艦載雷達測試性試驗方法研究

王東雷,胡 泊

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153;2. 工業和信息化部電子第五研究所,廣州510610)

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艦載雷達測試性試驗方法研究

王東雷1,胡 泊2

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153;2. 工業和信息化部電子第五研究所,廣州510610)

為滿足艦載雷達開展測試性試驗的迫切需求,提出了開展艦載雷達測試性試驗的一般流程,并針對其中的技術要點給出了明確的要求和實施方法,可有效指導艦載雷達及大型復雜產品開展測試性試驗工作。

艦載雷達;測試性;試驗

0 引 言

隨著科技的發展,現代海戰已進入電子化和信息化的階段。艦載雷達不僅是現代艦船防御作戰系統的重要組成部分,而且還是艦船的關鍵探測設備。艦載雷達功能與性能的優劣對整個作戰起到至關重要的作用,甚至會影響到全部海域、空域作戰體系的完備性,對一個國家的海軍產品具有全面的制約作用[1]。作為艦載作戰系統的關鍵組成部分,艦載雷達是海上信息站的重要信息來源,擔負著無源偵察、遠程警戒、跟蹤、目標指示、火控、制導等任務[2]。隨著作戰環境的不斷變化,對艦載雷達功能性能的要求越來越高,導致其組成也越來越復雜。

任何一個系統、設備或產品的可靠性再高也不可能永遠正常工作。使用者和維護者要掌握其“健康”狀況,要確知有無故障或何處發生了故障,就要對其進行監控和測試,這就涉及到了測試性[3]。尤其是艦載雷達這種大型復雜產品系統,其發生故障的概率較其他系統更高。在可靠性水平較低的產品上,對其測試性的要求顯得尤為重要。測試性是產品能及時準確的確定其狀態(可工作、不可工作或性能下降程度),并隔離其內部故障的一種涉及特性[4]。快速準確地隔離故障是順利開展維修的前提和基礎,也是提高系統作戰效能和任務成功率的關鍵手段。良好的測試性設計還可以減少維修人力及其他保障資源,降低壽命周期費用。尤其針對遠離海岸、遠離維修基地的艦載雷達,快速準確地檢測與隔離故障是保證完成作戰任務的基礎。因此,無論是使用方還是研制方都越來越重視艦載雷達的測試性。

1 測試性試驗現狀

1.1 概 念

試驗是提升、考核或驗證產品特性的一種有效而必要的手段。測試性試驗是一種獲取產品有關測試性信息的手段,依據獲得的信息評價測試性設計的有效性,發現不足,改進設計,并為使用與保障提供信息。測試性試驗在不同的階段開展有不同的方法,如在研制初期可以采用測試性仿真試驗的方法,在鑒定階段可采用基于故障注入的測試性驗證試驗方法,在使用階段可采用外場評估的方式來進行測試性評價。本文所涉及的測試性試驗專指在實驗室通過故障注入方法在實物樣機上開展的測試性驗證試驗。

測試性驗證試驗是指在研制的產品中注入一定數量的故障,用測試性設計規定的測試方法進行故障檢測與隔離,按其結果來估計產品的測試性設計水平,并判斷是否達到規定要求,決定接收和拒收。測試性驗證試驗是由指定的試驗機構進行的或由訂購方與承制方聯合進行的試驗與評價工作,是一項較嚴格的正規的測試性試驗。

1.2 現 狀

目前,指導產品測試性驗證試驗開展的方法通常為軍用標準。相關的美軍標有MIL-STD-47lA Notice 2、MIL-HDBK-2165、MIL- HDBK-2084、MIL- HDBK-1814。相關的英軍標有Def Stan 00-13/Issue 2、Def Stan 00-42(P4)/Issue 1、Def Stan 00-42(P6)/Issue 1、Def Stan 00-43(P2)/Issue 1。相關的國軍標有GJB1135、GJB1298、GJB/Z20045、GJB368、GJB2072、GJB3970、GJB4260、GJB2547等[5]。

國外在武器產品測試性驗證試驗工作方面已有大量成功的案例,如在APG-65 雷達系統、APG-66 雷達系統等均開展了測試性驗證試驗。國內受試驗技術、試驗能力發展的約束,一直沒有在型號工程中開展有效的測試性驗證試驗工作,僅在一些高校和研究機構開展了部分理論研究和探索試驗,而交付部隊使用的大部分產品多數以使用評估的方式來完成產品的考核,尤其類似艦載雷達等大型復雜貴重的產品僅能采用評估的方式開展。受產品發生自然故障數量的限制,無法有效驗證產品的測試性水平,導致交付部隊的產品測試性問題層出不窮。為有效提高產品的測試性水平,近些年來我國首先在空軍產品領域開展了測試性試驗,并在逐漸向艦載產品擴展。

2 測試性驗證試驗流程

測試性驗證試驗要考核的內容包括技術協議或規范中規定的測試性定量要求與定性要求。對于艦載雷達的測試性定量指標一般主要包括故障檢測率(FDR)、故障隔離率(FIR)和虛警率(FAR),其中虛警率受故障模擬技術的限制無法實施。因此,目前的測試性驗證試驗僅考核產品的故障檢測和隔離能力。

下面給出產品開展測試性驗證試驗的一般流程,主要步驟如下:

(1) 總體策劃階段

由于測試性驗證試驗還未形成一套完善的體系,因此哪些產品應該做試驗、試驗方案的制定應遵循什么原則、試驗過程的一些通用要求等內容都需要進行策劃。

(2) 方案設計階段

這個階段的主要工作包含兩部分內容:一是完成產品的故障模式影響及危害性分析(FMECA)報告,確認故障模式分析的全面性和合理性、檢測方法的正確性以及故障數據的準確性,并依此作為后續試驗方案制定的依據;二是根據產品的故障模式分析情況,制定產品的測試性驗證試驗方案,確定試驗樣本的選取及對應的故障注入方法、試驗的判據和數據處理方法等內容,作為試驗開展的依據。

(3) 試驗準備階段

制定測試性試驗程序,完成被試品的準備、測試設備的校驗、測試環境的搭建等有關試驗前準備工作,其中試驗程序主要規定故障樣本的詳細操作流程,降低在實施過程中的操作風險。

(4) 試驗實施階段

對確定的故障樣本逐一實施故障注入操作和記錄,并對記錄的數據進行分析與確認;試驗完成后統計成功檢測與隔離的故障樣本數量,評估FDR和FIR,根據試驗方案進行判決,并給出試驗概況及試驗中發現的問題及改進建議。

(5) 改進驗證階段

根據試驗過程中發現的測試性問題,完成受試產品的測試性設計改進工作。在完成設計改進后,應進行改進后的試驗驗證,并給出驗證試驗報告。

3 艦載雷達測試性試驗技術要點

艦載雷達不同于一般的產品,其組成復雜、批量小、價格昂貴,因此在開展測試性驗證試驗時有幾項工作需根據產品特點進行專項分析。具體涉及的技術要點主要包含下文幾個方面。

3.1 FMECA工作

故障模式影響及危害性分析的主要目的是通過系統地分析,確定元器件、零部件、設備、軟件在設計和制造過程中所有可能的故障模式,以及每一故障模式的原因及影響,以便找出潛在的薄弱環節,并提出改進措施。FMECA工作輸出的結果,尤其是獲得的產品故障模式等內容,能夠為產品的測試性指標分配、測試性預計、故障注入或模擬、測試點優選等方面提供支持。因此,它是開展測試性驗證試驗的基礎。

對于艦載雷達開展測試性驗證試驗而言,科學有效、及時準確地開展FMECA工作是根本,分析結果的完備性和合理性是確保測試性試驗設計輸入的前提條件。因此,在開展FMECA工作時,務必明確以下內容:一是最低約定層次必須到元器件級,元器件的故障模式是導致產品發生的故障的基本元素,也是模擬故障的基礎,因此只有分析了元器件的故障模式才能開展后續的測試性驗證工作;二是約定層次的劃分應考慮分析工作的可行性和時效性,由于艦載雷達組成復雜且龐大,每增加一個層次其工作量就要增加數倍,因此其層次劃分可酌情減少;三是故障率數據務必相對準確,現有的故障樣本的分配均以故障率為基礎,故障率的準確程度直接影響評估的結果;四是故障模式務必盡可能全面,故障檢測率的計算是以所有的故障模式為基礎的,若故障模式不全面則直接導致試驗結果不可信。

3.2 測試性設計工作

測試性設計工作可分為測試性初步設計和測試性詳細設計。

在設計的早期階段開展初步的測試性設計工作,并對其工作程度進行評價。同時,制定測試性設計準則,采用適當的評價方法分析并評價固有測試性設計結果,提出必要的改進設計。

在測試性詳細測試階段,應把測試設計到產品中去,使之能滿足測試性要求,通過分析來預計可能達到的測試性水平。

測試性試驗主要是考核艦載雷達的測試性設計水平,因此測試性設計工作及其輸出文件是開展試驗的一項重要輸入。

首先,要對艦載雷達的BIT設計流程要進行詳細描述,包括BIT的分類如周期BIT、維護BIT、上電BIT等,以及每類BIT的實施過程和檢測項目;其次,要完成艦載雷達的BIT軟硬件設計,尤其是軟件設計,在開展測試性試驗之前必須完成并固化,確保試驗的有效性;最后,要明確BIT信息的存儲和上報,具體包括故障信息的內容、存儲位置、讀取方式,以及發生故障后BIT所報故障代碼。以上信息既是在開展FMECA工作的重要輸入內容,也是在測試性試驗時要進行驗證的內容。因此,在開展艦載雷達測試性試驗前要進行準備并完善。

3.3 試驗方案設計

測試性驗證試驗方案的設計主要包括故障樣本量的確定和樣本量的分配兩部分。

樣本量的確定方法可依據的標準有限,在GJB2072-1994《維修性試驗與評定》的附錄C“測試性試驗的一般方法”中有規定,要求參照維修性試驗樣本量的確定,但維修性試驗樣本量的確定主要依據其維修參數,且其推薦樣本量大部分為“不小于30”。而對測試性試驗而言,樣本量太少則無法覆蓋全部故障模式。因此,目前工程應用中多數根據產品系統的特點制定對應的樣本量確定方法。達成普遍共識的樣本量確定方法是以功能電路級的故障模式總數為基礎,結合故障率數據確定總的樣本量。這種方法既可以保證樣本量不低于標準規定“不小于30”的要求,又可以確保故障模式的覆蓋性滿足評價的需要。而針對艦載雷達而言,用這種方法確定的故障樣本量可能會達到幾千個,超出工程應用的承受能力。因此,應將確定故障樣本量所用故障模式的級別由功能電路級提高到SRU或LRM級,這樣在降低樣本總量的情況下也可保證考核的要求。

樣本量的分配屬于統計抽樣的應用范圍,是以產品的復雜性、可靠性為基礎的。標準規定的樣本量分配方法有按比例分層抽樣的方法和按比例的簡單隨機抽樣分配方法。一般情況下采用固定樣本量的試驗方案,可應用按比例分層抽樣進行分配;若采用可變樣本量的序貫試驗方法,可采用按比例的簡單隨機抽樣法。為保證試驗的進度和經費可控,工程中基本都在制定方案時確定樣本量,但采用按比例分層抽樣的方法至少保證每一個故障模式分配到一個樣本。這樣導致總的樣本量增加太多,且會導致評估結果出現偏差。因此,建議在開展艦載雷達等大型產品測試性試驗時采用按比例簡單隨機抽樣分配方法,將確定的樣本量進行隨機分配。雖然一些故障率小的故障模式可能就無法分配到樣本,但其本身發生概率的可能性就非常低,且絕大部分故障模式均可覆蓋到,因此可保證評估結果的相對準確性。

3.4 故障注入方法

故障注入是測試性驗證試驗技術的核心內容之一,是測試性驗證試驗工作得以實現的基礎。故障注入是指按照選定的故障模型、用人工的方法有意識地產生故障并施加于運行特定負載的被測對象中,同時觀測和收集測試診斷系統對故障的檢測、隔離成敗結果,并對收集到的檢測、隔離成敗型數據進行統計分析,從而向用戶提供有關結果的試驗過程[6]。

故障注入方法按注入類型可分為模擬故障注入、硬件故障注入和軟件故障注入3種類型。模擬故障注入方法是指在產品的仿真模型中插入故障注入單元來實現故障注入。該方法的主要難點在于建立詳細精準的仿真模型,會導致仿真模型置信度低,不能捕獲產品的真實行為,因此目前在工程上還無法應用。硬件故障注入又可分為外部總線故障注入、轉接板故障注入、探針故障注入和插拔式故障注入。外部總線故障注入和轉接板故障注入是在受試產品接口、總線或連線處進行故障注入。在不對受試產品自身進行任何改動的條件下,通過改變受試產品與其互連設備間的傳輸鏈路中的鏈路物理結構、信號、數據實現故障的在線模擬或離線模擬,屬于無損故障注入,但可模擬的故障模式有限。探針故障注入是將探針與被注入器件的引腳、引腳連線相接觸,或與受試產品內部或外部電連接器引腳相接觸,通過改變引腳輸出信號或引腳間互連結構實現故障的在線模擬或離線模擬。此種方法操作復雜且因電路復雜易對產品本身造成破壞。插拔式故障注入方法是通過拔插元器件、電路板、導線、電纜等方式模擬產品故障,既包括設備的內部或外部的連接組件的拔出或插入,也包括器件的焊上或焊下,是工程上應用最多的一種方法。軟件故障注入是通過修改受試產品的軟件代碼來模擬產品故障的一種方法。軟件故障注入最大的優點是無損,易模擬,可重復注入。

針對艦載雷達這種樣機數量少、價格昂貴的大型產品,需提前規劃確定注入方法。原則上應使用無損故障注入,主要包括軟件故障注入、外部總線故障注入、轉接板故障注入,但針對故障模式較多、影響較嚴重、價格不太昂貴且無法使用無損注入方式的模塊或單機,可以選擇探針故障注入和插拔式故障注入。

4 結束語

本文介紹了測試性試驗的概念和現狀,并給出了產品測試性驗證試驗一般流程,針對艦載雷達的特點對測試性試驗過程中的關鍵技術給出了明確的要求和實施方法,以確保測試性試驗的可行性、經濟性和準確性。本文給出的測試性試驗方法是以艦載雷達為對象進行研究的,但不僅限于此,也可擴展應用到大型、復雜、數量少且價格昂貴的產品上。

[1] 賈宏進,彭芃,蔣瑩瑩.國外艦載相控陣雷達的發展及未來趨勢[J].雷達與對抗,2015,35(1):1-4.

[2] 周萬幸.艦載雷達的現狀及發展趨勢分析[J].現代雷達,2007,29(7):1-4.

[3] 石君友.測試性設計分析與驗證[M].北京：國防工業出版社,2011:20-22.

[4] GJB2547A-2012產品測試性工作通用要求[S].

[5] 石君友,紀超,李海偉.測試性驗證技術與應用現狀分析[J].測控技術2012,31(5):29-32.

[6] Jarboui T,Alart J, Crouzet Y,et al.Experimental Analysis of the Errors Induced into Linux by Three Fault Injection Technology[C]//IEEE Proceedings of the International Conference on Dependable Systems and Networks,2002:6-11.

Research on testability test method of shipborne radar

WANG Dong-lei1, HU Bo2

(1.No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. The 5th Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610)

To meet the urgent requirements of the testability test of the shipborne radar, the general procedures of performing the testability test are proposed. In view of the technical points, the specific requirements and the implementation method are given, which can effectively guide the development of the testability test for the shipborne radar and the large-scale complex equipment.

shipborne radar; testability; test

2016-01-09;

2016-03-20

王東雷(1964-)男,高級工程師,研究方向:產品質量及可靠性工程技術;胡泊(1983-),男,工程師,研究方向:電子產品可靠性與測試性試驗與評價技術。

TP206.1

A

1009-0401(2016)04-0015-04