一種無線電高度表試驗器的設計研究

鄧向俊，田裕鵬

（1.南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 210000；2.成都國營錦江機器廠，四川 成都 610041）

無線電高度表通過測量無線電波從飛機發射到地面，再由地面返回飛機所經歷的時間，經一系列計算，實時測算飛機對地高度，并將測算的高度信息傳送至綜合任務系統等相關設備作為重要參數使用，在飛機處于低高度時作用格外明顯。在直升機整機定期檢測維修時，重要機載設備的常規性能檢測有助于提高整機安全系數，因此，設計研制對應型號無線電高度表試驗器，有利于及時有效診斷該型產品性能，及時排除故障，提高產品可靠性[1]，保障飛行安全。

當前直升機維修工廠常用的無線電高度表檢測設備分為手動測試設備和自動測試設備兩種，手動測試設備存在接線、操作復雜，接口損耗大等缺陷；自動測試設備存在模擬高度準確度不高、測試靈活性低等缺陷；兩者都存在測試數據分散、難以系統分析的問題。本文以某型連續波調頻體制無線電高度表為測試目標，運用自動測控和數據庫技術，設計研究一種測試精度高、效率高，具備在線測量及數據分析功能的無線電高度表試驗器。

1 系統功能及工作原理

某型無線電高度表系統（含無線電高度表收發機、接收天線、發射天線、電纜）裝配于某新型直升機，采用連續波調頻恒定差拍頻率體制，該型無線電高度表收發機由射頻組件、轉接板、低頻放大器板和低頻處理器板組成，以微處理器為中心，完成射頻電路和低頻伺服環路的監控、校準、高度參數的測量和輸出，是無線電高度表系統的核心。

1.1 系統功能

設計該型無線電高度表試驗器，能模擬地面及飛行狀態給定無線電高度表相關信號，測試無線電高度表消耗電流、高度有效與靈敏度、模擬高度輸出信號、測高精度、自檢功能、中心頻率、發射功率、零高度校準功能等各項性能參數[2]，將測試數據保存，建立數據庫并對歷次數據進行自動分析，根據分析結果判斷產品故障點，輔助排除故障。

1.2 工作原理

根據測試項目及實現方式，設計試驗器由電源箱、工控機、接口適配器、射頻同軸開關、衰減器和頻譜儀、微波功率計等組成。系統上電后，測試高度值及靈敏度等性能時，無線電高度表通過發射接口向外部發射射頻信號，由工控機[3]控制射頻同軸開關選擇指定高度的延遲線，模擬某一飛行高度，信號經衰減器衰減后傳輸回無線電高度表收發機接收端；測試頻率及發射功率時則由工控機控制射頻同軸開關接通頻譜儀或微波功率計，并控制這兩臺儀器。系統框圖見圖1。

圖1 系統框圖

2 系統總體設計

測試系統采用模塊化、綜合化的設計思想，最大限度模擬高空環境，降低信號損耗，提高測試精度和測試效率，同時對測試數據進行分析，輔助完成故障定位和故障隔離。

試驗器內部集成由ARINC429板卡、數字電壓模塊、頻譜儀、微波功率計、衰減器、延遲線和電源系統，以及對所有資源信號進行適配的接口適配器構成。電源系統用于為整個設備及被測件供電；以工控機、ARINC429板卡、頻譜儀、功率計、衰減器等為主要部件的控制系統是試驗器測試的核心硬件，控制系統為整個試驗器測試平臺提供測試資源，并且對測試資源進行控制；接口適配器是測試資源與收發機之間的橋梁，實現對測試資源的引入、切換、分配和轉接等功能。

2.1 控制系統設計

控制系統主要由工控機、ARINC429板卡、頻譜儀、微波功率計、數字電壓模塊、同軸射頻開關、顯示器、鍵鼠等部分組成。

系統通過連接器與接口適配器連接，實現與被測件的數據交互；通過ARINC429板卡讀取被測件429總線數據，實現與被測件之間總線交互。射頻模塊采用微波延遲線，模擬直升機產生四個固定高度。同軸射頻開關實現頻率測試、功率測試、高度測試、靈敏度測試的自由切換。數字電壓模塊監控系統工作電壓，超壓告警。微波功率計通過USB與工控機進行通信，測試發射功率；頻譜儀通過RS232接口與工控機進行通信，測試工作頻率和帶寬。交聯圖如圖2。

圖2 系統交聯圖

2.2 接口適配設計

接口適配器主要實現信號的分配以及和被測部件的連接，由繼電器矩陣進行信號的切換和轉接不同的通道，還可以實現模擬電壓信號的采集和控制電源的功能，設計測試接口用于設備計量和調試。

接口適配器主要由繼電器矩陣板以及測試連接器等組成，繼電器矩陣板為所有信號通道、電源、采集進行切換，適配器與無線電高度表收發機連接，在所需通道數的基礎上作出一定預留，各個通道數量如表1。

表1 測試通道數量表

2.3 電源模塊設計

電源模塊主要是為試驗器提供交流220 V、直流28 V電源，以及提供過流保護、短路保護、電壓電流指示等功能。電源系統主要由開關電源模塊、數顯電壓表、數顯電流表、空氣開關、自鎖連接器等部件組成，總開關控制整個測試系統的電源通斷，數顯電壓表、數顯電流表實時顯示當前系統的電壓和電流，保險管在過流、短路時實現系統的安全保護。

設備各種電源都是由220 V交流電源轉換而來，28 V直流供電由開關電源轉換得到，輸出電流為5 A。220 V市電接入后首先利用保險管與空氣開關實現過流、短路的保護，再通過濾波器減少EMI干擾，通過電源開關提供整個測試系統的電源，28 V控制電源模塊將交流220 V轉換成直流28 V，連接到接口適配器，220 V也供給各個儀器、工控機、顯示屏等設備。如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

3 軟件設計

軟件是無線電高度表收發機試驗器的重要組成部分，實現控制試驗設備信號激勵器采集測試信號、監控總線信號、仿真總線信號和測試數據后期處理等功能。軟件設計上采用框架式的測試軟件結構、模塊化的獨立功能封裝，通過執行測試軟件進行測試流程控制、參數測試、信號監控與仿真、數據分析和處理。

3.1 設計思想

功能上，測試軟件分為四個層次，分別是應用管理層、應用執行層、應用服務層、設備驅動程序層。設備驅動程序層是一般意義下的應用程序編程接口API，各測試平臺根據配置硬件不同，對本層進行設計。應用服務層實現公共服務的按類綜合，如硬件資源管理器服務、綜合數據庫操作、故障診斷、人工引導探針驅動、公用數據處理算法等，形成即插即用的軟構件。應用執行層由一系列的可執行的應用程序組成，實現軟件框架的各項功能。應用管理層實現應用程序的管理與任務調度。

3.2 數據庫部分

數據庫包含四類：用戶相關表、系統配置相關表、系統維護相關表、數據存儲相關表，結構如圖4所示。

圖4 數據庫結構圖

（1）用戶相關表包括測試系統軟件所有的用戶信息及分配的權限；

（2）系統配置相關表包含硬件參數配置表、測試參數配置表和系統參數配置表，這些表對應配置系統所驅動的硬件的相關參數、配置系統測試流程的相關參數和測試系統軟件運行的基本參數；

（3）系統維護相關表涵蓋系統維護的相關配置參數，保障了設備的穩定和測試精度；

（4）數據存儲相關表分為歷史測試報告數據表、詳細測試數據數據表和系統日志表。歷史測試報告數據表記錄所有的測試報告數據；詳細測試數據數據表對應歷史測試報告數據表，記錄所有的歷史測試數據；系統日志表以天為單位記錄軟件的使用信息。

3.3 應用軟件部分

應用軟件分成測試運行、數據管理、用戶管理、系統維護、幫助5個部分，結構如圖5所示。數據管理模塊調用數據庫操作組件和數據導出組件實現數據查詢、數據分析等功能，向用戶提供文檔形式的幫助信息。

圖5 應用程序結構圖

其中數據分析部分具備自動學習能力，初始狀態對實測值與理想值進行對比，對超出理想值范圍的數據，根據無線電高度表收發機工作原理給出可能的故障部位（多定位到模塊級），在后期無線電高度表維護修理過程中不斷錄入實際故障部位，定位到元器件級，數據分析時向用戶提供歷史故障信息，便于提高故障排除效率。

4 試驗驗證

使用一套機上性能良好的某型無線電高度表與該試驗器連接，按測試軟件操作界面提示進行操作，開展試驗驗證，測試結果顯示各項性能合格。測試記錄見表2。

表2 某件無線電高度表測試記錄

另將一套機上無高度輸出的無線電高度表與該試驗器連接，試驗顯示無線電高度表故障，提示可能為低頻放大器板故障。經驗證，實際確實為低頻放大器板故障，試驗器為排除故障較好地縮小了排查范圍。

5 結論

通過上位機控制同軸開關選擇不同高度的模擬延遲線、控制頻譜儀測試射頻頻率及帶寬、控制功率計測試發射功率、與429總線通信讀取總線信號，經試驗驗證，能實現對無線電高度表各項性能的檢測，并能提高測試效率。定期校準延遲線，可提高測試精度。通過數據記錄、數據分析和數據學習，輔助故障定位，提高修理效率和修理深度，對航空維修企業具有重要意義。