基于BIT的氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺研究*

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

機載氣象雷達系統(tǒng)用于實時探測前方航路上的氣象狀況，保障飛機的飛行安全，是必備的航空電子系統(tǒng)之一。機載氣象雷達系統(tǒng)的深度測試平臺是進行部件維修的基礎(chǔ)，目前國內(nèi)具備機載氣象雷達附件維修資質(zhì)的維修單位使用的深度測試平臺基本是雷達生產(chǎn)商提供的專用測試機柜。不同生產(chǎn)商所生產(chǎn)的測試設(shè)備僅僅適用于自身提供的雷達系統(tǒng)，不能兼容其他雷達生產(chǎn)商的設(shè)備，如柯林斯的機載氣象雷達測試機柜不能對霍尼韋爾的氣象雷達系統(tǒng)進行測試，因此維修單位為了提供全面的維修服務(wù)，需要配置不同類型的專用測試設(shè)備，不僅造成了航電測試設(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)備功能日趨強大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，維修費用的占比也在快速上升。為了提高自身產(chǎn)品的競爭力，各機載氣象雷達生產(chǎn)商積極采用良好的測試性和維修性設(shè)計，其中采用BIT（Build in Test）技術(shù)已成為共識[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、隔離故障的自動測試能力。系統(tǒng)主裝備不用外部測試設(shè)備就能完成對系統(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試是聯(lián)機檢測技術(shù)的新發(fā)展。但BIT功能設(shè)計受到10%冗余軟硬件的限制，使得系統(tǒng)BIT的測試能力具有局限性，只能根據(jù)故障字典完成相應(yīng)項目的測試，對于故障的定位與隔離也只能到航線可更換組件級別。

本文提出了一種基于機載氣象雷達系統(tǒng)BIT技術(shù)的深度測試平臺設(shè)計方案，利用智能儀器儀表采集系統(tǒng)組件接口信號，結(jié)合系統(tǒng)BIT功能，完成部件維修手冊中的測試項目，提高各種測試設(shè)備的使用效率。這對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 機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺方案設(shè)計

1.1 機載氣象雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及接口信號

機載氣象雷達系統(tǒng)主要功用為實時探測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)生雷達波并接收和處理雷達回波，同時控制天線方位和俯仰掃描進一步控制微波的發(fā)射與接收；天線組由平板天線和天線基座兩部分組成，用于平板天線方位和俯仰的掃描，實現(xiàn)微波的發(fā)射與接收；顯示器用于顯示收發(fā)組處理后的雷達圖像，供飛行員參考；控制盒是人機交互的界面，控制雷達的工作模式、天線增益、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)組與天線組之間通過電纜直接連接，包括電源信號、控制信號、反饋信號等；收發(fā)組通過ARINC453高速航空數(shù)據(jù)總線將1600位信息組成的氣象數(shù)據(jù)字實時傳送到顯示器并進行顯示；收發(fā)組和控制盒之間通過ARINC429總線進行通信，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)、無線電高度表等，進行特殊模式的解算，如地圖模式、湍流探測、風(fēng)切變、天線穩(wěn)定等，也都是通過ARINC429總線進行通信。機載氣象雷達系統(tǒng)各組件接口信號分類及特點如表1所示。

表1 機載氣象雷達系統(tǒng)組件接口信號分類及特點

1.2 機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺工作原理

機載氣象雷達系統(tǒng)的維修工作依據(jù)相應(yīng)的測試結(jié)果來實施。雷達系統(tǒng)的測試過程可以用公式（1）表示，對于相同類型的系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矢量T不變，在相同的輸入信號矢量X激勵下，輸出信號矢量Y也應(yīng)該是相似的，僅在有限的幅度內(nèi)存在浮動。

輸入信號矢量X包括系統(tǒng)輸入電壓、量化后的模擬輸出信號、開關(guān)信號、數(shù)字信號以及轉(zhuǎn)換后的總線信號等；輸出信號矢量Y包括系統(tǒng)BIT結(jié)果、量化后的模擬輸出信號、數(shù)字信號、總線信號等。由于系統(tǒng)BIT過程中不與外界發(fā)生信息交換，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矢量T可以通過試驗的方法辨識。當(dāng)系統(tǒng)接口輸出參數(shù)Y出現(xiàn)異常時，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 機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺架構(gòu)

機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺由硬件測試平臺和測試程序構(gòu)成，主要任務(wù)是完成系統(tǒng)接口信號的深度測試[6]。硬件測試平臺由3部分組成，主控部分、檢測部分和接口部分，圖2為系統(tǒng)深度測試提供物理平臺。

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

（2）測試部分是平臺的主體部分，主要由電源、測試儀器如可編程數(shù)字萬用表、示波器、頻率計、ARINC429總線信號分析板卡、ARINC453總線信號分析板卡等測試資源組成。測試部分根據(jù)部件維修手冊CMM的要求，提供測試所需的條件，包括電源、測試信號等，利用測試資源實現(xiàn)接口信號的參數(shù)測量，如電壓、電流、頻率、脈寬等信號參數(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)字萬用表測量電源、模擬和開關(guān)等信號類型?？删幊虜?shù)字萬用表的測量精度高，通常能夠達到10～23位的分辨率，可測量范圍較大，通常電壓測量能夠達到±300V，電流測量能夠達到10A量級，并且量程能夠自動切換，為高精度的參數(shù)測量提供基礎(chǔ)。數(shù)字信號的測量需要進行必要的光電隔離之后再進行測量，以防止信號的干擾，導(dǎo)致信號誤差，造成測量數(shù)據(jù)的錯誤。此外，數(shù)據(jù)信號的測量還需要考慮到信號的帶寬，以防止信號的誤讀取。采用高速光耦芯片如6N137對TTL和LVTTL數(shù)字信號進行前端隔離。數(shù)字信號采集可采用基于PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡，準(zhǔn)確嚴(yán)格的將信號讀入計算機系統(tǒng)。

圖2 機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of airborne weather radar system depth testing platform

機載氣象雷達系統(tǒng)總線信號主要包括ARINC429和ARINC453信號的產(chǎn)生和分析，由于ARINC429和ARINC453信號的構(gòu)成比較特殊，如ARINC429信號傳輸采用的是±10V的雙極歸零格式，信號編碼有BCD和BNR兩種，因此直接對總線信號生成和進行分析難度較大。而目前基于PCI總線分析模塊類的貨架商品容性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)系統(tǒng)接口信號分時測量。矩陣開關(guān)可實現(xiàn)多種測量儀器與標(biāo)準(zhǔn)接口所確定的多功能終端的連接，如圖3所示。矩陣開關(guān)和被測系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化提高了互操作性，并降低了重組費用，可以確保被測系統(tǒng)所需要測量儀器能在合適時切換到所需要的任何測試點。測試程序是機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺的“靈魂”，負責(zé)配置所有的平臺資源，驅(qū)動測試事件，記錄測試結(jié)果。測試程序的主體架構(gòu)如圖4所示。

深度測試平臺啟動后，首先對所有測試設(shè)備進行初始化，如測試設(shè)備的地址信息、測試設(shè)備自測試指令、根據(jù)自測試結(jié)果等進行判斷，若自測試結(jié)果存在異常，讀取故障代碼并進行顯示，若自測試順利通過，測試平臺啟動并就緒。然后根據(jù)測試任務(wù)讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)庫測試信息，根據(jù)測試信息通過總線對相應(yīng)測試設(shè)備發(fā)送配置指令，如萬用表的電壓、電流等不同檔位，根據(jù)矩陣坐標(biāo)對開關(guān)矩陣進行配置，測量值根據(jù)數(shù)據(jù)庫的參考值進行比較，若不滿足情況，重新測量讀取，防止偶然性因素造成的測試錯誤，將測試結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫，若測量值與參考值不符，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，如國內(nèi)的陜西紅牙電子，國外的AEROFLEX、NI等，可以按照需求對模塊進行配置，有效降低了深度測試平臺的實現(xiàn)難度，而且有利于測試程序的編寫。

此外，信號的頻率、相位等參數(shù)的測量主要是通過頻率計、示波器等測試設(shè)備。雷達波信號不能直接進行測量，需要經(jīng)過衰減器之后再輸入到雷達信號測試儀對其功率、頻率等微波參數(shù)進行測量。

（3）信號接口部分主要負責(zé)各類測量與激勵控制信號的轉(zhuǎn)接與適配，在測試平臺和被測對象之間起到了橋梁和紐帶作用。通過信號接口部分對信號進行轉(zhuǎn)接、調(diào)理以及隔離，如數(shù)字信號的隔離、微波信號的隔離等，使之成為符合各測試模塊輸入信號特征的量值，再進行相應(yīng)的測量。

硬件測試平臺中測試設(shè)備的互聯(lián)方式和測試信號的互聯(lián)方式是兩個關(guān)鍵性的技術(shù)難題。為此系統(tǒng)引入了測試總線和矩陣開關(guān)。測試總線包括GPIB總線、PCI總線以及RS-232總線等，采用測試總線與主控部分進行互聯(lián)，不僅有利于提高測試平臺的可靠性、維修性，而且為平臺的擴展預(yù)留了空間，為測試程序的編寫提供了標(biāo)準(zhǔn)。矩陣開關(guān)用于解決測試平臺測試資源與多種信號之間進行測量連接問題。由于雷達信號數(shù)量多，種類豐富，而測試平臺資源有限，不可能也沒有必要將所有接口與測試儀器直接連接進行測量。被測系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計用于保障被測系統(tǒng)接口符合安全性、兼

2 深度測試平臺設(shè)計方案在某型機載氣象雷達系統(tǒng)的應(yīng)用

機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺設(shè)計方案已經(jīng)在霍尼韋爾公司生產(chǎn)的PRIMUS-90型氣象雷達系統(tǒng)上進行了應(yīng)用。PRIMUS-90型雷達系統(tǒng)由3個航線可更換組件構(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，但是電氣信號的連接方式相差不大。整個平臺的電源來自市電220V@50Hz，其他電源由電源設(shè)備提供。為了保證在測試過程中的安全，平臺不僅有正常的系統(tǒng)開關(guān)，而且增設(shè)了急停開關(guān)，用于保證平臺的用電安全。

基于此設(shè)計方案的PRIMUS-90型機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺，不僅能完成系統(tǒng)的BIT功能，而且能完成部件維修手冊中所確定的所有測試項目，并根據(jù)測試項目的內(nèi)容，很容易將故障定位到具體組件模塊，實現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計要求。

3 結(jié)論

本文在深入分析機載氣象雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)接口基礎(chǔ)上，提出測量系統(tǒng)接口信號的方式擴展雷達系統(tǒng)的BIT功能，并在PRIMUS-90型雷達系統(tǒng)上的應(yīng)用，表明該測試平臺設(shè)計方案具備可行性。在此基礎(chǔ)上，機載氣象雷達深度測試平臺還可以進一步擴展機載氣象雷達系統(tǒng)故障診斷模塊和維修方案模塊，根據(jù)所獲取的測試數(shù)據(jù)，利用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進的故障診斷方法，對系統(tǒng)的故障進一步定位，并提供具體的維修方案，形成完整的機載氣象雷達系統(tǒng)附件維修決策支持系統(tǒng)。這對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 測試矩陣示意圖Fig.3 Diagram of the testing matrix

圖4 機載氣象雷達系統(tǒng)測試程序主體架構(gòu)Fig.4 Airborne weather radar system test program framework

此外，隨著現(xiàn)代機載氣象雷達系統(tǒng)BIT功能的逐漸完善，氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺也在朝著綜合化、通用化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展[8-10]。該測試平臺采用的是具備總線接口的開放式商用貨架設(shè)備和技術(shù)（Commercial off the Shelf, COTS），通過對測試資源的有效擴充，形成網(wǎng)絡(luò)化、全系列的機載氣象雷達系統(tǒng)深度測試平臺，為進一步提高測試設(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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