一种无线电高度表试验器的设计研究

邓向俊，田裕鹏

（1.南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210000；2.成都国营锦江机器厂，四川 成都 610041）

无线电高度表通过测量无线电波从飞机发射到地面，再由地面返回飞机所经历的时间，经一系列计算，实时测算飞机对地高度，并将测算的高度信息传送至综合任务系统等相关设备作为重要参数使用，在飞机处于低高度时作用格外明显。在直升机整机定期检测维修时，重要机载设备的常规性能检测有助于提高整机安全系数，因此，设计研制对应型号无线电高度表试验器，有利于及时有效诊断该型产品性能，及时排除故障，提高产品可靠性[1]，保障飞行安全。

当前直升机维修工厂常用的无线电高度表检测设备分为手动测试设备和自动测试设备两种，手动测试设备存在接线、操作复杂，接口损耗大等缺陷；自动测试设备存在模拟高度准确度不高、测试灵活性低等缺陷；两者都存在测试数据分散、难以系统分析的问题。本文以某型连续波调频体制无线电高度表为测试目标，运用自动测控和数据库技术，设计研究一种测试精度高、效率高，具备在线测量及数据分析功能的无线电高度表试验器。

1 系统功能及工作原理

某型无线电高度表系统（含无线电高度表收发机、接收天线、发射天线、电缆）装配于某新型直升机，采用连续波调频恒定差拍频率体制，该型无线电高度表收发机由射频组件、转接板、低频放大器板和低频处理器板组成，以微处理器为中心，完成射频电路和低频伺服环路的监控、校准、高度参数的测量和输出，是无线电高度表系统的核心。

1.1 系统功能

设计该型无线电高度表试验器，能模拟地面及飞行状态给定无线电高度表相关信号，测试无线电高度表消耗电流、高度有效与灵敏度、模拟高度输出信号、测高精度、自检功能、中心频率、发射功率、零高度校准功能等各项性能参数[2]，将测试数据保存，建立数据库并对历次数据进行自动分析，根据分析结果判断产品故障点，辅助排除故障。

1.2 工作原理

根据测试项目及实现方式，设计试验器由电源箱、工控机、接口适配器、射频同轴开关、衰减器和频谱仪、微波功率计等组成。系统上电后，测试高度值及灵敏度等性能时，无线电高度表通过发射接口向外部发射射频信号，由工控机[3]控制射频同轴开关选择指定高度的延迟线，模拟某一飞行高度，信号经衰减器衰减后传输回无线电高度表收发机接收端；测试频率及发射功率时则由工控机控制射频同轴开关接通频谱仪或微波功率计，并控制这两台仪器。系统框图见图1。

图1 系统框图

2 系统总体设计

测试系统采用模块化、综合化的设计思想，最大限度模拟高空环境，降低信号损耗，提高测试精度和测试效率，同时对测试数据进行分析，辅助完成故障定位和故障隔离。

试验器内部集成由ARINC429板卡、数字电压模块、频谱仪、微波功率计、衰减器、延迟线和电源系统，以及对所有资源信号进行适配的接口适配器构成。电源系统用于为整个设备及被测件供电；以工控机、ARINC429板卡、频谱仪、功率计、衰减器等为主要部件的控制系统是试验器测试的核心硬件，控制系统为整个试验器测试平台提供测试资源，并且对测试资源进行控制；接口适配器是测试资源与收发机之间的桥梁，实现对测试资源的引入、切换、分配和转接等功能。

2.1 控制系统设计

控制系统主要由工控机、ARINC429板卡、频谱仪、微波功率计、数字电压模块、同轴射频开关、显示器、键鼠等部分组成。

系统通过连接器与接口适配器连接，实现与被测件的数据交互；通过ARINC429板卡读取被测件429总线数据，实现与被测件之间总线交互。射频模块采用微波延迟线，模拟直升机产生四个固定高度。同轴射频开关实现频率测试、功率测试、高度测试、灵敏度测试的自由切换。数字电压模块监控系统工作电压，超压告警。微波功率计通过USB与工控机进行通信，测试发射功率；频谱仪通过RS232接口与工控机进行通信，测试工作频率和带宽。交联图如图2。

图2 系统交联图

2.2 接口适配设计

接口适配器主要实现信号的分配以及和被测部件的连接，由继电器矩阵进行信号的切换和转接不同的通道，还可以实现模拟电压信号的采集和控制电源的功能，设计测试接口用于设备计量和调试。

接口适配器主要由继电器矩阵板以及测试连接器等组成，继电器矩阵板为所有信号通道、电源、采集进行切换，适配器与无线电高度表收发机连接，在所需通道数的基础上作出一定预留，各个通道数量如表1。

表1 测试通道数量表

2.3 电源模块设计

电源模块主要是为试验器提供交流220 V、直流28 V电源，以及提供过流保护、短路保护、电压电流指示等功能。电源系统主要由开关电源模块、数显电压表、数显电流表、空气开关、自锁连接器等部件组成，总开关控制整个测试系统的电源通断，数显电压表、数显电流表实时显示当前系统的电压和电流，保险管在过流、短路时实现系统的安全保护。

设备各种电源都是由220 V交流电源转换而来，28 V直流供电由开关电源转换得到，输出电流为5 A。220 V市电接入后首先利用保险管与空气开关实现过流、短路的保护，再通过滤波器减少EMI干扰，通过电源开关提供整个测试系统的电源，28 V控制电源模块将交流220 V转换成直流28 V，连接到接口适配器，220 V也供给各个仪器、工控机、显示屏等设备。如图3所示。

图3 电源模块原理图

3 软件设计

软件是无线电高度表收发机试验器的重要组成部分，实现控制试验设备信号激励器采集测试信号、监控总线信号、仿真总线信号和测试数据后期处理等功能。软件设计上采用框架式的测试软件结构、模块化的独立功能封装，通过执行测试软件进行测试流程控制、参数测试、信号监控与仿真、数据分析和处理。

3.1 设计思想

功能上，测试软件分为四个层次，分别是应用管理层、应用执行层、应用服务层、设备驱动程序层。设备驱动程序层是一般意义下的应用程序编程接口API，各测试平台根据配置硬件不同，对本层进行设计。应用服务层实现公共服务的按类综合，如硬件资源管理器服务、综合数据库操作、故障诊断、人工引导探针驱动、公用数据处理算法等，形成即插即用的软构件。应用执行层由一系列的可执行的应用程序组成，实现软件框架的各项功能。应用管理层实现应用程序的管理与任务调度。

3.2 数据库部分

数据库包含四类：用户相关表、系统配置相关表、系统维护相关表、数据存储相关表，结构如图4所示。

图4 数据库结构图

（1）用户相关表包括测试系统软件所有的用户信息及分配的权限；

（2）系统配置相关表包含硬件参数配置表、测试参数配置表和系统参数配置表，这些表对应配置系统所驱动的硬件的相关参数、配置系统测试流程的相关参数和测试系统软件运行的基本参数；

（3）系统维护相关表涵盖系统维护的相关配置参数，保障了设备的稳定和测试精度；

（4）数据存储相关表分为历史测试报告数据表、详细测试数据数据表和系统日志表。历史测试报告数据表记录所有的测试报告数据；详细测试数据数据表对应历史测试报告数据表，记录所有的历史测试数据；系统日志表以天为单位记录软件的使用信息。

3.3 应用软件部分

应用软件分成测试运行、数据管理、用户管理、系统维护、帮助5个部分，结构如图5所示。数据管理模块调用数据库操作组件和数据导出组件实现数据查询、数据分析等功能，向用户提供文档形式的帮助信息。

图5 应用程序结构图

其中数据分析部分具备自动学习能力，初始状态对实测值与理想值进行对比，对超出理想值范围的数据，根据无线电高度表收发机工作原理给出可能的故障部位（多定位到模块级），在后期无线电高度表维护修理过程中不断录入实际故障部位，定位到元器件级，数据分析时向用户提供历史故障信息，便于提高故障排除效率。

4 试验验证

使用一套机上性能良好的某型无线电高度表与该试验器连接，按测试软件操作界面提示进行操作，开展试验验证，测试结果显示各项性能合格。测试记录见表2。

表2 某件无线电高度表测试记录

另将一套机上无高度输出的无线电高度表与该试验器连接，试验显示无线电高度表故障，提示可能为低频放大器板故障。经验证，实际确实为低频放大器板故障，试验器为排除故障较好地缩小了排查范围。

5 结论

通过上位机控制同轴开关选择不同高度的模拟延迟线、控制频谱仪测试射频频率及带宽、控制功率计测试发射功率、与429总线通信读取总线信号，经试验验证，能实现对无线电高度表各项性能的检测，并能提高测试效率。定期校准延迟线，可提高测试精度。通过数据记录、数据分析和数据学习，辅助故障定位，提高修理效率和修理深度，对航空维修企业具有重要意义。