羅盤信標多模導航模塊的工作原理及故障診斷分析

摘要：羅盤信標多模導航模塊是綜合CNI系統的重要組成部分，在機務維護中占據關鍵地位，出現故障后須進行快速、準確的診斷，本文針對某型機載羅盤信標多模導航模塊外場故障，結合該型羅盤信標多模導航模塊工作機理，科學應用故障樹分析法，建立故障樹并對故障進行診斷分析，快速定位故障組件并有效排除故障。

關鍵詞：羅盤；信標；導航；CNI；故障定位

中圖分類號：TN802;V26" 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）17-0099-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

某型號高級教練機機載模塊化通信導航監視系統主要完成載機與指揮臺的話音通信、無線電導航、航管及監視等多個功能。該系統采用軟件無線電架構，進行各功能端機的模塊化設計[1]。其中羅盤信標多模導航功能模式主要完成羅盤和信標兩個基本導航功能，是系統的重要組成部分。其工作性能決定系統的任務可靠性，直接影響訓練任務的完成度，因此該模塊的性能是日常機務維護工作中重點[2]。但是由于模塊集成度高且技術復雜，亟須一種系統性的方法來指導機務或外場人員，對在羅盤信標多模導航模塊發生故障后進行實時分析與排查，迅速定位故障電路，找出故障原因。

故障樹分析[3]（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是目前機載綜合化航電設備故障排查過程中常用的一種方法，常見于各個外場技術質量問題歸零會。FTA是一種自頂向下的演繹式失效分析方法，利用布爾邏輯羅列并組合可能造成頂層故障的各個級別狀態，對系統故障中不希望出現的狀態逐一進行詳細深入分析，排除無效狀態，最終實現故障定位。本文在一起羅盤信標多模導航模塊用戶故障排查過程中，結合羅盤信標多模導航模塊工作原理和硬件組成，使用FTA方法，將模塊故障作為頂事件，將直接或間接導致頂事件發生的因素作為中間事件，將最基本的故障原因作為底事件，通過邏輯門將頂事件、中間事件和底事件連接起來，形成兩級樹狀圖，最終實現對故障的快速定位。

1 模塊工作原理

羅盤信標多模導航模塊某型號高級教練機機載模塊化通信導航監視系統配套模塊，主要完成無線電羅盤和指點信標兩個功能。

1.1 無線電羅盤功能

無線電羅盤功能接收地面羅盤導航臺無線信號，能夠連續測定高級教練機縱軸相對航路選定的羅盤導航臺的方位角，送載機座艙顯示器，向教練機飛行員和學員提供準確的導航及方位信息，同時輸出導航臺識別碼信號，實現對教練機向目的地的飛行引導[4]。工作頻率為150～1 750 kHz，有效作用距離不低于200 km；最大方位誤差不大于±3°。

1.2 指點信標功能

指點信標功能接收地面跑道側方的遠、中、近三個信標臺站的信號，輸出識別碼信號以指示飛機到著陸跑道端點的距離。該功能廣泛應用于民航和軍事領域，信標系統包括機載設備和地面指點信標臺。機載設備接收由信標天線送來的75 MHz射頻信號，經過濾波以及放大后，解算出75 MHz射頻信號上的調制頻率用于指示飛機到著陸跑道端點的距離。

如圖1所示，模塊硬件組成包括電源、羅盤信道、信標信道、信號處理和接口電路組成，和組合天線、信標天線等實現無線電羅盤功能和信標功能。

電源部分將系統提供的直流+28 V和直流+5 V電源，通過電源模塊和穩壓器轉換為模塊內部所需的各路電源；羅盤信道接收組合天線送來的羅盤射頻信號，經過濾波、混頻、放大后，輸出羅盤中頻信號給信號處理；信標信道接收信標天線送來的信標射頻信號，經過濾波、混頻、放大后，輸出信標中頻信號給信號處理；信號處理對羅盤、信標中頻信號進行采樣、解調、解算，輸出羅盤方位信息和信標臺碼信息給接口電路，同時處理接口電路傳輸的控制指令，對羅盤信道的一本振頻率和波道邏輯進行控制；接口電路將羅盤方位信息和信標臺碼信息打包后通過CAN總線發送給系統，同時接收系統下發的控制指令打包后發送給信號處理[5]。其原理框圖如圖1所示。

2 故障現象

羅盤信標功能模塊交付后，在用戶使用過程中上報故障，具體故障現象為：故障模塊在上電后，未能正常響應控制指令，且未傳送羅盤和信標數據，因此確認模塊故障。根據模塊工作原理及硬件組成，使用故障樹分析法進行排查和定位[6]。

3 建立故障樹

根據原理圖1中工作原理及硬件組成框圖建立故障樹，如圖2所示，故障樹結構連接了各故障分析步驟，以便于逐一排查。

4 故障診斷分析

4.1 電源故障（X1）

如子事件X1所示，故障模塊返廠后，在工廠試驗室進行測試。上電后使用萬用表對模塊內部所需的+15V、±12V、±5V、+3.3V、+1.2V工作電源進行測試，其中，+15V電壓為14.86V，+12V電壓為11.94V，-12V電壓為-11.89V，+5V電壓為+4.96V，-5V電壓為-4.92V，+3.3V電壓為+3.27V，+1.2V電壓為+1.21V，各路電源正常，符合設計參數，可以排除電源故障[7]。

4.2 羅盤信道故障（X2）

如子事件X2所示，故障模塊上電后，使用測試軟件設置羅盤工作頻率為500kHz，發現模塊無數據回傳，用示波器測量一本振頻率為15.500MHz，再用萬用表測量波道邏輯為4波道，均符合設計要求，證明控制指令已下發成功，只是沒有回傳數據；用信號源輸入500kHz，1mV的信號，用頻譜分析儀測量羅盤信道輸出的羅盤中頻幅度為-0.23dBm，符合0dBm±3dB的設計要求；切換不同頻點，羅盤信道輸出的中頻幅度均能滿足上述設計要求，可以排除羅盤信道故障。

4.3 信標信道故障（X3）

如子事件X3所示，故障模塊上電后，用信號源輸入75MHz，1mV的信號，用頻譜分析儀測量信標信道輸出的信標中頻幅度為-6.67dBm，符合-6.6dBm±0.1dB的設計要求，可以排除信標信道故障。

4.4 信號處理故障（X4）

如子事件X4所示，故障模塊上電后，觀察FPGA、DSP心跳指示燈。根據程序設置，當FPGA、DSP程序運行正常時，心跳指示燈閃爍，否則心跳指示燈長亮或長滅。信號處理的FPGA、DSP心跳指示燈閃爍正常，證明FPGA、DSP程序運行正常；通過上述羅盤信道故障排查可知，信號處理對羅盤信道的一本振頻率和波道邏輯控制功能正常；使用示波器測量信號處理輸出的羅盤方位信息和信標臺碼信息，其輸出數據均符合設計要求，可以排除信號處理故障。

4.5 接口電路故障（X5）

如子事件X5所示，故障模塊上電后，接口電路的FPGA心跳指示燈閃爍正常，證明FPGA程序運行正常；通過上述羅盤信道故障排查可知，測試軟件下發的控制指令可以成功下達，證明CAN總線接收通路正常；但控制指令下發成功后，沒有回傳數據，證明CAN總線發送通路無法上傳數據，可以初步確定接口電路故障[8]。

4.5.1 接口電路工作原理

模塊接口電路原理框圖如圖3所示，接口電路由Flash、通用總線控制器、光耦、CAN總線控制器組成，主要完成內部、外部接口通信功能。

Flash用于通用總線控制器加載程序；通用總線控制器接收CAN總線控制器或信號處理發送的數據，打包后發送給信號處理或CAN總線控制器；CAN總線控制器接收系統或通用總線控制器發送的數據，發送給通用總線控制器或系統，兩路CAN各用一個CAN總線控制器；光耦用于通用總線控制器與CAN總線控制器之間的信號隔離，兩路CAN的接收共用一個光耦，發送共用一個光耦[9]。

根據模塊接口電路工作原理，形成如圖4所示的二級故障樹，并進行進一步排查定位。

4.5.2 接口電路工作原理

4.5.2.1 Flash故障

如子事件X51所示，故障模塊上電后，通用總線控制器心跳指示燈閃爍正常，證明通用總線控制器從Flash中加載程序過程正常，可以排除Flash故障。

4.5.2.2通用總線控制器故障

如子事件X52所示，故障模塊上電后，通用總線控制器心跳指示燈閃爍正常，證明通用總線控制器程序運行正常；用示波器測量通用總線控制器輸出數據，其輸出數據符合設計要求，可以排除通用總線控制器故障。

4.5.2.3光耦故障

如子事件X53所示，故障模塊上電后，用示波器測量CAN總線接收通路的信號隔離光耦D4，其輸入輸出數據均符合設計要求，可以排除光耦D4故障。

再用示波器測量CAN總線發送通路的信號隔離光耦HCPL063L（型號HCPL063L） ，其輸入數據符合設計要求，但無輸出數據，可以初步確定發送通路的光耦HCPL063L存在故障。進一步排查光耦HCPL063L的故障，除輸入輸出引腳外，用萬用表測量其供電引腳和接地引腳，如圖5所示。

用萬用表電壓檔在光耦HCPL063L-8引腳上（圖5中A點） 測量+3.3V供電情況，電壓為0，再測量與HCPL063L-8引腳直接相連的電源過孔（圖5中B點） ，電壓為+3.26V，符合設計要求；關掉模塊電源，用萬用表通斷檔在光耦HCPL063L-5引腳上（圖5中C點） 測量接地情況，HCPL063L-5引腳與大地導通，證明接地良好；再用萬用表通斷檔在光耦HCPL063L-8引腳上測量圖5中A、B兩點的導通情況，兩點之間不導通；繼續測量HCPL063L-8引腳對應的印制板焊盤A、B兩點的導通情況，兩點之間導通，證明HCPL063L-8引腳與其對應的印制板焊盤之間未接觸[10]。

重新焊接光耦HCPL063L-8引腳，用萬用表在器件引腳上重新測量，此時A、B兩點導通。加電后，用示波器測量光耦HCPL063L輸出數據，符合設計要求。再測量CAN總線收發器，其輸入輸出數據均符合設計要求，可以確定光耦HCPL063L存在虛焊，確定為光耦HCPL063L故障。

4.5.2.4 CAN總線控制器故障

如子事件X54所示，故障模塊上電后，用示波器測量CAN總線接收通路的CAN總線收發器，其輸入輸出數據均符合設計要求，可以排除CAN總線控制器故障。

再用示波器測量CAN總線發送通路的CAN總線收發器，由于其上級光耦HCPL063L無輸出數據，所以CAN總線收發器輸入輸出均無數據，不能排除CAN總線控制器故障。

4.6 故障定位結論

基于前述原理分析、故障樹分析及故障排查，最終故障定位確定為光耦HCPL063L-8引腳出現虛焊。模塊在外場使用過程中，受外部機械應力和環境應力作用，光耦HCPL063L-8引腳與印制板焊盤脫焊，該引腳為電源供電引腳，脫焊后導致光耦HCPL063L不工作，最終使CAN總線通信功能失效，系統顯示模塊報故。

5 結束語

這是一起典型的器件引腳虛焊引起的模塊失效故障，根據模塊工作原理及硬件組成，科學應用故障樹分析法建立兩級故障樹，快速完成了故障分析，準確定位故障器件，提高了故障排查工作效率，為飛行任務順利執行增加保障。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】