機(jī)載CNI系統(tǒng)外場原位性能檢測技術(shù)*

童大鵬，周靖宇，黃澤貴

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.中國人民解放軍93147部隊(duì)，成都 610036)

0 引 言

航空設(shè)備保障體系的建設(shè)一是要求平時設(shè)備完好性高，需要配套隨機(jī)檢測設(shè)備與主功能設(shè)備相匹配，實(shí)現(xiàn)多種功能相關(guān)能力指標(biāo)的檢測；二是要求使用時出動能力強(qiáng)，需要檢測流程簡潔高效，故障診斷精確。然而，航空機(jī)載通信導(dǎo)航識別(Communication,Navigation and Identification，CNI)系統(tǒng)由于其綜合化能力的不斷提升，導(dǎo)致其外場檢測難的問題越發(fā)突出。根據(jù)當(dāng)前航空機(jī)載CNI系統(tǒng)的外場應(yīng)用與保障情況可知，當(dāng)前航空機(jī)載CNI系統(tǒng)故障多需要人工排查、串件維修，外場排故時間長導(dǎo)致了航空設(shè)備多處于待修裝備，使用效率較低；同時，大量航空機(jī)載CNI系統(tǒng)的故障需要通過定檢、特檢的排查方式，大量預(yù)防性維修工作的引入，定檢狀態(tài)時間長也導(dǎo)致了航空設(shè)備的應(yīng)用低效[1]。

近年來，航空機(jī)載CNI系統(tǒng)主要采用的是上電維護(hù)自檢測試與地面保障設(shè)備對通測試的方式進(jìn)行檢測排故，這種方式存在以下問題：一是機(jī)載測試覆蓋率不足，設(shè)計(jì)機(jī)理限制必然需要地面保障設(shè)備；二是離位測試不能準(zhǔn)確反映航空機(jī)載CNI系統(tǒng)的實(shí)際整體功能性能狀態(tài)[2]；三是對通測試無法應(yīng)對性能下降類故障，與現(xiàn)有機(jī)載測試存在能力沖突。

為了解決上述問題，有必要實(shí)現(xiàn)針對航空機(jī)載CNI系統(tǒng)的原位、性能參數(shù)測試能力強(qiáng)、整機(jī)檢測能力強(qiáng)、具備與機(jī)載測試協(xié)同故障診斷的檢測技術(shù)。基于此，本文提出了一種機(jī)載CNI系統(tǒng)外場原位性能檢測技術(shù)，在不改變或拆卸被測對象原來的安裝或裝配位置的前提下，在原系統(tǒng)平臺上進(jìn)行系統(tǒng)檢測，實(shí)現(xiàn)對航空機(jī)載CNI系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、功能性能參數(shù)測試以及故障診斷的能力提升等。

1 機(jī)載CNI系統(tǒng)原位性能檢測架構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)載CNI系統(tǒng)外場原位性能檢測技術(shù)主要以綜合化、可重構(gòu)、模塊化CNI系統(tǒng)[3-6]為檢測對象。

為了設(shè)計(jì)滿足機(jī)載CNI系統(tǒng)鏈路特點(diǎn)需求的地面檢測設(shè)備，本文在在綜合檢測設(shè)備之前架構(gòu)的基礎(chǔ)上[7-8]，按照終端-通信控制-測試激勵的構(gòu)建思路對其進(jìn)行資源整合，提出一種改進(jìn)的機(jī)載CNI系統(tǒng)原位性能檢測架構(gòu)。該架構(gòu)相比之前綜合檢測設(shè)備架構(gòu)[8]，在實(shí)現(xiàn)對通測、射頻信號性能等傳統(tǒng)測試能力基礎(chǔ)上[9]，測試資源調(diào)度更加合理，可以更好地融入性能測試方法、調(diào)用與調(diào)度資源，還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)載CNI系統(tǒng)的硬件資源環(huán)路完整性檢測與外場無線性能測試，打破傳統(tǒng)連接限制。

如圖1所示，改進(jìn)的原位性能檢測技術(shù)主要由手持終端、激勵主機(jī)和通信管理單元三個部分組成。

圖1 改進(jìn)的原位性能檢測架構(gòu)圖

(1)手持終端

手持終端作為整個架構(gòu)的控制和顯示終端，其組成包括供電、數(shù)字信號處理、射頻信道與天線、顯控、無線數(shù)傳、接口與外設(shè),主要功能包括CNI的對通測試功能、無線控制功能、人機(jī)交互功能和擴(kuò)展功能。

(2)激勵主機(jī)

激勵主機(jī)是整個架構(gòu)的測試信號激勵產(chǎn)生前端，其組成主要包括供電、綜合數(shù)字信道化模塊、射頻前端、聲碼話等，主要功能包括產(chǎn)生與被測設(shè)備對通所需的各功能傳感器激勵信號、支撐無線性能檢測、響應(yīng)手持終端控制命令及傳感器參數(shù)。

(3)通信管理單元

通信管理單元是整個架構(gòu)的資源配置調(diào)度單元，其組成包括供電、處理器、接口、數(shù)傳、顯控、存儲等。主要功能包括：作為手持終端與被測設(shè)備的信息交互通路，完成對被測設(shè)備的狀態(tài)控制、參數(shù)配置和傳感器數(shù)據(jù)下載等功能；實(shí)現(xiàn)對被測設(shè)備的故障診斷及定位，將模塊故障信息送至主機(jī)進(jìn)行顯示。

本文提出的改進(jìn)原位檢測技術(shù)對機(jī)載CNI系統(tǒng)執(zhí)行原位性能檢測，主要流程如下：

Step1 檢測配置。手持終端通過以太網(wǎng)或無線數(shù)傳實(shí)現(xiàn)對激勵主機(jī)的參數(shù)配置和狀態(tài)控制。

Step2 測試激勵。激勵主機(jī)在手持終端的控制下，內(nèi)部各模塊通過軟件配置的方式，加載主機(jī)內(nèi)相應(yīng)激勵功能的處理線程，并產(chǎn)生相應(yīng)的射頻激勵信號，通過天線與被測系統(tǒng)待測功能信號進(jìn)行空間輻射檢測。

Step3 被測系統(tǒng)接管。通信管理單元受手持終端的控制，通過維護(hù)總線搜集被測系統(tǒng)機(jī)載測試信息并接管被測系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度工作，配置被測系統(tǒng)工作于待測模式狀態(tài)，并完成對被測系統(tǒng)的故障診斷和定位，將診斷結(jié)果通過以太網(wǎng)或無線數(shù)傳反饋至手持終端。

Step4 測試接收。激勵主機(jī)將天線接收到的測試信號進(jìn)行射頻信號處理和數(shù)字信號處理等，并將處理后的測試結(jié)果通過以太網(wǎng)或無線數(shù)傳反饋至手持終端。

Step5 結(jié)果顯示。手持終端將測試結(jié)果、診斷結(jié)果經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示出來。

2 結(jié)合鏈路特點(diǎn)的原位性能高效測試技術(shù)

2.1 原位性能檢測架構(gòu)音頻信號測試技術(shù)

航空機(jī)載CNI系統(tǒng)通信功能中，話音通信是外場檢測的難點(diǎn)，長期依賴于人員對于通話話音的人為判斷作對通測試，效率與精度均無法保障。本文提出一種原位性能檢測架構(gòu)音頻信號測試技術(shù)，原理上是對接收的基帶信號進(jìn)行解調(diào)后得到的音頻信號進(jìn)行分析，通過失真度和信納比等典型參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行判斷；技術(shù)上結(jié)合本文提出的原位性能檢測架構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，完成高效精準(zhǔn)的音頻信號測試分析，支撐機(jī)載航空CNI系統(tǒng)性能測試。

2.1.1 音頻信號分析原理

通過架構(gòu)檢測設(shè)備，輸出測試模擬音頻(1 kHz、1 V (RMS))作為激勵源，由CNI話筒接收后，經(jīng)被測對象內(nèi)部處理由天線發(fā)出；檢測設(shè)備收到反饋的射頻信號，經(jīng)處理并應(yīng)用失真度與信納比解算公式，即可解算出音頻幅度、信噪比及失真度并上報，代替?zhèn)鹘y(tǒng)“人聽”或音頻分析儀分析方法。

(1)失真度分析原理

失真度的定義：全部的諧波能量與基波能量之比的平方根值。在工程中主要考慮前5次諧波。如果輸入的音頻信號為

Vin(t)=u·cos(ωmt)=u·cos(2πfmt)，

(1)

該信號經(jīng)過放大器后得到的信號為

Vout(t)=K+u1·cos(ωmt)+u2·cos(ωmt)+…=

(2)

因此，失真度可表示為

(3)

(2)信納比分析原理

信納比的定義是帶內(nèi)的總功率與噪聲和失真功率的比值，即

(4)

式中：N為噪聲功率，D為信號的畸變功率。

由于設(shè)備頻率源器件物理特性的影響，頻率源存在頻率漂移，導(dǎo)致收發(fā)端載波存在頻差，需進(jìn)一步分析載波頻差對信號解調(diào)的影響。

檢測設(shè)備話音通信采用多種常規(guī)及擴(kuò)頻通信方式，常規(guī)調(diào)制通常采用幅度調(diào)制。對于調(diào)幅信號，采用包絡(luò)檢波法來恢復(fù)信號。由于包絡(luò)檢波屬于非相干解調(diào)，因此不需要相干載波，對載波頻差不敏感。由于檢測設(shè)備的晶振頻率準(zhǔn)確度小于等于1×10-7，400 MHz(最大通信頻率)的最大頻差為40 Hz，不會對恢復(fù)單音信號造成影響。

擴(kuò)頻通信方式中，首先要用偽隨機(jī)碼對接收信號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，由于載波頻差的存在，會影響偽隨機(jī)碼的同步，因此在數(shù)字信號處理過程中，對接收信號經(jīng)數(shù)字正交下變頻后形成包括頻差的I路和Q路信號，兩者相乘去掉偽隨機(jī)碼的調(diào)制，得到有近似兩倍載波頻差的信號。由于單音信號是窄帶信號，經(jīng)快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)變換后其功率譜會出現(xiàn)明顯的譜峰，由于系統(tǒng)頻差一般在零頻附近，經(jīng)FFT變換后會在第N/2點(diǎn)兩側(cè)出現(xiàn)的譜峰，所以根據(jù)任一側(cè)的譜峰與中心點(diǎn)的相對位置估算出載波頻差，然后輸出頻率控制字信號改變數(shù)字下變頻器件的頻率來調(diào)整本地載波，使檢測設(shè)備頻差始終控制在很小的范圍之內(nèi),從而能消除收發(fā)載波頻差對偽隨機(jī)碼同步的影響，因此能正確解調(diào)收到的數(shù)據(jù)信息，獲取1 kHz的數(shù)字話音，為后端判斷性能下降提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源。

2.1.2 音頻信號分析測試

通過對上述失真度與信納比公式的應(yīng)用，編制軟件內(nèi)置于原位性能檢測架構(gòu)激勵主機(jī)中，配合鏈路檢測中的功能控制、信號傳輸采集與分析計(jì)算，完成機(jī)載航空通信性能測試中關(guān)鍵的音頻信號分析測試。根據(jù)收發(fā)功能鏈路的不同，分解為發(fā)測試與收測試，如圖2所示。

圖2 機(jī)載航空通信音頻信號的發(fā)/收測試技術(shù)示意圖

2.2 原位性能檢測架構(gòu)靈敏度分析測試技術(shù)

2.2.1 靈敏度分析原理

考慮功能完整性的靈敏度測試，就是以能否在最小信號狀態(tài)下激活滿足功能要求的信號。測試時，由于傳輸為空間條件，在考慮測試信號與被測對象位置、方位與測試電磁環(huán)境固定的情況下，還需要考慮發(fā)射端的衰減、天線的增益、空間的衰減等因素?，F(xiàn)有測試靈敏度公式如下：

(5)

考慮無衰減時最大的測試信號，如下式所示：

Pmax+ΔP+ΔPa-ΔPSa=Pmax-t。

(6)

式中：Pmax為無衰減時激勵主機(jī)的輸出功率，ΔP代表激勵主機(jī)衰減誤差，ΔPa代表天線增益，ΔPSa代表空間衰減，Pmax-t為接收機(jī)測試獲得的實(shí)際功率。由于信號的衰減增益只與信號的頻率與距離有關(guān)，因此，在不改變頻率、位置的情況下，式(5)和式(6)中衰減與增益相等，而激勵主機(jī)無衰減時的正常輸出功率Pmax已知，因此可得ΔP+ΔPa-ΔPSa。通過改變功能信號的頻率，根據(jù)式(6)可以獲得所有頻率的校準(zhǔn)頻率為ΔP(f)。

考慮在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)上，由于天線和激勵源要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的增長步進(jìn)功率，成本較高且保證精度技術(shù)較難，因此本文提出通過靈敏度的計(jì)算將初始激勵信號功率Pmin與增長的步進(jìn)功率N·ΔPstep的和等價為無衰減時的正常輸出功率Pmax與等價衰減設(shè)置功率ΔPstep=的差，根據(jù)上面得到的所有頻率的校準(zhǔn)頻率為ΔP(f)，通過標(biāo)定得到系統(tǒng)此時對應(yīng)f下正常工作的最小功率為

(7)

2.2.2 靈敏度分析測試

本文提出的靈敏度分析測試技術(shù)方法內(nèi)置于原位性能檢測架構(gòu)手持終端中，配合鏈路檢測中的功能波形控制、被測對象控制配置，完成機(jī)載航空CNI系統(tǒng)靈敏度測試，如圖3所示。在實(shí)際操作中，需借助激光測距標(biāo)定位置，同時盡量保證電磁環(huán)境的一致性。

圖3 機(jī)載航空CNI系統(tǒng)靈敏度測試技術(shù)示意圖

2.3 原位性能檢測架構(gòu)頻譜分析測試技術(shù)

2.3.1 頻譜分析原理

頻譜分析的實(shí)質(zhì)是測量信號的譜密度。工程中，機(jī)載航空設(shè)備的外場檢測考慮在20 MHz頻段內(nèi)只能取幾個值，此時需要進(jìn)行掃描，用掃描獲得信號的頻譜基本原理是一個寬帶信號經(jīng)過一個濾波器組，如圖4所示，可以獲得不同的頻率點(diǎn)上的平均譜密度，并進(jìn)行插值。

圖4 濾波器組示意圖

設(shè)第n個濾波器的帶寬為B，中心頻率為nf0，系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為{h(g)}，則用濾波器濾波后得到信號為y(k)，濾波后信號功率為

(8)

得到該頻率中心的譜密度為

(9)

本文頻譜分析采用濾波器按照頻率步進(jìn)改變數(shù)字振蕩器頻率的方法，從而獲得每一中心頻點(diǎn)的頻譜值，通過拼接獲得全部頻譜。在測試中，通過控制要素包括增益模式、增益值、起始與終止頻率、混頻頻率、抽取值等，優(yōu)化提升頻譜分析精度。

2.3.2 頻譜分析測試

本文頻譜分析技術(shù)方法內(nèi)置于原位性能檢測架構(gòu)手持終端中，與靈敏度分析測試相類似，這里不再贅述。

具體步驟：第一步，測試準(zhǔn)備，與靈敏度分析采用類似校準(zhǔn)方法與準(zhǔn)備與配置；第二步，測試執(zhí)行，記錄檢測設(shè)備測量的機(jī)載發(fā)射功率，采用靈敏度分析中類似的計(jì)算方法解算出當(dāng)前頻率功率。

3 基于診斷樹的復(fù)合推理機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

基于原位性能檢測架構(gòu)，考慮被測航空機(jī)載CNI系統(tǒng)特點(diǎn)，需要實(shí)現(xiàn)地面檢測與機(jī)載測試協(xié)同的自動測試技術(shù)。為此，本文參考IEEE1232的診斷樹推理機(jī)設(shè)計(jì)[8,10]，提出一種基于診斷樹的復(fù)合推理機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。

如圖5所示，在檢測設(shè)備中對于不同的功能故障內(nèi)置多個診斷樹，診斷樹中每個測試步驟以測試ID為區(qū)分，根據(jù)不同的測試類別設(shè)置了ID區(qū)間，包括機(jī)載測試、檢測儀測試和協(xié)同測試，其中機(jī)載測試主要是BIT測試，檢測儀測試包括對通測試和性能測試，協(xié)同測試以串件測試、線纜測試為主。執(zhí)行過程中，通過識別ID調(diào)用推理機(jī)，驅(qū)動自動測試，通過測試結(jié)果反饋診斷樹進(jìn)行結(jié)果判斷，完成每個診斷樹的故障檢測隔離，直至完成全部功能樹的故障檢測隔離。

圖5 基于診斷樹的復(fù)合式推理機(jī)技術(shù)示意圖

4 測試驗(yàn)證

4.1 本文原位性能檢測架構(gòu)與高效測試技術(shù)測試驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的原位性能檢測架構(gòu)與測試方法，分別選擇本文原位性能檢測架構(gòu)測試方法、高精度測試儀器測試方法，以及傳統(tǒng)檢測設(shè)備測試方法[8]進(jìn)行比對，對某型航空CNI系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測。

如圖6所示，針對音頻分析進(jìn)行實(shí)測，與理論指標(biāo)要求進(jìn)行比對。由圖6可知,本文采用的測試方法完全符合指標(biāo)要求?？紤]到CNI系統(tǒng)外場測試中，對于音頻分析的傳統(tǒng)測試主要依賴人工檢測，或者依賴音頻分析儀分析測試，傳統(tǒng)外場檢測儀中不具備可量化的音頻分析測試能力，因此圖6中試驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法中檢測設(shè)備具備該能力，與其他方法不作對比。

圖6 通信功能音頻分析實(shí)測比對

在測試中針對通信、導(dǎo)航、識別三種功能根據(jù)對象測試要求，改變其工作模式、資源、參數(shù)等配置，分別進(jìn)行頻譜分析和靈敏度分析測試，將實(shí)測后的數(shù)據(jù)采用歸一化方法進(jìn)行比對，如圖7所示。通過實(shí)測數(shù)據(jù)的歸一化偏差可以看出，對比相同情況下采用相同的高精度測試儀器，本文提出的新架構(gòu)下的檢測設(shè)備及測試方法在CNI功能測試中，各種測試結(jié)果與采用高精度測試儀器的偏差很?。欢捎脗鹘y(tǒng)架構(gòu)下檢測設(shè)備與測試方法的測試數(shù)據(jù)與采用高精度測試儀器的偏差較大。主要原因在于本文方法在測試計(jì)算中增加了不同頻率下空間信號的測試校準(zhǔn)因素，從而使得本文檢測設(shè)備在精度上得到提升，一定程度證明了本文創(chuàng)新架構(gòu)下的檢測設(shè)備與測試方法的效果提升。但是考慮測試過程中電磁環(huán)境、位置標(biāo)定以及頻率標(biāo)定與實(shí)際測試頻率的偏差，在試驗(yàn)中本文方法與高精度測試設(shè)備還存在一定的差異。

圖7 CNI頻譜分析與靈敏度分析實(shí)測比對圖

4.2 基于本文復(fù)合推理機(jī)的診斷驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的復(fù)合推理機(jī)的自動化程度提升，選用CNI中某功能，在電源模塊2中通過故障注入進(jìn)行仿真測試。如圖8所示，顯示界面自動完成整個測試流程，根據(jù)診斷流程在測試前期就準(zhǔn)確定位到電源模塊2故障，同時給出診斷結(jié)果與操作建議形成協(xié)同驅(qū)動。

圖8 CNI故障注入仿真試驗(yàn)顯示

為驗(yàn)證本文提出的復(fù)合推理機(jī)的診斷能力提升，對某型航空CNI系統(tǒng)選取了16種故障機(jī)載測試無法覆蓋的故障模式，其中每種故障模式平均關(guān)聯(lián)的下級故障數(shù)位4.81，模糊度在4～9之間，分別采用傳統(tǒng)檢測儀測試判斷[8]和內(nèi)置本文推理機(jī)的檢測設(shè)備進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 本文復(fù)合推理機(jī)的診斷驗(yàn)證表

由表1可知，采用傳統(tǒng)檢測儀測試可以解決部分機(jī)載測試不能診斷的故障，在本文選擇的樣本中，可以覆蓋9種，而采用本文推理機(jī)檢測設(shè)備可以覆蓋全部16種故障。主要原因是文獻(xiàn)[8]方法中沒有采用本文的性能測試方法，在音頻分析上不具備可量化的性能測試能力；在靈敏度與頻譜分析測試方面，由于沒有引入本文的校準(zhǔn)方法，測試精度不足，這些都影響了性能相關(guān)故障的檢測精度。而本文方法增加了音頻分析的量化分析能力，同時提升了靈敏度與頻譜分析測試精度，一定程度上提升了與性能相關(guān)的靈敏度和頻譜分析測試能力，而本實(shí)驗(yàn)中選擇的故障模式均為機(jī)載測試無法覆蓋的故障模式，多數(shù)屬于“性能下降”類故障模式，因此驗(yàn)證了本文所提方法的診斷能力得到了提升。

設(shè)定能完全實(shí)現(xiàn)自動化表中用勾表示，完全依賴人工則為空，能通過提示、交互配合人工實(shí)現(xiàn)的設(shè)定為半自動化，用半勾表示。對于這16種故障分析診斷流程的自動化程度，傳統(tǒng)檢測儀測試判斷，在支持傳統(tǒng)推理機(jī)的基礎(chǔ)上，在外場檢測和診斷方面可以實(shí)現(xiàn)自動化，但是由于推理機(jī)能力的限制，在機(jī)載測試和串件方面無法實(shí)現(xiàn)自動化；而本文推理機(jī)檢測設(shè)備由于推理機(jī)的復(fù)合能力，在機(jī)載測試可以實(shí)現(xiàn)自動化，但是在串件方面僅可以實(shí)現(xiàn)交互式提示與驗(yàn)證，無法實(shí)現(xiàn)完全自動化。該試驗(yàn)可以證明，本文復(fù)合推理機(jī)診斷驗(yàn)證在診斷能力和診斷自動化程度上效果均提升明顯。

5 結(jié) 論

針對機(jī)載CNI系統(tǒng)外場檢測廣泛存在的檢測覆蓋率低、性能測試能力不足、測試診斷效率低等問題，改進(jìn)了一種面向機(jī)載CNI系統(tǒng)外場性能原位檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于診斷樹的復(fù)合推理機(jī)，提升了外場檢測的自動化測試程度。外場實(shí)測驗(yàn)證了本文所提技術(shù)的有效性。