航空綜合通信導(dǎo)航識(shí)別設(shè)備測(cè)試性設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭強(qiáng)

【摘要】? ? 針對(duì)航空機(jī)載電子設(shè)備對(duì)測(cè)試性要求的不斷提高，本文以機(jī)載綜合通信導(dǎo)航識(shí)別設(shè)備為例給出了一種測(cè)試性總體設(shè)計(jì)方案。依據(jù)測(cè)試性準(zhǔn)則，搭建了一種新型的測(cè)試性總體架構(gòu)，提出了機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)和在線檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的測(cè)試思想，并闡述了這兩種技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】? ? 測(cè)試性預(yù)計(jì)? ? 機(jī)內(nèi)測(cè)試? ? 在線檢測(cè)? ? 通信導(dǎo)航識(shí)別設(shè)備

Testability design and application of ICNI equipment

（CETC10， ChengDu 610036）

Abstract： In view of the increasing requirements of airborne electronic equipment for testability， this paper takes integrated communication navigation identification （ICNI） equipment as an example to give a testability overall design scheme. According to the testability criterion， a new overall testability architecture was built， and the idea of combining the built-in test technology with the online test technology was put forward， and the design and implementation methods of the two technologies were described. The feasibility and effectiveness of the scheme were verified by the engineering application.

Key words： testability prediction; built in test; online test; integrated CNI

引言：

隨著航空技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的機(jī)內(nèi)測(cè)試（Built In Test，簡(jiǎn)稱BIT）能力和地面檢測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求。飛行過(guò)程中，由于故障無(wú)法立即修復(fù)，要求增強(qiáng)設(shè)備自主故障診斷、切換和故障隔離能力，以保證系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。對(duì)于地面綜合檢測(cè)過(guò)程中，要求能夠全面的覆蓋故障，并且能快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地診斷系統(tǒng)狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)上述要求，就必須在航空機(jī)載電子設(shè)備設(shè)計(jì)之初同步開展測(cè)試性設(shè)計(jì)工作，對(duì)于提高設(shè)備測(cè)試性和診斷技術(shù)水平，滿足系統(tǒng)的任務(wù)可靠性和安全性具有重要意義。

本文以機(jī)載綜合通信導(dǎo)航識(shí)別（Integrated Communication Navigation Identification，簡(jiǎn)稱ICNI）設(shè)備為例，根據(jù)綜合化設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種實(shí)際可行的測(cè)試性設(shè)計(jì)方法。

一、測(cè)試性要求

1.1 設(shè)備架構(gòu)

ICNI設(shè)備作為飛機(jī)航電系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著空-地、空-空間話音及數(shù)據(jù)通信，無(wú)線電導(dǎo)航，進(jìn)場(chǎng)著陸，敵我識(shí)別及交通管制等任務(wù)。ICNI設(shè)備由模塊化、通用化的射頻信道處理資源、信號(hào)處理資源、綜合處理資源等硬件模塊和軟件模塊組成，通過(guò)交換矩陣實(shí)現(xiàn)路由，在系統(tǒng)內(nèi)部總線的控制管理下，可同時(shí)支持多個(gè)硬件線程和軟件線程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種功能。設(shè)備總體架構(gòu)如圖 1。

1.2 指標(biāo)要求

ICNI設(shè)備采用全新的組織架構(gòu)大大提高了設(shè)備的綜合化程度，對(duì)系統(tǒng)測(cè)試性也提出更高的要求，主要包括定量要求和定性要求兩方面。

定量要求：在航空電子系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)中，通常采用故障檢測(cè)率（FDR）、故障隔離率（FIR）和虛警率（FAR）三率指標(biāo)對(duì)測(cè)試性提出定量要求，比如：FDR≮92%，F(xiàn)IR≮95%，F(xiàn)AR≯2%。

定性要求：根據(jù)故障模式影響分析（FMECA）綜合規(guī)劃各等級(jí)故障的監(jiān)控方案，確保高等級(jí)故障及時(shí)告警;應(yīng)具有機(jī)內(nèi)測(cè)試功能，并將故障隔離到現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊（LRM）;每個(gè)故障隔離測(cè)試應(yīng)設(shè)計(jì)為與其他所有測(cè)試相互獨(dú)立;對(duì)于BIT不能檢測(cè)的故障，采用在線檢測(cè)設(shè)備的方式進(jìn)行故障定位。

二、測(cè)試性設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)定義為產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性。ICNI設(shè)備測(cè)試性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

（1）基于產(chǎn)品功能特性設(shè)計(jì)與測(cè)試性設(shè)計(jì)一體化、測(cè)試性與綜保設(shè)計(jì)一體化的基本思想，同步開展測(cè)試性設(shè)計(jì)與功能特性設(shè)計(jì);

（2）從系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性出發(fā)，按信號(hào)在系統(tǒng)中的傳輸流向合理設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，采用系統(tǒng)綜合診斷的方法減少模塊測(cè)試電路設(shè)計(jì)難度;

（3）充分利用系統(tǒng)固有資源，在不增加或少增加機(jī)內(nèi)測(cè)試電路的前提下，完成應(yīng)有的測(cè)試任務(wù);

（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與外部測(cè)試設(shè)備接口簡(jiǎn)單方便，機(jī)內(nèi)測(cè)試與外部測(cè)試相結(jié)合，機(jī)內(nèi)測(cè)試為主，外場(chǎng)測(cè)試為輔。

2.2 總體測(cè)試架構(gòu)

ICNI設(shè)備故障模式主要包括系統(tǒng)功能性故障以及系統(tǒng)性能指標(biāo)下降兩方面。針對(duì)系統(tǒng)功能性故障，外場(chǎng)優(yōu)先利用BIT系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)與隔離，將故障定位到導(dǎo)致功能故障的LRM，對(duì)于部分BIT無(wú)法完全隔離到單個(gè)LRM的故障模式，利用PMA（便攜式維護(hù)裝置）指導(dǎo)維修人員輔助BIT系統(tǒng)開展故障定位。針對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)下降類型的故障，在外場(chǎng)利用在線檢測(cè)設(shè)備通過(guò)無(wú)線或有線連接方式，配合維護(hù)BIT對(duì)ICNI設(shè)備的功能定性或定量指標(biāo)測(cè)試開展故障定位。隔離到LRM后，內(nèi)場(chǎng)利用模塊綜合測(cè)試平臺(tái)對(duì)模塊的功能及性能指標(biāo)進(jìn)行離線檢測(cè)。ICNI設(shè)備測(cè)試性設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)如圖 2所示。

2.3機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)

現(xiàn)代航空機(jī)載電子設(shè)備綜合化、復(fù)雜化程度日漸提高，機(jī)載電子設(shè)備的故障檢測(cè)和維修難度增大，從而增加了設(shè)備維修和保障成本。為解決這種問(wèn)題，機(jī)載電子設(shè)備廣泛采用機(jī)內(nèi)自測(cè)試技術(shù)，機(jī)內(nèi)自測(cè)試功能可以對(duì)電子設(shè)備內(nèi)部的故障進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、診斷和隔離，大大提高了電子設(shè)備中的故障診斷效率和準(zhǔn)確性，從而有效地縮短了維修時(shí)間，降低了維修和保障費(fèi)用。

2.3.1工作模式設(shè)計(jì)

ICNI設(shè)備根據(jù)不同的運(yùn)行階段，設(shè)計(jì)了四種BIT工作模式：加電BIT、啟動(dòng)BIT、周期BIT和維護(hù)BIT。

加電BIT：加電BIT是ICNI設(shè)備每次上電啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行，根據(jù)系統(tǒng)空中、地面等不同的加電狀態(tài)，執(zhí)行不同的加電BIT過(guò)程，地面的加電BIT應(yīng)盡可能地覆蓋ICNI設(shè)備的資源。加電BIT運(yùn)行時(shí)，停止系統(tǒng)正常工作流程，不響應(yīng)任務(wù)系統(tǒng)下發(fā)的任何控制命令，通過(guò)各LRM內(nèi)部的BIT控制單元獲取自檢狀態(tài)信息，并上報(bào)至系統(tǒng)BIT控制單元，再經(jīng)數(shù)據(jù)分析形成自檢與故障報(bào)告，可將故障定位到主要的模塊。

周期BIT：周期BIT在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)按系統(tǒng)、功能、模塊等各自不同的任務(wù)周期進(jìn)行，不影響正常任務(wù)的執(zhí)行。周期BIT通過(guò)預(yù)先設(shè)置的檢測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能的狀態(tài)，為系統(tǒng)判斷功能工作狀態(tài)的正常與否提供最初步的依據(jù)。由于周期BIT受測(cè)試覆蓋率的影響，其故障診斷和隔離能力較弱，周期BIT的設(shè)計(jì)更突出其故障的實(shí)時(shí)探測(cè)能力，因此周期BIT也稱為實(shí)時(shí)BIT。

啟動(dòng)BIT：?jiǎn)?dòng)BIT由操作員觸發(fā)的BIT，分為全系統(tǒng)的啟動(dòng)BIT和以功能為單位的功能啟動(dòng)BIT，在執(zhí)行啟動(dòng)BIT時(shí)相關(guān)單元不執(zhí)行正常的工作任務(wù)。當(dāng)收到全系統(tǒng)的啟動(dòng)BIT命令時(shí)，將啟動(dòng)模塊、功能分別執(zhí)行啟動(dòng)BIT，并對(duì)BIT結(jié)果進(jìn)行初步的綜合診斷。當(dāng)收到某個(gè)功能的啟動(dòng)BIT時(shí)，由于ICNI設(shè)備是可重構(gòu)的，僅在該功能線程當(dāng)前的資源配置狀態(tài)下執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能的啟動(dòng)BIT。

維護(hù)BIT：維護(hù)BIT是在地面進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)時(shí)由操作員啟動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入維護(hù)模式時(shí)，將停止ICNI設(shè)備的所有正常工作。維護(hù)BIT可以由操作員終止，轉(zhuǎn)回工作模式。在維護(hù)模式下結(jié)合在線檢測(cè)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，隔離與模塊指標(biāo)相關(guān)的故障。

2.3.2工作層次設(shè)計(jì)

ICNI設(shè)備按運(yùn)行層次分為系統(tǒng)、功能線程、模塊三個(gè)不同層次，基于模塊為基礎(chǔ)、功能為手段，系統(tǒng)為準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)思路在不同的層次開展相應(yīng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)。

（1）模塊BIT：模塊為基礎(chǔ)是指ICNI設(shè)備BIT是以模塊狀態(tài)的檢測(cè)為基礎(chǔ)，針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)模塊的硬件、軟件進(jìn)行檢測(cè)，以診斷模塊的健康狀況。測(cè)試點(diǎn)設(shè)置過(guò)程結(jié)合模塊的FMECA分析及輸入輸出信號(hào)分析開展，選擇危害度大、易失效、故障模式關(guān)聯(lián)集中的器件或信號(hào)作為BIT設(shè)計(jì)的測(cè)試點(diǎn)，可參考下表進(jìn)行預(yù)置與檢測(cè)。

（2）功能BIT：功能為手段是指ICNI設(shè)備BIT對(duì)某一功能故障與否的判斷，是通過(guò)功能的BIT來(lái)確定的。當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的功能線程后，功能BIT對(duì)功能線程的主要工作指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以功能線程的主要功能、性能是否能滿足系統(tǒng)要求作為功能BIT目標(biāo)。圍繞功能BIT的目標(biāo)、結(jié)合各功能的特點(diǎn)設(shè)立功能的BIT測(cè)試點(diǎn)，功能BIT是以功能線程的數(shù)字信號(hào)處理單元為中心、以功能線程的功能健康狀態(tài)為監(jiān)控手段。ICNI設(shè)備的功能BIT包括小環(huán)路自檢和大環(huán)路自檢兩種方式。

小環(huán)路自檢測(cè)：數(shù)字信號(hào)處理中的功能軟件在收到系統(tǒng)下發(fā)的功能BIT指令后，控制通用接收激勵(lì)模塊進(jìn)入功能BIT測(cè)試模式，同時(shí)產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)波形，經(jīng)激勵(lì)通道產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)模塊內(nèi)部開關(guān)形成自檢信號(hào)回環(huán)至接收通道，進(jìn)入功能軟件進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，功能軟件通過(guò)對(duì)比發(fā)射及接收信號(hào)判斷小環(huán)路通道是否正常。

大環(huán)路自檢測(cè)：數(shù)字信號(hào)處理中的功能軟件在完成小環(huán)路檢測(cè)后進(jìn)入大環(huán)路檢測(cè)，控制所有信道模塊進(jìn)入功能BIT測(cè)試模式，同時(shí)產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)波形，經(jīng)激勵(lì)通道產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)射頻交換矩陣和通用功放進(jìn)入天線接口單元，一部分能量通過(guò)耦合形成自檢信號(hào)，通過(guò)接收通道進(jìn)入功能軟件進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，功能軟件通過(guò)對(duì)比發(fā)射及接收信號(hào)判斷大環(huán)路通道是否正常。

（3）系統(tǒng)BIT：系統(tǒng)為準(zhǔn)則是指ICNI設(shè)備內(nèi)模塊的故障由系統(tǒng)BIT綜合給出，對(duì)模塊測(cè)試點(diǎn)信息、功能BIT信息、總線監(jiān)測(cè)信息等各種測(cè)試、監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行信息融合，根據(jù)系統(tǒng)建立的故障判決準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)故障的綜合診斷。當(dāng)系統(tǒng)診斷出故障時(shí)，應(yīng)給出對(duì)應(yīng)的處理策略，包括：降級(jí)運(yùn)行、啟動(dòng)備份、啟動(dòng)冗余通道的重構(gòu)、以及及時(shí)維修等。

2.3.3防虛警設(shè)計(jì)

BIT判斷某個(gè)LRM是否故障主要是依據(jù)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試信號(hào)偏離正常值的門限判斷，由于電氣噪聲、載機(jī)電源波動(dòng)以及BIT電路自身等因素的影響，可能會(huì)存在BIT指示故障但實(shí)際被測(cè)項(xiàng)目不存在故障的情況。設(shè)計(jì)時(shí)，需采取如下措施降低故障測(cè)試的虛警率：

（1）合理確定參數(shù)的容差：應(yīng)綜合考慮各種因素的影響，如各部件故障對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響、工作環(huán)境條件的影響、其它有關(guān)設(shè)備的影響、性能或壽命下降允許極限等。

（2）統(tǒng)籌考慮各級(jí)測(cè)試容差：一般從基層級(jí)到基地級(jí)各級(jí)測(cè)試，測(cè)試容差值應(yīng)逐漸減小。

（3）信號(hào)測(cè)試的處理：對(duì)易受外界電磁環(huán)境影響的檢測(cè)點(diǎn)，一般采取濾波、延時(shí)、多次判斷后再報(bào)警等方式降低信號(hào)測(cè)量的虛警。

2.4在線檢測(cè)設(shè)計(jì)

對(duì)于BIT不能檢測(cè)的故障，采用維護(hù)BIT結(jié)合在線檢測(cè)設(shè)備的方式進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的方法主要采用有線或無(wú)線方式，在線檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)波形，通過(guò)閉環(huán)自檢的方法對(duì)被測(cè)設(shè)備重要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試并隔離到模塊，ICNI設(shè)備在線檢測(cè)設(shè)備工作原理如圖 4所示。

接收通道測(cè)試：在線檢測(cè)設(shè)備通過(guò)維護(hù)接口控制被測(cè)設(shè)備進(jìn)入測(cè)試模式，再通過(guò)內(nèi)部的功能測(cè)試模擬器產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，通過(guò)天線接口單元發(fā)送給被測(cè)設(shè)備，被測(cè)設(shè)備將接收到的測(cè)試信號(hào)處理后通過(guò)測(cè)試接口送回在線檢測(cè)設(shè)備，由在線檢測(cè)設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定的判據(jù)來(lái)判斷被測(cè)設(shè)備接收通道的健康狀態(tài)。

發(fā)射通道測(cè)試：在線檢測(cè)設(shè)備通過(guò)維護(hù)接口控制被測(cè)設(shè)備進(jìn)入測(cè)試模式，再控制被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)并通過(guò)發(fā)射通道發(fā)送給在線檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)處理，由在線檢測(cè)設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定的判據(jù)來(lái)判斷被測(cè)設(shè)備發(fā)射通道的健康狀態(tài)。

ICNI設(shè)備在天線接口單元及射頻交換矩陣模塊上均設(shè)置了測(cè)試接口，可將發(fā)射通道和接收通道進(jìn)行分段測(cè)試，用于隔離天線接口和接收激勵(lì)模塊間的故障，進(jìn)一步縮小隔離范圍診斷故障。

三、測(cè)試性預(yù)計(jì)

測(cè)試性預(yù)計(jì)可采用數(shù)學(xué)模型的方法預(yù)計(jì)產(chǎn)品測(cè)試充分程度，需獲取FMECA資料和可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)，列出所有的故障模式，掌握故障影響情況和功能單元或部件的故障率以及故障模式發(fā)生的頻數(shù)比，識(shí)別出每個(gè)故障模式BIT能否檢測(cè)。通過(guò)下面數(shù)學(xué)模型計(jì)算各組成部分的故障檢測(cè)率（FDR）、故障隔離率（FIR）。

其中：

λi：第i個(gè)LRM的故障率;

λDi：第i個(gè)LRM可檢測(cè)到的故障率;

λLi：可隔離至小于等于L個(gè)LRM的第i個(gè)部件或故障模式的故障率;

Ni：第i個(gè)LRM的數(shù)量。

通過(guò)測(cè)試性預(yù)計(jì)技術(shù)，可以預(yù)計(jì)出設(shè)備的FDR和FAR，發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備測(cè)試性的薄弱環(huán)節(jié)，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，并評(píng)價(jià)設(shè)備是否能夠達(dá)到規(guī)定的測(cè)試性要求。

四、結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用先進(jìn)的測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行總體的測(cè)試性分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，已經(jīng)成為航空電子技術(shù)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文針對(duì)綜合化通信導(dǎo)航識(shí)別設(shè)備提出了一種測(cè)試性總體設(shè)計(jì)方案，已在工程項(xiàng)目中得以應(yīng)用驗(yàn)證，大大提高了故障檢測(cè)率和故障隔離率，滿足了系統(tǒng)的測(cè)試性需求，可為其他電子設(shè)備的測(cè)試性設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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