無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障分析與處理

于亞南，王傳富，張振華，李春光，張超

95894部隊(duì)

無(wú)線電技術(shù)在無(wú)人機(jī)通信、導(dǎo)航、控制等方面發(fā)揮著重要作用。本文首先簡(jiǎn)述無(wú)人機(jī)無(wú)線電系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)無(wú)線電設(shè)備故障快速排除展開(kāi)探析，闡述幾種常用的無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障排除方法。同時(shí)，提出一種基于故障樹(shù)分析方法的智能診斷系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)故障樹(shù)分析方法進(jìn)行詳細(xì)研究，重點(diǎn)分析故障樹(shù)法運(yùn)用于無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障快速排除，為故障診斷的實(shí)際操作提供理論基礎(chǔ)。最后，對(duì)下一階段無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障分析與處理方法的發(fā)展進(jìn)行展望。

無(wú)人機(jī)機(jī)載無(wú)線電系統(tǒng)利用無(wú)線傳輸特性，通過(guò)無(wú)線電調(diào)制解調(diào)、傳輸信息以及對(duì)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)之間、無(wú)人機(jī)與地面控制處理單元之間的通信、識(shí)別和無(wú)人機(jī)的定位導(dǎo)航。機(jī)載無(wú)線電系統(tǒng)根據(jù)功能特點(diǎn)，主要分為通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和識(shí)別系統(tǒng)。

無(wú)線電通信系統(tǒng)主要用于無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)與地面控制處理單元的數(shù)據(jù)信息傳輸。通信過(guò)程分為上傳、下傳兩個(gè)部分。上傳數(shù)據(jù)主要是地面的遙控信息，而下傳數(shù)據(jù)則是無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)和無(wú)人機(jī)對(duì)外界的感知信息，均為實(shí)時(shí)傳輸過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的操控以及空中信息的掌握。

無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)主要用于無(wú)人機(jī)的定位和引導(dǎo)。通過(guò)測(cè)量無(wú)線電設(shè)備發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)，例如相位、時(shí)間、幅度、頻率等參量，計(jì)算測(cè)出無(wú)人機(jī)方向、距離、距離差、速度等導(dǎo)航數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的定位和導(dǎo)航。

無(wú)人機(jī)識(shí)別系統(tǒng)主要用于無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)與地面控制處理單元的身份認(rèn)證。與大多數(shù)民航識(shí)別系統(tǒng)類似，由詢問(wèn)端和應(yīng)答端兩部分組成，詢問(wèn)端發(fā)射詢問(wèn)信號(hào)并接收對(duì)方的應(yīng)答信號(hào)，通過(guò)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行處理判斷，以進(jìn)行識(shí)別；應(yīng)答端則接收對(duì)方詢問(wèn)信號(hào)并發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。

無(wú)線電系統(tǒng)故障特點(diǎn)

圖1 地面無(wú)線電定位系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)無(wú)線電系統(tǒng)是由一系列電子設(shè)備組構(gòu)而成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，由于是電子器件，因此普遍存在漸進(jìn)性故障與突發(fā)性故障。漸進(jìn)性故障是指隨著時(shí)間的變化，電子器件的參數(shù)也會(huì)隨之變化，其參數(shù)的變化最終超出允許范圍或極限，從而影響系統(tǒng)功能；突發(fā)性故障是指電子器件的突然失靈，這是由設(shè)備內(nèi)的多種不利條件加之環(huán)境影響綜合作用產(chǎn)生的結(jié)果，破壞性較大。根據(jù)不同的分類方法，無(wú)線電設(shè)備故障類型可以分為多種情況。例如，從功能影響上可以分為完全故障與局部故障；從發(fā)生效率上可以分為突發(fā)故障、快發(fā)故障與慢發(fā)故障。無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障具有以下特征。

(1) 隨機(jī)性

無(wú)線電設(shè)備的電子元件易受外部環(huán)境的影響，因而其內(nèi)部參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，引發(fā)故障。這種故障的發(fā)生是一個(gè)與時(shí)間緊密相關(guān)的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

(2) 傳播性

無(wú)線電設(shè)備由多個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)組成，若其中某個(gè)電子元件參數(shù)發(fā)生變化，將會(huì)引發(fā)其他元件的不正常工作，進(jìn)而產(chǎn)生故障。也就是說(shuō)器件故障除了影響其自身所處的子系統(tǒng)外，還將影響其他子系統(tǒng)。

(3) 時(shí)間性

電子元件通常具有一定的壽命，隨著使用時(shí)間的積累，元件內(nèi)部器件受到一定損耗，導(dǎo)致元件性能隨時(shí)間增加而逐漸降低，所以故障的發(fā)生與系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間存在一定的關(guān)系。

無(wú)線電設(shè)備故障檢測(cè)的主要方法

無(wú)人機(jī)無(wú)線電系統(tǒng)一般由兩部分構(gòu)成，一部分是機(jī)載測(cè)控終端設(shè)備，另外一部分是機(jī)載設(shè)備，并由多余度控制，即設(shè)計(jì)主副通道。無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備的故障診斷、隔離與修理方法總體類似，其中的差異僅為機(jī)載測(cè)控終端設(shè)備故障修理的優(yōu)先級(jí)，低于機(jī)載主副通道設(shè)備的優(yōu)先級(jí)。

無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其故障診斷主要是以無(wú)人機(jī)的性能測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)為依據(jù)，通過(guò)分析當(dāng)前無(wú)人機(jī)的狀態(tài)信息與無(wú)人機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。但是僅僅依據(jù)無(wú)人機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)是不能完全診斷出系統(tǒng)的具體故障，需要其他測(cè)試的輔助才能準(zhǔn)確定位系統(tǒng)的故障。

圖3 無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

采用上述故障診斷系統(tǒng)有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

(1) 針對(duì)不同的測(cè)試單元可以采用不同的診斷模型；

圖2 無(wú)人機(jī)電子元件受外部環(huán)境影響而發(fā)生參數(shù)變化，引發(fā)隨機(jī)性故障。

(2) 故障診斷系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，能夠滿足機(jī)載設(shè)備的測(cè)試需求；

（3）整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)維護(hù)升級(jí)比較方便。

無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障診斷方法

無(wú)人機(jī)無(wú)線電故障診斷系統(tǒng)常采用的故障診斷方法主要有兩種。

（1）基于定量分析的診斷方法

1）狀態(tài)估計(jì)法

狀態(tài)估計(jì)法的核心思想是系統(tǒng)的狀態(tài)能夠反應(yīng)出系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)就能夠了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況且能夠?qū)崿F(xiàn)故障的診斷。在狀態(tài)估計(jì)法中，主要工作是尋找合適的模型來(lái)擬合被測(cè)系統(tǒng)。通常情況下采用觀測(cè)器法、多模型法與卡爾曼濾波器法進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。針對(duì)不同的系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)不同的數(shù)學(xué)模型，在機(jī)載無(wú)線電設(shè)備中，線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)共存?？柭鼮V波器法是利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到輸出數(shù)據(jù)，以此得到系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)。該方法具有運(yùn)算量大的特點(diǎn)，但是對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的要求較低，故其運(yùn)用范圍也十分廣泛，在一般情況下，卡爾曼濾波器法主要用于線性系統(tǒng)。多模型法是一種混合估計(jì)的方法，時(shí)常與卡爾曼濾波器法一起使用，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的行為估算，制造或者對(duì)應(yīng)一個(gè)模型集對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體估計(jì)。該方法主要用于可預(yù)測(cè)故障的故障檢測(cè)系統(tǒng)。在多模型法中，具有代表性的是多模型自適應(yīng)估計(jì)法。

2）參數(shù)估計(jì)法

參數(shù)估計(jì)法不需要計(jì)算殘差序列，其核心思想是依據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)以及參數(shù)變化過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行故障檢測(cè)。參數(shù)估計(jì)法利用了系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)特性，故參數(shù)估計(jì)法常用的方法都與數(shù)理統(tǒng)計(jì)有關(guān)，如最小二乘法、子空間法等。參數(shù)估計(jì)法相比于狀態(tài)估計(jì)法，具有運(yùn)算量偏高的缺點(diǎn)，但能有效用于故障分離。

3）等價(jià)空間法

等價(jià)空間法是利用系統(tǒng)的輸入和輸出實(shí)際測(cè)量值檢驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的一致性，以進(jìn)行故障檢測(cè)，并將故障分離，一般用于多故障發(fā)生的系統(tǒng)。

（2）基于定性分析的診斷方法

1）定性仿真法

定性仿真法的核心思想是利用系統(tǒng)的故障模型，通過(guò)定性推理，從而診斷出系統(tǒng)是否具有故障。系統(tǒng)故障模型的建立具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論依據(jù)，定性推理過(guò)程同樣需較高的計(jì)算量。

2）知識(shí)觀測(cè)器法

知識(shí)觀測(cè)器法的核心思想是，為被測(cè)系統(tǒng)建立定性的系統(tǒng)故障行為預(yù)測(cè)模型，將實(shí)際系統(tǒng)與該模型進(jìn)行比對(duì)，將之間的差異定為系統(tǒng)故障。

3）有向圖法

有向圖法的核心思想是，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的因果關(guān)系、規(guī)律推導(dǎo)出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由有向支路組成（包含節(jié)點(diǎn)與方向）。

故障樹(shù)分析方法

故障樹(shù)法是利用各個(gè)有向支路之間的邏輯關(guān)系，從總體到局部分析系統(tǒng)故障的一種方法。故障樹(shù)分析技術(shù)首先由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出，故障樹(shù)分析方法的主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔明了、具有較強(qiáng)的邏輯，既可用于定性分析也適用于定量分析。

故障樹(shù)分析法的基本原理是，將所觀測(cè)系統(tǒng)的故障狀態(tài)作為該分析方法的最終目標(biāo)，然后找出導(dǎo)致這個(gè)故障發(fā)生的最直接的全部原因，然后再找出下一級(jí)故障出現(xiàn)的全部直接原因，依次類推直到所有故障原因都依次找到為止。在故障樹(shù)分析方法中，系統(tǒng)中所有故障狀態(tài)和非正常狀態(tài)都統(tǒng)稱為故障事件，故障事件的對(duì)立面就是成功事件，這兩者統(tǒng)稱為事件。事件分為頂事件即最不希望發(fā)生的事件、基本事件即不需深究的事件、中間事件即介于頂事件與基本事件之間的事件。各個(gè)事件之間的邏輯因果圖稱為故障樹(shù)。

故障樹(shù)分析法的主要優(yōu)點(diǎn)是邏輯性強(qiáng)，且因果關(guān)系較為清晰，能夠全面且深刻地描述故障發(fā)生的各種原因與邏輯關(guān)系，便于故障分析人員及時(shí)了解故障發(fā)生的原因及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，從而采取相應(yīng)的措施以及判斷基本事件故障的影響程度，確定各個(gè)基本事件對(duì)系統(tǒng)影響的重要程度。故障樹(shù)分析方法除用于系統(tǒng)故障的定性分析外，還能用于系統(tǒng)故障的定量分析與系統(tǒng)評(píng)價(jià)。定性分析能夠確定基本事件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)故障的影響程度，從而對(duì)各個(gè)基本事件的重要程度進(jìn)行排序，選擇相應(yīng)的安全管理控制措施，為科學(xué)地管理設(shè)備提供重要依據(jù)。通過(guò)定量分析能夠確定各個(gè)基本事件，有助于系統(tǒng)中其他各項(xiàng)指標(biāo)的量化處理。

故障樹(shù)分析法的主要缺點(diǎn)如下：

（1）故障樹(shù)分析方法的優(yōu)勢(shì)是分析系統(tǒng)故障的原因，但分析引發(fā)故障原因的概率有多大是弱項(xiàng)；

（2）故障樹(shù)分析方法對(duì)故障的分析主要針對(duì)特定故障，但對(duì)系統(tǒng)中某一過(guò)程或整個(gè)系統(tǒng)的故障分析能力較弱，具有較強(qiáng)的局限性；

（3）故障樹(shù)分析方法要求系統(tǒng)故障分析人員對(duì)被測(cè)系統(tǒng)非常熟悉，能夠非常熟練地使用選定的分析方法，但在實(shí)際中由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，往往導(dǎo)致系統(tǒng)故障分析人員對(duì)系統(tǒng)不是特別熟悉，故容易產(chǎn)生不同的診斷結(jié)果。在復(fù)雜系統(tǒng)中，采用故障樹(shù)分析方法進(jìn)行定量分析時(shí)，需要提前了解每個(gè)基本事件的發(fā)生概率，否則就不能進(jìn)行系統(tǒng)性定量分析。

依據(jù)故障樹(shù)分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，具體應(yīng)用如下場(chǎng)景。

采用故障樹(shù)分析系統(tǒng)的故障，可以設(shè)計(jì)為已經(jīng)發(fā)生的故障，也可以設(shè)計(jì)為要發(fā)生的大概率故障。通過(guò)分析故障發(fā)生的原因，找出相應(yīng)的對(duì)策進(jìn)行故障控制，從而預(yù)防要發(fā)生的大概率故障，探查被測(cè)系統(tǒng)中固有、合理的依據(jù)。本文提出的故障樹(shù)分析方法，采用判斷樹(shù)的形式分析系統(tǒng)故障，采用此種判斷結(jié)構(gòu)，可以選取知識(shí)模型或推理方法作為判斷方法。

在判斷樹(shù)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含不同的問(wèn)題，每節(jié)點(diǎn)又延伸出“是”與“否”兩個(gè)分支，對(duì)節(jié)點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行判斷，具體形式見(jiàn)圖4所示。

圖4 故障樹(shù)分析方法實(shí)例。

維修保障面臨新的挑戰(zhàn)

隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備的故障診斷與維修工作正面臨一些新情況與挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

圖5 模塊化維修將提高無(wú)人機(jī)維修保障效率。

（1）故障自動(dòng)檢測(cè)

無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中比較重要且復(fù)雜的設(shè)備，無(wú)線電設(shè)備的故障診斷除傳統(tǒng)的目視基本診斷方式，也需要增加自動(dòng)檢測(cè)機(jī)制對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備進(jìn)行故障診斷。采用自動(dòng)檢測(cè)機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于，檢測(cè)時(shí)間比傳統(tǒng)的診斷方法短很多，且能夠直接定位故障發(fā)生的具體位置。

（2）減少“故障未重現(xiàn)”

由于無(wú)人機(jī)無(wú)線電系統(tǒng)的復(fù)雜性，無(wú)線電設(shè)備根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行功能調(diào)整，維修人員對(duì)“故障未重現(xiàn)”的研究將大幅提升無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備的可靠性。

（3）采用模塊化維修

無(wú)線電設(shè)備作為無(wú)人機(jī)使用最為頻繁的設(shè)備，發(fā)生故障則將直接影響無(wú)人機(jī)正常工作。故無(wú)人機(jī)無(wú)線電設(shè)備故障應(yīng)該采用模塊化維修方式，用戶只需將有故障的模塊進(jìn)行替換就可使無(wú)人機(jī)正常運(yùn)營(yíng)。

作為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，保障系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)適應(yīng)未來(lái)瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)起到非常關(guān)鍵的作用，直接關(guān)系到無(wú)人機(jī)能否正常起飛、能否安全返航、能否滿足任務(wù)需求。無(wú)人機(jī)保障系統(tǒng)的發(fā)展，一方面要推動(dòng)保障設(shè)備向簡(jiǎn)單化、通用化、小型化、模塊可互換性方向發(fā)展。另一方面是側(cè)重保障技術(shù)發(fā)展，保障設(shè)備的研制效率能否跟上新裝備的步伐，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)如何運(yùn)用于保障設(shè)備，保障設(shè)備能否快速裝備新型號(hào)、能否滿足每架不同特點(diǎn)及參數(shù)的無(wú)人機(jī)維修，能動(dòng)地選擇保障內(nèi)容、保障時(shí)機(jī)、保障方法，都是主動(dòng)高效完成保障任務(wù)的關(guān)鍵。

未來(lái)無(wú)人機(jī)將快速發(fā)展，應(yīng)用場(chǎng)景十分廣闊，技術(shù)的快速迭代使無(wú)人機(jī)擁有越來(lái)越多的功能，人類能做的工作永無(wú)止境。同時(shí)，促進(jìn)無(wú)人機(jī)維修保障技術(shù)快速、高效發(fā)展，還有很長(zhǎng)的路要走。