無人機無線電設備故障分析與處理

于亞南，王傳富，張振華，李春光，張超

95894部隊

無線電技術在無人機通信、導航、控制等方面發揮著重要作用。本文首先簡述無人機無線電系統，進而對無線電設備故障快速排除展開探析，闡述幾種常用的無人機無線電設備故障排除方法。同時，提出一種基于故障樹分析方法的智能診斷系統架構，并對故障樹分析方法進行詳細研究，重點分析故障樹法運用于無人機無線電設備故障快速排除，為故障診斷的實際操作提供理論基礎。最后，對下一階段無人機無線電設備故障分析與處理方法的發展進行展望。

無人機機載無線電系統利用無線傳輸特性，通過無線電調制解調、傳輸信息以及對無線傳輸數據進行測量，實現無人機與無人機之間、無人機與地面控制處理單元之間的通信、識別和無人機的定位導航。機載無線電系統根據功能特點，主要分為通信系統、導航系統和識別系統。

無線電通信系統主要用于無人機與無人機、無人機與地面控制處理單元的數據信息傳輸。通信過程分為上傳、下傳兩個部分。上傳數據主要是地面的遙控信息，而下傳數據則是無人機飛行狀態和無人機對外界的感知信息，均為實時傳輸過程，以實現無人機的操控以及空中信息的掌握。

無線電導航系統主要用于無人機的定位和引導。通過測量無線電設備發射信號的特征參數，例如相位、時間、幅度、頻率等參量，計算測出無人機方向、距離、距離差、速度等導航數據，實現無人機的定位和導航。

無人機識別系統主要用于無人機與無人機、無人機與地面控制處理單元的身份認證。與大多數民航識別系統類似，由詢問端和應答端兩部分組成，詢問端發射詢問信號并接收對方的應答信號，通過對收到的信號進行處理判斷，以進行識別；應答端則接收對方詢問信號并發射應答信號。

無線電系統故障特點

圖1 地面無線電定位系統。

無人機無線電系統是由一系列電子設備組構而成的一個復雜系統，由于是電子器件，因此普遍存在漸進性故障與突發性故障。漸進性故障是指隨著時間的變化，電子器件的參數也會隨之變化，其參數的變化最終超出允許范圍或極限，從而影響系統功能；突發性故障是指電子器件的突然失靈，這是由設備內的多種不利條件加之環境影響綜合作用產生的結果，破壞性較大。根據不同的分類方法，無線電設備故障類型可以分為多種情況。例如，從功能影響上可以分為完全故障與局部故障；從發生效率上可以分為突發故障、快發故障與慢發故障。無人機無線電設備故障具有以下特征。

(1) 隨機性

無線電設備的電子元件易受外部環境的影響，因而其內部參數會發生變化，引發故障。這種故障的發生是一個與時間緊密相關的非平穩隨機過程。

(2) 傳播性

無線電設備由多個子系統有機組成，若其中某個電子元件參數發生變化，將會引發其他元件的不正常工作，進而產生故障。也就是說器件故障除了影響其自身所處的子系統外，還將影響其他子系統。

(3) 時間性

電子元件通常具有一定的壽命，隨著使用時間的積累，元件內部器件受到一定損耗，導致元件性能隨時間增加而逐漸降低，所以故障的發生與系統的運行時間存在一定的關系。

無線電設備故障檢測的主要方法

無人機無線電系統一般由兩部分構成，一部分是機載測控終端設備，另外一部分是機載設備，并由多余度控制，即設計主副通道。無人機無線電設備的故障診斷、隔離與修理方法總體類似，其中的差異僅為機載測控終端設備故障修理的優先級，低于機載主副通道設備的優先級。

無人機無線電設備故障診斷系統

無人機無線電設備故障診斷系統的總體結構如圖3所示。其故障診斷主要是以無人機的性能測試數據庫為依據，通過分析當前無人機的狀態信息與無人機性能測試數據進行比對來發現問題。但是僅僅依據無人機性能測試數據庫是不能完全診斷出系統的具體故障，需要其他測試的輔助才能準確定位系統的故障。

圖3 無人機無線電設備診斷系統結構圖。

采用上述故障診斷系統有以下主要優點：

(1) 針對不同的測試單元可以采用不同的診斷模型；

圖2 無人機電子元件受外部環境影響而發生參數變化，引發隨機性故障。

(2) 故障診斷系統的三個子系統相對獨立，能夠滿足機載設備的測試需求；

（3）整個系統的開發維護升級比較方便。

無人機無線電設備故障診斷方法

無人機無線電故障診斷系統常采用的故障診斷方法主要有兩種。

（1）基于定量分析的診斷方法

1）狀態估計法

狀態估計法的核心思想是系統的狀態能夠反應出系統的實際運行狀態，對系統狀態進行估計就能夠了解系統的運行狀況且能夠實現故障的診斷。在狀態估計法中，主要工作是尋找合適的模型來擬合被測系統。通常情況下采用觀測器法、多模型法與卡爾曼濾波器法進行狀態估計。針對不同的系統，需要設計不同的數學模型，在機載無線電設備中，線性系統與非線性系統共存。卡爾曼濾波器法是利用線性系統狀態方程，對輸入數據進行解算，得到輸出數據，以此得到系統的狀態估計。該方法具有運算量大的特點，但是對被測系統的數學模型的要求較低，故其運用范圍也十分廣泛，在一般情況下，卡爾曼濾波器法主要用于線性系統。多模型法是一種混合估計的方法，時常與卡爾曼濾波器法一起使用，通過對系統的行為估算，制造或者對應一個模型集對系統進行整體估計。該方法主要用于可預測故障的故障檢測系統。在多模型法中，具有代表性的是多模型自適應估計法。

2）參數估計法

參數估計法不需要計算殘差序列，其核心思想是依據系統的參數以及參數變化過程的統計特性進行故障檢測。參數估計法利用了系統的統計特性，故參數估計法常用的方法都與數理統計有關，如最小二乘法、子空間法等。參數估計法相比于狀態估計法，具有運算量偏高的缺點，但能有效用于故障分離。

3）等價空間法

等價空間法是利用系統的輸入和輸出實際測量值檢驗系統數學模型的一致性，以進行故障檢測，并將故障分離，一般用于多故障發生的系統。

（2）基于定性分析的診斷方法

1）定性仿真法

定性仿真法的核心思想是利用系統的故障模型，通過定性推理，從而診斷出系統是否具有故障。系統故障模型的建立具有較強的數學理論依據，定性推理過程同樣需較高的計算量。

2）知識觀測器法

知識觀測器法的核心思想是，為被測系統建立定性的系統故障行為預測模型，將實際系統與該模型進行比對，將之間的差異定為系統故障。

3）有向圖法

有向圖法的核心思想是，根據系統運行過程中的因果關系、規律推導出系統的結構，系統的結構由有向支路組成（包含節點與方向）。

故障樹分析方法

故障樹法是利用各個有向支路之間的邏輯關系，從總體到局部分析系統故障的一種方法。故障樹分析技術首先由美國貝爾實驗室提出，故障樹分析方法的主要特點是簡潔明了、具有較強的邏輯，既可用于定性分析也適用于定量分析。

故障樹分析法的基本原理是，將所觀測系統的故障狀態作為該分析方法的最終目標，然后找出導致這個故障發生的最直接的全部原因，然后再找出下一級故障出現的全部直接原因，依次類推直到所有故障原因都依次找到為止。在故障樹分析方法中，系統中所有故障狀態和非正常狀態都統稱為故障事件，故障事件的對立面就是成功事件，這兩者統稱為事件。事件分為頂事件即最不希望發生的事件、基本事件即不需深究的事件、中間事件即介于頂事件與基本事件之間的事件。各個事件之間的邏輯因果圖稱為故障樹。

故障樹分析法的主要優點是邏輯性強，且因果關系較為清晰，能夠全面且深刻地描述故障發生的各種原因與邏輯關系，便于故障分析人員及時了解故障發生的原因及關鍵節點，從而采取相應的措施以及判斷基本事件故障的影響程度，確定各個基本事件對系統影響的重要程度。故障樹分析方法除用于系統故障的定性分析外，還能用于系統故障的定量分析與系統評價。定性分析能夠確定基本事件對整個系統故障的影響程度，從而對各個基本事件的重要程度進行排序，選擇相應的安全管理控制措施，為科學地管理設備提供重要依據。通過定量分析能夠確定各個基本事件，有助于系統中其他各項指標的量化處理。

故障樹分析法的主要缺點如下：

（1）故障樹分析方法的優勢是分析系統故障的原因，但分析引發故障原因的概率有多大是弱項；

（2）故障樹分析方法對故障的分析主要針對特定故障，但對系統中某一過程或整個系統的故障分析能力較弱，具有較強的局限性；

（3）故障樹分析方法要求系統故障分析人員對被測系統非常熟悉，能夠非常熟練地使用選定的分析方法，但在實際中由于系統的復雜性，往往導致系統故障分析人員對系統不是特別熟悉，故容易產生不同的診斷結果。在復雜系統中，采用故障樹分析方法進行定量分析時，需要提前了解每個基本事件的發生概率，否則就不能進行系統性定量分析。

依據故障樹分析方法的優缺點，具體應用如下場景。

采用故障樹分析系統的故障，可以設計為已經發生的故障，也可以設計為要發生的大概率故障。通過分析故障發生的原因，找出相應的對策進行故障控制，從而預防要發生的大概率故障，探查被測系統中固有、合理的依據。本文提出的故障樹分析方法，采用判斷樹的形式分析系統故障，采用此種判斷結構，可以選取知識模型或推理方法作為判斷方法。

在判斷樹中，每個節點包含不同的問題，每節點又延伸出“是”與“否”兩個分支，對節點問題進行判斷，具體形式見圖4所示。

圖4 故障樹分析方法實例。

維修保障面臨新的挑戰

隨著技術不斷進步，無人機無線電設備的故障診斷與維修工作正面臨一些新情況與挑戰，主要體現在以下幾個方面。

圖5 模塊化維修將提高無人機維修保障效率。

（1）故障自動檢測

無人機無線電設備是無人機系統中比較重要且復雜的設備，無線電設備的故障診斷除傳統的目視基本診斷方式，也需要增加自動檢測機制對無人機無線電設備進行故障診斷。采用自動檢測機制的優勢在于，檢測時間比傳統的診斷方法短很多，且能夠直接定位故障發生的具體位置。

（2）減少“故障未重現”

由于無人機無線電系統的復雜性，無線電設備根據任務需求進行功能調整，維修人員對“故障未重現”的研究將大幅提升無人機無線電設備的可靠性。

（3）采用模塊化維修

無線電設備作為無人機使用最為頻繁的設備，發生故障則將直接影響無人機正常工作。故無人機無線電設備故障應該采用模塊化維修方式，用戶只需將有故障的模塊進行替換就可使無人機正常運營。

作為無人機系統的一個重要組成部分，保障系統對無人機適應未來瞬息萬變的戰場態勢起到非常關鍵的作用，直接關系到無人機能否正常起飛、能否安全返航、能否滿足任務需求。無人機保障系統的發展，一方面要推動保障設備向簡單化、通用化、小型化、模塊可互換性方向發展。另一方面是側重保障技術發展，保障設備的研制效率能否跟上新裝備的步伐，人工智能、大數據、物聯網等新技術如何運用于保障設備，保障設備能否快速裝備新型號、能否滿足每架不同特點及參數的無人機維修，能動地選擇保障內容、保障時機、保障方法，都是主動高效完成保障任務的關鍵。

未來無人機將快速發展，應用場景十分廣闊，技術的快速迭代使無人機擁有越來越多的功能，人類能做的工作永無止境。同時，促進無人機維修保障技術快速、高效發展，還有很長的路要走。