基于FPGA的雙通道無線電羅盤激勵器的設計

陳偉 王杰 楊見 蔣鑫

（九州空管科技有限責任公司 四川省綿陽市 621000）

無線電羅盤又稱自動定向儀（ADF），能夠準確的測出飛機相對與地面導航臺的方位，實現(xiàn)飛機的定位，引導飛機沿正確的航向飛行與進場著陸[1,2]。無線電羅盤的工作頻率范圍為150kHz～1.75GHz，能夠利用無方向信標和和民用廣播電臺進行定向，是我國飛機導航的重要裝備，在近距離導航和飛機安全著陸方面有著至關(guān)重要的作用[3,4,5]。因此，機載無線電羅盤是否可以正常工作以及工作時是否保持良好的性能對于飛機的安全飛行和著陸有著至關(guān)重要的意義，所以需要定期的對機載無線電羅盤進行檢測與維護[6,7]。無線電羅盤由環(huán)形天線和垂直天線實現(xiàn)對地面無線電信號的接收，通過對環(huán)形天線和垂直天線無線電信號的提取與分析能夠解析出飛機相對于地面導航臺的方位角[8,9,10]。無線電羅盤激勵器模擬無線電羅盤天線系統(tǒng)，輸出用于飛機定向的天線信號，激勵無線電羅盤完成無線電羅盤性能的檢測。本文設計的雙通道無線電羅盤激勵器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出的無線電激勵信號通道可控、頻率可控、方位角可控并且能夠?qū)崟r顯示激勵信號的通道及通道參數(shù)。

1 無線電羅盤定向原理

無線電羅盤接收天線由環(huán)形天線和垂直天線以及天線信號處理電路組成，其工作頻率范圍為 150kHz～1.75GHz。環(huán)形天線是定向天線，其方向性是在水平面內(nèi)以環(huán)形天線為中心的“8”字圖形，當飛機處于地面導航臺的正前方或者正后方時僅靠環(huán)形天線無法識別飛機相對于導航臺的方位。因此，需要加垂直天線，通過垂直天線和環(huán)形天線組合而成的組合天線實現(xiàn)飛機的定位。組合天線的方向性是一個“心”形圖形，具有單值定向的特性，利用這一特性可以實現(xiàn)無線電羅盤激勵器的設計。

設導航臺發(fā)射的信號為sinωt，垂直天線的等效高度為hv，環(huán)型天線的等效高度為hl，θ為飛機相對導航臺的方位角。則垂直天線等效信號為式（1）：

兩路水平天線的等效信號分別為式（2）和式（3）：

由羅盤接收機輸出到天線系統(tǒng)的兩路正交的調(diào)制信號為sinφt和cosφt，兩環(huán)形天線被羅盤接收機輸出的調(diào)制信號調(diào)制后得到的兩環(huán)形天線信號分別為式（4）和式（5）：

兩環(huán)形天線疊加并移相后為式（6）：

環(huán)形天線與垂直天線疊加后的信號如式（7）：

式（7）即為羅盤組合天線輸出的信號。由此可知飛機方位角θ即為羅盤組合天線輸出信號的包絡與無線電羅盤輸出的低頻調(diào)制信號相位差。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的雙通道無線電羅盤激勵器由上位機、信號處理板、和可視化界面組成。上位機通過網(wǎng)口下發(fā)通道切換命令以及通道1和通道2的無線電信號頻率和方位角。可視化界面用于顯示當前選擇的通道以及通道輸出的模擬信號的頻率和方位。信號處理板主要完成四項功能：

（1）將上位機下發(fā)的命令解析后通過串口發(fā)送給可視化界面；

（2）對無線電羅盤輸入的兩路低頻調(diào)制信號sinφt、cosφt進行濾波和采集；

（3）根據(jù)上位機下發(fā)的激勵信號的參數(shù)和外部輸入的調(diào)制信號生成無線電羅盤激勵信號。

（4）對生成的無線電羅盤激勵信號進行整形和衰減。雙通道無線電羅盤激勵器組成如圖1所示。

圖1：無線電羅盤激勵器結(jié)構(gòu)圖

圖1中 cos1、sin1、cos2、sin2均來自無線電羅盤系統(tǒng)且信號頻率均為100hz。激勵信號1、激勵信號2分別為通道1、通道2輸出的激勵信號，最大幅度均為1mv，輸出到無線電羅盤系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)仿真與實驗驗證

3.1 系統(tǒng)仿真

無線電羅盤的工作頻率范圍一般為 150kHz-1.75GkHz，仿真時取中間頻率1GHz。用FPGA DDS IP核模擬外部提供的調(diào)制信號sinφt、cosφt，其頻率為100Hz。設置方位角為0°、90°、180°和270°進行激勵器輸出信號仿真。仿真結(jié)果分別如圖3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

圖2中各子圖上方的波形為調(diào)制信號cosφt，下方的波形為激勵器輸出到羅盤的模擬信號。圖2(a)中調(diào)制信號cosφt與激勵器輸出到羅盤的模擬信號的包絡相位相差為0°；圖2(b)中調(diào)制信號cosφt與激勵器輸出到羅盤的模擬信號的包絡相位相差為90°；圖2(c)中調(diào)制信號cosφt與激勵器輸出到羅盤的模擬信號的包絡相位相差為180°；圖2(d)中調(diào)制信號cosφt與激勵器輸出到羅盤的模擬信號的包絡相位相差為270°。仿真結(jié)果與系統(tǒng)設置一致。

圖2：方位角為0度仿真結(jié)果圖

無線電羅盤可解析的導航臺頻率與導航臺實際的發(fā)射的電磁波的頻率一致是無線電羅盤正確解出方位的關(guān)鍵，也就是需要保證上位機下發(fā)的無線電羅盤天線接收信號的頻率與無線電羅盤激勵器輸出信號含有的高頻信號保持一致。設置外部輸入載波頻率為100Hz，飛機方位角為180°模擬地面導航臺發(fā)射電磁波的頻率分別為150kHz和300kHz進行無線電羅盤激勵器輸出信號的仿真。

無線電羅盤輸出的激勵信號的頻率與上位機下發(fā)的頻率一致。

3.2 實驗驗證

針對某型號飛機無線電羅盤進行了測試。上位機設置測試頻率設置范圍為150kHz到1750kHz，頻率步進為100kHz；測試角度設置范圍為0°到355°，角度步進為5°進行雙通道無線電羅盤激勵器的測試。測試結(jié)果顯示無線電羅盤能夠正確的解出通道1和通道2設置的角度。且在激勵角度為0°時，角度最大誤差為0.4°；其他激勵角度下誤差均小于0.7°。滿足0位誤差為±0.5°，方位誤差為±1°的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

為完成某型號飛機無線電羅盤的出廠和維護測試，設計了雙通道無線電羅盤激勵器。首先分析了無線電羅盤的工作原理，根據(jù)無線電羅盤的工作原理進行了詳細的系統(tǒng)設計。然后針對地面無線電信號的頻率為1GHz，飛機方位角分別為0°、90°、180°和270°，進行了無線電羅盤激勵器的仿真，仿真結(jié)果顯示無線電羅盤激勵器輸出信號的角度與設置的角度一致；隨后模擬飛機方位角為180度、地面無線電信號的頻率分別為150kHz和300kHz，進行了無線電羅盤激勵器的仿真，仿真結(jié)果顯示無線電羅盤激勵器輸出信號包含的信號頻率與設置的信號頻率一致。最后在某型號飛機平臺上進行了雙通到無線電羅盤激勵器的驗證，驗證結(jié)果顯示無線電羅盤都能正確的解出雙通道無線電羅盤激勵器每個通道設置的飛機方位角，且在激勵角度0°時，角度最大誤差為0.4°其他激勵角度下誤差均小于0.7°。滿足0位誤差為±0.5°，方位誤差為±1°的技術(shù)要求。