基于矢量信號(hào)發(fā)生器的儀表著陸模擬器設(shè)計(jì)

董建濤，趙 浩

（中電科思儀科技股份有限公司，山東 青島 266555）

0 引言

儀表著陸系統(tǒng)（ILS）是國際民用航空組織規(guī)定的現(xiàn)代化機(jī)場所必須配備的一種地面無線電導(dǎo)航設(shè)備，作為一種新型的全天候機(jī)場進(jìn)場引導(dǎo)精密設(shè)備，為等待著陸的飛機(jī)提供方位角、俯仰角以及距離等引導(dǎo)信息。儀表著陸系統(tǒng)由地面設(shè)備和機(jī)載接收系統(tǒng)構(gòu)成，其中地面接收設(shè)備包含航向臺(tái)、下滑臺(tái)和指點(diǎn)標(biāo)臺(tái)，機(jī)載系統(tǒng)分為航向/下滑接收機(jī)和指點(diǎn)信標(biāo)接收機(jī)。航向臺(tái)提供一個(gè)通過跑道中心線的鉛垂面，而下滑臺(tái)提供一個(gè)與跑道平面呈固定角度的相交傾斜面，指點(diǎn)信標(biāo)臺(tái)提供距離檢查點(diǎn)，利用兩個(gè)平面相交的辦法得到所需要的下滑線。

儀表著陸系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其工作狀態(tài)直接決定飛機(jī)的著陸安全。儀表著陸模擬器是用來對(duì)機(jī)載儀表著陸系統(tǒng)工作狀態(tài)檢測的必要設(shè)備。由于傳統(tǒng)的儀表著陸模擬器是專門研制的專用設(shè)備，其智能化程度低，通用性差，功能單一，無法靈活地針對(duì)特定場景進(jìn)行配置和優(yōu)化。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于矢量信號(hào)發(fā)生器的儀表著陸模擬器，完全滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際著陸設(shè)備測試中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 6939矢量信號(hào)發(fā)生器模塊Fig.1 6939 Vector signal generator module

1 儀表著陸系統(tǒng)

儀表著陸系統(tǒng)是一種以儀表指針方式為飛行員提供航向道、下滑道信息的飛機(jī)進(jìn)場著陸引導(dǎo)系統(tǒng)[1]。儀表著陸系統(tǒng)一般作為盲降系統(tǒng)，可以在飛行員無法目視到參考物時(shí)，為飛機(jī)降落提供進(jìn)近的著陸通道，從而使飛機(jī)安全著陸。

儀表著陸系統(tǒng)通常采用兩個(gè)獨(dú)立的地面無線電發(fā)射裝置，當(dāng)飛機(jī)連同機(jī)載儀表進(jìn)近過程中向飛行員提供左右方向和垂直方向的制導(dǎo)信號(hào)時(shí)，航向信標(biāo)用來提供水平方向的航向引導(dǎo)，下滑信標(biāo)提供垂直的方向引導(dǎo)，指點(diǎn)信標(biāo)一般用于距離的引導(dǎo)。每一個(gè)子系統(tǒng)又分為兩部分，一部分是位于飛機(jī)內(nèi)部的機(jī)載接收設(shè)備，另一部分是位于地面的發(fā)射設(shè)備。機(jī)載設(shè)備的3個(gè)接收機(jī)，分別是甚高頻航向接收機(jī)、超高頻下滑接收機(jī)和甚高頻指點(diǎn)接收機(jī)；地面發(fā)射設(shè)備與機(jī)載設(shè)備相對(duì)應(yīng)，分別是甚高頻航向臺(tái)、超高頻下滑臺(tái)和甚高頻指點(diǎn)臺(tái)[2]。3個(gè)系統(tǒng)的引導(dǎo)信息分別指示飛機(jī)進(jìn)近入場的不同反饋信息，從而幫助飛行員確保飛機(jī)安全著陸。

航向道由90Hz和150Hz兩個(gè)信號(hào)調(diào)幅的載波組成，輻射兩種特定幅度比例、相位關(guān)系的調(diào)幅信號(hào)，即載波加邊帶信號(hào)（CSB）和純邊帶信號(hào)（SBO），在空間形成復(fù)合場型，此場型在跑道中心線左側(cè)90Hz音頻占優(yōu)（即90Hz音頻幅度大于150Hz音頻幅度），在跑道中心線右側(cè)150Hz音頻占優(yōu)，即90Hz音頻幅度小于150Hz音頻幅度；而在跑道中心線上兩種音頻的幅度應(yīng)該相等，那么兩種音頻的調(diào)制度之差（DDM）應(yīng)為0[3]。下滑與航向類似，航向道為水平方向，下滑道為垂直方向。在下滑道上兩種音頻的幅度應(yīng)該相等，兩種音頻的調(diào)制度之差（DDM）應(yīng)為0[3]。飛機(jī)通過機(jī)載的儀表著陸接收設(shè)備，接收地面導(dǎo)航臺(tái)的航向信號(hào)和下滑信號(hào)，解算出DDM值，根據(jù)DDM值調(diào)整飛機(jī)著陸的方向，使飛機(jī)按照DDM接近于0的方向漸進(jìn)著陸[4]。

圖2 矢量信號(hào)發(fā)生模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Hardware design block diagram of the vector signal generation module

2 模擬器設(shè)計(jì)導(dǎo)入

儀表著陸系統(tǒng)的地面臺(tái)信號(hào)包括航向信號(hào)和下滑信號(hào)，共80個(gè)波道，載波的頻道間隔最小僅有50kHz。其中，航向發(fā)射臺(tái)的工作頻率為108.10 MHz～111.95 MHz，共40個(gè)波道，90Hz和150Hz兩者的調(diào)制度都是20%；下滑發(fā)射臺(tái)的工作頻率為329.15 MHz～335.00MHz，共40個(gè)波道，90Hz和150Hz兩者的調(diào)制度都是40%；調(diào)制頻率誤差為1Hz，調(diào)制度的差值誤差要小于0.001[4]。信號(hào)模擬器的輸出功率在0 dBm～-115dBm，并且以1dB的步進(jìn)量連續(xù)可調(diào)，誤差±3dB[5]。

3 模擬器技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 矢量信號(hào)發(fā)生器硬件架構(gòu)

針對(duì)儀表著陸信號(hào)模擬器的頻率范圍、調(diào)幅特性、調(diào)制度差值準(zhǔn)確度指標(biāo)等要求，采用電科思儀6939矢量信號(hào)發(fā)生器模塊，如圖1所示。它包括4個(gè)主要功能模塊，分別是基帶信號(hào)發(fā)生模塊、頻率合成模塊、IQ調(diào)制模塊和功率調(diào)理模塊。該設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的3U 4槽PXI結(jié)構(gòu)，具有250kHz～6GHz的多協(xié)議多制式信號(hào)發(fā)生功能，可實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字調(diào)制，任意波形發(fā)生和脈沖波形發(fā)生功能，廣泛應(yīng)用在車載、艦載和機(jī)載等對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)和移動(dòng)性、便攜性、堅(jiān)固性要求較高的場合，其性能指標(biāo)和功能也非常適合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)定位。

如圖2所示，頻率合成單元的參考信號(hào)由恒溫晶體振蕩器提供，從而確保產(chǎn)生所需要載波信號(hào)的溫度穩(wěn)定性。基帶單元包括存儲(chǔ)電路、FPGA、DA轉(zhuǎn)換器和重構(gòu)濾波器等電路，根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的引導(dǎo)信號(hào)格式，在FPGA中產(chǎn)生I和Q正交數(shù)據(jù)（實(shí)際只采用一路數(shù)據(jù)即可），通過AD輸出，從而合成儀表著陸音頻調(diào)制信號(hào)，包括方位角信號(hào)、俯仰角信號(hào)、數(shù)據(jù)字等IQ信號(hào)；IQ調(diào)制單元主要由IQ調(diào)制器、帶通濾波器以及功率調(diào)理電路組成，其中帶通濾波器可以濾除調(diào)制和傳輸過程中的干擾信號(hào)。音頻調(diào)制信號(hào)和載波混頻后，在I/Q調(diào)制器內(nèi)，再經(jīng)過濾波，增益調(diào)整，偏置電壓修正，差分轉(zhuǎn)換等調(diào)整電路，產(chǎn)生所需的儀表著陸系統(tǒng)模擬調(diào)制信號(hào)[6]。最后，信號(hào)進(jìn)入功率調(diào)理模塊，利用自動(dòng)電平控制（ALC）環(huán)路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地輸出功率控制，同時(shí)通過可編程衰減器，實(shí)現(xiàn)輸出功率在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)和穩(wěn)定地輸出，并保證輸出功率有較高的精度。

3.2 調(diào)制信號(hào)生成原理

儀表著陸信號(hào)是由90Hz與150Hz信號(hào)調(diào)制載波組成調(diào)幅信號(hào)。由于航向信號(hào)與下滑信號(hào)原理相同，都屬于調(diào)幅信號(hào)，因而可以只對(duì)航向信號(hào)進(jìn)行推理。

假 設(shè)SDM固 定40%；A150和A90分 別 為150Hz和90Hz信號(hào)的幅度；f150和f90分別為150Hz和90Hz信號(hào)的頻率，fc為頻率合成模塊輸出的載波信號(hào)。則航向信號(hào)的理論公式s(t)可表示為[3]：

對(duì)150Hz和90Hz信號(hào)的幅度之和進(jìn)行歸一化處理，即令A(yù)150+A90=1，則DMM=A150-A90。通過上面兩式，計(jì)算可得：

通過上位機(jī)發(fā)送DDM值，基于上面公式可計(jì)算出150Hz和90Hz信號(hào)的幅度[7]。根據(jù)公式（1），在FPGA內(nèi)利用硬件描述語言，產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，其原理框圖如圖3。首先，將5MHz的參考時(shí)鐘通過分頻電路，分別產(chǎn)生150Hz和90Hz的正弦信號(hào)；通過上位機(jī)輸入的DDM值分別計(jì)算得到A150和A90，經(jīng)過乘法器對(duì)150Hz和90Hz的正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅，分別濾波后，兩者通過加法器相加，即可得到所需的基帶調(diào)制信號(hào)。經(jīng)AD輸出后，通過IQ調(diào)制器與載波混頻，就得到完整的儀表著陸航向信號(hào)波形序列。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

儀表著陸信號(hào)分析上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，采用基于Windows操作系統(tǒng)和模塊化設(shè)計(jì)思路[8]，主要包括了3個(gè)功能模塊，分別是總線驅(qū)動(dòng)模塊、ILS參數(shù)設(shè)置模塊和ILS功能選擇模塊，軟件方案框圖如圖4。在ILS功能選擇界面，通過按鍵響應(yīng)功能，進(jìn)入到ILS參數(shù)設(shè)置模塊，包括航線信號(hào)設(shè)置模塊、下滑信號(hào)設(shè)置模塊和其他輔助功能，然后可以進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，如在不同功能下進(jìn)行波導(dǎo)選擇、DDM參數(shù)設(shè)置、校準(zhǔn)補(bǔ)償數(shù)據(jù)的管理等；最后，將上位機(jī)產(chǎn)生的參數(shù)控制信息，通過PXIe總線驅(qū)動(dòng)程序輸入到以高速FPGA為核心的基帶信號(hào)發(fā)生單元，再通過JTAG接口下載到PFGA配置芯片中，從而產(chǎn)生所需要的制導(dǎo)模擬信號(hào)。

圖4 軟件方案框圖Fig.4 Block diagram of software solution

在軟件整體設(shè)計(jì)上采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)軟件系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為一系列功能相對(duì)獨(dú)立的軟件模塊，對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)采用自上而下、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，使各模塊具有相對(duì)的獨(dú)立性，以提高軟件模塊的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，從而確保本設(shè)計(jì)的通用性。

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過上述方案設(shè)計(jì)的儀表著陸模擬器輸出的航線信號(hào)如圖5。

圖5 儀表著陸的航向信號(hào)時(shí)域圖Fig.5 Time domain diagram of heading signal for instrument landing

表1 儀表著陸信號(hào)模擬抽樣測試結(jié)果Table 1 The results of the instrument landing signal simulation sampling test

隨機(jī)抽取測試點(diǎn)進(jìn)行測試，選取航向信號(hào)頻率點(diǎn)108.10MHz，調(diào)制度40%，功率0dBm；下滑信號(hào)頻率點(diǎn)334.70MHz，調(diào)制度0%，功率-110dBm，測試結(jié)果見表1，滿足指標(biāo)的要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)機(jī)載儀表著陸設(shè)備的測試需求，構(gòu)建了基于矢量信號(hào)發(fā)生器的模擬器，利用矢量信號(hào)發(fā)生器的基帶模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的儀表著陸模擬信號(hào)，利用頻率合成模塊實(shí)現(xiàn)了載波信號(hào)，并在IQ調(diào)制器中與基帶信號(hào)進(jìn)行混頻。最后，利用功率調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)了高精度、大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)解決了專用維修設(shè)備功能專一、通用性差的缺點(diǎn)，同時(shí)該解決方案便于攜帶和外場使用，后續(xù)可以將微波著陸信號(hào)模擬器和儀表著陸模擬器集成到矢量信號(hào)發(fā)生器的硬件平臺(tái)上，進(jìn)一步提高通用性。