0  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：在2025年到来之前，全球航空班次将增加至每年2200万次，在高峰日可达到72000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”。因此，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”的改革和与创新[1]。
然而，“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、设备运行需要局方许可，通常不适合学生在实验室内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以及信号处理流程缺乏可视化，学生较难建立起直观认识[2]。因此，迫切需要建立起一套能够直观展示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。
从行业需求视角看，目前国内民航导航台设备多为DVOR与DME合装台，即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NORMARC A/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层次地了解和认识，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，周期较长，用人单位迫切需要行业院校培养出“上手快”的专业技能人才。
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Model 1150 DVOR和Model 1119A DME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；然后，基于NORMARC公司的NM7000 ILS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覆盖了“导航原理与系统”课程的核心知识点，旨在提升理论教学与现行陆基导航设备的紧密结合度，为民航类院校和民航通信导航相关专业的实验课程改革和实验室建设提供新思路。
1陆基导航DVOR/DME虚拟仿真实验系统
1.1 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Selex 1150 DVOR和1119A DME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、工程操作以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前期基础。
1.2 实施过程
学生通过查阅Selex Model 1150 DVOR/Antenna和Selex Model 1118A/1119A DME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。具体实验步骤包括：
(1) 学生登陆虚拟仿真实验系统，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。
1.3 实施评价
在该虚拟仿真项目中，学生要求在规定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、地面信标信号处理流程，都加深了理解，并且得到了工程锻炼，为今后从事设备维护和技术保障工作积累了实际的工程经验。
2基于NM7000 ILS航向信标信号测试与排故虚拟仿真实验
2.1 实验目的
以NORMARC公司的NM7000 ILS典型系统为例，通过航向信标工作流程的动画展示，让学生直观的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、设备工程操作以及实际运行的认知水平。
2.2 实施过程
首先通过航向信标工作流程的动画展示，让学生直观的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NM7000 ILS导航信号的产生与处理过程。随后，令学生熟悉NM7000 机柜控制室中示波器等测试工具的使用以及ILS设备的简单测试方法，然后在设置有故障情况的设备上，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。具体包括两个实验环节：测试实验和航向天线系统排故实验。
2.2.1测试实验
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。具体实验步骤包括：
(1) 关闭NM7000 ILS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SBO接口；
(6) 调整示波器，显示SBO波形；
(7) 波形如有异常，则在“Transmitter settings”的“Signal adj.”一栏，选中COU 90Hz phase，点击Edit；
(8) 将对应发射机的参数设置为0值；
(9) 将NM7000 ILS设备恢复正常。
2.2.2航向天线系统排故实验
该实验环节中，学生在设置有故障情况的模拟机设备上，使用仪器仪表，测量相关参数，并结合设备监控参数，判断设备故障点，并加以排除。
具体实验步骤包括：
(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 CLR DDM 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 和-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。
2.3 实施评价
在该虚拟仿真实验的设计中，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、三维互动等多种形式来展示基于NM7000 ILS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下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]。
3 结语
本文针对民航类院校特色课程“导航原理与系统”中DME、VOR、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，从工程教育视域下出发，并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（1150 DVOR和1119A DME）和NORMARC公司的NM7000 ILS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，对于民航类院校以及其它各类工科院校所开设的民航类专业全面提高“导航原理与系统”教学实验室建设的“投入产出比”也具有重要的参考价值。
[参考文献]
[1]高新勤,陆馨,王浩.以工程教育认证为抓手推进“一流专业”建设[J].大学教育, 2020(11):63-66.
[2]万棣,范懿.电磁场与电磁波虚拟仿真实验系统的设计与开发[J].电气电子教学学报,2020, 42(05): 130-133.
[3] 张阳. 浅析SELEX DVOR/DME导航设备供电系统[J]. 数字通信世界, 2017(05):257-258.
[4]张爱忠.SELEX 1119A DME维护测试浅谈[J].电子世界, 2018(20):48-49.
[5]郭孟和.浅析NM7000航向天线故障排除及排故技巧[J].电子世界, 2017(13):185.
[6]万棣,范懿.电磁场与电磁波虚拟仿真系统的设计与开发[J].电气电子教学学报, 2017,39(04):141-144.
Construction of Experimental Teaching System of "Navigation Principle and System"
CHEN Wan-tong，NI Yu-de，Wan Di, Cui Ming
(School of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China，Tianjin Dongli 300300，China )
Abstract: "Navigation principle and system" is a professional compulsory course closely combined with the industry in civil aviation colleges. However, due to the factors that DME, VOR, ILS and other land-based navigation equipment often occupy a large area, very expensive, and the actual operation requires permission and supporting facilities, it is difficult to utilize the actual equipment to improve students’ engineering practice ability. According to the concept and graduation requirements of engineering education certification, this paper constructs a virtual simulation experiment teaching system of "navigation principle and system". By combining SELEX's typical equipment (1150 DVOR and 1119A DME) and NORMARC's NM7000 instrument landing system, "the virtual simulation experimental system of VOR/DME ground beacon antenna installation and board interconnection" and "ILS course beacon signal test and troubleshooting virtual simulation experimental system" are designed. The provided scheme is flexible, efficient, easy to implement and has little investment. It helps students to master the working principle, signal radiation field characteristics and typical operation in practical maintenance of DME, VOR, ILS and other land-based navigation equipment, and it has important reference value for civil aviation colleges to implement engineering education and construct land-based navigation laboratory.
Keywords: engineering education; virtual simulation; experimental teaching; land-based navigation