單相交流/直流電壓源、數(shù)字萬用表、信號源、音頻分析儀、音頻電子負(fù)載、適配器箱以及PCI、1553B總線通信板卡等)+天線模擬儀+接收機(jī)”架構(gòu),其中交/直流電源負(fù)責(zé)羅盤部件供電,信號源負(fù)責(zé)信號注入,音頻分析儀負(fù)責(zé)音頻信號采集與分析,電子負(fù)載負(fù)責(zé)輸出端電壓調(diào)節(jié),天線模擬儀負(fù)責(zé)模擬飛機(jī)與電臺之間的實(shí)際接收環(huán)境。

        圖6 測試系統(tǒng)架構(gòu)

        2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計

        在系統(tǒng)設(shè)計過程中,下層系統(tǒng)需要根據(jù)主控計算機(jī)的軟件進(jìn)行測試線路切換、信號調(diào)理、負(fù)載切換、羅盤一次性指令輸入等,因此需要一個信號調(diào)理單元完成上述工作。此外,繼電器控制是通過上層系統(tǒng)完成,上層系統(tǒng)需要完成與主控計算機(jī)的數(shù)據(jù)交換,同時將計算機(jī)的二進(jìn)制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,以達(dá)到控制信號調(diào)理單元中繼電器的目的。因此,需要設(shè)計代理控制單元作為下層系統(tǒng),同時完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)與電信號之間的轉(zhuǎn)換工作。

        2.3.1 代理控制單元設(shè)計

        為完成二進(jìn)制信號與電信號的轉(zhuǎn)換,同時完成與主控計算機(jī)的通信,控制單元采用FPGA作為主控單元;由于FPGA的I/O口信號不足以驅(qū)動繼電器,因此采用ULN2803作為繼電器驅(qū)動;并且FPGA的I/O信號電壓范圍在0~3.3 V之間,而PCI板卡輸出為5 V信號,因而采用SN74LVC4245ADBR(AB)完成5 V到3.3 V的轉(zhuǎn)換工作。本單元中有多個代理系統(tǒng),各代理系統(tǒng)之間需要進(jìn)行信號交互,此時需要一個底板作為數(shù)據(jù)耦合平臺及實(shí)現(xiàn)各板之間的數(shù)據(jù)共享與相互通信,并在主控計算機(jī)控制下高效協(xié)調(diào)運(yùn)行。代理控制單元架構(gòu)如圖7所示。

        圖7 代理控制單元

        2.3.2 發(fā)射天線設(shè)計

        基于圖5的測試架構(gòu),需要一個具有地面歸航臺作用的激勵源作為羅盤系統(tǒng)的激勵天線,且此天線的天線場的法向方向與環(huán)形天線的軸線方向平行,即0°方向在同一平行線上。因此,采用桿狀天線設(shè)計,其在空間內(nèi)產(chǎn)生的輻射場可以用對稱振子天線的輻射場的計算公式進(jìn)行計算,以長度為λ/4的單級天線為例,其天線輻射場如下。

        (7)

        式中:α為仰角;β為相移常數(shù);F(α)方向函數(shù)。

        (8)

        表1 天線參數(shù)

        天線參數(shù)如表1所示。利用表1的參數(shù),得到的垂直天線三維增益方向圖仿真結(jié)果如圖8所示,可見其增益在xy平面內(nèi)為圓形,達(dá)到增益最大值,為全向性天線。

        2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        2.4.1 系統(tǒng)軟件功能

        ① 測試軟件應(yīng)該具有良好的人機(jī)界面、完整的測試項(xiàng)目、清晰的測試邏輯。

        ② 測試軟件為防止測試者在測試的過程中產(chǎn)生誤操作,應(yīng)在測試過程中給予測試人員信息提示,并通過軟件保護(hù)來防止誤操作對產(chǎn)品造成損壞。

        圖8 發(fā)射天線三維增益方向圖

        ③ 測試軟件能夠?qū)⑺鶞y試的數(shù)據(jù)保存為PDF或Excel格式的文件,并為防止測試數(shù)據(jù)被篡改,所保存的文件具有密碼保護(hù)功能。

        基于上述軟件需求分析,為提高開發(fā)效率,選用VC++6.0作為軟件開發(fā)平臺,采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷胧褂梦④浕A(chǔ)類庫(MFC)進(jìn)行軟件界面開發(fā),同時利用多線程編程,并基于多總線協(xié)議來實(shí)現(xiàn)硬件之間的信息交互。

        2.4.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

        由于下位機(jī)的測試資源所支持的總線協(xié)議不同,上位機(jī)軟件需要開發(fā)RS232、USB、PCI、1553B、TCP通信模塊。各測試資源通過開辟線程的方式實(shí)現(xiàn)多資源同步運(yùn)行。主線程通過調(diào)用子線程來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合測試,多線程之間通過消息觸發(fā)和共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)信息交互,且共享資源加入的讀寫鎖來防止資源競爭時的數(shù)據(jù)出錯問題,具體軟件的設(shè)計架構(gòu)如圖9所示。

        圖9 軟件設(shè)計架構(gòu)圖

        2.4.3 系統(tǒng)軟件原則

        限于篇幅,這里僅給出無線電羅盤定向靈敏度測試流程,如圖10所示。

        軟件設(shè)計原則闡述如下。

        ① 界面簡潔:界面設(shè)計要合理、簡潔,聚集功能相近的按鈕,減少操作流程,工作界面應(yīng)具有舒適性。

        圖10 定向靈敏度測試流程圖

        ② 操作簡單:運(yùn)用模塊化的編程思想降低軟件冗余、煩瑣的操作,有利于提高程序后期的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

        ③ 誤操作保護(hù):如在測試前,應(yīng)先讀取適配器箱內(nèi)部板卡狀態(tài)碼,若板卡狀態(tài)碼錯誤,則停止測試并彈出錯誤信息;此外,在靈敏度調(diào)節(jié)過程中,為防止出現(xiàn)死循環(huán),設(shè)置超時重測定時器。

        3 系統(tǒng)驗(yàn)證和分析

        3.1 系統(tǒng)驗(yàn)證條件

        所設(shè)計的測試系統(tǒng)如圖11所示。X系列無線電羅盤測試指標(biāo)如表2所示。

        圖11 測試系統(tǒng)外觀圖

        表2 X系列無線電羅盤測試指標(biāo)

        3.2 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

        3.2.1 無線電羅盤收訊靈敏度測試

        無線電羅盤收訊靈敏度測試結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出:在150~1750 kHz頻段內(nèi),無線電羅盤收訊靈敏度的測試結(jié)果均小于50 μV/m,滿足測試標(biāo)準(zhǔn)與要求。

        圖12 無線電羅盤收訊靈敏度測試結(jié)果

        3.2.2 無線電羅盤自動增益特性測試

        無線電羅盤自動增益特性測試結(jié)果如圖13所示。由圖13可以看出:無線電羅盤自動增益特性測試中,電壓變化率值均不大于4.5 dB,滿足技術(shù)要求。

        3.2.3 無線電羅盤定向精準(zhǔn)度測試

        無線電羅盤定向精準(zhǔn)度測試結(jié)果如圖14所示。由圖14可以看出:無線電羅盤定向精準(zhǔn)度在0°時的誤差在±1.0°之間,其他角度在±1.8°之間,滿足技術(shù)要求。

        圖13 無線電羅盤自動增益特性測試結(jié)果

        圖14 無線電羅盤定向精準(zhǔn)度測試結(jié)果圖

        3.2.4 無線電羅盤定向靈敏度測試

        無線電羅盤定向靈敏度測試結(jié)果如圖15所示。由圖15可以看出:在無線電羅盤定向靈敏度測試中,所有擺動范圍均在2.0°以內(nèi)。

        圖15 無線電羅盤定向靈敏度測試結(jié)果

        不同天線距離下定向靈敏度測試結(jié)果如圖16所示。由圖16中可以看出150~279.5 kHz頻段內(nèi)的定向靈敏度均小于100 μV/m;280~1750 kHz頻段內(nèi)的定向靈敏度均小于80 μV/m,滿足測試標(biāo)準(zhǔn)與要求。且在不同發(fā)射天線高度下,定向靈敏度隨天線距離呈負(fù)相關(guān),即距離越大,靈敏度測量值越大。

        圖16 不同天線距離下定向靈敏度測試結(jié)果

        4 結(jié)束語

        為滿足飛機(jī)無線電羅盤接收機(jī)測試需求,提高修理效率,設(shè)計一臺X系列無線電羅盤綜合測試系統(tǒng),測試結(jié)果表明其有效性。由于受時間等因素的影響,所設(shè)計的測試系統(tǒng)后續(xù)要在測試標(biāo)準(zhǔn)與測試精度等方面加以改善。

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