“导航原理与系统”虚拟仿真实验教学体系构建

陈万通 倪育德 万棣 崔铭

[摘 要] “导航原理与系统”是民航类高等院校的一门专业必修课，但由于DME、VOR和ILS等陆基导航设备占地面积大、造价昂贵，实际运行需要有许可和诸多配套设施支持，学生难以接触到实际设备来提高工程实践能力。根据工程教育认证理念及其毕业要求，构建适用于“导航原理与系统”课程的虚拟仿真实验教学体系，结合SELEX公司的典型设备（1150 DVOR、1119A DME）和NORMARC公司的NM7000仪表着陆系统，分别设计了DVOR/DME地面信标天线安装与板件互联虚拟仿真实验系统和ILS航向信标信号测试与排故虚拟仿真实验系统。该实验灵活高效、易实施、投入小，有助于学生深刻掌握DME、VOR和ILS等陆基导航设备的工作原理、信号辐射场特征和实际维护的典型操作，对民航高等院校实施工程教育及陆基导航实验室建设具有重要的参考价值。

[关键词] 工程教育;虚拟仿真;实验教学;陆基导航

[基金项目] 2020年度中国民航大学虚拟仿真实验教学建设项目“SELEX DVOR/DME地面信标天线安装与板件互联虚拟仿真实验”（XF2020010）

[作者简介] 陈万通（1986—），男（满族），河北承德人，博士，中国民航大学电子信息与自动化学院副教授，硕士生导师，主要从事导航原理与系统等课程的实验和科研;倪育德（1963—），男，江西鹰潭人，硕士，中国民航大学电子信息与自动化学院教授，硕士生导师，主要从事陆基导航和卫星导航研究;万 棣（1968—），女，江西南昌人，学士，中国民航大学电子信息与自动化学院副教授，主要从事虚拟仿真和三维建模研究。

[中图分类号] TN929.5   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）21-0133-04   [收稿日期] 2020-11-25

一、引言

“导航原理与系统”是民航类高等院校通信工程专业开设的一门与行业结合十分紧密的必修课。近年来，民航业高速发展，民航专业技术人才需求量持续增长。据国际机场理事会（ACI）预测：2025年之前，全球航空班次将增加至每年2200万次，高峰日可达7.2万次商业航班和48万次通用航空航班;平均每天将有830万人次登上飞机。此外，教育部要求高等院校全面贯彻落实“以学生为中心;以产出为导向;持续改进”的工程教育理念，扎实推动一流专业建设，切實增强质量意识，推动全国高校掀起一场本科教学的“质量革命”。在外在行业高速增长和新时代本科教育人才培养的双重驱动下，“导航原理与系统”的课程建设亟待实施工程教育视域下的改革与创新[1]。

“导航原理与系统”的核心教学内容是VOR、DME和ILS等陆基导航设备的工作原理，这些设备通常安装在导航台站或机场周边，体积庞大、造价高昂，设备运行需要取得许可，学生无法在实验室开展相关设备的工程实践。同时，对于上述陆基导航设备，其地面信标天线辐射的电磁场和电磁波及信号处理流程无法可视化，学生较难建立直观的认识[2]。因此，迫切需要建立一套能够直观展示VOR、DME和ILS等陆基导航设备及其天线辐射场的虚拟仿真教学平台。

从行业需求视角来看，目前国内民航导航台设备多为DVOR与DME的合装台，可同时为飞机提供方位距离信息。近几年，国内新装Selex公司的DVOR/DME合装导航设备逐渐增多[3]，在新站点建设和设备维护中，迫切需要一线工程师对Selex设备板件的运行原理、安装部署和互联方式熟练掌握;而对于仪表着陆系统，以挪威NORMARC A/S公司生产的NM7000系统最为典型，目前在国内各类机场应用较为广泛，占据了较大的市场份额，各大机场和空管部门为了使新员工对NM7000型的仪表着陆设备原理有更深入的了解和认识，其技术保障部每年都要组织安排一系列相关课程和上岗培训，从而为行业培养出“上手快”的专业技能人才。

针对上述问题和需求，本文构建了适合“导航原理与系统”课程的虚拟仿真实验教学体系。首先，基于Selex公司的Model 1150 DVOR和Model 1119A DME地面信标系统[4]，设计了DVOR/DME地面信标天线安装与板件互联虚拟仿真实验系统;其次，基于NORMARC公司的NM7000 ILS仪表着陆系统[5]，设计了航向信标信号测试与排故虚拟仿真实验系统。这两类虚拟仿真实验涵盖了“导航原理与系统”课程的核心知识点，旨在使理论教学与现行陆基导航设备紧密结合，为民航类院校和民航通信导航相关专业的实验课程改革及实验室建设提供新思路。

二、陆基导航DVOR/DME虚拟仿真实验系统

（一）实验目的

以DVOR/DME地面合装导航台的实际典型系统为研究对象，构建虚拟仿真平台（具体以Selex 1150 DVOR和1119A DME为建模原型），培养学生对DVOR/DME地面导航信标各系统组件安装和设备维护的工程实践能力，提高学生对导航系统地面信标工作原理、工程操作及实际运行的认知水平，为今后开展导航台站点建设和设备维护奠定基础。

（二）实施过程

学生通过查阅Selex Model 1150 DVOR/Antenna和Selex Model 1118A/1119A DME官方手册的相关章节，分别掌握DVOR/DME地面信标系统的工作原理、设备接口、板件互联方式和天线安装方法等内容，面向仿真环境和虚拟设备，实施DVOR/DME合装式导航台完整系统的安装和部署。具体实验步骤：（1）学生登录虚拟仿真实验系统，在仿真的导航台地面信标场景中完成查验导航台周边环境、设备机房、地网、机柜等准备工作，熟悉仿真系统的一般操作;（2）根据DVOR边带天线工作原理与安装规范，完成DVOR边带天线安装;（3）根据DVOR载波天线工作原理与安装规范，完成DVOR载波天线安装;（4）根据DVOR监视天线工作原理与安装规范，完成DVOR监视天线安装;（5）根据DME天线工作原理与安装规范，完成DME天线安装;（6）完成防雷设施安装、障碍灯等辅助设施的安装;（7）完成DVOR/DME天线射频线缆与各自机柜的物理连接;（8）完成DVOR机柜中发射机各核心板件的互联，主要包括频率合成器组件、CSB功率放大器组件、音频发生器组件、边带发生器组件等;（9）完成DVOR机柜中其他核心板件的物理互联，具体包括本地控制单元（LCU）、远程监视系统组件、射频监视组件、转换继电器、电池充电器电源子系统（BCP）等组件;（10）完成DME机柜中收发信机核心板件的物理互联，具体包括收发控制器（RTC）、高功率放大器、低功率放大器、监控询问器组件等;（11）完成DME机柜中其他核心板件的互联，具体包括遥控系统（RMS）处理器板、I/O设备板、接口板、电池充电电源模块（BCPS）、电源监控器;（12）完成数据维护终端（PMDT）与DVOR和DME机柜的接入;（13）完成主备供电引接;（14）完成DVOR/DME系统的关键参数设置，包括工作频率、监控参数等。