一种低成本多功能着陆引导雷达模拟训练器设计

刘云飞　田华明　黄子革　王鼎

摘要：着陆引导雷达是保障飞机安全着陆的重要设备，通过着陆引导雷达模拟器可以有效的完成着陆引导雷达的教学训练。本方案提出一种低成本多功能着陆引导雷达模拟训练器设计方案，介绍了模拟器功能需求和设计思路，阐述了模拟器硬件组成、机柜结构设计和机柜布局，详细分析了雷达控制及指示模拟、显示界面模拟、故障模拟和天线控制模拟的具体实现方法。

关键词：着陆引导雷达；模拟器；模拟训练

0引言

着陆引导雷达是保障飞机着陆安全保障的重要设备，其技术比较复杂，价格昂贵，一般院校没有配备。而要熟练掌握雷达的使用维护，必须要進行大量的针对性训练，因此，为了满足装备教学的需求，使学员快速熟悉装备操作使用、性能检测和维护保障方法，并且能够掌握雷达故障排除能力，研制对应的模拟训练器成为经济实效的方法。

1功能需求

该型雷达主要由室内主机设备、室外天线设备和供电设备等组成。室内主机设备包括收发机柜、操纵员显示机柜、领航员显示机柜、控制机柜组成。室外设备主要包括下滑天线单元、航向天线单元、馈线单元和传动单元。供电设备主要包括电源控制箱和柴油发电机组。

模拟训练器主要供本科及士官学员教学训练使用。模拟训练器在机柜组成及内部模块在外观上与雷达相同，模拟器每个开关、旋钮的操作所表现的现象（声音、指示灯、显示画面、机柜电缆及连接器）与雷达一致，并能进行相关拆装操作。应具备模拟与真实装备相同的雷达操作显示、信号检测和故障设置与排除等功能。具体功能包括以下几个方面。

1.1显示功能

具有与真实雷达相同的各级（工作状态、参数装订、系统修正和状态选择）显示画面：显示画面的数据或状态为雷达典型或正常使用时的基本画面：模拟器扫描画面和回波清晰、逼真：显示及切换方式与真实雷达相同。

1.2操控功能

能够模拟完成着陆雷达的操作、设置等：按照雷达的操作流程、工作方式，设置相对应的操作界面，包括键盘操控、按键操控：能通过三维虚拟软件模拟雷达的天线同步联动操作和显示。

1.3工作状态和信号模拟

模拟完成雷达的工作状态的信息传输、显示：参照雷达实际状态指示情况，能够对各分机、单元显著位置的基本状态指示（指示灯、数值等）进行模拟：参照雷达实际状态指示情况，能够对信号处理分机插拔面板的各种测试孔信号进行模拟。

1.4故障设置模拟

实现对雷达及分机内部主要模块、线路等环节进行故障设置和模拟，而且能利用自检和状态回传实现故障判别。

2设计思路

总体思路是以雷达实装机柜为基础，对各分机内的插件及模块等进行简化处理，去除30MHz以上射频信号的产生和处理模块，保留30MHz以下检测信号产生模块以模拟雷达测试信号，保留对外指示和开关等。通过计算机软件模拟雷达显示画面和基本操作，在实现模拟训练器的基本功能的前提下尽量降低开发研制成本。

主要设计方式：

①机柜采用框架结构重新制作，代替原本昂贵的铸件机柜，复合学校实验室工作环境要求即可：机柜内的组件及模块，按照原机一比一外形仿制：保留面板开关、指示灯和机柜对外接口等，确保机柜外观与原雷达一致；

②根据天线系统接口进行控制机柜电路改进，使控制机柜能够控制虚拟仿真雷达天线进行扫描运动；

③使用计算机及专用软件模拟雷达显示画面和鼠标键盘操作；

④通过开关设置模拟雷达部分故障现象；

⑤通过一块模拟控制板和一块波形产生板来模拟产生雷达各测试接口信号并控制各面板指示。

3设计方案

3.1模拟训练器组成

模拟训练器主要由控制机柜、收发机柜、操显机柜、领显机柜和电源控制箱组成，其中天线部分由于十分庞大复杂，但是考虑实际训练科目涉及到的不多，结合成本控制需求，所以采用虚拟软件进行设计。如图l所示。电源控制箱与雷达实际所配的控制箱一致，用于给机柜供电。各机柜内部根据设计需求重新规划设计，机柜面板及控制台面板外观保持与原机柜一致，机柜背部插座和机柜间电缆与原雷达一致，电缆内信号根据实际传输内容重新定义。

3.2机柜结构设计

机柜采用框架结构重新制作，根据原机柜尺寸搭建框架，保留原有的抽屉结构，内部模块采取与原设备一直的板卡外形，板卡功能进行简化，保留所有连接线缆。机柜侧板及后板采用铝合金蒙皮方式制作，喷漆颜色与原机柜一致。

3.3机柜布局

①收发机柜。

收发机柜面板指示灯、开关与表头显示功能与原机柜一致，该机柜内的指示灯及开关等由放置在本机柜内的波形产生板控制。波形产生板根据来自模拟控制板的信号控制面板指示灯，原机柜面板上的测试表头更换为数控表头，由波形产生板进行控制。同时波形产生板产生的测试信号送至机柜上的测试口，供测试使用。

②控制机柜。

控制机柜控制台及控制分机面板上的开关与指示灯等与原机柜一致，控制分机根据793B天线做适应性改进，通过机柜后部的电缆与天线连接，指示灯及开关等通过机柜后部电缆连接至操显机柜内的模拟控制板，显示表头与收发机柜一样更换为数控表头，通过机柜间电缆连接至收发分机内的波形产生板。

③操显机柜。

操显机柜内装有一台计算机用于模拟显示画面，显示器选用与实际雷达相同分辨率的显示器，操显控制台上开关、指示灯和鼠标键盘的放置与原机柜一致。模拟控制板装在本机柜内，通过RS232接口与计算机和波形产生板通信。模拟控制板通过机柜间电缆与其他机柜的开关和指示灯连接。

④领显机柜。

领显机柜与操显机柜一样装有一台计算机和显示器，显示相关操作与操显机柜互不干扰。计算机通过机柜后的电缆与操显机柜内的模拟控制板连接。endprint

3.4雷达控制及指示模拟

由于机柜内功能模块均已精简，为了模拟出雷达控制开关和面板指示灯效果，需要制作一块模拟控制板和一块波形产生板来对各机柜、各分机的面板开关和指示等进行控制模拟。如图2所示，机柜上的面板开关、指示灯和测试口等分别接入模拟控制板或波形产生板，模拟板根据各开关的状态，控制各指示灯，从而模拟雷达控制效果，“对消”、“自适应”、“恒虚警”和“参差”四个开关以及天线指向控制的状态通过RS232串口发往显示画面模拟计算机：波形产生板通过RS232接口与模拟控制板连接，根据模拟控制板发来的指令控制指示灯显示，同时波形产生板内通过时钟模拟产生几种雷达测试信号发送至测试口。

模拟控制板和波形产生板均使用FPGA作为核心器件，外部信号经过转接隔离后送入FPGA中，在FPGA内使用硬件编程实现各控制功能的模拟。

3.5雷达显示界面模拟

雷达原显示画面的产生以及鼠标键盘操作通过显示电路分机完成，显示分机接收来自信号处理的一次视频等信息和来自天线的角码和指向等信息，完成画面显示、目标跟踪、参数装订等功能。考虑模拟训练器结构不同，使用计算机通过雷达显示模拟软件模拟显示画面，雷达显示模拟软件根据雷达真实界面制作，完全还原雷达显示界面操作，显示界面与雷达真实界面保持一致，能够产生模拟目标并进行模拟跟踪，同时可根据用户需求增加一些其他功能。

操显、领显机柜内分别装有一台计算机，使得操显、领显界面可跟实际雷达一样单独操作。通过与控制模拟板的RS232串口连接，可以接收“对消”、“自适应”、“恒虚警”和“参差”四个开关以及天线指向控制的状态，并在画面中显示开关状态和指向暗带变化。

3.6雷达故障模拟

采用位于各分机内各模块上的拨动开关来模拟各模块状态，通过开关通断来模拟模块工作的正常与故障两种状态。各种故障状态通过显示软件中的故障监测界面监控。监控软件集成在领显或操显分系统内。

故障主要包括天线系统故障、收发系统故障、显示系统故障、控制系统故障、信处系统故障。故障由计算机串口将指令发送给控制模拟板，控制模拟板根据指令控制各指示灯显示故障指示，并将波形产生板相关的指令转发至波形产生板，由波形产生板控制显示相关的故障指示。

3.7雷达天线控制模拟

天线控制电路在控制机柜内，通过软件，虚拟仿真雷达天线，建立雷达天线运动与雷达工作状态交连关系。软件基于C++语言进行编程，将天线外形通过软件绘制出来，并将天线的俯仰、水平各种运动状态与雷达操控状态交联。

4结语

本设计方案选择的机柜制作方法能够大幅降低原铸件机柜成本，且生产周期较短。线路方面，模拟控制板和波形产生板均采用FPGA作为核心器件，FPGA集成度高、编程方便，具有较高的可靠性和设计灵活性。对于本方案，一般的FPGA性能即可满足设计要求，其他所需器件均为常见元器件，进一步降低了制作成本。显示画面通过计算机软件模擬，能够较高程度地还原显示界面，在满足教学训练需求的前提与真实装备相比能大幅降低成本。功能方面能够满足本科和士官等多个层次的教学需求。endprint