導彈機內測試技術的國內外發展現狀

吳 偉，梁 旗，林 達，崔北鵬，丁 偉

(上海機電工程研究所，上海 201109)

0 引言

導彈武器系統的性能隨著大量高新技術的迭代而不斷提高，但同時也使得導彈內部結構愈發復雜，對導彈綜合測試技術本身是否依然可靠安全、穩定以及能否快速開展故障檢測診斷，提出了更高的要求。在航空航天、工業電子、軍事國防等測試性設計領域中，先進的測試性技術是解決問題的關鍵[1-2]。系統的測試性(testability)是指系統內部提供的能夠檢測自身狀態并進行故障診斷的一種設計特性，主要分為外部自動測試(ATE，automatic test equipment)和機內測試(BIT，built-in test)兩種。ATE是指使用外部測試工具或者測量儀器設備等對系統進行檢測，獨立于產品本身單獨設計，但是測試成本高、攜帶不便且噪聲大。機內測試，也可稱為機內自檢(BIST，built-in self-test)，又叫嵌入式測試(ET，embedded test)，或者是自測量系統(self-instrumented system)，是指系統或設備能夠完自己成對系統、組件或功能模塊的狀態檢測、故障診斷以及性能測試[3-5]。

近年來，導彈的綜合測試更關注自動測試系統的體系結構建設、ATE研制和測試程序集(TPS，test program set)的開發及可移植，以及人工智能的應用，這些技術助力導彈測試技術向多型通用、分布組合、可擴展等方向優化。導彈綜合測試技術是武器系統的全壽命周期中非常重要的角色[6]，高新技術的快速發展加快了導彈武器系統復雜化和智能化的進程。雖然導彈綜合測試技術和測量儀器發展迅速，大大提高了導彈武器系統的測試性能和指標，但仍然存在對系統內部故障精確排查的困難，并無法真正大幅有效提高導彈的測試性及測試覆蓋性，增加了導彈武器系統的研制和生產工作的難度。

本文總結國內外有關BIT技術研究現狀的文獻，介紹了BIT技術的作用、特點、虛警及其抑制策略，并重點介紹了導彈武器系統領域相關的BIT技術。針對導彈武器系統測試技術中BIT技術應用中存在的問題，討論未來導彈測試性需求，并提出優化的導彈BIT技術總體設計方案，對導彈BIT技術未來的發展趨勢進行了探討。

1 機內測試技術

只有提高導彈自身的系統測試性，才能配合先進的測試系統開展測試[7-15]。美軍在20世紀80年代就著眼于軍用裝備的機內測試技術，開展了許多理論研究，并完成了軍用型號配制。美軍的F系列戰機將BIT技術大量應用與航空電子與機電系統中。美國航空工業集團將BIT成功應用到他們生產的軍、民用飛機中[16-17]。隨著BIT技術的發展，該領域逐漸吸引了越來越多學者與行業的關注。國內的BIT技術研究起步于20世紀70年代，以航空、航天等國防軍工領域為代表開始BIT技術的研究。目前，隨著研究愈發深入，BIT技術的應用研究引起了國內外學者的廣泛關注。

美軍在1992年發布的MIL-STD-1309C標準對BIT定義為“系統、設備內部提供的監測、隔離故障的自動測試能力”[18]。在美軍的《系統和設備測試性大綱》中，將測試性作為與可靠性、維修性等同的測試要求，其頒布標志著測試性已成為獨立學科[19-20]。20世紀90年代時，美軍的新型軍用裝備就注重于智能測試設計及應用技術，在可維護性、戰備完好性及測試性等各個方面都有了新的突破[21-23]。

BIT技術具有多種分類方法，例如邊界掃描BIT技術、模擬BIT技術、環繞BIT技術以及冗余BIT技術等[24-27]。不同的BIT技術具有不同的特點，如邊界掃描技術對測試電路要求較低，因此可改善測試性；模擬BIT屬于并行測試型的技術，能在操作時并行測試進行故障排查；環繞BIT基于數字模擬環繞等不同輸入信號的方法實現；冗余BIT系統利用余度信號的對比進行測試。

在BIT發展過程中，虛警始終困擾著其發展和應用。設備的BIT系統在各類時間應力的作用影響下容易造成故障虛假報警的現象。時間應力因素包括暫態電壓、振動、震蕩、沖擊、溫度、濕度、氣壓、液壓等等。美軍的裝備BIT使用情況經過數據統計，發現BIT虛警頻報而真實故障檢測率不高是裝備服役時最主要的問題。我國GJB3385-98定義虛警為，機內測試或其他監測電路指示有故障而實際不存在故障的現象[28-30]。若無法解決BIT的虛警問題，BIT技術的應用就不再是“如虎添翼”，而是“畫蛇添足”，既無法真正解決系統故障，在處理虛警情況時還會造成人力物力等資源的浪費。BIT虛警抑制技術按照常規可劃分為檢測、診斷和決策三個不同的層面進行設計，實現較為簡易且具有較強的適用性，但由于測試性容差及閾值的確定往往依靠經驗值，在處理瞬態故障及間歇性故障時效率比較低。

為解決復雜機電系統BIT虛警的問題，國防科技大學提出了三種虛警抑制方法。第一種是基于信息處理流程的傳感層，特征層以及診斷決策層虛警抑制技術，提高機電系統BIT的診斷能力；第二種抑制方法基于系統模型的監控診斷，通過設置故障閥值對殘差評價，可以在不確定因素下準確判斷故障狀態，是基于魯棒故障診斷原理；第三種基于時間應力的角度，提出了基于時間應力分析的虛警抑制原理和技術方法，通過將核主元分析和模糊聚類分析方法結合引入，構建虛警識別決策模型，解決關聯區域外虛警不易識別的問題[31]。BIT降虛警時，時間應力信息是有效的信息源，將該數據與BIT進行關聯分析，能夠起到識別虛警、提高故障檢測正確率的作用[32]。

2 機內測試中的關鍵技術

頂級的需求規范記錄了已部署產品的性能需求。BIT測試主要關注產品上電后進行內部自檢時在現場的性能。BIT自檢選擇的測試功能稱為產品的關鍵功能。軍事應用將這些功能稱為“關鍵任務”功能，這些功能是與任務性能直接相關的主要功能。關鍵任務功能的失效將導致主要硬件的故障而導致任務的失敗。

客戶提出的另一項要求是在現場部署產品時進行維護或擴展BIT。當與加電自檢結合使用時，這種類型的自檢為硬件電子設備提供了更多的測試覆蓋范圍。擴展BIT與通電BIT一起，為客戶提供硬件在其環境中長時間運行的必要知識。

因此，BIT的應用和發展將大大提高武器系統的測試和自診斷能力，其整體框架如圖1所示。

圖1 導彈系統BIT架構

導彈系統BIT實現主要包括兩個部分：1)在被試對象上安裝BIT設備，在沒有周邊測試設備或少量周邊測試設備的情況下完成導彈的性能測試；2)在設計被測對象系統時，設計自檢測組件并進行自檢測，在對整個系統進行檢測時，將自檢測組件進行集成，完成功能測試和信息采集。其中自診斷技術包括故障特征的提取、知識庫的構建和推理機制的實現等。在此過程中，通過通訊接口將BIT裝置采集到的信息發送給地面計算機，同時實現診斷算法。在自診斷設備和方法成熟之前，無法直接在導彈系統中建立檢測設備和診斷軟件。 受被測物體積和重量的限制，自診斷技術必須解決設備小型化的關鍵技術問題，包括小型計算機系統、多數據高精度A/D和D/A轉換及通信接口等。同時，要解決BIT激勵方法的研究、BIT激勵裝置的設計、BIT激勵裝置的設計等關鍵技術，全面實現BIT和自診斷。此外，要解決傳統BIT中的故障復發和故障間歇識別問題，必須解決大容量高精度存儲設備的關鍵設計問題；要完成武器系統中內置故障診斷技術的研究，必須解決故障知識庫和故障詞典構建的關鍵技術。

智能BIT最早由美國空軍羅馬航空發展中心的Richards于1987年提出，它將人工智能理論引入BIT故障診斷，解決了傳統BIT無法區分間歇性故障的問題。智能BIT經過近10年的研究和應用，不僅應用于BIT智能診斷，還應用于BIT智能設計、檢測和決策等方面。設備智能BIT提出了系統開發的并行設計思路，采用部件級、板級、系統級BIT分層集成的組織結構。系統級BIT智能控制單元根據測試和維護需求制定整個系統測試計劃，并將測試命令發送到板級BIT進行系統級測試和維護總線；板級BIT智能控制與信息處理單元接收指令并采取檢測診斷策略，通過板級測試總線啟動零件級BIT；當部件級測試完成后，通過板級測試總線將測試結果發回板級BIT，然后由板級BIT智能控制和信息處理單元結合部件級和板級本身的信息進行簡單的智能診斷，并將測試診斷結果發送到系統級BIT；系統級BIT智能綜合診斷系統對單板級BIT數據進行全面的智能診斷，并根據診斷結果給出系統重構降級使用或更換維護的建議。

智能決策支持系統將定性處置特征人工智能技術與決策支持系統相結合。運用知識工程、智能技術等相關技術，使所創造的思想、邏輯推理和判斷成為一個有機體，在解決半結構化或非結構化問題方面比傳統決策支持系統更有效。BIT智能決策包括BIT決策層信息集成、BIT模糊決策和BIT決策專家系統。BIT維修決策專家系統利用線路維修人員的經驗、前線設計人員的數據和維修專家的知識，可以確定故障類型及其危害，并進行進一步的決策。

設備維修過程通常分為組織級維修、中級維修和倉庫級維修三個層次。組織級維護在運行場所進行，僅用于定期維修、故障估計和確認以及LRU的拆卸和更換；中間維修可以隔離故障到車間更換單元；倉庫級維修具有最高的維修能力，可以執行與故障設備維修有關的任何任務，包括糾正維修。倉庫級維修可以將故障隔離到車間更換組裝，也可以對所有部件進行重新排列，產生損壞部件的可更換部件以及整個設備。現代設備維修體系提倡組織級和倉庫級兩級維修。要實現兩級維修，必須提高組織級維修能力，即提高線路維修能力。因此，提高系統或設備的故障檢測與診斷能力，縮短故障檢測與隔離時間，成為BIT綜合診斷與維護專家系統的設計目標。

BIT維修專家系統的輸入主要來自于內置測試設備的信息，這要求內置測試設備數據的準確性接近100%。僅將內置測試設備數據作為唯一的維護基礎是不夠的。綜合決策與維護專家系統必須應用各種信息資源進行綜合決策與維護。BIT維修專家系統可以提高組織級維修能力，將故障檢測和定位提升到SRU級，這不僅需要設備相關信息，還需要設備的設計、測試、維修專家和操作人員的信息。鉆頭綜合決策與維護系統將常規檢測方法的結果、鉆頭故障診斷專家系統的輸出、SRU故障歷史數據和用戶觀測信息相結合，進行綜合決策，形成SRU級故障報告和維護建議。

3 導彈領域中機內測試技術的應用

1998年的一篇美國專利“用于在發射場測試導彈的可操作性的導彈試驗方法”中，就通過BIT對導彈進行了測試[33]。在該專利中提到，導彈的測試首先應進行導彈BIT測試性能的測試，這些測試項目的信號源是由發射場的信號激勵的，因此不需要與導彈內部進行通信。如果性能符合要求，則無需進一步測試。如果檢測到導彈性能不符合要求，則取下通信蓋，連接到內部數據源，并重復BIT測試以確定哪些內部組件導致導彈性能不符。當確定有問題的組件并進行修復后，在取下檢修蓋的情況下重復測試，當測試性能達標后，再更換檢修蓋并在安裝檢修蓋的情況下重復測試。圖2中展示了專利中導彈BIT結構。

圖2 專利US5721680A中的導彈自檢結構

Ma等人[34]針對潛射導彈模型推進發射試驗，設計完成了基于ARM的BIT系統。試驗系統體積小，實驗工作正常，性能好，試驗數據快速可靠，實現了加速度和角速度的測量。為水下航行器，特別是小型水下航行器提供了有效的實驗測試手段，為結構優化模型的建立提供了理論依據。

常規戰術導彈的控制系統的組成包括捷聯慣性測量組合、控制電池、雷達導引頭、飛控計算機、伺服機構和電纜網，各單機設備內部的集成微處理器構成了分布式BIT的架構。北京航天自動控制研究所的劉仁浩等人[35]根據導彈控制系統特點，在分布式BIT基礎上在飛控計算機上部署了系統功能參數監測以及系統功能測試的集中式BIT結構，提出了控制系統中各單機以及整體系統的BIT設計方法，取消了地面輔助測試設備的使用，實現了導彈測試和飛行試驗前檢查的自測試。

彈載計算機是導彈武器系統中不可或缺的關鍵組成部件，其BIT技術具有可應對硬件體積較小的限制、方法應具備實時嵌入性、具備高可靠性以及應具備較高兼容性等特征。天津津航計算技術研究所的邊維等人[36]通過研究彈載計算機BIT的技術特征，提出了一種基于彈載計算機的BIT設計方法(MBBIT，missile-borne computer BIT)，以小型化、嵌入式、可靠性以及兼容性設計準則為基礎，分為產品故障庫建立、軟硬件設計、信息管理設計、準則檢查、性能預計，提出MBBIT的硬件設計、軟件設計以及信息管理設計方法。該文獻采用某型導彈武器系統內三種不同類型的彈載計算機作為驗證，改進BIT軟硬件，改進后的BIT加入了信息管理機制，對比原有簡單自檢的BIT方法，改進后的MBBIT設計方法提升了BIT故障覆蓋率及故障識別率。

中國航空無線電電子研究所的楊漫[37]面向機載嵌入式計算機應用，開發了一種通用化的BIT軟件架構技術，按照驅動、算法、配置控制、接口等功能分為不同層級，能夠實現不同硬件環境、操作系統環境下BIT軟件的移植。此外，該文獻提出一種使BIT能夠在操作系統啟動之前執行的檢測方法，能夠確保BIT軟件與操作系統之間不具備關聯性，提高了BIT的有效檢測范圍。

如今，隨著戰場環境愈發復雜多變，戰爭中導彈的信息化能力也逐步加強。作為導彈武器系統的信息處理核心，傳統的嵌入式彈載計算機控制分布式單機實現導航、制導和控制等功能的運行模式存在復雜度高、系統利用率低、成本高、尺寸重量大等問題。隨著總線和系統集成技術的發展，將多單機系統集成到統一系統中的彈載綜合電子模式，正逐步成為了戰術導彈領域中彈上電子電氣設備設計的主流。搭載彈上綜合電子系統的戰術導彈，其機內測試模式與文獻[35]中傳統導彈控制系統BIT模式有較大的區別。捷聯慣性測量組合、雷達導引頭信息處理模塊、衛星導航模塊、數據鏈、遙測等單機產品被集成到了綜合電子設備中，舍棄了占用大量彈上電纜網資源的單機間電連接和低速通信總線，將盡可能多的單機BIT集中到可編程片上系統(SoPC)進行快速運算，彈載綜合電子內部單機間通過高速SRIO總線通信，與大量外部設備僅需要通過射頻基帶模塊傳遞信號。搭載綜合電子系統的戰術導彈BIT具有運算速度快，通信速度快，搭建成本降低等優勢。

北京航天自動控制研究所的權赫等人[38]以我國新一代運載火箭XX-5為背景，開展了運載火箭電氣系統BIT技術全面實現的可行性研究，并在系統層面提出其設計流程和方法。該系統的BIT研制流程首先需要先確定系統BIT功能工作模式以及測試等級程度，再選擇系統BIT軟硬件方案，通過測試性設計選取測試點與測試項目，最后進行方案性能的評價，以此作為優化測試流程、縮短測試周期的依據。

目前的導彈自檢，通常采用二值邏輯判斷，即自檢合格或不合格，本質上只針對導彈功能的測試，忽略了邊界指標的潛在風險。BIT技術在實際應用中存在的最大問題是故障檢測和隔離能力差，且虛警率高，需要通過添置大量外部測試資源來保證上述技術指標，導致昂貴的測試維修成本；同時也很難對系統或設備內部數據參數進行研判。只有通過不斷地提升導彈武器系統測試性設計，融合技戰性能預測與評估技術，才能滿足系統和設備的故障預警與隔離需要。當前，外部的測試系統設計技術發展迅速，導彈BIT技術設計可以采取自動測試系統(ATS，automatic test system)結合BIT的形式開展。

為了滿足未來新一代導彈武器系統的測試性需求，未來導彈BIT需要從測試性頂層設計著手，如圖3所示。首先進行系統、分系統以及較復雜的現場可更換單元(LRU，line replaceable unit)級產品的測試性頂層設計，在開展軟硬件設計之前，預先對系統測試性總體開展設計與規劃，主要工作包括確定測試性要求以及故障診斷的方法；選擇測試點及測試項目并進行診斷策略設計；最后進行系統BIT功能實現的具體設計。基于系統測試性，對系統級BIT頂層進行設計，需要確定系統機內BIT功能以及工作模式等各項具體要求。通過梳理全彈測試狀態下各彈上設備、組合、板級和功能模塊的測試項目和指標參數，統計各類故障和失效模式，明確BIT設計的測試內容和需求，區分可測項與不可測項，確定測試覆蓋性和失敗模式效應及鑒定分析(FMECA，failure mode，effect and criticality analysis)；建立測試點與各組成部件的相關性模型，識別冗余測試點和故障隔離模糊組，對相關性矩陣進行優化；制定機內BIT診斷策略，建立測試信息流與故障專家系統，確定BIT系統的軟硬件方式，實現導彈系統的深度自檢；基于機內BIT構建導彈技戰性能自適應預測模型；設計導彈故障預警與快速隔離技術。

圖3 常規戰術導彈系統BIT組成框圖

如圖4所示，根據導彈的測試需求，可將測試等級分為一級檢測、二級檢測和三級檢測。結合全彈FMECA和測試性指標要求，系統BIT設計時監測設備級關鍵參數，故障定位到設備，故障隔離到艙段。據此制定導彈全彈診斷策略，為保證一級檢測的故障檢測率和不同測試需求下的測試覆蓋性，可在二級和三級檢測的地面測試環境中具備供彈上產品上電自檢的能力；同時，基于測試時間的限制，應盡可能規劃多個測試項目的并行測試、同一測試項目內部多個參數的同時采集及多個數據的同步處理等。可采用分布-集中式系統BIT設計，盡可能通過彈上各單機設備的BIT進行功能檢查，利用通訊總線進行彈內各單機設備BIT信息的通訊，測試過程中相關狀態監測和故障診斷信息都匯總到一體化控制設備綜合控制計算機的指定內存區域，再按照測試系統通訊協議將原始數據回傳，最終由測試設備的測試軟件進行解析、判讀和診斷。

圖4 導彈武器系統機內測試總體方案

4 導彈機內測試技術的發展展望

未來，國內外在導彈機內測試技術的發展方向可能呈現以下趨勢：

1)BIT與被測對象緊密結合，與其他自動測試設備一起完成武器系統的測試與診斷。

2)從單一人工智能發展到多元人工智能的應用。將智能理論和方法引入BIT技術，提高BIT技術的綜合效能。在BIT技術中引入專家系統、神經網絡等智能理論和方法，提高設備系統的可測試性和運行效率，簡化維護過程，降低維護成本。

3)隨著數字化戰爭的發展，BIT的功能將得到加強，這將為BIT數據在遠程分析和故障預測方面的應用提供更多的機會。

4)逐步發展集檢測、診斷、隔離、定位、控制、保護于一體的基礎系統，使試驗設備小型化、智能化、通用與專用相結合等。

5)BIT技術不僅將應用于航空領域，還將應用于航天器領域。

6)新型BIT技術主要以IEEE-1149系列標準為基礎，包括面板系統、模塊系統測試和維護總線，可實現數字電路和仿真電路的BIT。

5 結束語

為了進一步提高裝備的測試性、維修性和可靠性，在導彈測試領域中，機內測試技術、遠程測試技術、硬件在環測試技術、智能測試與診斷技術、容錯設計技術、基于數字孿生的測試技術等新型測試技術方法正被越來越多的工程技術人員采用。但是在具體的裝備測試應用中這些新的測試技術還存在許多問題，例如遠程測試技術的信息傳輸速率導致的控制時序問題，現場測試電纜安裝維護問題；基于數字孿生技術的測試設備信息流細化問題；以及BIT測試技術的虛警問題等等。這些問題影響著先進裝備的更新換代，需要更多力量投入到測試理論與方法的優化中，同時在工程實踐中總結歸納測試技術應用的實用方案，解決導彈測試流程中存在的各種問題，應用再分析、再設計、再驗證的工作方法提高導彈武器裝備的可靠性和成熟度[39]。

目前機內測試虛警抑制技術還有很多理論和實際問題需要突破，未來導彈武器的機內測試系統發展面臨著嚴峻的挑戰，但是該項研究已進入快速發展時期，存在良好的發展機遇，擁有非常廣闊的應用前景。未來可考慮以ATS結合BIT的方式開展導彈BIT技術應用設計，既能夠縮減ATS規模提高機動性能，有效發揮ATS的測試優勢，同時能解決BIT技術面臨的協調工作檢測等問題。同時，隨著智能理論的發展，利用人工智能等新技術成果應用到BIT虛警抑制技術中，為未來導彈BIT測試技術提供新方法和新技術。