CN102129795A - 一种机载气象雷达教学模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载气象雷达教学模拟系统，该模拟系统包括有EFIS控制盒、气象雷达控制盒、天线、PC机和机载气象雷达教学演示模块，所述机载气象雷达教学演示模块存储在PC机内。为了模拟真实的显示效果，对模拟出的雷达采集数据进行了坐标转换；而地图模式选择信号MAP是以机载雷达所观测到的地图画面为主显示界面，飞机在飞行过程中的各种飞行姿态下的地图背景的变化也必须是实时的，这就需要地图画面的平移与旋转。采用气象雷达模拟器是替代真实气象雷达训练器对操作员进行训练的多快好省的方案。该系统仿真度高、界面友好，并具有很好的拓展性和可移植性。

Description

一种机载气象雷达教学模拟系统

技术领域

本发明涉及一种适用于气象雷达的教学系统，更特别地说，是指为了在地面上训练飞行员对气象雷达操作而设计的一种机载气象雷达教学模拟系统。

背景技术

机载气象雷达是飞机了解航线上气象环境的探测系统，其作用是对气流、云层、风速等进行预报和探测。其探测目标主要是带有水分的潮湿气象目标，以及有明显特征的地形目标(如河流、海岸线、山峰、城市等)它能在扇形扫描的显示器上显示这些气象目标轮廓、方位和距离，并实时的向飞行员提供航线上的气象信息，按预定的颜色显示其强度等级和危险程度，帮助飞行员避开恶劣天气和确定飞机当前的位置，以确保飞行安全。因此，气象雷达系统作为飞机的重要组成部分之一，飞行员对其操作的正确与否、熟练与否直接影响着飞机的飞行安全。

2004年8月第30卷第8期在《电子工程师》中公开了名称为“气象雷达模拟训练器主控系统的设计与实现”，该文介绍了气象雷达的探测原理及模拟训练器的仿真原理，重点阐述了模拟训练器控制系统的硬件组成原理和结构，介绍了内部各个模块的具体实现方法，并给出了硬件控制流程。本文在第3节介绍了模拟训练器主控系统的功能由主控机柜完成，包括实现全仿真效果所需的全部硬件电路及相应的软件控制程序，包括DSP、FLEX 10K系列FPGA以及各种功能模拟模块电路。硬件原理如图3所示。

2010年8月第29卷第15期在《企业技术开发》中公开了名称为“WXR-700X机载气象雷达系统的工作原理与故障分析”，该文介绍了常见的故障类型。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种教学用的机载气象雷达教学模拟系统，采用气象雷达模拟器是替代真实气象雷达训练器对操作员进行训练的多快好省的方案。该模拟系统通过不同身份(老师和学生)实现不同的功能，一方面有利于教师管理学员的学习情况，另一方面有利于训练者熟练掌握气象雷达的各项操作。

本发明的目的之二是提供人机界面(气象雷达界面与EFIS界面)表达的实物操作，使得训练者如同在实际的机载上进行操作，减少了训练者误操作带来的故障。

本发明的一种机载气象雷达教学模拟系统，该模拟系统包括有EFIS控制盒、气象雷达控制盒、天线、PC机，天线安装在气象雷达控制盒的顶部，天线根据气象雷达控制盒输出的方位指令进行方位调节，气象雷达控制盒输出控制信号给EFIS控制盒，EFIS控制盒输出控制信号给PC机，还包括保存在PC机中的机载气象雷达教学演示模块；

所述的机载气象雷达教学演示模块包括有教师子单元、学员子单元、气象雷达显示屏、气象雷达按键操作单元和EFIS按键操作单元；

教师子单元用于实现教师对学员在进行气象雷达操作全过程的掌握，从而了解学员是否出现故障操作；

学员子单元能够根据选课界面实现雷达操作、上电自检和故障判断三个选项；

气象雷达显示屏用于动态展现气象雷达扫描效果；

气象雷达按键操作单元用于实现与气象雷达控制盒的按键调节同步；

EFIS按键操作单元用于实现与EFIS控制盒的按键调节同步；

所述气象雷达显示屏能够显示真实性的效果，是对模拟出的雷达采集数据进行了坐标转换；即载机坐标系x_b，y_b，z_b与地面坐标x_d，y_d，z_d关系由3个欧拉角确定，分别为偏航角ψ，俯仰角θ，横滚角γ，3个欧拉角以参考坐标系x′，y′，z′转换次序为

载机坐标系x_b，y_b，z_b与地面坐标x_d，y_d，z_d的转换关系数学表达式为

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& 0& -\sin \mathrm{\ψ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\ψ}& 0& \cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\end{array}\right]=A_{\mathrm{bd}}\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\end{array}\right],$

$A_{\mathrm{bd}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right].$

气象雷达按键操作单元中的地图模式选择信号MAP是以机载雷达所观测到的地图画面为主显示界面，飞机在飞行过程中的各种飞行姿态下的地图背景的变化也必须是实时的，这就需要地图画面的平移与旋转；平移运动的坐标由点P(x_P，y_P，z_P)下一时刻平移到点P′(x′_P，y′_P，z′_P)可以由平移矩阵

运算得到，参数D_x，D_y，D_z用来指定x轴，y轴，z轴上移动的距离；当在平面发生旋转，通过旋转矩阵

计算得到。

本发明的机载气象雷达教学模拟系统，其中的EFIS控制盒采用了单片机与CPLD结合的结构；气象雷达控制盒采用了单片机与CPLD结合的结构；通过CPLD采集数字信号，同时利用单片机的片内ADC进行模拟电压信号的采集，实现连续调节旋钮的仿真。

本发明机载气象雷达教学模拟系统的优点在于：

①为了显示真实性的效果，对模拟出的雷达采集数据进行了载机坐标系x_b，y_b，z_b与地面坐标x_d，y_d，z_d的坐标转换；有利于训练者观察到地面的真实情况。

②地图模式选择信号MAP是以机载雷达所观测到的地图画面为主显示界面，飞机在飞行过程中的各种飞行姿态下的地图背景的变化也必须是实时的，这就需要地图画面的平移与旋转。平移运动的坐标由点P(x_P，y_P，z_P)下一时刻平移到点P′(x′_P，y′_P，z′_P)可以由平移矩阵运算得到，提高了地图画面的真实性；当在平面发生旋转，通过旋转矩阵

计算得到，提高了响应的速度。

③采用分不同身份进行训练、演示和学习，并具有很好的拓展性和可移植性。

④硬件部分的EFIS控制盒和气象雷达控制盒采用了单片机与CPLD结合的平台进行开发，硬件响应速度快，开发成本低。

⑤PC机显示器中显示的模拟雷达显示图采用了背景地图调用和实时数据绘制相结合的方式仿真雷达屏幕，刷新率高、仿真度好。

附图说明

图1是本发明模拟系统的结构框图。

图1A是本发明模拟系统的硬件结构框图。

图2是EFIS控制盒的界面示意图。

图3是气象雷达控制盒的界面示意图。

图4是教师登录用数据管理界面。

图5是学生选课登录界面。

图6是载机坐标系x_b，y_b，z_b与地面坐标x_d，y_d，z_d的坐标转换关系图。

图7是模拟的气象雷达显示屏。

图8是机载气象雷达教学演示模块的处理流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的一种机载气象雷达教学模拟系统，该模拟系统包括有EFIS控制盒、气象雷达控制盒、天线、PC机和机载气象雷达教学演示模块，所述机载气象雷达教学演示模块存储在PC机内。天线安装在气象雷达控制盒的顶部，天线根据气象雷达控制盒输出的方位指令进行方位调节，气象雷达控制盒输出控制信号给EFIS控制盒，EFIS控制盒输出控制信号给PC机，EFIS的英文全称为Electronic Flight Instrument System，译文为电子飞行仪表系统。

所述的机载气象雷达教学演示模块包括有教师子单元、学员子单元、气象雷达显示屏、气象雷达按键操作单元和EFIS按键操作单元；其中，学员子单元包括有演示模块和学习模块。

教师子单元用于实现教师对学员在进行气象雷达操作全过程的掌握，从而了解学员是否出现故障操作；

学员子单元能够根据选课界面实现雷达操作、上电自检和故障判断三个选项；

气象雷达显示屏用于动态展现气象雷达扫描效果；

气象雷达按键操作单元用于实现与气象雷达控制盒的按键调节同步；

EFIS按键操作单元用于实现与EFIS控制盒的按键调节同步。

参见图1A所示，EFIS控制盒和气象雷达控制盒中既有连续调节旋钮，又同时具有大量开关切换形式的按键或旋钮。为了适应信号采集的需要，采用了单片机与CPLD结合的平台进行开发，EFIS控制盒与气象雷达控制盒之间采用485总线通讯，通过CPLD采集数字信号，同时利用单片机的片内ADC进行模拟电压信号的采集，实现连续调节旋钮的仿真。采集后的信号进行整合、打包后，通过USB上传至PC机。CPLD芯片以Verilog HDL语言开发。

单片机选取美国SILICON LABORATORIES公司的C8051F系列单片机，具体型号是C8051F340单片机。由于该单片机配置有全速USB引擎模块，方便与PC机实现通讯。CPLD选取ALTERA公司的EPM7128SLC84-10，具有逻辑密度量大，功耗低等优点，适合于小系统的开发。

单片机与CPLD的逻辑电平互相兼容，可将单片机的两路标准I/O口与CPLD相连。其中一路I/O口作为单片机输出线端口，低四位作为地址选择线，高四位作为控制信号；另一路I/O口作为单片机数据输入线，由CPLD驱动，根据地址线的选择，将相应的数据输出到单片机。单片机的外部中断端口也连至CPLD的输出引脚，当CPLD检测到数据变化时，触发单片机外部中断，开启单片机的数据采集任务。此外，为了节省CPLD的触发器资源，单片机还为CPLD提供1k的低频时钟。作为核心控制模块，单片机还是系统的中心通讯节点，与PC机通过USB通信，JATG口用于向单片机下载程序代码。

(一)EFIS控制盒

参见图2所示，在本发明中，EFIS控制盒(电子飞行仪表系统)用于产生气象雷达显示模式信号HSI、气象雷达屏幕亮度调节信号BRTPC、气象雷达探测距离信号RANGE、气象雷达开/闭控制信号WXR，上述的信号采用如图2所示的界面展示在PC机的显示器中。当训练者对某一信号进行调节时，该信号对应的变量将发生相应的变化，并显示在PC机的显示器上。

在本发明中，EFIS控制盒用于向机载气象雷达教学演示模块提供数据源。

除计划(PLAN)，全VOR/ILS和全导航(NAV)方式外，其它工作方式都可以显示气象雷达信息。

学员根据当前的具体情况选择相应的模式信号、气象雷达探测距离信号、亮度调节信号等，用于训练学员对气象雷达的操作，使学习更真实有效。

(二)气象雷达控制盒

参见图3所示，在本发明中，气象雷达控制盒用于产生测试模式选择信号TEST、气象模式选择信号WX、气象/湍流模式选择信号WX+T、地图模式选择信号MAP、系统增益控制信号GAIN、地面杂波抑制选择信号IDNT、天线稳定控制信号STAB、天线俯仰控制信号TILT，上述的信号采用如图3所示的界面展示在PC机的显示器中。当训练者对某一信号进行调节时，该信号对应的变量将发生相应的变化，并显示在PC机的显示器上。

在本发明中，(气象雷达控制盒用于控制天线的俯仰角度，)气象雷达控制盒上TILT旋钮部件控制天线的俯仰变化，控制范围为±15°。

TEST、WX、WX+T、MAP信号控制气象雷达的工作方式。

该部件可实现对真实气象雷达控制面板的模拟，学员可通过对该部件的操作，控制气象雷达显示屏上模拟出的气象雷达的工作模式，并对天线进行控制，使学员有身临其境的操控感。

(三)天线

在本发明中，天线模拟平板型的导裂缝相控阵天线，主要动作有左右扫描和上下俯仰两组。天线的加入增加了学员的感官效果，使模拟的飞行环境更真实。

(四)PC机

在本发明中，PC机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB；操作系统为windows 2000/2003/XP。

所述的机载气象雷达教学演示模块采用VC++6.0语言编写。

本发明的机载气象雷达教学演示模块一方面通过显示在PC机的显示屏上的气象雷达模拟显示屏(参见图2所示)对实际环境下气象雷达进行调节；另一方面通过显示在PC机的显示屏上的EFIS面板模拟显示屏(参见图3所示)对实际环境下EFIS的控制指令进行调节；本发明通过可视化的界面进行模拟实际硬件输出参数的调节，提高了受训者对飞机的操作能力。

(五)教师身份单元

参见图4所示，选择以教师身份登陆后，出现登陆提醒，若用户名和密码与系统后台数据库匹配，提示登陆成功，进入系统欢迎界面后，出现对话框，显示出当前已有的学生信息，训练成绩与登陆时长。选择“添加用户”部件，教师将学生的初始信息，包括学号、姓名、初始密码、期号和专业填入对应的项目中，通过与后台数据库的连接，载入信息。选择“删除部件”部件，教师对不关注的学生信息从后台数据库中剔除。选择“修改密码”部件，经身份校验后，从后台数据库中更改登陆信息。选择“详细信息”部件，对任一学员的操作记录、自检历史成绩、排故历史成绩进行查看。填写学号信息，选择“查找”部件，可从后台数据库中选择与学号对应的信息项目并显示。在“添加用户”部件执行后，应选择“刷新”部件，更新后台数据库数据。

(六)学生身份单元

参见图5所示，选择以学生身份登陆后，出现登陆提醒，若用户名和密码与系统后台数据库匹配，提示登陆成功，进入系统欢迎界面后，学生根据学习内容选择相应的部件单元，包括“雷达操作”，“上电自检”，“故障判断”部件单元。

“雷达操作”部件单元，提供学生学习雷达控制的相关操作，用于学生学习EFIS控制面板中各个部件的作用，该部件单元启动时天线未连接，气象雷达工作在非探测模式。其中，气象雷达显示模式信号HIS发生改变时，后台调用模式选择程序，通过调整显示底图的方式控制显示屏。气象雷达探测距离信号RANGE控制后台测量范围，该参数显示在雷达模拟显示屏上。

“上电自检”部件单元，提供学生学习气象雷达上电自检的相关操作，用于学生学习气象雷达上电自检流程。选择“演示”控制项，系统与PC机视频播放器相关联，播放教学视频，教授上电自检流程。选择“学习”控制项，系统提示出准备时各个控制单元应放置的档位，在上电自检前需将各个控制单元至于提示位置，系统经过逻辑运算通过后发出开始指令，检测学生动作是否与操作提示一致。若一致，启动下一步操作程序，否则，等待状态，该模式要求学生必须按照系统提示的自检流程进行操作。完成整个上电自检流程后，会出现一组同心弧的测试图像，最底是绿色，接着往上是黄色、红色和品红色。选择“训练”控制项，系统提示总时间和每步最大操作时间，并要求学生按步骤逐一进行。若某一步操作超过规定时间，后台系统扣除该步骤相应分数，完成考试后给出系统后台评分，并提示该学员是否通过考试。

“故障判断”部件单元，提供学生对气象雷达故障的判断，用于学生判断气象雷达的故障(可以采用如2010年8月第29卷第15期在《企业技术开发》中公开的技术手段)。选择“学习”控制项，系统根据学生的选择，给出故障单元，并解释判断的缘由。选择“考试”控制项，系统提示后开始考试，学员通过观察模拟雷达显示屏上的提示信息，根据自己的理解，进行考试。

参见图8所示，本发明的机载气象雷达教学模拟系统的训练操作步骤为：

模拟系统初始化后，出现登录界面，并进行身份选择；通过身份认证后，若选择为“教师”，进入数据管理界面；若选择为“学生”，进入选课界面；

选课界面包括有雷达操作、上电自检和故障判断三个选项；

在选取雷达操作时

气象模式选择信号WX使能，气象雷达模拟显示屏上实时模拟显示气象数据；

气象/湍流模式选择信号WX+T使能，气象雷达模拟显示屏实时模拟显示气象和湍流数据，只有气象雷达探测距离信号RANGE选择小于40海里时才能显示湍流情况；

地图模式选择信号MAP使能，气象雷达模拟显示屏实时模拟地图数据；

以上三种部件的选择是互锁的，任何情况下，只允许其中一种工作方式；

测试模式选择信号TEST使能，延时1秒后，气象雷达模拟显示屏模拟显示一组同心弧的测试图像。

地面杂波抑制选择信号IDNT使能，判断气象模式选择信号WX是否使能，若使能，启动地面杂波抑制模拟程序，在气象雷达模拟显示屏上抑制地面杂波，呈现出清晰的气象数据。

在选取上电自检时学生需顺次按照以下操作步骤进行：

步骤一：气象雷达显示模式信号HIS调节至PLAN模式，气象雷达开/闭控制信号WXR闭合，气象雷达探测距离信号RANGE调至10档位，气象模式选择信号WX使能，系统增益控制信号GAIN调节至MIN位置，天线俯仰控制信号TILT调节至大于零位置，完成初始化设置；

步骤二：调整气象雷达显示模式信号HIS及气象雷达探测距离信号RANGE，气象雷达开/闭控制信号WXR打开；

步骤三：出现自检画面后调整系统增益控制信号GAIN及天线俯仰控制信号TILT，并使能天线稳定控制信号STAB；

步骤四：使能地面杂波抑制选择信号IDNT；

步骤五：调整天线俯仰控制信号TILT；

步骤六：地图模式选择信号MAP使能，并调节系统增益控制信号GAIN；

步骤七：调节系统增益控制信号GAIN及天线俯仰控制信号TILT，并使能测试模式选择信号TEST；

步骤八：操作完毕后进入自检画面，自检正常后关闭气象雷达开/闭控制信号WXR，完成整个上电自检步骤。

在选取故障判断时，“学生”需要判断气象雷达显示屏上出现的错误代码和异常字符，分辨出气象雷达系统故障的部位。例如：收发机故障、天线故障、控制故障、校准故障等。

在本发明的机载气象雷达教学模拟系统中为了确保气象雷达显示屏效果的真实性，对模拟出的雷达采集数据进行了坐标转换，使其满足机载气象雷达的真实显示效果。

载机地理坐标系x_d，y_d，z_d，即我们通常所说的NED(North East Down)坐标系。其原点设在载机质心上，N为正北，E正东，D为载机到地平面之垂线，并指向下。然而对于气象雷达来说，所用的是载机坐标系x_b，y_b，z_b。载机坐标系x_b，y_b，z_b又称机体坐标系。原点取在载机质心上，X轴定为载机纵轴机头正向，Y轴取为右机翼正向，Z轴方向由右手螺旋定则确定，并朝机身下方方向。其转换关系的示意如图6所示。其中x_d，y_d，z_d为载机地理坐标系的三维坐标，x_b，y_b，z_b为载机坐标系的三维坐标。载机坐标系x_b，y_b，z_b与地面坐标x_d，y_d，z_d关系由3个欧拉角确定，分别为偏航角ψ，俯仰角θ，横滚角γ，3个欧拉角以参考坐标系x′，y′，z′转换次序为：

$O{x}_d{y}_d{z}_d\underset{\mathrm{\ψ}}{\overset{y_d}{\→}}{\mathrm{Ox}}^{\′}{y}_d{z}^{\′}\underset{\mathrm{\θ}}{\overset{z^{\′}}{\→}}{\mathrm{Ox}}_b{y}^{\′}{z}^{\′}\underset{\mathrm{\γ}}{\overset{x_b}{\→}}{\mathrm{Ox}}_b{y}_b{z}_b.$

载机坐标系x_b，y_b，z_b与地面坐标x_d，y_d，z_d的转换关系数学表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& 0& -\sin \mathrm{\ψ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\ψ}& 0& \cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\end{array}\right]=A_{\mathrm{bd}}\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\end{array}\right]$

$A_{\mathrm{bd}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right].$

在程序中按照以上公式进行模拟运算，得出每个点的三维坐标。其中二维坐标之间与平面的二维坐标相对应，而其Z轴方向，则用颜色信息显示其Z轴方向的云层厚度，通过预判程序，转化成降雨概率显示在气象雷达显示屏上。按照下表所示对目标云层进行色块显示：

颜色	降雨概率或湍流显示
		黑色	小于0.03
绿色	0.03～0.15
		黄色	0.15～0.5
红色	大于0.5

品红色

湍流

在地图模式选择信号MAP使能的情况下，本发明设计的模拟教学训练系统的地图背景再现了机载雷达所观测的目标态势显示的详细信息。本发明的模拟系统要体现机载雷达显示器实时显示的特点，地图背景必须随着飞机的状态属性实时变化，包括飞行速度、空间位置、俯仰姿态、偏移方向等不同飞行状态下，地图背景的实时更新与变化。模拟系统的界面主体就是一幅实时更新的电子地图，地图的中心就是飞机自身当前位置，是由前端数据处理后得到的飞机位置在这一时刻的精确定位，电子地图的范围就是由机载雷达的作用距离所覆盖区域。目整个空域与地面全局的目标态势图，就可以被飞行员及时掌控，以便实施有效的处理。每次更新都是由Visual C++程序设置的定时器来精确设定。每隔一定时间执行一次消息响应，由经过处理后的数据精确定位飞机所在当前地图位置。

在本发明中，气象雷达按键操作单元中的地图模式选择信号MAP是以机载雷达所观测到的地图画面为主显示界面，飞机在飞行过程中的各种飞行姿态下的地图背景的变化也必须是实时的，这就需要地图画面的平移与旋转。

参见图7所示，平移运动的坐标由点P(x_P，y_P，z_P)下一时刻平移到点P′(x′_P，y′_P，z′_P)可以由平移矩阵运算得到，参数D_x，D_y，D_z用来指定x轴，y轴，z轴上移动的距离。P(x_P，y_P，z_P)中的x_P，y_P，z_P分别表示P点在x轴，y轴，z轴上的坐标值。

当飞机航行时发生掉头，或航向改变。则地图背景位图(PNG)则相应发生旋转，

当在平面发生旋转，通过旋转矩阵

计算得到，参数ψ为坐标系中的偏航角。

本发明的模拟系统需要实时仿真雷达显示屏进行扇形扫描显示，要求画面连续流畅，无闪烁，雷达显示屏(如图7所示)的大小自适应显示器的分辨率，根据硬件的动作对应改变罗盘角度、量程、工作模式等信息，对扫描的速度、扫描方式有特殊的要求，并且需要对模拟出的雷达数据进行坐标转换和显示。而一般的图像扫描是横向扫描或者纵向扫描，对画面的视觉感受和扫描速度要求较低，不用在扫描的同时显示其它的信息，并且使用VC++中的MFC实现，编程难度较大。软件系统采用基于GDI+的双缓冲绘图技术的动态扇形扫描显示的方式，很好的解决了以上的问题，经过优化后，速度完全能够满足真实雷达的要求。

动态扇形扫描需要实时的在扫描线分隔的两个不规则的区域中贴图，从而形成扫描的效果。如果用简单的API函数或者MFC封装函数实现，会产生比较严重的闪烁。系统采用基于GDI+的双缓冲绘图技术实现。具体步骤如下：

步骤1.在PC机内存中调用CreateCompatibleDC函数，建立一个与屏幕显示兼容的内存显示模块A；

步骤2.在PC机内存中调用CreateCompatibleBitmap函数，建立一个与屏幕显示兼容的位图；

步骤3.利用GDI+，对步骤1中建立的内存显示模块A中的图像进行裁剪，重新绘制至内存显示模块B中；

步骤4.对内存显示模块B中的图像按照坐标转换关系进行坐标变换；

$O{x}_d{y}_d{z}_d\underset{\mathrm{\ψ}}{\overset{y_d}{\→}}{\mathrm{Ox}}^{\′}{y}_d{z}^{\′}\underset{\mathrm{\θ}}{\overset{z^{\′}}{\→}}{\mathrm{Ox}}_b{y}^{\′}{z}^{\′}\underset{\mathrm{\γ}}{\overset{x_b}{\→}}{\mathrm{Ox}}_b{y}_b{z}_b;$

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& 0& -\sin \mathrm{\ψ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\ψ}& 0& \cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\end{array}\right]=A_{\mathrm{bd}}\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\end{array}\right];$

$A_{\mathrm{bd}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right];$

步骤5.对内存显示模块B中的图像依照偏航角进行坐标旋转，即

重新绘制至内存显示模块C中；

步骤6.将内存显示模块C中的图像一次性输出至显示设备进行显示。

本发明设计的模拟系统由于扫描过程中需实时计算扫描线的斜率(斜率是指动态实时扫描时扫描线所对应的斜率)，并精确定位与矩形区域的交点位置，而且罗盘的旋转角度、量程显示等需要较多的浮点数计算，系统采用查找表法代替三角函数运算，并将一些变量定义为全局变量，放在堆(heap)中，提高访问速度。

本发明设计的模拟系统在控制面板按键动作响应中，软件系统为了实时响应硬件的动作，模拟控制面板，需要及时的反映出硬件的变化，例如旋钮的旋转、按钮的按下弹起等，涉及圆形旋钮图片的旋转问题。普通的位图一般为方形，若按照中心点不变旋转，图片四角会影响控制面板上的其它按钮，影响模拟效果。若用底色掩盖的方法则不适用与双层旋钮，而且计算量大，实时响应效果差。为了解决该问题，并且很好的模拟旋钮旋转效果，软件系统采用PNG格式的图片文件。PNG文件具有高保真性、可透明性、数据量小等特点，非常合适此处应用。具体操作步骤如下：

步骤1.图片进行预处理，存入GDI+建立的对象ImageA中；

步骤2.软件实时监听硬件的操作，采用USB数据包中断的方式响应硬件动作；

USB数据包共10个字节，建立一个大小为64的无符号字符型变量数组In_Packet，数据部分的结构如下：

In_Packet[1]＝segout；

In_Packet[2]＝switch_out；

In_Packet[3]＝switch_out_control；

In_Packet[4]＝KNOB_TILT_H；

In_Packet[5]＝KNOB_TILT_L；

In_Packet[6]＝KNOB_RA_BR_INTER_H；

In_Packet[7]＝KNOB_RA_BR_INTER_L；

In_Packet[8]＝KNOB_RA_BR_EXTERN_H；

In_Packet[9]＝KNOB_RA_BR_EXTERN_L；

In_Packet[10]＝KNOB_ADI_BRT_H；

In_Packet[11]＝KNOB_ADI_BRT_L；

步骤3.依照USB数据包数据中角度旋转分量旋转每个模拟旋钮对应的单位矩阵对象matrix(例如：HIS旋钮对应的单位矩阵对象为Matrix knobHsi_matrix(1，0，0，1，knobHsiX，knobHsiY)，其中knobHsiX是指HIS旋钮图片中心点的x坐标值，knobHsiY是指HIS旋钮图片中心点的y坐标值)；

步骤4.用单位矩阵对象matrix中的数组值与Image A中数组值进行对应，实现Image A相应的旋转，并得到Image A′；

步骤5.利用GDI+将Image A′输出显示至显示设备中。

经实验验证，此方法成功实现旋钮实时旋转的动态仿真显示，反映迅速，实时性好。

在本发明中，依照USB数据包数据中角度旋转分量旋转单位矩阵对象matrix，实现旋钮的动态仿真，具体实现的代码如下。将该段代码放在USB的消息响应中，能够实现硬件平台(气象雷达控制盒、EFIS控制盒)对PC机的模拟气象雷达显示屏的控制；将该段代码放在OnLButtonUp鼠标响应函数中，能够实现软件平台(PC机中保存的机载气象雷达教学演示模块)对PC机的模拟气象雷达显示屏的控制。所述代码如下：

Graphics graphics(pDC-＞m_hDC)；

graphics.ScaleTransform(scale，scale)；

//按比例缩放

graphics.DrawImage(EFISBackground，0，0)；

Image knobHSI(L″res\\EFIS\\HSI左旋钮.png″)；

int m_btnWidth＝knobHSI.GetWidth()；

int m_btnHeight＝knobHSI.GetHeight()；

Matrix knobHsi_matrix(1，0，0，1，knobHsiX，knobHsiY)；

//定义一个单位矩阵，坐标原点在表盘中央

knobHsi_matrix.Rotate(((float)HsiValue)＊45)；//计算旋转的角度

Point knobHSI_pointsS[]＝{Point(0，0)，Point(m_btnWidth，0)，Point(0，m_btnHeight)}；

knobHsi_matrix.Translate(-m_btnWidth/2，-m_btnHeight/2)；

knobHsi_matrix.TransformPoints(knobHSI_pointsS，3)；//用该矩阵转换pointsS

graphics.DrawImage(&knobHSI，knobHSI_pointsS，3)；

本发明机载气象雷达教学模拟系统中的硬件平台采用单片机结合CPLD为核心器件的设计方案，仿真气象雷达控制面板、EFIS控制面板以及雷达天线，快捷准确采集用户操作，通过优化的数据结构，利用USB接口与软件平台连接。软件平台依托VC++6.0中的MFC程序模式，并应用GDI+技术、数据库技术，模拟气象雷达显示屏，并实时响应硬件动作，具有演示、学习、训练等教学模式。该系统仿真度高、界面友好，并具有很好的拓展性和可移植性。

Claims (10)

1.一种机载气象雷达教学模拟系统，该模拟系统包括有EFIS控制盒、气象雷达控制盒、天线、PC机，天线安装在气象雷达控制盒的顶部，天线根据气象雷达控制盒输出的方位指令进行方位调节，气象雷达控制盒输出控制信号给EFIS控制盒，EFIS控制盒输出控制信号给PC机，其特征在于：还包括保存在PC机中的机载气象雷达教学演示模块；

所述的机载气象雷达教学演示模块包括有教师子单元、学员子单元、气象雷达显示屏、气象雷达按键操作单元和EFIS按键操作单元；

教师子单元用于实现教师对学员在进行气象雷达操作全过程的掌握，从而了解学员是否出现故障操作；

学员子单元能够根据选课界面实现雷达操作、上电自检和故障判断三个选项；

气象雷达显示屏用于动态展现气象雷达扫描效果；

气象雷达按键操作单元用于实现与气象雷达控制盒的按键调节同步；

EFIS按键操作单元用于实现与EFIS控制盒的按键调节同步；

所述气象雷达显示屏能够显示真实性的效果，是对模拟出的雷达采集数据进行了坐标转换；即载机坐标系x_b，y_b，z_b与地面坐标x_d，y_d，z_d关系由3个欧拉角确定，分别为偏航角ψ，俯仰角θ，横滚角γ，3个欧拉角以参考坐标系x′，y′，z′转换次序为

载机坐标系x_b，y_b，z_b与地面坐标x_d，y_d，z_d的转换关系数学表达式为 $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& 0& -\sin \mathrm{\ψ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\ψ}& 0& \cos \mathrm{\ψ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\end{array}\right]=A_{\mathrm{bd}}\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\end{array}\right],$ $A_{\mathrm{bd}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\\ -\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right].$

2.根据权利要求1所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：气象雷达按键操作单元中的地图模式选择信号MAP是以机载雷达所观测到的地图画面为主显示界面，飞机在飞行过程中的各种飞行姿态下的地图背景的变化也必须是实时的，这就需要地图画面的平移与旋转；平移运动的坐标由点P(x_P，y_P，z_P)下一时刻平P′(x′_P，y′_Pz′_P可以由平移矩阵

运算得到，参数D_x，D_y，D_z用来指定x轴，y轴，z轴上移动的距离；当在平面发生旋转，通过旋转矩阵

计算得到。

3.根据权利要求1所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：EFIS控制盒用于产生气象雷达显示模式信号HSI、气象雷达屏幕亮度调节信号BRTPC、气象雷达探测距离信号RANGE、气象雷达开/闭控制信号WXR。

4.根据权利要求1所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：气象雷达控制盒用于产生测试模式选择信号TEST、气象模式选择信号WX、气象/湍流模式选择信号WX+T、地图模式选择信号MAP、系统增益控制信号GAIN、地面杂波抑制选择信号IDNT、天线稳定控制信号STAB、天线俯仰控制信号TILT。

5.根据权利要求1所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：EFIS控制盒采用了单片机与CPLD结合的结构；气象雷达控制盒采用了单片机与CPLD结合的结构；通过CPLD采集数字信号，同时利用单片机的片内ADC进行模拟电压信号的采集，实现连续调节旋钮的仿真。

6.根据权利要求5所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：单片机选取美国SILICON LABORATORIES公司的C8051F系列单片机。

7.根据权利要求5所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：CPLD选取ALTERA公司的EPM7128SLC84-10芯片。

8.根据权利要求1所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：机载气象雷达教学演示模块采用VC++6.0语言编写。

9.根据权利要求1、3或4所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：学员子单元根据选课界面选取雷达操作时具有如下的信号响应；

气象模式选择信号WX使能，气象雷达模拟显示屏上实时模拟显示气象数据；

气象/湍流模式选择信号WX+T使能，气象雷达模拟显示屏实时模拟显示气象和湍流数据，只有气象雷达探测距离信号RANGE选择小于40海里时才能显示湍流情况；

地图模式选择信号MAP使能，气象雷达模拟显示屏实时模拟地图数据；

以上三种部件的选择是互锁的，任何情况下，只允许其中一种工作方式；

测试模式选择信号TEST使能，延时1秒后，气象雷达模拟显示屏模拟显示一组同心弧的测试图像；

地面杂波抑制选择信号IDNT使能，判断气象模式选择信号WX是否使能，若使能，启动地面杂波抑制模拟程序，在气象雷达模拟显示屏上抑制地面杂波，呈现出清晰的气象数据。

10.根据权利要求1、3或4所述的机载气象雷达教学模拟系统，其特征在于：学员子单元根据选课界面选取上电自检时学生需顺次按照以下操作步骤进行；

步骤一：气象雷达显示模式信号HIS调节至PLAN模式，气象雷达开/闭控制信号WXR闭合，气象雷达探测距离信号RANGE调至10档位，气象模式选择信号WX使能，系统增益控制信号GAIN调节至MIN位置，天线俯仰控制信号TILT调节至大于零位置，完成初始化设置；

步骤二：调整气象雷达显示模式信号HIS及气象雷达探测距离信号RANGE，气象雷达开/闭控制信号WXR打开；

步骤三：出现自检画面后调整系统增益控制信号GAIN及天线俯仰控制信号TILT，并使能天线稳定控制信号STAB；

步骤四：使能地面杂波抑制选择信号IDNT；

步骤五：调整天线俯仰控制信号TILT；

步骤六：地图模式选择信号MAP使能，并调节系统增益控制信号GAIN；

步骤七：调节系统增益控制信号GAIN及天线俯仰控制信号TILT，并使能测试模式选择信号TEST；

步骤八：操作完毕后进入自检画面，自检正常后关闭气象雷达开/闭控制信号WXR，完成整个上电自检步骤。

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