羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)航模塊的工作原理及故障診斷分析

摘要：羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)航模塊是綜合CNI系統(tǒng)的重要組成部分，在機(jī)務(wù)維護(hù)中占據(jù)關(guān)鍵地位，出現(xiàn)故障后須進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的診斷，本文針對(duì)某型機(jī)載羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)航模塊外場(chǎng)故障，結(jié)合該型羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)航模塊工作機(jī)理，科學(xué)應(yīng)用故障樹分析法，建立故障樹并對(duì)故障進(jìn)行診斷分析，快速定位故障組件并有效排除故障。

關(guān)鍵詞：羅盤；信標(biāo)；導(dǎo)航；CNI；故障定位

中圖分類號(hào)：TN802;V26" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）17-0099-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

某型號(hào)高級(jí)教練機(jī)機(jī)載模塊化通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)主要完成載機(jī)與指揮臺(tái)的話音通信、無線電導(dǎo)航、航管及監(jiān)視等多個(gè)功能。該系統(tǒng)采用軟件無線電架構(gòu)，進(jìn)行各功能端機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)[1]。其中羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)航功能模式主要完成羅盤和信標(biāo)兩個(gè)基本導(dǎo)航功能，是系統(tǒng)的重要組成部分。其工作性能決定系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，直接影響訓(xùn)練任務(wù)的完成度，因此該模塊的性能是日常機(jī)務(wù)維護(hù)工作中重點(diǎn)[2]。但是由于模塊集成度高且技術(shù)復(fù)雜，亟須一種系統(tǒng)性的方法來指導(dǎo)機(jī)務(wù)或外場(chǎng)人員，對(duì)在羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)航模塊發(fā)生故障后進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jiǎn)稱FTA）是目前機(jī)載綜合化航電設(shè)備故障排查過程中常用的一種方法，常見于各個(gè)外場(chǎng)技術(shù)質(zhì)量問題歸零會(huì)。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(gè)級(jí)別狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)故障中不希望出現(xiàn)的狀態(tài)逐一進(jìn)行詳細(xì)深入分析，排除無效狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)故障定位。本文在一起羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)航模塊用戶故障排查過程中，結(jié)合羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)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(dǎo)致頂事件發(fā)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(jí)樹狀圖，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的快速定位。

1 模塊工作原理

羅盤信標(biāo)多模導(dǎo)航模塊某型號(hào)高級(jí)教練機(jī)機(jī)載模塊化通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)配套模塊，主要完成無線電羅盤和指點(diǎn)信標(biāo)兩個(gè)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(dǎo)航臺(tái)無線信號(hào)，能夠連續(xù)測(cè)定高級(jí)教練機(jī)縱軸相對(duì)航路選定的羅盤導(dǎo)航臺(tái)的方位角，送載機(jī)座艙顯示器，向教練機(jī)飛行員和學(xué)員提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航及方位信息，同時(shí)輸出導(dǎo)航臺(tái)識(shí)別碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教練機(jī)向目的地的飛行引導(dǎo)[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(diǎn)信標(biāo)功能

指點(diǎn)信標(biāo)功能接收地面跑道側(cè)方的遠(yuǎn)、中、近三個(gè)信標(biāo)臺(tái)站的信號(hào)，輸出識(shí)別碼信號(hào)以指示飛機(jī)到著陸跑道端點(diǎn)的距離。該功能廣泛應(yīng)用于民航和軍事領(lǐng)域，信標(biāo)系統(tǒng)包括機(jī)載設(shè)備和地面指點(diǎn)信標(biāo)臺(tái)。機(jī)載設(shè)備接收由信標(biāo)天線送來的75 MHz射頻信號(hào)，經(jīng)過濾波以及放大后，解算出75 MHz射頻信號(hào)上的調(diào)制頻率用于指示飛機(jī)到著陸跑道端點(diǎn)的距離。

如圖1所示，模塊硬件組成包括電源、羅盤信道、信標(biāo)信道、信號(hào)處理和接口電路組成，和組合天線、信標(biāo)天線等實(shí)現(xiàn)無線電羅盤功能和信標(biāo)功能。

電源部分將系統(tǒng)提供的直流+28 V和直流+5 V電源，通過電源模塊和穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為模塊內(nèi)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(hào)，經(jīng)過濾波、混頻、放大后，輸出羅盤中頻信號(hào)給信號(hào)處理；信標(biāo)信道接收信標(biāo)天線送來的信標(biāo)射頻信號(hào)，經(jīng)過濾波、混頻、放大后，輸出信標(biāo)中頻信號(hào)給信號(hào)處理；信號(hào)處理對(duì)羅盤、信標(biāo)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣、解調(diào)、解算，輸出羅盤方位信息和信標(biāo)臺(tái)碼信息給接口電路，同時(shí)處理接口電路傳輸?shù)目刂浦噶睿瑢?duì)羅盤信道的一本振頻率和波道邏輯進(jìn)行控制；接口電路將羅盤方位信息和信標(biāo)臺(tái)碼信息打包后通過CAN總線發(fā)送給系統(tǒng)，同時(shí)接收系統(tǒng)下發(fā)的控制指令打包后發(fā)送給信號(hào)處理[5]。其原理框圖如圖1所示。

2 故障現(xiàn)象

羅盤信標(biāo)功能模塊交付后，在用戶使用過程中上報(bào)故障，具體故障現(xiàn)象為：故障模塊在上電后，未能正常響應(yīng)控制指令，且未傳送羅盤和信標(biāo)數(shù)據(jù)，因此確認(rèn)模塊故障。根據(jù)模塊工作原理及硬件組成，使用故障樹分析法進(jìn)行排查和定位[6]。

3 建立故障樹

根據(jù)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(jié)構(gòu)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(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。上電后使用萬用表對(duì)模塊內(nèi)部所需的+15V、±12V、±5V、+3.3V、+1.2V工作電源進(jìn)行測(cè)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(shè)計(jì)參數(shù)，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(cè)試軟件設(shè)置羅盤工作頻率為500kHz，發(fā)現(xiàn)模塊無數(shù)據(jù)回傳，用示波器測(cè)量一本振頻率為15.500MHz，再用萬用表測(cè)量波道邏輯為4波道，均符合設(shè)計(jì)要求，證明控制指令已下發(fā)成功，只是沒有回傳數(shù)據(jù)；用信號(hào)源輸入500kHz，1mV的信號(hào)，用頻譜分析儀測(cè)量羅盤信道輸出的羅盤中頻幅度為-0.23dBm，符合0dBm±3dB的設(shè)計(jì)要求；切換不同頻點(diǎn)，羅盤信道輸出的中頻幅度均能滿足上述設(shè)計(jì)要求，可以排除羅盤信道故障。

4.3 信標(biāo)信道故障（X3）

如子事件X3所示，故障模塊上電后，用信號(hào)源輸入75MHz，1mV的信號(hào)，用頻譜分析儀測(cè)量信標(biāo)信道輸出的信標(biāo)中頻幅度為-6.67dBm，符合-6.6dBm±0.1dB的設(shè)計(jì)要求，可以排除信標(biāo)信道故障。

4.4 信號(hào)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(jù)程序設(shè)置，當(dāng)FPGA、DSP程序運(yùn)行正常時(shí)，心跳指示燈閃爍，否則心跳指示燈長(zhǎng)亮或長(zhǎng)滅。信號(hào)處理的FPGA、DSP心跳指示燈閃爍正常，證明FPGA、DSP程序運(yùn)行正常；通過上述羅盤信道故障排查可知，信號(hào)處理對(duì)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(cè)量信號(hào)處理輸出的羅盤方位信息和信標(biāo)臺(tái)碼信息，其輸出數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求，可以排除信號(hào)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(yùn)行正常；通過上述羅盤信道故障排查可知，測(cè)試軟件下發(fā)的控制指令可以成功下達(dá)，證明CAN總線接收通路正常；但控制指令下發(fā)成功后，沒有回傳數(shù)據(jù)，證明CAN總線發(fā)送通路無法上傳數(shù)據(jù)，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(nèi)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(hào)處理發(fā)送的數(shù)據(jù)，打包后發(fā)送給信號(hào)處理或CAN總線控制器；CAN總線控制器接收系統(tǒng)或通用總線控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送給通用總線控制器或系統(tǒng)，兩路CAN各用一個(gè)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(hào)隔離，兩路CAN的接收共用一個(gè)光耦，發(fā)送共用一個(gè)光耦[9]。

根據(jù)模塊接口電路工作原理，形成如圖4所示的二級(jí)故障樹，并進(jìn)行進(jìn)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(yùn)行正常；用示波器測(cè)量通用總線控制器輸出數(shù)據(jù)，其輸出數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)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(cè)量CAN總線接收通路的信號(hào)隔離光耦D4，其輸入輸出數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求，可以排除光耦D4故障。

再用示波器測(cè)量CAN總線發(fā)送通路的信號(hào)隔離光耦HCPL063L（型號(hào)HCPL063L） ，其輸入數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，但無輸出數(shù)據(jù)，可以初步確定發(fā)送通路的光耦HCPL063L存在故障。進(jìn)一步排查光耦HCPL063L的故障，除輸入輸出引腳外，用萬用表測(cè)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(diǎn)） 測(cè)量+3.3V供電情況，電壓為0，再測(cè)量與HCPL063L-8引腳直接相連的電源過孔（圖5中B點(diǎn)） ，電壓為+3.26V，符合設(shè)計(jì)要求；關(guān)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(diǎn)） 測(cè)量接地情況，HCPL063L-5引腳與大地導(dǎo)通，證明接地良好；再用萬用表通斷檔在光耦HCPL063L-8引腳上測(cè)量圖5中A、B兩點(diǎn)的導(dǎo)通情況，兩點(diǎn)之間不導(dǎo)通；繼續(xù)測(cè)量HCPL063L-8引腳對(duì)應(yīng)的印制板焊盤A、B兩點(diǎn)的導(dǎo)通情況，兩點(diǎn)之間導(dǎo)通，證明HCPL063L-8引腳與其對(duì)應(yīng)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(cè)量，此時(shí)A、B兩點(diǎn)導(dǎo)通。加電后，用示波器測(cè)量光耦HCPL063L輸出數(shù)據(jù)，符合設(shè)計(jì)要求。再測(cè)量CAN總線收發(fā)器，其輸入輸出數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)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(cè)量CAN總線接收通路的CAN總線收發(fā)器，其輸入輸出數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求，可以排除CAN總線控制器故障。

再用示波器測(cè)量CAN總線發(fā)送通路的CAN總線收發(fā)器，由于其上級(jí)光耦HCPL063L無輸出數(shù)據(jù)，所以CAN總線收發(fā)器輸入輸出均無數(shù)據(jù)，不能排除CAN總線控制器故障。

4.6 故障定位結(jié)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(xiàn)虛焊。模塊在外場(chǎng)使用過程中，受外部機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)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(dǎo)致光耦HCPL063L不工作，最終使CAN總線通信功能失效，系統(tǒng)顯示模塊報(bào)故。

5 結(jié)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(jù)模塊工作原理及硬件組成，科學(xué)應(yīng)用故障樹分析法建立兩級(jí)故障樹，快速完成了故障分析，準(zhǔn)確定位故障器件，提高了故障排查工作效率，為飛行任務(wù)順利執(zhí)行增加保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理：精簡(jiǎn)本[M].6版.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 吳苗，朱銀兵，李方能，等.無線電導(dǎo)航原理與信號(hào)接收技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[3] 魏選平，卞樹檀.故障樹分析法及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2004（3）：43-45.

[4] 梁征，周玉宏.故障樹方法綜述[J].公安海警學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11（1）：37-39.

[5] 柯銘銘，路平.故障樹在無人機(jī)發(fā)射機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：18-20.

[6] 董理濛，李勇.基于軟件無線電的羅盤激勵(lì)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（3）：38-41.

[7] 黎逸.無線電羅盤接收機(jī)解調(diào)和接口模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[8] 弋沛琦，高瑞乾，劉石源.飛機(jī)著陸系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].海軍航空工程學(xué)院院報(bào)，2005，20（4）：25-30.

[9] 姚宗橋.儀表著陸機(jī)載設(shè)備的數(shù)字信號(hào)處理[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2006.

[10] 溫濱.機(jī)載數(shù)字化羅盤控制盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

【通聯(lián)編輯：梁書】