機(jī)動(dòng)航管雷達(dá)折疊陣面的全自動(dòng)展收控制*

施 勤，陳玉振，彭國(guó)朋

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

機(jī)動(dòng)航管雷達(dá)折疊陣面的全自動(dòng)展收控制*

施 勤，陳玉振，彭國(guó)朋

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

航管雷達(dá)是航空管理系統(tǒng)的重要信息源，而高機(jī)動(dòng)車載航管雷達(dá)在緊急情況下，可機(jī)動(dòng)至作戰(zhàn)或救援區(qū)域?qū)嵤┛罩薪煌ü苤?，彌補(bǔ)了固定航管雷達(dá)的不足。文中針對(duì)機(jī)動(dòng)航管雷達(dá)陣面的可折疊結(jié)構(gòu)形式，采用基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的模塊化控制理念，從硬件電路設(shè)計(jì)、檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)、控制流程設(shè)計(jì)、軟件安全性設(shè)計(jì)等方面，論述了雷達(dá)陣面“一鍵式”全自動(dòng)展開(kāi)和收攏的控制方法，同時(shí)從工程運(yùn)用的實(shí)際角度出發(fā)，闡述了控制冗余的重要性，極大地提高了車載航管雷達(dá)的自動(dòng)化水平及高機(jī)動(dòng)性能。

航管雷達(dá)；機(jī)動(dòng)性；分布式控制；展開(kāi)和收攏

引 言

目前包含二次雷達(dá)的移動(dòng)式管制中心系統(tǒng)已經(jīng)得到了可靠運(yùn)用。隨著高機(jī)動(dòng)雷達(dá)技術(shù)的日益發(fā)展，如何將一次雷達(dá)與二次雷達(dá)融合，實(shí)現(xiàn)飛行目標(biāo)一次/二次相關(guān)監(jiān)視，研發(fā)具備高機(jī)動(dòng)性能的車載航管雷達(dá)，成為了熱點(diǎn)。這種雷達(dá)在固定式管制中心系統(tǒng)遭到破壞出現(xiàn)失能時(shí)，能夠接替其完成管制指揮工作，在戰(zhàn)時(shí)或應(yīng)急情況下(比如發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)、地震或其他應(yīng)急突發(fā)事件時(shí))，可迅速抵達(dá)指定區(qū)域，完成空中交通管制保障任務(wù)[1]。

雷達(dá)陣面的可折疊是車載機(jī)動(dòng)的前提，如何對(duì)折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使其迅速可靠地展開(kāi)或收攏是自動(dòng)控制的要點(diǎn)。本文針對(duì)具有二次天線、饋源機(jī)構(gòu)等折疊結(jié)構(gòu)形式的雷達(dá)陣面，基于液壓主控模式，提供了雷達(dá)陣面機(jī)構(gòu)動(dòng)作的“一鍵式”控制策略，極大地簡(jiǎn)化了操作，并提高了雷達(dá)架設(shè)撤收的自動(dòng)化性能。

1 折疊機(jī)構(gòu)的組成

根據(jù)實(shí)際指標(biāo)需求，車載機(jī)動(dòng)航管雷達(dá)陣面的形狀可多種多樣，為實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性，折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)亦精彩紛呈，而控制模式的不同直接影響其結(jié)構(gòu)形式。目前控制模式主要有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)2大類，這2大類可混合使用。

以基于液壓主控模式的主天線拋物陣面為例，它一般由陣面邊塊的折疊機(jī)構(gòu)(如圖1所示)、二次雷達(dá)天線的折疊機(jī)構(gòu)、饋源的折疊機(jī)構(gòu)(如圖2所示)、陣面整體翻轉(zhuǎn)的折疊機(jī)構(gòu)(如圖3所示)等幾個(gè)部分組成。

圖1 邊塊折疊機(jī)構(gòu)

圖2 饋源折疊機(jī)構(gòu)

圖3 陣面整體翻轉(zhuǎn)折疊機(jī)構(gòu)

對(duì)于折疊到位的機(jī)構(gòu)，為保證雷達(dá)天線工作轉(zhuǎn)動(dòng)中的穩(wěn)定性，可采用鎖定銷、鎖鉤[2]等鎖定裝置固定，本文所述的鎖定裝置采用液壓控制模式。

2 硬件控制電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制的關(guān)鍵是對(duì)各機(jī)構(gòu)狀態(tài)的可靠檢測(cè)。對(duì)于可折疊機(jī)構(gòu)，線纜的分布不能過(guò)多，運(yùn)用基于總線傳輸?shù)默F(xiàn)代模塊化控制理念，可減少線纜分布。系統(tǒng)由集中控制轉(zhuǎn)化為分布式控制，也將極大地提高系統(tǒng)的可靠性、可測(cè)試性及自動(dòng)化水平。而CAN是當(dāng)前流行的一種總線形式[3]，通過(guò)它可搭建全數(shù)字、分布式、網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式控制。

CAN總線控制構(gòu)架框圖如圖4所示。采用繼電控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各接觸器等功率電路的驅(qū)動(dòng)；采用信號(hào)檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各檢測(cè)狀態(tài)的采集；采用液壓閥控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各液壓閥的控制；采用人機(jī)界面控制模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等。也可通過(guò)總線傳輸控制命令，實(shí)現(xiàn)與其他電控模塊間的電液混合控制。

圖4 CAN總線控制構(gòu)架

完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU可作為各控制模塊的核心，這類單片機(jī)芯片內(nèi)集成了CAN2.0B控制器、數(shù)字I/O口、可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器、可尋址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口以及SPI、SMBus/I2C、UART等，可完成相應(yīng)的自動(dòng)控制功能。

3 檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

折疊機(jī)構(gòu)全自動(dòng)控制的檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)是控制流程得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，依據(jù)檢測(cè)內(nèi)容，大致可以分為以下幾類：

1)到位檢測(cè)。這是機(jī)構(gòu)到位檢測(cè)中用得最多的一類，目前一般采用感應(yīng)式接近開(kāi)關(guān)，因?yàn)槭欠墙佑|模式，可靠性較高。

2)角度檢測(cè)?？梢圆捎眯D(zhuǎn)變壓器進(jìn)行RDC轉(zhuǎn)換后獲取翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角度信息，也可以采用具有CAN總線傳輸功能的基于電磁感應(yīng)的絕對(duì)編碼器作為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度檢測(cè)。

3)壓力檢測(cè)。對(duì)于液壓系統(tǒng)而言，油壓可以間接反映承載，可以作為過(guò)載或油缸行程到位判據(jù)，也可以采用直接的承載檢測(cè)元件完成力的檢測(cè)。而對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)，還可以采用電流等其他檢測(cè)參數(shù)。

對(duì)于鎖定銷、鎖鉤等單一檢測(cè)類型的機(jī)構(gòu)(如圖5所示)，必須有明確的狀態(tài)檢測(cè)，以確保狀態(tài)的唯一性。例如：鎖定銷未鎖定并不表示其已解鎖，反之，鎖定銷未解鎖并不表示其已鎖定。必須用2個(gè)點(diǎn)各自完成檢測(cè)功能，如果01表示鎖定，則10表示解鎖，而00、11均為故障狀態(tài)。

圖5 鎖定裝置示意圖

充分利用檢測(cè)點(diǎn)的功能，形成聯(lián)合的復(fù)合判據(jù)，是提高全自動(dòng)安全性的必要條件，也是提高控制冗余度的基礎(chǔ)。例如：陣面翻轉(zhuǎn)到位檢測(cè)可以和角度值組合共同形成判定。合理地運(yùn)用復(fù)合判據(jù)可以較好地實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)安全性與完成率的平衡。檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)不周到將降低系統(tǒng)的安全性，但過(guò)于冗雜的檢查點(diǎn)組合雖然提高了安全性，卻降低了完成率，所以必須合理地進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)組合設(shè)計(jì)。

4 控制流程設(shè)計(jì)

建立嚴(yán)格的控制流程是全自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，必須充分考慮各種可能發(fā)生的干涉及安全性問(wèn)題。

首先，確定動(dòng)作順序。如圖6所示，陣面展開(kāi)時(shí)，邊塊、二次天線可以同時(shí)動(dòng)作。邊塊展開(kāi)到位且鎖定后，饋源動(dòng)作；饋源升到位且鎖定后，如果二次天線展開(kāi)到位且鎖定，則陣面進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作；陣面翻轉(zhuǎn)到位且鎖定后，流程結(jié)束。

圖6 陣面展開(kāi)動(dòng)作流程圖

其次，明確各動(dòng)作聯(lián)鎖關(guān)系，確定聯(lián)鎖約束關(guān)系表。以陣面翻轉(zhuǎn)為例，建立某陣面翻轉(zhuǎn)動(dòng)作約束關(guān)系，見(jiàn)表1。必須滿足表內(nèi)所有約束條件，才能進(jìn)行陣面翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

表1 陣面翻轉(zhuǎn)約束關(guān)系表

最后，必須明確各動(dòng)作到位的狀態(tài)判據(jù)，并保證控制的冗余度，以確保全自動(dòng)的可靠性。例如：陣面翻轉(zhuǎn)的前一個(gè)動(dòng)作是邊塊、饋源、二次天線展開(kāi)到位并鎖定。對(duì)于鎖定狀態(tài)的判斷必須可靠，不能只依據(jù)一次采樣結(jié)果進(jìn)行判定，在允許的時(shí)間內(nèi)(如500 ms)每一次的采樣結(jié)果一致，方能判為有效。

5 軟件的安全性設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，軟件在工程中的作用日趨重要?；诂F(xiàn)有的硬件平臺(tái)，通過(guò)軟件代碼的編制，可以實(shí)現(xiàn)非常豐富復(fù)雜的流程控制，軟件調(diào)試也成為后期工程調(diào)試的主角。實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)流程控制的軟件，除按嚴(yán)格的聯(lián)鎖流程進(jìn)行設(shè)計(jì)外，其安全性還包含以下幾個(gè)方面：

1)數(shù)據(jù)采樣的可靠性。為保證全自動(dòng)的安全性，對(duì)獲取的各狀態(tài)信息，運(yùn)用軟件濾波的方式(如α、β濾波或平均值濾波等)剔除野值。濾波會(huì)影響動(dòng)作切換的快速性，但對(duì)于動(dòng)態(tài)要求不高的系統(tǒng)可極大地提高系統(tǒng)的安全性。穩(wěn)定性與快速性的平衡始終是自動(dòng)控制的精髓所在，需要根據(jù)實(shí)際工程需求進(jìn)行權(quán)衡。

2)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的丟失檢測(cè)。某些固定修正誤差需要存儲(chǔ)在非易失FLASH中，一旦丟失將影響系統(tǒng)精度，因此存儲(chǔ)時(shí)可通過(guò)報(bào)文加字頭以及CRC校驗(yàn)或簡(jiǎn)單的和校驗(yàn)等模式進(jìn)行存儲(chǔ)。開(kāi)機(jī)讀取時(shí)完成數(shù)據(jù)比對(duì)，若發(fā)現(xiàn)FLASH數(shù)據(jù)丟失則報(bào)警提示，以避免產(chǎn)生不良后果。

3)交互界面的人性化設(shè)計(jì)。一目了然的人機(jī)界面可提高操作的安全性。菜單模式按功能劃分，因而顯得清晰，是監(jiān)控的首選。按照不同的工作需求，可分為操作、調(diào)試、BITE檢測(cè)等菜單。顯控界面除了顯示所有的檢測(cè)點(diǎn)狀態(tài)外，還可根據(jù)約束關(guān)系表給出允許的動(dòng)作提示，設(shè)計(jì)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)效果。

6 工程應(yīng)用的應(yīng)急措施

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)元件失效或由結(jié)構(gòu)輕微變形導(dǎo)致的檢測(cè)位置變化等現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，全自動(dòng)控制就將失敗，但僅由檢測(cè)元件問(wèn)題導(dǎo)致的控制流程失敗，并不表示實(shí)際動(dòng)作時(shí)的結(jié)構(gòu)干涉。因此，在緊急情況下，在確保機(jī)構(gòu)可動(dòng)作的前提下，可以采用應(yīng)急模式，規(guī)避掉有故障的檢測(cè)點(diǎn)，以單步動(dòng)作的方式完成對(duì)雷達(dá)陣面的展開(kāi)和收攏操作。為保證應(yīng)急操作的可靠性，只能采用單步應(yīng)急模式而非屏蔽所有檢測(cè)點(diǎn)的全面應(yīng)急模式。同時(shí)，還可以通過(guò)設(shè)置密碼的方式，使應(yīng)急模式只對(duì)受過(guò)培訓(xùn)的專業(yè)人員開(kāi)放。

7 結(jié)束語(yǔ)

基于分布式控制理念，采用先進(jìn)的總線型模塊化構(gòu)架，通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)完成的車載航管雷達(dá)機(jī)電一體化系統(tǒng)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)陣面的“一鍵式”展開(kāi)和撤收控制，使航管雷達(dá)的高機(jī)動(dòng)性成為可能。這一控制模式不僅可推廣至地面機(jī)動(dòng)雷達(dá)，還可運(yùn)用于其他工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

[1] 任勝利. 車載航管雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(1): 14-17.

[2] 岳振興. 一種新型鎖緊裝置在高機(jī)動(dòng)雷達(dá)中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2013, 29(3): 29-32.

[3] 杜尚豐. CAN總線測(cè)控技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

施 勤(1966-)，女，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事地面情報(bào)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

陳玉振(1982-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)與仿真工作。

彭國(guó)朋(1981-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真工作。

Automatic Deploying & Retracting Control for Foldable Array of Mobile Air Traffic Control Radar

SHI Qin，CHEN Yu-zhen，PENG Guo-peng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The air traffic control radar is the important information source of the air traffic control system. And the highly mobile vehicle-borne air traffic control radar can be transferred to the battle field or the rescue region to control the air traffic, which compensates the disadvantage of the fixed air traffic control radar. In this paper on the basis of the foldable array structure and the modular control concept based on the network architecture, the one-button automatic deploying and retracting control methods of the radar array are discussed from the hardware circuit design, the test point design, the control procedure design, the software safety design etc. Meanwhile, the importance of the control redundancy is described from the practical application. As a result, the mobility and the automatization level of the vehicle-borne air traffic control radar are greatly improved.

air traffic control radar; mobility; distributed control; deploying & retracting

2015-07-16

TN957.8

A

1008-5300(2016)01-0055-04