崔旭輝

(中國西南電子技術研究所，成都610036)

1 引言

雷達敵我識別系統(tǒng)(IFF)采用二次雷達“詢問/應答”的協(xié)同方式工作[1]，航管(ATC)二次雷達廣泛應用于各個國家的民航管理和監(jiān)視[2]，由于兩種系統(tǒng)工作方式相同，且天線可以共用，因此兩種二次雷達(SSR)系統(tǒng)的一體化、集成設計是新型裝備發(fā)展的必然趨勢。

在IFF與ATC二次雷達的一體化系統(tǒng)中，常規(guī)的設計方法是保持IFF和ATC二次雷達的功能相對獨立，信道獨立，信號處理獨立，這種設計工作流程控制簡單，但是當某一功能的通道故障時，系統(tǒng)就喪失了該功能，直至手動更換了正常備件才能恢復該功能。此外，裝備的傳統(tǒng)備份方法一般有兩種，一是增加隨機備件，其弊端是更換備件時需要人工操作，系統(tǒng)開關機時間與更換備件的時間大于5 min，在作戰(zhàn)等緊急情況下其弱點更為明顯;二是增加一套相同設備進行熱備份，其弊端是增加了系統(tǒng)數(shù)量，也就相應增加了系統(tǒng)各項成本，增大了加裝、管理和維護難度。

針對上述常規(guī)設計中設備任務可靠性低、備份成本開銷大的缺點，本文提出一種簡便、實用的設計方法，通過有效的機內(nèi)測試(BIT)選擇正常的任務通道，在一路通道正常的情況下也能完成IFF和ATC二次雷達功能;同時還能有效利用已有的硬件資源，使原本獨立的通道變?yōu)榛閭浞萃ǖ溃峁┝艘环N簡單靈活的熱備份方法。這種設計方法適用于IFF和ATC二次雷達一體化、集成設計平臺，也可以在其他綜合集成平臺上推廣。同時，在系統(tǒng)BIT設計中采用了集中－分布式[3]相結合的BIT設計方式，在集中式BIT設計中采用環(huán)繞測試方式[4]，通過融合集中式BIT結果和分布式BIT結果，完成通道狀態(tài)的判斷，能夠?qū)⒐收隙ㄎ坏浆F(xiàn)場可更換單元(LRU)。這種BIT設計方法在提高故障檢測率的同時有效降低了系統(tǒng)的虛警概率，提高了系統(tǒng)的測試性和維修性。

2 IFF和ATC綜合系統(tǒng)設計

二次雷達綜合系統(tǒng)集成了IFF功能和ATC功能，主要包括詢問天線、信道、信號處理分機、綜合控制分機及開關矩陣等。在圖1所示的IFF與ATC一體化設備中，IFF與ATC通常的連接方法是在詢問天線和信道間微波開關或功分器相連，信道與信號處理分機直接相連。

圖1 IFF與ATC一體化設備常規(guī)設計框圖Fig.1 The ordinary IFF and ATC integration equipment

上述設計中，IFF與ATC功能相對獨立，控制流程簡單，但是這種集成設計沒有系統(tǒng)功能重構的能力，只能通過更換備件的方式恢復功能。因此，為了提高系統(tǒng)的生存能力，可以在圖1設計的基礎上進行改進，IFF與ATC二次雷達的信道、信號處理分機設計完全相同，即信道、信號處理分機的設計兼容IFF與ATC二次雷達的需求。系統(tǒng)主要組成部分的原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要組成部分原理框圖Fig.2 The main components of the system

圖2 中，兩路信道通過一個微波開關矩陣與詢問天線相連，通過綜合控制分機的控制，可以選擇某一信道與詢問天線相連;兩路信道通過一個中頻開關矩陣分別連接兩路信號處理分機，通過綜合控制分機的控制，可以選擇信道與某一信號處理分機連通，這樣系統(tǒng)就具有了系統(tǒng)重構功能。

中頻開關矩陣由兩級N組單刀雙擲開關組成，其中N值由信號處理與信道間的信號通道數(shù)決定。綜合控制分機可以通過一組控制線或一路通信接口等方式控制此中頻開關矩陣，實現(xiàn)兩級開關4種狀態(tài)的控制，即導通信道1與信號處理分機1、導通信道1與信號處理分機2、導通信道2與信號處理分機1、導通信道2與信號處理分機2。

微波開關矩陣由N組單刀雙擲開關組成，其中N的值由射頻信號RF的通道數(shù)決定。綜合控制分機可以通過一組控制線或一路通信接口等方式控制此微波開關矩陣，實現(xiàn)N組開關兩種狀態(tài)的控制，即導通詢問天線與信道1、導通詢問天線與信道2。

3 系統(tǒng)BIT流程及通道控制

綜合控制分機每間隔5～30 min向兩路信道和信號處理分機發(fā)送周期BIT命令;信道和信號處理分機收到綜合控制分機的周期BIT命令后分別進行自檢，并將BIT結果送綜合控制分機;綜合控制分機會保存最近一次的自檢結果，在執(zhí)行每次的任務前都要根據(jù)此結果配置正常的通道以保證順利完成任務。綜合控制分機通道控制流程如圖3所示。

圖3 綜合控制分機通道控制流程圖Fig.3 Design flow of the integrated control extension control channels

如當前啟動的是IFF任務時，綜合控制分機根據(jù)保存的最近一次BIT結果先判斷IFF信號處理分機(初始為信號處理分機1)是否正常，如正常再判斷信道1是否正常;如IFF信號處理分機不正常，再判斷ATC信號處理分機(初始為信號處理分機2)是否正常，并根據(jù)任務優(yōu)先級選擇是否將ATC信號處理分機重構為IFF信號處理分機。配置好信號處理分機后判斷信道1是否正常，如信道1正常，則控制微波開關矩陣和中頻開關矩陣將詢問天線－信道1－IFF信號處理分機連通，利用信道1完成IFF任務;如信道1不正常，再判斷信道2是否正常，如信道2正常則控制微波開關矩陣和中頻開關矩陣將詢問天線－信道2－IFF信號處理分機連通，利用信道2完成IFF任務;如兩信道均不正常則不能完成IFF任務。當ATC任務啟動時與IFF任務執(zhí)行流程相似。

由于IFF和ATC二次雷達分時工作的方式?jīng)Q定了IFF和ATC二次雷達功能不會產(chǎn)生信道使用上的沖突，采用本設計方法可保證每個功能均有兩個信道保障其順利完成任務。

系統(tǒng)加電時需對信號處理分機進行初始功能配置，如IFF占用信號處理分機1、ATC占用信號處理分機2，由于信號處理分機內(nèi)程序動態(tài)加載時間較長，在兩路信號處理分機均正常的情況下不進行重構，僅自動根據(jù)信道故障情況選擇正常信道工作。當一路信號處理分機出現(xiàn)故障時，是否需要進行重構根據(jù)執(zhí)行任務的優(yōu)先級進行判斷;如IFF任務優(yōu)先級高于航管任務，而初始默認IFF信號處理分機故障時，可將原默認的ATC信號處理分機重構為IFF信號處理分機。關于信號處理中DSP、FPGA動態(tài)重配置的相關技術文獻較多，本文不再重點描述。

4 系統(tǒng)BIT設計

由于對系統(tǒng)任務進行通道分配時要依據(jù)BIT結果，就需要系統(tǒng)BIT虛警率低，且能夠?qū)⒐收隙ㄎ坏絃RU(現(xiàn)場可更換單元)。因此，采用了集中－分布式BIT設計，以集中式BIT為系統(tǒng)BIT框架，在LRU間采用分布式BIT，通過集中與分布式BIT相結合的方式對任務通道進行快速檢測與診斷，將故障定位到LRU，并完成執(zhí)行任務通道的選擇。

LRU間的分布式BIT設計原理框圖見圖4，針對LRU的關鍵部件、典型故障進行相應的BIT設計。綜合控制分機向信號處理分機發(fā)出BIT命令，信號處理分機對關鍵處理部件 CPU、FPGA、A/D、D/A等的狀態(tài)進行檢查，并將自檢點結果送至綜合控制分機;綜合控制分機向信道分機中的接收機、發(fā)射機、頻率源發(fā)出BIT命令，并由綜合控制分機收集各個LRU的自檢點信息，進行匯總后判斷出該信道分機是否正常。其中，信道分機的各個自檢點主要包含接收輸出電平、發(fā)射功率輸出、發(fā)射檢波信號、駐波、頻率源鎖定等信息[5－6]。

圖4 分布式BIT設計原理框圖Fig.4 The block diagram of distributed BIT design

如果系統(tǒng)BIT只采用上述分布式BIT設計，由于BIT設計的局限性或BIT設計本身可靠性低等原因，會存在BIT虛警率較高的情況，因此本設計還采用了一種環(huán)繞測試方法，此方法是將主動激勵信號或者電路既有輸出信號回繞到輸入端進行采集，通過分析這個回繞信號來判斷電路是否發(fā)生故障的方法，具體設計如圖5所示。綜合控制分機向信道分機、信號處理分機發(fā)出環(huán)繞測試命令后，頻率源輸出的接收本振和發(fā)射載波信號使得接收機和發(fā)射機工作在相同頻點;信號處理分機將一組約定的IF信號輸出給發(fā)射機;IF信號經(jīng)發(fā)射機功率放大后輸出RF信號并通過空間耦合至接收機;RF信號經(jīng)接收機混頻、放大、濾波后輸出IF信號，再送至處理分機;信號處理分機將收到的信號與發(fā)送的信號進行對比，如一致則認為該通道正常，否則異常，最后將環(huán)繞測試結果送綜合控制分機。這種環(huán)繞測試設計的優(yōu)點在于測試的準確度高，只要通道中出現(xiàn)影響系統(tǒng)功能的故障，通過這種環(huán)繞測試均能判斷，可以消除分布式BIT的虛警。此外，這種環(huán)繞測試設計中沒有增加任何硬件投入，也就沒有對系統(tǒng)的基本可靠性產(chǎn)生影響。

圖5 環(huán)繞測試設計原理框圖Fig.5 The block diagram of wrap － around test

但是，如果只采用上述環(huán)繞測試，不結合分布式BIT結果，就不能將故障定位到LRU，那么系統(tǒng)的故障隔離率將不能滿足要求。因此需要采用集中－分布式相結合的BIT設計方式，綜合控制分機將分布式BIT結果和環(huán)繞測試結果融合處理，既可完成通道狀態(tài)的判斷，又能夠?qū)⒐收隙ㄎ坏絃RU并上報至系統(tǒng)。綜合控制分機的綜合診斷流程如圖6所示。

這種BIT設計方法在提高故障檢測率的同時有效降低了系統(tǒng)的虛警概率，除必要的分布式BIT硬件設計外，集中式BIT設計不需要增加額外BIT硬件電路，不會對系統(tǒng)的基本可靠性帶來不利影響[7]。

圖6 綜合診斷流程Fig.6 The flow of the integrated diagnosis

5 結束語

雙通道互備份設計和集中－分布式BIT設計技術為本設計方法的關鍵技術，巧妙組合兩種技術，可充分利用IFF、SSR雙系統(tǒng)通道資源，能自動、準確地獲取BIT結果，并即時地動態(tài)修改連接通路，不需額外增加備份系統(tǒng)，便捷實現(xiàn)雙系統(tǒng)的熱備份。

通過采用集中－分布的BIT設計方式，在提高系統(tǒng)故障檢測率的同時有效降低了系統(tǒng)的虛警概率，提高了IFF與ATC二次雷達系統(tǒng)的測試性、維修性和可靠性。在不增加設備數(shù)量的前提下，有效利用已有的信道資源，根據(jù)BIT結果通過開關控制將原本獨立的IFF和ATC通道設計為對方的備份通道，通過重構使IFF和ATC功能在有一路通道正常的情況下就能成功執(zhí)行兩種二次雷達任務，不用人工干預自動完成切換，大大提高了任務實時、可靠的完成能力。本設計方法在實際工程項目中得到了較好的應用，提高了系統(tǒng)的綜合性能。

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