“导航原理与系统”虚拟仿真实验教学体系构建

一、引言“导航原理与系统”是民航类高等院校通信工程专业开设的一门与行业结合十分紧密的必修课。近年来，民航业高速发展，民航专业技术人才需求量持续增长。据国际机场理事会（ACI）预测：2025年之前，全球航空班次将增加至每年2200万次，高峰日可达7.2万次商业航班和48万次通用航空航班；平均每天将有830万人次登上飞机。此外，教育部要求高等院校全面贯彻落实“以学生为中心；以产出为导向；持续改进”的工程教育理念，扎实推动一流专业建设，切实增强质量意识，推动全国高校掀起一场本科教学的“质量革命”。在外在行业高速增长和新时代本科教育人才培养的双重驱动下，“导航原理与系统”的课程建设亟待实施工程教育视域下的改革与创新[１]。“导航原理与系统”的核心教学内容是VOR、DME和ILS等陆基导航设备的工作原理，这些设备通常安装在导航台站或机场周边，体积庞大、造价高昂，设备运行需要取得许可，学生无法在实验室开展相关设备的工程实践。同时，对于上述陆基导航设备，其地面信标天线辐射的电磁场和电磁波及信号处理流程无法可视化，学生较难建立直观的认识[２]。因此，迫切需要建立一套能够直观展示VOR、DME和ILS等陆基导航设备及其天线辐射场的虚拟仿真教学平台。从行业需求视角来看，目前国内民航导航台设备多为DVOR与DME的合装台，可同时为飞机提供方位距离信息。近几年，国内新装Selex公司的DVOR/DME合装导航设备逐渐增多[３]，在新站点建设和设备维护中，迫切需要一线工程师对Selex设备板件的运行原理、安装部署和互联方式熟练掌握；而对于仪表着陆系统，以挪威NORMARCA/S公司生产的NM7000系统最为典型，目前在国内各类机场应用较为广泛，占据了较大的市场份额，各大机场和空管部门为了使新员工对NM7000型的仪表着陆设备原理有更深入的了解和认识，其技术保障部每年都要组织安排一系列相关课程和上岗培训，从而为行业培养出“上手快”的专业“导航原理与系统”虚拟仿真实验教学体系构建

陈万通，倪育德，万棣，崔铭（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）［摘要］“导航原理与系统”是民航类高等院校的一门专业必修课，但由于DME、VOR和ILS等陆基导航设备占地面积大、造价昂贵，实际运行需要有许可和诸多配套设施支持，学生难以接触到实际设备来提高工程实践能力。根据工程教育认证理念及其毕业要求，构建适用于“导航原理与系统”课程的虚拟仿真实验教学体系，结合SELEX公司的典型设备（1150DVOR、1119ADME）和NORMARC公司的NM7000仪表着陆系统，分别设计了DVOR/DME地面信标天线安装与板件互联虚拟仿真实验系统和ILS航向信标信号测试与排故虚拟仿真实验系统。该实验灵活高效、易实施、投入小，有助于学生深刻掌握DME、VOR和ILS等陆基导航设备的工作原理、信号辐射场特征和实际维护的典型操作，对民航高等院校实施工程教育及陆基导航实验室建设具有重要的参考价值。［关键词］工程教育；虚拟仿真；实验教学；陆基导航［基金项目］2020年度中国民航大学虚拟仿真实验教学建设项目“SELEXDVOR/DME地面信标天线安装与板件互联虚拟仿真实验”（XF2020010）［作者简介］陈万通（1986—），男（满族），河北承德人，博士，中国民航大学电子信息与自动化学院副教授，硕士生导师，主要从事导航原理与系统等课程的实验和科研；倪育德（1963—），男，江西鹰潭人，硕士，中国民航大学电子信息与自动化学院教授，硕士生导师，主要从事陆基导航和卫星导航研究；万棣（1968—），女，江西南昌人，学士，中国民航大学电子信息与自动化学院副教授，主要从事虚拟仿真和三维建模研究。［中图分类号］TN929.5［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2021）21-0133-04［收稿日期］2020-11-25【教法研究】教育教学论坛EDUCATIONANDTEACHINGFORUM2021年5月第21期May2021No.21

133--技能人才。针对上述问题和需求，本文构建了适合“导航原理与系统”课程的虚拟仿真实验教学体系。首先，基于Selex公司的Model1150DVOR和Model1119ADME地面信标系统[４]，设计了DVOR/DME地面信标天线安装与板件互联虚拟仿真实验系统；其次，基于NORMARC公司的NM7000ILS仪表着陆系统[５]，设计了航向信标信号测试与排故虚拟仿真实验系统。这两类虚拟仿真实验涵盖了“导航原理与系统”课程的核心知识点，旨在使理论教学与现行陆基导航设备紧密结合，为民航类院校和民航通信导航相关专业的实验课程改革及实验室建设提供新思路。二、陆基导航DVOR/DME虚拟仿真实验系统（一）实验目的以DVOR/DME地面合装导航台的实际典型系统为研究对象，构建虚拟仿真平台（具体以Selex1150DVOR和1119ADME为建模原型），培养学生对DVOR/DME地面导航信标各系统组件安装和设备维护的工程实践能力，提高学生对导航系统地面信标工作原理、工程操作及实际运行的认知水平，为今后开展导航台站点建设和设备维护奠定基础。（二）实施过程学生通过查阅SelexModel1150DVOR/Antenna和SelexModel1118A/1119ADME官方手册的相关章节，分别掌握DVOR/DME地面信标系统的工作原理、设备接口、板件互联方式和天线安装方法等内容，面向仿真环境和虚拟设备，实施DVOR/DME合装式导航台完整系统的安装和部署。具体实验步骤：（1）学生登录虚拟仿真实验系统，在仿真的导航台地面信标场景中完成查验导航台周边环境、设备机房、地网、机柜等准备工作，熟悉仿真系统的一般操作；（2）根据DVOR边带天线工作原理与安装规范，完成DVOR边带天线安装；（3）根据DVOR载波天线工作原理与安装规范，完成DVOR载波天线安装；（4）根据DVOR监视天线工作原理与安装规范，完成DVOR监视天线安装；（5）根据DME天线工作原理与安装规范，完成DME天线安装；（6）完成防雷设施安装、障碍灯等辅助设施的安装；（7）完成DVOR/DME天线射频线缆与各自机柜的物理连接；（8）完成DVOR机柜中发射机各核心板件的互联，主要包括频率合成器组件、CSB功率放大器组件、音频发生器组件、边带发生器组件等；（9）完成DVOR机柜中其他核心板件的物理互联，具体包括本地控制单元（LCU）、远程监视系统组件、射频监视组件、转换继电器、电池充电器电源子系统（BCP）等组件；（10）完成DME机柜中收发信机核心板件的物理互联，具体包括收发控制器（RTC）、高功率放大器、低功率放大器、监控询问器组件等；（11）完成DME机柜中其他核心板件的互联，具体包括遥控系统（RMS）处理器板、I/O设备板、接口板、电池充电电源模块（BCPS）、电源监控器；（12）完成数据维护终端（PMDT）与DVOR和DME机柜的接入；（13）完成主备供电引接；（14）完成DVOR/DME系统的关键参数设置，包括工作频率、监控参数等。（三）实施评价在该虚拟仿真项目中，要求学生在规定的4个学时内完成全部实验步骤，所有操作和实验结果均通过后台验证系统给予评价和成绩反馈。学生不仅熟悉了天线安装和板件互联方法，掌握了DVOR/DME合装式地面信标系统的搭建和操作流程，而且对于一个完整的导航台的构建过程、导航系统的工作原理和地面信标信号处理流程，都加深了理解，并且得到了锻炼，为今后从事设备维护和技术保障工作积累了实际工程经验。三、基于NM7000ILS航向信标信号测试与排故虚拟仿真实验（一）实验目的以NORMARC公司的NM7000ILS典型系统为例，通过航向信标工作流程的动画展示，让学生直观地了解航空器飞行的导航原理，进而完成对天线信号的测试验证，培养学生对航向信标信号测试与排故的工程实践能力，提高学生对仪表着陆系统地面信标工作原理、天线辐射场特性、设备工程操作及实际运行的认知水平。（二）实施过程首先通过航向信标工作流程的动画展示，让学生直观地了解航空器飞行的导航原理，掌握CSB、SBO信号的产生，了解航向信标的馈电方式，以及监视器对信标参数的监视方式和控制器对信标的控制内容及实现，进而了解NM7000ILS导航信号的产生与处理过程。随后，令学生熟悉教育教学论坛2021年5月

134--NM7000机柜控制室中示波器等测试工具的使用及ILS设备的简单测试方法，然后在设置有故障情况的设备时，使用仪器仪表测量相关参数，并结合设备监控参数判断设备的故障点，并加以排除，模拟在实际工作环境进行信号排故的过程。具体包括测试实验和航向天线系统排故实验两个实验环节。1.测试实验。在该实验环节中，学生登录虚拟仿真平台，进入机场NM7000仪表着陆系统机柜控制室，用示波器检查LF1576低频产生器信号波形。具体实验步骤：（1）关闭NM7000ILS设备；（2）打开示波器电源开关；（3）用50欧姆阻抗的BNC头电缆连接LPA功放的面板前的CSB接口；（4）调整示波器，显示CSB波形；（5）用50欧姆阻抗的BNC头电缆连接LPA功放的面板前的SBO接口；（6）调整示波器，显示SBO波形；（7）波形如有异常，则在“Transmittersettings”的“Signaladj.”一栏选中“COU90Hzphase”，点击“Edit”；（8）将对应发射机的参数设置为0；（9）将NM7000ILS设备恢复正常。2.航向天线系统排故实验。在该实验环节中，学生在设置有故障情况的模拟机设备时，使用仪器仪表测量相关参数，并结合设备监控参数判断并加以排除。具体实验步骤：（1）进入本场仪表着陆系统机柜控制室，打开NM7000机柜，然后找到并逐一确认示波器及探头、装有终端遥控程序RMM的电脑、外场测试仪（PIR）、网络分析仪、检测电缆、转接头、衰减器等测试工具和仪器仪表；（2）使用RMM软件，查看设备故障信息（现象为CLRDDM由-0.2跳变至4.1，导致设备双发射机关机，其余各参数仅出现微小的漂移，但是在正常范围内）；（3）使用网络分析仪进行发射监控环路传输特性检测；（4）记录驻波比数据，若不满足说明有故障；（5）使用网络分析仪进行MCU电气参数检测；（6）记录回波损耗数据；（7）使用网络分析仪进行MCU至机柜监控电缆的电气参数检测；（8）测量监控电缆的反射衰减，发现在晃动电缆时反射衰减在-22dB～-5dB之间变化（学生此时应判断监控电缆存在问题）；（9）检查天线监控电缆，发现在距离天线端电缆头40厘米处电缆有受损痕迹；（10）更换新电缆，一端接天线，一端接MCU；（11）打开ADU设置选项卡，检查各天线单元相位、幅度分配参数；（12）打开ADU选项卡，选择CSB信号，查看各天线单元的信号幅度和相位参数值；（13）输出CSB空间辐射场图形；（14）打开ADU选项卡，选择SBO信号查看各天线单元的信号幅度和相位参数值；（15）输出SBO空间辐射场图形；（16）打开ADU选项卡，同时选择CSB和SBO信号，输出完整的空间辐射场图形；（17）整理测试工具和仪器仪表，关上机柜，NM7000航向天线系统故障排除实验结束。（三）实施评价在该虚拟仿真实验设计中，首先通过前导视频介绍NM7000航向信标的基本工作原理，然后综合利用虚拟仿真技术、多媒体技术、网络技术等现代计算机手段，通过图片、文字、动画、视频、三维互动等形式来展示基于NM7000ILS航向信标的信号测试与系统排故两个虚拟仿真实验。一方面，学生在逼真的三维场景中进行实验操作式学习，在交互场景中增强了直观感受，对设备维护与故障检测流程有了清晰的认识；另一方面，学生对本专业常见的仪器仪表和现代工具在设备排故与维修上的使用也获得了宝贵的工程经验，加深了对工程问题与解决方案的整体认知，在最短的时间内取得了最高效的学习效果[６]。四、结语本文针对民航类院校特色课程“导航原理与系统”中的DME、VOR和ILS等三类陆基导航设备，以及天线辐射场特性和导航信号处理方式等核心教学内容，在工程教育视域下，结合当前民航行业对复合型人才的迫切需求，以SELEX公司的地面信标典型设备（1150DVOR和1119ADME）和NORMARC公司的NM7000ILS为实验研究对象，构建了虚拟仿真实验教学体系，解决了传统实验教学手段存在的诸多问题，其显著优势包括：（1）与实际现行的陆基导航设备紧密联系，学以致用，有利于满足民航业用人单位对专业技术人才“上手快”的需求，缩短新入职员工的培训周期；（2）虚拟仿真平台具备交互性和操作性，支持各类虚拟仿真仪器仪表的使用，符合工程认证中对相关毕业要求的达成标准，有利于学生“大工程观”的培养和形成；（3）建设方案成本低、易实施，对于民航类院校及其他各类工科院校对全面提高“导航原理与系统”教学实验室建设的“投入产出比”陈万通，等“导航原理与系统”虚拟仿真实验教学体系构建第21期