专利名称：一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统，利用工业控制计算机依据具体的飞行程序及仿真模型控制航空信号发生器产生各种导航信号，本发明应用于空中交通管制领域。
背景技术：
机场无线电航空导航设备用于向飞机提供导航定位信息，然而由于受场地条件、 人为障碍以及电磁干扰等因素的影响，即使导航设备经过了地面检查测试也难以保证能够向空中飞机提供准确无误的导航信息，这就需要对其发射的空间电磁波信号进行实际的飞行校验。空中飞行校验是指为保证飞行安全，使用安装有专用校验设备的飞机，按照飞行校验的有关规范，校准、检查和评估各种导航、雷达、通信和助航等设备的空间信号的质量及其容限，并依据结果出具飞行校验报告，并为空管部门对各种设备的校准维护提供依据
与参考。飞行校验导航评估系统需要对欲评估的空间信号进行采集处理并生成评估报告， 然而在评估系统开发或维护过程中，频繁的飞行试验不但费用昂贵，而且安全难以得到保证，这就提出了在地面静态模拟各种航空导航信号的需求。目前许多公司已经有成熟的产品用以产生标准的航空导航信号，如AER0FLEX公司的IFR系列，但是这些产品产生的信号只能静态的手动调节，无法满足飞行校验系统对实际动态变化导航信号的需求，尤其是不能够满足依据不同的飞行程序，动态模拟各种导航信号的功能。
发明内容
本发明解决的技术问题克服现有航空导航信号仿真系统的缺陷，提供一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统，该系统在实际应用中容易实施，实现了仿真信号的闭环控制，摒弃了现有航空导航信号模拟系统静态手动调节的缺点，可建立一套完整的飞行校验仿真环境，为我国研发具有自主知识产权的飞行校验系统提供了仿真信号源。本发明的结构与组成本发明的航空导航信号模拟系统主要由工业控制计算机及其上运行的仿真系统控制程序，GPIB总线、ARINC429总线及相应通信板卡，航空信号发生器，多模式接收机，馈线以及天线等组成。本发明的技术方案采用模块化的结构和软/硬件相结合的方式构建应用于飞行校验系统的航空导航信号模拟系统。包括以下步骤首先进行硬件连接，在工业控制计算机系统中安装PCI总线的GPIB板卡以及 CEI-520板卡，分别用于实现GPIB通信与ARINC4^通信，将GPIB板卡外部引脚与航空信号发生器相连，将CEI-520板卡外部引脚与多模式导航接收机相连，在工业控制计算机上安装仿真系统控制程序，通过馈线连接航空信号发生器与发射天线，同时将接收天线与多模式接收机相连，其中采用的多模式导航接收机可以用ILS接收机、VOR接收机、Marker接收机和DME接收机等的组合来代替。硬件连接完毕，系统加电，启动仿真系统控制程序，检查GPIB通信是否正常，检查 ARINC429通信是否正常，检查航空信号发生器与多模式导航接收机是否正常工作，根据欲进行校验的科目与选择的飞行程序，选择仿真系统控制程序相应的工作模式，模拟产生相应飞行程序下的导航信号。航空信号发生器在仿真系统控制程序的控制下动态产生各种导航信号，导航信号通过馈线并经过发射天线辐射出去，接收天线接收空间辐射的导航信号， 并通过馈线将接收的导航信号送入多模式导航接收机，多模式导航接收机解调相应的导航信号，并将导航信号以数字的形式通过ARINC429总线送回工业控制计算机中的仿真系统控制程序，仿真系统控制程序通过比较反馈回来的信号信息，以一定的算法进一步按照相应的模型来维持信号的变化规律。工业控制计算机同时存储仿真信号的数据即反馈回来的数据，以便后期进一步的处理。本发明有如下优点1、本发明结构简单，整个硬件系统由工业控制计算、航空信号发生器、多模式接收机及相应的连接线组成。2、操作简洁、灵活。本项目使用自行开发的软件系统，操作过程简单。其硬件设备少，之间的连接也极易简便。
图1为本发明的航空导航信号模拟系统硬件设备连接图
图2为本发明的仿真系统控制程序结构图3为圆周飞行校验飞行程序示意图4为圆周飞行校验中VOR信号仿真控制流程图5为径向飞行程序示意图6为径向飞行校验中VOR信号仿真控制流程图7为ILS-I飞行程序示意图8为ILS-I飞行校验中航向信号仿真控制流程图9为ILS-2飞行程序示意图10为ILS-2飞行校验中下滑信号仿真控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明提供的应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统进行详细说明。如图1所示，本发明提供的应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统的硬件设备连接图，主要包括工业控制计算机100、航空信号发生器700和多模式导航接收机800，以上设备构成一个完整的闭环仿真系统。工业控制计算机100具有扩展PCI插槽，PCI插槽内安装GPIB板卡300和CEI-520 板卡400，GPIB板卡300采用NI公司生产的GPIB板卡，CEI-520板卡400采用GE公司 ARINC429总线的CEI-520A板卡，工业控制计算机上安装附带的相应的板卡驱动。
在所述的工业控制计算机100上安装有仿真系统控制程序200，该程序主要实现各种飞行程序下相应导航信号的模拟控制，对于不同的飞行程序均有相应的信号仿真模型，具体的信号仿真方式在后面会具体介绍。所述的航空信号发生器700通过GPIB总线500连接GPIB板卡，并通过馈线连接有发射天线900。航空信号发生器700采用AER0FLEX公司的IFR2030信号发生器，该发生器可以静态模拟ILS、V0R、DME、MARKER等导航信号，并且该信号发生器可以通过GPIB总线进行动态调节控制。GPIB总线500为标准GPIB接头连接线。多模式导航接收机800通过ARINC^9总线600连接CEI-520板卡，并通过馈线连接接收天线1000。所述的多模式导航接收机800采用Collins公司的MMR930多模式接收机，该接收机可以同时接收ILS、VOR、GNSS、VDB等导航信号，另外这里也可以采用ILS接收机、VOR接收机、DME接收机、ADF接收机等标准航空接收机的组合。ARINC^9总线600 标准ARINC^9总线，采用SCIX68针引脚接头。如图2所示，本发明中的仿真系统控制程序的功能模块示意图，所述的仿真系统控制程序200主要包括如下部分GPIB底层驱动模块，主要是封装了 NI公司生产的GPIB板卡的驱动，通过该GPIB 底层驱动模块的封装，使得上层对GPIB板卡的操作透明化，所有的GPIB板卡操作细节均在此GPIB底层驱动模块内部完成，上层应用只需要调用该GPIB底层驱动模块的接口即可。ARINC429底层驱动模块，该模块是对GE公司CEI-520A板卡的驱动封装，通过该 ARINC429底层驱动模块的封装，使得上层对CEI-520A板卡的操作透明化，所有的CEI-520A 板卡操作细节均在此ARINC^9底层驱动模块内部完成，上层应用只需要调用该ARINC429 底层驱动模块的接口即可。IFR20320通信模块，该模块封装了对于IFR2030信号发生器的各种控制命令，该 IFR20320通信模块内部调用GPIB底层驱动模块，将命令字发送给航空信号发生器700，同时可以解析返回的结果字符集，该IFR20320通信模块使得上层对航空信号发生器700的各种控制透明化。通信参数配置模块，该模块主要实现GPIB板卡300通信的参数初始化配置以及航空信号发生器700初始状态的设置。定点控制模块，该模块主要是实现导航信号的静态控制，亦即模拟航空信号发生器700各种导航模式下的面板按键功能，主要包括VOR定点控制模块、DME定点控制模块、 ILS定点控制模块。VOR定点控制模块主要用于VOR信号的静态控制。DME定点控制模块主要用于DME信号的静态控制。ILS定点控制模块主要用于ILS信号的静态控制。飞行程序模拟模块，主要用于根据不同的飞行程序及选择的校验科目按照相应的信号仿真模型仿真各种导航信号。该飞行程序模拟模块主要包括圆周飞行程序模拟、径向飞行程序模拟、ILS-I飞行程序模拟、ILS-2飞行程序模拟等，其中圆周飞行程序模拟主要用于圆周飞行校验中动态仿真VOR信号的变化规律，并控制航空信号发生器700产生相应的VOR信号。径向飞行程序模拟主要用于径向飞行中动态仿真VOR信号的变化规律，并控制航空信号发生器700产生相应的VOR信号。ILS-I飞行程序模拟主要用于ILS-I飞行程序中动态仿真航向信号的变化规律，并控制航空信号发生器700产生相应的信号。ILS-2飞行程序模拟主要用于控制ILS-2飞行程序中动态仿真下滑信号的变化规律，并控制航空信号发生器700产生相应的信号。下面以VOR、ILS信号为例介绍仿真系统控制程序中信号的仿真控制模型。甚高频全向信标(简称V0R)属于地面基准式导航，是一种近程无线电相位测角系统，用于机场进近着陆或者航路导航。其工作频率在108. OMHZ 117. 95MHZ之间，实际工作中VOR台向空间辐射的信号场主要由两部分组成，一部分是30HZ相位与方位有关的可变相位信号，另一部分是30HZ相位与方位无关的基准信号，接收端依据基准信号与可变相位信号之间的相位关系得出信标台相对于磁北方向的方位角信息。如图3圆周飞行程序示意图所示，圆周飞行中飞机以任意所需半径顺时针或逆时针绕VOR台做圆周飞行，飞行角度可以大于360度。圆周飞行测量方位角、方位角误差、30 信号调幅度、9960HZ信号调幅度以及频偏等参量信息。在圆周飞行过程中，排除环境及地形等因素的影响主要是方位角参量的变化。因而最简单的模型是在维持其他参量不变的情况下控制方位角随时间变化。假设圆周半径为R，航速V，计算出勻速情况下VOR方位角α随时间的变化率为V*180/(R*Ji) (1)而对于非勻速情况下，可以采用积分运算获取方位角的变化率。当然也可以在方位角变化的同时引入其他参量的变化来模拟现实环境中由于各种原因导致的信号状态的变化。在仿真系统控制程序的实际模型中，采用定时器触发事件修正当前VOR信号的参量值。如图4圆周飞行校验中VOR信号仿真控制流程图所示，当定时器触发事件之后，对当前方位角做一次增量运算，然后检测其容限。如果超出理论值范围，则对结果进行超限处理， 然后对信号发生器进行角度设置；如果结果仍在理论范围之内，则直接对信号发生器进行角度设置，将信号发生器的角度值设置成计算结果的数值。信号发生器设置完成之后，需要读取信号发生器角度，检测是否与设置值相同。如果不同需要进行错误处理，相同的话说明工作正确，可以开始文件存储步骤了。接下来需要在显示界面设置曲线波形和表盘方位值， 并显示当前设置角度。然后从导航接收机读取采集数据，反馈数据波形绘制。如图5径向飞行程序示意图所示，VOR台径向校验可以在任意高度并距离VOR台任意距离处启动，做进场或出场的校验飞行。径向飞行主要验证航道信号结构、信号强度、调制度以及垂直极化等参量信息，在该飞行程序中信号强度成为主要的变化参量，理想情况下信号强度的变化可以按照无线电信号随传播距离的衰减公式进行设置，公式如下A = 201og(X/4*Ji*d) (2)其中λ为无线电信号的波长，当前信号的波长可以根据VOR的工作频率计算得到；d为无线电传播的距离，即校验飞机距离VOR台的距离。在仿真系统控制软件的实际模型中，采用定时器触发事件修正当前VOR信号的参量值。如图6径向飞行校验中VOR信号仿真控制流程图所示，当定时器触发事件之后，对当前距离值进行计算，然后根据距离计算当前功率值。根据功率值对信号发生器进行设置，将信号发生器的功率值设置成计算结果的数值。信号发生器设置完成之后，需要读取信号发生器功率值，检测是否与设置值相同。 如果不同需要进行错误处理，相同的话说明工作正确，可以开始文件存储步骤了。接下来需要在显示界面设置曲线波形和当前飞机位置及信号功率值，并显示当前设置的功率值。然后从导航接收机读取采集数据，反馈数据波形绘制，设置完成。仪表着陆系统(简称ILS)，属于无线电振幅导航系统，是一种以仪表方式提供航向道、下滑道和距离信息的飞机进场着陆引导系统，为飞行员提供相对预定下滑线的水平和垂直面内的修正指示以及到跑道入口点的距离指示。航向信标台的导航原理，信标天线沿跑道中心线两侧发射两束水平交叉的辐射波瓣，分别被90HZ和150HZ低频信号调幅。当飞机飞行在跑道中心线上时，两者的调制系数相同，仪表指针或者水平位置指示器中的航道杆在中心位置，当飞机在跑道中心线的左边时， 90HZ信号的调制系数将大于150HZ的调制系数，仪表指针偏向右边，飞机向右修正航道；当位于跑道中心线的右边时，飞机向左修正航道。下滑道的导航原理与航向道相同。在评估ILS系统的性能时，采用三种不同的飞行程序来衡量航向台、下滑台的导航质量。如图7ILS-1飞行程序示意图所示，该飞行程序用于衡量航向信标间隙、航道宽度以及对称性。飞机以距离航向台IOnm(海里)为飞行半径，高度1000英尺到1500英尺，在跑道中心线两侧正负35度范围内飞一段圆弧。同时在正负10度范围内还需要以ISnm为半径飞一段圆弧来校验信号强度。在航道宽度范围内ILS要求航向信号的DDM值线性变化，首先根据航道宽度以及航道对称性计算出90HZ信号占优势以及150HZ信号占优势场区的半航道宽度，在这两个半航道宽度内，航向信标的DDM值从ODDM线性变化到0. 155DDM，而从半航道宽度临界点到正负35度的区间内，DDM值只需要满足大于0. 155DDM且非减变化即可，简单起见，这里仍把 DDM值看从0. 155DDM线性增长到0. 4DDM。因而可以根据预模拟场型的航道宽度以及航道对称性计算出航道中心线两侧的场区宽度，然后控制在场区宽度范围内DDM随角度值线性变化。在仿真系统控制软件的实际模型中，采用定时器触发事件修正当前航向信号的参量值，如图8中ILS-I飞行校验中航向信号仿真控制流程图所示，当定时器触发事件之后，对当前位置信息进行计算，并对计算结果进行检测，估计飞机是否处于航道内。如果在航道内，则采用线性区模型计算；如果不在航道内，则采用非线性模型进行计算。当飞机位于航道内的时候，需要进一步判断飞机是在左航道还是右航道；同理，当飞机位于非航道区时，也需要进一步判断飞机位于左侧非航道区还是右侧非航道区。根据具体位置采用具体的方法计算DDM值。然后根据计算结果将信号发生器的航向DDM值设置成计算结果值。信号发生器设置完成之后，需要读取信号发生器的航向DDM值信息，检测是否与设置值相同。如果不同需要进行错误处理，相同的话说明工作正确，可以开始文件存储步骤了。接下来需要在显示界面设置曲线波形和当前飞机位置及航向信号DDM值，并显示当前设置的航向DDM值。然后从导航接收机读取采集数据， 反馈数据波形绘制，设置完成。如图9中ILS-2飞行程序示意图所示，该飞行程序用来衡量下滑道结构，主要测量下滑角、下滑道宽度及对称性。飞机沿着航向道或航向信标作用域的边缘以恒定高度横越跑道，一般采用高度为1000英尺，起始距离为lOnm。在航道宽度范围内下滑信标信号DDM值的变化也是近似线性的，根据航道宽度值以及对称性计算出下滑信号90HZ占优势信号区域与150HZ占优势信号区域的宽度。依据飞机的飞行高度h，飞机距下滑截取点的水平距离d，计算出角度α α = arctan (d/h) (3)当α落到航道宽度内时，信号DDM值从ODDM线性变化到0. 175DDM，落到航道区间外时，变化规律是非线性的，但由于航道宽度之外的部分不是校验所关注的，仍可以假设信号DDM值的变化是线性的，变化范围为0. 175DDM到0. 8DDM。亦即模型假设信号DDM值同角度α的变化具有分段线性的关系。在仿真系统控制软件的实际模型中，采用定时器触发事件修正当前下滑信号的参量值，如图10中ILS-2飞行校验中航向信号仿真控制流程图所示，当定时器触发事件之后，对当前位置信息进行计算，并对计算结果进行检测，估计飞机是否处于航道内。如果在航道内，则采用线性区模型计算；如果不在航道内，则采用非线性模型进行计算。当飞机位于航道内的时候，需要进一步判断飞机是在上半航道还是下半航道；同理，当飞机位于非航道区时，也需要进一步判断飞机位于上方非航道区还是下方非航道区。根据具体位置采用具体的方法计算DDM值。然后根据计算结果将信号发生器的下滑 DDM值设置成计算结果值。信号发生器设置完成之后，需要读取信号发生器的下滑DDM值信息，检测是否与设置值相同。如果不同需要进行错误处理，相同的话说明工作正确，可以开始文件存储步骤了。接下来需要在显示界面设置曲线波形和当前飞机位置及航向信号DDM 值，并显示当前设置的下滑DDM值。然后从导航接收机读取采集数据，反馈数据波形绘制， 设置完成。而ILS-3飞行程序主要用来衡量航向道与下滑道的结构以及引导功能，飞机需要严格按照航向信号与下滑信号DDM值为0的轨迹飞行，在信号模拟中需要将航向信号与下滑信号的DDM值设置为Oddm，在此基础上可以加入锯齿状噪声模拟飞机偏移航向道或下滑道的过程。对于DME等信号的仿真可以参照VOR信号的仿真方式实现。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统，其特征在于主要由工业控制计算机、航空信号发生器和多模式导航接收机组成，在工业控制计算机具有扩展PCI插槽，安装 PCI总线的GPIB板卡以及CEI-520板卡，分别用于实现GPIB通信与ARINC^9通信，GPIB 板卡与航空信号发生器相连，CEI-520板卡与多模式导航接收机相连，在工业控制计算机上安装仿真系统控制程序，航空信号发生器通过馈线与发射天线连接，同时多模式导航接收机通过馈线与接收天线相连。
2.根据权利要求1所述的一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统，其特征在于多模式导航接收机用ILS接收机、VOR接收机、Marker接收机和DME接收机的组合来代替。
3.根据权利要求1所述的一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统，其特征在于所述的仿真系统控制程序主要包括GPIB底层驱动模块、ARINC429底层驱动模块、 IFR20320通信模块、通信参数配置模块、定点控制模块和飞行程序模拟模块。
4.根据权利要求3所述的一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统，其特征在于所述定点控制模块，主要是实现导航信号的静态控制，模拟航空信号发生器各种导航模式下的面板按键功能，主要包括VOR定点控制模块、DME定点控制模块、ILS定点控制模块。
5.根据权利要求3所述的一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统，其特征在于所述飞行程序模拟模块主要包括圆周飞行程序模拟、径向飞行程序模拟、ILS-I飞行程序模拟和ILS-2飞行程序模拟，其中圆周飞行程序模拟主要用于圆周飞行校验中动态仿真 VOR信号的变化规律，并控制航空信号发生器产生相应的VOR信号；径向飞行程序模拟主要用于径向飞行中动态仿真VOR信号的变化规律，并控制航空信号发生器产生相应的VOR信号；ILS-I飞行程序模拟主要用于ILS-I飞行程序中动态仿真航向信号的变化规律，并控制航空信号发生器产生相应的信号；ILS-2飞行程序模拟主要用于控制ILS-2飞行程序中动态仿真下滑信号的变化规律，并控制航空信号发生器产生相应的信号。
全文摘要
本发明公开一种应用于飞行校验的航空导航信号模拟系统，主要由控制计算机、多模式接收机和航空信号发生器组成，ARINC429总线、发射天线、接收天线组成。该系统可以依据不同飞行程序下各种导航信号的仿真模型，利用仿真系统控制程序控制航空信号发生器产生各种导航信号，并通过发射天线发送出去，从而为飞行校验系统提供模拟仿真信号，降低飞行校验系统研发以及校准维护的成本。本发明能够较好的模拟ILS、VOR、DME以及Marker等导航信号，该系统成本低廉、界面美观、稳定性好。
文档编号G05B17/02GK102426426SQ201110421300
公开日2012年4月25日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者史晓锋, 张军, 王成林 申请人:北京航空航天大学