機載氣象雷達教學仿真平臺設計

萬金誠， 張 鵬， 趙世偉

（中國民航大學a.電子信息與自動化學院；b.適航學院；c.工程技術訓練中心，天津300300）

0 引 言

機載氣象雷達（Weather Rada，WXR）系統作為民航飛機的重要組成部分，是為防范危險氣象區域，保證飛行安全研制的航空電子系統，用于探測飛機前方航線的氣象目標及分布情況，是保證民機持續適航性的關鍵系統之一［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，應裝備氣象雷達；根據國際民航事故報告顯示，由于氣象原因導致的飛行事故已占全球航空業務總事故數的30%［3］。

目前，在航空院校的WXR課程教學中，如果用真實的WXR系統來教學實訓，設備的經濟成本昂貴，真實的雷達組件在工作中產生微波輻射，對人體有害，且使用條件有嚴格限制；同時受實訓環境的限制，真實雷達在教學中可探測的氣象條件單一，系統功能不能完整體現。本文設計了WXR教學仿真平臺替代真實的WXR系統，可以解決WXR教學中受天氣條件限制和輻射危害的問題，經濟成本低且可以靈活的設置教學模塊，為WXR的教學建立一個良好的半實物教學訓練平臺。

1 機載氣象雷達教學仿真平臺分析

1.1 WXR系統結構及功能

WXR系統的功能為實時探測前方航路上的氣象狀況，并在導航顯示器上顯示探測到的氣象信息圖像供飛行員參考［4］。系統結構主要包括天線組、收發組、導航顯示器和控制盒等部分。收發組是WXR的核心組件，用于產生射頻脈沖并接收和處理雷達回波，產生氣象目標信息，同時控制雷達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，平板天線用于發射和接受微波；導航顯示器用于顯示收發組處理后的雷達圖像，供飛行員參考；控制盒是人機交互的界面，控制雷達的工作模式、天線穩定、俯仰角度等。

1.2 WXR教學仿真平臺功能分析

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

參照真實WXR系統的工作原理，結合實際的教學需求，機載WXR教學仿真平臺的功能需求為：

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

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

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

1.3 仿真平臺總體架構

WXR教學仿真平臺由硬件和軟件系統組成，主要實現仿真WXR系統工作和附件故障測試。硬件以仿真計算機為控制核心，結合相應的外圍功能電路，完成數據采集和控制指令生成；軟件系統包括人機交互界面和仿真控制軟件，主要完成教學平臺的人機界面生成、顯示和仿真系統的數據分析、邏輯處理。仿真教學平臺架構如圖1所示。

圖1 平臺架構圖

用戶通過人機交互操作或輸入指令，數據采集模塊采集硬件產生的數據信息并傳輸給仿真控制軟件，在人機交互界面中設置的參數信息由軟件直接獲取；仿真控制軟件將接收的信息處理后，一方面生成雷達工作狀態信息，實時顯示在雷達工作界面；另一方面產生運動控制指令給伺服控制模塊進而控制雷達天線的運動，將運動控制模塊反饋的天線運動信息實時顯示在雷達工作界面上。同時產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 硬件平臺設計

WXR教學仿真平臺的硬件組成主要分為兩部分：

（1）雷達控制面板，數據采集模塊、伺服控制模塊、雷達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WXR控制模擬。仿真計算機內置仿真控制件，由上位機完成邏輯處理的相關功能，如人機界面、狀態監視、數據交互及指令發送等系統管理工作；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備的特點，完成對雷達天線的實時控制功能，如移動計算、行程控制等。

（2）故障設置開關、故障測試模塊和外接的測試資源組成了教學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接、調理及隔離（如數字信號隔離等），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行測量。

2.1 數據采集模塊設計

數據通信模塊主要負責數字信號和雷達控制盒ARINC429信號的通信。仿真計算機無法直接讀取來自雷達控制面板的ARINC429總線信號［10］，關鍵要解決氣象雷達控制盒與計算機的數據通信問題。PCI7102 ARINC429收發模塊是采用通用USB2.0總線接口標準設計的通信測試板卡，主要應用于機載數據總線ARINC429，提供至多8發8收的通道選擇，滿足系統的快速性和實時性，有效降低了教學仿真平臺的實現難度。數據采集模塊通過ARINC429數據接口可接收雷達控制盒發送的總線數據，內置FPGA芯片將數據由ARINC429協議轉換為PCI協議，經PCI總線傳送給工控機，完成數據通信。數字信號采集可采用基于PCI接口的數據采集卡，準確地將信號讀入計算機系統。

2.2 故障測試模塊設計

教學仿真平臺的附件故障測試部分包括雷達控制盒和雷達天線組件的故障模擬和測試。依據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轉接調理后，可用測試資源完成信號參數的測量，如脈寬、電流和頻率等信號參數。但是真實的航材件難以設置故障，且設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，仿真計算機根據故障設置開關產生的故障信息編碼生成繼電器板卡的控制信號，實現繼電器的通、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，來模擬雷達天線故障現象，增加了教學過程的“真實性”。通過外接的測試資源如可編程數字萬用表、示波器等實現航材件故障信號的測量顯示。

3 軟件系統設計

軟件系統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開發環境編制，采用面向對象的模塊化設計思想，做到界面顯示代碼和底層邏輯程序的分離設計編程［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，提高了系統的實時性和逼真度。

3.1 人機交互界面的構建

軟件系統的人機交互的建立采用具有Windows風格的人機交互界面。用戶可以在界面中通過輸入運動參數或選擇工作模式，完成對雷達天線的掃描和俯、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

雷達氣象目標圖像如圖4所示。

圖4 雷達氣象目標圖像

WXR顯示的氣象目標圖像形狀不規則，通過數學建模仿真后的氣象目標顯示效果不佳。為了提高模擬演示的效果，教學平臺采用了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用。

氣象仿真模塊通過INotifyPropertyChanged接口將可視化控件與雷達控制面板的數據對象屬性值綁定，并在接口中定義了PropertyChanged事件，實現軟件監聽雷達控制面板的硬件數據包。在雷達控制面板上設置的工作參數，可視化控件根據監聽到的數據對象屬性值的變化，實時顯示雷達工作狀態和氣象目標圖像。通過數據驅動界面顯示，有效解決了氣象圖像仿真的實時性問題。

4 ARINC429數據解析

ARINC429協議是現代航空電子設備數字傳輸的一種標準［16］。WXR-701型控制盒用以提供系統控制的控制字，是32 bit的ARINC429數據字，采用了Label270進行通信，提供IDENT，STAB，MODE，TILT和GAIN功能控制信息，數據字bit位功能劃分如圖5所示，Label270數據字的配置含義解析見表1，其中數據字的1～8位固定為10111000，表示Label270。

圖5 數據字bit位功能劃分

表1 Label270數據字解析

第17～23 bit的俯仰角度值t計算：將bit 17～22 6 bit二進制數轉換為十進制數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二進制數轉換為十進制數Gain：

5 WXR教學仿真平臺

根據以上設計方法和技術分析，開發了機載WXR教學仿真平臺，實物如圖6所示，教學平臺主要由雷達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控組件、雷達控制面板、測試面板、工控計算機和工業顯示器及示波器等硬件。

圖6 WXR教學仿真平臺實物圖

雷達天線便于學員理解雷達工作模式、控制面板與天線運動以及天線的掃描與顯示關系；程控電源負責給雷達控制盒和雷達天線組件供電，通過電源監控組件可以看出系統組件的運行狀態；數字示波器通過測試面板提供的接口測量雷達組件的工作信號，進行測量實踐；仿真計算機與雷達控制面板完成雷達工作的仿真控制及顯示雷達工作畫面。

6 結 語

本文采用半實物仿真思想設計的WXR教學仿真平臺，通過動態鏈接函數庫將硬件設備控制與軟件設計結合起來，實現了WXR系統的仿真模擬，同時模塊化的設計使平臺具有很好的擴展性，不僅可以擴展雷達系統自身的相關功能，如故障維修測試功能，還為以后與WXR系統相關聯的機載系統接入奠定了基礎。教學平臺的設計開發較好地改善了WXR教學訓練手段，減少設備損耗且經濟成本低，可在室內進行全仿真模擬訓練，增強了學生的雷達操作和排故障能力，提高教學訓練質量和效率。