基于模塊化的空管設備虛擬仿真平臺研究

王杰 王軒

摘要：目的：通過虛擬仿真搭建一套空管設備模擬運行平臺，在節(jié)約大量財力物力的基礎上實現(xiàn)空管技術保障人員對典型設備的原理掌握及故障復現(xiàn)，并力求對未來空管設備的改擴建起到一定的指導意義。方法：將部分典型空管設備在工作原理層面上進行模塊化拆分，并通過MATLAB GUI及SIMULINK功能進行平臺仿真。結果：對典型空管設備的關鍵原理點進行了仿真，并以圖形化的界面直觀的進行了顯示。同時實現(xiàn)了典型空管設備的故障模擬及復現(xiàn)。結論：利用MATLAB對部分典型空管設備進行了模塊化的仿真，并通過直觀的圖形界面進行了顯示，相較于以實際設備搭建測試平臺，節(jié)約了大量的財力和物力，同時可以有效地模擬設備故障，實現(xiàn)故障復現(xiàn)，對空管技術保障人員掌握典型設備原理，提升運維水平有良好的促進作用。

關鍵詞：空管設備;模塊化;MATLAB;虛擬仿真

0 引言

迄今為止，針對空管典型設備的模塊化仿真研究鮮有報道。同時，已有文獻資料顯示這些仿真平臺大都僅局限于單一設備或模塊，全系統(tǒng)級和多系統(tǒng)集成仿真未曾看到。其中，在空管二次雷達系統(tǒng)仿真層面，電子科技大學的張清平[1]，中國民航大學的楊思[2]，西南交通大學的孫雪冬[3]等人都曾做過一些卓有成效的研究;在甚高頻輻射和電磁傳播仿真層面，中國民航大學的姜鴻曄[4]、周宏宇[5]、李朝陽[5]等人都曾有相關研究成果公布，但是大部分研究人員都局限于傳播模型的研究，結合高保真地形的設臺傳播仿真還很少見;在多點定位系統(tǒng)布站方面，中國民航大學的李家蓬[6]、田梅[7]等人的研究已相當深入，但是，上述研究也僅從幾何精度因子方面給出了不同布站方式的精度范圍，對于結合一定的選站策略和實際地形遮蔽進行的多點定位研究還很少見。至于針對導航等設備的模塊化仿真平臺更是少之又少。

鑒于上文所述，本文提出了一種基于模塊化的空管設備虛擬仿真平臺設計方法。首先對仿真平臺進行了介紹，對平臺涉及的主要的顯示界面進行了設計，并以空管二次雷達為例對主要功能菜單進行了總結。然后對部分仿真成果進行了介紹。本文所提的空管設備虛擬仿真平臺，是一個多系統(tǒng)集合的仿真平臺，具備模擬設備模塊故障以及輔助空管設備改擴建等復雜功能。

1 虛擬仿真平臺設計

在民航空管設備中，系統(tǒng)繁雜，不易搭建系統(tǒng)測試平臺，耗資巨大的典型設備主要包括空管二次雷達、場監(jiān)雷達和導航設備。本文所提的基于模塊化的空管設備虛擬仿真平臺，主要針對的就是上述設備的系統(tǒng)級MATLAB仿真。同時，為了滿足甚高頻臺站以及多點定位設備遠端站遷址布站，改擴建等的需要，還提出了基于真實地形的高保真仿真方法。

本文中所提的基于模塊化的空管設備虛擬仿真平臺利用MATLAB GUI和SIMULINK功能進行開發(fā)。MATLAB GUI功能相當強大，在繼承了MATLAB強大的數(shù)據(jù)分析能力的基礎上，通過簡單的模塊拼接可以實現(xiàn)相對美觀的圖形界面設計，同時也可以輕松的實現(xiàn)可執(zhí)行文件封裝。而MATLAB SIMULINK功能則更偏向于硬件平臺的模擬，在平臺仿真中需要SIMULINK進行一些功能實現(xiàn)。當然，MATLAB能夠實現(xiàn)GUI對SIMULINK模塊的調用，這些友好的軟件功能特性，為空管設備虛擬仿真平臺的實現(xiàn)創(chuàng)造了可能。

平臺設計的初衷是力求簡潔，以膠東新機場作為背景圖片，除藍色的仿真平臺名稱外，平臺涉及的各分系統(tǒng)均以淺綠色BUTTON按鈕呈現(xiàn)，點擊相關按鈕可以進入對應系統(tǒng)模塊的仿真界面。從平臺主界面也可以看出，空管設備虛擬仿真平臺基本可以分成兩大類，一大類是以二次雷達、場監(jiān)雷達、導航設備等為代表的系統(tǒng)原理和故障模擬類仿真。另一類是以甚高頻和多點定位系統(tǒng)為代表的驗證設計類仿真。

空管設備虛擬仿真平臺涉及的其他系統(tǒng)的設計思路與上文所提的二次雷達系統(tǒng)基本類似，力求以子菜單和功能鍵的方式呈現(xiàn)，各系統(tǒng)參數(shù)設定及仿真結果都會在子菜單中以彈窗的形式展示。

2 仿真成果介紹

基于模塊化的空管設備虛擬仿真平臺經(jīng)過前期的研究，已經(jīng)形成了一部分成果，其中有些仿真結果還在現(xiàn)實中得到了應用。下文就已有仿真成果做一個介紹。

在二次雷達系統(tǒng)模塊仿真中，陣列天線相關參數(shù)的仿真至關重要。該雷達實測場型有旁瓣穿刺的現(xiàn)象，導致假目標的產(chǎn)生。該仿真中假設天線陣元存在一定的幅相誤差，仿真結果顯示當天線陣存在幅相誤差時會導致旁瓣太高，與實測場型對比，說明該雷達的天線陣列存在幅相誤差是導致旁瓣穿刺的原因之一。

對于空管二次雷達，單脈沖測角可以有效提高測角的精度，和波束及差波束是單脈沖測角的核心，本文所提的虛擬仿真平臺也具備和差波束的仿真能力。

本文所提的基于模塊化的空管設備虛擬仿真平臺對于甚高頻和多點定位系統(tǒng)的仿真最突出的特點在于高保真的地理環(huán)境仿真。因此，本文中將DEM（數(shù)字高程）數(shù)據(jù)和DLCD（地表分類覆蓋）數(shù)據(jù)引入到平臺仿真中，實現(xiàn)了真實的地理信息數(shù)據(jù)抓取和仿真。

3 結束語

本文提出的基于模塊化的空管設備虛擬仿真平臺是一個多系統(tǒng)集成的通用仿真平臺，希望通過對文中所提的空管重要設備的仿真來促進空管技術保障人員對現(xiàn)實設備的認識和提升運維保障能力。同時，本文所提仿真平臺是一個相對龐雜的系統(tǒng)，目前還只是處于系統(tǒng)設計和部分功能仿真實現(xiàn)的初期階段，后面還需要針對運維需求進行功能優(yōu)化以及更完善的仿真驗證。

參考文獻：

[1]張清平.模塊化二次雷達系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].電子科技大學，2018.

[2]楊思.二次雷達仿真和實測數(shù)據(jù)質量評估[D].中國民航大學，2019.

[3]孫雪冬.二次雷達探測建模與仿真研究[D].西南交通大學，2017.

[4]姜鴻曄.飛機甚高頻通信系統(tǒng)測試環(huán)境模擬與仿真[D].中國民航大學，2020.

[5]周宏宇，李朝陽.低空地空通信覆蓋分析與仿真[J].信息通信，2017（03）：171-172.

[6]李家蓬.MLAT系統(tǒng)結構分析與仿真設計[D].中國民航大學，2015.

[7]田梅.MLAT系統(tǒng)及定位算法優(yōu)化仿真研究[D].中國民航大學，2014.