杜子妮

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

1 引言

傳統(tǒng)的地面氣象雷達(dá)布置在機(jī)場附近，若載機(jī)上沒有裝備氣象雷達(dá)，與機(jī)組人員報告氣象信息往往通過無線電聯(lián)系，實時性和直觀性不強(qiáng)，而由惡劣天氣造成的災(zāi)難在上世紀(jì)初、中期頻頻發(fā)生。因此，國外在上世紀(jì)七八十年代就著手研究機(jī)載脈沖多普勒氣象雷達(dá)，并在本世紀(jì)初技術(shù)趨于成熟［1］。

載機(jī)裝備了前視氣象雷達(dá)就可以提前探測機(jī)頭遠(yuǎn)區(qū)的雷雨強(qiáng)度信息、大氣湍流信息及低空風(fēng)切變信息，并可實時報告及直觀顯示給飛行員，同時還可將探測到的氣象信息轉(zhuǎn)發(fā)給后面的飛機(jī)及地面雷達(dá)站，便于及時、靈活地比較氣象信息［2］。

因此，機(jī)載氣象雷達(dá)是飛機(jī)對大氣監(jiān)測的重要手段，在對突發(fā)性、災(zāi)難性的氣象環(huán)境監(jiān)測、預(yù)報和警報中具有極其重要的作用。目前，全球所有大中型民用飛機(jī)和軍用運輸機(jī)都裝備有各種類型的氣象雷達(dá)，以便飛機(jī)更加安全、舒適地飛行。

通常，氣象雷達(dá)只有通過國際航空電子設(shè)備適航性認(rèn)證后才能夠裝備載機(jī)。適航性認(rèn)證不僅包括對航空電子硬件設(shè)備的認(rèn)證，同時也包括對電子設(shè)備軟件的認(rèn)證［3］。目前，機(jī)載氣象雷達(dá)硬件架構(gòu)體系比較成熟，而氣象探測功能的實現(xiàn)越來越依賴軟件功能的實現(xiàn)，有“軟件雷達(dá)”著稱。然而，現(xiàn)階段國內(nèi)氣象雷達(dá)湍流、風(fēng)切變探測軟件大多還處于研制階段，對氣象雷達(dá)功能較好的驗證手段如果單從真實載機(jī)試飛來實現(xiàn)，時間周期較長，且成本較高；如果在氣象雷達(dá)軟件試飛前對其進(jìn)行軟件測試，則在較早階段發(fā)現(xiàn)隱藏缺陷，使得缺陷得到及時修復(fù)，且成本和周期得到較好的控制。

2 機(jī)載前視氣象雷達(dá)軟件功能

機(jī)載前視氣象雷達(dá)主要具有氣象、氣象湍流和低空風(fēng)切變探測的功能［4］。

在上述氣象功能中，控制探測波束/時序控制、氣象回波、氣象湍流及風(fēng)切變信號譜分析及圖像處理、人機(jī)交互、系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換等功能均以軟件實現(xiàn)為主。

2.1 氣象探測流程

氣象方式探測載機(jī)航向前方的雷雨天氣，以不同灰度等級顯示雷雨區(qū)雨量和輪廓，提示和告警前方惡劣氣象。降雨率越大，雷達(dá)回波就越強(qiáng)。信號處理軟件對氣象探測的軟件處理流程如圖1所示。

圖1 氣象探測流程圖

2.2 氣象/湍流探測流程

對氣象雷達(dá)而言，湍流是指微粒速度偏差較大的氣象目標(biāo)。速度的偏差可理解為速度的范圍與頻譜，頻譜越寬，湍流越大。根據(jù)湍流速度偏差大小，可將湍流分為輕度、中度和嚴(yán)重湍流。信號處理軟件按照圖2所示的流程來處理并判斷有無湍流，如有，在氣象顯示基礎(chǔ)上標(biāo)注湍流位置。

圖2 氣象/湍流探測流程圖

2.3 風(fēng)切變探測流程

從強(qiáng)地雜波背景下探測微弱的低空風(fēng)切變是機(jī)載前視風(fēng)切變雷達(dá)的技術(shù)難點。當(dāng)載機(jī)在起飛及著陸階段檢測到風(fēng)切變時，根據(jù)風(fēng)切變檢測距離遠(yuǎn)近給予語言、文字和視覺通告等不同危險等級的告警提示。信號處理軟件對風(fēng)切變探測處理流程如圖3所示。

圖3 風(fēng)切變探測流程圖

由上述雷達(dá)軟件功能描述可見，機(jī)載前視氣象雷達(dá)軟件的特點為“處理為主，控制為輔”。氣象雷達(dá)軟件功能主要靠信號處理軟件來實現(xiàn)，其核心的氣象探測算法、大氣湍流探測及風(fēng)切變探測算法的軟件系統(tǒng)集成則是軟件測試的重點。

3 軟件系統(tǒng)測試實現(xiàn)

根據(jù)氣象雷達(dá)軟件功能特點，即氣象強(qiáng)度和形成條件的不同組合會有不同氣象信息的表現(xiàn)，提取覆蓋軟件功能、性能、接口、余量、強(qiáng)度、安全性和可恢復(fù)性7種測試類型的測試需求點［5］。

3.1 關(guān)鍵測試點提取

通過從系統(tǒng)頂層系統(tǒng)需求文件中提取軟件需求，逐項分析并正式評審形成測試需求，一致認(rèn)同該氣象雷達(dá)軟件在功能測試方面要重點關(guān)注以下測試點:

(1）氣象探測方式回波強(qiáng)度不同時圖像顏色顯示是否正確；

(2）氣象強(qiáng)度隨載機(jī)距離的變化是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；

(3）探測在不同方位的雨區(qū)是否正確；

(4）探測不同強(qiáng)度雨區(qū)的重疊是否正確；

(5）湍流分級顯示是否正確；

(6）湍流報警是否正確；

(7）載機(jī)速度不同和湍流方位角較大時探測是否正確；

(8）湍流探測是否隨載機(jī)距離的變化處于穩(wěn)定狀態(tài)；

(9）湍流不同強(qiáng)度的重疊探測是否正確；

(10）風(fēng)切變危險因子的計算是否正確；

(11）不同的風(fēng)切變危險因子下告警功能是否正確。

需要說明的是，以上功能測試點(2）～(4），(7）～(9）項在軟件需求中沒有涉及相關(guān)內(nèi)容，因此提取該測試項對氣象風(fēng)切變雷達(dá)原理需要深入了解，也是本測試項目一個難點所在。運用場景法和猜錯法來設(shè)計相關(guān)測試用例。對同一處氣象信息持續(xù)穩(wěn)定的探測需要雷達(dá)系統(tǒng)具有隨距離不同衰減不同的接收增益曲線，否則會造成同一氣象信息在遠(yuǎn)處探測為小雨，而隨著距離的接近卻錯誤地判斷為中雨或更強(qiáng)的雨區(qū)。不同強(qiáng)度雨區(qū)重疊探測測試也是要驗證軟件處理系統(tǒng)是否充分考慮到此類場景，特別是在一個弱雨區(qū)的后面隱藏著更強(qiáng)的雨區(qū)時，系統(tǒng)應(yīng)給出相應(yīng)的報警提示。湍流的探測是要按照載機(jī)在飛行中的姿態(tài)和速度不同，計算的湍流譜寬有所展寬，在強(qiáng)度的判斷上要分別采用不同的門限，因此設(shè)計測試用例時也要覆蓋此類場景。

同時，在DO-178B 適航性要求中特別提到采用魯棒性測試系統(tǒng)的健壯穩(wěn)定性，設(shè)計以下10 項測試需求，驗證在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的能力:

(1）載機(jī)速度較大或非正常時雷達(dá)工作是否正常；

(2）載機(jī)姿態(tài)角有較大變化時雷達(dá)工作是否正常；

(3）雷達(dá)工作狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換是否正常；

(4）雷達(dá)軟件及數(shù)據(jù)受到破壞雷達(dá)工作是否仍然正常；

(5）能否非法竊取雷達(dá)軟件及數(shù)據(jù)；

(6）顯控功能按鍵互鎖時雷達(dá)工作是否正常；

(7）雷達(dá)軟件是否具有反匯編設(shè)計；

(8）雷達(dá)軟件是否具有防病毒設(shè)計；

(9）載機(jī)慣導(dǎo)異常時雷達(dá)軟件是否工作正常；

(10）氣象、湍流和風(fēng)切變探測3 種方式下掃描寬度快速切換是否正確。

其余測試類型的測試點按照常規(guī)機(jī)載雷達(dá)軟件來分析提取就可以覆蓋軟件需求，這里就不再一一描述。

3.2 測試環(huán)境搭建

分析了測試的關(guān)注點和方法后就要搭建切實可行的測試環(huán)境來執(zhí)行用例。氣象雷達(dá)測試的另一難點在于測試環(huán)境的建立，而建立測試環(huán)境的關(guān)鍵在于氣象回波模擬器的搭建。氣象射頻仿真系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:

(1）模擬機(jī)載氣象雷達(dá)湍流回波信號；

(2）模擬機(jī)載氣象雷達(dá)低空風(fēng)切變回波信號。

首先，采用了假設(shè)場景并模擬雷達(dá)掃描的工作過程來生成雷達(dá)回波。仿真系統(tǒng)根據(jù)美國國家氣象局的分類標(biāo)準(zhǔn)，采用先進(jìn)的流體力學(xué)仿真技術(shù)，分別建立了湍流和風(fēng)切變風(fēng)場模型，自主研發(fā)了湍流和風(fēng)切變仿真軟件，真實模擬了風(fēng)場速度和風(fēng)場的密度分布。

然后，射頻仿真系統(tǒng)通過接收雷達(dá)發(fā)射信號，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部對回波距離、范圍、速度、譜寬和幅度處理后，產(chǎn)生模擬射頻回波信號，注入給雷達(dá)及通過喇叭輻射給雷達(dá)天線。

這樣，利用某研究所結(jié)合了氣象、湍流、風(fēng)切變目標(biāo)仿真建模技術(shù)為一體的氣象回波射頻模擬器和雷達(dá)整機(jī)聯(lián)試環(huán)境就可以搭建完整的測試環(huán)境，如圖4所示。實線框為被測雷達(dá)系統(tǒng)，實線框以外的設(shè)備為測試環(huán)境。通過綜合考慮雷達(dá)軟件開發(fā)特點和運行環(huán)境，充分利用已有設(shè)備和開發(fā)調(diào)試環(huán)境，提出一種交叉測試(cross-testing）環(huán)境。在該測試環(huán)境上可以實現(xiàn)對嵌入式雷達(dá)軟件功能和性能等項目實施有效測試，其中各部分的功能和作用是:

圖4 機(jī)載氣象雷達(dá)軟件系統(tǒng)測試環(huán)境

(1）宿主機(jī)提供雷達(dá)軟件的開發(fā)環(huán)境，用來開發(fā)測試用例，程序插裝，編譯通過后下載；

(2）雷達(dá)整機(jī)設(shè)備是被測程序的運行環(huán)境，利用該設(shè)備現(xiàn)有的可編程觸摸鍵盤和顯示模塊控制測試的執(zhí)行，顯示模塊也可以用來顯示測試輸出；

(3）氣象回波模擬器和喇叭具有較好的可控性，可以模擬氣象、湍流及風(fēng)切變回波強(qiáng)度、距離、譜寬及位置信息，雷達(dá)對氣象目標(biāo)的檢測功能和性能等都可以得到較全面的測試；

(4）專用設(shè)備總線監(jiān)測儀是針對雷達(dá)對外航電通訊總線信息接口的監(jiān)測，通過分析約定格式可以對總線接口信息進(jìn)行通訊再現(xiàn)，從而可以計算總線響應(yīng)時間和有無通訊誤碼；

(5）機(jī)載航電仿真系統(tǒng)模擬航電與雷達(dá)之間的通訊，同時通過模擬顯控系統(tǒng)可以直觀地把雷達(dá)檢測到氣象信息顯示出來，僅僅通過觀測顯示畫面就可以判斷雷達(dá)工作是否正常。

這種交叉測試環(huán)境也是在雷達(dá)軟件開發(fā)調(diào)試中經(jīng)常使用的，在對嵌入式軟件系統(tǒng)測試中可以直接利用，不需要增加新設(shè)備，具有高度的真實性、高可控性、節(jié)省費用和時間等優(yōu)點。該測試環(huán)境已在實際測試項目中得到應(yīng)用，完全適用于功能、性能、接口、安全性、余量、可恢復(fù)性及強(qiáng)度測試7 種類型，測試效果良好。

4 結(jié)束語

本文首先對機(jī)載前視氣象雷達(dá)軟件的功能逐一分析，給出了氣象、湍流、風(fēng)切變探測工作處理流程，然后針對氣象3個方式探測處理的特點提取了軟件功能和安全性測試的關(guān)注點，詳細(xì)介紹系統(tǒng)測試環(huán)境的構(gòu)建方法，最后通過7 種測試類型的執(zhí)行完整地覆蓋了基于需求的系統(tǒng)測試，為同類測試項目提供了實際經(jīng)驗。另外，機(jī)載氣象雷達(dá)軟件系統(tǒng)測試要進(jìn)一步加強(qiáng)對氣象目標(biāo)模型仿真技術(shù)的深入研究才能更好地為測試項目提供全面的測試場景。

［1］梁愛民，陳露.低空風(fēng)切變與飛行安全［J］.中國民用航空，2009，105(09）:32.

［2］魏永恒.大氣湍流及航空風(fēng)切變探測預(yù)警體系［J］.寶成航空科技，2007(1）:1-13.

［3］秦顯忠.機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備軟件適航性認(rèn)證最新指導(dǎo)文件-RTCA DO-178B［J］.航空電子技術(shù)，1995(1）:23-25.

［4］張培昌，杜秉玉，戴鐵培.雷達(dá)氣象學(xué)［M］.北京:氣象出版社，2000.11.

［5］Lee J，etc.Testability analysis based on structural and behavioral information［C］.Proceeding of IEEE VLSI Test Symposium，Atlantic City，NJ，1993:139-145.