1、1机载综合导航系统方位信号模拟器的设计摘要： 机载综合导航系统方位信号模拟器可用于机载综合导航系统处于全向测向和定向测向两种工作方式下，方位系统工作情况的检测，是对综合导航系统测向性能测试和故障维修的必备仪器。文章在简要分析综合导航系统的功能组成和信号特性的基础上，阐述了综合导航系统方位信号模拟器的设计思路和工作原理。 Abstract： The simulator， which was used to generate the directional singal to the airborne equipment of integrated navigation system，can te
2、st the working condition of the part of the integrated navigation system when working in omni-directional way or directional way. So the simulator was an essential testing equipment for breakdown maintenance and estimating the function of the integrated navigation system. On the basis of briefly ana
3、lyzing the function and the signal character of integrated navigation system， the article introduced the design and the working principle of the simulator. 关键词： 全向；定向；方位；综合导航；模拟器 Key words： omni-directional；directional；azimuth；integrated 2navigation；simulator 中图分类号：TN967.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（201
4、6）18-0204-03 0 引言 飞机在飞行中必须按照规定的航线进行飞行，但由于飞机飞行速度快、航程远，长时间飞行时可能偏离预定航线，因此需要对其飞行轨迹进行引导校正，这一过程称为导航。导航通常分为两类：自主式导航和非自主式导航。机载综合导航系统作为一种非自主式导航，较自主导航存在着不会因为随着导航时间的增加，导航误差逐渐增大的优势，从而被现有飞机广泛采用。随着近年来，飞机飞行速度的不断提升，对飞机在导航过程中的定位精度要求也越来越高，这就要求综合导航系统提供非常可靠的方位信息，使飞机的安全和武器系统精度有更可靠的保证。 因此，如何方便、快捷对综合导航系统中定位系统的工作情况做出准确而又全面
5、的检测，显得尤为重要。我们设计了综合导航系统方位信号模拟器，能够在不移动机载综合导航系统的情况下，快速完成对综合导航系统中定位系统的全方位检测。 1 综合导航系统方位测量的原理分析 综合导航系统的导航定位是通过测量飞机相对于处于已知位置的地面台距离和方位角来确定的。其中，距离测量采用“询问/回答”双程测距原理，即从飞机上连续不断的发射出询问脉冲，地面台在收到询问脉冲后，发射同样间隔的回答脉冲，在飞机上把收到回答脉冲的时间与询问脉冲的时间相比较，得出脉冲电波在空间传播的时间，从而得到飞机3到地面台的距离，其原理相对较为简单。而方位角的测量可由全向工作方式或定向工作方式来完成。下面分别介绍在这两种
6、工作方式下方位测量的原理： 1.1 全向工作方式下方位测量的原理分析 综合导航系统在全向工作方式下，通过地面台的基准方位发射机和可变方位发射机在同一载频信道上发射两种信号：一种是由基准方位发射机通过无方向性天线发射“35” 、 “36”基准方位脉冲信号；另一种是由可变方位发射机通过定向天线提供平稳的高频连续可变方位信号。 在地面台天线轴上，装有“35” 、 “36”基准信号磁电传感器，天线旋转的频率被严格地稳定在 100 转/分。天线每旋转一周，35 个基准“35”和 36 个基准“36”信号从传感器加载到基准方位信号发射机，把基准脉冲变成编码的双脉冲，编码脉冲调制发射机通过全向天线向空中辐射
7、“35” 、 “36”基准方位信号，由于发射“35” 、 “36”基准方位信号的全向天线与发射可变方位信号的定向天线旋转同步，天线每旋转一周，“35”、 “36”基准信号只有一次重合机会，调整“35” 、 “36”基准信号传感器的位置，使其正好在天线指“北”时重合，即方位天线方向轴线与地理北方向重合，该重合点形成的频率等于 166Hz、周期为 600ms 的“北”信号。当综合导航系统通过天线-馈线系统接收到“北”信号时，该时刻可用来作为方位角计算的起始时刻 t0。 而另一路可变方位信号发射机经旋转的水平内具有强方向性的抛物面天线发射一对连体双钟形射频脉冲信号，且该天线旋转的频率也为 100转/
8、分，该信号只在定向天线发射至飞机上才能被接收到，即定向天线每4转动一周，机载设备只接收到一次信号。测得定向天线所发射的可变方位信号到飞机上的时刻为 t1，根据（t1-t0）这个时间差，利用综合导航系统中测量部件的测量电路进行串行二进制码，并将其转换为电压，驱动飞机上的方位指示器显示对应的方位值。 1.2 定向工作方式下方位测量的原理分析 在定向工作方式下，地面台仍然通过基准方位发射机和可变方位发射机，在同一载频信道上发射“35” 、 “36”基准方位脉冲信号和可变方位信号来确定方位信息。但与全向工作方式不同的是：只有当可变方位发射机以 100 转/分的速度旋转时所形成的电磁场辐射到飞机时，综合
9、导航系统才能接收到基准方位信号。因此，综合导航系统不能接收到“35” 、“36”基准信号的全部脉冲，同时，只要飞机不处在地面台正北位置，就无法在其工作过程中，接收到地面台在起始时刻 t0 发出的“北”信号。但是由基准方位发射机在一周内发出的两个“35” 、 “36”基准信号存在一定的时间间隔 T，而且当飞机相对于地面台处于不同方位时，接收到的 T 也不相同。那么，通过测量时间间隔 T，就可以推算出发出的“北”信号的起始时刻 t0。其相互关系如下： 如图 1 所示，假设综合导航系统收到“36”基准信号的时刻为 t36，间隔 T 后收到“35”基准信号，由于已知 = 100 转/min，那么： f
10、35=35 次/转*100 转/min=3500 次/min=（3500/60）Hz58.33Hz f36=36 次/转* 100 转/min=3600 次/min=60.00Hz 根据 f35、f36 可以得出： T35=1/f35=（60/3500）s T36=1/f36=（1/60）s 5T=1/=0.01min/转=0.6s/转 由于 t36 是收到“36”基准信号的时刻，而每个“36”基准信号之间的角度间隔为 10，那么从发出“北”基准信号后到发出第一个“36”基准信号的时间间隔为（10/360）0.6s。由此可得： 起始时刻 t0=t36-T/（T35-T36）（10/360）0.
11、6st36-35T 尽管在定向工作方式下，综合导航系统未接收到地面台发出“北”信号的起始时刻 t0，但其通过分别接收到“35” 、 “36”基准信号的时间，通过上述公式也可以得到起始时刻 t0。这样，在地面台旋转一周时，在综合导航系统仅收到三个信号的情况下，同样可以测得飞机的方位。 2 方位模拟器的设计 综合导航系统在地面进行检测时，由于受到场地的限制，无法使综合导航系统不断相对于地面台形成所需要的测量方位，所以在地面检测过程中，就无法直接使用原地面台对综合导航系统进行检测。为了达到快速全方位检测的目的，就需要对原地面台的信号发射方式和发射频率做出调整，以满足综合导航系统在地面全方位的检测。下
12、面分别给出在全向和定向两种工作方式下，根据综合导航系统在实际飞行过程中收到的“35” 、 “36”基准信号和可变方位信号作为参考，设计出的方位模拟器的工作原理。 2.1 全向工作方式下方位模拟器的设计 根据相关技术规范的要求，要求地面台方位模拟器，应该模拟产生使综合导航系统相对于地面台分别处于 30、60、360等 12 个检6测方位的信号，观察综合导航系统中的方位指示器是否能够正确指示，进而判断综合导航系统中方位系统工作是否正常。 根据全向工作方式下，对综合导航系统在地面台旋转一周所收到的信号进行分析可知，地面台发出两个“35” 、 “36”基准信号主要作用是向综合导航系统提供接收到“北”向
13、基准信号的时刻，由于基准信号的全向性，地面台方位模拟器发出的两个“35” 、 “36”基准信号完全可以与实际地面台发出的两个“35” 、 “36”基准信号相同。但由于由可变方位发射机发出的定向信号是定向的，为了使综合导航系统中的方位指示器指示所需要的检测角度，应始终将方位发射机对准被测的综合导航系统，并根据检测角度，调整其发射方位信号的时间。其相互关系如下： 由于天线旋转一周的时间为 0.6s，假设发出的“北”信号的起始时刻 t0，需要方位指示器指示的角度为 A，那么方位信号发射的时间应该为： t 方位=t0+（A/360）0.6st0+A0.00166667s 2.2 定向工作方式下方位模拟
14、器的设计 根据综合导航系统处于定向工作状态下的工作原理可知，综合导航系统在地面台旋转一周所收到的信号仅有三个信号，分别为一个“35”基准信号、一个“36”基准信号以及一个方位信号。但是在地面模拟的过程中，当可变方位发射机所形成的电磁场始终辐射到机载综合导航设备时，综合导航系统即便处于定向工作方式下，但对于“35” 、 “36”基准信号始终处于接收状态。若“35” 、 “36”基准信号仍按照原有的旋转一周分别发射 35 和 36 个信号的情况下，是无法完成综合导航系统在定7向工作方式下的方位检测。 因此，为了使综合导航系统中方位指示器正确指示检测角度，不但要调整可变方位发射机的发射时间，而且对于
15、“35” 、 “36”基准信号的发射频率和时间进行调整，使“35” 、 “36”基准信号在天线旋转一周只发射一次信号，且其发射时间的相互关系应满足如下关系： 设定“北”信号的起始时刻 t0，需要方位指示器指示的角度为 A，那么“35” 、 “36”基准信号以及方位信号发射的时间应该为： t 方位=t0+（A/360）0.6st0+A0.00166667s t36=t0+（A/360）0.6st0+A0.00166667s t35=t36+（A/10）（T35-T36）t36+A0.00004762s 2.3 实验验证 通过上述的阐述，运用数字频率合成技术和时序电路，设计出了一种便携式综合导航系
16、统方位模拟器，并对综合导航系统在全向和定向工作方式下进行了检测，相关数据见表 1 和表 2。 通过测量数据可以发现，根据上述设计思路制作出的地面台模拟器，完全能够满足综合导航系统中方位系统的地面检测需要。 3 结束语 采用上述设计思路制作的地面模拟器，在综合导航系统检测过程中，不但操作简便，而且在信息传输过程中不易受到干扰因素的影响，稳定性高。由于其体积较小，便于携带，能够在各种复杂条件下，快速完成对综合导航系统中方位系统的检测，从而确保了飞机在飞行过程中的定位精度。 8参考文献： 1褚振勇，齐亮，田红心，高楷娟.FPGA 设计及应用M.二版.西安：西安电子科技大学出版社，2006，12. 2李行善，左毅，孙杰.自动测试系统集成技术M.北京：电子工业出版社，2004，6. 3蒋焕文，孙续.电子测量M.二版.北京：中国计量出版社，1988. 4屠良尧，李海涛.数字信号处理与 VXI 自动化测试技术M.国防工业出版社，2000. 5Cypress Semiconductor Corporation.CY7C68O13A Datasheet .USA.2002.7. 6Cypress Semiconductor Corporation.EZ-USB FX2 Technical Reference ManHa J Version 2.1.USA ，2002.
