一種航姿系統綜合訓練裝置的設計

周玉平，高 峰，姚凌虹，王小飛，申江江

（海軍航空工程學院青島校區 山東 青島 266041）

一種航姿系統綜合訓練裝置的設計

周玉平，高 峰，姚凌虹，王小飛，申江江

（海軍航空工程學院青島校區 山東 青島 266041）

文中設計了一種航姿系統綜合訓練裝置，該裝置能夠模擬多個機型的航向姿態系統的操作訓練科目，既可以通過有針對性的訓練使受訓者了解航姿系統的原理和結構，又可以使受訓者對航姿系統的通電檢查、工作狀況檢查及一般故障排除方法進行訓練。實踐表明，該設備滿足了部隊日常操作訓練與技術保障的實際需要，提高了部隊維護人員的裝備技術保障能力。

航姿系統；訓練科目；裝備保障

航向姿態系統（下文簡稱“航姿系統”）是重要的機載設備之一，主要用以測量、指示飛機的航向角和姿態角并向機上其它設備提供航向和姿態基準[1-5]。目前，由于沒有專門用于實操訓練的航姿系統訓練裝置，導致航空兵部隊新裝備的維護保障水平和使用效果受到極大的制約[6]。為了進一步提高航空兵部隊的新裝備訓練水平，滿足一線部隊崗前培訓及新裝備訓練急需，研制航姿系統綜合訓練裝置具有重要的現實意義。

文中設計了一種航姿系統綜合訓練裝置，該裝置以航姿系統實裝為依托，以工控機為核心，利用機內的微控制單元、控制切換單元、故障設置模擬單元及專家系統，實現對多型飛機航姿系統在非機載環境下的系統性能檢測訓練、系統配置訓練、定檢與通電方法訓練、羅差校正方法訓練、典型常發故障的模擬與排除訓練、訓練結果自動評定等功能。該裝置可以為維護人員正確使用航姿系統，迅速判斷航姿系統性能好壞提供科學依據，同時也可為維護人員分析和排除航姿系統故障提供有效的幫助。

1 系統整體組成

在分析航向姿態系統工作原理、技術指標、組成及工作過程、操作使用方法和維護檢修方法的基礎上[7-10]，進行了系統的軟、硬件設計。其次，在充分消化、吸收軍內外訓練裝置特點的基礎上，確定了本系統的軟硬件平臺。整個系統由電源控制及故障模擬柜、多功能模擬座艙、傳感器（全姿態組合陀螺和磁航向傳感器）、放大器、繼電器盒、轉臺（非磁性轉臺和兩軸轉臺）、機載設備操作臺、交直流一體特種電源等組成，其結構框圖如圖1所示。

2 系統詳細設計

航姿系統綜合訓練裝置主要設計內容包括電源控制及故障模擬柜設計、機載設備操作臺設計、交直流供電電源設計、系統抗干擾設計、多功能模擬座艙硬件設計和羅差校正方法訓練裝置設計等。

圖1 訓練裝置結構框圖

2.1 電源控制及故障模擬柜

電源控制及故障模擬柜由故障設置與模擬單元、通訊單元、控制切換單元、電源變換調理單元、電量綜合顯示單元和工控機系統（包括顯示器、顯卡、內存、硬盤、鍵盤等）等組成。

1）故障設置與模擬單元

故障設置模擬單元主要由微控制器和多功能繼電器板卡組成。微控制器接收主計算機的指令，操作多功能繼電器板卡，控制航姿分離部件的供電電路、傳感器電路、傳輸線路、放大器電路、控制盒電路、繼電器盒電路、指示器電路，采用斷路、短路和串入電阻模擬支路電阻變化等方法，實現航姿分離部件及航姿系統的供電故障、組合陀螺故障、磁傳感器故障、傳輸線路故障、放大器故障、控制盒故障、繼電器盒故障、指示器故障等188個典型常發故障的現場模擬。

故障設置與模擬單元主要由：微控制器、控制切換、故障設置轉換、分析判斷輸出、部件接入控制等一系列模塊組成，其內部結構及交聯關系如圖2所示。

圖2 故障設置與模擬單元內部結構及交聯關系圖

2）通訊單元

整個裝置利用429總線信號PCI卡實現429總線信號的接收與發送，利用1553B總線信號PCI卡實現1553B總線信號的接收與發送[11-12]，利用4串口通訊卡PCI-1610B實現自行設計板卡與工控機的通訊。232與485轉換電路圖如圖3所示。

圖3 232與485轉換電路圖

3）控制切換模塊

由于航姿系統設備多 （包含2個全姿態組合陀螺、2個磁航向傳感器、2個綜合放大器、1個繼電器盒、3個地平指示器、2個綜合航向指示器、3個航向位置指示器、1個領航指示器、1個航向復示器、1個控制盒及相關控制切換電門），交聯關系復雜，系統資源（電源、顯示、角度轉換模塊等）必須共享，為此設計控制切換模塊，其核心是以計算機和微控制器為控制中心，設計控制切換轉換電路，實現不同訓練科目的電路轉換。

整個裝置通過 64路數字量輸出量卡 PCI-1752U實現開關量、數字量信號輸出，同時作為繼電器組控制切換模塊的控制信號。由計算機控制完成不同訓練科目時的電路轉換，為保證工作可靠性，繼電器的工作電源與計算機的電源利用光電耦合器進行隔離。為增強繼電器工作可靠性，加入三極管增強驅動能力。續流二極管可有效保護繼電器線圈。控制切換單元結構圖如圖4所示。

圖4 控制切換模塊電路圖

2.2 機載設備操作臺

多功能模擬座艙由左右駕駛員儀表板、第一領航員儀表板、第二領航員儀表板及交聯輸出測試儀表板組成。其中3個地平指示器、2個綜合航向指示器、3個航向位置指示器、1個領航指示器、一個航向復示器、1個控制盒、相關控制切換電門等實裝分別安裝在左右駕駛員儀表板、第一領航員儀表板、第二領航員儀表板，通電控制與交聯輸出單元在交聯輸出測試儀表板上，模擬座艙接線盒安裝在后部。多功能模擬座艙各組成部件的外觀設計、安裝方式、電路控制關系等與多型飛機的機載航姿系統完全一致，模擬和創造了與機載航姿系統一樣的工作環境，使訓練對象的使用操作更加逼真。

2.3 交直流供電電源

交直流供電電源在輸入市電三相380 V/50 Hz電源的情況下，通過內部單片機和電源變換模塊的控制、變換、處理，可以有效輸出三相36 V/400 Hz的交流電、單相115 V/400 Hz的交流電和直流27 V直流電。交直流供電電源的核心是三相正弦波逆變電源。由三相正弦波逆變電源由CPU智能控制中心、上位機控制接口、鍵盤顯示接口、電流電壓溫度采樣模塊、過流斷路保護模塊、光電隔離模塊、驅動電路、DC/DC及AC/DC電源模塊、IGBT模塊、濾波電路等組成。三相正弦波逆變電源如圖5所示。

圖5 三相正弦波逆變電源

2.4 系統抗干擾設計

對于單片機系統抗干擾性能的好壞直接影響到整個訓練裝置工作的可靠性與安全性。因此，抗干擾設計是訓練裝置設計的一個主要內容，主要采用硬件與軟件相結合的抗干擾措施。

系統硬件抗干擾設計主要包括去耦濾波電路和屏蔽技術。在印刷電路板的各個集成電路的電源線端與地線端之間配置去耦電容，作為去耦濾波電路。將數據處理電路、單片機系統與外部進行屏蔽隔離，避免外部環境對單片機系統產生干擾。系統軟件抗干擾設計主要包括軟件去抖動措施、指令冗余技術和軟件陷阱技術。在RAM中設一些標志，在每次程序復位時，通過這些標志判斷復位原因，并根據不同的標志直接跳到相應的程序，使程序運行具有連續性，避免程序彈飛。

3 軟件的設計與實現

系統使用Visual Basic的MSComm控件控制計算機與機柜的數據通信[13-15]，對機柜的每個單元結合訓練科目建立了子程序模塊，對需要控制的航姿系統及部件的交直流供電電路、信號傳輸電路、同步隨動系統電路、控制電機的激磁和控制繞組、放大器的輸入輸出電路、繼電器盒的電源及控制電路等分別建立子程序模塊，在故障設置時進行調用，以此實現故障模擬。

系統軟件主要包括串行通訊模塊、角度信號發送模塊、角度信號采集模塊、中斷服務模塊、在系統編程（ISP）模塊和數據轉換模塊等，其中串行通信為軟件設計的核心部分，系統利用此模塊實現一主多從的計算機間的通信。uPSD3254作為主控計算機，由其控制整個通訊過程，主機UART通訊流程圖如圖6所示。

圖6 主控程序流程圖

主控計算機通過不同地址控制各個從機，每一次的通訊過程都有主機發動。通過地址尋址到從機后，屏蔽其它從機，只與該從機進行通訊。具體通訊過程中，可設置各種命令和狀態。從機UART通訊流程如圖7所示。

圖7 主控程序流程圖

從機接收主機發出的地址信息，與本機地址進行比較，地址不同的從機停止通訊，地址相同的從機與主機一對一通訊，針對不同的命令和狀態完成各項工作。

4 結 論

文中設計的航姿系統綜合訓練裝置成功解決了航空兵部隊和院校訓練裝備缺乏的現實難題，具有訓練內容全面、功能齊全、人機交互界面良好、可靠性高、排故訓練真實全面的優點，滿足了部隊新裝備日常操作訓練與技術保障的實際需要，為一線部隊開展技術培訓，提高部隊維護人員的裝備技術保障能力，滿足第一任職需要提供了裝備保障。

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Design of training device for attitude and heading reference system

ZHOU Yu-ping，GAO Feng，YAO Ling-hong，WANG Xiao-fei，SHEN Jiang-jiang
（Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Branch，Qingdao 266041，China）

This paper designs an training equipment for attitude and heading reference system，it can simulate the operation training subjects for multi-aeroplane attitude and heading reference system，which can make the learners realizing the principle and construction of attitude and heading reference system，while providing the training chances about energized detection，operation situation detection and general faults isolation.Practical experience indicates that it satisfies the army needs of daily operation training and technically guarantee while improving the technically guarantee capability of maintenance workers.

attitude and heading reference system；training subject；equipment guarantee

TN820

A

1674-6236（2017）09-0117-04

2016-04-04稿件編號：201604029

周玉平（1963—），男，河北正定人，高級工程師。研究方向：航空儀表。