飞机空中交通管制系统自动校准装置研制及难点研究

■ 周博 丁政 姜威/北京飞机维修工程有限公司

0 引言

IFR6000 型空中交通管制系统测试仪是集应答机（XPDR）、测距机（DME）、空中交通管制（TCAS）、机载空对空监视广播（ADS-B）等系统测试功能于一体的综合测试设备。按照操作手册对该设备进行测试时，需手动完成32 个测试步骤，同时使用10台设备进行设置，测试步骤和接线非常复杂，测量时间大约需要3 天。目前只有原厂拥有该设备的自动化测试系统，且不对外开放使用。北京飞机维修工程有限公司通过对该设备校准流程的详细研究，采用基于软件自动化的方法，结合RF 多路复用开关和矩阵开关，使用包络提取及特征提取技术，实现了全自动的校准装置的研制，攻克了研发过程中的多个技术难点，将每台仪表的测量周期缩短至3 小时内。

1 系统整体设计

系统的总体设计目的是将各类测试仪器以程控的方式进行连接，实现自动测试，系统的总体设计如图1 所示。

为了实现自动测试，需要PC（NI PXI 控制器）端的软件程控所有仪器。这里使用GPIB 的方式，串联每台仪表的程控接口，基于每台仪表的驱动或通过SCPI 指令的方式程控仪器。上位机（PC端软件）通过LabVIEW编程实现。

由于仪表之间涉及触发信号发生、模拟量信号发生、模拟量信号采集等要求，且不同测试步骤中仪表之间的连接方式不同，再考虑到信号的频率和装置成本，决定采用由RF 多路复用开关和矩阵开关相结合的方式创建一个矩阵网络，来实现不同仪表间的数据传输。

图1 系统整体设计框架

本设计中实现的测试软件，对功能、效率、精度和灵活性提出了诸多挑战。为满足以上需求，需要对程序的整体设计进行合理的架构。因此，利用LabVIEW 的JKI 状态机，结合队列创建程序主体框架。将每一个测试步骤设为子程序，子程序顺序结构实现子步骤的功能。主程序与子程序之间使用队列进行通信。用户界面左侧采用Step 的方式，以高亮和背景色变换的形式显示当前测试步骤和测试状态；右侧为具体结果显示界面，分别实现了矩阵开关切换、仪表程控、数据采集、包络及特征提取、结果判断等功能，也可分步骤查看和监测具体测试结果。图2、图3 分别为软件的界面和架构。

图2 软件界面

图3 程序总体设计架构

图4 高频信号矩阵开关网络设计

2 矩阵开关设计难点及解决方案

矩阵开关的设计是实现自动化测试流程中至关重要的环节。由于各测试项对应不同测试仪器的不同接口，信号频率范围跨度大，从低频（1MHz 以下）到高频（1213MHz），对矩阵开关的设计提出了挑战。

为解决以上问题，对于高频信号（962 ～1213MHz），采用6 个RF 多路复用开关，将仪表接口与复用开关公共端口相连接、复用端口之间相连接、复用端口与6dB 相连接的方式，实现多个仪表之间的信号传输。既可以解决矩阵网络设计的问题，更关键的是解决了高频信号的插入损耗问题。

图4 所示为自动校准装置的高频信号连线方式，所有仪表的高频接口都与RF 复用开关的公共端相连接，根据每一个测试步骤的连接方式，通过PC 端软件编程切换开关的连接方式，并将程序加入主程序中。

3 包络及特征提取难点分析及解决方案

本项目需要解决的另一个难点是示波器信号的包络及特征提取。由于该项目中示波器采集的脉冲调制信号的采样率达4Gsa/s，数据量较大，且不同测试项的波形数量和波形类型均不同，带来如下挑战：

1）不同波形类型的包络及特征提取；

2）不同测试项波形数目的计算；

3）不同测试项存在不同波形类型情况下的包络及特征提取；

4）不同测试项不同类型波形包络及特征提取后的时间延迟计算；

5）部分测试项存在波形跳变现象，不易于捕捉。

3.1 不同波形类型、数目和幅度的包络分析

图5 不同波形类型和数目的包络图

图6 不同幅度的包络图

图7 包络提取部分的核心实现过程

图8 典型测试项的特征提取程序

本项目存在两种调制信号的包络类型，一种是方波型的包络，一种是正弦型的包络。多数情况下，同一测试项中可以同时存在不同的包络类型和多个包络，且数目不定，这些包络要求能够同时正确地提取，图5 给出的是包含多个不同波形类型和数目的包络图。

部分测试项，除了包络类型不同外，包络幅度大小也不相同，这给包络提取和特征提取带来了困难，如图6 所示。

从以上两个典型的包络类型可以看出，包络的多样性和不同特征造成了提取的困难，如何实现正确的提取和计算，是本项目的一个重要难点。

3.2 特征提取及时间延迟计算分析

包络提取的目的是为了进行后续的特征提取和时间延迟计算，其中包括P1-Px Spacing、SPR Spacing、Rising/FallingTime、Px Width 等。对于部分测试项，需要同时得到以上的部分或者全部结果，不仅涉及包络提取的准确性，还涉及特征提取算法的设计。为了解决以上难点，提出基于快速希尔伯特变换和Savitzky-Golay 滤波器相结合的方式进行包络提取。特征提取部分采用符合IEEE 181-2003 标准和IEEE 瞬态、脉冲和相关波形标准的脉冲测量和瞬态测量方法。通过对不同测试步骤不同波形数量和波形类型的参数调整及信号捕捉方法的灵活设置，可解决一系列相关难点。

包络提取部分的核心实现过程（软件实现）如图7 所示。

首先对采集的波形进行归一化处理，然后进行快速希尔伯特变化，之后对实部虚部进行复数转换，将绝对值代入Savitzky-Golay 滤波器处理，输出的结果即为包络。

针对特征提取和时间延迟计算，首先对归一化的波形进行脉冲测量和瞬态测量，针对波形类型不同的情况，设置不同的参数，如不同的参考电平设置、边沿号及极性等；针对波形幅度不同的情况，为保证检测精度，对整个波形进行二次切割并设置不同的参数提取特征。图8 给出了典型测试项的特征提取部分程序。

通过灵活的设置及算法调整，实现了复杂情况下的包络提取及特征提取，图9 和图10 给出了软件的实现效果。

图9 包络及特征提取效果

图10 包络提取及特征提取效果

4 总结

本项目的主要工作在于测试步骤的实现及RF多路复用及矩阵开关的设计，主要难点在于采集射频信号的包络提取及后续的特征量提取，特别是为了满足设备校准和全自动化要求，工程上需要对采集和分析结果的重复性及准确性进行保证，因此设计了大量用于避免分析错误和误测的程序逻辑。

为了满足测试的灵活性，在功能上设计了Step 顺序测试、单步测试、某步开始继续测试等右键功能选项，便于出现问题后的重复测试，避免了无必要的重测。

每一步测试后都可将测试结果和状态等信息插入word 模板中，测试结束后自动生成word 文档，并可连接打印机进行打印。