一起飞机机间数据链空中断网故障分析

张慧杰 宁国虎 李宁

摘要：机间数据链是通信导航系统中通信功能的重要组成部分。本文针对一起飞机机间数据链空中断网故障现象进行了介绍，结合飞机机间数据链系统的设计特点及工作原理，从理论上对该故障的产生展开机理分析，结合理论分析结果进行故障验证，建立完整的排故流程，最终定位并排除故障，为今后飞机机间数据链的外场机务维护及内场产品维修工作提供一定的参考。

关键词：机间数据链；通信导航系统；空中断网；排故流程

Keywords： intra flight data link；communication navigation system；in-flight disconnection；troubleshooting process

0 引言

飞机上的机载电子设备工作环境复杂，容易发生故障。通信导航识别系统是集通信、导航、识别功能于一体的高度综合化的航空电子系统，是飞机航电系统的重要子系统，其中数据通信功能由短波通信、超短波通信、联合信息分发系统、机间数据链和卫星通信五种通信方式组成。机间数据链具有以下优点：

1）方向性好，空间分辨率高，跟踪精度高；

2）地面杂波和多径效应影响小，低空跟踪性能好；

3）由于波束窄，空间传输衰减大，因此作用距离有限，被干扰和被截获概率小；

4）具有穿透烟雾及灰尘的能力，与激光和红外线相比，可以全天候工作。

机上航电系统的通信导航识别系统对提升飞机整体的综合能力和全天候适应性能力意义重大。

1 机间数据链

机间数据链是一种新型航空专用数据链，是一个复杂的通信网络系统，在编队内飞机之间组成抗干扰低时延的局域网，以快速交换瞬间态势、友机状态及各项控制参数等信息，实现编队内与编队外信息的实时共享、同步及互相配合。机间数据链的功能包括话音通信、数据通信、样本信号传输、时间同步、测距测角以及综合管理等。其应用场景的简单描述如图1所示。

针对机间数据链空中断网的故障现象，需要对机间数据链系统的功能组成、工作流程、工作原理等进行详细阐述。

1.1 机间数据链功能组成

与机间数据链功能相关的硬件资源有数据链的天线、嵌入机架内部的协议处理模块、信号处理模块、宽带接收激励模块、激励交换模块、开关矩阵模块等，其示意图及与功能相关的模块分别如图2和表1所示。

1.2 机间数据链工作流程

机间数据链工作流程分为接收过程和发射过程。

接收过程的工作方式是数据链天线接收射频信号变频后，送至激励模块进行交换，再送至接收激励模块进行滤波、模数转换、数字下变频，送至信号处理模块进行解调、译码，送至协议处理模块进行协议处理，并将收到的格式化消息拆包后经前端控制管理模块送至处理机，话音则送至音响模块处理，生成模拟音频后再送至音响控制单元。协议处理模块实时计算波束的指向，根据计算结果控制天线的指向和选择天线，完成波束的实时跟踪。

发射过程的工作方式是射频前段控制管理模块接收处理机需要发送的信息再送至协议处理模块，音频模块接收音响控制单元的音频信息进行编码后再送至协议处理模块。待发送时机到来时，协议模块取出数据进行传输打包，送至信号处理模块进行加密、编码，将基带信号送至接收激励模块，完成调制、数模转换、变频、滤波，送至激励交换模块进行信号合路和天线选择，并送至相应的天线进行变频、放大、发射。协议处理模块实时计算波束的指向，根据计算结果控制天线指向和选择天线，完成波束的实时跟踪。

接收过程和发射过程组成完整的机间数据链工作流程。

1.3 机间数据链工作原理

机间数据链的功能是实现各空中飞机间的信息交流与互动及系统控制。交流与互动的信息内容多种多样，依据飞机当时的飞行任务而确定。不同的飞行任务决定了其交互信息的内容、交互速率、更新频率等，这些因素又对确定采取何种通信体制、信道编码格式、抗干扰要求程度等具体技术方案起决定作用。机间数据链的功能原理图如图3所示。

结合图2及图3，可以清楚地看出机间数据链的工作原理，其信息来源由机载雷达、远程摄像、语音、数据采集组成。当仅机间数据链功能不正常时，可首先排查该功能当前使用的资源，再结合图2中机架内部模块的工作原理，对机间数据链空中断网故障的产生原因进行具体分析。

2 故障分析

2.1 故障现象

飞机在一次飞行任务中出现机间数据链空中断网故障，后正常着陆，未对飞行任务造成影响。飞行员反馈飞机是在空中编队飞行时出现该现象的，未报其他故障。

2.2 故障树构建

以机间数据链空中断网为故障顶事件建立故障树，如圖4所示。

2.3 故障原因分析

2.3.1 线缆连接故障

数据链天线工作时由光纤和高频电缆进行数据传输，若线缆连接故障，会导致数据或供电无法正常进行，天线无法正常工作，并在飞行员故障清单里报故。

查看故障架次的飞参数据，结合线缆导通测试结果，线缆连接正常，工作良好，排除线缆连接故障。

2.3.2 天线端故障

机间数据链工作时，由相应的天线进行变频、放大、发射，天线端故障会导致机间数据链通信功能丧失，无法完成组网工作，直接表现为机间数据链功能失效。天线端故障分为散热风扇故障、天线内部故障、天线端插针故障。

1）散热风扇故障

数据链天线工作时由天线上安装的散热风扇散热，若故障导致风扇停止工作将无法正常散热，会造成天线工作温度过高报故停机，并在飞行员故障清单里报故。

查看故障架次飞参数据，对各天线通电检查，散热风扇均工作良好，散热正常，排除散热风扇故障。

2）天线内部故障

查看故障架次飞参数据，对各天线通电检查，各天线工作良好，排除天线内部故障。

3）天线插针故障

数据链天线工作时，由光纤和高频电缆完成数据传输，若天线端接头处出现“缩针”或插针受损、被污染，将导致数据无法顺利传输，天线无法正常工作和通信，并在飞行员故障清单里报故。

查看故障架次飞参数据，对各天线的接头处仔细检查，插针均完好，没有“缩针”或受损、被污染现象，排除天线插针故障。

2.3.3 管理计算机故障

机间数据链工作时，机架内的模块会对信号进行处理，包括滤波、变频、解调、译码等，当模块出现故障，信号的处理工作会中断，数据链将无法正常工作，这类故障在这里统称为管理计算机故障。由于与机间数据链功能相关的硬件资源包括机架内的宽带接收激励模块、协议处理模块、开关矩阵模块和信号处理模块，因此将管理计算机故障细分为开关矩阵模块故障、宽带接收激励模块故障、信号处理模块故障、协议处理模块故障、射频前段控制管理模块故障，当仅机间数据链功能不正常时，可首先排查数据链功能当前正在使用的资源。

1）开关矩阵模块故障

开关矩阵模块故障会导致机间数据链功能无法正常工作，结合系统机内自检测结果与更换模块后的通电检查情况，故障未消除，模块工作正常，排除开关矩阵模块故障。

2）协议处理模块故障

协议处理模块在机间数据链功能的工作流程中完成协议处理，并对信息进行传输及拆包、打包，结合系统机内自检测结果与更换模块后的通电检查情況，故障仍然存在，模块工作正常，排除协议处理模块故障。

3）射频前段控制管理模块故障

在机间数据链功能的接收过程中，射频前段控制管理模块负责将收到的格式化信息拆包后送至处理机，在发射过程中该模块接收处理机需要发送的数字信息进行编码后发至协议处理模块。结合系统机内自检测结果与更换模块后的通电检查情况，故障未消除，模块工作正常，排除射频前段控制管理模块故障。

4）宽带接收激励模块故障

在机间数据链功能的接收过程中，宽带接收激励模块负责对接收到的信号进行滤波、模数转换、数字下变频等，结合系统机内自检测结果和通电检查情况，发现宽带接收激励模块存在故障，更换模块后通电检查，故障仍然存在，推断不只宽带接收激励模块故障，还有其他故障存在。

5）信号处理模块故障

在机间数据链功能的接收过程中，信号处理模块负责对接收到的信号进行解调、译码，在发射过程中负责对数据进行加密、编码，结合系统机内自检测结果和通电检查情况，发现信号处理模块存在故障，在更换宽带接收激励模块的基础上，再对该模块进行更换，通电检查后发现故障消除，机上机间数据链功能恢复正常，再次与其他飞机进行组网检查，机上通话声音清晰，通信良好。因此，判定造成此次故障的原因是宽带接收激励模块与信号处理模块故障。

2.4 维修设备及注意事项

本次排故中，使用通用工具及设备便可满足排故需求。工具设备及作用部位如表2所示。

排故过程中需要注意以下几点：

1）机架采用的是液冷、风冷相结合的降温模式，因此从设备拆下来的模块要及时泄压，放出模块卡槽内的冷却液，防止因环境温度变化造成模块内部冷却液膨胀损坏模块；

2）机架上的两根液冷管路拆装空间极为狭小，徒手难以触及液冷管路自封接头，在拆装时需一人在前轮舱内用力向前按压自封接头尾端，另一人使用鱼口钳钳住自封接头并沿着自封接头安装槽拧动，拧动过程中应用力适当，避免钳坏自封接头。

3 总结

本次排故过程中，采取循序渐进的方式，通过查阅资料深入学习，结合相关数据和资料，分析故障现象产生的原因，建立了完整的排故流程。

1）分析故障原因时，先从物理因素方面考虑，如是否为线缆连接或天线端问题。结合飞参数据对线缆及天线端进行检查，情况良好，排除故障。

2）查看故障架次的飞参数据，结合飞参数据及系统机内自检测结果，检查模块是否故障，检查宽带接收激励模块与信号处理模块无信号输出，配合厂家更换模块，进行机上通电检查和与他机组网检查，最终确定机架内的宽带接收激励模块与信号处理模块故障。

3）对后续产品提出相关改进建议，希望厂家在后续软件升级中陆续开放机上维护清单对模块工作状态的监控权限，以确保更精准地监控每个模块的工作状态，有助于机务更快速地确认故障原因，排除故障。

参考文献

[1]孙利刚.机间数据链设计与仿真[D].西安：西安电子科技大学，2010.