舰载雷达测试性试验方法研究

王东雷,胡 泊

(1. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;2. 工业和信息化部电子第五研究所,广州510610)



舰载雷达测试性试验方法研究

王东雷1,胡 泊2

(1. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;2. 工业和信息化部电子第五研究所,广州510610)

为满足舰载雷达开展测试性试验的迫切需求,提出了开展舰载雷达测试性试验的一般流程,并针对其中的技术要点给出了明确的要求和实施方法,可有效指导舰载雷达及大型复杂产品开展测试性试验工作。

舰载雷达;测试性;试验

0 引 言

随着科技的发展,现代海战已进入电子化和信息化的阶段。舰载雷达不仅是现代舰船防御作战系统的重要组成部分,而且还是舰船的关键探测设备。舰载雷达功能与性能的优劣对整个作战起到至关重要的作用,甚至会影响到全部海域、空域作战体系的完备性,对一个国家的海军产品具有全面的制约作用[1]。作为舰载作战系统的关键组成部分,舰载雷达是海上信息站的重要信息来源,担负着无源侦察、远程警戒、跟踪、目标指示、火控、制导等任务[2]。随着作战环境的不断变化,对舰载雷达功能性能的要求越来越高,导致其组成也越来越复杂。

任何一个系统、设备或产品的可靠性再高也不可能永远正常工作。使用者和维护者要掌握其“健康”状况,要确知有无故障或何处发生了故障,就要对其进行监控和测试,这就涉及到了测试性[3]。尤其是舰载雷达这种大型复杂产品系统,其发生故障的概率较其他系统更高。在可靠性水平较低的产品上,对其测试性的要求显得尤为重要。测试性是产品能及时准确的确定其状态(可工作、不可工作或性能下降程度),并隔离其内部故障的一种涉及特性[4]。快速准确地隔离故障是顺利开展维修的前提和基础,也是提高系统作战效能和任务成功率的关键手段。良好的测试性设计还可以减少维修人力及其他保障资源,降低寿命周期费用。尤其针对远离海岸、远离维修基地的舰载雷达,快速准确地检测与隔离故障是保证完成作战任务的基础。因此,无论是使用方还是研制方都越来越重视舰载雷达的测试性。

1 测试性试验现状

1.1 概 念

试验是提升、考核或验证产品特性的一种有效而必要的手段。测试性试验是一种获取产品有关测试性信息的手段,依据获得的信息评价测试性设计的有效性,发现不足,改进设计,并为使用与保障提供信息。测试性试验在不同的阶段开展有不同的方法,如在研制初期可以采用测试性仿真试验的方法,在鉴定阶段可采用基于故障注入的测试性验证试验方法,在使用阶段可采用外场评估的方式来进行测试性评价。本文所涉及的测试性试验专指在实验室通过故障注入方法在实物样机上开展的测试性验证试验。

测试性验证试验是指在研制的产品中注入一定数量的故障,用测试性设计规定的测试方法进行故障检测与隔离,按其结果来估计产品的测试性设计水平,并判断是否达到规定要求,决定接收和拒收。测试性验证试验是由指定的试验机构进行的或由订购方与承制方联合进行的试验与评价工作,是一项较严格的正规的测试性试验。

1.2 现 状

目前,指导产品测试性验证试验开展的方法通常为军用标准。相关的美军标有MIL-STD-47lA Notice 2、MIL-HDBK-2165、MIL- HDBK-2084、MIL- HDBK-1814。相关的英军标有Def Stan 00-13/Issue 2、Def Stan 00-42(P4)/Issue 1、Def Stan 00-42(P6)/Issue 1、Def Stan 00-43(P2)/Issue 1。相关的国军标有GJB1135、GJB1298、GJB/Z20045、GJB368、GJB2072、GJB3970、GJB4260、GJB2547等[5]。

国外在武器产品测试性验证试验工作方面已有大量成功的案例,如在APG-65 雷达系统、APG-66 雷达系统等均开展了测试性验证试验。国内受试验技术、试验能力发展的约束,一直没有在型号工程中开展有效的测试性验证试验工作,仅在一些高校和研究机构开展了部分理论研究和探索试验,而交付部队使用的大部分产品多数以使用评估的方式来完成产品的考核,尤其类似舰载雷达等大型复杂贵重的产品仅能采用评估的方式开展。受产品发生自然故障数量的限制,无法有效验证产品的测试性水平,导致交付部队的产品测试性问题层出不穷。为有效提高产品的测试性水平,近些年来我国首先在空军产品领域开展了测试性试验,并在逐渐向舰载产品扩展。

2 测试性验证试验流程

测试性验证试验要考核的内容包括技术协议或规范中规定的测试性定量要求与定性要求。对于舰载雷达的测试性定量指标一般主要包括故障检测率(FDR)、故障隔离率(FIR)和虚警率(FAR),其中虚警率受故障模拟技术的限制无法实施。因此,目前的测试性验证试验仅考核产品的故障检测和隔离能力。

下面给出产品开展测试性验证试验的一般流程,主要步骤如下:

(1) 总体策划阶段

由于测试性验证试验还未形成一套完善的体系,因此哪些产品应该做试验、试验方案的制定应遵循什么原则、试验过程的一些通用要求等内容都需要进行策划。

(2) 方案设计阶段

这个阶段的主要工作包含两部分内容:一是完成产品的故障模式影响及危害性分析(FMECA)报告,确认故障模式分析的全面性和合理性、检测方法的正确性以及故障数据的准确性,并依此作为后续试验方案制定的依据;二是根据产品的故障模式分析情况,制定产品的测试性验证试验方案,确定试验样本的选取及对应的故障注入方法、试验的判据和数据处理方法等内容,作为试验开展的依据。

(3) 试验准备阶段

制定测试性试验程序,完成被试品的准备、测试设备的校验、测试环境的搭建等有关试验前准备工作,其中试验程序主要规定故障样本的详细操作流程,降低在实施过程中的操作风险。

(4) 试验实施阶段

对确定的故障样本逐一实施故障注入操作和记录,并对记录的数据进行分析与确认;试验完成后统计成功检测与隔离的故障样本数量,评估FDR和FIR,根据试验方案进行判决,并给出试验概况及试验中发现的问题及改进建议。

(5) 改进验证阶段

根据试验过程中发现的测试性问题,完成受试产品的测试性设计改进工作。在完成设计改进后,应进行改进后的试验验证,并给出验证试验报告。

3 舰载雷达测试性试验技术要点

舰载雷达不同于一般的产品,其组成复杂、批量小、价格昂贵,因此在开展测试性验证试验时有几项工作需根据产品特点进行专项分析。具体涉及的技术要点主要包含下文几个方面。

3.1 FMECA工作

故障模式影响及危害性分析的主要目的是通过系统地分析,确定元器件、零部件、设备、软件在设计和制造过程中所有可能的故障模式,以及每一故障模式的原因及影响,以便找出潜在的薄弱环节,并提出改进措施。FMECA工作输出的结果,尤其是获得的产品故障模式等内容,能够为产品的测试性指标分配、测试性预计、故障注入或模拟、测试点优选等方面提供支持。因此,它是开展测试性验证试验的基础。

对于舰载雷达开展测试性验证试验而言,科学有效、及时准确地开展FMECA工作是根本,分析结果的完备性和合理性是确保测试性试验设计输入的前提条件。因此,在开展FMECA工作时,务必明确以下内容:一是最低约定层次必须到元器件级,元器件的故障模式是导致产品发生的故障的基本元素,也是模拟故障的基础,因此只有分析了元器件的故障模式才能开展后续的测试性验证工作;二是约定层次的划分应考虑分析工作的可行性和时效性,由于舰载雷达组成复杂且庞大,每增加一个层次其工作量就要增加数倍,因此其层次划分可酌情减少;三是故障率数据务必相对准确,现有的故障样本的分配均以故障率为基础,故障率的准确程度直接影响评估的结果;四是故障模式务必尽可能全面,故障检测率的计算是以所有的故障模式为基础的,若故障模式不全面则直接导致试验结果不可信。

3.2 测试性设计工作

测试性设计工作可分为测试性初步设计和测试性详细设计。

在设计的早期阶段开展初步的测试性设计工作,并对其工作程度进行评价。同时,制定测试性设计准则,采用适当的评价方法分析并评价固有测试性设计结果,提出必要的改进设计。

在测试性详细测试阶段,应把测试设计到产品中去,使之能满足测试性要求,通过分析来预计可能达到的测试性水平。

测试性试验主要是考核舰载雷达的测试性设计水平,因此测试性设计工作及其输出文件是开展试验的一项重要输入。

首先,要对舰载雷达的BIT设计流程要进行详细描述,包括BIT的分类如周期BIT、维护BIT、上电BIT等,以及每类BIT的实施过程和检测项目;其次,要完成舰载雷达的BIT软硬件设计,尤其是软件设计,在开展测试性试验之前必须完成并固化,确保试验的有效性;最后,要明确BIT信息的存储和上报,具体包括故障信息的内容、存储位置、读取方式,以及发生故障后BIT所报故障代码。以上信息既是在开展FMECA工作的重要输入内容,也是在测试性试验时要进行验证的内容。因此,在开展舰载雷达测试性试验前要进行准备并完善。

3.3 试验方案设计

测试性验证试验方案的设计主要包括故障样本量的确定和样本量的分配两部分。

样本量的确定方法可依据的标准有限,在GJB2072-1994《维修性试验与评定》的附录C“测试性试验的一般方法”中有规定,要求参照维修性试验样本量的确定,但维修性试验样本量的确定主要依据其维修参数,且其推荐样本量大部分为“不小于30”。而对测试性试验而言,样本量太少则无法覆盖全部故障模式。因此,目前工程应用中多数根据产品系统的特点制定对应的样本量确定方法。达成普遍共识的样本量确定方法是以功能电路级的故障模式总数为基础,结合故障率数据确定总的样本量。这种方法既可以保证样本量不低于标准规定“不小于30”的要求,又可以确保故障模式的覆盖性满足评价的需要。而针对舰载雷达而言,用这种方法确定的故障样本量可能会达到几千个,超出工程应用的承受能力。因此,应将确定故障样本量所用故障模式的级别由功能电路级提高到SRU或LRM级,这样在降低样本总量的情况下也可保证考核的要求。

样本量的分配属于统计抽样的应用范围,是以产品的复杂性、可靠性为基础的。标准规定的样本量分配方法有按比例分层抽样的方法和按比例的简单随机抽样分配方法。一般情况下采用固定样本量的试验方案,可应用按比例分层抽样进行分配;若采用可变样本量的序贯试验方法,可采用按比例的简单随机抽样法。为保证试验的进度和经费可控,工程中基本都在制定方案时确定样本量,但采用按比例分层抽样的方法至少保证每一个故障模式分配到一个样本。这样导致总的样本量增加太多,且会导致评估结果出现偏差。因此,建议在开展舰载雷达等大型产品测试性试验时采用按比例简单随机抽样分配方法,将确定的样本量进行随机分配。虽然一些故障率小的故障模式可能就无法分配到样本,但其本身发生概率的可能性就非常低,且绝大部分故障模式均可覆盖到,因此可保证评估结果的相对准确性。

3.4 故障注入方法

故障注入是测试性验证试验技术的核心内容之一,是测试性验证试验工作得以实现的基础。故障注入是指按照选定的故障模型、用人工的方法有意识地产生故障并施加于运行特定负载的被测对象中,同时观测和收集测试诊断系统对故障的检测、隔离成败结果,并对收集到的检测、隔离成败型数据进行统计分析,从而向用户提供有关结果的试验过程[6]。

故障注入方法按注入类型可分为模拟故障注入、硬件故障注入和软件故障注入3种类型。模拟故障注入方法是指在产品的仿真模型中插入故障注入单元来实现故障注入。该方法的主要难点在于建立详细精准的仿真模型,会导致仿真模型置信度低,不能捕获产品的真实行为,因此目前在工程上还无法应用。硬件故障注入又可分为外部总线故障注入、转接板故障注入、探针故障注入和插拔式故障注入。外部总线故障注入和转接板故障注入是在受试产品接口、总线或连线处进行故障注入。在不对受试产品自身进行任何改动的条件下,通过改变受试产品与其互连设备间的传输链路中的链路物理结构、信号、数据实现故障的在线模拟或离线模拟,属于无损故障注入,但可模拟的故障模式有限。探针故障注入是将探针与被注入器件的引脚、引脚连线相接触,或与受试产品内部或外部电连接器引脚相接触,通过改变引脚输出信号或引脚间互连结构实现故障的在线模拟或离线模拟。此种方法操作复杂且因电路复杂易对产品本身造成破坏。插拔式故障注入方法是通过拔插元器件、电路板、导线、电缆等方式模拟产品故障,既包括设备的内部或外部的连接组件的拔出或插入,也包括器件的焊上或焊下,是工程上应用最多的一种方法。软件故障注入是通过修改受试产品的软件代码来模拟产品故障的一种方法。软件故障注入最大的优点是无损,易模拟,可重复注入。

针对舰载雷达这种样机数量少、价格昂贵的大型产品,需提前规划确定注入方法。原则上应使用无损故障注入,主要包括软件故障注入、外部总线故障注入、转接板故障注入,但针对故障模式较多、影响较严重、价格不太昂贵且无法使用无损注入方式的模块或单机,可以选择探针故障注入和插拔式故障注入。

4 结束语

本文介绍了测试性试验的概念和现状,并给出了产品测试性验证试验一般流程,针对舰载雷达的特点对测试性试验过程中的关键技术给出了明确的要求和实施方法,以确保测试性试验的可行性、经济性和准确性。本文给出的测试性试验方法是以舰载雷达为对象进行研究的,但不仅限于此,也可扩展应用到大型、复杂、数量少且价格昂贵的产品上。

[1] 贾宏进,彭芃,蒋莹莹.国外舰载相控阵雷达的发展及未来趋势[J].雷达与对抗,2015,35(1):1-4.

[2] 周万幸.舰载雷达的现状及发展趋势分析[J].现代雷达,2007,29(7):1-4.

[3] 石君友.测试性设计分析与验证[M].北京：国防工业出版社,2011:20-22.

[4] GJB2547A-2012产品测试性工作通用要求[S].

[5] 石君友,纪超,李海伟.测试性验证技术与应用现状分析[J].测控技术2012,31(5):29-32.

[6] Jarboui T,Alart J, Crouzet Y,et al.Experimental Analysis of the Errors Induced into Linux by Three Fault Injection Technology[C]//IEEE Proceedings of the International Conference on Dependable Systems and Networks,2002:6-11.

Research on testability test method of shipborne radar

WANG Dong-lei1, HU Bo2

(1.No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. The 5th Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610)

To meet the urgent requirements of the testability test of the shipborne radar, the general procedures of performing the testability test are proposed. In view of the technical points, the specific requirements and the implementation method are given, which can effectively guide the development of the testability test for the shipborne radar and the large-scale complex equipment.

shipborne radar; testability; test

2016-01-09;

2016-03-20

王东雷(1964-)男,高级工程师,研究方向:产品质量及可靠性工程技术;胡泊(1983-),男,工程师,研究方向:电子产品可靠性与测试性试验与评价技术。

TP206.1

A

1009-0401(2016)04-0015-04