CN111983568A - 一种方位信号双路互备份设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方位信号双路互备份设计，雷达天线有两路相对独立的方位信号输出，一路方位信号故障或中断不会影响另一路方位信号的正常输出，两路方位信号的重要性权值相同，对其中一路或两路方位信号的正北修正，保持两路方位信号之间完全同步，都指向正确方位。
Description
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种双路备份技术。
背景技术
航管雷达是航空管制***的重要设备，每天24小时连续工作，不允许出现方位信号中断，造成目标信息间断不连续，对方位信号产生电路的设计具有很高的可靠性要求，因此，将双路冗余备份的高可靠性概念，引入到方位信号产生电路的设计中。
雷达方位信号的主要功能是完成轴角变换，根据雷达天线的法向方向或主波束指向，产生相应的方位信号，根据方位信号的变化，实现对所覆盖空域中是否存在目标、目标所在方位、目标特性等信息的识别或判断。
方位信号不仅给雷达的信号处理提供波束的正确指向，在雷达的数据处理程序中，还起到等分方位和提供程序运行节拍的作用，雷达目标的点迹相关和航迹生成，都依赖于方位信号的正确获取，在雷达数据处理程序中，数据的存取、目标信息更新等操作，都是依据方位信号所产生的节拍进行，一旦方位信号出问题，雷达不仅中断目标输出，雷达数据处理程序也将处于停止等待的状态，导致雷达控制、状态显示、目标显示的停滞或冻结。
根据雷达天线旋转产生实时方位信号的方位传感器通常有两种：旋转变压器(简称旋变)和光电码盘，通过它们和相关的辅助电路，机械的方位指向被转变为电信号的方位增量脉冲和正北脉冲。
采用双路方位信号的冗余设计，可实现方位信号的高可靠性：雷达正常运转时，有两路方位信号输出，雷达后端使用方位信号的信号处理和数据处理，可以采用两路方位信号中的任意一路；当两路方位信号中有一路发生故障或信号质量下降时，后端使用方位信号的信号处理和数据处理会择优选择一路质量好的方位信号。
因此，采用双路方位信号，只要两路方位信号中至少有一路正常，雷达就能正常工作，两路方位信号互为备份，只有两路方位信号都发生故障或信号质量下降到低于可用的标准时，雷达才会中断正常工作，这种双路同时故障的小概率事件可以大大降低方位信号中断的可能性，提高雷达***的可靠性。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，实现方位信号的高可靠性，提出了一种方位信号双路互备份设计，雷达天线有两路相对独立的方位信号输出，一路方位信号故障或中断不会影响另一路方位信号的正常输出，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
采用旋变A、轴角变换器A、方位产生A组成A路方位信号产生电路，采用旋变B、轴角变换器B、方位产生B组成B路方位信号产生电路；轴角变换器A、B和方位产生A、B安装在伺服机柜，旋变A和B组成双旋变组合，旋变B连接旋变A的底端，旋变A的顶端通过弹性连接轴连接高频铰链的转动部分，高频铰链的转动部分连接雷达天线的转台，雷达天线旋转，带动高频铰链的转动部分旋转，高频铰链的转动部分通过弹性连接轴带动旋变A和旋变B旋转，实现雷达天线和双旋变组合同步旋转；A路和B路彼此独立，组成双方位信号产生电路，提供两路差分方位信号。
旋变的励磁输入端固定不动，连接轴角变换器；励磁输出端随天线同步旋转，产生两路正交信号，两路信号的比值和天线旋转角度呈单调线性关系；轴角变换器将两路正交信号的比值量化，得到14位并行方位编码，经并联转串联电路，转换为串行方位增量脉冲和正北脉冲。
天线顺时针旋转，方位从0°增加到360°周而复始，方位增量脉冲连续输出，0°方位对应正北；天线平稳旋转，14位方位编码信号近似方波，正北信号是窄脉冲。
旋变安装位置改变，对应不同的正北修正参数，通过设置拨码开关或配置雷达参数，参照天线指向的实际正北，修正旋变产生的正北指向。
若旋变A和轴角变换器B故障，则通过交叉连接电缆，将旋变B连接轴角变换器A，重新修正正北指向，获得A路的正常方位信号；若旋变B和轴角变换器A故障，将旋变A连接轴角变换器B，重新修正正北指向，获得B路的正常方位信号。
采用信号处理A和数据处理A接收A路方位信号，采用信号处理B和数据处理B接收B路方位信号，信号处理A、数据处理A和信号处理B、数据处理B安装于询问机柜，彼此建立传输通道，B路方位信号被转发给信号处理A和数据处理A，A路方位信号被转发给信号处理B和数据处理B，通过交换方位信号选择信息，使信号处理A、数据处理A和信号处理B、数据处理B选用同一路方位信号，以免分别使用两路方位信号导致的细微差异。
方位信号选择信息采用1位信号描述该路方位信号的状态，0表示正常，1表示故障。根据状态信息，两路信号处理和数据处理同步选择状态正常的一路方位信号。
信号处理和数据处理根据14位编码对应的每个正北脉冲之间有16384个方位增量脉冲，对比增量脉冲的实际个数，分析方位信号的质量，若误差超过±5，则弃用该路方位信号，选择另一路方位信号，同时向另一路信号处理和数据处理发送方位信号选择信息，若两路方位信号质量都满足要求，则同步选择其中任意一路方位信号。
本发明的两路方位信号的重要性权值相同，某一时刻只要有一路方位信号输出正常，就能为雷达提供正常的方位信号输出，对其中一路或两路方位信号的正北修正，保持两路方位信号之间完全同步，都指向正确方位；后端电路使用方位信号时，选用同一路方位信号，保证雷达双通道的一致性；在两路同时工作的方位信号之间任意切换，如果其中一路发生故障，雷达后端接收方位信号的信号处理和数据处理会自动选用输出正常的方位信号；当两路方位信号都正常时，后端接收方位信号的信号处理和数据处理会择优选用质量好的一路方位信号；如果两路方位信号质量相同，则任选其中一路方位信号；如果两路方位信号都不正常，则向***报告方位信号故障。
附图说明
图1是双旋变组合结构图，图2是天线结构图，图3是双路信号流程图，图4是正北信号电路图。
附图标记：1-旋变A、2-旋变B、3-弹性连接轴、4-高频铰链、5-双旋变组合、6-转台、W＿ZB-正北信号、ZD_out_0～ZD_out_13-方位编码。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
如图1所示，两旋变A和B作为方位传感器，按上下位置关系连接，通过弹性连接轴3，与高频铰,4的转动部分连接。
如图2所示，雷达天线通过转台6与高频铰链4的转动部分连接构成一个整体，天线旋转时，带动高频铰链转动部分同步旋转，高频铰链转动部分通过弹性连接轴3带动两旋变同步旋转，从而达到天线与旋变同步旋转的结果，上下分布的旋变A和旋变B可分别提供两路旋变输出信号。
如图3所示，旋变、轴角变换器、方位产生形成了双方位信号，其中旋变安装在转台与旋转铰链的下部，轴角变换器、方位产生安装在伺服机柜内，A路和B路双方位信号产生电路相对独立，组成和工作原理完全相同，以其中一路为例，说明方位信号产生电路的工作原理。
旋变是天线方位旋转变压器，用励磁电源给天线同轴的旋变供电，天线旋转即产生两路正交输出信号，这两路信号的比值与天线旋转角度呈单调线性关系，正交输出信号通过进一步细化，产生高精度的方位编码信号。
采用多级旋变对正交输出信号进行细化，输出信号分为4组粗通道和4组精通道，旋变的初级线圈，即励磁，作为输入端，固定不动；次级线圈，即输出端，随天线同步旋转。
轴角变换器将细化后的正交信号的比值量化，得到天线角度编码，即符合民航规范的14位天线角度编码，作为方位编码，通过并联转串联电路，将14位并行方位编码转换为串行方位增量脉冲和正北脉冲。
雷达天线单向顺时针旋转，方位从0°单调增加到360°，周而复始不断循环，随着方位的连续增加，对应于方位增量脉冲连绵不断的输出，0°方位对应于正北。
完整描述方位的绝对指向，需要正北和方位增量两个信号，正北信号由14位并行方位编码产生，如图4所示，在天线平稳旋转时，14位方位编码ZD_out_0～ZD_out_13均为近似方波，正北信号W＿ZB为窄脉冲，为提高抗干扰能力，将正脉冲取反，即正北信号为负脉冲有效。
对于旋变产生的正北和天线旋转指向的实际正北之间的误差，通过设置修正参数实现正北的修正，正北修正参数的设置可以通过方位产生板上的拨码开关实现，也可通过雷达的参数配置实现，不同的旋变安装位置对应不同的正北修正参数，如果更换或重装了旋变，需重新配置正北修正参数，即重新修正正北指向。
一方面，为提高方位产生电路***的可靠性，两路方位电路相对独立，保证只要有1路方位产生电路工作正常，雷达就可获得正确的方位信号；另一方面，为提高双路方位互为备份的有效性，在两个方位产生电路中可进行交叉组合。
正常情况下，方位产生电路中旋变、轴角变换器、方位产生三个组成中任意一个发生故障，该方位产生电路就不能产生正确的方位信号，但如果两路方位产生电路中均有组件发生故障，情况就比较复杂，如图3所示，假设旋变A和轴角变换器B同时故障，这时两路均无正常的方位信号输出，但由于双路方位产生电路结构完全相同，通过交叉连接电缆，将旋变B的输出端接至轴角变换器A的输入端，就可在方位电路A的输出端获得正确的方位信号，由于更换旋变，需重新更改正北修正参数。
为提高方位产生电路***的可靠性，针对接口芯片易受损的特点，在方位信号输出端设置了两个并行的输出端口，两个输出端口的结构和信号定义完全相同，如图3所示，以A路方位输出为例，当方位A端口输出芯片受损时，可将方位信号传输电缆换到方位A’端口，B路方位输出设计与A路相同。
方位信号的产生是为后端的信号处理和数据处理服务的，方位信号为信号处理提供了天线波束的方位指向，最终用来产生目标的方位信息；方位信号为数据处理不仅提供了天线波束的方位指向，还为数据处理程序的正常运行提供处理节点和数据更新节拍。
为提高方位信号的可靠性，使用方位信号的雷达双通道信号处理和数据处理之间对方位进行了交叉备份，如图3所示，每个雷达信号处理、数据处理通道接收1路方位输入信号，即方位A与信号处理A、数据处理A连接，方位B与信号处理B、数据处理B连接，为保证双路方位产生电路只要有任意一路正常，雷达的信号处理、数据处理的A、B通道都能正常工作，采用了信号处理A、数据处理A和信号处理B、数据处理B之间方位信号互通的方式，即方位A同时被送给信号处理B、数据处理B，方位B被同时送给信号处理A、数据处理A，由于方位A与方位B产生增量脉冲或正北脉冲电路的时钟不同步，在时序上会有细微差异，为保证雷达双通道的一致性，雷达双通道之间交换方位选择信息，保证雷达双通道在某一时刻选用同一路方位信号。
双路方位信号电路工作都正常时，使用方位信号的信号处理和数据处理会同步选用两路方位信号中的任意一路；两路方位信号中有一路发生故障或信号质量下降时，使用方位信号的信号处理和数据处理择优同步选用一路质量好的方位信号。
择优选择的依据取决于方位信号电路的状态、方位信号的质量等，方位信号电路用1位信息描述自身的工作状态，该信息为0对应正常，为1对应故障，由信号处理和数据处理作出判断。
根据14位方位所对应的每个正北脉冲之间有16384个方位增量脉冲的原理，通过每个正北脉冲之间方位增量脉冲的实际个数与标准值16384之间的差异比较，判断方位信号的质量，没有误差或误差较小的方位信号质量较优，误差超过标准值±5时，认定并上报该路方位信号不可用。信号处理和数据处理首先选择工作状态正常的一路方位信号，如果双路方位信号电路都正常，则根据信号质量择优选用一路方位信号。
为提高方位信号的抗干扰能力和驱动能力，方位信号采用差分方式传输，一方面保证方位信号在伺服机柜和询问机柜之间长距离传输时具有较强的抗干扰能力，另一方面由于差分传输具有较强的驱动能力，常用的差分芯片具有一推八的驱动能力，方位信号在雷达中是一推四方式，完全可以实现。
上述作为本发明的实施例，方位传感器以旋变为例，方位传感器亦可采用光电码盘，本发明的实施例并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种方位信号双路互备份设计，其特征在于，包括：采用旋变A、轴角变换器A、方位产生A组成A路方位信号产生电路，采用旋变B、轴角变换器B、方位产生B组成B路方位信号产生电路；轴角变换器A、B和方位产生A、B安装在伺服机柜，旋变A和B组成双旋变组合，旋变B连接旋变A的底端，旋变A的顶端通过弹性连接轴连接高频铰链的转动部分，高频铰链的转动部分连接雷达天线的转台，雷达天线旋转，带动高频铰链的转动部分旋转，高频铰链的转动部分通过弹性连接轴带动旋变A和旋变B旋转，实现雷达天线和双旋变组合同步旋转；A路方位信号和B路方位信号彼此独立，组成双方位信号产生电路，提供两路差分方位信号；采用信号处理A和数据处理A接收A路方位信号，采用信号处理B和数据处理B接收B路方位信号，信号处理A、数据处理A和信号处理B、数据处理B安装于询问机柜，彼此建立传输通道，A路方位信号被转发给信号处理B和数据处理B，B路方位信号被转发给信号处理A和数据处理A；通过交换方位信号选择信息，使信号处理A、数据处理A或信号处理B、数据处理B选用同一路方位信号，以免分别使用两路方位信号导致的差异。
2.根据权利要求1所述的方位信号双路互备份设计，其特征在于，所述提供两路差分方位信号，包括：旋变的励磁输入端固定不动，励磁输出端随天线同步旋转，产生两路正交信号，两路信号的比值和天线旋转角度呈单调线性关系；轴角变换器将两路正交信号的比值量化，得到14位并行方位编码，经并联转串联电路，转换为串行方位增量脉冲和正北脉冲。
3.根据权利要求2所述的方位信号双路互备份设计，其特征在于，所述增量脉冲，包括：天线顺时针旋转，方位从0°增加到360°周而复始，方位增量脉冲连续输出，0°方位对应正北；天线平稳旋转，14位方位编码信号近似方波，正北信号是窄脉冲。
4.根据权利要求3所述的方位信号双路互备份设计，其特征在于，所述正北信号，包括：旋变安装位置改变，对应不同的正北修正参数，通过设置拨码开关或配置雷达参数，参照天线指向的实际正北，修正旋变产生的正北指向。
5.根据权利要求4所述的方位信号双路互备份设计，其特征在于，所述修正旋变产生的正北指向，包括：若旋变A和轴角变换器B故障，则通过交叉连接电缆，将旋变B连接轴角变换器A，重新修正正北指向，从A路获得正常的方位信号；若旋变B和轴角变换器A故障，将旋变A连接轴角变换器B，重新修正正北指向，从B路获得正常的方位信号。
6.根据权利要求1所述的方位信号双路互备份设计，其特征在于，所述方位信号选择，包括：采用1位信号描述该路方位信号的状态，0表示正常，1表示故障，根据状态信息，两路信号处理和数据处理同步选择状态正常的一路方位信号。
7.根据权利要求6所述的方位信号双路互备份设计，其特征在于，所述选用同一路方位信号，包括：信号处理和数据处理根据14位编码对应的每个正北脉冲之间有16384个方位增量脉冲，对比增量脉冲的实际个数，分析方位信号的质量，若误差超过±5，则弃用该路方位信号，选择另一路方位信号，同时向另一路信号处理和数据处理发送方位信号选择信息；若两路方位信号质量都满足要求，则两路信号处理和数据处理同步选择其中任意一路方位信号。
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