基于FPGA的双通道无线电罗盘激励器的设计

陈伟 王杰 杨见 蒋鑫

（九州空管科技有限责任公司 四川省绵阳市 621000）

无线电罗盘又称自动定向仪（ADF），能够准确的测出飞机相对与地面导航台的方位，实现飞机的定位，引导飞机沿正确的航向飞行与进场着陆[1,2]。无线电罗盘的工作频率范围为150kHz～1.75GHz，能够利用无方向信标和和民用广播电台进行定向，是我国飞机导航的重要装备，在近距离导航和飞机安全着陆方面有着至关重要的作用[3,4,5]。因此，机载无线电罗盘是否可以正常工作以及工作时是否保持良好的性能对于飞机的安全飞行和着陆有着至关重要的意义，所以需要定期的对机载无线电罗盘进行检测与维护[6,7]。无线电罗盘由环形天线和垂直天线实现对地面无线电信号的接收，通过对环形天线和垂直天线无线电信号的提取与分析能够解析出飞机相对于地面导航台的方位角[8,9,10]。无线电罗盘激励器模拟无线电罗盘天线系统，输出用于飞机定向的天线信号，激励无线电罗盘完成无线电罗盘性能的检测。本文设计的双通道无线电罗盘激励器能够实现输出的无线电激励信号通道可控、频率可控、方位角可控并且能够实时显示激励信号的通道及通道参数。

1 无线电罗盘定向原理

无线电罗盘接收天线由环形天线和垂直天线以及天线信号处理电路组成，其工作频率范围为 150kHz～1.75GHz。环形天线是定向天线，其方向性是在水平面内以环形天线为中心的“8”字图形，当飞机处于地面导航台的正前方或者正后方时仅靠环形天线无法识别飞机相对于导航台的方位。因此，需要加垂直天线，通过垂直天线和环形天线组合而成的组合天线实现飞机的定位。组合天线的方向性是一个“心”形图形，具有单值定向的特性，利用这一特性可以实现无线电罗盘激励器的设计。

设导航台发射的信号为sinωt，垂直天线的等效高度为hv，环型天线的等效高度为hl，θ为飞机相对导航台的方位角。则垂直天线等效信号为式（1）：

两路水平天线的等效信号分别为式（2）和式（3）：

由罗盘接收机输出到天线系统的两路正交的调制信号为sinφt和cosφt，两环形天线被罗盘接收机输出的调制信号调制后得到的两环形天线信号分别为式（4）和式（5）：

两环形天线叠加并移相后为式（6）：

环形天线与垂直天线叠加后的信号如式（7）：

式（7）即为罗盘组合天线输出的信号。由此可知飞机方位角θ即为罗盘组合天线输出信号的包络与无线电罗盘输出的低频调制信号相位差。

2 系统设计

2.1 系统总体设计

本文设计的双通道无线电罗盘激励器由上位机、信号处理板、和可视化界面组成。上位机通过网口下发通道切换命令以及通道1和通道2的无线电信号频率和方位角。可视化界面用于显示当前选择的通道以及通道输出的模拟信号的频率和方位。信号处理板主要完成四项功能：

（1）将上位机下发的命令解析后通过串口发送给可视化界面；

（2）对无线电罗盘输入的两路低频调制信号sinφt、cosφt进行滤波和采集；

（3）根据上位机下发的激励信号的参数和外部输入的调制信号生成无线电罗盘激励信号。

（4）对生成的无线电罗盘激励信号进行整形和衰减。双通道无线电罗盘激励器组成如图1所示。

图1：无线电罗盘激励器结构图

图1中 cos1、sin1、cos2、sin2均来自无线电罗盘系统且信号频率均为100hz。激励信号1、激励信号2分别为通道1、通道2输出的激励信号，最大幅度均为1mv，输出到无线电罗盘系统。

3 系统仿真与实验验证

3.1 系统仿真

无线电罗盘的工作频率范围一般为 150kHz-1.75GkHz，仿真时取中间频率1GHz。用FPGA DDS IP核模拟外部提供的调制信号sinφt、cosφt，其频率为100Hz。设置方位角为0°、90°、180°和270°进行激励器输出信号仿真。仿真结果分别如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

图2中各子图上方的波形为调制信号cosφt，下方的波形为激励器输出到罗盘的模拟信号。图2(a)中调制信号cosφt与激励器输出到罗盘的模拟信号的包络相位相差为0°；图2(b)中调制信号cosφt与激励器输出到罗盘的模拟信号的包络相位相差为90°；图2(c)中调制信号cosφt与激励器输出到罗盘的模拟信号的包络相位相差为180°；图2(d)中调制信号cosφt与激励器输出到罗盘的模拟信号的包络相位相差为270°。仿真结果与系统设置一致。

图2：方位角为0度仿真结果图

无线电罗盘可解析的导航台频率与导航台实际的发射的电磁波的频率一致是无线电罗盘正确解出方位的关键，也就是需要保证上位机下发的无线电罗盘天线接收信号的频率与无线电罗盘激励器输出信号含有的高频信号保持一致。设置外部输入载波频率为100Hz，飞机方位角为180°模拟地面导航台发射电磁波的频率分别为150kHz和300kHz进行无线电罗盘激励器输出信号的仿真。

无线电罗盘输出的激励信号的频率与上位机下发的频率一致。

3.2 实验验证

针对某型号飞机无线电罗盘进行了测试。上位机设置测试频率设置范围为150kHz到1750kHz，频率步进为100kHz；测试角度设置范围为0°到355°，角度步进为5°进行双通道无线电罗盘激励器的测试。测试结果显示无线电罗盘能够正确的解出通道1和通道2设置的角度。且在激励角度为0°时，角度最大误差为0.4°；其他激励角度下误差均小于0.7°。满足0位误差为±0.5°，方位误差为±1°的技术要求。

4 结论

为完成某型号飞机无线电罗盘的出厂和维护测试，设计了双通道无线电罗盘激励器。首先分析了无线电罗盘的工作原理，根据无线电罗盘的工作原理进行了详细的系统设计。然后针对地面无线电信号的频率为1GHz，飞机方位角分别为0°、90°、180°和270°，进行了无线电罗盘激励器的仿真，仿真结果显示无线电罗盘激励器输出信号的角度与设置的角度一致；随后模拟飞机方位角为180度、地面无线电信号的频率分别为150kHz和300kHz，进行了无线电罗盘激励器的仿真，仿真结果显示无线电罗盘激励器输出信号包含的信号频率与设置的信号频率一致。最后在某型号飞机平台上进行了双通到无线电罗盘激励器的验证，验证结果显示无线电罗盘都能正确的解出双通道无线电罗盘激励器每个通道设置的飞机方位角，且在激励角度0°时，角度最大误差为0.4°其他激励角度下误差均小于0.7°。满足0位误差为±0.5°，方位误差为±1°的技术要求。