無線電羅盤自動測試系統

石勁松1， 羅運虎1， 謝 地， 徐林林

(1.南京航空航天大學 自動化學院,江蘇 南京 210016; 2.中國人民解放軍第5720工廠，安徽 蕪湖 241007)

作為飛機上重要的獲取方位信息與通信的部件，無線電羅盤是一種基于無線電技術的用于接收地面導航臺所發射的音頻與位置信息的機載導航設備。無線電羅盤一旦出現定向偏差較大或靈敏度降低等情況，將會導致飛機偏航、通信中斷等不良后果，所以對其性能進行測試顯得至關重要。

然而，近年來，對無線電羅盤的研究主要集中在天線方位定位、電磁干擾源、電子兼容設計，同時伴隨著通過軟件的方法實現無線電羅盤等方面。文獻[1]通過環形天線感應電動勢表達式，推導出在不同入射波方向下電動勢大小來確定天線方位圖；文獻[2]通過分析無線電羅盤的常見故障現象，給出每種故障相應的排故方法；文獻[3]和文獻[4]通過分析不同低噪聲放大器架構的優缺點、性能對比，推導出最好的噪聲消除的架構；文獻[5]和文獻[6]分析了無線電羅盤的兩大干擾源并結合仿真驗證分析給出電磁兼容設計；文獻[7]和文獻[8]提出了不同的無線電羅盤天線信號產生方法；文獻[9]和文獻[10]闡述了用坐標圖解法進行靜止衛星地面站天線方位角的計算，并提出了一種基于FPGA的雷達天線模擬方法。

目前，修理工廠對無線電羅盤關鍵部件接收機的修理與測試依然采用手動方式，測試流程煩瑣，測試效率和測試精度較低，且信號測試均采用注入法，未將環形天線加入測試系統，沒有保證系統完整性，從而給飛機修理帶來很大的修理風險。基于上述現狀，為滿足羅盤接收機電氣修理與自動測試需要，本文基于自動測試理論，設計并實現一種無線電羅盤自動測試系統。

1 無線電羅盤系統

1.1 系統組成

無線電羅盤系統由前端的垂直天線、環形天線、天線放大器、環匹配器、接收機和控制盒組成，如圖1所示，其中垂直天線與環形天線負責接收歸航臺發射的無線電波，天線放大器用于濾波和功率提升，并依靠環匹配器完成環形天線信號的混頻與耦合，接收機負責解算出方位信息與音頻信息，并配合控制盒完成頻段選擇。

圖1 無線電羅盤系統框圖

1.2 測向原理

無線電羅盤通過組合天線測向，組合天線包括垂直天線和環形天線，其中無向性垂直天線輔助環形天線進行測向。環形天線結構如圖2所示，坐標原點處的電場強度為eo=Eosinωt，環形天線總感應電動勢為

e=Emcosωt

(1)

定義：

(2)

圖2 環形天線測角原理

設入射波為等幅波，則無向性天線輸出仍為等幅波，可表示為

e1=E1msinωt

(3)

環形天線輸出信號為

e2=E2m maxsinθcosωt

(4)

將環形天線信號進行移相90°、放大和平衡調制后，可得：

(5)

環形天線與垂直天線信號疊加后：

(6)

組合天線電動勢在0～180°和180～360°時相位相反，從而消除了單環形天線定向存在的多值性問題。組合天線測向原理框圖如圖3所示。

圖3 組合天線測向原理框圖

圖4為組合天線測向的仿真結果,圖4(a)為垂直天線輸出信號，為AM調制信號；圖4(b)為無垂直天線分量下，組合天線輸出，即環形天線經過匹配調制之后的輸出信號；圖4(c)為組合天線測向，匹配電路輸出。

圖4 組合天線仿真結果

2 測試系統設計

2.1 測試原理

為模擬羅盤接收機真實工作環境，結合組合天線測向原理，本系統采用“垂直發射天線+組合天線+轉臺+信號匹配電路+接收機”的測試架構(如圖5所示)，其中轉臺負責模擬飛機空中航向角；垂直發射天線模擬地面歸航臺，輻射等幅波信號；組合天線中的無向天線通過注入法模擬，其信號直接通過饋線接入系統；環形天線方位信號的獲取通過轉臺的水平轉角實現，轉角的不同，導致環形天線各信號的幅值變化，因而不同的幅值表示不同的方位信息。

圖5 測試原理框圖

2.2 測試架構

由于本系統所使用的控制數據、測試資源較多，為達到靈活控制、高效測試的目標，本系統采用多代理系統，基于PCI總線，通過主控計算機下放控制權，由各個子系統根據上級系統的調度自行改變運行狀態的分布式協調控制方式，可以使系統更加靈活、高效地運行。

上級系統通過1553B協議與羅盤接收機交換數據，通過BC→RT指令切換接收機頻段與工作模式，通過RT→BC指令獲取接收機解算的方位角。

上級系統基于USB總線的SCPI指令與RS232，控制萬用表、交/直流電壓源、信號源、音頻電子負載發出激勵信號，并采集信號。

基于表2的測試需求，系統設計應滿足如下參數：接收機供電為AC 115 V/400 Hz與DC 27 V，測試系統繼電器線圈供電DC 5 V/24 V；射頻信號源頻段滿足150 kHz～31.75 MHz，幅值滿足-110～7 dBm；音頻電子負載滿足5 kΩ純阻性負載調節，并通過分壓電路控制羅盤輸出端耳機負載兩端電壓；音頻分析儀對羅盤輸出音頻信號進行失真度、電壓變化率測量；代理控制單元滿足二進制指令與電信號轉換；信號調理單元完成天線信號匹配和功率放大；所有測試儀器與代理系統均采用不同總線的通信協議，以滿足自動測試系統的需求。

所搭建的測試系統架構如圖6所示，該系統硬件采用“工控機+各種程控部件(單相交流/直流電壓源、數字萬用表、信號源、音頻分析儀、音頻電子負載、適配器箱以及PCI、1553B總線通信板卡等)+天線模擬儀+接收機”架構，其中交/直流電源負責羅盤部件供電，信號源負責信號注入，音頻分析儀負責音頻信號采集與分析，電子負載負責輸出端電壓調節，天線模擬儀負責模擬飛機與電臺之間的實際接收環境。

圖6 測試系統架構

2.3 系統關鍵部件設計

在系統設計過程中，下層系統需要根據主控計算機的軟件進行測試線路切換、信號調理、負載切換、羅盤一次性指令輸入等，因此需要一個信號調理單元完成上述工作。此外，繼電器控制是通過上層系統完成，上層系統需要完成與主控計算機的數據交換，同時將計算機的二進制指令轉換成相應的電信號，以達到控制信號調理單元中繼電器的目的。因此，需要設計代理控制單元作為下層系統，同時完成二進制數據與電信號之間的轉換工作。

2.3.1 代理控制單元設計

為完成二進制信號與電信號的轉換，同時完成與主控計算機的通信，控制單元采用FPGA作為主控單元；由于FPGA的I/O口信號不足以驅動繼電器，因此采用ULN2803作為繼電器驅動；并且FPGA的I/O信號電壓范圍在0～3.3 V之間，而PCI板卡輸出為5 V信號，因而采用SN74LVC4245ADBR(AB)完成5 V到3.3 V的轉換工作。本單元中有多個代理系統，各代理系統之間需要進行信號交互，此時需要一個底板作為數據耦合平臺及實現各板之間的數據共享與相互通信，并在主控計算機控制下高效協調運行。代理控制單元架構如圖7所示。

圖7 代理控制單元

2.3.2 發射天線設計

基于圖5的測試架構，需要一個具有地面歸航臺作用的激勵源作為羅盤系統的激勵天線，且此天線的天線場的法向方向與環形天線的軸線方向平行，即0°方向在同一平行線上。因此，采用桿狀天線設計，其在空間內產生的輻射場可以用對稱振子天線的輻射場的計算公式進行計算，以長度為λ/4的單級天線為例，其天線輻射場如下。

(7)

式中：α為仰角；β為相移常數；F(α)方向函數。

(8)

表1 天線參數

天線參數如表1所示。利用表1的參數，得到的垂直天線三維增益方向圖仿真結果如圖8所示，可見其增益在xy平面內為圓形，達到增益最大值，為全向性天線。

2.4 系統軟件設計

2.4.1 系統軟件功能

① 測試軟件應該具有良好的人機界面、完整的測試項目、清晰的測試邏輯。

② 測試軟件為防止測試者在測試的過程中產生誤操作，應在測試過程中給予測試人員信息提示，并通過軟件保護來防止誤操作對產品造成損壞。

圖8 發射天線三維增益方向圖

③ 測試軟件能夠將所測試的數據保存為PDF或Excel格式的文件，并為防止測試數據被篡改，所保存的文件具有密碼保護功能。

基于上述軟件需求分析，為提高開發效率，選用VC++6.0作為軟件開發平臺，采用面向對象的編程思想使用微軟基礎類庫(MFC)進行軟件界面開發，同時利用多線程編程，并基于多總線協議來實現硬件之間的信息交互。

2.4.2 系統軟件架構

由于下位機的測試資源所支持的總線協議不同，上位機軟件需要開發RS232、USB、PCI、1553B、TCP通信模塊。各測試資源通過開辟線程的方式實現多資源同步運行。主線程通過調用子線程來實現聯合測試，多線程之間通過消息觸發和共享內存的方式實現信息交互，且共享資源加入的讀寫鎖來防止資源競爭時的數據出錯問題，具體軟件的設計架構如圖9所示。

圖9 軟件設計架構圖

2.4.3 系統軟件原則

限于篇幅，這里僅給出無線電羅盤定向靈敏度測試流程，如圖10所示。

軟件設計原則闡述如下。

① 界面簡潔：界面設計要合理、簡潔，聚集功能相近的按鈕，減少操作流程，工作界面應具有舒適性。

圖10 定向靈敏度測試流程圖

② 操作簡單：運用模塊化的編程思想降低軟件冗余、煩瑣的操作，有利于提高程序后期的可維護性和可擴展性。

③ 誤操作保護：如在測試前，應先讀取適配器箱內部板卡狀態碼，若板卡狀態碼錯誤，則停止測試并彈出錯誤信息；此外，在靈敏度調節過程中，為防止出現死循環，設置超時重測定時器。

3 系統驗證和分析

3.1 系統驗證條件

所設計的測試系統如圖11所示。X系列無線電羅盤測試指標如表2所示。

圖11 測試系統外觀圖

表2 X系列無線電羅盤測試指標

3.2 測試結果及數據分析

3.2.1 無線電羅盤收訊靈敏度測試

無線電羅盤收訊靈敏度測試結果如圖12所示。由圖12可以看出：在150～1750 kHz頻段內，無線電羅盤收訊靈敏度的測試結果均小于50 μV/m，滿足測試標準與要求。

圖12 無線電羅盤收訊靈敏度測試結果

3.2.2 無線電羅盤自動增益特性測試

無線電羅盤自動增益特性測試結果如圖13所示。由圖13可以看出：無線電羅盤自動增益特性測試中，電壓變化率值均不大于4.5 dB，滿足技術要求。

3.2.3 無線電羅盤定向精準度測試

無線電羅盤定向精準度測試結果如圖14所示。由圖14可以看出：無線電羅盤定向精準度在0°時的誤差在±1.0°之間，其他角度在±1.8°之間，滿足技術要求。

圖13 無線電羅盤自動增益特性測試結果

圖14 無線電羅盤定向精準度測試結果圖

3.2.4 無線電羅盤定向靈敏度測試

無線電羅盤定向靈敏度測試結果如圖15所示。由圖15可以看出：在無線電羅盤定向靈敏度測試中，所有擺動范圍均在2.0°以內。

圖15 無線電羅盤定向靈敏度測試結果

不同天線距離下定向靈敏度測試結果如圖16所示。由圖16中可以看出150～279.5 kHz頻段內的定向靈敏度均小于100 μV/m；280～1750 kHz頻段內的定向靈敏度均小于80 μV/m，滿足測試標準與要求。且在不同發射天線高度下，定向靈敏度隨天線距離呈負相關，即距離越大，靈敏度測量值越大。

圖16 不同天線距離下定向靈敏度測試結果

4 結束語

為滿足飛機無線電羅盤接收機測試需求，提高修理效率，設計一臺X系列無線電羅盤綜合測試系統，測試結果表明其有效性。由于受時間等因素的影響，所設計的測試系統后續要在測試標準與測試精度等方面加以改善。