仪表着陆系统机载设备检测系统研制

牛强军，缑朋帅

（1.空军第一航空学院航空电子工程系，河南信阳464000；2.郑州大学信息工程学院，河南郑州450001）

仪表着陆系统机载设备检测系统研制

牛强军1，2，缑朋帅2

（1.空军第一航空学院航空电子工程系，河南信阳464000；2.郑州大学信息工程学院，河南郑州450001）

为满足仪表着陆系统机载设备的性能功能检测、故障诊断及系统效能评估，采用信号合成、虚拟仪器与自动测试等技术，以工控机为核心内嵌多功能数据采集卡、通讯总线控制卡、综合保障卡，配合仪表着陆信号模拟器，构建了满足仪表着陆系统机载设备检测系统的软硬件平台。解决了基于DSP和DAC的多种高精度低频调制信号产生、基于锁相式多波段频率合成、基于矢量调制技术的射频信号产生、基于数据库技术的专家系统的构建等关键问题。经测试，系统综合性好，自动化程度高，适应基层级、中继级、基地级的维修需求。文中介绍的检测系统已经小批量推广应用，其使用技术具有一定的借鉴意义。

仪表着陆；信号模拟器；测控子系统；虚拟仪器

据调查研究显示全世界范围内的运输飞机有40%以上的飞行事故发生在着陆阶段，其中客运飞机在进近着陆阶段的飞行事故超过全部飞行事故的60%[1]。军用飞机要进行全天候飞行，事故率要远高于民用飞机。因此在飞机着陆阶段对飞机进行精密的引导尤为必要。仪表着陆系统作为精密进场引导设备，它的工作状态直接影响飞机的安全着陆，因此对仪表着陆系统机载设备进行定期的检测与校验是十分必要的。针对现有检测设备的功能不够完善，智能化、自动化程度低的问题，结合目前军用和民用领域对仪表着陆机载设备检测系统的迫切需求，本文设计了一种仪表着陆机载设备检测系统。该系统能够对仪表着陆机载设备进行全面的检测与评估，大大提高了检测效率，保障了飞机在着陆阶段的飞行安全。

1 仪表着陆系统导航原理

仪表着陆系统通过仪表的表针向飞行员提供飞机着陆时航向和下滑的偏差信息。航向面由两侧分别被90 Hz和150 Hz单音信号调幅的甚高频载波组成，如图1（a）所示。当飞机偏离跑道中心线左侧时90 Hz的信号的调制度M90占优势，飞机偏离跑道中心线右侧时150 Hz的信号的调制度M150占优势，机载接收机通过比较90 Hz和150 Hz载波信号的调制度差（DDM）来判断飞机偏离航向面中心线的距离[2-3]。令 DDM=M90-M150，航向面中心线左侧 DDM＞0，航向面中心线右侧DDM＜0，航向面中心线上DDM=0。航向面中心线两侧的DDM值的绝对值对称分布，并随飞机偏离中心线距离的增大而增大。下滑面与航向面类似，由上方90 Hz和下方150 Hz的单音信号调幅的超高频载波组成，如图1（b）所示。下滑面上方DDM＞0，下滑道下方DDM＜0，下滑道上DDM=0。飞机通过仪表着陆机载接收机接收地面导航台的航向信号和下滑信号并解算出两个DDM值，根据DDM值不断调整前进方向，使飞机沿着航向面和下滑面的“交线”渐近着陆。

图1 仪表着陆波束图

2 系统设计原理与技术实现

2.1 设计思路

检测系统按照“送信号，看输出”的技术思想进行设计[4]。首先设计仪表着陆系统信号模拟器模拟仪表着陆航向信标台（LOC）、下滑信标台（GS）、指点信标台（MKR）的信号。在测控子系统的控制下仪表着陆信号模拟器产生各种激励信号并注入到仪表着陆机载接收设备，利用测控子系统检测仪表着陆机载接收设备输出的响应信号，分析这些响应信号的状态及其变化规律判断仪表着陆机载接收设备各项性能指标是否符合要求。因此，一次完整的测试包括用信号模拟器产生的信号激励被测单元（UUT），利用测控系统检测UUT的反馈信息[5]，分析反馈信息并得出结论。

2.2 硬件结构

仪表着陆机载设备检测系统的硬件组成如图2，系统是由仪表着陆信号模拟器和仪表着陆测控子系统构成的完整的检测系统。

图2 仪表着陆机载设备检测系统框图

仪表着陆信号模拟器完成仪表着陆地面导航台的信号模拟，这些信号可以从端口适配器引出。另外信号模拟器还设有天线借口，通过外接天线可以实现仪表着陆系统地面台站的发射信号波束模拟。信号模拟器与接口适配器、外接天线及测控子系统配合，完成仪表着陆机载设备的性能、功能测试[6-8]。信号模拟器有独立的显示和控制面板，用于对输出信号参数的显示和调节。信号模拟器的输出信号参数还可以通过RS232接口由上位机调控，配合测试软件产生各种激励信号。

仪表着陆测控子系统是以工业控制计算机为核心构成的一个开放的、易扩展的、维护性好的硬件平台。工控机与普通PC相比，有较高的防磁、防尘、抗冲击能力，对恶劣环境具有较强的适应性，并且便于安装调试。以工控机为核心，有助于增强系统的稳定性，满足仪表着陆机载设备检测系统的内外场工作需求。仪表着陆测控子系统以工控机作为构建平台，通过PCI端口挂接通讯总线驱动卡、多功能数据采集卡、综合保障卡等设备组成完整的测控单元。仪表着陆测控子系统通过嵌入的ARINC429数据总线卡接收仪表着陆机载设备的反馈信号，分析这些信号可以得到仪表着陆机载设备的工作状态，进而对其性能功能进行测试。测控子系统还设有PCI-1718多功能数据采集卡，该卡提供16路模数转换、单通道数模转换、16通道数字量输入、16通道数字量输出和定时/计数器5种功能。数据采集卡采集仪表着陆机载设备的输出或者其电路板上测试点的信号，分析这些信号的状态及其变化规律，能够进一步对仪表着陆机载设备的工作状况进行评估。通过综合分析数据采集卡采集的数据和被测单元的反馈数据，能够帮助维修工程师尽快锁定故障点，节省大量的维修时间。综合保障卡内设有自检控制电路和电源监控电路，用于系统自检和对整机的电源及功耗进行监控。

此外，以工业控制计算机作为构建平台，可以利用虚拟仪器的强大功能，编写基于Lab Windows的上位机软件。通过上位机软件对系统的全部资源进行调配，对检测数据进行分析及显示，提供友好的人机交互界面，这些功能提高了测控系统的自动化程度。

2.3 软件设计

本文基于虚拟仪器的思想设计上位机软件[9]。在信号模拟器和测控子系统构建的硬件基础上，编写基于LabWindows的虚拟仪器软件。虚拟仪器软件是整个测控系统的核心部分，其主要完成对系统自检的控制、对信号模拟器和测控子系统进行控制、对检测数据进行分析和处理以及对分析结果进行输出显示等功能，软件结构框图见图3。

图3 软件结构框图

软件中仪器自检程序依靠测控子系统中的自检电路对仪器自身的各个单元进行检测。仪表着陆信号模拟软件模块通过RS232接口对信号模拟器的工作模式（LOC、GS、MKR）、信号参数（波道号、DDM、常态/识别）等数据进行设置。机载设备测控系统软件模块配合信号模拟软件模块对机载接收机的接收灵敏度、DDM误差、抗干扰能力、告警和台站识别等功能进行检测。软件中的故障诊断系统[10-11]将自检信息、着陆信号参数与对机载设备的测试信息进行统一的分析处理后输出检测报告。上位机软件可以对系统的全部资源进行调配，对检测数据进行分析及显示，这些功能提高了测控系统的自动化程度。

文中所编写的上位机软件由3部分组成，如图4所示。图4（a）是软件的主界面，在该页面内可以设置RS232、ARINC429的接口参数，对测控系统工作电压进行监控，实现测控系统的自检。图4（b）是对仪表着陆信号模拟器进行调控的区域，在该面板上可以对输出信号的电平、DDM、工作模式等进行设置及调整。图4（c）是检测系统的主要显示及控制界面，显示内容主要包括DDM、接收功率、接收灵敏度以及数据信号的误码率等内容。

图4 上位机软件部分界面

3 关键技术

3.1 基于DSP的信号合成技术

音频信号的频率范围为90～3 000 Hz，频率较低，但是对90 Hz和150 Hz调制信号的电平精度有较高的要求。综合考虑音频调制信号的频率低、电平精度高的特点，选择由DSP和DAC电路直接合成的方法。该方法关键是要用数字信号处理的方法实现音频调制信号的高精度输出。由DSP通过软件运算的方法对音频调制信号的幅度进行调整，然后叠加，再经过DAC电路实现调制信号的高稳定输出。这种方法可以保证对幅度调制时高线性度的要求，避免出现调制度稳定性低的问题[12-15]。

具体实现步骤如图5所示，DSP分别从波形数据存储表中找出90 Hz和150 Hz调制信号当前要输出的波形数据，再分别对波形表输出的调制信号波形数据乘以不同的幅度系数得到高精度的幅度数据（图中的虚线框表示乘法器分时复用），然后将幅度调整后的90 Hz和150 Hz信号数据序列在加法器中进行数字叠加，将加法器输出的叠加信号数据送入DAC转换电路即可得到所需的模拟调制信号。

图5 幅度数据预置示意图

3.2 载波信号合成和射频信号的矢量调制技术

因为本文设计的着陆设备信号模拟器在两个频段中共有80个载波频点，相邻频道的间隔最小仅有50 kHz，并且载波频率稳定度须优于2×10-5，实现起来有较大难度。采用锁相式频率合成器可以解决系统要求的多波道、高稳定高频信号的产生问题。但单纯的锁相式频率合成器带宽有限，难以解决宽频带、多波段的难点问题。为了解决这一问题，系统采用了复合式锁相频率合成技术，也就是锁相式多波段频率合成技术。锁相式多波段频率合成器内部采用了多个压控振荡器选择使用，鉴相器、分频器复合使用的方法。由于每个VCO工作在不同的频率上，且具有不同的带宽，所以多个压控振荡器的总带宽可以满足系统多波段、宽频带的技术要求。由于锁相式多波段频率合成器是以锁相式频率合成器为基础构成的，所以它具有频率稳定、准确度高、便于集成的优点。

为了提高电路的抗干扰性能和集成化程度，系统采用LMX2306作为频率合成器，LMX2306片内集成有鉴相器、分频器，简化了电路的复杂度，提高了电路的可靠性。VCO采用MAX公司的MAX2606和MAX2608，它们的调谐范围非别是70～150 MHz和300～500 MHz，这两个频段涵盖了包括航向信号、下滑信号和指点信标信号在内的载波频段，可以满足系统多波段、宽频带的技术要求。

将DAC输出的I/Q信号直接送射频矢量调制电路完成幅度调制。通用信号源输出信号的调制度一般都在80%以下，而本文设计的信号模拟器其输出信号的总调制度最高要达到80%，而且要求线性度高、失真小。为此系统采用了ADI公司的ADL5385宽带正交调制器，该调制器内部采用矢量叠加的原理，较好的实现了大调制度的无失真调制。

3.3 组合衰减技术

信号模拟器作为检测系统中的激励源，它的输出电压精度必须足够高并能够在0.7～100 000 μV（-7～-110 dBm）范围内连续步进可调。为解决这个技术难题，系统采用了组合衰减技术。组合衰减技术采用电控衰减器与步进衰减器组合使用的方法，电控定值衰减器用于实现大范围的衰减，步进衰减器用于实现衰减量的连续调整。采用电控定值衰减器与步进衰减器组合使用恰好可以取长补短，在大范围内实现输出的连续调整，达到了预期的效果。

4 结 论

仪表着陆机载设备检测系统的各项技术指标均达到了要求。仪表着陆信号模拟器在设计过程中克服了多波段、宽频带、高稳定度信号产生、多种音频调制信号的合成以及大动态范围电平控制的技术难题，实现了仪表着陆地面设备的信号模拟。仪表着陆测控子系统以工控机为构建平台，嵌入总线驱动卡、多功能数据采集卡、综合保障卡及端口适配电路，构成了一个开放的、易扩展的、维护性好的硬件平台。机载仪表着陆设备检测系统能够完成仪表着陆地面设备的信号模拟、对机载设备的功能检查、性能测试、效能评估等任务，具有智能化程度高、性价比高、维护性好等特点。

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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稿件编号：201609210

牛强军（1969—），男，河南新乡人，硕士，教授。研究方向：机载综合航空电子系统应用与测试的教学、研究。