周逸凡

（中國(guó)民用航空西南地區(qū)空中交通管理局重慶分局，重慶 401120）

0 引 言

民航重慶空管分局一碗水雷達(dá)站所轄二次雷達(dá)設(shè)備是SELEX公司生產(chǎn)的SIR-S（Secondary Interrogator Radar with Selective Interrogation Mode Implemented）型二次雷達(dá)，為雙通道配置，可以通過(guò)如下方式觸發(fā)交叉連接。一是手動(dòng)，通過(guò)操作指令；二是自動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)通道出現(xiàn)并發(fā)故障時(shí)，將進(jìn)行一個(gè)通道的主用應(yīng)答處理和通道管理單元與另一個(gè)通道的發(fā)射接收組合單元的交叉連接。該設(shè)備曾發(fā)生A通道故障，雷達(dá)單通道運(yùn)行，設(shè)備提供服務(wù)的保障能力下降，故障產(chǎn)生的告警模塊較多。面對(duì)如此紛繁的告警情況，雷達(dá)站工作人員仔細(xì)分析故障現(xiàn)象，按照應(yīng)急流程操作設(shè)備并且通過(guò)梳理二次雷達(dá)信號(hào)流程以及查閱官方資料后確定了故障模塊為RF Source板件。下面對(duì)這次的故障排除工作進(jìn)行詳細(xì)介紹，希望能對(duì)相關(guān)人員有所幫助。

1 物理描述及系統(tǒng)監(jiān)控方式

1.1 物理描述

一碗水二次雷達(dá)型號(hào)為SIR-S，采用ALE-9型號(hào)開(kāi)式陣列天線(xiàn)（由水平方向并排排列的35個(gè)輻射柱組成），發(fā)射頻率為1 030 MHz，接收頻率為1 090 MHz[1]。SIR-S二次雷達(dá)設(shè)備是由2個(gè)機(jī)柜組成的雙通道系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)柜包含1個(gè)發(fā)射單元（固態(tài)）、1個(gè)接收單元、1個(gè)應(yīng)答處理和通道管理（RPCM）、1個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、1個(gè)配電組件以及1個(gè)執(zhí)行控制面板。

對(duì)于2套相同的發(fā)射機(jī)/接收機(jī)通道，一個(gè)與天線(xiàn)連接，另一個(gè)作為在運(yùn)行通道發(fā)生故障時(shí)的備份。2個(gè)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)通道與2套R(shí)PCM數(shù)據(jù)提取/控制組件交叉連接，2套R(shí)PCM具有雷達(dá)控制和雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的功能。在正常運(yùn)行模式下，一個(gè)發(fā)射單元和一個(gè)接收單元與天線(xiàn)相連接（主通道），另一個(gè)發(fā)射單元和另一個(gè)接收單元以熱備份的方式與虛擬負(fù)載相連接（備用通道）。在與天線(xiàn)相連接的發(fā)射機(jī)或接收機(jī)出現(xiàn)故障的情況下，這個(gè)發(fā)射機(jī)接收機(jī)組合將與虛擬負(fù)載相連接，而另一發(fā)射機(jī)接收機(jī)組合與天線(xiàn)相連。2套發(fā)射機(jī)接收機(jī)組合之間的轉(zhuǎn)換功能是由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件完成的。2個(gè)RPCM單元具有主用/備用、容錯(cuò)配置。發(fā)射單元、接收單元和轉(zhuǎn)換控制組件由自己通道的RPCM控制，也被另一個(gè)通道的RPCM控制。2個(gè)RPCM單元都從發(fā)射機(jī)/接收機(jī)通道接收狀態(tài)和告警信息。2個(gè)發(fā)射/接收通道接收相連接的RPCM的控制和測(cè)試信號(hào)，同時(shí)將狀態(tài)和告警信號(hào)發(fā)送給RPCM?；?套發(fā)射機(jī)/接收機(jī)組合的狀態(tài)和告警信息，評(píng)估2套組合的運(yùn)行狀態(tài)，以保證雷達(dá)性能[2]。

當(dāng)告警出現(xiàn)時(shí)，主用RPCM比較2套發(fā)射接收組合的告警狀態(tài)并決定要執(zhí)行的操作。主用RPCM通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件控制發(fā)射接收單元的配置，也就是控制指定的發(fā)射接收組合與天線(xiàn)相連接。2個(gè)RPCM相互之間交換所有的信號(hào)和信息，這些信號(hào)和信息用來(lái)進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)組件的控制和RPCM的校準(zhǔn)。

該產(chǎn)品的特性是設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，即特定功能由單一組件完成、每一組件可隔離處理并單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試以及每一組件單獨(dú)供電。發(fā)射機(jī)單元由模塊發(fā)射機(jī)接口處理器（TXIP）、RF Source模塊（射頻源）、2個(gè)低壓驅(qū)動(dòng)放大器模塊（Main/Aux發(fā)射機(jī)通道一樣）、2個(gè)主（Main）高功率放大器模塊、1個(gè)輔（Aux）高功率放大器模塊、檢測(cè)器模塊以及供電模塊等組件組成。

SIR-S雷達(dá)發(fā)射機(jī)單元采用雙發(fā)射機(jī)配置（主用和備用通道），采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)和插入式裝置[3]。

SIR-S發(fā)射機(jī)射頻源(合成器/調(diào)制器)上的合成器產(chǎn)生1 030 MHz的RF信號(hào)，并分成3組輸出，1個(gè)連續(xù)波（Continuous Wave，CW）輸出給接收機(jī)的本地晶振，1個(gè)調(diào)制輸出給Aux放大器鏈，1個(gè)調(diào)制輸出給Main放大器鏈。在沒(méi)有衰減的情況下，發(fā)射機(jī)組件產(chǎn)生一個(gè)最小峰值輸出功率為+64 dBm。Main和Aux發(fā)射路徑上有2套相同的Main/Aux低功率放大器，在低功率放大器和高功率放大器內(nèi)部，輸出功率水平的變化是通過(guò)控制放大電路輸出的調(diào)制器電路實(shí)現(xiàn)的。RPCM通過(guò)TXIP接口控制調(diào)制器電路的參考值。Main和Aux高功率放大器的輸出功率相似，但是它們的電路設(shè)計(jì)不同，而且Main和Aux發(fā)射機(jī)對(duì)發(fā)射占空比的要求不同。發(fā)射單元不同模塊的BITE信息被發(fā)送到TXIP，TXIP還與2個(gè)RPCM相連接。供電單元引入了模塊化設(shè)計(jì)，具有一個(gè)主輸入，為發(fā)射單元組件的不同模塊提供48 V和12 V的直流輸出電壓。

接收機(jī)單元由預(yù)選濾波器、射頻和測(cè)試本振（RF&TO）、對(duì)數(shù)放大和相位檢測(cè)（LOG&PD）、接收機(jī)控制和監(jiān)視（RXCM）等組件組成。SIR-S接收單元作用為：①接收預(yù)選濾波器組件來(lái)的SUM、DELTA、OMNI信號(hào)；②將 RF 信號(hào) (1 090 MHz)下變頻到中頻(60 MHz)；③在信號(hào)中頻放大時(shí)按照ICAO規(guī)范對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。信號(hào)中頻放大是通過(guò)對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)的，對(duì)數(shù)放大器能夠保持幅值與相位的匹配關(guān)系，提取相位信息，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)。

1.2 系統(tǒng)監(jiān)控方式

一碗水雷達(dá)站二次雷達(dá)的監(jiān)控方式有SSR LCP與控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Control Monitoring System，CMS）。通過(guò)二次雷達(dá)本地控制面板SSR LCP，可以觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況并根據(jù)需要對(duì)二次雷達(dá)進(jìn)行控制，如開(kāi)關(guān)輻射、切換通道等操作。CMS主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)，并控制雷達(dá)系統(tǒng)。CMS能夠連續(xù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示告警信息，提供人機(jī)接口界面，保存日志和數(shù)據(jù)。此外，還能提供狀態(tài)報(bào)告和診斷信息，并能通過(guò)顏色圖形表示設(shè)備故障的類(lèi)型和位置，同時(shí)提供聲音報(bào)警。

除此之外，當(dāng)設(shè)備中某一塊板件發(fā)生故障告警時(shí)，也可以通過(guò)機(jī)柜中板件的告警指示燈直觀地觀察板件是否有異常。同時(shí)，系統(tǒng)還配備有雷達(dá)監(jiān)視管理系統(tǒng)，可以處理雷達(dá)系統(tǒng)本地或遠(yuǎn)程的操作和信號(hào)，接收每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息，并切換冗余設(shè)備的主備用關(guān)系、在監(jiān)測(cè)設(shè)備上給出信息等。診斷性信息能通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)線(xiàn)或單獨(dú)的線(xiàn)傳送到工作站點(diǎn)，使得工作站點(diǎn)能遠(yuǎn)程控制整個(gè)雷達(dá)頭。雷達(dá)維護(hù)監(jiān)視器（Radar Maintenance Monitor，RMM）能以圖像顯示雷達(dá)在周?chē)h(huán)境中的工作情況和性能，可以利用RMM觀察整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的工作情況、有無(wú)干擾等[4]。

綜上所述，一碗水雷達(dá)站對(duì)于設(shè)備的監(jiān)控有多種方式，能夠在發(fā)生故障時(shí)幫助工作人員準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，快速排查和處理故障。

2 故障分析與處置

2.1 故障現(xiàn)象

查看SIR-S二次雷達(dá)設(shè)備的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)了以下告警現(xiàn)象，一是CMS上出現(xiàn)二次雷達(dá)A通道發(fā)射機(jī)射頻源與調(diào)制模塊告警、對(duì)數(shù)放大和鑒相模塊告警，二是詳細(xì)告警顯示測(cè)試振蕩器故障、對(duì)數(shù)控制和通道故障以及下變頻和射頻控制故障[5]。查看SSR LCP監(jiān)控，同樣發(fā)現(xiàn)A通道告警，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)告警燈亮。查看二次雷達(dá)A通道設(shè)備機(jī)柜，發(fā)現(xiàn)發(fā)射機(jī)告警指示燈亮。

2.2 故障分析

通過(guò)以上的觀察，可以確定是A通道發(fā)射機(jī)故障。對(duì)CMS、LCP等監(jiān)控進(jìn)行操作來(lái)定位故障點(diǎn)，以此進(jìn)行下一步故障排查。

首先，在LCP上對(duì)A通道的TX和RX進(jìn)行保護(hù)復(fù)位，復(fù)位后如果告警仍存在，說(shuō)明并非誤告警；其次，檢查A通道發(fā)射機(jī)各接線(xiàn)部分是否因松動(dòng)而造成故障，檢查完畢后重啟A通道，重啟完成后如果告警未消除，說(shuō)明并非連線(xiàn)的問(wèn)題。此外，判斷是否為板件故障。根據(jù)監(jiān)視顯示，A通道發(fā)射機(jī)故障且影響到后面接收機(jī)中的射頻和測(cè)試本振、對(duì)數(shù)放大和相位檢測(cè)模塊產(chǎn)生告警。射頻和測(cè)試本振在物理上可以分為兩個(gè)部分，分布在兩塊不同的印刷電路板上，分別為RF和TO。RF由限幅器和耦合器組件、低噪聲放大器組件、帶通濾波器（Band-Pass Filter，BPF）組件以及混頻器組件組成。通過(guò)限制RF功率電平來(lái)保護(hù)接收機(jī)免受強(qiáng)輸入信號(hào)損壞，同時(shí)將來(lái)自TO的測(cè)試信號(hào)鏈接到3路接收鏈的自動(dòng)環(huán)路控制上來(lái)評(píng)估接收機(jī)性能[6]。TO部分負(fù)責(zé)產(chǎn)生用于測(cè)試接收機(jī)功能的測(cè)試目標(biāo)信號(hào)。RF中混頻器的作用是將接收到的 RF 信號(hào)與發(fā)射機(jī) RF Source傳來(lái)的 1 030 MHz連續(xù)波信號(hào)混頻得到60 MHz中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)帶通濾波器處理后送到對(duì)數(shù)放大器。

LNA是輸入RF信號(hào)進(jìn)入的第一個(gè)放大電路，具有高增益、低噪聲特性，可以保證接收機(jī)整體的低噪聲特性。帶通濾波器的目的是在信號(hào)進(jìn)入混頻器之前濾除970 MHz的信號(hào)。通過(guò)RF電路上的電壓可變激勵(lì)器可以調(diào)整每個(gè)通道增益，從而使3個(gè)通道的增益一致。位于射頻鏈輸出位置的帶通濾波器根據(jù)ICAO規(guī)范實(shí)現(xiàn)特殊的頻率屏蔽，通過(guò)這種方式從射頻輸出到對(duì)數(shù)通道的信號(hào)已經(jīng)具有需要的頻率特性。通過(guò)接入測(cè)試信號(hào)，當(dāng)輸出信號(hào)電平落在前面確定的標(biāo)稱(chēng)值附近的區(qū)間段之外時(shí)，BITE電路提供一個(gè)故障指示[7]。將 1 030 MHz信號(hào)與 60 MHz的測(cè)試本振信號(hào)在混頻器M1中混頻，通過(guò)混合這兩個(gè)信號(hào)可以得到1 090 MHz的測(cè)試信號(hào)。RF模塊的輸出是對(duì)數(shù)放大器的輸入，三路匹配對(duì)數(shù)放大器具有90 dB的增益。

對(duì)數(shù)放大器和相位檢測(cè)器模塊在物理上也可以分為兩個(gè)部分，分布在兩塊不同的印刷電路板上，分別稱(chēng)為L(zhǎng)OG和PD[8]。LOG電路由IF對(duì)數(shù)放大器組件、電壓可變衰減器、視頻放大器以及BITE模塊組成[9]。PD電路由采樣保持塊組件、限幅器組件、IF對(duì)數(shù)放大組件以及基準(zhǔn)電壓組件組成，包含有關(guān)閉三路ALC環(huán)路的電路[10]。對(duì)數(shù)中頻放大器產(chǎn)生到相位檢測(cè)器的IF信號(hào)等。幅值和相位控制器用于保持三路接收通道增益恒定。來(lái)自對(duì)數(shù)放大器的LOG SUM和LOG DELTA的60 MHz信號(hào)被送到相位檢測(cè)器。

由以上信號(hào)流程可知：①由于RF Source模塊無(wú)法產(chǎn)生 1 030 MHz連續(xù)波信號(hào)，因此 RF Source 模塊出現(xiàn)告警；②由于接收機(jī)無(wú)法接收到1 030 MHz信號(hào)，因此無(wú)法合成測(cè)試信號(hào)、也無(wú)法將射頻信號(hào)與發(fā)射機(jī) RF Source 傳來(lái)的 1 030 MHz連續(xù)波信號(hào)混頻得到60 MHz的中頻信號(hào)，導(dǎo)致RF&TO模塊告警；③由于對(duì)數(shù)放大器和相位檢測(cè)器模塊無(wú)法接收到前級(jí)（RF電路）的中頻信號(hào)，因此該模塊告警。圖1為RF Source模塊產(chǎn)生的1 030 MHz連續(xù)波信號(hào)到RF&TO模塊和LOG&PD模塊的信號(hào)流程。

圖1 1 030 MHz 信號(hào)傳輸流程

根據(jù)以上分析，初步懷疑是RF Source模塊故障，從而引起其他模塊告警。

2.3 故障處置

確定故障點(diǎn)后，根據(jù)以下步驟對(duì)RF Source板件進(jìn)行更換。在SSR LCP監(jiān)控軟件上，確認(rèn)處于本地控制狀態(tài)，關(guān)閉主用通道的輻射（一旦主用通道輻射關(guān)閉，備用通道的輻射也自動(dòng)關(guān)閉），然后選擇A通道的Chanel Configuration=>update setting，在這個(gè)頁(yè)面選擇“system shut down”按鈕（關(guān)閉A通道的RPCM軟件），最后等待SSR LCP監(jiān)控軟件顯示RPCM狀態(tài)為紅色。在A機(jī)柜上點(diǎn)擊Power on按鈕（關(guān)閉），再依次從右至左關(guān)閉TX、RX、RPCM、MainLine空開(kāi)，依次關(guān)閉機(jī)柜各電源組件。更換RF Source板件備件，換好備件之后在A機(jī)柜上依次從右至左開(kāi)啟TX、RX、RPCM、MainLine空開(kāi)，再點(diǎn)擊“Power on”按鈕（開(kāi)啟），等待2、3 min后RPCM啟動(dòng)，檢查SSR LCP上是否有告警，確定無(wú)告警后開(kāi)啟輻射。開(kāi)啟之后觀察監(jiān)控及設(shè)備，發(fā)現(xiàn)告警消失，設(shè)備運(yùn)行正常。然后將A通道切換為主用，觀察一段時(shí)間后，確認(rèn)設(shè)備信號(hào)正常。由此，可以確定告警是RF Source板件故障引起的，處置方法正確。

3 結(jié) 論

隨著雷達(dá)設(shè)備模塊化程度越來(lái)越高，對(duì)于雷達(dá)故障的定位也將會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確、快速。當(dāng)然，這一切的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)工作人員的知識(shí)技能儲(chǔ)備，要求工作人員對(duì)雷達(dá)信號(hào)流程十分熟悉，對(duì)雷達(dá)各個(gè)模塊的功能也要了然于心。模塊之間的相互聯(lián)系可能會(huì)導(dǎo)致其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)整個(gè)監(jiān)控上產(chǎn)生復(fù)雜的告警信息，這時(shí)就需要更沉著冷靜地進(jìn)行分析，利用多種手段來(lái)快速定位故障點(diǎn)并解決故障，為目前安全要求越來(lái)越高的民航事業(yè)做好基本的飛行保障。