無人機(jī)系統(tǒng)視距鏈路全斷故障分析與改進(jìn)

宋秀毅，張 龍，馮 剛

(駐162廠代表室，貴州 安順 561018)

0 引言

鏈路系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行控制和任務(wù)監(jiān)測管理的關(guān)鍵系統(tǒng)，其功能主要完成鏈路地面及機(jī)載終端的設(shè)備監(jiān)控、鏈路管理、下行數(shù)據(jù)的接收和分發(fā)以及上行指令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。鏈路系統(tǒng)工作正常與否直接關(guān)系無人機(jī)的任務(wù)遂行和飛行安全［1］。由于鏈路系統(tǒng)的媒介是電磁信號(hào)，主體是軟件，信號(hào)采樣頻率、編碼規(guī)則和抗干擾措施，以及軟件可靠性等都直接影響系統(tǒng)，其中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致鏈路系統(tǒng)出現(xiàn)故障。斷鏈就是易發(fā)故障之一，危害性極大，一旦斷鏈時(shí)間過長，則會(huì)使飛機(jī)完全失控，造成任務(wù)失敗或飛機(jī)墜毀的重大損失［2］。從國內(nèi)外情況看，不乏因斷鏈問題而造成無人機(jī)失控引起重大損失的案例;因此，針對(duì)無人機(jī)斷鏈故障，加強(qiáng)分析研究，提升鏈路系統(tǒng)可靠性，越來越受到重視，并成為無人機(jī)失效分析和可靠性工作中的重點(diǎn)研究課題之一。

某無人機(jī)進(jìn)行試飛，過程中視距UHF波段鏈路和C波段鏈路陸續(xù)中斷，持續(xù)約20 min。從10∶55∶37時(shí)刻，飛機(jī)距機(jī)場約50 km開始，UHF波段上行鏈路信號(hào)AGC逐漸由正常(約4.1 V)降低至不到1 V，到10∶58∶25時(shí)刻、飛機(jī)距機(jī)場約65 km時(shí)，UHF波段上行鏈路中斷。在11∶04∶46時(shí)刻，飛機(jī)距離機(jī)場約80 km時(shí)，視距UHF波段下行鏈路突然中斷。為搜尋飛機(jī)，鏈路監(jiān)控操作人員啟用了C波段鏈路，按應(yīng)急處置程序操作完成后，發(fā)現(xiàn)C波段鏈路也出現(xiàn)了中斷，天線俯仰和天線方位處于無效狀態(tài)，此時(shí)時(shí)間為11∶08∶55。隨后鏈路監(jiān)控操作人員進(jìn)行了手動(dòng)搜索飛機(jī)，使用全向天線，在11∶14∶58時(shí)刻，飛機(jī)距離機(jī)場100 km處，搜索成功，C波段鏈路恢復(fù)正常，飛機(jī)正常著陸。從UHF波段上行鏈路中斷到UHF波段下行鏈路中斷再到C波段鏈路中斷，某型無人機(jī)系統(tǒng)視距鏈路全斷故障共持續(xù)19 min21 s，故障AGC顯示界面如圖1所示，故障發(fā)生的邏輯順序如圖2所示。

圖1 故障AGC顯示界面Fig.1 Display interface of fault AGC

1 視距鏈路系統(tǒng)功能及原理

1.1 系統(tǒng)功能

視距鏈路系統(tǒng)是任務(wù)控制站和起降控制站的重要組成部分，主要完成視距鏈路地面及機(jī)載終端的設(shè)備監(jiān)控、鏈路管理、下行數(shù)據(jù)的接收和分發(fā)以及上行指令的發(fā)送功能。視距鏈路系統(tǒng)包括UHF波段鏈路和C波段鏈路，2個(gè)波段鏈路獨(dú)立工作，UHF波段鏈路為主鏈路，C波段鏈路為備用鏈路，同時(shí)2個(gè)波段鏈路又分別包括上行鏈路和下行鏈路，其中上行鏈路用于完成遙控/遙測指令傳輸，下行鏈路用于完成飛機(jī)信息、偵查信息等信息的傳輸［3］。

1.2 系統(tǒng)原理

視距鏈路系統(tǒng)由視距機(jī)載終端和視距地面終端組成。

1)視距機(jī)載終端。由視距鏈路監(jiān)控設(shè)備和視距信號(hào)接入設(shè)備組成。視距鏈路監(jiān)控設(shè)備主要包括視距鏈路計(jì)算機(jī)及鏈路控制器等設(shè)備組成;視距信號(hào)接入設(shè)備由視距鏈路光端機(jī)和視距信號(hào)接入單元組成。如圖3所示。

圖2 故障邏輯順序Fig.2 Fault logic order

2)視距地面終端。主要由1個(gè)鏈路控制柜和1個(gè)通信設(shè)備柜組成。鏈路控制席位由2套鏈路監(jiān)控設(shè)備組成，可以進(jìn)行主備切換。鏈路控制席位主要包括鏈路控制計(jì)算機(jī)(含高速數(shù)據(jù)接收卡)、鏈路控制器、顯示器、視頻矩陣、KVM等，通信設(shè)備機(jī)柜主要包括視距信號(hào)接入設(shè)備、中繼星接入與管理計(jì)算機(jī)、光端機(jī)等［4］，如圖4所示。

無人機(jī)飛行時(shí)，視距機(jī)載終端和視距地面終端通過UHF波段鏈路和C波段鏈路進(jìn)行通信，分為上行遙控/遙測指令通信和下行信息及時(shí)通信［5］。上行遙控遙測指令通信工作原理:鏈路監(jiān)控席位發(fā)出指令，經(jīng)視距信號(hào)接入單元，通過UHF波段鏈路或C波段鏈路傳輸給視距機(jī)載終端;視距機(jī)載終端的視距信號(hào)接入單元接收到指令后，發(fā)送給鏈路監(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)向飛控系統(tǒng)等系統(tǒng)發(fā)送控制指令。下行信息及時(shí)通信工作原理:任務(wù)設(shè)備及飛機(jī)狀態(tài)信息通過任務(wù)管理系統(tǒng)和飛管系統(tǒng)發(fā)送給鏈路監(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過核心數(shù)據(jù)網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)分發(fā)下行數(shù)據(jù)，經(jīng)視距信號(hào)接入單元后，通過UHF波段鏈路或C波段鏈路傳輸給視距地面終端;視距地面終端的視距信號(hào)接入單元接收到信息后，發(fā)送給鏈路監(jiān)控席位。

2 故障原因定位

2.1 確定排故順序

從故障現(xiàn)象看，視距鏈路全斷故障包括UHF波段鏈路中斷和C波段鏈路中斷，且2個(gè)波段鏈路中斷存在相互間的邏輯順序關(guān)系:首先是UHF波段上行鏈路中斷，隨后UHF波段下行鏈路中斷，最后C波段鏈路中斷。因此，有理由懷疑故障的順序發(fā)生不是偶然，而是存在先后的邏輯關(guān)系。因此，排故工作應(yīng)沿著“UHF波段上行鏈路中斷—UHF波段下行鏈路中斷—C波段鏈路中斷”的順序進(jìn)行。

圖3 視距機(jī)載終端組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of the horizon airborne terminal

圖4 視距地面終端組成示意圖Fig.4 Schematic diagram of the horizon ground terminal

2.2 分析試飛數(shù)據(jù)

通過詳細(xì)分析試飛的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)以下異常點(diǎn):近幾次試飛中，UHF波段信號(hào)減弱現(xiàn)象共發(fā)生4次，且減弱區(qū)域都分布在航路點(diǎn)50～65 km范圍內(nèi)。前3次AGC信號(hào)最低減弱到1.5 V，最后1次試飛信號(hào)中斷。

最后1次試飛數(shù)據(jù)顯示，飛行過程中11∶04∶46時(shí)刻，機(jī)載鏈路終端工作頻道由“6頻道”轉(zhuǎn)換至“1頻道”，而自主飛行程序和鏈路監(jiān)控操作人員沒有發(fā)出相關(guān)指令;最后1次試飛數(shù)據(jù)顯示，啟用C波段鏈路后，地面定向天線姿態(tài)始終保持不變，而正常情況下應(yīng)跟隨飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 判定故障原因

按確定好的排故順序，進(jìn)行故障原因定位。

1)UHF波段上行鏈路中斷原因。從試飛數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)看，UHF波段上行鏈路AGC信號(hào)減弱現(xiàn)象出現(xiàn)4次，且都發(fā)生在航路點(diǎn)50～65 km區(qū)域內(nèi)，這不是偶然，最大可能是該區(qū)域存在UHF波段的干擾信號(hào)。而最后一次試飛UHF波段上行鏈路信號(hào)減弱直至中斷，原因是在該區(qū)域內(nèi)受到干擾，當(dāng)干擾信號(hào)足夠強(qiáng)，導(dǎo)致鏈路信號(hào)就中斷。

2)UHF波段下行鏈路中斷原因。從試飛數(shù)據(jù)異常點(diǎn)看，機(jī)載鏈路終端切換頻道恰好發(fā)生在UHF波段下行鏈路中斷時(shí)，而此時(shí)地面鏈路終端仍工作在“6頻道”，UHF波段下行鏈路中斷直接原因是地面鏈路終端和機(jī)載鏈路終端工作頻道不一致。查機(jī)載鏈路終端切換頻道指令是由任務(wù)管理處理機(jī)(MMP)發(fā)出，是在UHF波段上行鏈路中斷情況下，由航管應(yīng)答指令觸發(fā)的非正常指令。因此，判定UHF波段下行鏈路中斷根本原因是任務(wù)管理處理機(jī)(MMP)中OFP軟件存在缺陷，錯(cuò)誤地向機(jī)載鏈路終端發(fā)出了更改工作頻道的指令。

3)C波段鏈路中斷原因。從試飛數(shù)據(jù)異常點(diǎn)看，地面C波段定向天線姿態(tài)保持不變與飛機(jī)在空中的飛行軌跡時(shí)刻變化相矛盾，定向天線未能有效跟蹤飛機(jī)是C波段鏈路中斷的直接原因。查控制定向天線的隨動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其中伺服方式選擇了UHF波段下行鏈路引導(dǎo)方式，而此時(shí)UHF波段下行鏈路已中斷。因此，判定C波段鏈路中斷根本原因是錯(cuò)誤選擇了定向天線的伺服方式，導(dǎo)致天線未能有效跟蹤飛機(jī)。

3 故障機(jī)理分析

3.1 UHF波段上行鏈路中斷機(jī)理分析

從歷次飛行數(shù)據(jù)看，飛機(jī)從起飛至距離機(jī)場50 km，以及飛機(jī)返航后到本場附近時(shí)，視距UHF波段鏈路均工作正常，信號(hào)AGC及其它相關(guān)AGC均保持較高(4 V以上);而其中4次飛行中，飛機(jī)沿航路點(diǎn)飛行距機(jī)場約50～65 km的區(qū)域時(shí)UHF波段上行鏈路相關(guān)AGC狀態(tài)都會(huì)降低，只是降低程度有差異，差分GPS地面站有時(shí)也會(huì)顯示“單點(diǎn)”等故障。本次故障中，UHF波段上行鏈路AGC狀態(tài)持續(xù)降低，直至鏈路中斷，在恢復(fù)對(duì)飛機(jī)的控制后，飛機(jī)返場至機(jī)場附近后，UHF波段上行鏈路又恢復(fù)正常。以上現(xiàn)象說明在航路點(diǎn)上距離機(jī)場約50～65 km區(qū)域內(nèi)存在UHF波段的干擾信號(hào)，造成機(jī)載UHF波段接收設(shè)備受到干擾。當(dāng)干擾信號(hào)持續(xù)作用，強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)造成UHF波段鏈路出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。

3.2 UHF波段下行鏈路中斷機(jī)理分析

經(jīng)分析，導(dǎo)致任務(wù)管理處理機(jī)(MMP)向機(jī)載鏈路終端錯(cuò)誤發(fā)出指令的根本原因是MMP中的OFP軟件存在設(shè)計(jì)缺陷，而UHF波段上行鏈路中斷是MMP發(fā)出錯(cuò)誤指令后造成UHF波段下行鏈路中斷的誘因。詳細(xì)機(jī)理分析如下，圖5為UHF波段下行鏈路中斷原理圖。

圖5 UHF波段下行鏈路中斷原理圖Fig.5 Schematic diagram of the UHF band downlink interrupt

進(jìn)行飛行前準(zhǔn)備時(shí)，在任務(wù)管理系統(tǒng)上電后，地面站鏈路監(jiān)控操作人員將UHF波段鏈路下行頻道設(shè)置為“6頻道”，并達(dá)到下行鎖定狀態(tài)。但此時(shí)機(jī)上任務(wù)管理處理機(jī)(MMP)由于要置出上行接收指令所需的“主鏈路”信息而進(jìn)行了重啟，使控制UHF波段鏈路的下行頻道控制器復(fù)位為“1頻道”。造成任務(wù)管理處理機(jī)(MMP)控制器狀態(tài)與UHF波段鏈路當(dāng)前下行頻道出現(xiàn)不一致的情況。在飛行過程中，由于要執(zhí)行航管應(yīng)答指令，任務(wù)監(jiān)控操作人員進(jìn)行了“空中對(duì)敵我識(shí)別與航管一體化應(yīng)答機(jī)IFF/ATC上電”操作，而任務(wù)管理處理機(jī)(MMP)在執(zhí)行“IFF/ATC上電”指令同時(shí)，對(duì)U波段鏈路有一個(gè)多余指令(此為MMP中OFP軟件的設(shè)計(jì)缺陷)，即“控制UHF波段鏈路下行頻道的1553B總線數(shù)據(jù)塊”指令，該指令執(zhí)行的操作是將MMP控制器狀態(tài)位發(fā)送給機(jī)載鏈路終端。按系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，若此時(shí)UHF波段上行鏈路工作正常，系統(tǒng)不響應(yīng)“控制UHF波段鏈路下行頻道的1553B總線數(shù)據(jù)塊”指令，但由于當(dāng)時(shí)UHF波段上行鏈路中斷，UHF波段鏈路響應(yīng)了任務(wù)管理處理機(jī)(MMP)通過1553B總線的控制指令，使任務(wù)管理處理機(jī)(MMP)將其控制器的“1頻道”狀態(tài)指令發(fā)送給了UHF波段機(jī)載鏈路終端，將機(jī)載鏈路終端的工作頻道更改為“1頻道”。但此時(shí)UHF波段地面鏈路終端仍工作在“6頻道”，最終出現(xiàn)因上下工作頻道不一致而使UHF波段下行鏈路中斷的故障。

3.3 C波段鏈路信號(hào)中斷機(jī)理分析

UHF波段鏈路和C波段鏈路是物理隔離的獨(dú)立通道，對(duì)于遙控遙測互為備份關(guān)系［6］。二者通過機(jī)載和地面終端的指令控制區(qū)執(zhí)行選擇，指令控制區(qū)分為主鏈路控制面板和副鏈路控制面板，通過面板上的切換框切換，當(dāng)前選擇面板的切換框背景為綠色。

當(dāng)UHF波段鏈路信號(hào)中斷，而切換為C波段鏈路時(shí)，應(yīng)設(shè)置C波段鏈路地面定向天線的伺服方式，伺服控制界面如圖6所示。通常以自動(dòng)跟蹤方式為主，數(shù)字引導(dǎo)方式為輔。此次故障中，鏈路監(jiān)控席操作員未按正確方式設(shè)置C波段鏈路地面定向天線的伺服方式，導(dǎo)致定向天線伺服方式采用了UHF下行鏈路數(shù)字引導(dǎo)方式，UHF下行鏈路中斷后，由于沒有UHF波段下行鏈路數(shù)據(jù)，地面C波段鏈路定向天線失去引導(dǎo)，定向天線無法有效跟蹤，而鏈路監(jiān)控操作人員又未能及時(shí)將伺服方式切換為C鏈引導(dǎo)或自動(dòng)跟蹤方式，待飛機(jī)飛出天線波束覆蓋范圍外，導(dǎo)致C波段鏈路最終中斷。

圖6 伺服控制界面Fig.6 Servo control interface

4 改進(jìn)措施

1)針對(duì)UHF波段上行鏈路中斷問題，重新規(guī)劃航路點(diǎn)，以避開原航路點(diǎn)50～65 km區(qū)域內(nèi)對(duì)UHF波段的干擾信號(hào)［7］;密切關(guān)注飛行數(shù)據(jù)，尤其要嚴(yán)密監(jiān)控UHF波段上行鏈路AGC狀態(tài)信號(hào)，以有效判斷是否存在干擾信號(hào)。同時(shí)完善抗干擾預(yù)案，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鏈路AGC狀態(tài)信號(hào)異常，即干擾信號(hào)存在時(shí)，應(yīng)及時(shí)切換該波段鏈路的頻道，切換頻道后，干擾現(xiàn)象可消除［8］。

2)針對(duì)UHF波段下行鏈路中斷問題，采取完善任務(wù)管理處理機(jī)MMP中的OFP軟件予以徹底解決。修改OFP軟件中航管應(yīng)答模塊代碼，重置邏輯關(guān)系，使航管應(yīng)答指令執(zhí)行時(shí)不再產(chǎn)生“控制UHF波段鏈路下行頻道的1553B總線數(shù)據(jù)塊”的多余指令。同時(shí)進(jìn)行任務(wù)管理系統(tǒng)與鏈路系統(tǒng)之間的軟件聯(lián)合測試，以驗(yàn)證更改后軟件的可靠性。

3)針對(duì)本次視距鏈路全斷反映出的應(yīng)急處置不完善的問題，采取修改完善鏈路監(jiān)控操作手冊(cè)、細(xì)化應(yīng)急操作流程的措施。具體措施如下:

(1)如果起飛前任務(wù)管理機(jī)重啟而鏈路沒有重啟，應(yīng)當(dāng)對(duì)C、UHF鏈路頻道重置。

(2)當(dāng)飛行過程中發(fā)現(xiàn)UHF上行鏈路相關(guān)AGC降低至1 V左右時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即切換UHF上行頻道(機(jī)上、地面鏈路設(shè)備要保持同步)，選擇相關(guān)AGC較高的頻道。

(3)當(dāng)發(fā)現(xiàn)UHF下行鏈路突然失鎖后，要立即檢查設(shè)備參數(shù)，比如機(jī)上、地面設(shè)備頻道是否一致，功率是否為“大功率”，是否誤點(diǎn)了“靜默”，后確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)，是否存在故障信息，并及時(shí)報(bào)告。

(4)起飛后C鏈路地面定向天線應(yīng)當(dāng)以自動(dòng)跟蹤方式為主，數(shù)字引導(dǎo)方式為輔。當(dāng)使用UHF下行鏈路作為定向天線引導(dǎo)數(shù)據(jù)源時(shí)，要密切關(guān)注U鏈的狀態(tài)，一旦U下行失鎖，應(yīng)當(dāng)立即切換為C鏈引導(dǎo)或自動(dòng)跟蹤方式。

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