专利名称：共轴双旋翼无人驾驶直升机测控与电子系统的自检测试的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自检、测试系统，更特别的是指一种用于共轴双旋翼无人驾驶直升机测控与电子系统的自检测试。
无人直升机测控系统日益向模块化和小型化发展，因此，为保证其可靠运行的系统测试也由早期的逐点测试向模块测试发展；同时，由于早期的测试是依靠工程技术人员凭借自己的丰富经验和理论知识，并借助一些常规的工具(如万用表、示波器等)来完成的，这不仅对技术人员的素质有很高的要求，而且测试的速度慢、质量差，在测控系统日趋复杂的情况下，这种矛盾势必要求人们研究新的方法和技术来完成测试工作。
为了保障无人直升机安全飞行，在开机前和关机后需要对测控系统进行测试。以往测试工作是通过工程技术人员凭经验在关键点上对测控系统作一大体的测试来完成的，这种测试既不系统，也不全面，因此为进一步提高无人直升机飞行安全性能，有必要设计一测试分系统来对测控与电子系统进行全面、综合、系统的测试。
本发明的目的之一是提供一种利用系统内部具有自检能力的硬件和软件来完成系统故障检测的一种方法。
本发明的目的之二是提供一种对测控系统的编译码、加解密和编解帧功能的测试方法。
本发明的目的之三是提供一种对码同步、帧同步电路的测试方法。
本发明的目的是这样实现的共轴双旋翼无人驾驶直升机测控与电子系统的自检测试，它包括地面自检、测试部分和机载自检、测试两部分，其中(a)地面由飞行控制台、地面监控计算机、主遥控地面发射设备、辅助遥控地面设备和遥测地面接收设备组成；飞行控制台连接地面监控计算机、主遥控地面发射设备和辅助遥控地面设备，地面监控计算机连接主遥控地面发射设备和遥测地面接收设备；(b)机载由辅助遥控机载设备、主/辅助遥控切换器、遥控机载接收设备、遥测机载发射设备、导航计算机、自动稳定系统、舵机系统组成；遥控机载接收设备连接导航计算机，导航计算机连接自动稳定系统，自动稳定系统连接舵机系统，遥控机载接收设备还连接遥测机载发射设备。
所述的自检测试在输入一个机载模拟源，地面部分可以单独进行测试。
所述的自检测试在输入一个地面模拟源，机载部分可以单独进行测试。
所述的自检测试对地面和机载可以同时进行自检测试。
所述的自检测试在无人驾驶直升机飞行状态下，机载设备也可以单独进行自检。
所述的指令编码器完成对指令的编码、加密、编帧。
所述的指令译码器完成对指令的解帧、解密、译码。
所述的自检是按照编制好的软件及设备进行故障检测的。
共轴双旋翼无人驾驶直升机测控与电子系统的自检测试方法，(a)自检部分由系统层、设备层、功能层和传输层组成，系统层自检由系统大闭环自检实现、设备层自检由遥控双机备份冗余实现、功能层自检由指令处理重组冗余实现、传输层自检由差错控制混合编码实现；(b)测试部分由功能测试和电路测试组成，功能测试是对测控系统的编解帧、编译码和加解密三种功能进行测试，电路测试是对码同步、帧同步电路进行测试。
所述的自检测试方法系统层自检，在飞行控制台产生遥控指令，同时发送给主遥控地面设备和地面监控计算机，主遥控地面设备将收到的遥控指令传送给指令编码器，并对指令进行编码、加密、编帧处理，将处理后的信号发送给发射机进行发射，机载的遥控接收设备将接收到信号传送给指令译码器，并对信号进行解帧、解密、译码处理，将处理后的信号发送给遥测发射机进行发射，通过遥测链路将解密译码后的遥控指令返回地面监控计算机供检测，根据比较的结果来判断遥控遥测系统的工作状态。
所述的自检测试方法设备层自检，主/辅助遥控设备切换是依据在规定的时间内主遥控子系统是否有信号输出。
所述的自检测试方法设备层自检，主/辅助遥控设备切换是依据在规定的时间内主遥控子系统是否有信号输出和遥控指令帧序号是否依次递增1。
所述的自检测试方法测试时，指令编码器的指令发送给扩频发射机，不连接测试设备的指令接收部分，而指令译码器的指令接收扩频接收机，不连接测试设备的遥控指令源，构成主遥控子系统的一个测试回路。
所述的自检测试方法，通过遥控模拟源原始遥控指令与指令译码器输出的遥控指令进行比较判断主遥控子系统的工作情况。
本发明的优点是系统操作简单、使用方便，可以对测控与电子系统进行全面的故障自检测、自诊断和故障测试，可以提高测控与电子系统的可靠性。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明的功能结构示意图。
图2是本发明的测控系统原理图。
图3是本发明的自检原理图。
图4是本发明的测试原理图。
图5是本发明的测试工作框图。
图6是本发明的解帧解密译码动态重组冗余结构原理7是本发明的地面遥控设备测试框图。
图8是本发明的地面遥测设备测试框图。
图9是本发明的机载遥控设备测试框图。
图10是本发明的机载遥测设备测试框图。
在本发明中，实现无人驾驶直升机遥控分系统(分系统是针对整个无人驾驶直升机的系统而言的)的高可靠性，究其实质，主要是解决两个问题，其一是要获得尽可能长的平均故障间隔时间(MTBF)，这方面，主要采用静态和动态冗余技术来实现；其二是要使平均故障修复时间(MTTR)尽可能短，而要缩短故障修复时间(MTTR)，首先就要设法缩短故障检测与定位时间，这里主要采用测试技术来实现。冗余技术和测试技术是可靠性技术中的两个很重要的方面，它对延长故障间隔时间(MTBF)，缩短故障修复时间(MTTR)，提高修复率，提高可用度，有非常积极有效的作用。
静态冗余技术是防止系统中的故障在该系统的信息结构中产生差错的各种措施的总称，其实质是利用冗余资源(包括硬件、软件、时间、信息等资源的冗余)将故障影响掩盖、隔离和校正，从而达到容错的目的，它的一个显著特点是不改变系统的结构，即系统部件之间的逻辑关系相互固定。在本发明系统设计中主要采用了三发两判和纠错码技术。
动态冗余技术是综合利用故障检测与诊断、选择系统冗余结构，实现静态冗余设计、重组和恢复等四项技术来达到更强容错能力的一种综合性容错技术。“动态”主要体现在作为系统正常资源的冗余模块数随着检测到的故障数多少而变化。系统在正常状态下以标准模块配置进行工作；一旦检测出故障，紧接着进行重组和恢复，从而消除故障的影响，达到容错的目的。在本发明系统设计中主要应用遥控双机备份冗余结构和解帧解密译码动态重组冗余结构设计。
测试在本发明中主要是针对系统脱机情况而言的，即独立测试遥控地面设备、遥控机载设备和遥控分系统。通过自检测试子系统的测试源，可以对遥控分系统分别进行确定性测试和随机测试，主要完成功能测试。
在本发明的自检、测试系统是综合运用以上三种技术来进行设计的，其中系统自检运用了静态和动态冗余技术，系统测试运用了测试技术。实践证明，该自检测试子系统对于遥控分系统的故障检测、诊断和屏蔽有非常重要的作用，它能提高遥控分系统的可靠性，从而保证无人驾驶直升机飞行任务的顺利完成。
在本发明中的自检测试，它包括地面自检、测试部分和机载自检、测试两部分。(a)地面由飞行控制台、地面监控计算机、主遥控地面发射设备、辅助遥控地面设备和遥测地面接收设备组成；飞行控制台连接地面监控计算机、主遥控地面发射设备和辅助遥控地面设备，地面监控计算机连接主遥控地面发射设备和遥测地面接收设备；(b)机载由辅助遥控机载设备、主/辅助遥控切换器、遥控机载接收设备、遥测机载发射设备、导航计算机、自动稳定系统、舵机系统组成；遥控机载接收设备连接导航计算机，导航计算机连接自动稳定系统，自动稳定系统连接舵机系统，遥控机载接收设备连接遥测机载发射设备。
在本发明的自检测试方法，发明人从四个层面进行叙述来检测故障，双从自检和测试分为两部分进行详细说明。自检部分由系统层、设备层、功能层和传输层组成，系统层自检由系统大闭环自检实现、设备层自检由遥控双机备份冗余实现、功能层自检由指令处理重组冗余实现、传输层自检由差错控制混合编码实现；测试部分由功能测试和电路测试组成，功能测试是对测控系统的编解帧、编译码和加解密三种功能进行测试，电路测试是对码同步、帧同步电路进行测试。请参看图1所示。
系统自检是指利用系统内部具有自检能力的硬件和软件来完成系统故障检测的一种方法。本发明是在系统中投入一定的冗余资源即超出系统额定功能所需的资源，使系统在运行中不仅能输出功能所要求的信息，而且能输出一些额外的信息，用于指示系统是否发生故障或者指示系统中那个部件发生了故障。它能自动校验和监视各子系统的工作状态，并且在检测到子系统有故障时能给用户提供指示或自动排除，以便用户能及时发现和维护，以保持系统在良好的状态下进行工作。
系统自检的设计由系统大闭环自检、遥控双机备份冗余结构、解帧解密译码动态重组冗余结构和差错控制等四部分组成。这四部分分别从四个层面共同完成对遥控分系统的自检系统大闭环自检从系统层；遥控双机备份冗余结构从设备层；解帧解密译码动态重组冗余结构从功能层；差错控制从传输层。
按照遥控分系统信息流程作大闭环自检，从整体性能综合来判断系统有无故障。
飞行控制台产生遥控指令，同时发送给主遥控地面设备和地面监控计算机，主遥控地面设备将收到的遥控指令传送给指令编码器，并对指令进行编码、加密、编帧处理，将处理后的信号发送给发射机进行发射。机载的遥控接收设备将接收到信号传送给指令译码器，并对信号进行解帧、解密、译码处理，将处理后的信号发送给遥测发射机进行发射。通过遥测链路将解密译码后的遥控指令返回地面监控计算机供检测。根据比较的结果来判断遥控遥测系统的工作状态。
经过这样一个大闭环后，地面监控计算机中共存有三种状态下的遥控指令原始遥控指令、发送前遥控指令和回传遥控指令，这三种指令有相同的指令序号，可以进行对比检测。
这样，利用下行遥测链路和增加遥测路数将遥控指令回传，从而完成整个遥控分系统的大闭环自检。通过大闭环自检，可以准确的判断遥控分系统是否工作正常。
遥控双机备份冗余结构是一种动态冗余技术，其中主遥控子系统是包括信道在内的从指令编码器到指令译码器整个子系统，辅助遥控子系统是包括信道在内的从辅助遥控地面设备到辅助遥控机载设备整个子系统。两者功能不一样，频点也不一样，前者是遥控分系统的主要执行系统，可以完成遥控分系统所要求的所有功能，而后者是备份系统，只用于完成简单的无人机飞行姿态控制。
主/辅助遥控切换器首先判断主遥控子系统是否有故障，判断依据为在规定的时间内主遥控子系统是否有信号输出，如果没有，则认为有故障，否则无故障。因为在无人机的试飞中，偶然会有强干扰造成通信链路中断或主遥控子系统死机，在这种情况下，主遥控子系统无输出，所以将之作为判断依据。若没有故障，则判断是否有遥控切换指令，因为有时为了避开在主遥控子系统频点上的干扰或主遥控子系统呈恶化趋势，需要人为地切换主/辅助遥控。若没有切换指令，则正常继续。如果有故障或有切换指令，则切换到辅助遥控子系统。同时，在自动(非人为)切换的前提下，还需判断故障是否恢复，判断依据同样是在规定时间内主遥控子系统是否有持续信号输出。若已恢复，则切换回主遥控子系统，否则继续。切换过程中的延时和完全转自主是为了平滑控制量而设，使无人机不致因控制量的跳变而失控。
遥控双机备份冗余结构采用的是动态冗余技术中的后援备份重组。所谓后援备份重组，是指系统配置了一组平时不工作的模块(如辅助遥控子系统)，作为工作模块(如主遥控子系统)的备份。在故障发生后(如主遥控子系统无输出)，通过故障检测来触发后备模块(如通过主/辅助遥控切换器来切换)，并用它取代失效模块。
由于遥控双机备份冗余结构是针对主/辅助遥控子系统的故障自检，所以它属于设备层的自检。
重组是实现动态冗余技术的四个基本步骤之一，它的基础是结构的冗余和基于冗余结构的故障检测与诊断。解帧解密译码动态重组冗余结构中的后援备份重组是指对解帧、解密、译码这三个功能模块分别进行备份，如图6所示，每个模块都有两个备份，同时机载遥控系统会记录每个模块的工作状态，根据工作状态来判断模块是否有故障，如果有，则由机载遥控系统将之切换到另一备份模块，从而屏蔽故障。例如，若解密出了故障，则机载遥控系统“拨动开关K2”。
解帧解密译码动态重组冗余结构中的缓慢降级重组是指当机载遥控系统的三个功能模块出现故障后，进行无替换的切换，每检出一个切除一个，从而使系统的功能和性能逐步降级。为每个功能模块设计一短路通路，当某个功能模块的两个备份模块全部用完以后，再出现故障就只能选择切除改功能，即将之短路。
遥控分系统的差错控制由两部分组成三发两判和循环码编码。三发两判实际是重复码的一种，它是通过判断三帧遥控指令中是否有两帧或两帧以上相同来达到故障自检或屏蔽某一帧中出现的故障的目的。遥控分系统中采用的是缩短循环码(12，8)，其最小码距为3，可纠正1个码元错误。因为差错控制主要是针对信道传输码来进行故障自检和屏蔽，所以这是传输层的自检。
在本发明中通过系统层、设备层、功能层和传输层这四个层面的系统自检，很好的完成了对遥控分系统的故障自检测和自诊断，对于及时发现故障、准确故障定位和及时排除故障起到了非常重要的作用，从而提高了遥控分系统的可靠性。
系统测试在遥控分系统脱机情况下进行，脱机有两层含义一是遥控分系统与无人机系统、遥测分系统脱离；一是遥控分系统内部地面和机载设备分开，即单独测试遥控分系统、指令编码器和指令译码器。
遥控模拟源模拟飞行控制台发出遥控指令，有两种类型一是确定性遥控指令，用于测试指令编码器对某些特定遥控指令(如全0、全1)的处理情况；二是随机遥控指令，通过一随机码发生器来产生，用于模拟真实的指令编码器输入，测试指令编码器在这种情况下的工作状态。
指令编码器收到遥控指令后进行指令处理，根据遥控模拟源的控制指令对遥控指令进行编码、加密和编帧后将指令发送。可以是这3种功能的组合，然后进行指令发送。由于是独立测试指令编码器，所以输出直接接遥控分系统测试设备指令接收的输入，同样也根据遥控模拟源的控制指令作相应的解帧、解密和译码。处理完接收的遥控指令后送比较器和遥控模拟源的原始遥控指令进行比较，从而得到指令编码器的工作状态。指令译码器主要完成指令接收，解帧、解密和译码，指令分发。如图4所示。
遥控指令源模拟传输中的遥控指令流，同样有确定性和随机遥控指令两种。它与遥控模拟源的区别在于遥控模拟源输出控制指令和未经处理的遥控指令，而遥控指令源输出已经过编帧、加密或编码的遥控指令。
指令译码器中的指令接收部分根据控制指令对接收到的遥控指令进行解帧、解密或译码，再通过指令分发部分发送到遥控分系统测试设备中，与遥控指令源中的原始遥控指令进行比较。同时，指令接收部分中的码同步和帧同步信号也被引出到测试设备进行码同步和帧同步检测。最后，所有比较结果、检测结果通过测试设备的显示部分显示。
遥控分系统包括指令编码器、扩频发射机、扩频接收机和指令译码器等四部分，还包括辅助遥控子系统、主/辅助遥控切换器、信号处理器和遥控/程序切换器。这里只叙述主遥控子系统的测试。
测试时，指令编码器的指令发送给扩频发射机，不连接测试设备的指令接收部分，而指令译码器的指令接收扩频接收机，不连接测试设备的遥控指令源，这样就构成了对整个主遥控子系统的一个测试回路，通过遥控模拟源原始遥控指令与指令译码器输出的遥控指令进行比较可得整个主遥控子系统的工作情况。
本发明的自检测试子系统能够全面地完成对遥控分系统的故障自检测、自诊断和脱机故障测试。对于提高遥控分系统的可靠性，延长故障间隔时间(MTBF)，缩短故障修复时间(MTTR)，提高修复率，提高可用度，保证无人驾驶直升机飞行任务的顺利完成有非常积极有效的作用。
权利要求
1.共轴双旋翼无人驾驶直升机测控与电子系统的自检测试，它包括地面自检、测试部分和机载自检、测试两部分，其特征在于(a)地面由飞行控制台、地面监控计算机、主遥控地面发射设备、辅助遥控地面设备和遥测地面接收设备组成；飞行控制台连接地面监控计算机、主遥控地面发射设备和辅助遥控地面设备，地面监控计算机连接主遥控地面发射设备和遥测地面接收设备；(b)机载由辅助遥控机载设备、主/辅助遥控切换器、遥控机载接收设备、遥测机载发射设备、导航计算机、自动稳定系统、舵机系统组成；遥控机载接收设备连接导航计算机，导航计算机连接自动稳定系统，自动稳定系统连接舵机系统，遥控机载接收设备还连接遥测机载发射设备。
2.根据权利要求1所述的自检测试，其特征在于输入一个机载模拟源，地面部分可以单独进行测试。
3.根据权利要求1所述的自检测试，其特征在于输入一个地面模拟源，机载部分可以单独进行测试。
4.根据权利要求1所述的自检测试，其特征在于地面和机载可以同时进行自检测试。
5.根据权利要求1所述的自检测试，其特征在于在无人驾驶直升机飞行状态下，机载设备也可以单独进行自检。
6.根据权利要求1所述的自检测试，其特征在于指令编码器完成对指令的编码、加密、编帧。
7.根据权利要求1所述的自检测试，其特征在于指令译码器完成对指令的解帧、解密、译码。
8.根据权利要求1所述的自检测试，其特征在于自检是按照编制好的软件及设备进行故障检测的。
9.共轴双旋翼无人驾驶直升机测控与电子系统的自检测试方法，其特征在于(a)自检部分由系统层、设备层、功能层和传输层组成，系统层自检由系统大闭环自检实现、设备层自检由遥控双机备份冗余实现、功能层自检由指令处理重组冗余实现、传输层自检由差错控制混合编码实现；(b)测试部分由功能测试和电路测试组成，功能测试是对测控系统的编解帧、编译码和加解密三种功能进行测试，电路测试是对码同步、帧同步电路进行测试。
10.根据权利要求9所述的自检测试方法，其特征在于系统层自检，在飞行控制台产生遥控指令，同时发送给主遥控地面设备和地面监控计算机，主遥控地面设备将收到的遥控指令传送给指令编码器，并对指令进行编码、加密、编帧处理，将处理后的信号发送给发射机进行发射，机载的遥控接收设备将接收到信号传送给指令译码器，并对信号进行解帧、解密、译码处理，将处理后的信号发送给遥测发射机进行发射，通过遥测链路将解密译码后的遥控指令返回地面监控计算机供检测，根据比较的结果来判断遥控遥测系统的工作状态。
11.根据权利要求9所述的自检测试方法，其特征在于设备层自检，主/辅助遥控设备切换是依据在规定的时间内主遥控子系统是否有信号输出。
12.根据权利要求9所述的自检测试方法，其特征在于设备层自检，主/辅助遥控设备切换是依据在规定的时间内主遥控子系统是否有信号输出和遥控指令帧序号是否依次递增1。
13.根据权利要求9所述的自检测试方法，其特征在于测试时，指令编码器的指令发送给扩频发射机，不连接测试设备的指令接收部分，而指令译码器的指令接收扩频接收机，不连接测试设备的遥控指令源，构成主遥控子系统的一个测试回路。
14.根据权利要求9所述的自检测试方法，其特征在于通过遥控模拟源原始遥控指令与指令译码器输出的遥控指令进行比较判断主遥控子系统的工作情况。
全文摘要
本发明公开了一种共轴双旋翼无人驾驶直升机测控与电子系统的自检测试,它包括地面自检、测试部分和机载自检、测试两部分。地面由飞行控制台、地面监控计算机、主遥控地面发射设备、辅助遥控地面设备和遥测地面接收设备组成;飞行控制台连接地面监控计算机、主遥控地面发射设备和辅助遥控地面设备,地面监控计算机连接主遥控地面发射设备和遥测地面接收设备;机载由辅助遥控机载设备、主/辅助遥控切换器、遥控机载接收设备、遥测机载发射设备、导航计算机、自动稳定系统、舵机系统组成;遥控机载接收设备连接导航计算机,导航计算机连接自动稳定系统,自动稳定系统连接舵机系统,遥控机载接收设备还连接遥测机载发射设备。本发明设计的自检、测试系统能够全面地完成对遥控分系统的故障自检测、自诊断和脱机故障测试。对于提高遥控分系统的可靠性,延长故障间隔时间,缩短故障修复时间,提高修复率,提高可用度,保证无人驾驶直升机试飞的顺利完成有非常积极有效的作用。
文档编号G01C21/00GK1358649SQ02100629
公开日2002年7月17日 申请日期2002年1月29日 优先权日2002年1月29日
发明者张晓林, 苏壵昀, 金石, 张鸣瑞, 杨绍鹏 申请人:北京航空航天大学