基于虛擬測點(diǎn)的雷達(dá)測試性建模技術(shù)研究

姜鑫偉,鄭元珠,宋常浩,張海舟,方 權(quán)

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

0 引言

面對陸、海、空、天多維戰(zhàn)場的新目標(biāo)、新環(huán)境、新任務(wù),復(fù)雜雷達(dá)電子裝備逐步邁向智能化、信息化、綜合化發(fā)展的新階段。然而,雷達(dá)電子裝備性能的不斷提高會給裝備的有效維修保養(yǎng)帶來困難;此外,雷達(dá)電子裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,服役環(huán)境多變,故障的發(fā)生往往導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失,甚至帶來重大安全問題。因此,進(jìn)行測試性設(shè)計(jì)與分析是保障雷達(dá)電子裝備安全可靠運(yùn)行的必要舉措。

測試性作為裝備一種設(shè)計(jì)特性,按照國軍標(biāo)GJB 2547—95《裝備測試性大綱》,具體指產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作、性能下降),并有效地隔離其內(nèi)部故障的能力[1]。良好的測試性設(shè)計(jì)能夠有效提高電子裝備的故障診斷準(zhǔn)確率,降低電子裝備全壽命周期的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用,并且可以大大縮短故障檢測和隔離時(shí)間。作為測試性設(shè)計(jì)體系的關(guān)鍵技術(shù),測試性建模仿真技術(shù)可以在電子裝備的研制階段就組織開展實(shí)施,一方面軟硬件資源需求少,另一方面可以在電子裝備研制階段較早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的測試性薄弱環(huán)節(jié),進(jìn)一步優(yōu)化測試點(diǎn)設(shè)計(jì),有效提高電子裝備的測試性水平[2]。通過不斷迭代測試性建模仿真,發(fā)現(xiàn)電子裝備測試性設(shè)計(jì)中的問題,并不斷地調(diào)整修改和優(yōu)化設(shè)計(jì),直至測試性建模仿真結(jié)果滿足總體的測試性指標(biāo)要求,最終給出電子裝備的診斷策略和診斷邏輯。當(dāng)前雷達(dá)電子裝備產(chǎn)品的測試性設(shè)計(jì)需求迫切,因而測試性建模仿真技術(shù)會被越來越廣泛的應(yīng)用[3]。

作為雷達(dá)系統(tǒng)的主要分系統(tǒng),天線陣面分系統(tǒng)主要完成雷達(dá)系統(tǒng)的信號發(fā)射、目標(biāo)回波接收、校準(zhǔn)等功能,實(shí)現(xiàn)波束在一定空域內(nèi)實(shí)現(xiàn)波束掃描。機(jī)內(nèi)測試BIT(built-in test)技術(shù)可用于天線陣面狀態(tài)監(jiān)測和故障自檢,陣面BIT主要完成陣面設(shè)備工作狀態(tài)及BIT信息的匯總和處理。然而,天線陣面內(nèi)部設(shè)備種類繁多,陣面綜合網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜,要綜合權(quán)衡模塊單元的測試難易度、費(fèi)用、可靠性等因素進(jìn)行BIT診斷。當(dāng)前的BIT及測試性設(shè)計(jì)難以滿足要求,其主要原因在于:① 系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)簡單,造成故障診斷準(zhǔn)確性較差;② 測試點(diǎn)設(shè)計(jì)冗余,導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重;③ 測試點(diǎn)位置、類型設(shè)置不合理,造成診斷隔離時(shí)間長、效率低。

針對以上不足,考慮到復(fù)雜電子裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文中提出了一種基于虛擬測點(diǎn)的多信號流測試性建模方法。該方法通過構(gòu)建虛擬測點(diǎn)來對復(fù)雜電子裝備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和綜合診斷,間接獲取電子裝備的狀態(tài)信息,進(jìn)而對雷達(dá)電子裝備的測試性水平進(jìn)行分析和評估。通過雷達(dá)天線陣面分系統(tǒng)的工程應(yīng)用案例,結(jié)果表明本文提出的方法可以有效提高電子裝備的測試性水平,并提升雷達(dá)電子裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性。

1 測試性建模概述

基于模型的電子系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)過程涵蓋3個部分:測試性方案設(shè)計(jì)、測試性建模與分析、測試性驗(yàn)證與評估。其中測試性建模主要目的是構(gòu)建電子產(chǎn)品的測試性模型,指導(dǎo)分配、預(yù)計(jì)、評估電子產(chǎn)品的測試性指標(biāo)[4]。測試性建模與分析應(yīng)在電子裝備的研制階段就組織開展實(shí)施,并不斷地進(jìn)行迭代優(yōu)化,從而輔助設(shè)計(jì)人員對測試性方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化改進(jìn)[5]。20世紀(jì)80年代,美軍發(fā)布了MIL-STD-2165軍用設(shè)備測試性與維修性大綱,用于指導(dǎo)系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)[6]。1995年,國內(nèi)的國防科工委頒布了國軍標(biāo)GJB 2547—95《裝備測試性大綱》,用于指導(dǎo)國內(nèi)的測試性設(shè)計(jì)[7]。

目前常用的測試性模型主要包括邏輯模型、混合診斷模型、信息流模型、多信號流模型[8]。作為最受關(guān)注的測試性模型,多信號流模型用有向圖的形式表現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成單元之間的信號流連接關(guān)系,并用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、信號、測試之間的關(guān)聯(lián)性來進(jìn)行測試性建模[9]。主要特點(diǎn)如表1所示。

表1 測試性模型特點(diǎn)

國內(nèi)外設(shè)計(jì)人員和研究機(jī)構(gòu)相繼開發(fā)輔助設(shè)計(jì)軟件工具,美國康涅狄格大學(xué)開發(fā)了START軟件,用于系統(tǒng)測試性分析與診斷[10];CATA軟件、美軍的DARTS軟件,以色列的AITEST軟件、法軍的AGENDA軟件也相繼面世[11]。此外,美國DSI公司開發(fā)了eXpress軟件,其在美軍的Bradley戰(zhàn)車等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[12];QSI公司開發(fā)了TEAMS軟件,其在F135發(fā)動機(jī)的故障檢測項(xiàng)目等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[13]。在國內(nèi),北京可維創(chuàng)業(yè)科技公司推出了GARMS軟件,可以進(jìn)行測試性建模和分析[14];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)了TADES軟件,實(shí)現(xiàn)測試性需求分析、建模、設(shè)計(jì)等功能[15]。

2 基于虛擬測點(diǎn)的TEAMS建模仿真

2.1 虛擬測點(diǎn)

機(jī)內(nèi)測試BIT可以完成自動檢測、隔離電子裝備的故障,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及分系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷以及維修決策等奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),發(fā)揮改善電子裝備測試性和診斷性能的重要作用。而機(jī)內(nèi)測試中測試點(diǎn)的選擇在BIT技術(shù)中占據(jù)非常重要的地位,基本原則是保證測試點(diǎn)能夠有效提高電子裝備故障檢測率、故障隔離率等測試性指標(biāo),并且要綜合權(quán)衡測試點(diǎn)的測試難易度、費(fèi)用、可靠性等因素進(jìn)行BIT診斷。

由于復(fù)雜雷達(dá)系統(tǒng)模塊化集成和數(shù)字化程度較高,結(jié)構(gòu)更為緊湊,因而對模塊的BIT技術(shù)要求更高。作為雷達(dá)系統(tǒng)的分系統(tǒng),天線陣面分系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)BIT工程應(yīng)用過程中,天線陣面內(nèi)部設(shè)備種類繁多,陣面綜合網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜,必須要綜合權(quán)衡模塊單元的測試難易度、費(fèi)用、可靠性等因素進(jìn)行BIT診斷。

然而,天線陣面的綜合網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜,主要由射頻網(wǎng)絡(luò)、光傳網(wǎng)絡(luò)、供電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,其中射頻網(wǎng)絡(luò)由時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、本振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。此外,天線陣面綜合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備種類豐富,涵蓋時(shí)鐘功分器、本振功分器、光纖放大分配器、光功分器、光功分集線器等設(shè)備。由于天線陣面綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備缺少相應(yīng)BIT測點(diǎn),很難對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。因此,提出一種基于虛擬測點(diǎn)(間接測點(diǎn))的建模仿真方法,依賴間接測點(diǎn)來對綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和綜合診斷,間接獲取綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)信息,最終給出綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障診斷策略和診斷邏輯,建立相應(yīng)的故障診斷算法。綜合網(wǎng)絡(luò)典型設(shè)備的虛擬測點(diǎn)布置情況如表2所示。

表2 虛擬測點(diǎn)布置情況

天線陣面綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)測信息主要通過TR組件內(nèi)部的BIT測點(diǎn)間接獲取,以時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)為例,可以通過時(shí)鐘功分器某一鏈路控制的TR組件的時(shí)鐘是否全部失鎖,判斷該時(shí)鐘功分器某一鏈路是否發(fā)生故障。因此,在天線陣面分系統(tǒng)測試性建模過程中,引入綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬測點(diǎn),進(jìn)行測試性建模和分析,給出最終的故障診斷策略和診斷邏輯。天線陣面綜合網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1 天線陣面綜合網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 工程實(shí)例

參照圖2的建模仿真流程,利用TEAMS軟件對某型雷達(dá)天線陣面分系統(tǒng)進(jìn)行測試性建模,并分析其測試性水平。

圖2 測試性建模流程

2.2.1天線陣面分系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和功能信息

天線陣面分系統(tǒng)主要完成雷達(dá)系統(tǒng)的信號發(fā)射、目標(biāo)回波接收、校準(zhǔn)等功能,實(shí)現(xiàn)波束在一定空域內(nèi)實(shí)現(xiàn)波束掃描。根據(jù)分系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案、測試性設(shè)計(jì)方案,梳理分系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)信息、功能原理流程、模塊信號接口關(guān)系;結(jié)合分系統(tǒng)故障模式影響及危害性分析(FMECA)報(bào)告和已收集的故障模式庫,獲取分系統(tǒng)各個模塊的故障模式信息、故障失效率、故障頻數(shù)比、故障影響信息和BIT測點(diǎn)信息等。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)分析需求,采用自頂向下的原則對天線陣面分系統(tǒng)各模塊進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)劃分,如圖3所示。

圖3 各模塊層次劃分

將系統(tǒng)劃分為3個層次:初始約定層、約定層和最低約定層。自頂向下將其劃分為裝備、分系統(tǒng)、現(xiàn)場可更換單元(LRU)。

M={M1,M2,…,ML}

(1)

式(1)中:M為雷達(dá)模塊集合;L為雷達(dá)層級,層級L=3。

2.2.2故障模式分析

在底層模塊內(nèi)部添加故障模式,并設(shè)置每個故障模式的屬性,故障模式信息來自FMECA數(shù)據(jù)和故障模式庫。

F={F1,F2,…,FL}

(2)

式(2)中:F為雷達(dá)故障模式集合。

2.2.3BIT測點(diǎn)信息

根據(jù)實(shí)際情況在測試性模型的相應(yīng)位置設(shè)置測試點(diǎn),而在天線陣面分系統(tǒng)綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建模過程中,引入虛擬測點(diǎn),間接反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。BIT測點(diǎn)信息包括一般測點(diǎn)和虛擬測點(diǎn)。測點(diǎn)信息示意表如表3所示。

表3 測點(diǎn)信息

TP={TP1,TP2,…,TPL}

(3)

式(3)中:TP為雷達(dá)故障模式集合。

2.2.4測試性模型

考慮一般測點(diǎn)和虛擬測點(diǎn),構(gòu)建天線陣面分系統(tǒng)測試性模型,如圖4所示。

圖4 測試性模型

2.3 虛擬測點(diǎn)的物理映射

測試性模型進(jìn)行測試行分析,得到相關(guān)性D矩陣,能夠反映故障模式與虛擬測點(diǎn)之間的相關(guān)關(guān)系,蘊(yùn)含了故障診斷邏輯信息,虛擬測點(diǎn)與故障模式的D矩陣如圖5所示。

圖5 D矩陣

圖5中f1,f2,…,f25表示虛擬測點(diǎn)可以測試的故障模式,tp1,tp2,…,tp24表示虛擬測點(diǎn),0和1表示故障模式與測試特征的相關(guān)性(0:不相關(guān),1:相關(guān))。

上述D矩陣包含了基于虛擬測點(diǎn)的診斷邏輯知識,但無法反映天線陣面分系統(tǒng)中實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與故障模式之間的相關(guān)關(guān)系,因而不能完成診斷邏輯知識的物理映射。因此,將虛擬測點(diǎn)映射到天線陣面分系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)測結(jié)果,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為診斷邏輯知識物理映射形式,以便進(jìn)行更好地診斷隔離故障,具體如圖6所示。

圖6 D矩陣的物理映射

圖6中l(wèi)g1,lg2,…,lg25表示虛擬測點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果的物理映射邏輯組合。通過構(gòu)建基于虛擬測點(diǎn)的測試性模型,根據(jù)測試性分析得到表征虛擬測點(diǎn)與故障模式的D矩陣,并將虛擬測點(diǎn)進(jìn)行物理映射,進(jìn)而給出裝備的診斷策略和診斷邏輯組合,輔助設(shè)計(jì)人員迭代測點(diǎn)優(yōu)化和迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3 測試性仿真分析

3.1 測試性仿真分析

3.1.1靜態(tài)分析

靜態(tài)分析的輸出信息有未檢測的故障、模糊組、冗余測試、隱藏故障的建議等,通過靜態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)有未檢測的故障模式,并且具有冗余測試點(diǎn)。具體如圖7所示,從靜態(tài)分析結(jié)果中可以看出,未檢測的故障模式集中在發(fā)射前級的控保組件,主要原因是控保組件內(nèi)部缺少相應(yīng)的BIT測點(diǎn);冗余測點(diǎn)有6個,主要原因是在本振功放和時(shí)鐘功放的信號輸入端含有測點(diǎn),造成冗余測試。

圖7 靜態(tài)分析結(jié)果

3.1.2測試性分析

測試性分析報(bào)告主要有測試性指標(biāo)報(bào)告、診斷樹報(bào)告、故障檢測和故障隔離統(tǒng)計(jì)報(bào)告、D矩陣等,測試性分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 測試性分析結(jié)果

從圖8分析結(jié)果中可以看出,天線陣面分系統(tǒng)的故障檢測率為89.36%,故障隔離率為100%,以此對天線陣面分系統(tǒng)的測試性方案進(jìn)行定量評價(jià)。

3.2 結(jié)果分析

通過測試性建模分析和測試點(diǎn)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的測試性薄弱環(huán)節(jié),優(yōu)化天線陣面測試點(diǎn)設(shè)計(jì),有效提高了天線陣面的測試性水平。為了驗(yàn)證本文提出方法中虛擬測點(diǎn)的有效性,將本文提出方法與未設(shè)置虛擬測點(diǎn)的測試性建模方法進(jìn)行對比,測點(diǎn)布置對比圖如圖9所示。

圖9 測試布置對比圖

進(jìn)行測試性建模靜態(tài)分析和測試性分析,結(jié)果如表4所示。

表4 對比結(jié)果

故障檢測率和故障隔離率為:

(4)

(5)

式(4)、式(5)中:N為總的故障數(shù);ND為檢測到的故障數(shù);NL為能夠隔離到指定單元的故障數(shù);λ為總的故障率;λD為檢測到的故障率;λL為能夠隔離的故障率。

從對比結(jié)果中可以看出,虛擬測點(diǎn)的未檢測故障數(shù)明顯少于非虛擬測點(diǎn),故障檢測率明顯高于非虛擬測點(diǎn),由此說明,本文提出方法可以有效提高電子裝備的測試性水平。

此外,測試性建模分析會給出診斷樹和診斷邏輯,建立相應(yīng)的故障診斷算法。為了直觀分析提出方法的有效性,利用D矩陣給出故障模式和測試點(diǎn)的相關(guān)關(guān)系,將本文提出方法與未設(shè)置虛擬測點(diǎn)的測試性建模方法進(jìn)行對比。以天線陣面分系統(tǒng)部分故障模式為例,對比結(jié)果如圖10所示。

(a) 虛擬測點(diǎn)的D矩陣

從上述D矩陣中可以看出,本文中提出方法能夠布置虛擬測點(diǎn),對天線陣面分系統(tǒng)綜合網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘功分器、本振功分器、光功分器等故障模式進(jìn)行有效監(jiān)測,最終給出診斷策略和診斷邏輯;而非虛擬測點(diǎn)的方法難以對天線陣面分系統(tǒng)綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障模式進(jìn)行有效監(jiān)測。進(jìn)一步說明了本文中提出方法可以有效提高電子裝備的測試性水平,并指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員優(yōu)化測試性方案。

4 結(jié)論

結(jié)合一般測點(diǎn)和虛擬測點(diǎn)的優(yōu)勢,本文中提出一種新的基于多信號流的測試性建模方法。

1) 首先對測試性建模進(jìn)行了簡單概述,然后依托于TEAMS軟件平臺,詳細(xì)說明了基于虛擬測點(diǎn)的測試性建模流程,最后通過天線陣面分系統(tǒng)的工程應(yīng)用案例對提出方法進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明本文中提出方法可以有效提高裝備的測試性水平,并提升雷達(dá)電子裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性。

2) 本文中提出的測試性建模方法能夠根據(jù)測試性分析結(jié)果給出裝備的診斷策略和診斷邏輯,輔助設(shè)計(jì)人員迭代測點(diǎn)優(yōu)化和迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值,為裝備創(chuàng)新性開展基于模型的系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。