機載前視氣象雷達軟件系統測試*

杜子妮

(南京電子技術研究所，南京 210039)

1 引言

傳統的地面氣象雷達布置在機場附近，若載機上沒有裝備氣象雷達，與機組人員報告氣象信息往往通過無線電聯系，實時性和直觀性不強，而由惡劣天氣造成的災難在上世紀初、中期頻頻發生。因此，國外在上世紀七八十年代就著手研究機載脈沖多普勒氣象雷達，并在本世紀初技術趨于成熟［1］。

載機裝備了前視氣象雷達就可以提前探測機頭遠區的雷雨強度信息、大氣湍流信息及低空風切變信息，并可實時報告及直觀顯示給飛行員，同時還可將探測到的氣象信息轉發給后面的飛機及地面雷達站，便于及時、靈活地比較氣象信息［2］。

因此，機載氣象雷達是飛機對大氣監測的重要手段，在對突發性、災難性的氣象環境監測、預報和警報中具有極其重要的作用。目前，全球所有大中型民用飛機和軍用運輸機都裝備有各種類型的氣象雷達，以便飛機更加安全、舒適地飛行。

通常，氣象雷達只有通過國際航空電子設備適航性認證后才能夠裝備載機。適航性認證不僅包括對航空電子硬件設備的認證，同時也包括對電子設備軟件的認證［3］。目前，機載氣象雷達硬件架構體系比較成熟，而氣象探測功能的實現越來越依賴軟件功能的實現，有“軟件雷達”著稱。然而，現階段國內氣象雷達湍流、風切變探測軟件大多還處于研制階段，對氣象雷達功能較好的驗證手段如果單從真實載機試飛來實現，時間周期較長，且成本較高；如果在氣象雷達軟件試飛前對其進行軟件測試，則在較早階段發現隱藏缺陷，使得缺陷得到及時修復，且成本和周期得到較好的控制。

2 機載前視氣象雷達軟件功能

機載前視氣象雷達主要具有氣象、氣象湍流和低空風切變探測的功能［4］。

在上述氣象功能中，控制探測波束/時序控制、氣象回波、氣象湍流及風切變信號譜分析及圖像處理、人機交互、系統自檢、系統校準、數據交換等功能均以軟件實現為主。

2.1 氣象探測流程

氣象方式探測載機航向前方的雷雨天氣，以不同灰度等級顯示雷雨區雨量和輪廓，提示和告警前方惡劣氣象。降雨率越大，雷達回波就越強。信號處理軟件對氣象探測的軟件處理流程如圖1所示。

圖1 氣象探測流程圖

2.2 氣象/湍流探測流程

對氣象雷達而言，湍流是指微粒速度偏差較大的氣象目標。速度的偏差可理解為速度的范圍與頻譜，頻譜越寬，湍流越大。根據湍流速度偏差大小，可將湍流分為輕度、中度和嚴重湍流。信號處理軟件按照圖2所示的流程來處理并判斷有無湍流，如有，在氣象顯示基礎上標注湍流位置。

圖2 氣象/湍流探測流程圖

2.3 風切變探測流程

從強地雜波背景下探測微弱的低空風切變是機載前視風切變雷達的技術難點。當載機在起飛及著陸階段檢測到風切變時，根據風切變檢測距離遠近給予語言、文字和視覺通告等不同危險等級的告警提示。信號處理軟件對風切變探測處理流程如圖3所示。

圖3 風切變探測流程圖

由上述雷達軟件功能描述可見，機載前視氣象雷達軟件的特點為“處理為主，控制為輔”。氣象雷達軟件功能主要靠信號處理軟件來實現，其核心的氣象探測算法、大氣湍流探測及風切變探測算法的軟件系統集成則是軟件測試的重點。

3 軟件系統測試實現

根據氣象雷達軟件功能特點，即氣象強度和形成條件的不同組合會有不同氣象信息的表現，提取覆蓋軟件功能、性能、接口、余量、強度、安全性和可恢復性7種測試類型的測試需求點［5］。

3.1 關鍵測試點提取

通過從系統頂層系統需求文件中提取軟件需求，逐項分析并正式評審形成測試需求，一致認同該氣象雷達軟件在功能測試方面要重點關注以下測試點:

(1）氣象探測方式回波強度不同時圖像顏色顯示是否正確；

(2）氣象強度隨載機距離的變化是否處于穩定狀態；

(3）探測在不同方位的雨區是否正確；

(4）探測不同強度雨區的重疊是否正確；

(5）湍流分級顯示是否正確；

(6）湍流報警是否正確；

(7）載機速度不同和湍流方位角較大時探測是否正確；

(8）湍流探測是否隨載機距離的變化處于穩定狀態；

(9）湍流不同強度的重疊探測是否正確；

(10）風切變危險因子的計算是否正確；

(11）不同的風切變危險因子下告警功能是否正確。

需要說明的是，以上功能測試點(2）～(4），(7）～(9）項在軟件需求中沒有涉及相關內容，因此提取該測試項對氣象風切變雷達原理需要深入了解，也是本測試項目一個難點所在。運用場景法和猜錯法來設計相關測試用例。對同一處氣象信息持續穩定的探測需要雷達系統具有隨距離不同衰減不同的接收增益曲線，否則會造成同一氣象信息在遠處探測為小雨，而隨著距離的接近卻錯誤地判斷為中雨或更強的雨區。不同強度雨區重疊探測測試也是要驗證軟件處理系統是否充分考慮到此類場景，特別是在一個弱雨區的后面隱藏著更強的雨區時，系統應給出相應的報警提示。湍流的探測是要按照載機在飛行中的姿態和速度不同，計算的湍流譜寬有所展寬，在強度的判斷上要分別采用不同的門限，因此設計測試用例時也要覆蓋此類場景。

同時，在DO-178B 適航性要求中特別提到采用魯棒性測試系統的健壯穩定性，設計以下10 項測試需求，驗證在異常和危險情況下系統生存的能力:

(1）載機速度較大或非正常時雷達工作是否正常；

(2）載機姿態角有較大變化時雷達工作是否正常；

(3）雷達工作狀態快速轉換是否正常；

(4）雷達軟件及數據受到破壞雷達工作是否仍然正常；

(5）能否非法竊取雷達軟件及數據；

(6）顯控功能按鍵互鎖時雷達工作是否正常；

(7）雷達軟件是否具有反匯編設計；

(8）雷達軟件是否具有防病毒設計；

(9）載機慣導異常時雷達軟件是否工作正常；

(10）氣象、湍流和風切變探測3 種方式下掃描寬度快速切換是否正確。

其余測試類型的測試點按照常規機載雷達軟件來分析提取就可以覆蓋軟件需求，這里就不再一一描述。

3.2 測試環境搭建

分析了測試的關注點和方法后就要搭建切實可行的測試環境來執行用例。氣象雷達測試的另一難點在于測試環境的建立，而建立測試環境的關鍵在于氣象回波模擬器的搭建。氣象射頻仿真系統應具備以下功能:

(1）模擬機載氣象雷達湍流回波信號；

(2）模擬機載氣象雷達低空風切變回波信號。

首先，采用了假設場景并模擬雷達掃描的工作過程來生成雷達回波。仿真系統根據美國國家氣象局的分類標準，采用先進的流體力學仿真技術，分別建立了湍流和風切變風場模型，自主研發了湍流和風切變仿真軟件，真實模擬了風場速度和風場的密度分布。

然后，射頻仿真系統通過接收雷達發射信號，經系統內部對回波距離、范圍、速度、譜寬和幅度處理后，產生模擬射頻回波信號，注入給雷達及通過喇叭輻射給雷達天線。

這樣，利用某研究所結合了氣象、湍流、風切變目標仿真建模技術為一體的氣象回波射頻模擬器和雷達整機聯試環境就可以搭建完整的測試環境，如圖4所示。實線框為被測雷達系統，實線框以外的設備為測試環境。通過綜合考慮雷達軟件開發特點和運行環境，充分利用已有設備和開發調試環境，提出一種交叉測試(cross-testing）環境。在該測試環境上可以實現對嵌入式雷達軟件功能和性能等項目實施有效測試，其中各部分的功能和作用是:

圖4 機載氣象雷達軟件系統測試環境

(1）宿主機提供雷達軟件的開發環境，用來開發測試用例，程序插裝，編譯通過后下載；

(2）雷達整機設備是被測程序的運行環境，利用該設備現有的可編程觸摸鍵盤和顯示模塊控制測試的執行，顯示模塊也可以用來顯示測試輸出；

(3）氣象回波模擬器和喇叭具有較好的可控性，可以模擬氣象、湍流及風切變回波強度、距離、譜寬及位置信息，雷達對氣象目標的檢測功能和性能等都可以得到較全面的測試；

(4）專用設備總線監測儀是針對雷達對外航電通訊總線信息接口的監測，通過分析約定格式可以對總線接口信息進行通訊再現，從而可以計算總線響應時間和有無通訊誤碼；

(5）機載航電仿真系統模擬航電與雷達之間的通訊，同時通過模擬顯控系統可以直觀地把雷達檢測到氣象信息顯示出來，僅僅通過觀測顯示畫面就可以判斷雷達工作是否正常。

這種交叉測試環境也是在雷達軟件開發調試中經常使用的，在對嵌入式軟件系統測試中可以直接利用，不需要增加新設備，具有高度的真實性、高可控性、節省費用和時間等優點。該測試環境已在實際測試項目中得到應用，完全適用于功能、性能、接口、安全性、余量、可恢復性及強度測試7 種類型，測試效果良好。

4 結束語

本文首先對機載前視氣象雷達軟件的功能逐一分析，給出了氣象、湍流、風切變探測工作處理流程，然后針對氣象3個方式探測處理的特點提取了軟件功能和安全性測試的關注點，詳細介紹系統測試環境的構建方法，最后通過7 種測試類型的執行完整地覆蓋了基于需求的系統測試，為同類測試項目提供了實際經驗。另外，機載氣象雷達軟件系統測試要進一步加強對氣象目標模型仿真技術的深入研究才能更好地為測試項目提供全面的測試場景。

［1］梁愛民，陳露.低空風切變與飛行安全［J］.中國民用航空，2009，105(09）:32.

［2］魏永恒.大氣湍流及航空風切變探測預警體系［J］.寶成航空科技，2007(1）:1-13.

［3］秦顯忠.機載系統和設備軟件適航性認證最新指導文件-RTCA DO-178B［J］.航空電子技術，1995(1）:23-25.

［4］張培昌，杜秉玉，戴鐵培.雷達氣象學［M］.北京:氣象出版社，2000.11.

［5］Lee J，etc.Testability analysis based on structural and behavioral information［C］.Proceeding of IEEE VLSI Test Symposium，Atlantic City，NJ，1993:139-145.