某型無人機機載數據存儲器無法存儲偵察影像數據故障分析

孫輝，郭忠誠，寧娟，吉彩妮

1.貴州貴飛飛機設計研究院有限公司

2.中航貴州飛機有限責任公司

針對某型無人機機載數據存儲器無法存儲偵察影像數據的情況，本文對故障進行分析和定位，并從設計原理進行剖析，對故障進行復現，最終提出故障解決措施，并對解決措施進行驗證。

某型無人機機載數據存儲器是某型無人偵察機系統配置的數據記錄設備，在機載環境下實時記錄某型無人偵察機系統在執行任務過程中產生的飛行參數數據、導航數據、光電吊艙偵察影像數據。當無人機完成飛行任務并返回地面后，操作人員使用地面轉儲設備，將存儲器存儲的數據信息轉存至地面計算機。所存偵察影像數據可用于情報生成、分析、處理，毀傷效果評估和目標識別，對提高無人偵察機整體作戰效能，保障偵察情報連續性和準確性具有重要意義。

故障概述

某型無人偵察機機載數據存儲器隨全機系統聯試過程中，在執行偵察影像數據存儲命令時，出現回報記錄速率為0Mb/s的現象，其存儲任務持續一段時間后，結束存儲工作狀態。當操作人員將數據存儲器的存儲體安裝到地面轉儲設備上查看任務目錄時，發現存儲器沒有生成偵察影像數據的對應任務目錄，據此判斷某型無人機機載數據存儲器工作出現異常。

故障分析與定位

光電吊艙與某型無人機機載數據存儲器之間存在1個通信接口和1個數據接口（見圖1），通信接口采用異步422串口，數據接口采用Camera Link接口。

（1）故障樹分析

針對數據存儲器無法存儲偵察影像數據的異常情況，本文對故障進行分析與定位，建立故障樹（見圖2），并制訂排查方案。操作人員結合排查方案逐項開展排查試驗。數據存儲器內部存儲模塊、主控模塊及接口模塊出現異常，均會導致數據存儲器無法存儲偵察影像數據。

（2）故障排查方案

根據故障現象及故障樹分析，本文在排查方案中設置4個數據監測節點，并結合設備功能，對不同數據監測節點收到的數據進行比對分析，來確定工作異常的模塊。故障排查框圖如圖3所示。

（3）故障排查過程

①存儲模塊異常現象排查

圖1 光電吊艙與數據存儲器交聯關系圖。

圖2 偵察影像數據存儲出現異常的故障樹。

圖3 故障排查框圖。

若存儲模塊出現工作異常，記錄速率會為0Mb/s。如圖3所示，在主控模塊的現場可編程邏輯門陣列（FPGA）上產生內部信號源，并通過總線向存儲模塊發送隨機數據，在數據監測節點2探測該隨機數據。排查過程中發現，數據監測節點2可以探測到數據，且將在節點2探測到的數據與數據監測節點1處由主控模塊產生的隨機數據進行比對后發現，節點2和節點1的數據完全一致，因此可以排除存儲模塊出現故障的可能性，據此可以判斷存儲模塊功能正常。

②主控模塊異常現象排查

若主控模塊出現異常，會導致存儲器無法記錄數據。如圖3所示，在接口模塊FPGA上產生內部信號源，并通過總線向主控模塊發送隨機數據，在數據監測節點3、數據監測節點2和數據監測節點1處探測該隨機數據。排查過程中發現，在數據監測節點3、數據監測節點2和數據監測節點1處均探測到數據。其中，數據監測節點3與接口模塊產生的隨機數據完全一致，而數據監測節點2和數據監測節點1的隨機數據是經過打包處理后的幀格式數據，與技術方案預期設計的結果完全一致。因此可以排除主控模塊出現故障的可能性，據此可以判斷主控模塊功能正常。

③接口模塊異常現象排查

若接口模塊出現異常，會導致存儲器無法記錄數據，記錄速率為0Mb/s的現象。如圖3所示，光電吊艙的偵察影像輸出接口與數據存儲器對應的Camera Link輸入接口相聯結。數據存儲器啟動進入存儲工作流程，并且用Signal Tap工具在數據監測節點3，數據監測節點4跟蹤和探測光電吊艙輸給數據存儲器的偵察影像數據。排查過程中發現，數據監測節點4有數據，但數據監測節點3無數據，說明偵察影像數據經過接口模塊后，數據并沒有被成功采集，從而數據存儲器回報記錄速率為0Mb/s，且無法生成相應的任務目錄。因此接口模塊可能出現了故障，即接口模塊在采集數據時存在異常現象。

④故障定位

以上故障逐步排查試驗表明，故障可定位在接口模塊工作異常。

故障機理分析

設計原理

光電吊艙輸出的兩種偵察影像數據共同占用一個Camera Link輸出接口。數據存儲器在執行存儲命令時，可根據Camera Link輸入接口收到的幀數據（由1個幀信號、1個行信號、24bit數據位及1個時鐘位構成），完成各類數據采集、打包及存儲。數據存儲器須根據影像數據的幀、行信號特征，判斷出當前輸入的影像類型格式后，開始采集打包存儲。具體視頻數據時序圖詳見圖4。

（1）影像數據格式判別

對于光電吊艙輸出的幀數據，當幀有效信號（FVAL）以及行有效信號（LVAL）均為高電平時，數據信號（DATA）是數據存儲器所須要的有效視頻像素數據。CLK為影像的像素時鐘信號，該信號始終有效。

光電吊艙通過Camera Link輸出接口傳送幀數據，數據存儲器接口模塊會在幀、行信號有效時，對數據信號的分辨率進行判斷。在幀有效信號以及行有效信號均為高電平時，對數據的同步時鐘進行計數，以行有效信號的上升沿為起點，下降沿為終點，累計的數據時鐘總數即為圖像的橫向分辨率，以幀有效信號的上升沿為起點，下降沿為終點，累計的行信號總數為圖像的縱向分辨率。根據接口控制文件要求，影像數據1的分辨率為M×N，影像數據2的分辨率為X×Y。因此，當FPGA的橫向分辨率計數值和縱向分辨率計數值分別為M，N時，則判定當前輸入的影像為影像數據1；當FPGA的橫向分辨率計數值和縱向分辨率計數值分別為X，Y時，則判定當前輸入的影像為影像數據2，其他輸入則視為無效影像數據。

圖4 視頻數據時序圖。

圖5 接口數據分辨率判斷流程。

（2）數據打包存儲

當數據存儲器接口模塊完成影像數據格式判別后，存儲器開始對兩種偵察影像數據進行存儲。圖6以影像數據1為例，對數據打包存儲流程進行說明。

當光電吊艙Camera Link輸出接口傳送的幀數據被判定為影像數據1時，主控模塊產生記錄使能，對影像數據1進行存儲。首先，在這個幀數據前添加特定字節的幀頭，用于任務管理；而后在幀有效信號以及行有效信號均為高電平時，存儲器存儲固定比特數的有效像素數據，同時對數據的同步時鐘進行計數，以進行幀格式的控制。計數以幀有效信號為高電平時，行有效信號的上升沿為起點。當計數值達到M時，表示這一行結束，將像素計數清0，行計數加1；當某一行像素計數達到M且行計數達N時，表示這一幀影像數據已經完成存儲，計數結束，開始新一幀的計數和數據存儲。

圖6 偵察影像數據存儲流程圖。

故障原因分析

使用FPGA的Signal Tap工具跟蹤、探測光電吊艙傳輸給數據存儲器的偵察影像數據時發現，當光電吊艙切換到影像數據1輸出模式時，數據存儲器端采集的橫向分辨率數值為M+1，縱向分辨為N，不符合接口控制文件規定的M×N分辨率的技術要求；當光電吊艙切換到影像數據2輸出模式時，數據存儲器端采集的橫向分辨率數值為X-1，縱向分辨為Y，不符合接口控制文件規定的X×Y分辨率的要求。由于數據存儲器識別不到符合接口控制文件規定的偵察影像數據分辨率，影像采集存儲不能正常啟動，導致存儲模塊在執行存儲命令時，出現了記錄速率為0Mb/s的現象。當存儲結束后，操作人員將存儲體安裝到轉存設備上查看任務目錄時發現，存儲器沒有形成相應偵察影像數據的記錄任務目錄。

根據故障排查結果，并結合機理分析與原因分析，數據存儲器無法存儲偵察影像數據有兩方面原因，一是光電吊艙輸出的偵察影像幀數據格式不符合接口控制文件規定的分辨率要求；二是數據存儲器接收偵察影像數據的容錯能力不足。

解決措施及驗證

故障原因被確定后，操作人員調整光電吊艙的輸出時序，使用FPGA的Signal Tap工具跟蹤、探測光電吊艙傳輸給數據存儲器的偵察影像數據，在影像數據1和2兩種輸出模式之間切換，使光電吊艙的輸出時序滿足接口控制文件約定的影像分辨率要求后，數據存儲器的故障消失，偵察影像數據可以被正常存儲。同時，考慮到機載電磁環境有可能對光電吊艙的時序產生干擾，數據存儲器應增加容錯功能，當輸入的偵察影像數據時序出現微量波動時，不影響存儲器對影像類型的識別。在程序設計上，將橫向分辨率及縱向分辨率容錯指數設定為±2，即當數據存儲器識別出光電吊艙輸入的影像分辨率為（M±2）×（N±2），則認為當前輸入的影像為影像數據1；當數據存儲器識別出光電吊艙輸入的影像分辨率為（X±2）×（Y±2），則認為當前輸入的影像為影像數據2。程序設計完成后，光電吊艙產生滿足分辨率容錯指數設定值范圍內的數據信號，并傳輸給數據存儲器，數據存儲器如果能夠完成相應數據存儲，證明容錯功能有效。

結論

本文提出的解決方法可排除某型無人機機載數據存儲器無法存儲偵察影像數據的故障，保證某型無人機系統的研制進度，提升數據存儲器工作的可靠性。從故障原因分析和采取的技術解決措施看，在無人機研制過程中，特別是面對不確定、復雜的機載電磁環境，技術人員應嚴格執行系統接口控制文件并為數據存儲器新增容錯功能，這對后續具有類似功能的機載設備研制具有重要借鑒意義和參考價值。