童大鵬

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

通信導(dǎo)航識(shí)別系統(tǒng)(Communication，Navigation and Identification，CNI)是航空電子系統(tǒng)的重要組成部分，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的綜合化通信導(dǎo)航識(shí)別(Integrated CNI，ICNI)設(shè)備以通用模塊為基礎(chǔ)，加強(qiáng)設(shè)備的冗余備份和資源重構(gòu)以提高傳感器功能、執(zhí)行任務(wù)的冗余度和可靠性［1－2］，但與此同時(shí)會(huì)使ICNI 設(shè)備的測(cè)試及故障定位更加復(fù)雜，從而對(duì)所需測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)集成、故障檢測(cè)和隔離能力提出了更高要求。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)ICNI 設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)的研究論著較少，有基于VXI 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)ICNI 設(shè)備的自動(dòng)測(cè)試［3］，該方法需要嵌入式控制器、零槽管理器及機(jī)箱，測(cè)試成本很高并未有效推廣。當(dāng)前ICNI 設(shè)備測(cè)試通常采用傳統(tǒng)三代聯(lián)合式CNI 設(shè)備測(cè)試方法，即采用多種傳感器激勵(lì)設(shè)備，配置大量人力分別對(duì)ICNI設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，在ICNI 設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通常依靠設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)或需要較多人員根據(jù)信號(hào)流向分段排故，這種系統(tǒng)集成、故障檢測(cè)手段已不能滿足項(xiàng)目數(shù)量的急劇增加以及航空電子系統(tǒng)高度智能化的發(fā)展方向。針對(duì)上述不足，本文借鑒ICNI 設(shè)備綜合模塊化設(shè)計(jì)思想，提出一種激勵(lì)設(shè)備模塊化和采用故障診斷專家系統(tǒng)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，以降低系統(tǒng)集成與保障費(fèi)用，提高管理故障發(fā)生和規(guī)劃維修的能力［4］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ICNI 設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)信息實(shí)時(shí)控制、傳感器功能定性及定量系統(tǒng)驗(yàn)證、系統(tǒng)機(jī)內(nèi)測(cè)試(Built－in Test，BIT)功能驗(yàn)證、冗余和重構(gòu)能力驗(yàn)證、飛行全階段動(dòng)態(tài)模擬驗(yàn)證，同時(shí)還需要為裝備的自動(dòng)故障診斷及自主保障建立專家系統(tǒng)。

根據(jù)以上需求，測(cè)試系統(tǒng)由傳感器功能激勵(lì)、ICNI 設(shè)備及測(cè)試系統(tǒng)控制、指標(biāo)參數(shù)測(cè)量和支撐設(shè)備等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition diagram

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)核心部分由功能激勵(lì)模塊和電平調(diào)理模塊組成，平臺(tái)支撐部分包括無(wú)線電綜合測(cè)試儀、通用信號(hào)源以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、ICNI 設(shè)備電源及低頻接口適配盒。

2.1.1 功能激勵(lì)模塊

功能激勵(lì)模塊用于替代功能測(cè)試專用設(shè)備，為ICNI 設(shè)備提供符合傳感器射頻傳輸格式的信號(hào)，分為通信功能模塊、導(dǎo)航功能模塊、識(shí)別航管功能模塊、高度表功能模塊、羅盤功能模塊和信標(biāo)功能模塊:通信功能模塊實(shí)現(xiàn)短波、超短波話音及數(shù)據(jù)通信功能;導(dǎo)航功能模塊實(shí)現(xiàn)塔康(TACAN)、精密測(cè)距、微波著陸功能;識(shí)別航管功能模塊實(shí)現(xiàn)敵我識(shí)別(IFF)詢問(wèn)、應(yīng)答及空中交通管制功能;高度表功能模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線電測(cè)高功能;羅盤功能模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線電羅盤功能;信標(biāo)功能模塊實(shí)現(xiàn)指點(diǎn)信標(biāo)功能。

2.1.2 電平調(diào)理模塊

電平調(diào)理模塊由衰減器陣列、電子開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)及控制電路組成，用于匹配ICNI 設(shè)備與測(cè)試系統(tǒng)射頻信號(hào)的接收范圍及幅度，并通過(guò)總線控制實(shí)現(xiàn)多種天線接口的自動(dòng)切換。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分由ICNI 設(shè)備控制軟件、測(cè)試系統(tǒng)控制軟件、系統(tǒng)接口軟件和故障診斷專家系統(tǒng)組成。

2.2.1 ICNI 設(shè)備控制軟件

ICNI 設(shè)備控制軟件根據(jù)功能需求分為狀態(tài)查詢模塊、資源配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和系統(tǒng)重構(gòu)模塊。

(1)狀態(tài)查詢模塊軟件設(shè)計(jì)

狀態(tài)查詢模塊用于對(duì)ICNI 設(shè)備內(nèi)部各模塊及傳感器功能的狀態(tài)查詢指令、BIT 指令和電子標(biāo)簽中關(guān)鍵信息進(jìn)行解析，獲取模塊BIT 之后正?；蚬收蠣顟B(tài)，獲取接口控制模塊、信號(hào)處理模塊及信道模塊各狀態(tài)參數(shù)信息，同時(shí)查詢綜合化UHF/VHF 頻段、L 頻段和特殊頻段傳感器功能，得出指標(biāo)是否在正常范圍之內(nèi)以及指標(biāo)是否有下降或偏移。軟件流程如圖2所示。

圖2 狀態(tài)查詢模塊軟件流程圖Fig.4 Flow chart of function and module status query program package software

(2)資源配置模塊軟件設(shè)計(jì)

資源配置模塊根據(jù)飛機(jī)飛行仿真劇情實(shí)時(shí)控制機(jī)載設(shè)備工作模式、參數(shù)信息，驗(yàn)證系統(tǒng)傳感器功能，是測(cè)試系統(tǒng)主要應(yīng)用軟件，其流程如圖3所示。

圖3 資源配置模塊軟件流程圖Fig.5 Flow chart of resource allocation program package software

(3)數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊用于把傳感器數(shù)據(jù)(包括塔康、微波著陸、儀表著陸、精密測(cè)距、高度表、羅盤和信標(biāo))通過(guò)1553B 總線或429 總線周期性在人機(jī)界面上顯示，軟件流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程圖Fig.4 Flow chart of data acquisition program package software

(4)系統(tǒng)重構(gòu)模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)重構(gòu)模塊用于驗(yàn)證ICNI 設(shè)備冗余和重構(gòu)能力，通過(guò)注入模擬故障信息，查詢系統(tǒng)是否采用冗余通道或占用低優(yōu)先級(jí)功能通道，查詢并測(cè)試重構(gòu)后的功能資源配置狀態(tài)，軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)重構(gòu)模塊軟件流程圖Fig.5 Flow chart of fault injection program package software

2.2.2 測(cè)試系統(tǒng)控制軟件

測(cè)試系統(tǒng)控制軟件用于管理、調(diào)度測(cè)試系統(tǒng)中各功能激勵(lì)模塊、電平調(diào)理模塊及通用測(cè)試儀器。該軟件駐留在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，借鑒ICNI 設(shè)備內(nèi)部核心控制軟件設(shè)計(jì)思路，建立多任務(wù)線程，根據(jù)測(cè)試要求控制功能激勵(lì)模塊處于不同的收發(fā)工作模式、產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)或接收射頻信號(hào)并經(jīng)濾波、下變頻到中頻信號(hào)，最終得到基帶信號(hào)送至計(jì)算機(jī)端進(jìn)行處理，控制電平調(diào)理模塊處于不同的衰減量，測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍、接收靈敏度等指標(biāo)，并通過(guò)控制內(nèi)部的電子開(kāi)關(guān)陣列，無(wú)縫切換UHF/VHF 左右天線、L 頻段上下天線及獨(dú)特信道天線。

2.2.3 系統(tǒng)接口軟件

系統(tǒng)接口軟件按接口類型分為硬件接口模塊和人機(jī)交互模塊。硬件接口模塊軟件是為應(yīng)用程序提供硬件接口驅(qū)動(dòng)函數(shù)，主要功能為硬件設(shè)備的創(chuàng)建、關(guān)閉與管理，硬件信息的維護(hù)與更新，與硬件接口的數(shù)據(jù)收發(fā)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是考慮驅(qū)動(dòng)程序可靠性，按總線協(xié)議及器件資料完成硬件初始化、中斷服務(wù)程序和接口功能程序。人機(jī)交互模塊軟件提供人機(jī)交互信息接口，包括實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用軟件所需輸入輸出接口的集中管理和控制，并提供各種參數(shù)、狀態(tài)等信息的有序化顯示，采用選擇菜單與按鍵相配合的操作方式。人機(jī)交互模塊軟件考慮如何最大限度利于用戶使用，提供友善的人機(jī)接口。

3 重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題研究

3.1 BIT 設(shè)計(jì)

BIT 是指設(shè)備、分機(jī)、模塊內(nèi)部具有自動(dòng)檢測(cè)及隔離故障的測(cè)試能力［5］。本文BIT 設(shè)計(jì)根據(jù)通用及專用模塊或功能特點(diǎn)采用不同設(shè)計(jì)策略:對(duì)于由通用模塊組成的傳感器功能，例如UHF/VHF 話音通信功能、IFF 詢問(wèn)功能、TACAN 功能等，采用冗余模塊替換進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)中頻信號(hào)處理模塊產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行傳感器功能收發(fā)信道閉環(huán)檢測(cè)。對(duì)于獨(dú)特模塊組成傳感器功能，由于其特殊信道只具有單收或半雙工能力，BIT 設(shè)計(jì)將主要依靠檢測(cè)特殊模塊內(nèi)部的狀態(tài)檢測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。本文中采用了加電BIT、周期BIT 和維護(hù)BIT 三種方式:在ICNI 設(shè)備每次上電啟動(dòng)或復(fù)位時(shí)，讀取ICNI 設(shè)備的健康狀態(tài)并提供MFL 和PFL 清單;根據(jù)系統(tǒng)、功能、模塊不同的任務(wù)規(guī)劃周期執(zhí)行周期BIT;提供手動(dòng)維護(hù)BIT，激發(fā)ICNI 設(shè)備解除所有功能、配置所有功能，并重新上報(bào)模塊維護(hù)狀態(tài)信息表，在維護(hù)BIT 進(jìn)行過(guò)程中，ICNI 設(shè)備不響應(yīng)外界控制。

設(shè)備級(jí)BIT 管理采用集中處理方式，由核心控制模塊完成，實(shí)現(xiàn)BIT 啟動(dòng)、BIT 信息集中采集、BIT綜合判決、BIT 信息記錄、故障注入管理、故障決策、故障輸出;控制類模塊級(jí)BIT 管理核心為中央處理器，射頻類模塊BIT 測(cè)試信息處理單元為控制部件子板;功能級(jí)BIT 管理核心為信號(hào)處理模塊，完成測(cè)試信息的激勵(lì)、檢測(cè)信息的分析、各模塊狀態(tài)的收集。

3.2 故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)采用規(guī)則和案例兩種表示方法，規(guī)則采用一系列的if(前提條件)then(結(jié)論)，案例采用根據(jù)導(dǎo)致特定結(jié)果的一系列特征屬性的集合［6］;知識(shí)獲取來(lái)源于ICNI 設(shè)備各級(jí)模塊、功能的故障模式及影響分析(FMEA)，推理方法則采用了混合推理控制策略;傳感器功能完全失效時(shí)，執(zhí)行基于規(guī)則的推理;傳感器功能未報(bào)故但指標(biāo)異常時(shí)，執(zhí)行基于案例的推理［7］。

以超短波話音通信功能為例說(shuō)明專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。超短波話音通信功能故障樹(shù)如圖6所示，根據(jù)此故障樹(shù)建立知識(shí)庫(kù)，見(jiàn)表1～4;確定列表后，建立正向及反向推理算法，正向即如果UHF/VHF 話音功能故障，則有如圖6所示的各模塊故障情況出現(xiàn)，依層次往下推斷;反向即從底層模塊或單元開(kāi)始，向上推斷到頂層的功能故障［8］。故障診斷專家系統(tǒng)是以動(dòng)態(tài)庫(kù)的形式嵌入到測(cè)試系統(tǒng)控制軟件內(nèi)，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)ICNI 設(shè)備按檢驗(yàn)測(cè)試規(guī)程施加相應(yīng)激勵(lì)并讀取測(cè)試結(jié)果與標(biāo)稱值進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)生異常時(shí)，軟件自動(dòng)調(diào)用故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷，故障定位到模塊或電路級(jí)。

圖6 超短波話音通信功能故障樹(shù)Fig.9 Fault tree of UHF/VHF voice communication

表1 功能標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)表Table 1 Functional identification data table

表2 故障模式標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)表Table 2 Fault mode identification data table

表3 故障征兆表Table 3 Fault symptom table

表4 故障模式檢測(cè)方法表Table 4 Fault detection mode method table

4 測(cè)試驗(yàn)證分析

本系統(tǒng)已在ICNI 設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)試中實(shí)際使用，應(yīng)用表明系統(tǒng)運(yùn)行良好，能較好地滿足ICNI 設(shè)備的各種功能需求。功能線程符合性檢查表見(jiàn)表5;采用模塊故障、總線突發(fā)故障、傳感器功能指標(biāo)下降及失效等4 個(gè)腳本，驗(yàn)證ICNI 設(shè)備重構(gòu)及冗余能力，得到故障檢測(cè)率和隔離率如表6所示。

表5 功能線程符合性檢查表Table 5 Function thread conformity inspection table

表6 故障檢測(cè)率和隔離率Table 6 Fault detection rate and fault isolation rate

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)采用功能激勵(lì)模塊、BIT 技術(shù)、故障診斷專家系統(tǒng)、多任務(wù)軟件等技術(shù)和方法實(shí)現(xiàn)了ICNI設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)功能需求。本系統(tǒng)可用于ICNI 設(shè)備設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、維護(hù)全部生命周期，包括系統(tǒng)集成、測(cè)試驗(yàn)收、維護(hù)保障、故障預(yù)測(cè)、故障檢測(cè)及故障診斷，對(duì)指導(dǎo)ICNI 設(shè)備設(shè)計(jì)和驗(yàn)證具有借鑒意義。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于ICNI 設(shè)備開(kāi)發(fā)維護(hù)過(guò)程。

由于綜合化航空電子系統(tǒng)體系架構(gòu)決定了ICNI 設(shè)備故障模式及影響非常復(fù)雜，單個(gè)模塊或板級(jí)電路故障會(huì)導(dǎo)致多種傳感器功能失效或指標(biāo)臨界漂移，所以完善故障專家系統(tǒng)推理機(jī)所采用的策略及解釋，以及開(kāi)發(fā)存儲(chǔ)診斷問(wèn)題原始特征的數(shù)據(jù)庫(kù)是測(cè)試系統(tǒng)難點(diǎn)，可作為下一步測(cè)試系統(tǒng)的研究方向之一。

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