（中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)探測(cè)前方航路上的氣象狀況，保障飛機(jī)的飛行安全，是必備的航空電子系統(tǒng)之一。機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)的深度測(cè)試平臺(tái)是進(jìn)行部件維修的基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)具備機(jī)載氣象雷達(dá)附件維修資質(zhì)的維修單位使用的深度測(cè)試平臺(tái)基本是雷達(dá)生產(chǎn)商提供的專(zhuān)用測(cè)試機(jī)柜。不同生產(chǎn)商所生產(chǎn)的測(cè)試設(shè)備僅僅適用于自身提供的雷達(dá)系統(tǒng)，不能兼容其他雷達(dá)生產(chǎn)商的設(shè)備，如柯林斯的機(jī)載氣象雷達(dá)測(cè)試機(jī)柜不能對(duì)霍尼韋爾的氣象雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，因此維修單位為了提供全面的維修服務(wù)，需要配置不同類(lèi)型的專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備，不僅造成了航電測(cè)試設(shè)備利用率低，而且由于不同設(shè)備使用方法不同，需要重復(fù)進(jìn)行培訓(xùn)甚至配備不同的維修人員，嚴(yán)重限制了維修單位的維修能力[1-3]。

隨著電子技術(shù)高速發(fā)展，航空電子設(shè)備功能日趨強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，維修費(fèi)用的占比也在快速上升。為了提高自身產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，各機(jī)載氣象雷達(dá)生產(chǎn)商積極采用良好的測(cè)試性和維修性設(shè)計(jì)，其中采用BIT（Build in Test）技術(shù)已成為共識(shí)[4-7]。根據(jù)美軍標(biāo)MILSTD-1309C的定義，BIT是指系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部提供的監(jiān)測(cè)、隔離故障的自動(dòng)測(cè)試能力。系統(tǒng)主裝備不用外部測(cè)試設(shè)備就能完成對(duì)系統(tǒng)、分系統(tǒng)或設(shè)備的功能檢查、故障診斷與隔離及性能測(cè)試是聯(lián)機(jī)檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展。但BIT功能設(shè)計(jì)受到10%冗余軟硬件的限制，使得系統(tǒng)BIT的測(cè)試能力具有局限性，只能根據(jù)故障字典完成相應(yīng)項(xiàng)目的測(cè)試，對(duì)于故障的定位與隔離也只能到航線(xiàn)可更換組件級(jí)別。

本文提出了一種基于機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)BIT技術(shù)的深度測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，利用智能儀器儀表采集系統(tǒng)組件接口信號(hào)，結(jié)合系統(tǒng)BIT功能，完成部件維修手冊(cè)中的測(cè)試項(xiàng)目，提高各種測(cè)試設(shè)備的使用效率。這對(duì)于提高維修單位的維修能力，降低維修成本，提高航材保障效率等方面具有積極意義。

1 機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及接口信號(hào)

機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)主要功用為實(shí)時(shí)探測(cè)前方的氣象狀況并轉(zhuǎn)化為平面圖像提供給飛行員。其系統(tǒng)主要由天線(xiàn)組、收發(fā)組、顯示器和控制盒等部分組成[5]。收發(fā)組是系統(tǒng)的核心組件，用于產(chǎn)生雷達(dá)波并接收和處理雷達(dá)回波，同時(shí)控制天線(xiàn)方位和俯仰掃描進(jìn)一步控制微波的發(fā)射與接收；天線(xiàn)組由平板天線(xiàn)和天線(xiàn)基座兩部分組成，用于平板天線(xiàn)方位和俯仰的掃描，實(shí)現(xiàn)微波的發(fā)射與接收；顯示器用于顯示收發(fā)組處理后的雷達(dá)圖像，供飛行員參考；控制盒是人機(jī)交互的界面，控制雷達(dá)的工作模式、天線(xiàn)增益、人工俯仰角度等。各組件之間的交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1 氣象雷達(dá)系統(tǒng)各組件交聯(lián)關(guān)系Fig.1 Interconnection between WXR system units

收發(fā)組與天線(xiàn)組之間通過(guò)電纜直接連接，包括電源信號(hào)、控制信號(hào)、反饋信號(hào)等；收發(fā)組通過(guò)ARINC453高速航空數(shù)據(jù)總線(xiàn)將1600位信息組成的氣象數(shù)據(jù)字實(shí)時(shí)傳送到顯示器并進(jìn)行顯示；收發(fā)組和控制盒之間通過(guò)ARINC429總線(xiàn)進(jìn)行通信，傳遞人工設(shè)置信息。此外，收發(fā)組還需要接收其他系統(tǒng)的一些信息，如大氣數(shù)據(jù)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)電高度表等，進(jìn)行特殊模式的解算，如地圖模式、湍流探測(cè)、風(fēng)切變、天線(xiàn)穩(wěn)定等，也都是通過(guò)ARINC429總線(xiàn)進(jìn)行通信。機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)各組件接口信號(hào)分類(lèi)及特點(diǎn)如表1所示。

表1 機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)組件接口信號(hào)分類(lèi)及特點(diǎn)

1.2 機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)工作原理

機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)的維修工作依據(jù)相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果來(lái)實(shí)施。雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程可以用公式（1）表示，對(duì)于相同類(lèi)型的系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矢量T不變，在相同的輸入信號(hào)矢量X激勵(lì)下，輸出信號(hào)矢量Y也應(yīng)該是相似的，僅在有限的幅度內(nèi)存在浮動(dòng)。

輸入信號(hào)矢量X包括系統(tǒng)輸入電壓、量化后的模擬輸出信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)、數(shù)字信號(hào)以及轉(zhuǎn)換后的總線(xiàn)信號(hào)等；輸出信號(hào)矢量Y包括系統(tǒng)BIT結(jié)果、量化后的模擬輸出信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、總線(xiàn)信號(hào)等。由于系統(tǒng)BIT過(guò)程中不與外界發(fā)生信息交換，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矢量T可以通過(guò)試驗(yàn)的方法辨識(shí)。當(dāng)系統(tǒng)接口輸出參數(shù)Y出現(xiàn)異常時(shí)，能夠映射到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矢量T，為快速附件維修提供支持。

1.3 機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)由硬件測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試程序構(gòu)成，主要任務(wù)是完成系統(tǒng)接口信號(hào)的深度測(cè)試[6]。硬件測(cè)試平臺(tái)由3部分組成，主控部分、檢測(cè)部分和接口部分，圖2為系統(tǒng)深度測(cè)試提供物理平臺(tái)。

（1）主控部分由以工控機(jī)為核心，為測(cè)試程序提供運(yùn)行環(huán)境，并在程序的作用下，通過(guò)總線(xiàn)控制系統(tǒng)測(cè)試資源執(zhí)行相應(yīng)測(cè)試任務(wù)，顯示和打印測(cè)試結(jié)果。

（2）測(cè)試部分是平臺(tái)的主體部分，主要由電源、測(cè)試儀器如可編程數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、頻率計(jì)、ARINC429總線(xiàn)信號(hào)分析板卡、ARINC453總線(xiàn)信號(hào)分析板卡等測(cè)試資源組成。測(cè)試部分根據(jù)部件維修手冊(cè)CMM的要求，提供測(cè)試所需的條件，包括電源、測(cè)試信號(hào)等，利用測(cè)試資源實(shí)現(xiàn)接口信號(hào)的參數(shù)測(cè)量，如電壓、電流、頻率、脈寬等信號(hào)參數(shù)，并將這些參數(shù)數(shù)字化之后，提供給主控部分。電源部分用于系統(tǒng)運(yùn)行所需要的交流電源115V@400Hz和直流電源28V，此外還有部分需要變換的電源，如交流5V@400Hz，主要用于面板燈等輔助功能。

可編程數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電源、模擬和開(kāi)關(guān)等信號(hào)類(lèi)型?？删幊虜?shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量精度高，通常能夠達(dá)到10～23位的分辨率，可測(cè)量范圍較大，通常電壓測(cè)量能夠達(dá)到±300V，電流測(cè)量能夠達(dá)到10A量級(jí)，并且量程能夠自動(dòng)切換，為高精度的參數(shù)測(cè)量提供基礎(chǔ)。數(shù)字信號(hào)的測(cè)量需要進(jìn)行必要的光電隔離之后再進(jìn)行測(cè)量，以防止信號(hào)的干擾，導(dǎo)致信號(hào)誤差，造成測(cè)量數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。此外，數(shù)據(jù)信號(hào)的測(cè)量還需要考慮到信號(hào)的帶寬，以防止信號(hào)的誤讀取。采用高速光耦芯片如6N137對(duì)TTL和LVTTL數(shù)字信號(hào)進(jìn)行前端隔離。數(shù)字信號(hào)采集可采用基于PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡，準(zhǔn)確嚴(yán)格的將信號(hào)讀入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

圖2 機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of airborne weather radar system depth testing platform

機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)總線(xiàn)信號(hào)主要包括ARINC429和ARINC453信號(hào)的產(chǎn)生和分析，由于ARINC429和ARINC453信號(hào)的構(gòu)成比較特殊，如ARINC429信號(hào)傳輸采用的是±10V的雙極歸零格式，信號(hào)編碼有BCD和BNR兩種，因此直接對(duì)總線(xiàn)信號(hào)生成和進(jìn)行分析難度較大。而目前基于PCI總線(xiàn)分析模塊類(lèi)的貨架商品容性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接口信號(hào)分時(shí)測(cè)量。矩陣開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量?jī)x器與標(biāo)準(zhǔn)接口所確定的多功能終端的連接，如圖3所示。矩陣開(kāi)關(guān)和被測(cè)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化提高了互操作性，并降低了重組費(fèi)用，可以確保被測(cè)系統(tǒng)所需要測(cè)量?jī)x器能在合適時(shí)切換到所需要的任何測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試程序是機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)的“靈魂”，負(fù)責(zé)配置所有的平臺(tái)資源，驅(qū)動(dòng)測(cè)試事件，記錄測(cè)試結(jié)果。測(cè)試程序的主體架構(gòu)如圖4所示。

深度測(cè)試平臺(tái)啟動(dòng)后，首先對(duì)所有測(cè)試設(shè)備進(jìn)行初始化，如測(cè)試設(shè)備的地址信息、測(cè)試設(shè)備自測(cè)試指令、根據(jù)自測(cè)試結(jié)果等進(jìn)行判斷，若自測(cè)試結(jié)果存在異常，讀取故障代碼并進(jìn)行顯示，若自測(cè)試順利通過(guò)，測(cè)試平臺(tái)啟動(dòng)并就緒。然后根據(jù)測(cè)試任務(wù)讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)試信息，根據(jù)測(cè)試信息通過(guò)總線(xiàn)對(duì)相應(yīng)測(cè)試設(shè)備發(fā)送配置指令，如萬(wàn)用表的電壓、電流等不同檔位，根據(jù)矩陣坐標(biāo)對(duì)開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行配置，測(cè)量值根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的參考值進(jìn)行比較，若不滿(mǎn)足情況，重新測(cè)量讀取，防止偶然性因素造成的測(cè)試錯(cuò)誤，將測(cè)試結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)，若測(cè)量值與參考值不符，還需要記錄關(guān)聯(lián)維修方案等信息，以方便部件的維修。非常多，如國(guó)內(nèi)的陜西紅牙電子，國(guó)外的AEROFLEX、NI等，可以按照需求對(duì)模塊進(jìn)行配置，有效降低了深度測(cè)試平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)難度，而且有利于測(cè)試程序的編寫(xiě)。

此外，信號(hào)的頻率、相位等參數(shù)的測(cè)量主要是通過(guò)頻率計(jì)、示波器等測(cè)試設(shè)備。雷達(dá)波信號(hào)不能直接進(jìn)行測(cè)量，需要經(jīng)過(guò)衰減器之后再輸入到雷達(dá)信號(hào)測(cè)試儀對(duì)其功率、頻率等微波參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

（3）信號(hào)接口部分主要負(fù)責(zé)各類(lèi)測(cè)量與激勵(lì)控制信號(hào)的轉(zhuǎn)接與適配，在測(cè)試平臺(tái)和被測(cè)對(duì)象之間起到了橋梁和紐帶作用。通過(guò)信號(hào)接口部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)接、調(diào)理以及隔離，如數(shù)字信號(hào)的隔離、微波信號(hào)的隔離等，使之成為符合各測(cè)試模塊輸入信號(hào)特征的量值，再進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。

硬件測(cè)試平臺(tái)中測(cè)試設(shè)備的互聯(lián)方式和測(cè)試信號(hào)的互聯(lián)方式是兩個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)難題。為此系統(tǒng)引入了測(cè)試總線(xiàn)和矩陣開(kāi)關(guān)。測(cè)試總線(xiàn)包括GPIB總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)以及RS-232總線(xiàn)等，采用測(cè)試總線(xiàn)與主控部分進(jìn)行互聯(lián)，不僅有利于提高測(cè)試平臺(tái)的可靠性、維修性，而且為平臺(tái)的擴(kuò)展預(yù)留了空間，為測(cè)試程序的編寫(xiě)提供了標(biāo)準(zhǔn)。矩陣開(kāi)關(guān)用于解決測(cè)試平臺(tái)測(cè)試資源與多種信號(hào)之間進(jìn)行測(cè)量連接問(wèn)題。由于雷達(dá)信號(hào)數(shù)量多，種類(lèi)豐富，而測(cè)試平臺(tái)資源有限，不可能也沒(méi)有必要將所有接口與測(cè)試儀器直接連接進(jìn)行測(cè)量。被測(cè)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)用于保障被測(cè)系統(tǒng)接口符合安全性、兼

2 深度測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案在某型機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用

機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在霍尼韋爾公司生產(chǎn)的PRIMUS-90型氣象雷達(dá)系統(tǒng)上進(jìn)行了應(yīng)用。PRIMUS-90型雷達(dá)系統(tǒng)由3個(gè)航線(xiàn)可更換組件構(gòu)成，其中的控制顯示器是將控制面板和顯示器形式上集成在一起，但是電氣信號(hào)的連接方式相差不大。整個(gè)平臺(tái)的電源來(lái)自市電220V@50Hz，其他電源由電源設(shè)備提供。為了保證在測(cè)試過(guò)程中的安全，平臺(tái)不僅有正常的系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，而且增設(shè)了急停開(kāi)關(guān)，用于保證平臺(tái)的用電安全。

基于此設(shè)計(jì)方案的PRIMUS-90型機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)，不僅能完成系統(tǒng)的BIT功能，而且能完成部件維修手冊(cè)中所確定的所有測(cè)試項(xiàng)目，并根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的內(nèi)容，很容易將故障定位到具體組件模塊，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文在深入分析機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)接口基礎(chǔ)上，提出測(cè)量系統(tǒng)接口信號(hào)的方式擴(kuò)展雷達(dá)系統(tǒng)的BIT功能，并在PRIMUS-90型雷達(dá)系統(tǒng)上的應(yīng)用，表明該測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案具備可行性。在此基礎(chǔ)上，機(jī)載氣象雷達(dá)深度測(cè)試平臺(tái)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)故障診斷模塊和維修方案模塊，根據(jù)所獲取的測(cè)試數(shù)據(jù)，利用專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的故障診斷方法，對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)一步定位，并提供具體的維修方案，形成完整的機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)附件維修決策支持系統(tǒng)。這對(duì)于降低維修單位的維修成本，提升深度維修能力具有積極意義。

圖3 測(cè)試矩陣示意圖Fig.3 Diagram of the testing matrix

圖4 機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試程序主體架構(gòu)Fig.4 Airborne weather radar system test program framework

此外，隨著現(xiàn)代機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)BIT功能的逐漸完善，氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)也在朝著綜合化、通用化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展[8-10]。該測(cè)試平臺(tái)采用的是具備總線(xiàn)接口的開(kāi)放式商用貨架設(shè)備和技術(shù)（Commercial off the Shelf, COTS），通過(guò)對(duì)測(cè)試資源的有效擴(kuò)充，形成網(wǎng)絡(luò)化、全系列的機(jī)載氣象雷達(dá)系統(tǒng)深度測(cè)試平臺(tái)，為進(jìn)一步提高測(cè)試設(shè)備的使用效率，提升維修單位的維修能力提供一種新的發(fā)展思路。

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