机载气象雷达教学仿真平台设计

万金诚， 张 鹏， 赵世伟

（中国民航大学a.电子信息与自动化学院；b.适航学院；c.工程技术训练中心，天津300300）

0 引 言

机载气象雷达（Weather Rada，WXR）系统作为民航飞机的重要组成部分，是为防范危险气象区域，保证飞行安全研制的航空电子系统，用于探测飞机前方航线的气象目标及分布情况，是保证民机持续适航性的关键系统之一［1-2］。国际民用航空组织在《国际民用航空公约》附件6中建议：载运乘客的座舱增压飞机，应装备气象雷达；根据国际民航事故报告显示，由于气象原因导致的飞行事故已占全球航空业务总事故数的30%［3］。

目前，在航空院校的WXR课程教学中，如果用真实的WXR系统来教学实训，设备的经济成本昂贵，真实的雷达组件在工作中产生微波辐射，对人体有害，且使用条件有严格限制；同时受实训环境的限制，真实雷达在教学中可探测的气象条件单一，系统功能不能完整体现。本文设计了WXR教学仿真平台替代真实的WXR系统，可以解决WXR教学中受天气条件限制和辐射危害的问题，经济成本低且可以灵活的设置教学模块，为WXR的教学建立一个良好的半实物教学训练平台。

1 机载气象雷达教学仿真平台分析

1.1 WXR系统结构及功能

WXR系统的功能为实时探测前方航路上的气象状况，并在导航显示器上显示探测到的气象信息图像供飞行员参考［4］。系统结构主要包括天线组、收发组、导航显示器和控制盒等部分。收发组是WXR的核心组件，用于产生射频脉冲并接收和处理雷达回波，产生气象目标信息，同时控制雷达天线方位和俯仰运动；天线组由平板天线和天线基座两部分组成，平板天线用于发射和接受微波；导航显示器用于显示收发组处理后的雷达图像，供飞行员参考；控制盒是人机交互的界面，控制雷达的工作模式、天线稳定、俯仰角度等。

1.2 WXR教学仿真平台功能分析

为仿真WXR的基本功能，本文采用半实物仿真技术设计了WXR教学仿真平台［5-7］，天线组件和WXR控制盒为真实组件，导航显示器和收发组件为仿真件。将雷达天线和控制盒引入仿真回路，一方面利于观察理解雷达工作模式、控制运动关系，天线扫描与扫描显示的关系；另一方面用于WXR部件的故障测试。计算机仿真收发组件功能，主要为监控雷达天线工作和气象图像仿真；导航显示屏只显示雷达画面，可用工业显示器代替。

参照真实WXR系统的工作原理，结合实际的教学需求，机载WXR教学仿真平台的功能需求为：

（1）控制模拟。通过雷达控制面板，完成机载WXR的控制模拟；提供与真实雷达相同的雷达控制逻辑，模拟WXR的多种工作模式。

（2）监控显示。提供与真实WXR功能一致的雷达显示画面；提供人机交互界面，监控系统部件的运行。

（3）系统测试。实现WXR的测试功能，包括运行测试和系统测试；模拟设置雷达控制盒和天线组件故障，实现附件深度维修测试功能。

1.3 仿真平台总体架构

WXR教学仿真平台由硬件和软件系统组成，主要实现仿真WXR系统工作和附件故障测试。硬件以仿真计算机为控制核心，结合相应的外围功能电路，完成数据采集和控制指令生成；软件系统包括人机交互界面和仿真控制软件，主要完成教学平台的人机界面生成、显示和仿真系统的数据分析、逻辑处理。仿真教学平台架构如图1所示。

图1 平台架构图

用户通过人机交互操作或输入指令，数据采集模块采集硬件产生的数据信息并传输给仿真控制软件，在人机交互界面中设置的参数信息由软件直接获取；仿真控制软件将接收的信息处理后，一方面生成雷达工作状态信息，实时显示在雷达工作界面；另一方面产生运动控制指令给伺服控制模块进而控制雷达天线的运动，将运动控制模块反馈的天线运动信息实时显示在雷达工作界面上。同时产生故障信号控制故障测试模块，模拟部件故障，用于外接的测试资源测试。

2 硬件平台设计

WXR教学仿真平台的硬件组成主要分为两部分：

（1）雷达控制面板，数据采集模块、伺服控制模块、雷达天线组件以及仿真计算机组成的硬件平台主控部分，可以仿真WXR的工作，实现WXR控制模拟。仿真计算机内置仿真控制件，由上位机完成逻辑处理的相关功能，如人机界面、状态监视、数据交互及指令发送等系统管理工作；伺服控制模块采用运动控制卡作为下位机［8］，依靠快速的计算能力和专用设备的特点，完成对雷达天线的实时控制功能，如移动计算、行程控制等。

（2）故障设置开关、故障测试模块和外接的测试资源组成了教学平台的故障测试部分。故障测试模块作为待测部件和外接的测试资源之间的“桥梁”，提供测试接口，用于解决待测部件信号与测试资源之间的连接测量问题［8-9］。测试模块还用于对待测信号的转接、调理及隔离（如数字信号隔离等），使待测信号符合测试资源输入信号的特征量值，满足测试信号特征进行测量。

2.1 数据采集模块设计

数据通信模块主要负责数字信号和雷达控制盒ARINC429信号的通信。仿真计算机无法直接读取来自雷达控制面板的ARINC429总线信号［10］，关键要解决气象雷达控制盒与计算机的数据通信问题。PCI7102 ARINC429收发模块是采用通用USB2.0总线接口标准设计的通信测试板卡，主要应用于机载数据总线ARINC429，提供至多8发8收的通道选择，满足系统的快速性和实时性，有效降低了教学仿真平台的实现难度。数据采集模块通过ARINC429数据接口可接收雷达控制盒发送的总线数据，内置FPGA芯片将数据由ARINC429协议转换为PCI协议，经PCI总线传送给工控机，完成数据通信。数字信号采集可采用基于PCI接口的数据采集卡，准确地将信号读入计算机系统。

2.2 故障测试模块设计

教学仿真平台的附件故障测试部分包括雷达控制盒和雷达天线组件的故障模拟和测试。依据CMM维修手册中提供的部件典型故障，模拟部件的故障信号并提供测试所需的条件［11-12］，如电源、待测信号等，部件接口中的待测信号经转接调理后，可用测试资源完成信号参数的测量，如脉宽、电流和频率等信号参数。但是真实的航材件难以设置故障，且设置硬件故障可能会造成硬件的损坏，影响使用。

故障测试模块采用继电器板卡为核心设计测试电路，图2为天线组件故障测试电路原理图。

图2 天线组件故障测试原理图

测试电路通过并联方式将航材件的接口信号引出到测试面板上，仿真计算机根据故障设置开关产生的故障信息编码生成继电器板卡的控制信号，实现继电器的通、断模拟生成故障信号，同时仿真计算机还通过控制天线的运动状态，来模拟雷达天线故障现象，增加了教学过程的“真实性”。通过外接的测试资源如可编程数字万用表、示波器等实现航材件故障信号的测量显示。

3 软件系统设计

软件系统主要由人机交互界面和物理引擎软件的气象图像仿真模块组成，依托C＃／WPF开发环境编制，采用面向对象的模块化设计思想，做到界面显示代码和底层逻辑程序的分离设计编程［13-15］。同时仿真控制软件中的气象图像仿真模块和人机交互界面嵌套，提高了系统的实时性和逼真度。

3.1 人机交互界面的构建

软件系统的人机交互的建立采用具有Windows风格的人机交互界面。用户可以在界面中通过输入运动参数或选择工作模式，完成对雷达天线的扫描和俯、仰运动的自动或手动控制，同时天线的运动状态信息能实时反馈显示在界面上，增加了用户操作的真实体验感，人机交互界面如图3所示。

图3 人机交互界面

3.2 气象图像仿真模块的实现

雷达气象目标图像如图4所示。

图4 雷达气象目标图像

WXR显示的气象目标图像形状不规则，通过数学建模仿真后的气象目标显示效果不佳。为了提高模拟演示的效果，教学平台采用了XAML的图形绘制功能，绘制了WXR在不同工作模式下显示的气象云图，并分别封装为.dll文件，便于可视化控件的调用。

气象仿真模块通过INotifyPropertyChanged接口将可视化控件与雷达控制面板的数据对象属性值绑定，并在接口中定义了PropertyChanged事件，实现软件监听雷达控制面板的硬件数据包。在雷达控制面板上设置的工作参数，可视化控件根据监听到的数据对象属性值的变化，实时显示雷达工作状态和气象目标图像。通过数据驱动界面显示，有效解决了气象图像仿真的实时性问题。

4 ARINC429数据解析

ARINC429协议是现代航空电子设备数字传输的一种标准［16］。WXR-701型控制盒用以提供系统控制的控制字，是32 bit的ARINC429数据字，采用了Label270进行通信，提供IDENT，STAB，MODE，TILT和GAIN功能控制信息，数据字bit位功能划分如图5所示，Label270数据字的配置含义解析见表1，其中数据字的1～8位固定为10111000，表示Label270。

图5 数据字bit位功能划分

表1 Label270数据字解析

第17～23 bit的俯仰角度值t计算：将bit 17～22 6 bit二进制数转换为十进制数Tilt：

（1）第23 bit为1，表示方向向上：

（2）第23 bit为0，表示方向向下：

第24～29 bit增益选择的增益值g计算：将bit 24～29 6 bit二进制数转换为十进制数Gain：

5 WXR教学仿真平台

根据以上设计方法和技术分析，开发了机载WXR教学仿真平台，实物如图6所示，教学平台主要由雷达天线组件和一台立式控制机柜组成，控制机柜安装了程控电源及电源监控组件、雷达控制面板、测试面板、工控计算机和工业显示器及示波器等硬件。

图6 WXR教学仿真平台实物图

雷达天线便于学员理解雷达工作模式、控制面板与天线运动以及天线的扫描与显示关系；程控电源负责给雷达控制盒和雷达天线组件供电，通过电源监控组件可以看出系统组件的运行状态；数字示波器通过测试面板提供的接口测量雷达组件的工作信号，进行测量实践；仿真计算机与雷达控制面板完成雷达工作的仿真控制及显示雷达工作画面。

6 结 语

本文采用半实物仿真思想设计的WXR教学仿真平台，通过动态链接函数库将硬件设备控制与软件设计结合起来，实现了WXR系统的仿真模拟，同时模块化的设计使平台具有很好的扩展性，不仅可以扩展雷达系统自身的相关功能，如故障维修测试功能，还为以后与WXR系统相关联的机载系统接入奠定了基础。教学平台的设计开发较好地改善了WXR教学训练手段，减少设备损耗且经济成本低，可在室内进行全仿真模拟训练，增强了学生的雷达操作和排故障能力，提高教学训练质量和效率。