劉仁浩，李 然，段宇婷，姜云濤，夏金秀

(1.北京航天自動控制研究所，北京 100854; 2.航天科工空間系統(tǒng)總體部，北京 100854)

0 引言

在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈研制和使用過程中，除了保證系統(tǒng)飛行過程各環(huán)節(jié)的高可靠性外，還必須保證導(dǎo)彈在發(fā)射前功能正常、性能良好，保證安全、準時發(fā)射，需要導(dǎo)彈控制系統(tǒng)具有良好的測試性[1]。當(dāng)前部隊每裝備一型導(dǎo)彈，就需要配套相應(yīng)的地面輔助測試設(shè)備，需要在技術(shù)陣地通過單機單元測試、分系統(tǒng)測試和總檢查測試等一系列測試工作來判斷導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的健康狀態(tài)。在發(fā)射陣地還需進行大量射前檢查以確保任務(wù)可靠性，存在測試程序時間長，工序冗繁，部隊勤務(wù)工作量大，保障成本高等諸多問題，嚴重制約導(dǎo)彈武器系統(tǒng)快速反應(yīng)能力的提升[2]。能否及時檢測和隔離故障，保證導(dǎo)彈安全、準時發(fā)射將直接影響導(dǎo)彈武器裝備的效能，機內(nèi)測試(Built-In Test，BIT)是解決此類問題的有效途徑，還是實現(xiàn)系統(tǒng)故障容錯、重構(gòu)的基礎(chǔ)[3-9]。BIT是指系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力，是聯(lián)機檢測技術(shù)的新發(fā)展[10]。

圖2 兩級常規(guī)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)組成框圖

新一代導(dǎo)彈控制系統(tǒng)大量采用集成電路、微處理器技術(shù)以及總線通信技術(shù)，為實現(xiàn)BIT設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。根據(jù)新一代導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計特點，在少量增加甚至不增加彈上設(shè)備資源開銷的前提下，提出一種分布式與集中式相結(jié)合的BIT測試方法，該測試方案僅利用導(dǎo)彈控制系統(tǒng)彈上已有資源，在無外部設(shè)備輔助測試的條件下覆蓋控制系統(tǒng)所有硬件資源，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)工作狀態(tài)和工作性能的評估，發(fā)現(xiàn)并定位故障，輔助決策導(dǎo)彈是否可以投入戰(zhàn)備和作戰(zhàn)使用。

1 BIT功能、組成及基本原理

BIT技術(shù)是依靠其內(nèi)部專設(shè)的自檢測電路和自檢測軟件，來完成系統(tǒng)自身工作參數(shù)檢測、故障診斷與隔離的一種綜合能力，BIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[11-13]。

圖1 BIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

BIT結(jié)構(gòu)從總體上可分為分布式和集中式兩種結(jié)構(gòu)。分布式BIT結(jié)構(gòu)是指分系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計有各自的故障檢測和隔離功能，并根據(jù)其測試結(jié)果，利用歸納法來判斷系統(tǒng)是否正常；集中式BIT重點針對分布式BIT不覆蓋項，由系統(tǒng)中央處理器收集各狀態(tài)信息，并利用系統(tǒng)級測試與診斷功能判斷系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)[14-15]。根據(jù)系統(tǒng)特點和使用模式，BIT使用模式又可分為加電BIT、啟動BIT、周期BIT和連續(xù)BIT[16]。加電BIT主要在系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)前快速檢測裝備是否正常，能否投入正常使用，給出通過或不通過的指示。啟動BIT用于執(zhí)行專項測試，主要用于檢測系統(tǒng)關(guān)鍵功能特性和隔離系統(tǒng)級故障。周期BIT和連續(xù)BIT是在系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)過程中連續(xù)地或周期性地監(jiān)測裝備各組成部分的工作狀況，特別是對影響安全和任務(wù)關(guān)鍵的部件，主要用于系統(tǒng)故障隔離和系統(tǒng)工作性能評估。

2 控制系統(tǒng)組成及BIT總體方案

以常規(guī)兩級戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈為例，控制系統(tǒng)主要由飛控計算機、捷聯(lián)慣性測量組合、雷達導(dǎo)引頭、控制電池以及各級段伺服機構(gòu)和總線電纜網(wǎng)等組成組成，如圖2所示。

各單機均按功能采用模塊化設(shè)計，內(nèi)部集成的微處理器為分布式BIT設(shè)計提供了軟硬件資源。各單機通過彈上總線實現(xiàn)互聯(lián)互通，其中飛控計算機既是飛行控制中心，也是系統(tǒng)測試控制中心，便于集中式BIT設(shè)計。據(jù)此將控制系統(tǒng)BIT基本結(jié)構(gòu)分為針對各單機檢測的分布式BIT和以飛控計算機為中心對系統(tǒng)進行綜合診斷的集中式BIT兩個層級。

基于控制系統(tǒng)分布式和集中式BIT架構(gòu)，導(dǎo)彈交付用戶后的測試可分為技術(shù)陣地測試和發(fā)射陣地測試兩大階段，技術(shù)陣地測試要求在動態(tài)激勵下對控制系統(tǒng)功能、技術(shù)參數(shù)、工作程序、動作協(xié)調(diào)性進行綜合檢查確認。為使導(dǎo)彈經(jīng)常處于良好戰(zhàn)備可用狀態(tài)，需要在技術(shù)陣地對導(dǎo)彈進行定期的、不定期的或預(yù)防性的測試，只有技術(shù)陣地測試合格的導(dǎo)彈才轉(zhuǎn)入發(fā)射陣地。發(fā)射陣地測試只對系統(tǒng)重要單機功能進行檢查，要求測試快速、連續(xù)、自動，測試項目作為發(fā)控流程的一部分。仍以常規(guī)兩級戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈為例，針對上述典型使用階段測試需求，采用分布式與集中式相結(jié)合的BIT測試架構(gòu)，控制系統(tǒng)BIT模式及工作原理如表1所示。

導(dǎo)彈使用階段控制系統(tǒng)BIT工作流程如圖3所示，導(dǎo)彈交付入庫后，在原位按需求進行開機自檢和功能測試，測試過程中監(jiān)測單機和系統(tǒng)功能參數(shù)，以確認導(dǎo)彈狀態(tài)，對需要維修的導(dǎo)彈則轉(zhuǎn)入維修程序。BIT項目可根據(jù)需要單選或多選，測試開關(guān)的接通與斷開可通過測發(fā)控軟件界面選擇。當(dāng)接到發(fā)射任務(wù)后，導(dǎo)彈機動至發(fā)射陣地，起豎前進行開機自檢，自檢流程融入發(fā)射流程，如發(fā)現(xiàn)故障則轉(zhuǎn)入維修程序。導(dǎo)彈點火起飛后啟動單機及系統(tǒng)功能參數(shù)監(jiān)測BIT，經(jīng)遙測實時記錄并下傳，用于導(dǎo)彈性能評估。

在技術(shù)陣地原位運行開機自檢和系統(tǒng)功能測試，測試過程中對單機和系統(tǒng)的功能參數(shù)進行了監(jiān)測，測試過程可在無外部測試設(shè)備輔助條件下覆蓋控制系統(tǒng)所有硬件資源，實現(xiàn)對導(dǎo)彈工作狀態(tài)和工作性能的評估，發(fā)現(xiàn)并定位故障，決策導(dǎo)彈是否可以投入戰(zhàn)備和作戰(zhàn)使用。

表1 導(dǎo)彈控制系統(tǒng)BIT模式及工作原理

圖3 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈使用階段控制系統(tǒng)BIT工作流程

3 控制系統(tǒng)BIT設(shè)計方法

3.1 控制系統(tǒng)單機分布式BIT設(shè)計

控制系統(tǒng)各單機主要由功能部件和信號處理與控制電路兩大部分組成，其中各單機信號處理與控制電路技術(shù)路線類似，主要由各類DSP、FPGA、A/D采樣電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、總線數(shù)據(jù)通信接口模塊和電源模塊等組成，BIT設(shè)計時通常根據(jù)各模塊特點進行故障建模得出故障樹，根據(jù)故障樹設(shè)計針對性的BIT檢測算法[17]。根據(jù)控制系統(tǒng)單機設(shè)計特點，對于此類電路采用下述方法實現(xiàn)BIT測試。

1)自閉環(huán)測試：利用各功能模塊內(nèi)DSP、FPGA等數(shù)字器件運算控制資源，在電路內(nèi)部設(shè)置握手及狀態(tài)查詢程序自檢和互檢程序，完成數(shù)字信號處理電路的自閉環(huán)測試。

2)模擬電路回繞測試：在電路中設(shè)置電子開關(guān)或繼電器等支持電路，采用信號回繞方式實現(xiàn)D/A輸出與A/D采樣電路互檢，同時完成電源模塊輸出特性檢測。

3)工作狀態(tài)在線監(jiān)測：利用信號處理電路信息采集通道對單機工作指示信號、工作電壓、電流等表征單機工作狀態(tài)的信息進行在線周期性監(jiān)測。對于雷達導(dǎo)引頭、捷聯(lián)慣性測量組合和伺服機構(gòu)等單機的功能部組件，可結(jié)合單機具體功能利用單機或自然環(huán)境提供的測試激勵實現(xiàn)BIT測試。

3.1.1 雷達導(dǎo)引頭BIT

雷達導(dǎo)引頭普遍采用數(shù)字陣列體制，主要由天線單元、綜合射頻單元和信號處理單元組成，如圖4所示。

圖4 雷達導(dǎo)引頭系統(tǒng)BIT組成框圖

雷達導(dǎo)引頭BIT測試的核心是發(fā)射和接收通道測試，利用雷達導(dǎo)引頭自身工作特點對雷達T/R組件進行輪替測試，一次測試只開一個T/R組件的發(fā)射通道，發(fā)射信號經(jīng)回波信號選擇網(wǎng)絡(luò)分配到其余T/R組件的接收支路，獲取每個接收信號的幅度值和相位值參數(shù)，按此方式對雷達全部T/R組件進行遍歷測試后即可判定發(fā)射通道和接收通道是否正常，同時可達到對雷達導(dǎo)引頭天線單元、綜合射頻單元和信號處理單元進行功能檢測的目的。

3.1.2 捷聯(lián)慣性測量組合BIT

捷聯(lián)慣性測量組合主要由3只加速度計、3只陀螺、I/F電路板、陀螺控制電路、數(shù)據(jù)采集處理電路以及框架控制及測角電路組成，如圖5所示。

圖5 捷聯(lián)慣性測量組合BIT組成框圖

靜基座環(huán)境下利用當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭0和地球自轉(zhuǎn)角速度ωie(取15.04°/h)為激勵，獲取慣組陀螺和加速度計在一定時間ΔT內(nèi)輸出值，建立下述關(guān)系式：

(1)

(2)

Ai=x,y,z、Gi=x,y,z分別是慣組x,y,z三軸捷聯(lián)加速度計和陀螺在ΔT內(nèi)的輸出均值，Δg、Δω分別是加速度通道和角速率通道合格門限值。此外，對于三自慣組可通過轉(zhuǎn)動其內(nèi)部框架獲得姿態(tài)激勵，對Ai=x,y,z和Gi=x,y,z輸出極性進行測試，依據(jù)上述方法可判斷捷聯(lián)慣性測量組合功能是否正?？捎谩?/p>

3.1.3 伺服機構(gòu)BIT

伺服機構(gòu)由伺服控制器和機電作動器組成，BIT原理如圖6所示。

圖6 伺服機構(gòu)BIT組成框圖

伺服控制器根據(jù)飛控計算機發(fā)出的角度指令驅(qū)動機電作動器動作，使得導(dǎo)彈氣動舵面或發(fā)動機噴管按給定的角度偏轉(zhuǎn)。根據(jù)這一特點，在空間給定一個特定位置，伺服控制器運行自測試程序驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動舵偏向該位置，判斷測量角位置與設(shè)計角度之差是否符合設(shè)計判斷門限，據(jù)此判斷伺服機構(gòu)工作狀態(tài)是否正常。

3.2 控制系統(tǒng)集中式BIT設(shè)計

控制系統(tǒng)火工品控制通路、電磁閥控制通路、通信總線等設(shè)備未嵌入微處理器，不具備單機自檢測功能，制導(dǎo)系統(tǒng)、姿態(tài)控制以及安全自毀系統(tǒng)功能等無法通過單機BIT測試覆蓋，需要由系統(tǒng)飛控計算機來收集各狀態(tài)信息，利用系統(tǒng)級測試與診斷功能判斷系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài)。

1)火工品通路測試：以n路火工品H1、H2……Hn為例，測試電路如圖7所示。測試激勵恒流源、測控開關(guān)KA1、KA2均設(shè)置在飛控計算機BIT專用測試模塊內(nèi)，K1……Kn為彈上火工品時序控制開關(guān)，上述開關(guān)均受飛控計算機控制。

圖7 火工品通路BIT組成框圖

測試時，KA1、KA2先閉合，再依次閉合K1……Kn，飛控計算機A/D采樣電路實時記錄+BF、-BF母線間的電壓，恒流源輸出電流I遠小于火工品安全電流，據(jù)此可測量計算得到各通道限流電阻Rn、火工品阻值和線纜電阻的控制回路總阻值，根據(jù)回路總阻值可判斷火工品是否連接好，確保無漏接。此外，通過比較分析時序控制開關(guān)閉合前后回路總阻值變化情況辨識火工品時序通路有無誤接通，避免±BF母線上電后發(fā)生時序誤啟動等安全隱患。

2)電磁閥控制通路測試：以n路電磁閥DC1、DC2……DCn為例，對電磁閥控制通路的BIT測試實現(xiàn)方式與火工品通路測試類似，測試電路如圖8所示，所不同的是依據(jù)電磁閥特性選用了恒壓源作為測試激勵，恒壓源、測控開關(guān)KV1、KV2和取樣電阻R0串聯(lián)在電磁閥控制回路中。

圖8 電磁閥通路BIT組成框圖

測試時，KV1、KV2先閉合，再依次閉合K1……Kn，飛控計算機A/D采樣電路實時記錄取樣電阻R0兩端的電壓，從而獲得電磁閥接通過程電流變化趨勢，以此分析判斷電磁閥是否工作，同時對電磁閥控制通道的連接狀態(tài)進行實時測試。

圖9 制導(dǎo)系統(tǒng)BIT組成框圖

3)通信總線測試：以兩級導(dǎo)彈為例，全彈使用A、B兩路1553B總線通信，全彈有彈地、一二級和頭體3個分離面，每個分離面均設(shè)置了總線切換開關(guān)。導(dǎo)彈飛行過程中，在各級段分離前控制相應(yīng)分離面總線開關(guān)完成1553B總線由接通下一級狀態(tài)切換至接通本級匹配電阻，實現(xiàn)控制總線轉(zhuǎn)級。為實現(xiàn)總線通信功能和轉(zhuǎn)級功能測試，在飛控計算機中設(shè)置測試程序，分別通過A、B兩路總線逐個檢測總線上各站點的自檢結(jié)果，以此測試總線通信功能。再順序切換各轉(zhuǎn)級總線開關(guān)，通過地面測發(fā)控顯控計算機監(jiān)聽總線數(shù)據(jù)判斷總線開關(guān)切換功能是否正常。

4)制導(dǎo)系統(tǒng)測試：飛控計算機測試程序根據(jù)標準彈道向制導(dǎo)模塊發(fā)送模擬飛行環(huán)境的加速度、角速度和末制導(dǎo)探測信息，飛控計算機執(zhí)行飛行程序，測發(fā)控系統(tǒng)計算機通過總線監(jiān)聽和記錄伺服控制指令、時序控制指令和遙測數(shù)據(jù)，以驗證制導(dǎo)系統(tǒng)正確性。

5)姿控系統(tǒng)測試：姿控系統(tǒng)測試是檢查姿態(tài)控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)參數(shù)是否符合規(guī)定的技術(shù)要求，通路極性是否正確，測試原理如圖10所示。

圖10 姿態(tài)控制系統(tǒng)BIT組成框圖

靜、動態(tài)特性測試是指對姿態(tài)敏感裝置和校正網(wǎng)絡(luò)增益控制環(huán)節(jié)的靜態(tài)和動態(tài)性能測試，通路極性測試的目的是檢查姿態(tài)控制系統(tǒng)各組成儀器之間的通路和極性是否正常，把系統(tǒng)隱性故障充分激發(fā)出來，以在短時間內(nèi)確認系統(tǒng)控制功能的正確性[18-19]。校正網(wǎng)絡(luò)增益控制環(huán)節(jié)主要由算法軟件實現(xiàn)，其性能由設(shè)計狀態(tài)確定，導(dǎo)彈交付后可免測試，系統(tǒng)重點考慮通路極性BIT設(shè)計。測試時控制慣組內(nèi)臺體轉(zhuǎn)動，給出姿態(tài)角和姿態(tài)角速度信號，測發(fā)控計算機記錄伺服機構(gòu)控制指令和舵或噴管擺動位置，以此判斷偏航、俯仰和滾動三個通道的極性是否正常。

6)安全自毀功能測試：與系統(tǒng)極性測試類似，控制慣組內(nèi)臺體轉(zhuǎn)動，先后模擬彈體的偏航角和俯仰角超過允許的角度范圍，測發(fā)控計算機記錄飛控計算機發(fā)出的自毀指令，以此判斷偏航、俯仰通道的安全自毀是否正常。

4 結(jié)束語

導(dǎo)彈控制系統(tǒng)BIT設(shè)計是系統(tǒng)頂層設(shè)計，其主要設(shè)計內(nèi)容主要包括單機級分布式BIT設(shè)計和系統(tǒng)級集中式BIT設(shè)計兩個層次。根據(jù)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)特點，給出了控制系統(tǒng)中主要單機和系統(tǒng)的BIT設(shè)計方法及工程實施方案，在不使用地面輔助測試設(shè)備的前提下，以最小的硬件軟件開銷實現(xiàn)了BIT自測試，實現(xiàn)了導(dǎo)彈技術(shù)準備測試和射前檢查的自測試功能，可有效提高部隊的生存能力和機動作戰(zhàn)能力，為導(dǎo)彈或運載火箭控制系統(tǒng)測試性、維修性、保障性以及故障容錯與重構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)參考。