無線電羅盤自動測試系統(tǒng)

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、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?；谏鲜霈F(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?，設(shè)計并實現(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現(xiàn)多資源同步運(yùn)行。主線程通過調(diào)用子線程來實現(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)驗證和分析

3.1 系統(tǒng)驗證條件

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。