无线电罗盘自动测试系统

2022-02-25石劲松1罗运虎1徐林林

测控技术 2022年1期

石劲松1，罗运虎1，谢地，徐林林

(1.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016; 2.中国人民解放军第5720工厂，安徽芜湖 241007)

作为飞机上重要的获取方位信息与通信的部件，无线电罗盘是一种基于无线电技术的用于接收地面导航台所发射的音频与位置信息的机载导航设备。无线电罗盘一旦出现定向偏差较大或灵敏度降低等情况，将会导致飞机偏航、通信中断等不良后果，所以对其性能进行测试显得至关重要。

然而，近年来，对无线电罗盘的研究主要集中在天线方位定位、电磁干扰源、电子兼容设计，同时伴随着通过软件的方法实现无线电罗盘等方面。文献[1]通过环形天线感应电动势表达式，推导出在不同入射波方向下电动势大小来确定天线方位图；文献[2]通过分析无线电罗盘的常见故障现象，给出每种故障相应的排故方法；文献[3]和文献[4]通过分析不同低噪声放大器架构的优缺点、性能对比，推导出最好的噪声消除的架构；文献[5]和文献[6]分析了无线电罗盘的两大干扰源并结合仿真验证分析给出电磁兼容设计；文献[7]和文献[8]提出了不同的无线电罗盘天线信号产生方法；文献[9]和文献[10]阐述了用坐标图解法进行静止卫星地面站天线方位角的计算，并提出了一种基于FPGA的雷达天线模拟方法。

目前，修理工厂对无线电罗盘关键部件接收机的修理与测试依然采用手动方式，测试流程烦琐，测试效率和测试精度较低，且信号测试均采用注入法，未将环形天线加入测试系统，没有保证系统完整性，从而给飞机修理带来很大的修理风险。基于上述现状，为满足罗盘接收机电气修理与自动测试需要，本文基于自动测试理论，设计并实现一种无线电罗盘自动测试系统。

1 无线电罗盘系统

1.1 系统组成

无线电罗盘系统由前端的垂直天线、环形天线、天线放大器、环匹配器、接收机和控制盒组成，如图1所示，其中垂直天线与环形天线负责接收归航台发射的无线电波，天线放大器用于滤波和功率提升，并依靠环匹配器完成环形天线信号的混频与耦合，接收机负责解算出方位信息与音频信息，并配合控制盒完成频段选择。

图1 无线电罗盘系统框图

1.2 测向原理

无线电罗盘通过组合天线测向，组合天线包括垂直天线和环形天线，其中无向性垂直天线辅助环形天线进行测向。环形天线结构如图2所示，坐标原点处的电场强度为eo=Eosinωt，环形天线总感应电动势为

e=Emcosωt

(1)

定义：

(2)

图2 环形天线测角原理

设入射波为等幅波，则无向性天线输出仍为等幅波，可表示为

e1=E1msinωt

(3)

环形天线输出信号为

e2=E2m maxsinθcosωt

(4)

将环形天线信号进行移相90°、放大和平衡调制后，可得：

(5)

环形天线与垂直天线信号叠加后：

(6)

组合天线电动势在0～180°和180～360°时相位相反，从而消除了单环形天线定向存在的多值性问题。组合天线测向原理框图如图3所示。

图3 组合天线测向原理框图

图4为组合天线测向的仿真结果,图4(a)为垂直天线输出信号，为AM调制信号；图4(b)为无垂直天线分量下，组合天线输出，即环形天线经过匹配调制之后的输出信号；图4(c)为组合天线测向，匹配电路输出。

图4 组合天线仿真结果

2 测试系统设计

2.1 测试原理

为模拟罗盘接收机真实工作环境，结合组合天线测向原理，本系统采用“垂直发射天线+组合天线+转台+信号匹配电路+接收机”的测试架构(如图5所示)，其中转台负责模拟飞机空中航向角；垂直发射天线模拟地面归航台，辐射等幅波信号；组合天线中的无向天线通过注入法模拟，其信号直接通过馈线接入系统；环形天线方位信号的获取通过转台的水平转角实现，转角的不同，导致环形天线各信号的幅值变化，因而不同的幅值表示不同的方位信息。

图5 测试原理框图

2.2 测试架构

由于本系统所使用的控制数据、测试资源较多，为达到灵活控制、高效测试的目标，本系统采用多代理系统，基于PCI总线，通过主控计算机下放控制权，由各个子系统根据上级系统的调度自行改变运行状态的分布式协调控制方式，可以使系统更加灵活、高效地运行。

上级系统通过1553B协议与罗盘接收机交换数据，通过BC→RT指令切换接收机频段与工作模式，通过RT→BC指令获取接收机解算的方位角。

上级系统基于USB总线的SCPI指令与RS232，控制万用表、交/直流电压源、信号源、音频电子负载发出激励信号，并采集信号。

基于表2的测试需求，系统设计应满足如下参数：接收机供电为AC 115 V/400 Hz与DC 27 V，测试系统继电器线圈供电DC 5 V/24 V；射频信号源频段满足150 kHz～31.75 MHz，幅值满足-110～7 dBm；音频电子负载满足5 kΩ纯阻性负载调节，并通过分压电路控制罗盘输出端耳机负载两端电压；音频分析仪对罗盘输出音频信号进行失真度、电压变化率测量；代理控制单元满足二进制指令与电信号转换；信号调理单元完成天线信号匹配和功率放大；所有测试仪器与代理系统均采用不同总线的通信协议，以满足自动测试系统的需求。

所搭建的测试系统架构如图6所示，该系统硬件采用“工控机+各种程控部件(单相交流/直流电压源、数字万用表、信号源、音频分析仪、音频电子负载、适配器箱以及PCI、1553B总线通信板卡等)+天线模拟仪+接收机”架构，其中交/直流电源负责罗盘部件供电，信号源负责信号注入，音频分析仪负责音频信号采集与分析，电子负载负责输出端电压调节，天线模拟仪负责模拟飞机与电台之间的实际接收环境。

图6 测试系统架构

2.3 系统关键部件设计

在系统设计过程中，下层系统需要根据主控计算机的软件进行测试线路切换、信号调理、负载切换、罗盘一次性指令输入等，因此需要一个信号调理单元完成上述工作。此外，继电器控制是通过上层系统完成，上层系统需要完成与主控计算机的数据交换，同时将计算机的二进制指令转换成相应的电信号，以达到控制信号调理单元中继电器的目的。因此，需要设计代理控制单元作为下层系统，同时完成二进制数据与电信号之间的转换工作。

2.3.1 代理控制单元设计

为完成二进制信号与电信号的转换，同时完成与主控计算机的通信，控制单元采用FPGA作为主控单元；由于FPGA的I/O口信号不足以驱动继电器，因此采用ULN2803作为继电器驱动；并且FPGA的I/O信号电压范围在0～3.3 V之间，而PCI板卡输出为5 V信号，因而采用SN74LVC4245ADBR(AB)完成5 V到3.3 V的转换工作。本单元中有多个代理系统，各代理系统之间需要进行信号交互，此时需要一个底板作为数据耦合平台及实现各板之间的数据共享与相互通信，并在主控计算机控制下高效协调运行。代理控制单元架构如图7所示。

图7 代理控制单元

2.3.2 发射天线设计

基于图5的测试架构，需要一个具有地面归航台作用的激励源作为罗盘系统的激励天线，且此天线的天线场的法向方向与环形天线的轴线方向平行，即0°方向在同一平行线上。因此，采用杆状天线设计，其在空间内产生的辐射场可以用对称振子天线的辐射场的计算公式进行计算，以长度为λ/4的单级天线为例，其天线辐射场如下。

(7)

式中：α为仰角；β为相移常数；F(α)方向函数。

(8)

表1 天线参数

天线参数如表1所示。利用表1的参数，得到的垂直天线三维增益方向图仿真结果如图8所示，可见其增益在xy平面内为圆形，达到增益最大值，为全向性天线。

2.4 系统软件设计

2.4.1 系统软件功能

① 测试软件应该具有良好的人机界面、完整的测试项目、清晰的测试逻辑。

② 测试软件为防止测试者在测试的过程中产生误操作，应在测试过程中给予测试人员信息提示，并通过软件保护来防止误操作对产品造成损坏。

图8 发射天线三维增益方向图

③ 测试软件能够将所测试的数据保存为PDF或Excel格式的文件，并为防止测试数据被篡改，所保存的文件具有密码保护功能。

基于上述软件需求分析，为提高开发效率，选用VC++6.0作为软件开发平台，采用面向对象的编程思想使用微软基础类库(MFC)进行软件界面开发，同时利用多线程编程，并基于多总线协议来实现硬件之间的信息交互。

2.4.2 系统软件架构

由于下位机的测试资源所支持的总线协议不同，上位机软件需要开发RS232、USB、PCI、1553B、TCP通信模块。各测试资源通过开辟线程的方式实现多资源同步运行。主线程通过调用子线程来实现联合测试，多线程之间通过消息触发和共享内存的方式实现信息交互，且共享资源加入的读写锁来防止资源竞争时的数据出错问题，具体软件的设计架构如图9所示。

图9 软件设计架构图

2.4.3 系统软件原则

限于篇幅，这里仅给出无线电罗盘定向灵敏度测试流程，如图10所示。

软件设计原则阐述如下。

① 界面简洁：界面设计要合理、简洁，聚集功能相近的按钮，减少操作流程，工作界面应具有舒适性。

图10 定向灵敏度测试流程图

② 操作简单：运用模块化的编程思想降低软件冗余、烦琐的操作，有利于提高程序后期的可维护性和可扩展性。

③ 误操作保护：如在测试前，应先读取适配器箱内部板卡状态码，若板卡状态码错误，则停止测试并弹出错误信息；此外，在灵敏度调节过程中，为防止出现死循环，设置超时重测定时器。

3 系统验证和分析

3.1 系统验证条件

所设计的测试系统如图11所示。X系列无线电罗盘测试指标如表2所示。

图11 测试系统外观图

表2 X系列无线电罗盘测试指标

3.2 测试结果及数据分析

3.2.1 无线电罗盘收讯灵敏度测试

无线电罗盘收讯灵敏度测试结果如图12所示。由图12可以看出：在150～1750 kHz频段内，无线电罗盘收讯灵敏度的测试结果均小于50 μV/m，满足测试标准与要求。

图12 无线电罗盘收讯灵敏度测试结果

3.2.2 无线电罗盘自动增益特性测试

无线电罗盘自动增益特性测试结果如图13所示。由图13可以看出：无线电罗盘自动增益特性测试中，电压变化率值均不大于4.5 dB，满足技术要求。

3.2.3 无线电罗盘定向精准度测试

无线电罗盘定向精准度测试结果如图14所示。由图14可以看出：无线电罗盘定向精准度在0°时的误差在±1.0°之间，其他角度在±1.8°之间，满足技术要求。

图13 无线电罗盘自动增益特性测试结果

图14 无线电罗盘定向精准度测试结果图

3.2.4 无线电罗盘定向灵敏度测试

无线电罗盘定向灵敏度测试结果如图15所示。由图15可以看出：在无线电罗盘定向灵敏度测试中，所有摆动范围均在2.0°以内。

图15 无线电罗盘定向灵敏度测试结果

不同天线距离下定向灵敏度测试结果如图16所示。由图16中可以看出150～279.5 kHz频段内的定向灵敏度均小于100 μV/m；280～1750 kHz频段内的定向灵敏度均小于80 μV/m，满足测试标准与要求。且在不同发射天线高度下，定向灵敏度随天线距离呈负相关，即距离越大，灵敏度测量值越大。