中國民航大學電子信息與自動化學院 諶宇婷 盛志強 代王菲 李彬 童文濤 崔海青

為了滿足民航領域科研、教學對航線可更換單元的需求，本文提出了一種可通用的機載LRU 仿真組件的設計方法，其在硬件接口、電氣特性與真實組件保持一致，可通過對內(nèi)部電路，程序以及前面板的更換來實現(xiàn)不同仿真組件的功能。本文給出了該仿真設備的設計思路、實現(xiàn)方法以及用途，并且以甚高頻仿真組件為例，驗證所設計的一種機載LRU 通用接口仿真設備具有可行性與實用性。

航線可更換單元（Line Replaceable Unit，簡稱LRU）是可在工作現(xiàn)場從系統(tǒng)或設備上拆卸并更換的單元。它能在短的時間內(nèi)對故障部件進行拆裝更換，從而達到快速支撐、移動支撐和連續(xù)支撐的要求。目前已實現(xiàn)各類機載LRU 的研制，且各類LRU 的研制也使飛機在航線維修和維護中，在較短時間內(nèi)完成故障LRU 的更換，大大提高了飛機維修的效率。然而，一個真實的機載LRU 組件的實現(xiàn)成本是十分高昂的，在一般的與飛機相關的教學或者是一些關于飛機的仿真實驗中，采用高成本的機載LRU 組件是十分浪費財力資源的。為此，本文提出了設計一種仿真機載LRU 通用接口設備的設計方法，實現(xiàn)在接口規(guī)范及功能原理上仿真機載計算機、無線電通信導航領域的LRU 功能，并實現(xiàn)硬件部分的通用性和重復利用性。

在董建康等學者關于LRU 仿真件模型的研究文獻中，已經(jīng)提出用“功能模塊”法建立LRU 模型，在維修過程中的不同階段依次建立LRU 仿真件不同功能模型，使其滿足飛機維修仿真過程中的不同維修行為，并能夠用于飛機各類LRU 建模。本文依據(jù)前人已有的關于LRU組件功能模塊建模的思維，分析各類LRU 功能特性，根據(jù)各類LRU 的不同功能原理，通過更換只是面板和切換機箱內(nèi)部的仿真程序來實現(xiàn)不同LRU 仿真組件功能。

1 機載LRU 的分類

飛機是由飛機機體、飛機發(fā)動機和機載系統(tǒng)三大部分構成。其中機載系統(tǒng)主要實現(xiàn)飛機機械電力保障功能和飛機的信息管理作用。飛機的運行主要依靠系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互協(xié)作以及信號之間的相互關聯(lián)，而各系統(tǒng)又由更小的機械或者是電子、電氣組件相互連接而成。這些小型組件被稱為LRU。一旦飛機發(fā)生故障，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)對故障LRU 組件進行拆卸和替換，提高系統(tǒng)維修的效率和經(jīng)濟效益。飛機LRU 主要有電子、機械和發(fā)動機三類。如圖1 所示，電子類LRU 主要包括計算機、傳感器、繼電器、顯示器、開關等；機械類LRU主要包括：管道、活門、舵面、控制閥門等；而發(fā)動機則比較特殊，其內(nèi)部包含各種管道、活門等機械組件以及發(fā)電機和傳感器等電子組件。本文中提出的通用機載LRU 仿真設備設計可以實現(xiàn)對無線電通信導航領域中部分電子類LRU 的仿真，比如：VHF 組件、HF 組件、GPS 組件、ADS-B 組件等。

圖1 LRU 分類Fig.1 The classification of the LRU

2 通用機載LRU 仿真件的設計

通過以上分析，提出一種電子類LRU 仿真件的方法，設計出一種內(nèi)部結構相對簡單但又具有與真實機載LRU 組件相同的接口和功能的仿真組件。本設計中采用了軟件無線電技術，其中軟件無線電模塊用于收發(fā)無線電，并包含不同航電組件模型對應的多種工作模式。結合內(nèi)部電路模塊、指示面板的更換，通過仿真不同模型實現(xiàn)通用功能。除此之外，增加了故障注入模擬功能，用來配合LRU 工作狀態(tài)指示面板模塊實現(xiàn)自檢功能。

仿真設備包括機箱及其內(nèi)外部安裝的前面板、交直流電源板、CPU 板、軟件無線電模塊、離散IO 模塊、航空總線通信模塊、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化模塊、LRU 工作狀態(tài)指示面板、航空總線通信模塊、航空插頭。如圖2 所示。在仿真組件運行前，通過離散I/O 模塊輸出開關量信號，檢測組件是否準備完畢。在組件運行過程中，通過CPU板來控制軟件無線電模塊的工作模式與功能，軟件無線電模塊獲取從CPU 板接收的流圖設置信號，并基于流圖設置信號從多種工作模式中確定出目標工作模式。當組件運行時，天線會將接收到的信號經(jīng)過航空插頭輸入給軟件無線電模塊，軟件無線電模塊根據(jù)流圖設置信號處理后再通過CPU 板將信號輸入到數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化模塊，對信號進行格式化后輸出。LRU 工作狀態(tài)指示面板用來輸出LRU 組件的狀態(tài)。在組件運行過程中還可以利用航空總線通信模塊實現(xiàn)仿真設備于其他系統(tǒng)的通信，通過航空總線通信模塊對CPU 板發(fā)送“故障”指令實現(xiàn)模擬故障外部注入功能，并將檢測結果通過LRU 工作狀態(tài)指示板輸出。

圖2 LRU 仿真組件內(nèi)部結構圖Fig.2 The internal structure of the simulation of the LRU-component

下文以VHF 為例，對其設計思路與方法進行詳細的說明。所設計的甚高頻仿真件主要包括六個部分：仿真LRU 機箱、軟件無線電HackRF、樹莓派、工作狀態(tài)指示板、音頻輸入輸出模塊以及電源模塊。

3 各功能的實現(xiàn)

在甚高頻各功能模塊實現(xiàn)過程中，CPU 板起核心的控制作用。在選擇CPU 板時，可以考慮選擇使用單片機或是樹莓派作為甚高頻內(nèi)部電路的CPU 板，本文以樹莓派為例作為CPU 控制板。樹莓派主要功能包括：（1）向LRU 工作狀態(tài)指示面板輸出自檢結果。（2）與外部無線通信實現(xiàn)故障模擬注入功能。（3）基于軟件無線電模型進行編程和仿真。（4）向音頻輸入輸出模塊輸入解調(diào)信號。

3.1 信號接收與解調(diào)功能

利用軟件無線電實現(xiàn)信號的接收與解調(diào)。軟件無線電軟件硬件平臺采用HackRF One，軟件平臺采用GNU Radio，在GNU Radio 中搭建出如圖3 所示流圖。

圖3 基于GNU Radio 的VHF 信號接收流圖Fig.3 The flow chart of VHF reception based on the GNU Radio

流圖過程包括：

（1）HackRF 接收信號。osmocom Source 模塊用來接收AM 信號，使HackRF 工作于接收模式。設置采樣率samp_rate=10M，Ch0：Frequency（Hz）設置為變量center_freq，同時設置一個滑塊channel_freq，默認頻率為118.2MHz。

（2）頻譜搬移。用一個Signal Source 產(chǎn)生一個頻率為center_freq-channel_freq 的余弦波來與接收信號相乘，將目標頻率搬移到頻譜中心。channel_freq 的取值設定為一個可調(diào)節(jié)的變量channel_freq。

（3）低通濾波。低通濾波器的截止頻率設置為75kHz，過渡帶寬為25kHz，Decimation 抽取值為50，經(jīng)過此模塊后的采樣率由10MHz 變?yōu)榱?00kHz。

（4）重采樣。使用Rational Resampler 模塊來繼續(xù)調(diào)整采樣率。LP Filter 模塊中降低采樣率的比值Decimation只能設置為整數(shù)，Rational Resampler 模塊可以用非整數(shù)來更改采樣率，將其比值設置為12/5。經(jīng)過重采樣，采樣率變化為200k×12/5=480kHz。與接下來AM 解調(diào)模塊所需要的頻率相同。

（5）AM 解調(diào)。使用AM Demod 模塊來進行AM 解調(diào)，AM Demod 模塊將AM 無線電信號轉(zhuǎn)為實數(shù)音頻信號，其中Audio Decimation 為10，表示將采樣率480kHz 進一步降低10 倍，變?yōu)?8kHz，以此來適應 Audio Sink 所要求的48kHz。輸入的采樣率Channel Rate 設置為480kHz，Audio Pass 設置為6kHz，Audio Stop 設置為8kHz。

（6）音量調(diào)節(jié)。利用Multiply Constant 模塊對Audio Sink 入口的信號乘以一個量來實現(xiàn)調(diào)節(jié)聲音大小。

運行該GRC 程序后，可以看到如圖4 所示界面，并且能夠聽到天津的118.2MHz 的機場塔臺電臺，同時也可以通過輸入或者調(diào)節(jié)Channel Frequency 的值來獲取其他頻率的電臺。

圖4 接收信號頻域圖Fig.4 Frequency-domain picture of received signal

3.2 模擬故障注入功能

本設計通過航空總線通信模塊對樹莓派發(fā)送指令的方式，實現(xiàn)模擬故障外部注入功能。如圖5 所示，將樹莓派作為服務器，上位機作為客戶端，通過Socket 進行通信。設置樹莓派開機自啟服務器腳本，當仿真組件上電后，服務器會等待客戶端的連接，在客戶端連接成功后，可以向服務器輸入天線故障、信號解調(diào)故障等模擬故障情況，服務器會對指令進行響應后產(chǎn)生測試結果并輸出至LRU 工作狀態(tài)指示面板及客戶端。例如，當客戶端向服務器輸入天線故障，服務器接收到指令后會停止執(zhí)行負責接收信號（osmocom Source 模塊）的腳本并將仿真組件的狀態(tài)通過LRU 工作狀態(tài)指示板輸出，同時向客戶端反饋執(zhí)行結果。

圖5 模擬故障注入系統(tǒng)框架Fig.5 The system-framework of injecting simulative fault

4 組件的實施運行

將上述各模塊連接組裝成一個甚高頻仿真件，并提前在樹莓派中設置信號接收解調(diào)流圖，確定軟件無線電的工作模式，實現(xiàn)VHF 組件的仿真。如圖6 所示，在仿真組件上電后，樹莓派將組件狀態(tài)信息輸入至LRU 狀態(tài)指示面板及離散IO 模塊進行輸出。與此同時，軟件無線電模塊開始工作，接收無線電信號的默認頻率為上次仿真組件斷電前的頻率，也可以通過向樹莓派輸入頻率值來改變接收目標無線電信號的頻率。軟件無線電將信號進行處理后，通過樹莓派輸入至音頻輸入輸出模塊，音頻輸入輸出模塊將其格式化后輸出至飛機上的其他組件。除此之外，遠程控制終端可以利用Socket 建立與樹莓派之間的聯(lián)系，向樹莓派輸入模擬故障情況。樹莓派會根據(jù)指令做出一系列的響應，參閱3.2 部分。

圖6 VHF 仿真組件運行流程圖Fig.6 The running flow chart of VHF simulation component

5 結語

通過對上述甚高頻仿真件的設計與功能仿真，實現(xiàn)了VHF 信號的接收與解調(diào)、組件工作狀態(tài)的自檢以及故障注入模擬檢測功能，驗證了本文所提出的可通用的機載LRU 仿真組件設計方法的可行性。在甚高頻設計基礎上，可以保持其在硬件接口、電氣特性與真實組件保持一致，通過改變內(nèi)部電路，程序以及前面板的更換來實現(xiàn)不同仿真組件及其功能。

機載LRU 仿真件的設計方法的可行性對解決LRU組件制作成本高昂難以滿足民航教育培訓與研究需求的問題提供了一個很好的解決思路?？梢詫C載LRU 通用仿真件用于航空類課程的教學，利用機載LRU 仿真組件可以在課堂上讓同學們更加真實的感受到各類飛機的外形以及功能按鍵，可以更加全面細致的認識飛機各類組件。除此之外在飛機設計階段集成仿真驗證的時候可以用其替代真實組件，在維修的時候，也可以用機載通用LRU 仿真件當作調(diào)諧控制面板的輔助測試設備。

引用

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