劉仁浩，李 然，段宇婷，姜云濤，夏金秀

(1.北京航天自動(dòng)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(guò)程中，除了保證系統(tǒng)飛行過(guò)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(zhǔn)時(shí)發(fā)射，需要導(dǎo)彈控制系統(tǒng)具有良好的測(cè)試性[1]。當(dāng)前部隊(duì)每裝備一型導(dǎo)彈，就需要配套相應(yīng)的地面輔助測(cè)試設(shè)備，需要在技術(shù)陣地通過(guò)單機(jī)單元測(cè)試、分系統(tǒng)測(cè)試和總檢查測(cè)試等一系列測(cè)試工作來(lái)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(jìn)行大量射前檢查以確保任務(wù)可靠性，存在測(cè)試程序時(shí)間長(zhǎng)，工序冗繁，部隊(duì)勤務(wù)工作量大，保障成本高等諸多問(wèn)題，嚴(yán)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(shí)檢測(cè)和隔離故障，保證導(dǎo)彈安全、準(zhǔn)時(shí)發(fā)射將直接影響導(dǎo)彈武器裝備的效能，機(jī)內(nèi)測(cè)試(Built-In Test，BIT)是解決此類(lèi)問(wèn)題的有效途徑，還是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障容錯(cuò)、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(cè)、隔離故障的自動(dòng)測(cè)試能力，是聯(lián)機(jī)檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展[10]。

圖2 兩級(jí)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(xiàn)通信技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)BIT設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)新一代導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在少量增加甚至不增加彈上設(shè)備資源開(kāi)銷(xiāo)的前提下，提出一種分布式與集中式相結(jié)合的BIT測(cè)試方法，該測(cè)試方案僅利用導(dǎo)彈控制系統(tǒng)彈上已有資源，在無(wú)外部設(shè)備輔助測(cè)試的條件下覆蓋控制系統(tǒng)所有硬件資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)工作狀態(tài)和工作性能的評(píng)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(zhuān)設(shè)的自檢測(cè)電路和自檢測(cè)軟件，來(lái)完成系統(tǒng)自身工作參數(shù)檢測(cè)、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(jì)有各自的故障檢測(cè)和隔離功能，并根據(jù)其測(cè)試結(jié)果，利用歸納法來(lái)判斷系統(tǒng)是否正常；集中式BIT重點(diǎn)針對(duì)分布式BIT不覆蓋項(xiàng)，由系統(tǒng)中央處理器收集各狀態(tài)信息，并利用系統(tǒng)級(jí)測(cè)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(diǎn)和使用模式，BIT使用模式又可分為加電BIT、啟動(dòng)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(cè)裝備是否正常，能否投入正常使用，給出通過(guò)或不通過(guò)的指示。啟動(dòng)BIT用于執(zhí)行專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試，主要用于檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵功能特性和隔離系統(tǒng)級(jí)故障。周期BIT和連續(xù)BIT是在系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中連續(xù)地或周期性地監(jiān)測(cè)裝備各組成部分的工作狀況，特別是對(duì)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(píng)估。

2 控制系統(tǒng)組成及BIT總體方案

以常規(guī)兩級(jí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈為例，控制系統(tǒng)主要由飛控計(jì)算機(jī)、捷聯(lián)慣性測(cè)量組合、雷達(dá)導(dǎo)引頭、控制電池以及各級(jí)段伺服機(jī)構(gòu)和總線(xiàn)電纜網(wǎng)等組成組成，如圖2所示。

各單機(jī)均按功能采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成的微處理器為分布式BIT設(shè)計(jì)提供了軟硬件資源。各單機(jī)通過(guò)彈上總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，其中飛控計(jì)算機(jī)既是飛行控制中心，也是系統(tǒng)測(cè)試控制中心，便于集中式BIT設(shè)計(jì)。據(jù)此將控制系統(tǒng)BIT基本結(jié)構(gòu)分為針對(duì)各單機(jī)檢測(cè)的分布式BIT和以飛控計(jì)算機(jī)為中心對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合診斷的集中式BIT兩個(gè)層級(jí)。

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(hù)后的測(cè)試可分為技術(shù)陣地測(cè)試和發(fā)射陣地測(cè)試兩大階段，技術(shù)陣地測(cè)試要求在動(dòng)態(tài)激勵(lì)下對(duì)控制系統(tǒng)功能、技術(shù)參數(shù)、工作程序、動(dòng)作協(xié)調(diào)性進(jìn)行綜合檢查確認(rèn)。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(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行定期的、不定期的或預(yù)防性的測(cè)試，只有技術(shù)陣地測(cè)試合格的導(dǎo)彈才轉(zhuǎn)入發(fā)射陣地。發(fā)射陣地測(cè)試只對(duì)系統(tǒng)重要單機(jī)功能進(jìn)行檢查，要求測(cè)試快速、連續(xù)、自動(dòng)，測(cè)試項(xiàng)目作為發(fā)控流程的一部分。仍以常規(guī)兩級(jí)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈為例，針對(duì)上述典型使用階段測(cè)試需求，采用分布式與集中式相結(jié)合的BIT測(cè)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(kù)后，在原位按需求進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢和功能測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中監(jiān)測(cè)單機(jī)和系統(tǒng)功能參數(shù)，以確認(rèn)導(dǎo)彈狀態(tài)，對(duì)需要維修的導(dǎo)彈則轉(zhuǎn)入維修程序。BIT項(xiàng)目可根據(jù)需要單選或多選，測(cè)試開(kāi)關(guān)的接通與斷開(kāi)可通過(guò)測(cè)發(fā)控軟件界面選擇。當(dāng)接到發(fā)射任務(wù)后，導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)至發(fā)射陣地，起豎前進(jìn)行開(kāi)機(jī)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(diǎn)火起飛后啟動(dòng)單機(jī)及系統(tǒng)功能參數(shù)監(jiān)測(cè)BIT，經(jīng)遙測(cè)實(shí)時(shí)記錄并下傳，用于導(dǎo)彈性能評(píng)估。

在技術(shù)陣地原位運(yùn)行開(kāi)機(jī)自檢和系統(tǒng)功能測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中對(duì)單機(jī)和系統(tǒng)的功能參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，測(cè)試過(guò)程可在無(wú)外部測(cè)試設(shè)備輔助條件下覆蓋控制系統(tǒng)所有硬件資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈工作狀態(tài)和工作性能的評(píng)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(jì)方法

3.1 控制系統(tǒng)單機(jī)分布式BIT設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)各單機(jī)主要由功能部件和信號(hào)處理與控制電路兩大部分組成，其中各單機(jī)信號(hào)處理與控制電路技術(shù)路線(xiàn)類(lèi)似，主要由各類(lèi)DSP、FPGA、A/D采樣電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、總線(xiàn)數(shù)據(jù)通信接口模塊和電源模塊等組成，BIT設(shè)計(jì)時(shí)通常根據(jù)各模塊特點(diǎn)進(jìn)行故障建模得出故障樹(shù)，根據(jù)故障樹(shù)設(shè)計(jì)針對(duì)性的BIT檢測(cè)算法[17]。根據(jù)控制系統(tǒng)單機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)于此類(lèi)電路采用下述方法實(shí)現(xiàn)BIT測(cè)試。

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

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

3)工作狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)：利用信號(hào)處理電路信息采集通道對(duì)單機(jī)工作指示信號(hào)、工作電壓、電流等表征單機(jī)工作狀態(tài)的信息進(jìn)行在線(xiàn)周期性監(jiān)測(cè)。對(duì)于雷達(dá)導(dǎo)引頭、捷聯(lián)慣性測(cè)量組合和伺服機(jī)構(gòu)等單機(jī)的功能部組件，可結(jié)合單機(jī)具體功能利用單機(jī)或自然環(huán)境提供的測(cè)試激勵(lì)實(shí)現(xiàn)BIT測(cè)試。

3.1.1 雷達(dá)導(dǎo)引頭BIT

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

圖4 雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)BIT組成框圖

雷達(dá)導(dǎo)引頭BIT測(cè)試的核心是發(fā)射和接收通道測(cè)試，利用雷達(dá)導(dǎo)引頭自身工作特點(diǎn)對(duì)雷達(dá)T/R組件進(jìn)行輪替測(cè)試，一次測(cè)試只開(kāi)一個(gè)T/R組件的發(fā)射通道，發(fā)射信號(hào)經(jīng)回波信號(hào)選擇網(wǎng)絡(luò)分配到其余T/R組件的接收支路，獲取每個(gè)接收信號(hào)的幅度值和相位值參數(shù)，按此方式對(duì)雷達(dá)全部T/R組件進(jìn)行遍歷測(cè)試后即可判定發(fā)射通道和接收通道是否正常，同時(shí)可達(dá)到對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭天線(xiàn)單元、綜合射頻單元和信號(hào)處理單元進(jìn)行功能檢測(cè)的目的。

3.1.2 捷聯(lián)慣性測(cè)量組合BIT

捷聯(lián)慣性測(cè)量組合主要由3只加速度計(jì)、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(cè)角電路組成，如圖5所示。

圖5 捷聯(lián)慣性測(cè)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(lì)，獲取慣組陀螺和加速度計(jì)在一定時(shí)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(jì)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(mén)限值。此外，對(duì)于三自慣組可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)其內(nèi)部框架獲得姿態(tài)激勵(lì)，對(duì)Ai=x,y,z和Gi=x,y,z輸出極性進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)上述方法可判斷捷聯(lián)慣性測(cè)量組合功能是否正常可用。

3.1.3 伺服機(jī)構(gòu)BIT

伺服機(jī)構(gòu)由伺服控制器和機(jī)電作動(dòng)器組成，BIT原理如圖6所示。

圖6 伺服機(jī)構(gòu)BIT組成框圖

伺服控制器根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出的角度指令驅(qū)動(dòng)機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)作，使得導(dǎo)彈氣動(dòng)舵面或發(fā)動(dòng)機(jī)噴管按給定的角度偏轉(zhuǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，在空間給定一個(gè)特定位置，伺服控制器運(yùn)行自測(cè)試程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)舵偏向該位置，判斷測(cè)量角位置與設(shè)計(jì)角度之差是否符合設(shè)計(jì)判斷門(mén)限，據(jù)此判斷伺服機(jī)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(jì)

控制系統(tǒng)火工品控制通路、電磁閥控制通路、通信總線(xiàn)等設(shè)備未嵌入微處理器，不具備單機(jī)自檢測(cè)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(wú)法通過(guò)單機(jī)BIT測(cè)試覆蓋，需要由系統(tǒng)飛控計(jì)算機(jī)來(lái)收集各狀態(tài)信息，利用系統(tǒng)級(jí)測(cè)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(cè)試：以n路火工品H1、H2……Hn為例，測(cè)試電路如圖7所示。測(cè)試激勵(lì)恒流源、測(cè)控開(kāi)關(guān)KA1、KA2均設(shè)置在飛控計(jì)算機(jī)BIT專(zhuān)用測(cè)試模塊內(nèi)，K1……Kn為彈上火工品時(shí)序控制開(kāi)關(guān)，上述開(kāi)關(guān)均受飛控計(jì)算機(jī)控制。

圖7 火工品通路BIT組成框圖

測(cè)試時(shí)，KA1、KA2先閉合，再依次閉合K1……Kn，飛控計(jì)算機(jī)A/D采樣電路實(shí)時(shí)記錄+BF、-BF母線(xiàn)間的電壓，恒流源輸出電流I遠(yuǎn)小于火工品安全電流，據(jù)此可測(cè)量計(jì)算得到各通道限流電阻Rn、火工品阻值和線(xiàn)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(wú)漏接。此外，通過(guò)比較分析時(shí)序控制開(kāi)關(guān)閉合前后回路總阻值變化情況辨識(shí)火工品時(shí)序通路有無(wú)誤接通，避免±BF母線(xiàn)上電后發(fā)生時(shí)序誤啟動(dòng)等安全隱患。

2)電磁閥控制通路測(cè)試：以n路電磁閥DC1、DC2……DCn為例，對(duì)電磁閥控制通路的BIT測(cè)試實(shí)現(xiàn)方式與火工品通路測(cè)試類(lèi)似，測(cè)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(cè)試激勵(lì)，恒壓源、測(cè)控開(kāi)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(cè)試時(shí)，KV1、KV2先閉合，再依次閉合K1……Kn，飛控計(jì)算機(jī)A/D采樣電路實(shí)時(shí)記錄取樣電阻R0兩端的電壓，從而獲得電磁閥接通過(guò)程電流變化趨勢(shì)，以此分析判斷電磁閥是否工作，同時(shí)對(duì)電磁閥控制通道的連接狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。

圖9 制導(dǎo)系統(tǒng)BIT組成框圖

3)通信總線(xiàn)測(cè)試：以?xún)杉?jí)導(dǎo)彈為例，全彈使用A、B兩路1553B總線(xiàn)通信，全彈有彈地、一二級(jí)和頭體3個(gè)分離面，每個(gè)分離面均設(shè)置了總線(xiàn)切換開(kāi)關(guān)。導(dǎo)彈飛行過(guò)程中，在各級(jí)段分離前控制相應(yīng)分離面總線(xiàn)開(kāi)關(guān)完成1553B總線(xiàn)由接通下一級(jí)狀態(tài)切換至接通本級(jí)匹配電阻，實(shí)現(xiàn)控制總線(xiàn)轉(zhuǎn)級(jí)。為實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)通信功能和轉(zhuǎn)級(jí)功能測(cè)試，在飛控計(jì)算機(jī)中設(shè)置測(cè)試程序，分別通過(guò)A、B兩路總線(xiàn)逐個(gè)檢測(cè)總線(xiàn)上各站點(diǎn)的自檢結(jié)果，以此測(cè)試總線(xiàn)通信功能。再順序切換各轉(zhuǎn)級(jí)總線(xiàn)開(kāi)關(guān)，通過(guò)地面測(cè)發(fā)控顯控計(jì)算機(jī)監(jiān)聽(tīng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)判斷總線(xiàn)開(kāi)關(guān)切換功能是否正常。

4)制導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)試：飛控計(jì)算機(jī)測(cè)試程序根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)信息，飛控計(jì)算機(jī)執(zhí)行飛行程序，測(cè)發(fā)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過(guò)總線(xiàn)監(jiān)聽(tīng)和記錄伺服控制指令、時(shí)序控制指令和遙測(cè)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證制導(dǎo)系統(tǒng)正確性。

5)姿控系統(tǒng)測(cè)試：姿控系統(tǒng)測(cè)試是檢查姿態(tài)控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)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(cè)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(dòng)態(tài)特性測(cè)試是指對(duì)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(dòng)態(tài)性能測(cè)試，通路極性測(cè)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(lái)，以在短時(shí)間內(nèi)確認(rèn)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(shí)現(xiàn)，其性能由設(shè)計(jì)狀態(tài)確定，導(dǎo)彈交付后可免測(cè)試，系統(tǒng)重點(diǎn)考慮通路極性BIT設(shè)計(jì)。測(cè)試時(shí)控制慣組內(nèi)臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)，給出姿態(tài)角和姿態(tài)角速度信號(hào)，測(cè)發(fā)控計(jì)算機(jī)記錄伺服機(jī)構(gòu)控制指令和舵或噴管擺動(dòng)位置，以此判斷偏航、俯仰和滾動(dòng)三個(gè)通道的極性是否正常。

6)安全自毀功能測(cè)試：與系統(tǒng)極性測(cè)試類(lèi)似，控制慣組內(nèi)臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)，先后模擬彈體的偏航角和俯仰角超過(guò)允許的角度范圍，測(cè)發(fā)控計(jì)算機(jī)記錄飛控計(jì)算機(jī)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(yǔ)

導(dǎo)彈控制系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)是系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括單機(jī)級(jí)分布式BIT設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)集中式BIT設(shè)計(jì)兩個(gè)層次。根據(jù)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)特點(diǎn)，給出了控制系統(tǒng)中主要單機(jī)和系統(tǒng)的BIT設(shè)計(jì)方法及工程實(shí)施方案，在不使用地面輔助測(cè)試設(shè)備的前提下，以最小的硬件軟件開(kāi)銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)了BIT自測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備測(cè)試和射前檢查的自測(cè)試功能，可有效提高部隊(duì)的生存能力和機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力，為導(dǎo)彈或運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)測(cè)試性、維修性、保障性以及故障容錯(cuò)與重構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。