无人机系统视距链路全断故障分析与改进

2014-04-27宋秀毅

失效分析与预防 2014年2期

宋秀毅，张龙，冯刚

(驻162厂代表室，贵州安顺 561018)

0 引言

链路系统是实现无人机飞行控制和任务监测管理的关键系统，其功能主要完成链路地面及机载终端的设备监控、链路管理、下行数据的接收和分发以及上行指令的发送，实现人机交互。链路系统工作正常与否直接关系无人机的任务遂行和飞行安全［1］。由于链路系统的媒介是电磁信号，主体是软件，信号采样频率、编码规则和抗干扰措施，以及软件可靠性等都直接影响系统，其中任一环节出现问题都可能导致链路系统出现故障。断链就是易发故障之一，危害性极大，一旦断链时间过长，则会使飞机完全失控，造成任务失败或飞机坠毁的重大损失［2］。从国内外情况看，不乏因断链问题而造成无人机失控引起重大损失的案例;因此，针对无人机断链故障，加强分析研究，提升链路系统可靠性，越来越受到重视，并成为无人机失效分析和可靠性工作中的重点研究课题之一。

某无人机进行试飞，过程中视距UHF波段链路和C波段链路陆续中断，持续约20 min。从10∶55∶37时刻，飞机距机场约50 km开始，UHF波段上行链路信号AGC逐渐由正常(约4.1 V)降低至不到1 V，到10∶58∶25时刻、飞机距机场约65 km时，UHF波段上行链路中断。在11∶04∶46时刻，飞机距离机场约80 km时，视距UHF波段下行链路突然中断。为搜寻飞机，链路监控操作人员启用了C波段链路，按应急处置程序操作完成后，发现C波段链路也出现了中断，天线俯仰和天线方位处于无效状态，此时时间为11∶08∶55。随后链路监控操作人员进行了手动搜索飞机，使用全向天线，在11∶14∶58时刻，飞机距离机场100 km处，搜索成功，C波段链路恢复正常，飞机正常着陆。从UHF波段上行链路中断到UHF波段下行链路中断再到C波段链路中断，某型无人机系统视距链路全断故障共持续19 min21 s，故障AGC显示界面如图1所示，故障发生的逻辑顺序如图2所示。

图1 故障AGC显示界面Fig.1 Display interface of fault AGC

1 视距链路系统功能及原理

1.1 系统功能

视距链路系统是任务控制站和起降控制站的重要组成部分，主要完成视距链路地面及机载终端的设备监控、链路管理、下行数据的接收和分发以及上行指令的发送功能。视距链路系统包括UHF波段链路和C波段链路，2个波段链路独立工作，UHF波段链路为主链路，C波段链路为备用链路，同时2个波段链路又分别包括上行链路和下行链路，其中上行链路用于完成遥控/遥测指令传输，下行链路用于完成飞机信息、侦查信息等信息的传输［3］。

1.2 系统原理

视距链路系统由视距机载终端和视距地面终端组成。

1)视距机载终端。由视距链路监控设备和视距信号接入设备组成。视距链路监控设备主要包括视距链路计算机及链路控制器等设备组成;视距信号接入设备由视距链路光端机和视距信号接入单元组成。如图3所示。

图2 故障逻辑顺序Fig.2 Fault logic order

2)视距地面终端。主要由1个链路控制柜和1个通信设备柜组成。链路控制席位由2套链路监控设备组成，可以进行主备切换。链路控制席位主要包括链路控制计算机(含高速数据接收卡)、链路控制器、显示器、视频矩阵、KVM等，通信设备机柜主要包括视距信号接入设备、中继星接入与管理计算机、光端机等［4］，如图4所示。

无人机飞行时，视距机载终端和视距地面终端通过UHF波段链路和C波段链路进行通信，分为上行遥控/遥测指令通信和下行信息及时通信［5］。上行遥控遥测指令通信工作原理:链路监控席位发出指令，经视距信号接入单元，通过UHF波段链路或C波段链路传输给视距机载终端;视距机载终端的视距信号接入单元接收到指令后，发送给链路监控计算机，通过综合业务网向飞控系统等系统发送控制指令。下行信息及时通信工作原理:任务设备及飞机状态信息通过任务管理系统和飞管系统发送给链路监控计算机，通过核心数据网和综合业务网分发下行数据，经视距信号接入单元后，通过UHF波段链路或C波段链路传输给视距地面终端;视距地面终端的视距信号接入单元接收到信息后，发送给链路监控席位。

2 故障原因定位

2.1 确定排故顺序

从故障现象看，视距链路全断故障包括UHF波段链路中断和C波段链路中断，且2个波段链路中断存在相互间的逻辑顺序关系:首先是UHF波段上行链路中断，随后UHF波段下行链路中断，最后C波段链路中断。因此，有理由怀疑故障的顺序发生不是偶然，而是存在先后的逻辑关系。因此，排故工作应沿着“UHF波段上行链路中断—UHF波段下行链路中断—C波段链路中断”的顺序进行。

图3 视距机载终端组成示意图Fig.3 Schematic diagram of the horizon airborne terminal

图4 视距地面终端组成示意图Fig.4 Schematic diagram of the horizon ground terminal

2.2 分析试飞数据

通过详细分析试飞的数据，发现以下异常点:近几次试飞中，UHF波段信号减弱现象共发生4次，且减弱区域都分布在航路点50～65 km范围内。前3次AGC信号最低减弱到1.5 V，最后1次试飞信号中断。

最后1次试飞数据显示，飞行过程中11∶04∶46时刻，机载链路终端工作频道由“6频道”转换至“1频道”，而自主飞行程序和链路监控操作人员没有发出相关指令;最后1次试飞数据显示，启用C波段链路后，地面定向天线姿态始终保持不变，而正常情况下应跟随飞机转动。

2.3 判定故障原因

按确定好的排故顺序，进行故障原因定位。

1)UHF波段上行链路中断原因。从试飞数据的异常点看，UHF波段上行链路AGC信号减弱现象出现4次，且都发生在航路点50～65 km区域内，这不是偶然，最大可能是该区域存在UHF波段的干扰信号。而最后一次试飞UHF波段上行链路信号减弱直至中断，原因是在该区域内受到干扰，当干扰信号足够强，导致链路信号就中断。

2)UHF波段下行链路中断原因。从试飞数据异常点看，机载链路终端切换频道恰好发生在UHF波段下行链路中断时，而此时地面链路终端仍工作在“6频道”，UHF波段下行链路中断直接原因是地面链路终端和机载链路终端工作频道不一致。查机载链路终端切换频道指令是由任务管理处理机(MMP)发出，是在UHF波段上行链路中断情况下，由航管应答指令触发的非正常指令。因此，判定UHF波段下行链路中断根本原因是任务管理处理机(MMP)中OFP软件存在缺陷，错误地向机载链路终端发出了更改工作频道的指令。

3)C波段链路中断原因。从试飞数据异常点看，地面C波段定向天线姿态保持不变与飞机在空中的飞行轨迹时刻变化相矛盾，定向天线未能有效跟踪飞机是C波段链路中断的直接原因。查控制定向天线的随动系统，发现其中伺服方式选择了UHF波段下行链路引导方式，而此时UHF波段下行链路已中断。因此，判定C波段链路中断根本原因是错误选择了定向天线的伺服方式，导致天线未能有效跟踪飞机。

3 故障机理分析

3.1 UHF波段上行链路中断机理分析

从历次飞行数据看，飞机从起飞至距离机场50 km，以及飞机返航后到本场附近时，视距UHF波段链路均工作正常，信号AGC及其它相关AGC均保持较高(4 V以上);而其中4次飞行中，飞机沿航路点飞行距机场约50～65 km的区域时UHF波段上行链路相关AGC状态都会降低，只是降低程度有差异，差分GPS地面站有时也会显示“单点”等故障。本次故障中，UHF波段上行链路AGC状态持续降低，直至链路中断，在恢复对飞机的控制后，飞机返场至机场附近后，UHF波段上行链路又恢复正常。以上现象说明在航路点上距离机场约50～65 km区域内存在UHF波段的干扰信号，造成机载UHF波段接收设备受到干扰。当干扰信号持续作用，强度达到一定程度时，就会造成UHF波段链路出现中断现象。

3.2 UHF波段下行链路中断机理分析

经分析，导致任务管理处理机(MMP)向机载链路终端错误发出指令的根本原因是MMP中的OFP软件存在设计缺陷，而UHF波段上行链路中断是MMP发出错误指令后造成UHF波段下行链路中断的诱因。详细机理分析如下，图5为UHF波段下行链路中断原理图。

图5 UHF波段下行链路中断原理图Fig.5 Schematic diagram of the UHF band downlink interrupt

进行飞行前准备时，在任务管理系统上电后，地面站链路监控操作人员将UHF波段链路下行频道设置为“6频道”，并达到下行锁定状态。但此时机上任务管理处理机(MMP)由于要置出上行接收指令所需的“主链路”信息而进行了重启，使控制UHF波段链路的下行频道控制器复位为“1频道”。造成任务管理处理机(MMP)控制器状态与UHF波段链路当前下行频道出现不一致的情况。在飞行过程中，由于要执行航管应答指令，任务监控操作人员进行了“空中对敌我识别与航管一体化应答机IFF/ATC上电”操作，而任务管理处理机(MMP)在执行“IFF/ATC上电”指令同时，对U波段链路有一个多余指令(此为MMP中OFP软件的设计缺陷)，即“控制UHF波段链路下行频道的1553B总线数据块”指令，该指令执行的操作是将MMP控制器状态位发送给机载链路终端。按系统设计原理，若此时UHF波段上行链路工作正常，系统不响应“控制UHF波段链路下行频道的1553B总线数据块”指令，但由于当时UHF波段上行链路中断，UHF波段链路响应了任务管理处理机(MMP)通过1553B总线的控制指令，使任务管理处理机(MMP)将其控制器的“1频道”状态指令发送给了UHF波段机载链路终端，将机载链路终端的工作频道更改为“1频道”。但此时UHF波段地面链路终端仍工作在“6频道”，最终出现因上下工作频道不一致而使UHF波段下行链路中断的故障。

3.3 C波段链路信号中断机理分析

UHF波段链路和C波段链路是物理隔离的独立通道，对于遥控遥测互为备份关系［6］。二者通过机载和地面终端的指令控制区执行选择，指令控制区分为主链路控制面板和副链路控制面板，通过面板上的切换框切换，当前选择面板的切换框背景为绿色。

当UHF波段链路信号中断，而切换为C波段链路时，应设置C波段链路地面定向天线的伺服方式，伺服控制界面如图6所示。通常以自动跟踪方式为主，数字引导方式为辅。此次故障中，链路监控席操作员未按正确方式设置C波段链路地面定向天线的伺服方式，导致定向天线伺服方式采用了UHF下行链路数字引导方式，UHF下行链路中断后，由于没有UHF波段下行链路数据，地面C波段链路定向天线失去引导，定向天线无法有效跟踪，而链路监控操作人员又未能及时将伺服方式切换为C链引导或自动跟踪方式，待飞机飞出天线波束覆盖范围外，导致C波段链路最终中断。

图6 伺服控制界面Fig.6 Servo control interface

4 改进措施

1)针对UHF波段上行链路中断问题，重新规划航路点，以避开原航路点50～65 km区域内对UHF波段的干扰信号［7］;密切关注飞行数据，尤其要严密监控UHF波段上行链路AGC状态信号，以有效判断是否存在干扰信号。同时完善抗干扰预案，当发现链路AGC状态信号异常，即干扰信号存在时，应及时切换该波段链路的频道，切换频道后，干扰现象可消除［8］。

2)针对UHF波段下行链路中断问题，采取完善任务管理处理机MMP中的OFP软件予以彻底解决。修改OFP软件中航管应答模块代码，重置逻辑关系，使航管应答指令执行时不再产生“控制UHF波段链路下行频道的1553B总线数据块”的多余指令。同时进行任务管理系统与链路系统之间的软件联合测试，以验证更改后软件的可靠性。

3)针对本次视距链路全断反映出的应急处置不完善的问题，采取修改完善链路监控操作手册、细化应急操作流程的措施。具体措施如下:

(1)如果起飞前任务管理机重启而链路没有重启，应当对C、UHF链路频道重置。

(2)当飞行过程中发现UHF上行链路相关AGC降低至1 V左右时，应当立即切换UHF上行频道(机上、地面链路设备要保持同步)，选择相关AGC较高的频道。

(3)当发现UHF下行链路突然失锁后，要立即检查设备参数，比如机上、地面设备频道是否一致，功率是否为“大功率”，是否误点了“静默”，后确认设备状态，是否存在故障信息，并及时报告。

(4)起飞后C链路地面定向天线应当以自动跟踪方式为主，数字引导方式为辅。当使用UHF下行链路作为定向天线引导数据源时，要密切关注U链的状态，一旦U下行失锁，应当立即切换为C链引导或自动跟踪方式。

［1］武晓娟，王建军，贾玉红.无人战斗机的发展与关键技术［C］.第二届中国航空学会青年科技论坛文集，北京:航空工业出版社，2006:169－17.

［2］王大勇，李悦霖.高空长航时无人侦察机关键技术［J］.飞航导弹，2009(11):31－35.

［3］陈庆.无人机数据链路设备的研制与应用［J］.自动化与仪器仪表，2010(3):57－58.

［4］田志江.机载通用测控终端的设计与实现［D］.西安:西安电子科技大学，2012:6－8.

［5］张辉.应用于无人机任务控制试验的数据链仿真［D］.长沙:国防科学技术大学，2005:10－15.

［6］方威，王锋，丁团结.无人机数据链性能研究［J］.飞行力学，2010，28(6):68－71.

［7］徐靖涛，陆钰，王金根.无人机通信链路抗干扰手段探析［J］.桂林航天工业高等专科学校学报，2007(4):3－5.