一起飛機機間數據鏈空中斷網故障分析

張慧杰 寧國虎 李寧

摘要：機間數據鏈是通信導航系統中通信功能的重要組成部分。本文針對一起飛機機間數據鏈空中斷網故障現象進行了介紹，結合飛機機間數據鏈系統的設計特點及工作原理，從理論上對該故障的產生展開機理分析，結合理論分析結果進行故障驗證，建立完整的排故流程，最終定位并排除故障，為今后飛機機間數據鏈的外場機務維護及內場產品維修工作提供一定的參考。

關鍵詞：機間數據鏈；通信導航系統；空中斷網；排故流程

Keywords： intra flight data link；communication navigation system；in-flight disconnection；troubleshooting process

0 引言

飛機上的機載電子設備工作環境復雜，容易發生故障。通信導航識別系統是集通信、導航、識別功能于一體的高度綜合化的航空電子系統，是飛機航電系統的重要子系統，其中數據通信功能由短波通信、超短波通信、聯合信息分發系統、機間數據鏈和衛星通信五種通信方式組成。機間數據鏈具有以下優點：

1）方向性好，空間分辨率高，跟蹤精度高；

2）地面雜波和多徑效應影響小，低空跟蹤性能好；

3）由于波束窄，空間傳輸衰減大，因此作用距離有限，被干擾和被截獲概率小；

4）具有穿透煙霧及灰塵的能力，與激光和紅外線相比，可以全天候工作。

機上航電系統的通信導航識別系統對提升飛機整體的綜合能力和全天候適應性能力意義重大。

1 機間數據鏈

機間數據鏈是一種新型航空專用數據鏈，是一個復雜的通信網絡系統，在編隊內飛機之間組成抗干擾低時延的局域網，以快速交換瞬間態勢、友機狀態及各項控制參數等信息，實現編隊內與編隊外信息的實時共享、同步及互相配合。機間數據鏈的功能包括話音通信、數據通信、樣本信號傳輸、時間同步、測距測角以及綜合管理等。其應用場景的簡單描述如圖1所示。

針對機間數據鏈空中斷網的故障現象，需要對機間數據鏈系統的功能組成、工作流程、工作原理等進行詳細闡述。

1.1 機間數據鏈功能組成

與機間數據鏈功能相關的硬件資源有數據鏈的天線、嵌入機架內部的協議處理模塊、信號處理模塊、寬帶接收激勵模塊、激勵交換模塊、開關矩陣模塊等，其示意圖及與功能相關的模塊分別如圖2和表1所示。

1.2 機間數據鏈工作流程

機間數據鏈工作流程分為接收過程和發射過程。

接收過程的工作方式是數據鏈天線接收射頻信號變頻后，送至激勵模塊進行交換，再送至接收激勵模塊進行濾波、模數轉換、數字下變頻，送至信號處理模塊進行解調、譯碼，送至協議處理模塊進行協議處理，并將收到的格式化消息拆包后經前端控制管理模塊送至處理機，話音則送至音響模塊處理，生成模擬音頻后再送至音響控制單元。協議處理模塊實時計算波束的指向，根據計算結果控制天線的指向和選擇天線，完成波束的實時跟蹤。

發射過程的工作方式是射頻前段控制管理模塊接收處理機需要發送的信息再送至協議處理模塊，音頻模塊接收音響控制單元的音頻信息進行編碼后再送至協議處理模塊。待發送時機到來時，協議模塊取出數據進行傳輸打包，送至信號處理模塊進行加密、編碼，將基帶信號送至接收激勵模塊，完成調制、數模轉換、變頻、濾波，送至激勵交換模塊進行信號合路和天線選擇，并送至相應的天線進行變頻、放大、發射。協議處理模塊實時計算波束的指向，根據計算結果控制天線指向和選擇天線，完成波束的實時跟蹤。

接收過程和發射過程組成完整的機間數據鏈工作流程。

1.3 機間數據鏈工作原理

機間數據鏈的功能是實現各空中飛機間的信息交流與互動及系統控制。交流與互動的信息內容多種多樣，依據飛機當時的飛行任務而確定。不同的飛行任務決定了其交互信息的內容、交互速率、更新頻率等，這些因素又對確定采取何種通信體制、信道編碼格式、抗干擾要求程度等具體技術方案起決定作用。機間數據鏈的功能原理圖如圖3所示。

結合圖2及圖3，可以清楚地看出機間數據鏈的工作原理，其信息來源由機載雷達、遠程攝像、語音、數據采集組成。當僅機間數據鏈功能不正常時，可首先排查該功能當前使用的資源，再結合圖2中機架內部模塊的工作原理，對機間數據鏈空中斷網故障的產生原因進行具體分析。

2 故障分析

2.1 故障現象

飛機在一次飛行任務中出現機間數據鏈空中斷網故障，后正常著陸，未對飛行任務造成影響。飛行員反饋飛機是在空中編隊飛行時出現該現象的，未報其他故障。

2.2 故障樹構建

以機間數據鏈空中斷網為故障頂事件建立故障樹，如圖4所示。

2.3 故障原因分析

2.3.1 線纜連接故障

數據鏈天線工作時由光纖和高頻電纜進行數據傳輸，若線纜連接故障，會導致數據或供電無法正常進行，天線無法正常工作，并在飛行員故障清單里報故。

查看故障架次的飛參數據，結合線纜導通測試結果，線纜連接正常，工作良好，排除線纜連接故障。

2.3.2 天線端故障

機間數據鏈工作時，由相應的天線進行變頻、放大、發射，天線端故障會導致機間數據鏈通信功能喪失，無法完成組網工作，直接表現為機間數據鏈功能失效。天線端故障分為散熱風扇故障、天線內部故障、天線端插針故障。

1）散熱風扇故障

數據鏈天線工作時由天線上安裝的散熱風扇散熱，若故障導致風扇停止工作將無法正常散熱，會造成天線工作溫度過高報故停機，并在飛行員故障清單里報故。

查看故障架次飛參數據，對各天線通電檢查，散熱風扇均工作良好，散熱正常，排除散熱風扇故障。

2）天線內部故障

查看故障架次飛參數據，對各天線通電檢查，各天線工作良好，排除天線內部故障。

3）天線插針故障

數據鏈天線工作時，由光纖和高頻電纜完成數據傳輸，若天線端接頭處出現“縮針”或插針受損、被污染，將導致數據無法順利傳輸，天線無法正常工作和通信，并在飛行員故障清單里報故。

查看故障架次飛參數據，對各天線的接頭處仔細檢查，插針均完好，沒有“縮針”或受損、被污染現象，排除天線插針故障。

2.3.3 管理計算機故障

機間數據鏈工作時，機架內的模塊會對信號進行處理，包括濾波、變頻、解調、譯碼等，當模塊出現故障，信號的處理工作會中斷，數據鏈將無法正常工作，這類故障在這里統稱為管理計算機故障。由于與機間數據鏈功能相關的硬件資源包括機架內的寬帶接收激勵模塊、協議處理模塊、開關矩陣模塊和信號處理模塊，因此將管理計算機故障細分為開關矩陣模塊故障、寬帶接收激勵模塊故障、信號處理模塊故障、協議處理模塊故障、射頻前段控制管理模塊故障，當僅機間數據鏈功能不正常時，可首先排查數據鏈功能當前正在使用的資源。

1）開關矩陣模塊故障

開關矩陣模塊故障會導致機間數據鏈功能無法正常工作，結合系統機內自檢測結果與更換模塊后的通電檢查情況，故障未消除，模塊工作正常，排除開關矩陣模塊故障。

2）協議處理模塊故障

協議處理模塊在機間數據鏈功能的工作流程中完成協議處理，并對信息進行傳輸及拆包、打包，結合系統機內自檢測結果與更換模塊后的通電檢查情況，故障仍然存在，模塊工作正常，排除協議處理模塊故障。

3）射頻前段控制管理模塊故障

在機間數據鏈功能的接收過程中，射頻前段控制管理模塊負責將收到的格式化信息拆包后送至處理機，在發射過程中該模塊接收處理機需要發送的數字信息進行編碼后發至協議處理模塊。結合系統機內自檢測結果與更換模塊后的通電檢查情況，故障未消除，模塊工作正常，排除射頻前段控制管理模塊故障。

4）寬帶接收激勵模塊故障

在機間數據鏈功能的接收過程中，寬帶接收激勵模塊負責對接收到的信號進行濾波、模數轉換、數字下變頻等，結合系統機內自檢測結果和通電檢查情況，發現寬帶接收激勵模塊存在故障，更換模塊后通電檢查，故障仍然存在，推斷不只寬帶接收激勵模塊故障，還有其他故障存在。

5）信號處理模塊故障

在機間數據鏈功能的接收過程中，信號處理模塊負責對接收到的信號進行解調、譯碼，在發射過程中負責對數據進行加密、編碼，結合系統機內自檢測結果和通電檢查情況，發現信號處理模塊存在故障，在更換寬帶接收激勵模塊的基礎上，再對該模塊進行更換，通電檢查后發現故障消除，機上機間數據鏈功能恢復正常，再次與其他飛機進行組網檢查，機上通話聲音清晰，通信良好。因此，判定造成此次故障的原因是寬帶接收激勵模塊與信號處理模塊故障。

2.4 維修設備及注意事項

本次排故中，使用通用工具及設備便可滿足排故需求。工具設備及作用部位如表2所示。

排故過程中需要注意以下幾點：

1）機架采用的是液冷、風冷相結合的降溫模式，因此從設備拆下來的模塊要及時泄壓，放出模塊卡槽內的冷卻液，防止因環境溫度變化造成模塊內部冷卻液膨脹損壞模塊；

2）機架上的兩根液冷管路拆裝空間極為狹小，徒手難以觸及液冷管路自封接頭，在拆裝時需一人在前輪艙內用力向前按壓自封接頭尾端，另一人使用魚口鉗鉗住自封接頭并沿著自封接頭安裝槽擰動，擰動過程中應用力適當，避免鉗壞自封接頭。

3 總結

本次排故過程中，采取循序漸進的方式，通過查閱資料深入學習，結合相關數據和資料，分析故障現象產生的原因，建立了完整的排故流程。

1）分析故障原因時，先從物理因素方面考慮，如是否為線纜連接或天線端問題。結合飛參數據對線纜及天線端進行檢查，情況良好，排除故障。

2）查看故障架次的飛參數據，結合飛參數據及系統機內自檢測結果，檢查模塊是否故障，檢查寬帶接收激勵模塊與信號處理模塊無信號輸出，配合廠家更換模塊，進行機上通電檢查和與他機組網檢查，最終確定機架內的寬帶接收激勵模塊與信號處理模塊故障。

3）對后續產品提出相關改進建議，希望廠家在后續軟件升級中陸續開放機上維護清單對模塊工作狀態的監控權限，以確保更精準地監控每個模塊的工作狀態，有助于機務更快速地確認故障原因，排除故障。

參考文獻

[1]孫利剛.機間數據鏈設計與仿真[D].西安：西安電子科技大學，2010.