基于虛擬測點的雷達測試性建模技術研究

姜鑫偉,鄭元珠,宋常浩,張海舟,方 權

(南京電子技術研究所,南京 210039)

0 引言

面對陸、海、空、天多維戰場的新目標、新環境、新任務,復雜雷達電子裝備逐步邁向智能化、信息化、綜合化發展的新階段。然而,雷達電子裝備性能的不斷提高會給裝備的有效維修保養帶來困難;此外,雷達電子裝備結構復雜,服役環境多變,故障的發生往往導致重大經濟損失,甚至帶來重大安全問題。因此,進行測試性設計與分析是保障雷達電子裝備安全可靠運行的必要舉措。

測試性作為裝備一種設計特性,按照國軍標GJB 2547—95《裝備測試性大綱》,具體指產品能及時準確地確定其狀態(可工作、不可工作、性能下降),并有效地隔離其內部故障的能力[1]。良好的測試性設計能夠有效提高電子裝備的故障診斷準確率,降低電子裝備全壽命周期的維護保養費用,并且可以大大縮短故障檢測和隔離時間。作為測試性設計體系的關鍵技術,測試性建模仿真技術可以在電子裝備的研制階段就組織開展實施,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現產品的測試性薄弱環節,進一步優化測試點設計,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,發現電子裝備測試性設計中的問題,并不斷地調整修改和優化設計,直至測試性建模仿真結果滿足總體的測試性指標要求,最終給出電子裝備的診斷策略和診斷邏輯。當前雷達電子裝備產品的測試性設計需求迫切,因而測試性建模仿真技術會被越來越廣泛的應用[3]。

作為雷達系統的主要分系統,天線陣面分系統主要完成雷達系統的信號發射、目標回波接收、校準等功能,實現波束在一定空域內實現波束掃描。機內測試BIT(built-in test)技術可用于天線陣面狀態監測和故障自檢,陣面BIT主要完成陣面設備工作狀態及BIT信息的匯總和處理。然而,天線陣面內部設備種類繁多,陣面綜合網絡錯綜復雜,要綜合權衡模塊單元的測試難易度、費用、可靠性等因素進行BIT診斷。當前的BIT及測試性設計難以滿足要求,其主要原因在于:① 系統測試性設計簡單,造成故障診斷準確性較差;② 測試點設計冗余,導致資源浪費嚴重;③ 測試點位置、類型設置不合理,造成診斷隔離時間長、效率低。

針對以上不足,考慮到復雜電子裝備的結構特點,本文中提出了一種基于虛擬測點的多信號流測試性建模方法。該方法通過構建虛擬測點來對復雜電子裝備進行狀態監測和綜合診斷,間接獲取電子裝備的狀態信息,進而對雷達電子裝備的測試性水平進行分析和評估。通過雷達天線陣面分系統的工程應用案例,結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,并提升雷達電子裝備的戰備完好性、任務成功性。

1 測試性建模概述

基于模型的電子系統測試性設計過程涵蓋3個部分:測試性方案設計、測試性建模與分析、測試性驗證與評估。其中測試性建模主要目的是構建電子產品的測試性模型,指導分配、預計、評估電子產品的測試性指標[4]。測試性建模與分析應在電子裝備的研制階段就組織開展實施,并不斷地進行迭代優化,從而輔助設計人員對測試性方案進行調整和優化改進[5]。20世紀80年代,美軍發布了MIL-STD-2165軍用設備測試性與維修性大綱,用于指導系統的測試性設計[6]。1995年,國內的國防科工委頒布了國軍標GJB 2547—95《裝備測試性大綱》,用于指導國內的測試性設計[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]。作為最受關注的測試性模型,多信號流模型用有向圖的形式表現系統結構組成單元之間的信號流連接關系,并用系統結構組成、信號、測試之間的關聯性來進行測試性建模[9]。主要特點如表1所示。

表1 測試性模型特點

國內外設計人員和研究機構相繼開發輔助設計軟件工具,美國康涅狄格大學開發了START軟件,用于系統測試性分析與診斷[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公司開發了eXpress軟件,其在美軍的Bradley戰車等系統中廣泛應用[12];QSI公司開發了TEAMS軟件,其在F135發動機的故障檢測項目等系統中廣泛應用[13]。在國內,北京可維創業科技公司推出了GARMS軟件,可以進行測試性建模和分析[14];國防科學技術大學開發了TADES軟件,實現測試性需求分析、建模、設計等功能[15]。

2 基于虛擬測點的TEAMS建模仿真

2.1 虛擬測點

機內測試BIT可以完成自動檢測、隔離電子裝備的故障,為實現系統及分系統整體設計、狀態監測、故障診斷以及維修決策等奠定了堅實的基礎,發揮改善電子裝備測試性和診斷性能的重要作用。而機內測試中測試點的選擇在BIT技術中占據非常重要的地位,基本原則是保證測試點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,并且要綜合權衡測試點的測試難易度、費用、可靠性等因素進行BIT診斷。

由于復雜雷達系統模塊化集成和數字化程度較高,結構更為緊湊,因而對模塊的BIT技術要求更高。作為雷達系統的分系統,天線陣面分系統在實現BIT工程應用過程中,天線陣面內部設備種類繁多,陣面綜合網絡錯綜復雜,必須要綜合權衡模塊單元的測試難易度、費用、可靠性等因素進行BIT診斷。

然而,天線陣面的綜合網絡錯綜復雜,主要由射頻網絡、光傳網絡、供電網絡構成,其中射頻網絡由時鐘網絡、本振網絡構成。此外,天線陣面綜合網絡的設備種類豐富,涵蓋時鐘功分器、本振功分器、光纖放大分配器、光功分器、光功分集線器等設備。由于天線陣面綜合網絡設備缺少相應BIT測點,很難對其進行狀態監測和故障診斷。因此,提出一種基于虛擬測點(間接測點)的建模仿真方法,依賴間接測點來對綜合網絡設備進行狀態監測和綜合診斷,間接獲取綜合網絡設備的狀態信息,最終給出綜合網絡設備的故障診斷策略和診斷邏輯,建立相應的故障診斷算法。綜合網絡典型設備的虛擬測點布置情況如表2所示。

表2 虛擬測點布置情況

天線陣面綜合網絡設備的監測信息主要通過TR組件內部的BIT測點間接獲取,以時鐘網絡為例,可以通過時鐘功分器某一鏈路控制的TR組件的時鐘是否全部失鎖,判斷該時鐘功分器某一鏈路是否發生故障。因此,在天線陣面分系統測試性建模過程中,引入綜合網絡設備虛擬測點,進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。天線陣面綜合網絡示意圖如圖1所示。

圖1 天線陣面綜合網絡示意圖

2.2 工程實例

參照圖2的建模仿真流程,利用TEAMS軟件對某型雷達天線陣面分系統進行測試性建模,并分析其測試性水平。

圖2 測試性建模流程

2.2.1天線陣面分系統層次結構和功能信息

天線陣面分系統主要完成雷達系統的信號發射、目標回波接收、校準等功能,實現波束在一定空域內實現波束掃描。根據分系統詳細設計方案、測試性設計方案,梳理分系統層次結構信息、功能原理流程、模塊信號接口關系;結合分系統故障模式影響及危害性分析(FMECA)報告和已收集的故障模式庫,獲取分系統各個模塊的故障模式信息、故障失效率、故障頻數比、故障影響信息和BIT測點信息等。根據系統的結構復雜程度和設計分析需求,采用自頂向下的原則對天線陣面分系統各模塊進行功能結構劃分,如圖3所示。

圖3 各模塊層次劃分

將系統劃分為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、現場可更換單元(LRU)。

M={M1,M2,…,ML}

(1)

式(1)中:M為雷達模塊集合;L為雷達層級,層級L=3。

2.2.2故障模式分析

在底層模塊內部添加故障模式,并設置每個故障模式的屬性,故障模式信息來自FMECA數據和故障模式庫。

F={F1,F2,…,FL}

(2)

式(2)中:F為雷達故障模式集合。

2.2.3BIT測點信息

根據實際情況在測試性模型的相應位置設置測試點,而在天線陣面分系統綜合網絡設備建模過程中,引入虛擬測點,間接反映設備的運行狀態信息。BIT測點信息包括一般測點和虛擬測點。測點信息示意表如表3所示。

表3 測點信息

TP={TP1,TP2,…,TPL}

(3)

式(3)中:TP為雷達故障模式集合。

2.2.4測試性模型

考慮一般測點和虛擬測點,構建天線陣面分系統測試性模型,如圖4所示。

圖4 測試性模型

2.3 虛擬測點的物理映射

測試性模型進行測試行分析,得到相關性D矩陣,能夠反映故障模式與虛擬測點之間的相關關系,蘊含了故障診斷邏輯信息,虛擬測點與故障模式的D矩陣如圖5所示。

圖5 D矩陣

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

上述D矩陣包含了基于虛擬測點的診斷邏輯知識,但無法反映天線陣面分系統中實際監測結果與故障模式之間的相關關系,因而不能完成診斷邏輯知識的物理映射。因此,將虛擬測點映射到天線陣面分系統實際監測結果,進而轉化為診斷邏輯知識物理映射形式,以便進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lg1,lg2,…,lg25表示虛擬測點對應的實際監測結果的物理映射邏輯組合。通過構建基于虛擬測點的測試性模型,根據測試性分析得到表征虛擬測點與故障模式的D矩陣,并將虛擬測點進行物理映射,進而給出裝備的診斷策略和診斷邏輯組合,輔助設計人員迭代測點優化和迭代設計優化。

3 測試性仿真分析

3.1 測試性仿真分析

3.1.1靜態分析

靜態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,通過靜態分析,發現有未檢測的故障模式,并且具有冗余測試點。具體如圖7所示,從靜態分析結果中可以看出,未檢測的故障模式集中在發射前級的控保組件,主要原因是控保組件內部缺少相應的BIT測點;冗余測點有6個,主要原因是在本振功放和時鐘功放的信號輸入端含有測點,造成冗余測試。

圖7 靜態分析結果

3.1.2測試性分析

測試性分析報告主要有測試性指標報告、診斷樹報告、故障檢測和故障隔離統計報告、D矩陣等,測試性分析結果如圖8所示。

圖8 測試性分析結果

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

3.2 結果分析

通過測試性建模分析和測試點迭代優化設計,發現產品的測試性薄弱環節,優化天線陣面測試點設計,有效提高了天線陣面的測試性水平。為了驗證本文提出方法中虛擬測點的有效性,將本文提出方法與未設置虛擬測點的測試性建模方法進行對比,測點布置對比圖如圖9所示。

圖9 測試布置對比圖

進行測試性建模靜態分析和測試性分析,結果如表4所示。

表4 對比結果

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;ND為檢測到的故障數;NL為能夠隔離到指定單元的故障數;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。

從對比結果中可以看出,虛擬測點的未檢測故障數明顯少于非虛擬測點,故障檢測率明顯高于非虛擬測點,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的相關關系,將本文提出方法與未設置虛擬測點的測試性建模方法進行對比。以天線陣面分系統部分故障模式為例,對比結果如圖10所示。

(a) 虛擬測點的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,對天線陣面分系統綜合網絡的時鐘功分器、本振功分器、光功分器等故障模式進行有效監測,最終給出診斷策略和診斷邏輯;而非虛擬測點的方法難以對天線陣面分系統綜合網絡設備的故障模式進行有效監測。進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,并指導設計人員優化測試性方案。

4 結論

結合一般測點和虛擬測點的優勢,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行了簡單概述,然后依托于TEAMS軟件平臺,詳細說明了基于虛擬測點的測試性建模流程,最后通過天線陣面分系統的工程應用案例對提出方法進行驗證,結果表明本文中提出方法可以有效提高裝備的測試性水平,并提升雷達電子裝備的戰備完好性、任務成功性。

2) 本文中提出的測試性建模方法能夠根據測試性分析結果給出裝備的診斷策略和診斷邏輯,輔助設計人員迭代測點優化和迭代設計優化,具有較高的工程應用價值,為裝備創新性開展基于模型的系統測試性設計提供技術支撐。