崔旭輝

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引言

雷達(dá)敵我識(shí)別系統(tǒng)(IFF)采用二次雷達(dá)“詢問(wèn)/應(yīng)答”的協(xié)同方式工作[1]，航管(ATC)二次雷達(dá)廣泛應(yīng)用于各個(gè)國(guó)家的民航管理和監(jiān)視[2]，由于兩種系統(tǒng)工作方式相同，且天線可以共用，因此兩種二次雷達(dá)(SSR)系統(tǒng)的一體化、集成設(shè)計(jì)是新型裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在IFF與ATC二次雷達(dá)的一體化系統(tǒng)中，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是保持IFF和ATC二次雷達(dá)的功能相對(duì)獨(dú)立，信道獨(dú)立，信號(hào)處理獨(dú)立，這種設(shè)計(jì)工作流程控制簡(jiǎn)單，但是當(dāng)某一功能的通道故障時(shí)，系統(tǒng)就喪失了該功能，直至手動(dòng)更換了正常備件才能恢復(fù)該功能。此外，裝備的傳統(tǒng)備份方法一般有兩種，一是增加隨機(jī)備件，其弊端是更換備件時(shí)需要人工操作，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間與更換備件的時(shí)間大于5 min，在作戰(zhàn)等緊急情況下其弱點(diǎn)更為明顯;二是增加一套相同設(shè)備進(jìn)行熱備份，其弊端是增加了系統(tǒng)數(shù)量，也就相應(yīng)增加了系統(tǒng)各項(xiàng)成本，增大了加裝、管理和維護(hù)難度。

針對(duì)上述常規(guī)設(shè)計(jì)中設(shè)備任務(wù)可靠性低、備份成本開(kāi)銷大的缺點(diǎn)，本文提出一種簡(jiǎn)便、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)有效的機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)選擇正常的任務(wù)通道，在一路通道正常的情況下也能完成IFF和ATC二次雷達(dá)功能;同時(shí)還能有效利用已有的硬件資源，使原本獨(dú)立的通道變?yōu)榛閭浞萃ǖ?，提供了一種簡(jiǎn)單靈活的熱備份方法。這種設(shè)計(jì)方法適用于IFF和ATC二次雷達(dá)一體化、集成設(shè)計(jì)平臺(tái)，也可以在其他綜合集成平臺(tái)上推廣。同時(shí)，在系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)中采用了集中－分布式[3]相結(jié)合的BIT設(shè)計(jì)方式，在集中式BIT設(shè)計(jì)中采用環(huán)繞測(cè)試方式[4]，通過(guò)融合集中式BIT結(jié)果和分布式BIT結(jié)果，完成通道狀態(tài)的判斷，能夠?qū)⒐收隙ㄎ坏浆F(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU)。這種BIT設(shè)計(jì)方法在提高故障檢測(cè)率的同時(shí)有效降低了系統(tǒng)的虛警概率，提高了系統(tǒng)的測(cè)試性和維修性。

2 IFF和ATC綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

二次雷達(dá)綜合系統(tǒng)集成了IFF功能和ATC功能，主要包括詢問(wèn)天線、信道、信號(hào)處理分機(jī)、綜合控制分機(jī)及開(kāi)關(guān)矩陣等。在圖1所示的IFF與ATC一體化設(shè)備中，IFF與ATC通常的連接方法是在詢問(wèn)天線和信道間微波開(kāi)關(guān)或功分器相連，信道與信號(hào)處理分機(jī)直接相連。

圖1 IFF與ATC一體化設(shè)備常規(guī)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The ordinary IFF and ATC integration equipment

上述設(shè)計(jì)中，IFF與ATC功能相對(duì)獨(dú)立，控制流程簡(jiǎn)單，但是這種集成設(shè)計(jì)沒(méi)有系統(tǒng)功能重構(gòu)的能力，只能通過(guò)更換備件的方式恢復(fù)功能。因此，為了提高系統(tǒng)的生存能力，可以在圖1設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，IFF與ATC二次雷達(dá)的信道、信號(hào)處理分機(jī)設(shè)計(jì)完全相同，即信道、信號(hào)處理分機(jī)的設(shè)計(jì)兼容IFF與ATC二次雷達(dá)的需求。系統(tǒng)主要組成部分的原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要組成部分原理框圖Fig.2 The main components of the system

圖2 中，兩路信道通過(guò)一個(gè)微波開(kāi)關(guān)矩陣與詢問(wèn)天線相連，通過(guò)綜合控制分機(jī)的控制，可以選擇某一信道與詢問(wèn)天線相連;兩路信道通過(guò)一個(gè)中頻開(kāi)關(guān)矩陣分別連接兩路信號(hào)處理分機(jī)，通過(guò)綜合控制分機(jī)的控制，可以選擇信道與某一信號(hào)處理分機(jī)連通，這樣系統(tǒng)就具有了系統(tǒng)重構(gòu)功能。

中頻開(kāi)關(guān)矩陣由兩級(jí)N組單刀雙擲開(kāi)關(guān)組成，其中N值由信號(hào)處理與信道間的信號(hào)通道數(shù)決定。綜合控制分機(jī)可以通過(guò)一組控制線或一路通信接口等方式控制此中頻開(kāi)關(guān)矩陣，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)開(kāi)關(guān)4種狀態(tài)的控制，即導(dǎo)通信道1與信號(hào)處理分機(jī)1、導(dǎo)通信道1與信號(hào)處理分機(jī)2、導(dǎo)通信道2與信號(hào)處理分機(jī)1、導(dǎo)通信道2與信號(hào)處理分機(jī)2。

微波開(kāi)關(guān)矩陣由N組單刀雙擲開(kāi)關(guān)組成，其中N的值由射頻信號(hào)RF的通道數(shù)決定。綜合控制分機(jī)可以通過(guò)一組控制線或一路通信接口等方式控制此微波開(kāi)關(guān)矩陣，實(shí)現(xiàn)N組開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)的控制，即導(dǎo)通詢問(wèn)天線與信道1、導(dǎo)通詢問(wèn)天線與信道2。

3 系統(tǒng)BIT流程及通道控制

綜合控制分機(jī)每間隔5～30 min向兩路信道和信號(hào)處理分機(jī)發(fā)送周期BIT命令;信道和信號(hào)處理分機(jī)收到綜合控制分機(jī)的周期BIT命令后分別進(jìn)行自檢，并將BIT結(jié)果送綜合控制分機(jī);綜合控制分機(jī)會(huì)保存最近一次的自檢結(jié)果，在執(zhí)行每次的任務(wù)前都要根據(jù)此結(jié)果配置正常的通道以保證順利完成任務(wù)。綜合控制分機(jī)通道控制流程如圖3所示。

圖3 綜合控制分機(jī)通道控制流程圖Fig.3 Design flow of the integrated control extension control channels

如當(dāng)前啟動(dòng)的是IFF任務(wù)時(shí)，綜合控制分機(jī)根據(jù)保存的最近一次BIT結(jié)果先判斷IFF信號(hào)處理分機(jī)(初始為信號(hào)處理分機(jī)1)是否正常，如正常再判斷信道1是否正常;如IFF信號(hào)處理分機(jī)不正常，再判斷ATC信號(hào)處理分機(jī)(初始為信號(hào)處理分機(jī)2)是否正常，并根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)選擇是否將ATC信號(hào)處理分機(jī)重構(gòu)為IFF信號(hào)處理分機(jī)。配置好信號(hào)處理分機(jī)后判斷信道1是否正常，如信道1正常，則控制微波開(kāi)關(guān)矩陣和中頻開(kāi)關(guān)矩陣將詢問(wèn)天線－信道1－IFF信號(hào)處理分機(jī)連通，利用信道1完成IFF任務(wù);如信道1不正常，再判斷信道2是否正常，如信道2正常則控制微波開(kāi)關(guān)矩陣和中頻開(kāi)關(guān)矩陣將詢問(wèn)天線－信道2－IFF信號(hào)處理分機(jī)連通，利用信道2完成IFF任務(wù);如兩信道均不正常則不能完成IFF任務(wù)。當(dāng)ATC任務(wù)啟動(dòng)時(shí)與IFF任務(wù)執(zhí)行流程相似。

由于IFF和ATC二次雷達(dá)分時(shí)工作的方式?jīng)Q定了IFF和ATC二次雷達(dá)功能不會(huì)產(chǎn)生信道使用上的沖突，采用本設(shè)計(jì)方法可保證每個(gè)功能均有兩個(gè)信道保障其順利完成任務(wù)。

系統(tǒng)加電時(shí)需對(duì)信號(hào)處理分機(jī)進(jìn)行初始功能配置，如IFF占用信號(hào)處理分機(jī)1、ATC占用信號(hào)處理分機(jī)2，由于信號(hào)處理分機(jī)內(nèi)程序動(dòng)態(tài)加載時(shí)間較長(zhǎng)，在兩路信號(hào)處理分機(jī)均正常的情況下不進(jìn)行重構(gòu)，僅自動(dòng)根據(jù)信道故障情況選擇正常信道工作。當(dāng)一路信號(hào)處理分機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，是否需要進(jìn)行重構(gòu)根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判斷;如IFF任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于航管任務(wù)，而初始默認(rèn)IFF信號(hào)處理分機(jī)故障時(shí)，可將原默認(rèn)的ATC信號(hào)處理分機(jī)重構(gòu)為IFF信號(hào)處理分機(jī)。關(guān)于信號(hào)處理中DSP、FPGA動(dòng)態(tài)重配置的相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)較多，本文不再重點(diǎn)描述。

4 系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)

由于對(duì)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行通道分配時(shí)要依據(jù)BIT結(jié)果，就需要系統(tǒng)BIT虛警率低，且能夠?qū)⒐收隙ㄎ坏絃RU(現(xiàn)場(chǎng)可更換單元)。因此，采用了集中－分布式BIT設(shè)計(jì)，以集中式BIT為系統(tǒng)BIT框架，在LRU間采用分布式BIT，通過(guò)集中與分布式BIT相結(jié)合的方式對(duì)任務(wù)通道進(jìn)行快速檢測(cè)與診斷，將故障定位到LRU，并完成執(zhí)行任務(wù)通道的選擇。

LRU間的分布式BIT設(shè)計(jì)原理框圖見(jiàn)圖4，針對(duì)LRU的關(guān)鍵部件、典型故障進(jìn)行相應(yīng)的BIT設(shè)計(jì)。綜合控制分機(jī)向信號(hào)處理分機(jī)發(fā)出BIT命令，信號(hào)處理分機(jī)對(duì)關(guān)鍵處理部件 CPU、FPGA、A/D、D/A等的狀態(tài)進(jìn)行檢查，并將自檢點(diǎn)結(jié)果送至綜合控制分機(jī);綜合控制分機(jī)向信道分機(jī)中的接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、頻率源發(fā)出BIT命令，并由綜合控制分機(jī)收集各個(gè)LRU的自檢點(diǎn)信息，進(jìn)行匯總后判斷出該信道分機(jī)是否正常。其中，信道分機(jī)的各個(gè)自檢點(diǎn)主要包含接收輸出電平、發(fā)射功率輸出、發(fā)射檢波信號(hào)、駐波、頻率源鎖定等信息[5－6]。

圖4 分布式BIT設(shè)計(jì)原理框圖Fig.4 The block diagram of distributed BIT design

如果系統(tǒng)BIT只采用上述分布式BIT設(shè)計(jì)，由于BIT設(shè)計(jì)的局限性或BIT設(shè)計(jì)本身可靠性低等原因，會(huì)存在BIT虛警率較高的情況，因此本設(shè)計(jì)還采用了一種環(huán)繞測(cè)試方法，此方法是將主動(dòng)激勵(lì)信號(hào)或者電路既有輸出信號(hào)回繞到輸入端進(jìn)行采集，通過(guò)分析這個(gè)回繞信號(hào)來(lái)判斷電路是否發(fā)生故障的方法，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。綜合控制分機(jī)向信道分機(jī)、信號(hào)處理分機(jī)發(fā)出環(huán)繞測(cè)試命令后，頻率源輸出的接收本振和發(fā)射載波信號(hào)使得接收機(jī)和發(fā)射機(jī)工作在相同頻點(diǎn);信號(hào)處理分機(jī)將一組約定的IF信號(hào)輸出給發(fā)射機(jī);IF信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)功率放大后輸出RF信號(hào)并通過(guò)空間耦合至接收機(jī);RF信號(hào)經(jīng)接收機(jī)混頻、放大、濾波后輸出IF信號(hào)，再送至處理分機(jī);信號(hào)處理分機(jī)將收到的信號(hào)與發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如一致則認(rèn)為該通道正常，否則異常，最后將環(huán)繞測(cè)試結(jié)果送綜合控制分機(jī)。這種環(huán)繞測(cè)試設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)試的準(zhǔn)確度高，只要通道中出現(xiàn)影響系統(tǒng)功能的故障，通過(guò)這種環(huán)繞測(cè)試均能判斷，可以消除分布式BIT的虛警。此外，這種環(huán)繞測(cè)試設(shè)計(jì)中沒(méi)有增加任何硬件投入，也就沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)的基本可靠性產(chǎn)生影響。

圖5 環(huán)繞測(cè)試設(shè)計(jì)原理框圖Fig.5 The block diagram of wrap － around test

但是，如果只采用上述環(huán)繞測(cè)試，不結(jié)合分布式BIT結(jié)果，就不能將故障定位到LRU，那么系統(tǒng)的故障隔離率將不能滿足要求。因此需要采用集中－分布式相結(jié)合的BIT設(shè)計(jì)方式，綜合控制分機(jī)將分布式BIT結(jié)果和環(huán)繞測(cè)試結(jié)果融合處理，既可完成通道狀態(tài)的判斷，又能夠?qū)⒐收隙ㄎ坏絃RU并上報(bào)至系統(tǒng)。綜合控制分機(jī)的綜合診斷流程如圖6所示。

這種BIT設(shè)計(jì)方法在提高故障檢測(cè)率的同時(shí)有效降低了系統(tǒng)的虛警概率，除必要的分布式BIT硬件設(shè)計(jì)外，集中式BIT設(shè)計(jì)不需要增加額外BIT硬件電路，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的基本可靠性帶來(lái)不利影響[7]。

圖6 綜合診斷流程Fig.6 The flow of the integrated diagnosis

5 結(jié)束語(yǔ)

雙通道互備份設(shè)計(jì)和集中－分布式BIT設(shè)計(jì)技術(shù)為本設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵技術(shù)，巧妙組合兩種技術(shù)，可充分利用IFF、SSR雙系統(tǒng)通道資源，能自動(dòng)、準(zhǔn)確地獲取BIT結(jié)果，并即時(shí)地動(dòng)態(tài)修改連接通路，不需額外增加備份系統(tǒng)，便捷實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)的熱備份。

通過(guò)采用集中－分布的BIT設(shè)計(jì)方式，在提高系統(tǒng)故障檢測(cè)率的同時(shí)有效降低了系統(tǒng)的虛警概率，提高了IFF與ATC二次雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)試性、維修性和可靠性。在不增加設(shè)備數(shù)量的前提下，有效利用已有的信道資源，根據(jù)BIT結(jié)果通過(guò)開(kāi)關(guān)控制將原本獨(dú)立的IFF和ATC通道設(shè)計(jì)為對(duì)方的備份通道，通過(guò)重構(gòu)使IFF和ATC功能在有一路通道正常的情況下就能成功執(zhí)行兩種二次雷達(dá)任務(wù)，不用人工干預(yù)自動(dòng)完成切換，大大提高了任務(wù)實(shí)時(shí)、可靠的完成能力。本設(shè)計(jì)方法在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到了較好的應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的綜合性能。

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