基于模块化的空管设备虚拟仿真平台研究

王杰 王轩

摘要：目的：通过虚拟仿真搭建一套空管设备模拟运行平台，在节约大量财力物力的基础上实现空管技术保障人员对典型设备的原理掌握及故障复现，并力求对未来空管设备的改扩建起到一定的指导意义。方法：将部分典型空管设备在工作原理层面上进行模块化拆分，并通过MATLAB GUI及SIMULINK功能进行平台仿真。结果：对典型空管设备的关键原理点进行了仿真，并以图形化的界面直观的进行了显示。同时实现了典型空管设备的故障模拟及复现。结论：利用MATLAB对部分典型空管设备进行了模块化的仿真，并通过直观的图形界面进行了显示，相较于以实际设备搭建测试平台，节约了大量的财力和物力，同时可以有效地模拟设备故障，实现故障复现，对空管技术保障人员掌握典型设备原理，提升运维水平有良好的促进作用。

关键词：空管设备;模块化;MATLAB;虚拟仿真

0 引言

迄今为止，针对空管典型设备的模块化仿真研究鲜有报道。同时，已有文献资料显示这些仿真平台大都仅局限于单一设备或模块，全系统级和多系统集成仿真未曾看到。其中，在空管二次雷达系统仿真层面，电子科技大学的张清平[1]，中国民航大学的杨思[2]，西南交通大学的孙雪冬[3]等人都曾做过一些卓有成效的研究;在甚高频辐射和电磁传播仿真层面，中国民航大学的姜鸿晔[4]、周宏宇[5]、李朝阳[5]等人都曾有相关研究成果公布，但是大部分研究人员都局限于传播模型的研究，结合高保真地形的设台传播仿真还很少见;在多点定位系统布站方面，中国民航大学的李家蓬[6]、田梅[7]等人的研究已相当深入，但是，上述研究也仅从几何精度因子方面给出了不同布站方式的精度范围，对于结合一定的选站策略和实际地形遮蔽进行的多点定位研究还很少见。至于针对导航等设备的模块化仿真平台更是少之又少。

鉴于上文所述，本文提出了一种基于模块化的空管设备虚拟仿真平台设计方法。首先对仿真平台进行了介绍，对平台涉及的主要的显示界面进行了设计，并以空管二次雷达为例对主要功能菜单进行了总结。然后对部分仿真成果进行了介绍。本文所提的空管设备虚拟仿真平台，是一个多系统集合的仿真平台，具备模拟设备模块故障以及辅助空管设备改扩建等复杂功能。

1 虚拟仿真平台设计

在民航空管设备中，系统繁杂，不易搭建系统测试平台，耗资巨大的典型设备主要包括空管二次雷达、场监雷达和导航设备。本文所提的基于模块化的空管设备虚拟仿真平台，主要针对的就是上述设备的系统级MATLAB仿真。同时，为了满足甚高频台站以及多点定位设备远端站迁址布站，改扩建等的需要，还提出了基于真实地形的高保真仿真方法。

本文中所提的基于模块化的空管设备虚拟仿真平台利用MATLAB GUI和SIMULINK功能进行开发。MATLAB GUI功能相当强大，在继承了MATLAB强大的数据分析能力的基础上，通过简单的模块拼接可以实现相对美观的图形界面设计，同时也可以轻松的实现可执行文件封装。而MATLAB SIMULINK功能则更偏向于硬件平台的模拟，在平台仿真中需要SIMULINK进行一些功能实现。当然，MATLAB能够实现GUI对SIMULINK模块的调用，这些友好的软件功能特性，为空管设备虚拟仿真平台的实现创造了可能。

平台设计的初衷是力求簡洁，以胶东新机场作为背景图片，除蓝色的仿真平台名称外，平台涉及的各分系统均以浅绿色BUTTON按钮呈现，点击相关按钮可以进入对应系统模块的仿真界面。从平台主界面也可以看出，空管设备虚拟仿真平台基本可以分成两大类，一大类是以二次雷达、场监雷达、导航设备等为代表的系统原理和故障模拟类仿真。另一类是以甚高频和多点定位系统为代表的验证设计类仿真。

空管设备虚拟仿真平台涉及的其他系统的设计思路与上文所提的二次雷达系统基本类似，力求以子菜单和功能键的方式呈现，各系统参数设定及仿真结果都会在子菜单中以弹窗的形式展示。

2 仿真成果介绍

基于模块化的空管设备虚拟仿真平台经过前期的研究，已经形成了一部分成果，其中有些仿真结果还在现实中得到了应用。下文就已有仿真成果做一个介绍。

在二次雷达系统模块仿真中，阵列天线相关参数的仿真至关重要。该雷达实测场型有旁瓣穿刺的现象，导致假目标的产生。该仿真中假设天线阵元存在一定的幅相误差，仿真结果显示当天线阵存在幅相误差时会导致旁瓣太高，与实测场型对比，说明该雷达的天线阵列存在幅相误差是导致旁瓣穿刺的原因之一。

对于空管二次雷达，单脉冲测角可以有效提高测角的精度，和波束及差波束是单脉冲测角的核心，本文所提的虚拟仿真平台也具备和差波束的仿真能力。

本文所提的基于模块化的空管设备虚拟仿真平台对于甚高频和多点定位系统的仿真最突出的特点在于高保真的地理环境仿真。因此，本文中将DEM（数字高程）数据和DLCD（地表分类覆盖）数据引入到平台仿真中，实现了真实的地理信息数据抓取和仿真。

3 结束语

本文提出的基于模块化的空管设备虚拟仿真平台是一个多系统集成的通用仿真平台，希望通过对文中所提的空管重要设备的仿真来促进空管技术保障人员对现实设备的认识和提升运维保障能力。同时，本文所提仿真平台是一个相对庞杂的系统，目前还只是处于系统设计和部分功能仿真实现的初期阶段，后面还需要针对运维需求进行功能优化以及更完善的仿真验证。

参考文献：

[1]张清平.模块化二次雷达系统设计与实现[D].电子科技大学，2018.

[2]杨思.二次雷达仿真和实测数据质量评估[D].中国民航大学，2019.

[3]孙雪冬.二次雷达探测建模与仿真研究[D].西南交通大学，2017.

[4]姜鸿晔.飞机甚高频通信系统测试环境模拟与仿真[D].中国民航大学，2020.

[5]周宏宇，李朝阳.低空地空通信覆盖分析与仿真[J].信息通信，2017（03）：171-172.

[6]李家蓬.MLAT系统结构分析与仿真设计[D].中国民航大学，2015.

[7]田梅.MLAT系统及定位算法优化仿真研究[D].中国民航大学，2014.