一种仪表着陆系统的可视化模拟检测系统的制作方法

专利2022-05-09  2


本发明涉及飞机检测技术领域,尤其涉及一种仪表着陆系统的可视化模拟检测系统。



背景技术:

飞机的着陆是整个飞行过程中事故发生概率最高的阶段,为了保障飞机的着陆安全必须借助着陆系统引导飞机安全着陆。仪表着陆系统(instrumentlandingsystem,ils)又译为仪器降落系统,盲降系统,是应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统。它的作用是由地面发射的两束无线电信号实现航向道和下滑道指引,建立一条由跑道指向空中的虚拟路径,飞机通过机载接收设备,确定自身与该路径的相对位置,使飞机沿正确方向飞向跑道并且平稳下降高度,最终实现安全着陆。鉴于机载航向、下滑接收机对飞机着陆安全的重要影响,需要测试设备定期对其性能功能检测与检验。目前我国相关测试设备还存在功能不全、界面操作不够直观、通用性差及操作繁琐的问题。



技术实现要素:

针对上述问题,本发明设计一种高效、便捷、可视化显示的模拟检测系统,该系统能够模拟地面信号发射台的信号,用来检测飞机机载的下滑接收机的工作状态及基本性能,使检测的数据能在可视化的软件界面实时显示,进一步供飞机总装调试和内/外场维护使用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现:

一种仪表着陆系统的可视化模拟检测系统,其特征在于,包括:信号发生装置,用于向飞机发射由调幅波构成的下滑信号和航向信号,并接收和解析机载设备的反馈信号;可视化数据处理装置,包括显示屏、键盘、数据存储模块和包含有mcu的电路集成模块,且显示屏、键盘和数据存储模块分别与电路集成模块电性连接;数据传输装置,用于使信号发生装置与可视化数据处理装置通讯连接;电源单元,与信号发生装置电连接,用于为信号发生装置供电。

具体的,电源单元中包含电源变换电路和220v/50hz的外部电源,电源变换电路中包含有ac/dc模块、dc/dc模块和带有ldo(lowdropoutregulator低压差先行稳压器)模块的稳压电路,电源变换电路用于将外部电源电压变换为信号发生装置内部电路所需的电压,包括 12v、-12v、 5v、 3.3v、和2.5v,其中,ldo是一种线性稳压器,能使用在其饱和区域内运行的晶体管或场效应管(fet),从应用的输入电压(即本技术方案中的外部电源)中减去超额的电压,从而产生经过调节的、且满足信号发生装置内部电路对应位置需求的输出电压。

具体的,可视化数据处理装置工作的过程中,首先获得原始数据(对应飞机机载设备发出的机载反馈信号,由信号发生装置提供),并对数据进行预处理,即将原始数据进行初步加工之后,在mcu中对经过加工后的原始数据进行分析处理,提炼出仪表着陆系统信号生成有关的相关参数;随后进行可视化映射,可视化映射构成可视化的核心,即运用对数据中包含的规律、现象等,将预处理过的数据映射为可绘制几何数据,如点、线、面、体等几何原语;然后进行图形绘制,即将上一步可视化映射的几何数据转换为可显示的图像数据。借助opengl图形软件来完成点、线、面、灰度、色彩等几何要素;最后进行在图形显示,即对图像数据在显示器上输出显示,用户可以在图形上进行操作,达到与用户可视化交互。通过可视化的交互方式快速方便地完成系统中的发射频率、发射电平、下滑调制度、下滑频率等基本属性的设置,同时基于其中的算法逻辑、可视化编辑模块,可以方便快速地实现业务逻辑流程,能够实时显示出飞机下滑的状态图。整个过程无须编写程序代码,完全通过可视化的交互方式来完成相应的业务应用。

具体的,本技术方案在工作时,信号发生装置可模拟仪表着陆系统中的地面信号发射台发射的信号(包括下滑信号和航向信号),飞机的机载设备接收到信号发生装置发射的信号后产生机载反馈信号,信号发生装置接收该机载反馈信号,并产生与机载反馈信号对应的原始数据,该原始数据通过数据传输装置输入到可视化数据处理装置中,可视化数据处理装置对原始数据进行存储和分析处理,并将分析处理结果进行显示。具体的,本技术方案运行需要相应的软件系统支持,软件系统包括设备控制软件和信息处理软件。其中,设备控制软件中包括设备自检单元、键盘驱动单元、显示驱动单元、通信单元(包括lan/rs422),用于实现设备初始化、自检、运行和显示功能,并上传键盘的按键码给信息处理软件,信息处理软件根据接收到的按键码进行状态切换,以将程序的控制命令通过内部总线发送控制数据到各模块进行相应工作,同时实现lan/rs422的通信和显示器控制等,具体的,开机运行后,初始化自检模块并显示必要信息,其他单元一直处于等待状态;键盘驱动单元是当按键按下后被调用;lan/rs422通信单元在有通信信号进来时或者应用程序发数时被调用;自检单元是初始化各个硬件配置的程序段;键盘驱动单元是在接收到按键中断后,扫描引脚电平,确定是哪个按键被按下,为应用程序提供按键中断程序,执行相应的设备控制。另外,信息处理软件包括通信处理单元和算法处理单元,其中,通信处理单元是用来实现系统软件和对外通信功能,即可实现数据的中转(包括lan和rs422)和远程控制,进一步实现各种控制参数的接收和配置;算法处理单元实现仪表着陆系统信号生成有关的参数换算。

优选的,所述信号发生装置包括bpf(band-passfilter带通滤波器)模块、dvga(digitalvariablegainamplifier数字可变增益放大器)模块、程控衰减器和自检电路,以及包括依次电性连接的dsp(digitalsingnalprocessor数字信号处理技术)模块、fpga(fieldprogrammablegatearray现场可编程门阵列)模块和dds(directdigitalsynthesizer直接数字式频率合成器)模块;所述程控衰减器电性连接于dvga模块的信号输出端,所述自检电路电性连接于程控衰减器的信号输出端;所述bpf模块设置于dds模块与dvga模块之间,用于使dds模块信号输出端与dvga模块的信号输入端电性连接。其中,fpga模块负责产生90hz、150hz和1020hz的调制信号;dsp模块中可采用ti公司的c6455芯片,负责产生射频载波信号,fpga模块产生的调制信号用于对射频载波信号进行调幅;dvga(digitalvariablegainamplifier数字可变增益放大器)与程控衰减器相互配合,实现对发射电平的控制,进一步的,信息处理软件中的算法处理单元还用于对程控衰减器和dvga控制发射电平时的参数分配;自检电路完成对仪表着陆系统上电自检或者在用户控制下启动自检。

所述fpga模块为包含有emif接口、rs422接口、信号发生器和dds接口的spartan-7(xilinx公司)系列芯片模块,emif接口(externalmemoryinterface外部存储器接口)通过信号发生器与dds接口电性连接,rs422接口与emif接口电性连接;所述dsp模块与fpga模块的emif接口电性连接,所述dds模块与fpga模块的dds接口电性连接。在本技术方案中,采用ad9914芯片模块作为dds模块与fpga模块的dds接口电性连接,用于产生仪表着陆系统的射频载波信号,该dds模块可以输出最高1.4ghz的信号,能支持调频、调幅和调相功能,可利用fpga输出的调制信号对该射频载波信号进行调幅,从而实现仪表着陆系统的航向和下滑功能。进一步的,ad9914芯片支持32bit并行接口用于芯片参数配置以及调幅功能。32bit并行接口由32bit并行管脚和4bit功能管脚组成,4bit功能管脚用于选择32bit并行端口的工作模式,包括:直接模式、并行模式和串行模式,本技术方案中,包括射频载波频率在内的参数配置采用并行模式“0000”,调幅采用直接模式“0100”。bpf为带通滤波器,可以允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段,基于仪表着陆系统存在航向和下滑功能,本技术方案中的机载信号包括航向信号和下滑信号,优选的,所述bpf模块中存在两个带通滤波器,且两个带通滤波器分别对应第一bpf子模块(bpf1)和第二bpf子模块(bpf2),其中,第一bpf子模块可供航向信号通过第二bpf子模块可供下滑信号通过。

进一步的,fpga模块中包含了网口、dpib接口和rs422接口等通讯接口,在本技术方案中,采用在rs422接口连接串口服务器的方式实现信号发生装置与可视化数据处理装置之间的通讯,即,所述数据传输装置中包括串口服务器,且串口服务器与所述fpga模块的rs422接口电性连接。进一步的,信号发生器接收到仪表着陆系统的机载反馈信号后,产生与机载反馈信号对应的原始数据,并将该原始数据通过串口服务器转发至可视化数据处理装置,在可视化数据处理装置实现对原始数据的计算、分析、显示和存储等。串口服务器提供串口转网络功能,能够将rs422串口转换成tcp/ip协议网络接口,实现rs422串口与tcp/ip协议网络接口数据双向透明传输,本技术方案中,rs422接口信号命令采用重传机制,最多发送3次,每次等待500ms,接收方(具体指串口服务器)若收到正确的数据帧,应提供ack应答,否则提供nak应答。进一步的,总线传输数据帧共8字节,按如图8的格式组织,即依次为开始aa、类型、数据1、数据2、数据3、数据4、校验码、结束bb;其中,类型是数据帧类型,即数据帧携带的参数id。数据是4个字节的数据字段可携带32bit参数数据,不同的参数需携带的数据长度不同。数据1字段携带最低8bit数据,数据4携带最高8bit数据。校验码由“类型”字段以及4个数据字段的数据进行异或而成。

优选的,所述数据存储模块采用带有raid阵列卡的存储服务器。本技术方案利用磁盘阵列raid(redundantarraysofinexpensivedisks,raid)技术,通过同时使用多个磁盘,提高了数据传输速率,通过在多个磁盘上同时存储和读取数据来大幅提高数据存储模块的数据吞吐量(throughput)。可利用raid阵列卡将原始数据存储在计算机磁盘阵列中,方便研究人员检测飞机机载的下滑接收机的工作状态及基本性能。供飞机总装调试和内、外场维护使用,方便后期对飞机上相应接收设备的检验、测试、维修和问题分析等。

本技术方案带来的有益效果:

1)本发明结合现代数字信号处理技术与最新工艺,是一个集成模拟信号接收与可视化显示处理为一体的综合检测系统。它能够模拟地面塔台(地面信号发射台)产生仪表着陆系统信号,完成对仪表着陆系统功能的灵敏度、动态范围等指标的定量测量。飞机下滑时,信号发生装置通过uhf调幅波向飞机发射信号,飞机通过机载设备产生机载反馈信号,信号发生装置接收接收机载反馈信号得到飞机着落时机载下滑接收机的工作状态和基本性能信号数据,并将该信号数据作为原始数据通过数据传输装置传到可视化数据处理装置中进行储存和分析处理,且可通过可视化数据处理装置中的显示屏对分析处理结果进行实时显示,进一步的,检测人员可通过显示结果对仪表着陆系统进行分析和处理。

2)本技术方案灵活性高、通用性强,数字化、便于集成与扩展、可视化显示;能通过更换程序和/或部分功能模块来适应多种工作频段和多种工作方式;系统结构通用,功能实现灵活;键盘实现模拟参数的调整、设置全数字化,不仅操作便捷,且可保证指标的准确性、一致性;可以基于标准pci/cpci总线,便于集成与扩展。

附图说明

图1为本技术方案的工作原理图;

图2为fpga模块的功能框图;

图3为信号发生器实现方案示意图;

图4为dsp模块的控制流程图;

图5为软件系统示意图;

图6为软件系统的控制流程图;

图7为可视化数据处理装置的可视化设计流程图;

图8为rs422接口总线传输数据帧的组织格式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明,但不应理解为本发明仅限于以下实例,在不脱离本发明构思的前提下,本发明在本领域的变形和改进都应包含在本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

本实施例公开了一种仪表着陆系统的可视化模拟检测系统,作为本发明一种基本的实施方案,包括:信号发生装置,用于向飞机发射由调幅波构成的下滑信号和航向信号,并接收和解析机载设备的反馈信号;可视化数据处理装置,包括显示屏、键盘、数据存储模块和包含有mcu的电路集成模块,且显示屏、键盘和数据存储模块分别与电路集成模块电性连接;数据传输装置,用于使信号发生装置与可视化数据处理装置通讯连接;电源单元,与信号发生单元电连接,用于为信号发生装置供电。

仪表着陆系统的功能是为进场着陆的飞机提供一条固定的下滑线和2~3个距离检查点,以保证飞机在能见度不低于400米,云层高度不低于30米的气象条件下安全着陆。飞机着陆时,信号发生装置通过沿跑道中心线一定仰角发射由两个uhf(ultrahighfrequency超高频)调幅波组成的下滑信号,且该下滑信号结合调幅波构成的航向信号,建立一条飞机的着陆航道。采用90hz和150hz复合调制体制,利用ddm(differenceofdegreeofmodulation调制度差)值反映飞机偏离下滑道的程度。波束上下分布,发射时调制度都是40%。在下滑道上方时,90hz调制度大于150hz调制度;在下滑道下方时,150hz调制度大于90hz调制度;正好处于下时,滑道上ddm为零。航道和下滑道组成了一条由跑道指向空中的狭窄“隧道”,飞机通过仪表着陆系统接收设备接收航向信号和下滑信号,并计算ddm值,确定自身与“隧道”的相对位置,只要飞机保持在“隧道”中央飞行,就可沿正确方向飞近跑道,平稳地下降高度,最终飞进跑道并着陆。进一步的,基于可视化信息处理装置的存在,本技术方案可以快速方便地完成系统中的发射频率、发射电平、下滑调制度、下滑频率等基本属性的设置,同时基于其中的算法逻辑、可视化编辑功能,可以方便快速地实现业务逻辑流程,能够实时显示出飞机下滑的状态图;数据存储模块完成数据的存储,方便研究人员检测飞机机载的下滑接收机的工作状态及基本性能。

实施例2

本实施例公开了一种仪表着陆系统的可视化模拟检测系统,作为本发明一种优选的实施方案,即实施例1中,如图1所示,信号发生装置包括bpf模块、dvga模块、程控衰减器和自检电路,以及包括依次电性连接的dsp模块、fpga模块和dds模块;所述程控衰减器电性连接于dvga模块的信号输出端,所述自检电路电性连接于程控衰减器的信号输出端;所述bpf模块设置于dds模块与dvga模块之间,用于使dds模块信号输出端与dvga模块的信号输入端电性连接;进一步的,如图2所示,fpga模块为包含有emif接口、rs422接口、信号发生器和dds接口的spartan-7系列芯片模块,emif接口通过信号发生器与dds接口电性连接,rs422接口与emif接口电性连接;所述dsp模块与fpga模块的emif接口电性连接,所述dds模块与fpga模块的dds接口电性连接;dsp模块中包含c6455芯片,dds模块中包含ad9914芯片,bpf模块中包含有第一bpf子模块和第二bpf子模块;数据传输装置中包括串口服务器,且串口服务器与所述fpga模块的rs422接口电性连接;数据存储模块采用带有raid阵列卡的存储服务器。

其中,本技术方案中的系统软件主要运行于dsp模块中和电路集成模块的mcu中,仪表着陆系统的模拟检测系统受外部控制,控制内容包括接口命令、信号参数的设置等,相应控制处理流程由处于dsp模块中的软件来实现,如图4所示,dsp模块主要完成以下工作:1)初始化,即dsp模块在上电加载后进行硬件状态初始配置(硬件初始化中的一部分,硬件初始化主要包括信号发生装置初始化和可视化数据处理装置初始化)和dsp模块内部软件参数初始化(软件初始化中的一部分,软件初始化主要包括dsp模块内部软件初始化和mcu内部软件初始化),其中包括进行emif接口和中断接口等对应的各种寄存器初始化,然后进入主循环;2)对外通过emif接口实现rs422通信,实现状态上报、命令接收与解析,并对命令进行分解,以便控制相应电路;3)系统工作流程,外部通过串口(来自背板或者显控)向dsp模块发送指令时,dsp模块按照内部设定数据协议的规定,利用校验模块判断指令的正确性,如果指令错误,则将该指令丢掉,如果指令正确,则对其进行解析和处理,并返回处理结果。

fpga模块中的emif接口主要处理dsp与fpga之间通信问题,实现数据读取与写入;fpga模块内的信号发生器,是fpga模块的核心组成部分,用于产生所需的150hz、90hz和1020hz调制信号以及基于莫尔斯码的台站识别码,如图3所示,三路调制信号分别由3个独立的nco实现,并且输出严格同步,其频率、相位和幅度均可配置,系统配置的调制度差ddm由dsp模块换算后分别控制三路nco的输出信号幅度扩展因子k0~k2来实现。morsecode模块根据用户配置产生指定的莫尔斯键控信号,并对nco_0的输出信号幅度扩展因子进行键控,以实现台站识别码功能;dds接口,负责产生dds模块的配置时序和调幅数据接口时序;rs232接口,负责rs232的信号发送和接收,如,本技方案可通过rs232接口接收机载反馈信号,接收的机载反馈信号通过emif接口送到dsp模块中解析;时钟复位,根据输入参考钟利用锁相环产生系统所需的各种时钟信号以及复位信号;其它外设接口,实现诸如dvga模块、程控衰减器等的控制,其工作所运用的参数来自dsp模块。

另外,本技术方案采用ad9914芯片模块作为dds模块与fpga模块的dds接口电性连接,用于产生仪表着陆系统的射频载波信号,该dds模块可以输出最高1.4ghz的信号,能支持调频、调幅和调相功能,可利用fpga输出的调制信号对该射频载波信号进行调幅,从而实现仪表着陆系统的航向和下滑功能。进一步的,ad9914芯片支持32bit并行接口用于芯片参数配置以及调幅功能。32bit并行接口由32bit并行管脚和4bit功能管脚组成,4bit功能管脚用于选择32bit并行端口的工作模式,包括:直接模式、并行模式和串行模式,本技术方案中,包括射频载波频率在内的参数配置采用并行模式“0000”,调幅采用直接模式“0100”。

进一步的,射频载波信号包括下滑信号和航向信号,下滑信号通过第一bpf子模块流向dvga模块,航向信号通过第二bpf子模块流向dvga模块,dvga模块与程控衰减器相互配合,实现对射频载波信号发射电平的控制,最终,射频载波信号从程控衰减器的信号输出端(即射频输出端rfout)发射至飞机其中dsp模块根据系统配置的输出电平参数,分解成dvga模块和程控衰减器的配置参数,然后通过fpga进行配置。

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