某型無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器無法存儲(chǔ)偵察影像數(shù)據(jù)故障分析

孫輝，郭忠誠，寧娟，吉彩妮

1.貴州貴飛飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院有限公司

2.中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司

針對(duì)某型無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器無法存儲(chǔ)偵察影像數(shù)據(jù)的情況，本文對(duì)故障進(jìn)行分析和定位，并從設(shè)計(jì)原理進(jìn)行剖析，對(duì)故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，最終提出故障解決措施，并對(duì)解決措施進(jìn)行驗(yàn)證。

某型無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是某型無人偵察機(jī)系統(tǒng)配置的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，在機(jī)載環(huán)境下實(shí)時(shí)記錄某型無人偵察機(jī)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中產(chǎn)生的飛行參數(shù)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、光電吊艙偵察影像數(shù)據(jù)。當(dāng)無人機(jī)完成飛行任務(wù)并返回地面后，操作人員使用地面轉(zhuǎn)儲(chǔ)設(shè)備，將存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)存至地面計(jì)算機(jī)。所存?zhèn)刹煊跋駭?shù)據(jù)可用于情報(bào)生成、分析、處理，毀傷效果評(píng)估和目標(biāo)識(shí)別，對(duì)提高無人偵察機(jī)整體作戰(zhàn)效能，保障偵察情報(bào)連續(xù)性和準(zhǔn)確性具有重要意義。

故障概述

某型無人偵察機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器隨全機(jī)系統(tǒng)聯(lián)試過程中，在執(zhí)行偵察影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)命令時(shí)，出現(xiàn)回報(bào)記錄速率為0Mb/s的現(xiàn)象，其存儲(chǔ)任務(wù)持續(xù)一段時(shí)間后，結(jié)束存儲(chǔ)工作狀態(tài)。當(dāng)操作人員將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)體安裝到地面轉(zhuǎn)儲(chǔ)設(shè)備上查看任務(wù)目錄時(shí)，發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)器沒有生成偵察影像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)任務(wù)目錄，據(jù)此判斷某型無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器工作出現(xiàn)異常。

故障分析與定位

光電吊艙與某型無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間存在1個(gè)通信接口和1個(gè)數(shù)據(jù)接口（見圖1），通信接口采用異步422串口，數(shù)據(jù)接口采用Camera Link接口。

（1）故障樹分析

針對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器無法存儲(chǔ)偵察影像數(shù)據(jù)的異常情況，本文對(duì)故障進(jìn)行分析與定位，建立故障樹（見圖2），并制訂排查方案。操作人員結(jié)合排查方案逐項(xiàng)開展排查試驗(yàn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)模塊、主控模塊及接口模塊出現(xiàn)異常，均會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器無法存儲(chǔ)偵察影像數(shù)據(jù)。

（2）故障排查方案

根據(jù)故障現(xiàn)象及故障樹分析，本文在排查方案中設(shè)置4個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并結(jié)合設(shè)備功能，對(duì)不同數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，來確定工作異常的模塊。故障排查框圖如圖3所示。

（3）故障排查過程

①存儲(chǔ)模塊異常現(xiàn)象排查

圖1 光電吊艙與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器交聯(lián)關(guān)系圖。

圖2 偵察影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出現(xiàn)異常的故障樹。

圖3 故障排查框圖。

若存儲(chǔ)模塊出現(xiàn)工作異常，記錄速率會(huì)為0Mb/s。如圖3所示，在主控模塊的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）上產(chǎn)生內(nèi)部信號(hào)源，并通過總線向存儲(chǔ)模塊發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2探測(cè)該隨機(jī)數(shù)據(jù)。排查過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2可以探測(cè)到數(shù)據(jù)，且將在節(jié)點(diǎn)2探測(cè)到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1處由主控模塊產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)完全一致，因此可以排除存儲(chǔ)模塊出現(xiàn)故障的可能性，據(jù)此可以判斷存儲(chǔ)模塊功能正常。

②主控模塊異常現(xiàn)象排查

若主控模塊出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器無法記錄數(shù)據(jù)。如圖3所示，在接口模塊FPGA上產(chǎn)生內(nèi)部信號(hào)源，并通過總線向主控模塊發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)3、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1處探測(cè)該隨機(jī)數(shù)據(jù)。排查過程中發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)3、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1處均探測(cè)到數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)3與接口模塊產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)完全一致，而數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)2和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1的隨機(jī)數(shù)據(jù)是經(jīng)過打包處理后的幀格式數(shù)據(jù)，與技術(shù)方案預(yù)期設(shè)計(jì)的結(jié)果完全一致。因此可以排除主控模塊出現(xiàn)故障的可能性，據(jù)此可以判斷主控模塊功能正常。

③接口模塊異常現(xiàn)象排查

若接口模塊出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器無法記錄數(shù)據(jù)，記錄速率為0Mb/s的現(xiàn)象。如圖3所示，光電吊艙的偵察影像輸出接口與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)的Camera Link輸入接口相聯(lián)結(jié)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器啟動(dòng)進(jìn)入存儲(chǔ)工作流程，并且用Signal Tap工具在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)3，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)4跟蹤和探測(cè)光電吊艙輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的偵察影像數(shù)據(jù)。排查過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)4有數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)3無數(shù)據(jù)，說明偵察影像數(shù)據(jù)經(jīng)過接口模塊后，數(shù)據(jù)并沒有被成功采集，從而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器回報(bào)記錄速率為0Mb/s，且無法生成相應(yīng)的任務(wù)目錄。因此接口模塊可能出現(xiàn)了故障，即接口模塊在采集數(shù)據(jù)時(shí)存在異常現(xiàn)象。

④故障定位

以上故障逐步排查試驗(yàn)表明，故障可定位在接口模塊工作異常。

故障機(jī)理分析

設(shè)計(jì)原理

光電吊艙輸出的兩種偵察影像數(shù)據(jù)共同占用一個(gè)Camera Link輸出接口。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在執(zhí)行存儲(chǔ)命令時(shí)，可根據(jù)Camera Link輸入接口收到的幀數(shù)據(jù)（由1個(gè)幀信號(hào)、1個(gè)行信號(hào)、24bit數(shù)據(jù)位及1個(gè)時(shí)鐘位構(gòu)成），完成各類數(shù)據(jù)采集、打包及存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器須根據(jù)影像數(shù)據(jù)的幀、行信號(hào)特征，判斷出當(dāng)前輸入的影像類型格式后，開始采集打包存儲(chǔ)。具體視頻數(shù)據(jù)時(shí)序圖詳見圖4。

（1）影像數(shù)據(jù)格式判別

對(duì)于光電吊艙輸出的幀數(shù)據(jù)，當(dāng)幀有效信號(hào)（FVAL）以及行有效信號(hào)（LVAL）均為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)（DATA）是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器所須要的有效視頻像素?cái)?shù)據(jù)。CLK為影像的像素時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)始終有效。

光電吊艙通過Camera Link輸出接口傳送幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口模塊會(huì)在幀、行信號(hào)有效時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的分辨率進(jìn)行判斷。在幀有效信號(hào)以及行有效信號(hào)均為高電平時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，以行有效信號(hào)的上升沿為起點(diǎn)，下降沿為終點(diǎn)，累計(jì)的數(shù)據(jù)時(shí)鐘總數(shù)即為圖像的橫向分辨率，以幀有效信號(hào)的上升沿為起點(diǎn)，下降沿為終點(diǎn)，累計(jì)的行信號(hào)總數(shù)為圖像的縱向分辨率。根據(jù)接口控制文件要求，影像數(shù)據(jù)1的分辨率為M×N，影像數(shù)據(jù)2的分辨率為X×Y。因此，當(dāng)FPGA的橫向分辨率計(jì)數(shù)值和縱向分辨率計(jì)數(shù)值分別為M，N時(shí)，則判定當(dāng)前輸入的影像為影像數(shù)據(jù)1；當(dāng)FPGA的橫向分辨率計(jì)數(shù)值和縱向分辨率計(jì)數(shù)值分別為X，Y時(shí)，則判定當(dāng)前輸入的影像為影像數(shù)據(jù)2，其他輸入則視為無效影像數(shù)據(jù)。

圖4 視頻數(shù)據(jù)時(shí)序圖。

圖5 接口數(shù)據(jù)分辨率判斷流程。

（2）數(shù)據(jù)打包存儲(chǔ)

當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口模塊完成影像數(shù)據(jù)格式判別后，存儲(chǔ)器開始對(duì)兩種偵察影像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。圖6以影像數(shù)據(jù)1為例，對(duì)數(shù)據(jù)打包存儲(chǔ)流程進(jìn)行說明。

當(dāng)光電吊艙Camera Link輸出接口傳送的幀數(shù)據(jù)被判定為影像數(shù)據(jù)1時(shí)，主控模塊產(chǎn)生記錄使能，對(duì)影像數(shù)據(jù)1進(jìn)行存儲(chǔ)。首先，在這個(gè)幀數(shù)據(jù)前添加特定字節(jié)的幀頭，用于任務(wù)管理；而后在幀有效信號(hào)以及行有效信號(hào)均為高電平時(shí)，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)固定比特?cái)?shù)的有效像素?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，以進(jìn)行幀格式的控制。計(jì)數(shù)以幀有效信號(hào)為高電平時(shí)，行有效信號(hào)的上升沿為起點(diǎn)。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到M時(shí)，表示這一行結(jié)束，將像素計(jì)數(shù)清0，行計(jì)數(shù)加1；當(dāng)某一行像素計(jì)數(shù)達(dá)到M且行計(jì)數(shù)達(dá)N時(shí)，表示這一幀影像數(shù)據(jù)已經(jīng)完成存儲(chǔ)，計(jì)數(shù)結(jié)束，開始新一幀的計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖6 偵察影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖。

故障原因分析

使用FPGA的Signal Tap工具跟蹤、探測(cè)光電吊艙傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的偵察影像數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光電吊艙切換到影像數(shù)據(jù)1輸出模式時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器端采集的橫向分辨率數(shù)值為M+1，縱向分辨為N，不符合接口控制文件規(guī)定的M×N分辨率的技術(shù)要求；當(dāng)光電吊艙切換到影像數(shù)據(jù)2輸出模式時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器端采集的橫向分辨率數(shù)值為X-1，縱向分辨為Y，不符合接口控制文件規(guī)定的X×Y分辨率的要求。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器識(shí)別不到符合接口控制文件規(guī)定的偵察影像數(shù)據(jù)分辨率，影像采集存儲(chǔ)不能正常啟動(dòng)，導(dǎo)致存儲(chǔ)模塊在執(zhí)行存儲(chǔ)命令時(shí)，出現(xiàn)了記錄速率為0Mb/s的現(xiàn)象。當(dāng)存儲(chǔ)結(jié)束后，操作人員將存儲(chǔ)體安裝到轉(zhuǎn)存設(shè)備上查看任務(wù)目錄時(shí)發(fā)現(xiàn)，存儲(chǔ)器沒有形成相應(yīng)偵察影像數(shù)據(jù)的記錄任務(wù)目錄。

根據(jù)故障排查結(jié)果，并結(jié)合機(jī)理分析與原因分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器無法存儲(chǔ)偵察影像數(shù)據(jù)有兩方面原因，一是光電吊艙輸出的偵察影像幀數(shù)據(jù)格式不符合接口控制文件規(guī)定的分辨率要求；二是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接收偵察影像數(shù)據(jù)的容錯(cuò)能力不足。

解決措施及驗(yàn)證

故障原因被確定后，操作人員調(diào)整光電吊艙的輸出時(shí)序，使用FPGA的Signal Tap工具跟蹤、探測(cè)光電吊艙傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的偵察影像數(shù)據(jù)，在影像數(shù)據(jù)1和2兩種輸出模式之間切換，使光電吊艙的輸出時(shí)序滿足接口控制文件約定的影像分辨率要求后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的故障消失，偵察影像數(shù)據(jù)可以被正常存儲(chǔ)。同時(shí)，考慮到機(jī)載電磁環(huán)境有可能對(duì)光電吊艙的時(shí)序產(chǎn)生干擾，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)增加容錯(cuò)功能，當(dāng)輸入的偵察影像數(shù)據(jù)時(shí)序出現(xiàn)微量波動(dòng)時(shí)，不影響存儲(chǔ)器對(duì)影像類型的識(shí)別。在程序設(shè)計(jì)上，將橫向分辨率及縱向分辨率容錯(cuò)指數(shù)設(shè)定為±2，即當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器識(shí)別出光電吊艙輸入的影像分辨率為（M±2）×（N±2），則認(rèn)為當(dāng)前輸入的影像為影像數(shù)據(jù)1；當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器識(shí)別出光電吊艙輸入的影像分辨率為（X±2）×（Y±2），則認(rèn)為當(dāng)前輸入的影像為影像數(shù)據(jù)2。程序設(shè)計(jì)完成后，光電吊艙產(chǎn)生滿足分辨率容錯(cuò)指數(shù)設(shè)定值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信號(hào)，并傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器如果能夠完成相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，證明容錯(cuò)功能有效。

結(jié)論

本文提出的解決方法可排除某型無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器無法存儲(chǔ)偵察影像數(shù)據(jù)的故障，保證某型無人機(jī)系統(tǒng)的研制進(jìn)度，提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器工作的可靠性。從故障原因分析和采取的技術(shù)解決措施看，在無人機(jī)研制過程中，特別是面對(duì)不確定、復(fù)雜的機(jī)載電磁環(huán)境，技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行系統(tǒng)接口控制文件并為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器新增容錯(cuò)功能，這對(duì)后續(xù)具有類似功能的機(jī)載設(shè)備研制具有重要借鑒意義和參考價(jià)值。