機載氣象雷達(dá)教學(xué)仿真平臺設(shè)計

萬金誠， 張 鵬， 趙世偉

（中國民航大學(xué)a.電子信息與自動化學(xué)院；b.適航學(xué)院；c.工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300）

0 引 言

機載氣象雷達(dá)（Weather Rada，WXR）系統(tǒng)作為民航飛機的重要組成部分，是為防范危險氣象區(qū)域，保證飛行安全研制的航空電子系統(tǒng)，用于探測飛機前方航線的氣象目標(biāo)及分布情況，是保證民機持續(xù)適航性的關(guān)鍵系統(tǒng)之一［1-2］。國際民用航空組織在《國際民用航空公約》附件6中建議：載運乘客的座艙增壓飛機，應(yīng)裝備氣象雷達(dá)；根據(jù)國際民航事故報告顯示，由于氣象原因?qū)е碌娘w行事故已占全球航空業(yè)務(wù)總事故數(shù)的30%［3］。

目前，在航空院校的WXR課程教學(xué)中，如果用真實的WXR系統(tǒng)來教學(xué)實訓(xùn)，設(shè)備的經(jīng)濟成本昂貴，真實的雷達(dá)組件在工作中產(chǎn)生微波輻射，對人體有害，且使用條件有嚴(yán)格限制；同時受實訓(xùn)環(huán)境的限制，真實雷達(dá)在教學(xué)中可探測的氣象條件單一，系統(tǒng)功能不能完整體現(xiàn)。本文設(shè)計了WXR教學(xué)仿真平臺替代真實的WXR系統(tǒng)，可以解決WXR教學(xué)中受天氣條件限制和輻射危害的問題，經(jīng)濟成本低且可以靈活的設(shè)置教學(xué)模塊，為WXR的教學(xué)建立一個良好的半實物教學(xué)訓(xùn)練平臺。

1 機載氣象雷達(dá)教學(xué)仿真平臺分析

1.1 WXR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

WXR系統(tǒng)的功能為實時探測前方航路上的氣象狀況，并在導(dǎo)航顯示器上顯示探測到的氣象信息圖像供飛行員參考［4］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括天線組、收發(fā)組、導(dǎo)航顯示器和控制盒等部分。收發(fā)組是WXR的核心組件，用于產(chǎn)生射頻脈沖并接收和處理雷達(dá)回波，產(chǎn)生氣象目標(biāo)信息，同時控制雷達(dá)天線方位和俯仰運動；天線組由平板天線和天線基座兩部分組成，平板天線用于發(fā)射和接受微波；導(dǎo)航顯示器用于顯示收發(fā)組處理后的雷達(dá)圖像，供飛行員參考；控制盒是人機交互的界面，控制雷達(dá)的工作模式、天線穩(wěn)定、俯仰角度等。

1.2 WXR教學(xué)仿真平臺功能分析

為仿真WXR的基本功能，本文采用半實物仿真技術(shù)設(shè)計了WXR教學(xué)仿真平臺［5-7］，天線組件和WXR控制盒為真實組件，導(dǎo)航顯示器和收發(fā)組件為仿真件。將雷達(dá)天線和控制盒引入仿真回路，一方面利于觀察理解雷達(dá)工作模式、控制運動關(guān)系，天線掃描與掃描顯示的關(guān)系；另一方面用于WXR部件的故障測試。計算機仿真收發(fā)組件功能，主要為監(jiān)控雷達(dá)天線工作和氣象圖像仿真；導(dǎo)航顯示屏只顯示雷達(dá)畫面，可用工業(yè)顯示器代替。

參照真實WXR系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合實際的教學(xué)需求，機載WXR教學(xué)仿真平臺的功能需求為：

（1）控制模擬。通過雷達(dá)控制面板，完成機載WXR的控制模擬；提供與真實雷達(dá)相同的雷達(dá)控制邏輯，模擬WXR的多種工作模式。

（2）監(jiān)控顯示。提供與真實WXR功能一致的雷達(dá)顯示畫面；提供人機交互界面，監(jiān)控系統(tǒng)部件的運行。

（3）系統(tǒng)測試。實現(xiàn)WXR的測試功能，包括運行測試和系統(tǒng)測試；模擬設(shè)置雷達(dá)控制盒和天線組件故障，實現(xiàn)附件深度維修測試功能。

1.3 仿真平臺總體架構(gòu)

WXR教學(xué)仿真平臺由硬件和軟件系統(tǒng)組成，主要實現(xiàn)仿真WXR系統(tǒng)工作和附件故障測試。硬件以仿真計算機為控制核心，結(jié)合相應(yīng)的外圍功能電路，完成數(shù)據(jù)采集和控制指令生成；軟件系統(tǒng)包括人機交互界面和仿真控制軟件，主要完成教學(xué)平臺的人機界面生成、顯示和仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、邏輯處理。仿真教學(xué)平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)圖

用戶通過人機交互操作或輸入指令，數(shù)據(jù)采集模塊采集硬件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息并傳輸給仿真控制軟件，在人機交互界面中設(shè)置的參數(shù)信息由軟件直接獲取；仿真控制軟件將接收的信息處理后，一方面生成雷達(dá)工作狀態(tài)信息，實時顯示在雷達(dá)工作界面；另一方面產(chǎn)生運動控制指令給伺服控制模塊進(jìn)而控制雷達(dá)天線的運動，將運動控制模塊反饋的天線運動信息實時顯示在雷達(dá)工作界面上。同時產(chǎn)生故障信號控制故障測試模塊，模擬部件故障，用于外接的測試資源測試。

2 硬件平臺設(shè)計

WXR教學(xué)仿真平臺的硬件組成主要分為兩部分：

（1）雷達(dá)控制面板，數(shù)據(jù)采集模塊、伺服控制模塊、雷達(dá)天線組件以及仿真計算機組成的硬件平臺主控部分，可以仿真WXR的工作，實現(xiàn)WXR控制模擬。仿真計算機內(nèi)置仿真控制件，由上位機完成邏輯處理的相關(guān)功能，如人機界面、狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)交互及指令發(fā)送等系統(tǒng)管理工作；伺服控制模塊采用運動控制卡作為下位機［8］，依靠快速的計算能力和專用設(shè)備的特點，完成對雷達(dá)天線的實時控制功能，如移動計算、行程控制等。

（2）故障設(shè)置開關(guān)、故障測試模塊和外接的測試資源組成了教學(xué)平臺的故障測試部分。故障測試模塊作為待測部件和外接的測試資源之間的“橋梁”，提供測試接口，用于解決待測部件信號與測試資源之間的連接測量問題［8-9］。測試模塊還用于對待測信號的轉(zhuǎn)接、調(diào)理及隔離（如數(shù)字信號隔離等），使待測信號符合測試資源輸入信號的特征量值，滿足測試信號特征進(jìn)行測量。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)通信模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)字信號和雷達(dá)控制盒ARINC429信號的通信。仿真計算機無法直接讀取來自雷達(dá)控制面板的ARINC429總線信號［10］，關(guān)鍵要解決氣象雷達(dá)控制盒與計算機的數(shù)據(jù)通信問題。PCI7102 ARINC429收發(fā)模塊是采用通用USB2.0總線接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的通信測試板卡，主要應(yīng)用于機載數(shù)據(jù)總線ARINC429，提供至多8發(fā)8收的通道選擇，滿足系統(tǒng)的快速性和實時性，有效降低了教學(xué)仿真平臺的實現(xiàn)難度。數(shù)據(jù)采集模塊通過ARINC429數(shù)據(jù)接口可接收雷達(dá)控制盒發(fā)送的總線數(shù)據(jù)，內(nèi)置FPGA芯片將數(shù)據(jù)由ARINC429協(xié)議轉(zhuǎn)換為PCI協(xié)議，經(jīng)PCI總線傳送給工控機，完成數(shù)據(jù)通信。數(shù)字信號采集可采用基于PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡，準(zhǔn)確地將信號讀入計算機系統(tǒng)。

2.2 故障測試模塊設(shè)計

教學(xué)仿真平臺的附件故障測試部分包括雷達(dá)控制盒和雷達(dá)天線組件的故障模擬和測試。依據(jù)CMM維修手冊中提供的部件典型故障，模擬部件的故障信號并提供測試所需的條件［11-12］，如電源、待測信號等，部件接口中的待測信號經(jīng)轉(zhuǎn)接調(diào)理后，可用測試資源完成信號參數(shù)的測量，如脈寬、電流和頻率等信號參數(shù)。但是真實的航材件難以設(shè)置故障，且設(shè)置硬件故障可能會造成硬件的損壞，影響使用。

故障測試模塊采用繼電器板卡為核心設(shè)計測試電路，圖2為天線組件故障測試電路原理圖。

圖2 天線組件故障測試原理圖

測試電路通過并聯(lián)方式將航材件的接口信號引出到測試面板上，仿真計算機根據(jù)故障設(shè)置開關(guān)產(chǎn)生的故障信息編碼生成繼電器板卡的控制信號，實現(xiàn)繼電器的通、斷模擬生成故障信號，同時仿真計算機還通過控制天線的運動狀態(tài)，來模擬雷達(dá)天線故障現(xiàn)象，增加了教學(xué)過程的“真實性”。通過外接的測試資源如可編程數(shù)字萬用表、示波器等實現(xiàn)航材件故障信號的測量顯示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要由人機交互界面和物理引擎軟件的氣象圖像仿真模塊組成，依托C＃／WPF開發(fā)環(huán)境編制，采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計思想，做到界面顯示代碼和底層邏輯程序的分離設(shè)計編程［13-15］。同時仿真控制軟件中的氣象圖像仿真模塊和人機交互界面嵌套，提高了系統(tǒng)的實時性和逼真度。

3.1 人機交互界面的構(gòu)建

軟件系統(tǒng)的人機交互的建立采用具有Windows風(fēng)格的人機交互界面。用戶可以在界面中通過輸入運動參數(shù)或選擇工作模式，完成對雷達(dá)天線的掃描和俯、仰運動的自動或手動控制，同時天線的運動狀態(tài)信息能實時反饋顯示在界面上，增加了用戶操作的真實體驗感，人機交互界面如圖3所示。

圖3 人機交互界面

3.2 氣象圖像仿真模塊的實現(xiàn)

雷達(dá)氣象目標(biāo)圖像如圖4所示。

圖4 雷達(dá)氣象目標(biāo)圖像

WXR顯示的氣象目標(biāo)圖像形狀不規(guī)則，通過數(shù)學(xué)建模仿真后的氣象目標(biāo)顯示效果不佳。為了提高模擬演示的效果，教學(xué)平臺采用了XAML的圖形繪制功能，繪制了WXR在不同工作模式下顯示的氣象云圖，并分別封裝為.dll文件，便于可視化控件的調(diào)用。

氣象仿真模塊通過INotifyPropertyChanged接口將可視化控件與雷達(dá)控制面板的數(shù)據(jù)對象屬性值綁定，并在接口中定義了PropertyChanged事件，實現(xiàn)軟件監(jiān)聽雷達(dá)控制面板的硬件數(shù)據(jù)包。在雷達(dá)控制面板上設(shè)置的工作參數(shù)，可視化控件根據(jù)監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)對象屬性值的變化，實時顯示雷達(dá)工作狀態(tài)和氣象目標(biāo)圖像。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動界面顯示，有效解決了氣象圖像仿真的實時性問題。

4 ARINC429數(shù)據(jù)解析

ARINC429協(xié)議是現(xiàn)代航空電子設(shè)備數(shù)字傳輸?shù)囊环N標(biāo)準(zhǔn)［16］。WXR-701型控制盒用以提供系統(tǒng)控制的控制字，是32 bit的ARINC429數(shù)據(jù)字，采用了Label270進(jìn)行通信，提供IDENT，STAB，MODE，TILT和GAIN功能控制信息，數(shù)據(jù)字bit位功能劃分如圖5所示，Label270數(shù)據(jù)字的配置含義解析見表1，其中數(shù)據(jù)字的1～8位固定為10111000，表示Label270。

圖5 數(shù)據(jù)字bit位功能劃分

表1 Label270數(shù)據(jù)字解析

第17～23 bit的俯仰角度值t計算：將bit 17～22 6 bit二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)Tilt：

（1）第23 bit為1，表示方向向上：

（2）第23 bit為0，表示方向向下：

第24～29 bit增益選擇的增益值g計算：將bit 24～29 6 bit二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)Gain：

5 WXR教學(xué)仿真平臺

根據(jù)以上設(shè)計方法和技術(shù)分析，開發(fā)了機載WXR教學(xué)仿真平臺，實物如圖6所示，教學(xué)平臺主要由雷達(dá)天線組件和一臺立式控制機柜組成，控制機柜安裝了程控電源及電源監(jiān)控組件、雷達(dá)控制面板、測試面板、工控計算機和工業(yè)顯示器及示波器等硬件。

圖6 WXR教學(xué)仿真平臺實物圖

雷達(dá)天線便于學(xué)員理解雷達(dá)工作模式、控制面板與天線運動以及天線的掃描與顯示關(guān)系；程控電源負(fù)責(zé)給雷達(dá)控制盒和雷達(dá)天線組件供電，通過電源監(jiān)控組件可以看出系統(tǒng)組件的運行狀態(tài)；數(shù)字示波器通過測試面板提供的接口測量雷達(dá)組件的工作信號，進(jìn)行測量實踐；仿真計算機與雷達(dá)控制面板完成雷達(dá)工作的仿真控制及顯示雷達(dá)工作畫面。

6 結(jié) 語

本文采用半實物仿真思想設(shè)計的WXR教學(xué)仿真平臺，通過動態(tài)鏈接函數(shù)庫將硬件設(shè)備控制與軟件設(shè)計結(jié)合起來，實現(xiàn)了WXR系統(tǒng)的仿真模擬，同時模塊化的設(shè)計使平臺具有很好的擴展性，不僅可以擴展雷達(dá)系統(tǒng)自身的相關(guān)功能，如故障維修測試功能，還為以后與WXR系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的機載系統(tǒng)接入奠定了基礎(chǔ)。教學(xué)平臺的設(shè)計開發(fā)較好地改善了WXR教學(xué)訓(xùn)練手段，減少設(shè)備損耗且經(jīng)濟成本低，可在室內(nèi)進(jìn)行全仿真模擬訓(xùn)練，增強了學(xué)生的雷達(dá)操作和排故障能力，提高教學(xué)訓(xùn)練質(zhì)量和效率。