一種低成本多功能著陸引導雷達模擬訓練器設計

劉云飛　田華明　黃子革　王鼎

摘要：著陸引導雷達是保障飛機安全著陸的重要設備，通過著陸引導雷達模擬器可以有效的完成著陸引導雷達的教學訓練。本方案提出一種低成本多功能著陸引導雷達模擬訓練器設計方案，介紹了模擬器功能需求和設計思路，闡述了模擬器硬件組成、機柜結構設計和機柜布局，詳細分析了雷達控制及指示模擬、顯示界面模擬、故障模擬和天線控制模擬的具體實現方法。

關鍵詞：著陸引導雷達；模擬器；模擬訓練

0引言

著陸引導雷達是保障飛機著陸安全保障的重要設備，其技術比較復雜，價格昂貴，一般院校沒有配備。而要熟練掌握雷達的使用維護，必須要進行大量的針對性訓練，因此，為了滿足裝備教學的需求，使學員快速熟悉裝備操作使用、性能檢測和維護保障方法，并且能夠掌握雷達故障排除能力，研制對應的模擬訓練器成為經濟實效的方法。

1功能需求

該型雷達主要由室內主機設備、室外天線設備和供電設備等組成。室內主機設備包括收發機柜、操縱員顯示機柜、領航員顯示機柜、控制機柜組成。室外設備主要包括下滑天線單元、航向天線單元、饋線單元和傳動單元。供電設備主要包括電源控制箱和柴油發電機組。

模擬訓練器主要供本科及士官學員教學訓練使用。模擬訓練器在機柜組成及內部模塊在外觀上與雷達相同，模擬器每個開關、旋鈕的操作所表現的現象（聲音、指示燈、顯示畫面、機柜電纜及連接器）與雷達一致，并能進行相關拆裝操作。應具備模擬與真實裝備相同的雷達操作顯示、信號檢測和故障設置與排除等功能。具體功能包括以下幾個方面。

1.1顯示功能

具有與真實雷達相同的各級（工作狀態、參數裝訂、系統修正和狀態選擇）顯示畫面：顯示畫面的數據或狀態為雷達典型或正常使用時的基本畫面：模擬器掃描畫面和回波清晰、逼真：顯示及切換方式與真實雷達相同。

1.2操控功能

能夠模擬完成著陸雷達的操作、設置等：按照雷達的操作流程、工作方式，設置相對應的操作界面，包括鍵盤操控、按鍵操控：能通過三維虛擬軟件模擬雷達的天線同步聯動操作和顯示。

1.3工作狀態和信號模擬

模擬完成雷達的工作狀態的信息傳輸、顯示：參照雷達實際狀態指示情況，能夠對各分機、單元顯著位置的基本狀態指示（指示燈、數值等）進行模擬：參照雷達實際狀態指示情況，能夠對信號處理分機插拔面板的各種測試孔信號進行模擬。

1.4故障設置模擬

實現對雷達及分機內部主要模塊、線路等環節進行故障設置和模擬，而且能利用自檢和狀態回傳實現故障判別。

2設計思路

總體思路是以雷達實裝機柜為基礎，對各分機內的插件及模塊等進行簡化處理，去除30MHz以上射頻信號的產生和處理模塊，保留30MHz以下檢測信號產生模塊以模擬雷達測試信號，保留對外指示和開關等。通過計算機軟件模擬雷達顯示畫面和基本操作，在實現模擬訓練器的基本功能的前提下盡量降低開發研制成本。

主要設計方式：

①機柜采用框架結構重新制作，代替原本昂貴的鑄件機柜，復合學校實驗室工作環境要求即可：機柜內的組件及模塊，按照原機一比一外形仿制：保留面板開關、指示燈和機柜對外接口等，確保機柜外觀與原雷達一致；

②根據天線系統接口進行控制機柜電路改進，使控制機柜能夠控制虛擬仿真雷達天線進行掃描運動；

③使用計算機及專用軟件模擬雷達顯示畫面和鼠標鍵盤操作；

④通過開關設置模擬雷達部分故障現象；

⑤通過一塊模擬控制板和一塊波形產生板來模擬產生雷達各測試接口信號并控制各面板指示。

3設計方案

3.1模擬訓練器組成

模擬訓練器主要由控制機柜、收發機柜、操顯機柜、領顯機柜和電源控制箱組成，其中天線部分由于十分龐大復雜，但是考慮實際訓練科目涉及到的不多，結合成本控制需求，所以采用虛擬軟件進行設計。如圖l所示。電源控制箱與雷達實際所配的控制箱一致，用于給機柜供電。各機柜內部根據設計需求重新規劃設計，機柜面板及控制臺面板外觀保持與原機柜一致，機柜背部插座和機柜間電纜與原雷達一致，電纜內信號根據實際傳輸內容重新定義。

3.2機柜結構設計

機柜采用框架結構重新制作，根據原機柜尺寸搭建框架，保留原有的抽屜結構，內部模塊采取與原設備一直的板卡外形，板卡功能進行簡化，保留所有連接線纜。機柜側板及后板采用鋁合金蒙皮方式制作，噴漆顏色與原機柜一致。

3.3機柜布局

①收發機柜。

收發機柜面板指示燈、開關與表頭顯示功能與原機柜一致，該機柜內的指示燈及開關等由放置在本機柜內的波形產生板控制。波形產生板根據來自模擬控制板的信號控制面板指示燈，原機柜面板上的測試表頭更換為數控表頭，由波形產生板進行控制。同時波形產生板產生的測試信號送至機柜上的測試口，供測試使用。

②控制機柜。

控制機柜控制臺及控制分機面板上的開關與指示燈等與原機柜一致，控制分機根據793B天線做適應性改進，通過機柜后部的電纜與天線連接，指示燈及開關等通過機柜后部電纜連接至操顯機柜內的模擬控制板，顯示表頭與收發機柜一樣更換為數控表頭，通過機柜間電纜連接至收發分機內的波形產生板。

③操顯機柜。

操顯機柜內裝有一臺計算機用于模擬顯示畫面，顯示器選用與實際雷達相同分辨率的顯示器，操顯控制臺上開關、指示燈和鼠標鍵盤的放置與原機柜一致。模擬控制板裝在本機柜內，通過RS232接口與計算機和波形產生板通信。模擬控制板通過機柜間電纜與其他機柜的開關和指示燈連接。

④領顯機柜。

領顯機柜與操顯機柜一樣裝有一臺計算機和顯示器，顯示相關操作與操顯機柜互不干擾。計算機通過機柜后的電纜與操顯機柜內的模擬控制板連接。endprint

3.4雷達控制及指示模擬

由于機柜內功能模塊均已精簡，為了模擬出雷達控制開關和面板指示燈效果，需要制作一塊模擬控制板和一塊波形產生板來對各機柜、各分機的面板開關和指示等進行控制模擬。如圖2所示，機柜上的面板開關、指示燈和測試口等分別接入模擬控制板或波形產生板，模擬板根據各開關的狀態，控制各指示燈，從而模擬雷達控制效果，“對消”、“自適應”、“恒虛警”和“參差”四個開關以及天線指向控制的狀態通過RS232串口發往顯示畫面模擬計算機：波形產生板通過RS232接口與模擬控制板連接，根據模擬控制板發來的指令控制指示燈顯示，同時波形產生板內通過時鐘模擬產生幾種雷達測試信號發送至測試口。

模擬控制板和波形產生板均使用FPGA作為核心器件，外部信號經過轉接隔離后送入FPGA中，在FPGA內使用硬件編程實現各控制功能的模擬。

3.5雷達顯示界面模擬

雷達原顯示畫面的產生以及鼠標鍵盤操作通過顯示電路分機完成，顯示分機接收來自信號處理的一次視頻等信息和來自天線的角碼和指向等信息，完成畫面顯示、目標跟蹤、參數裝訂等功能。考慮模擬訓練器結構不同，使用計算機通過雷達顯示模擬軟件模擬顯示畫面，雷達顯示模擬軟件根據雷達真實界面制作，完全還原雷達顯示界面操作，顯示界面與雷達真實界面保持一致，能夠產生模擬目標并進行模擬跟蹤，同時可根據用戶需求增加一些其他功能。

操顯、領顯機柜內分別裝有一臺計算機，使得操顯、領顯界面可跟實際雷達一樣單獨操作。通過與控制模擬板的RS232串口連接，可以接收“對消”、“自適應”、“恒虛警”和“參差”四個開關以及天線指向控制的狀態，并在畫面中顯示開關狀態和指向暗帶變化。

3.6雷達故障模擬

采用位于各分機內各模塊上的撥動開關來模擬各模塊狀態，通過開關通斷來模擬模塊工作的正常與故障兩種狀態。各種故障狀態通過顯示軟件中的故障監測界面監控。監控軟件集成在領顯或操顯分系統內。

故障主要包括天線系統故障、收發系統故障、顯示系統故障、控制系統故障、信處系統故障。故障由計算機串口將指令發送給控制模擬板，控制模擬板根據指令控制各指示燈顯示故障指示，并將波形產生板相關的指令轉發至波形產生板，由波形產生板控制顯示相關的故障指示。

3.7雷達天線控制模擬

天線控制電路在控制機柜內，通過軟件，虛擬仿真雷達天線，建立雷達天線運動與雷達工作狀態交連關系。軟件基于C++語言進行編程，將天線外形通過軟件繪制出來，并將天線的俯仰、水平各種運動狀態與雷達操控狀態交聯。

4結語

本設計方案選擇的機柜制作方法能夠大幅降低原鑄件機柜成本，且生產周期較短。線路方面，模擬控制板和波形產生板均采用FPGA作為核心器件，FPGA集成度高、編程方便，具有較高的可靠性和設計靈活性。對于本方案，一般的FPGA性能即可滿足設計要求，其他所需器件均為常見元器件，進一步降低了制作成本。顯示畫面通過計算機軟件模擬，能夠較高程度地還原顯示界面，在滿足教學訓練需求的前提與真實裝備相比能大幅降低成本。功能方面能夠滿足本科和士官等多個層次的教學需求。endprint