杜子妮

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

1 引言

傳統(tǒng)的地面氣象雷達(dá)布置在機(jī)場(chǎng)附近，若載機(jī)上沒有裝備氣象雷達(dá)，與機(jī)組人員報(bào)告氣象信息往往通過無線電聯(lián)系，實(shí)時(shí)性和直觀性不強(qiáng)，而由惡劣天氣造成的災(zāi)難在上世紀(jì)初、中期頻頻發(fā)生。因此，國(guó)外在上世紀(jì)七八十年代就著手研究機(jī)載脈沖多普勒氣象雷達(dá)，并在本世紀(jì)初技術(shù)趨于成熟［1］。

載機(jī)裝備了前視氣象雷達(dá)就可以提前探測(cè)機(jī)頭遠(yuǎn)區(qū)的雷雨強(qiáng)度信息、大氣湍流信息及低空風(fēng)切變信息，并可實(shí)時(shí)報(bào)告及直觀顯示給飛行員，同時(shí)還可將探測(cè)到的氣象信息轉(zhuǎn)發(fā)給后面的飛機(jī)及地面雷達(dá)站，便于及時(shí)、靈活地比較氣象信息［2］。

因此，機(jī)載氣象雷達(dá)是飛機(jī)對(duì)大氣監(jiān)測(cè)的重要手段，在對(duì)突發(fā)性、災(zāi)難性的氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和警報(bào)中具有極其重要的作用。目前，全球所有大中型民用飛機(jī)和軍用運(yùn)輸機(jī)都裝備有各種類型的氣象雷達(dá)，以便飛機(jī)更加安全、舒適地飛行。

通常，氣象雷達(dá)只有通過國(guó)際航空電子設(shè)備適航性認(rèn)證后才能夠裝備載機(jī)。適航性認(rèn)證不僅包括對(duì)航空電子硬件設(shè)備的認(rèn)證，同時(shí)也包括對(duì)電子設(shè)備軟件的認(rèn)證［3］。目前，機(jī)載氣象雷達(dá)硬件架構(gòu)體系比較成熟，而氣象探測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)越來越依賴軟件功能的實(shí)現(xiàn)，有“軟件雷達(dá)”著稱。然而，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)氣象雷達(dá)湍流、風(fēng)切變探測(cè)軟件大多還處于研制階段，對(duì)氣象雷達(dá)功能較好的驗(yàn)證手段如果單從真實(shí)載機(jī)試飛來實(shí)現(xiàn)，時(shí)間周期較長(zhǎng)，且成本較高；如果在氣象雷達(dá)軟件試飛前對(duì)其進(jìn)行軟件測(cè)試，則在較早階段發(fā)現(xiàn)隱藏缺陷，使得缺陷得到及時(shí)修復(fù)，且成本和周期得到較好的控制。

2 機(jī)載前視氣象雷達(dá)軟件功能

機(jī)載前視氣象雷達(dá)主要具有氣象、氣象湍流和低空風(fēng)切變探測(cè)的功能［4］。

在上述氣象功能中，控制探測(cè)波束/時(shí)序控制、氣象回波、氣象湍流及風(fēng)切變信號(hào)譜分析及圖像處理、人機(jī)交互、系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換等功能均以軟件實(shí)現(xiàn)為主。

2.1 氣象探測(cè)流程

氣象方式探測(cè)載機(jī)航向前方的雷雨天氣，以不同灰度等級(jí)顯示雷雨區(qū)雨量和輪廓，提示和告警前方惡劣氣象。降雨率越大，雷達(dá)回波就越強(qiáng)。信號(hào)處理軟件對(duì)氣象探測(cè)的軟件處理流程如圖1所示。

圖1 氣象探測(cè)流程圖

2.2 氣象/湍流探測(cè)流程

對(duì)氣象雷達(dá)而言，湍流是指微粒速度偏差較大的氣象目標(biāo)。速度的偏差可理解為速度的范圍與頻譜，頻譜越寬，湍流越大。根據(jù)湍流速度偏差大小，可將湍流分為輕度、中度和嚴(yán)重湍流。信號(hào)處理軟件按照?qǐng)D2所示的流程來處理并判斷有無湍流，如有，在氣象顯示基礎(chǔ)上標(biāo)注湍流位置。

圖2 氣象/湍流探測(cè)流程圖

2.3 風(fēng)切變探測(cè)流程

從強(qiáng)地雜波背景下探測(cè)微弱的低空風(fēng)切變是機(jī)載前視風(fēng)切變雷達(dá)的技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)載機(jī)在起飛及著陸階段檢測(cè)到風(fēng)切變時(shí)，根據(jù)風(fēng)切變檢測(cè)距離遠(yuǎn)近給予語言、文字和視覺通告等不同危險(xiǎn)等級(jí)的告警提示。信號(hào)處理軟件對(duì)風(fēng)切變探測(cè)處理流程如圖3所示。

圖3 風(fēng)切變探測(cè)流程圖

由上述雷達(dá)軟件功能描述可見，機(jī)載前視氣象雷達(dá)軟件的特點(diǎn)為“處理為主，控制為輔”。氣象雷達(dá)軟件功能主要靠信號(hào)處理軟件來實(shí)現(xiàn)，其核心的氣象探測(cè)算法、大氣湍流探測(cè)及風(fēng)切變探測(cè)算法的軟件系統(tǒng)集成則是軟件測(cè)試的重點(diǎn)。

3 軟件系統(tǒng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)

根據(jù)氣象雷達(dá)軟件功能特點(diǎn)，即氣象強(qiáng)度和形成條件的不同組合會(huì)有不同氣象信息的表現(xiàn)，提取覆蓋軟件功能、性能、接口、余量、強(qiáng)度、安全性和可恢復(fù)性7種測(cè)試類型的測(cè)試需求點(diǎn)［5］。

3.1 關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)提取

通過從系統(tǒng)頂層系統(tǒng)需求文件中提取軟件需求，逐項(xiàng)分析并正式評(píng)審形成測(cè)試需求，一致認(rèn)同該氣象雷達(dá)軟件在功能測(cè)試方面要重點(diǎn)關(guān)注以下測(cè)試點(diǎn):

(1）氣象探測(cè)方式回波強(qiáng)度不同時(shí)圖像顏色顯示是否正確；

(2）氣象強(qiáng)度隨載機(jī)距離的變化是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；

(3）探測(cè)在不同方位的雨區(qū)是否正確；

(4）探測(cè)不同強(qiáng)度雨區(qū)的重疊是否正確；

(5）湍流分級(jí)顯示是否正確；

(6）湍流報(bào)警是否正確；

(7）載機(jī)速度不同和湍流方位角較大時(shí)探測(cè)是否正確；

(8）湍流探測(cè)是否隨載機(jī)距離的變化處于穩(wěn)定狀態(tài)；

(9）湍流不同強(qiáng)度的重疊探測(cè)是否正確；

(10）風(fēng)切變危險(xiǎn)因子的計(jì)算是否正確；

(11）不同的風(fēng)切變危險(xiǎn)因子下告警功能是否正確。

需要說明的是，以上功能測(cè)試點(diǎn)(2）～(4），(7）～(9）項(xiàng)在軟件需求中沒有涉及相關(guān)內(nèi)容，因此提取該測(cè)試項(xiàng)對(duì)氣象風(fēng)切變雷達(dá)原理需要深入了解，也是本測(cè)試項(xiàng)目一個(gè)難點(diǎn)所在。運(yùn)用場(chǎng)景法和猜錯(cuò)法來設(shè)計(jì)相關(guān)測(cè)試用例。對(duì)同一處氣象信息持續(xù)穩(wěn)定的探測(cè)需要雷達(dá)系統(tǒng)具有隨距離不同衰減不同的接收增益曲線，否則會(huì)造成同一氣象信息在遠(yuǎn)處探測(cè)為小雨，而隨著距離的接近卻錯(cuò)誤地判斷為中雨或更強(qiáng)的雨區(qū)。不同強(qiáng)度雨區(qū)重疊探測(cè)測(cè)試也是要驗(yàn)證軟件處理系統(tǒng)是否充分考慮到此類場(chǎng)景，特別是在一個(gè)弱雨區(qū)的后面隱藏著更強(qiáng)的雨區(qū)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)給出相應(yīng)的報(bào)警提示。湍流的探測(cè)是要按照載機(jī)在飛行中的姿態(tài)和速度不同，計(jì)算的湍流譜寬有所展寬，在強(qiáng)度的判斷上要分別采用不同的門限，因此設(shè)計(jì)測(cè)試用例時(shí)也要覆蓋此類場(chǎng)景。

同時(shí)，在DO-178B 適航性要求中特別提到采用魯棒性測(cè)試系統(tǒng)的健壯穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)以下10 項(xiàng)測(cè)試需求，驗(yàn)證在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的能力:

(1）載機(jī)速度較大或非正常時(shí)雷達(dá)工作是否正常；

(2）載機(jī)姿態(tài)角有較大變化時(shí)雷達(dá)工作是否正常；

(3）雷達(dá)工作狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換是否正常；

(4）雷達(dá)軟件及數(shù)據(jù)受到破壞雷達(dá)工作是否仍然正常；

(5）能否非法竊取雷達(dá)軟件及數(shù)據(jù)；

(6）顯控功能按鍵互鎖時(shí)雷達(dá)工作是否正常；

(7）雷達(dá)軟件是否具有反匯編設(shè)計(jì)；

(8）雷達(dá)軟件是否具有防病毒設(shè)計(jì)；

(9）載機(jī)慣導(dǎo)異常時(shí)雷達(dá)軟件是否工作正常；

(10）氣象、湍流和風(fēng)切變探測(cè)3 種方式下掃描寬度快速切換是否正確。

其余測(cè)試類型的測(cè)試點(diǎn)按照常規(guī)機(jī)載雷達(dá)軟件來分析提取就可以覆蓋軟件需求，這里就不再一一描述。

3.2 測(cè)試環(huán)境搭建

分析了測(cè)試的關(guān)注點(diǎn)和方法后就要搭建切實(shí)可行的測(cè)試環(huán)境來執(zhí)行用例。氣象雷達(dá)測(cè)試的另一難點(diǎn)在于測(cè)試環(huán)境的建立，而建立測(cè)試環(huán)境的關(guān)鍵在于氣象回波模擬器的搭建。氣象射頻仿真系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:

(1）模擬機(jī)載氣象雷達(dá)湍流回波信號(hào)；

(2）模擬機(jī)載氣象雷達(dá)低空風(fēng)切變回波信號(hào)。

首先，采用了假設(shè)場(chǎng)景并模擬雷達(dá)掃描的工作過程來生成雷達(dá)回波。仿真系統(tǒng)根據(jù)美國(guó)國(guó)家氣象局的分類標(biāo)準(zhǔn)，采用先進(jìn)的流體力學(xué)仿真技術(shù)，分別建立了湍流和風(fēng)切變風(fēng)場(chǎng)模型，自主研發(fā)了湍流和風(fēng)切變仿真軟件，真實(shí)模擬了風(fēng)場(chǎng)速度和風(fēng)場(chǎng)的密度分布。

然后，射頻仿真系統(tǒng)通過接收雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)回波距離、范圍、速度、譜寬和幅度處理后，產(chǎn)生模擬射頻回波信號(hào)，注入給雷達(dá)及通過喇叭輻射給雷達(dá)天線。

這樣，利用某研究所結(jié)合了氣象、湍流、風(fēng)切變目標(biāo)仿真建模技術(shù)為一體的氣象回波射頻模擬器和雷達(dá)整機(jī)聯(lián)試環(huán)境就可以搭建完整的測(cè)試環(huán)境，如圖4所示。實(shí)線框?yàn)楸粶y(cè)雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)線框以外的設(shè)備為測(cè)試環(huán)境。通過綜合考慮雷達(dá)軟件開發(fā)特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境，充分利用已有設(shè)備和開發(fā)調(diào)試環(huán)境，提出一種交叉測(cè)試(cross-testing）環(huán)境。在該測(cè)試環(huán)境上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式雷達(dá)軟件功能和性能等項(xiàng)目實(shí)施有效測(cè)試，其中各部分的功能和作用是:

圖4 機(jī)載氣象雷達(dá)軟件系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

(1）宿主機(jī)提供雷達(dá)軟件的開發(fā)環(huán)境，用來開發(fā)測(cè)試用例，程序插裝，編譯通過后下載；

(2）雷達(dá)整機(jī)設(shè)備是被測(cè)程序的運(yùn)行環(huán)境，利用該設(shè)備現(xiàn)有的可編程觸摸鍵盤和顯示模塊控制測(cè)試的執(zhí)行，顯示模塊也可以用來顯示測(cè)試輸出；

(3）氣象回波模擬器和喇叭具有較好的可控性，可以模擬氣象、湍流及風(fēng)切變回波強(qiáng)度、距離、譜寬及位置信息，雷達(dá)對(duì)氣象目標(biāo)的檢測(cè)功能和性能等都可以得到較全面的測(cè)試；

(4）專用設(shè)備總線監(jiān)測(cè)儀是針對(duì)雷達(dá)對(duì)外航電通訊總線信息接口的監(jiān)測(cè)，通過分析約定格式可以對(duì)總線接口信息進(jìn)行通訊再現(xiàn)，從而可以計(jì)算總線響應(yīng)時(shí)間和有無通訊誤碼；

(5）機(jī)載航電仿真系統(tǒng)模擬航電與雷達(dá)之間的通訊，同時(shí)通過模擬顯控系統(tǒng)可以直觀地把雷達(dá)檢測(cè)到氣象信息顯示出來，僅僅通過觀測(cè)顯示畫面就可以判斷雷達(dá)工作是否正常。

這種交叉測(cè)試環(huán)境也是在雷達(dá)軟件開發(fā)調(diào)試中經(jīng)常使用的，在對(duì)嵌入式軟件系統(tǒng)測(cè)試中可以直接利用，不需要增加新設(shè)備，具有高度的真實(shí)性、高可控性、節(jié)省費(fèi)用和時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。該測(cè)試環(huán)境已在實(shí)際測(cè)試項(xiàng)目中得到應(yīng)用，完全適用于功能、性能、接口、安全性、余量、可恢復(fù)性及強(qiáng)度測(cè)試7 種類型，測(cè)試效果良好。

4 結(jié)束語

本文首先對(duì)機(jī)載前視氣象雷達(dá)軟件的功能逐一分析，給出了氣象、湍流、風(fēng)切變探測(cè)工作處理流程，然后針對(duì)氣象3個(gè)方式探測(cè)處理的特點(diǎn)提取了軟件功能和安全性測(cè)試的關(guān)注點(diǎn)，詳細(xì)介紹系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的構(gòu)建方法，最后通過7 種測(cè)試類型的執(zhí)行完整地覆蓋了基于需求的系統(tǒng)測(cè)試，為同類測(cè)試項(xiàng)目提供了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。另外，機(jī)載氣象雷達(dá)軟件系統(tǒng)測(cè)試要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)氣象目標(biāo)模型仿真技術(shù)的深入研究才能更好地為測(cè)試項(xiàng)目提供全面的測(cè)試場(chǎng)景。

［1］梁愛民，陳露.低空風(fēng)切變與飛行安全［J］.中國(guó)民用航空，2009，105(09）:32.

［2］魏永恒.大氣湍流及航空風(fēng)切變探測(cè)預(yù)警體系［J］.寶成航空科技，2007(1）:1-13.

［3］秦顯忠.機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備軟件適航性認(rèn)證最新指導(dǎo)文件-RTCA DO-178B［J］.航空電子技術(shù)，1995(1）:23-25.

［4］張培昌，杜秉玉，戴鐵培.雷達(dá)氣象學(xué)［M］.北京:氣象出版社，2000.11.

［5］Lee J，etc.Testability analysis based on structural and behavioral information［C］.Proceeding of IEEE VLSI Test Symposium，Atlantic City，NJ，1993:139-145.