戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)與分析

舒天勇

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

隨著電子技術(shù)的飛躍發(fā)展和現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的使用需求，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈日益向多功能、高度集成化、數(shù)字化、模塊化方向發(fā)展，其復(fù)雜程度和技術(shù)含量越來越高。在導(dǎo)彈研制和使用過程中，除了保證系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的高可靠性外，還必須保證系統(tǒng)有良好的可維護(hù)性。能否及時檢測和隔離故障將直接影響導(dǎo)彈武器裝備的效能，測試性設(shè)計(jì)是解決此問題的有效途徑。

1 機(jī)內(nèi)測試

機(jī)內(nèi)測試（Built In Test，BIT）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可測試性設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段之一。BIT技術(shù)是系統(tǒng)或設(shè)備依靠其內(nèi)部專設(shè)的一些自檢測電路和自檢測軟件，來完成系統(tǒng)或設(shè)備自身器件的工作參數(shù)的檢測和故障診斷，然后執(zhí)行故障隔離的一種綜合能力[1]。BIT技術(shù)現(xiàn)今已經(jīng)在很多軍民領(lǐng)域測試性設(shè)計(jì)中大量開展應(yīng)用。

由于BIT技術(shù)能深入被測對象內(nèi)部進(jìn)行測試和故障定位，在導(dǎo)彈領(lǐng)域內(nèi)開展BIT技術(shù)研究設(shè)計(jì)，可以有效解決系統(tǒng)的故障檢測和定位，確保裝備具有較高的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)可靠性，減少平均維修時間及作戰(zhàn)準(zhǔn)備時間[2]。作為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的核心裝置之一，雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)也應(yīng)在系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開展BIT技術(shù)的應(yīng)用和研究，以方便地面檢測維護(hù)和發(fā)射前的準(zhǔn)備。其BIT主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）系統(tǒng)檢查——檢查系統(tǒng)是否正常，檢測故障；

2）故障隔離——將系統(tǒng)故障隔離到可更換單元（LRU）或更低；

3）系統(tǒng)監(jiān)測——監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵特性參數(shù)并優(yōu)化調(diào)整。

2 系統(tǒng)組成及BIT工作過程

根據(jù)導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)傳來的目標(biāo)速度、角度指示等信息，雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)與其一起實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的搜索、截獲和跟蹤[3]。導(dǎo)引系統(tǒng)主要由天線罩、天線、微波接收機(jī)、中頻接收機(jī)、計(jì)算機(jī)（含系統(tǒng)軟件）、發(fā)射機(jī)、頻綜器、伺服機(jī)構(gòu)和二次電源等單元組成，各單元均按功能采用模塊化設(shè)計(jì)，以利于獨(dú)立測試。其基本組成框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of radar guidance system

導(dǎo)引系統(tǒng)大量采用了集成電路、微處理器技術(shù)以及控制總線技術(shù)。以系統(tǒng)計(jì)算機(jī)為信息處理硬件平臺的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)BIT提供了物理基礎(chǔ)，使BIT的實(shí)現(xiàn)更加便利。

硬件是軟件運(yùn)行的平臺，軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)算法功能。導(dǎo)引系統(tǒng)BIT以計(jì)算機(jī)為控制中心，通過工作軟件的運(yùn)行，檢測整個系統(tǒng)關(guān)鍵功能單元是否正常，可否投入正常運(yùn)行，隔離故障，給出正常或不正常指示。檢測主要包括伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整能力檢查，頻綜入鎖檢查，通道接收機(jī)幅相實(shí)時測試、調(diào)整和補(bǔ)償以及其它功能單元的自檢測和調(diào)整，所得到的信息記錄在數(shù)據(jù)存儲器中，在以后對目標(biāo)信號處理的工作階段使用。確認(rèn)關(guān)鍵功能單元工作正常后，形成導(dǎo)引系統(tǒng)工作正常標(biāo)志，并進(jìn)行后續(xù)的操作。

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和使用要求，利用上電BIT，檢查系統(tǒng)工作前的準(zhǔn)備狀態(tài)[4]。即首先進(jìn)行導(dǎo)引系統(tǒng)計(jì)算機(jī)初始化及計(jì)算機(jī)BIT，再對導(dǎo)引系統(tǒng)其他功能單元進(jìn)行檢測；同時針對導(dǎo)引系統(tǒng)需求，為解決系統(tǒng)因元器件老化或受環(huán)境因素影響等而引起參數(shù)變化問題，利用工作BIT，監(jiān)測系統(tǒng)工作時的關(guān)鍵功能特性并實(shí)時存儲數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的參數(shù)檢測與補(bǔ)償，完成導(dǎo)引系統(tǒng)誤差校正和參數(shù)優(yōu)化，檢測與調(diào)整導(dǎo)引系統(tǒng)工作狀態(tài)一直持續(xù)到發(fā)射機(jī)開機(jī)為止，確保導(dǎo)引系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。因此，BIT不僅是導(dǎo)引系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，也是一種重要的工作模式。導(dǎo)引系統(tǒng)BIT流程圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)引系統(tǒng)BIT流程圖Fig.2 BIT flow chart of guidance system

為了降低BIT中虛警概率，在對系統(tǒng)功能檢測時，如果出現(xiàn)問題將再次檢測，在規(guī)定的時間內(nèi)檢測結(jié)果均不正常時，才將相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志置位。這種重復(fù)進(jìn)行的檢測減少了虛警的發(fā)生，同時也提供了一定的測試容差，提高工作可靠性。

3 系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)方案

根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)組成，考慮其“積木塊”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從使用和維護(hù)出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)BIT的軟、硬件設(shè)計(jì)。通過少量增加彈上設(shè)備來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)準(zhǔn)備的自測試和調(diào)整，即設(shè)計(jì)相應(yīng)的BIT檢測系統(tǒng)，包括支持系統(tǒng)BIT的硬件檢測接口、BIT信號源及對應(yīng)的故障檢測、隔離程序和測量優(yōu)化調(diào)整程序。在軟件算法作用下，導(dǎo)引系統(tǒng)先后經(jīng)過系統(tǒng)自檢等工作階段，最終實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號截獲跟蹤。

3.1 自檢信號產(chǎn)生及檢查

導(dǎo)引系統(tǒng)發(fā)射機(jī)一般在導(dǎo)彈中、末制導(dǎo)交接段時才加高壓，產(chǎn)生射頻能量。在地面、掛機(jī)和發(fā)射前導(dǎo)引系統(tǒng)進(jìn)行BIT時，必須由導(dǎo)引系統(tǒng)自身產(chǎn)生射頻模擬回波信號，進(jìn)行檢查和調(diào)整。由于系統(tǒng)為相參脈沖多普勒體制，自檢信號必須與系統(tǒng)頻率源相參，并包含信號檢測所需的多普勒頻率信息。為解決這一問題，設(shè)計(jì)自檢信號產(chǎn)生單元，模擬出檢測用的多普勒信號Fmd，利用Fmd信號對從頻綜器發(fā)射信號中耦合出的基準(zhǔn)信號進(jìn)行調(diào)制，形成射頻模擬回波信號——自檢信號。自檢信號經(jīng)由單脈沖天線饋電波導(dǎo)耦合到和差比較器，經(jīng)過單脈沖和差比較器處理之后，便形成用于系統(tǒng)檢測的射頻信號，用于完成速度跟蹤回路和角度跟蹤回路的檢測。在這一方案中，還需對單脈沖天線饋電波導(dǎo)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。自檢信號的產(chǎn)生如圖3所示。

圖3 自檢信號形成過程框圖Fig.3 Formation Process of BIT signal

由于BIT信號是系統(tǒng)檢測的基礎(chǔ)，BIT信號是否滿足要求也要進(jìn)行檢測。導(dǎo)引系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過對進(jìn)入接收通道的BIT信號進(jìn)行FFT分析，與存儲的理論值比對來進(jìn)行檢測。

3.2 計(jì)算機(jī)BIT

計(jì)算機(jī)是導(dǎo)引系統(tǒng)的核心部件，它由硬件和軟件共同組成的嵌入式數(shù)字系統(tǒng)，是集信號處理、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)工作邏輯控制的多功能系統(tǒng)。

導(dǎo)引系統(tǒng)檢測之前首先進(jìn)行計(jì)算機(jī)存儲器初始化及計(jì)算機(jī)自檢。計(jì)算機(jī)加電即產(chǎn)生復(fù)位中斷，F(xiàn)lashRAM加載程序至DSP片內(nèi)RAM中，并按照程序流程自動開始運(yùn)行初始化模塊和自檢，內(nèi)容包括：軟件程序代碼完整性檢查、指令運(yùn)行情況檢查、內(nèi)存及外圍模塊信息交換緩沖區(qū)讀寫檢查、D/A及A/D檢查、位指令檢查、雙口RAM檢查等。

另外，硬件設(shè)計(jì)時采用可編程的彈載計(jì)算機(jī)，確保軟件具有地面外加載功能接口，根據(jù)需要可隨時改進(jìn)其工作程序或加載專用測試軟件，以便對導(dǎo)引系統(tǒng)的軟硬件故障進(jìn)行深入檢測和隔離；同時工作程序中除了設(shè)計(jì)系統(tǒng)自檢程序模塊外還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)性能測試服務(wù)程序模塊，以便能夠正確、快速完成導(dǎo)引系統(tǒng)的性能測試和故障檢查。

3.3 伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整能力檢查與零漂補(bǔ)償

伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)目標(biāo)角度信息驅(qū)動天線，使天線指向目標(biāo)，完成對規(guī)定空域目標(biāo)的搜索及跟蹤。伺服系統(tǒng)是一個負(fù)反饋系統(tǒng)，利用位置電位器反饋電壓表征天線位置來進(jìn)行檢查控制。

在空間給定一個特定位置，將伺服機(jī)構(gòu)設(shè)置為電機(jī)工作方式，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動天線偏向該位置，判斷測量角位置與設(shè)定角度之差是否滿足要求來檢測電機(jī)工作能力；將伺服機(jī)構(gòu)設(shè)置為陀螺工作方式，驅(qū)動陀螺轉(zhuǎn)動天線再偏向一個指定位置，如果天線指向的實(shí)際角位置與指定角度之差小于規(guī)定值，則設(shè)置陀螺工作能力正常，否則，繼續(xù)驅(qū)動天線轉(zhuǎn)動。

由于陀螺直流放大器輸出端上存在寄生信號（即零位漂移），當(dāng)陀螺直流放大器輸入端為零時，輸出端上也有一定的電壓，從而增大測角誤差。因此在接入陀螺之前必須實(shí)現(xiàn)直流放大器零位漂移測量和補(bǔ)償，使輸出端電壓為零以消除輸出零漂，即通過A/D得到直流放大器輸出電壓，利用計(jì)算機(jī)對其輸入端進(jìn)行控制補(bǔ)償，消除直流放大器寄生信號影響。

3.4 頻綜入鎖檢查

頻率綜合器利用數(shù)字鎖相技術(shù)產(chǎn)生系統(tǒng)正常工作需要的所有相參基準(zhǔn)信號。進(jìn)入導(dǎo)引系統(tǒng)自檢后，對接收通道首先進(jìn)行頻綜器入鎖檢查，入鎖正常后，才對接收通道進(jìn)行其它檢查。

3.5 接收通道幅相特性測量及補(bǔ)償

接收通道主要由天線、微波接收機(jī)、中頻接收機(jī)、頻綜器、計(jì)算機(jī)等組成。對于采用單脈沖測角體制，為保證測角的準(zhǔn)確性，和差通道應(yīng)保證幅相特性的一致性。但是由于天線饋源結(jié)構(gòu)、射頻電路的不對稱、和差通道所用元器件的不一致、器件老化及使用環(huán)境變化等因素均可影響和差通道幅相特性的一致性，導(dǎo)致測角誤差增大，從而影響測角精度[5－6]。

為了盡量減輕接收通道的幅相不一致性帶來的影響以保證或提高測角精度。利用BIT信號對和差信號的幅相特性進(jìn)行測量和補(bǔ)償。BIT信號經(jīng)由天線饋電波導(dǎo)耦合到和差比較器，經(jīng)過和差器處理形成等幅、同相的信號注入射頻模擬前端的各通道。計(jì)算機(jī)對中頻信號進(jìn)行采樣分析得到通道間的幅度差和相位差，由此計(jì)算出補(bǔ)償因子，做角度提取時只需做簡單復(fù)數(shù)計(jì)算加以修正即可。

4 系統(tǒng)BIT分析

導(dǎo)引系統(tǒng)BIT在硬件上設(shè)計(jì)專門的射頻自檢源及檢測接口，軟件上設(shè)計(jì)了自檢工作狀態(tài)處理程序。系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為控制中心，通過運(yùn)行自檢工作狀態(tài)處理程序，調(diào)用計(jì)算機(jī)檢查、伺服機(jī)構(gòu)檢查、接收通道幅相特性測量與補(bǔ)償、頻綜器入鎖檢查、導(dǎo)引系統(tǒng)正常標(biāo)志形成等自檢功能模塊，完成系統(tǒng)BIT檢查并形成正常標(biāo)志。

BIT信號通過天饋線注入接收系統(tǒng)，結(jié)合頻綜器、計(jì)算機(jī)閉環(huán)處理和邏輯算法分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的檢測和隔離，這種做法的好處是將系統(tǒng)自檢測和通道校準(zhǔn)結(jié)合起來，在提高系統(tǒng)故障檢測、故障隔離能力的同時，解決了接收通道間幅度相位實(shí)時校準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)膯栴}。在導(dǎo)引系統(tǒng)BIT過程中，系統(tǒng)的各功能組成單元如微波接收機(jī)、中頻接收機(jī)、計(jì)算機(jī)、頻綜器、伺服機(jī)構(gòu)和二次電源等都直接或間接得到功能檢測、性能測試和測量補(bǔ)償（如接收通道幅相特性、直流放大器零位漂移）以及系統(tǒng)其他狀態(tài)檢查。

發(fā)射機(jī)需要高壓電池點(diǎn)火才能工作，受可使用資源的限制，也沒有針對發(fā)射機(jī)進(jìn)行專門的BIT設(shè)計(jì)，無法對發(fā)射機(jī)的相關(guān)功能電路進(jìn)行檢測，只是在系統(tǒng)測試設(shè)計(jì)中，利用導(dǎo)引系統(tǒng)專用測試設(shè)備外注高壓電源，對發(fā)射機(jī)功率及大功率輻射時的相關(guān)重要性能進(jìn)行檢測。而對于天線罩、天線等由機(jī)加保證，不屬于自檢范疇。

因此，該導(dǎo)引系統(tǒng)BIT運(yùn)行中能夠?qū)Ω髦饕δ軉卧鸬较到y(tǒng)檢測、故障隔離、監(jiān)測優(yōu)化關(guān)鍵特性參數(shù)的作用，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。至于板級故障隔離和發(fā)射機(jī)可通過專用測試設(shè)備對其進(jìn)行測試，再進(jìn)行具體的故障隔離定位。由于條件限制，實(shí)際應(yīng)用中BIT存在算法、功能單一的問題，BIT可檢測的故障模式有所局限，減少虛警的措施也顯得不足，對此在以后的設(shè)計(jì)中需進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)束語

BIT已經(jīng)成為彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)必須具備的重要功能和工作模式。導(dǎo)引系統(tǒng)BIT的意義并不只是在于故障定位，更重要的是通過BIT完成系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，減少設(shè)計(jì)指標(biāo)對器件的苛刻要求，有效降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和系統(tǒng)成本。由于導(dǎo)引系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜，同時受體積和重量的嚴(yán)格限制，作為設(shè)計(jì)師必須具有一體化設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)之初，把BIT設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)或單元設(shè)計(jì)的組成部分，使BIT設(shè)計(jì)同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、可靠性等設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，將BIT設(shè)計(jì)融入總體設(shè)計(jì)中，并貫穿于設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、調(diào)試、測試和工作的全過程。

[1]溫熙森，徐永成，易小山，等.智能機(jī)內(nèi)測試?yán)碚撆c應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2]奚全生，史慧，劉麗亞，等.基于BIT的導(dǎo)彈測試與診斷技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，16（4）：743－745.XI Quan-sheng，SHI Hui，LIU Li-ya，et al.Technology of missile test and diagnosis based on BIT[J].Computer Measurement&Control，2011，1616（4）：743－745.

[3]吳兆欣，洪信鎮(zhèn)，李德純，等.空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[4]劉岱.雷達(dá)系統(tǒng)的自檢與測試[J].現(xiàn)代雷達(dá)，1999，21（2）：62－65.LIU Dai.Built-in-Test of radar system[J].Modern Radar，1999，21（2）：62－65.

[5]鄭建榮.單脈沖雷達(dá)測角幅相不一致性影響及校正[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（9）：1－3.ZHENG Jian-rong.Effect and compensation of amplitude phase inconsistency in angle measurement by monopulse radar[J].Modern Electronics Technique，2012，35（9）：1－3.

[6]杜俊蛟，曹旭東，李寶森，等.基于FPGA的多通道雷達(dá)接收機(jī)幅相不一致校正[J].電光與控制，2011，18（1）：85－89.DU Jun-jiao，CAO Xu-dong，LI Bao-sen，et al.Correction of amplitude-phase imbalance based on FPGA for multichannel radar receivers[J].Electronics Optics&Control，2011，18（1）：85－89.