机载前视气象雷达软件系统测试*

杜子妮

(南京电子技术研究所，南京 210039)

1 引言

传统的地面气象雷达布置在机场附近，若载机上没有装备气象雷达，与机组人员报告气象信息往往通过无线电联系，实时性和直观性不强，而由恶劣天气造成的灾难在上世纪初、中期频频发生。因此，国外在上世纪七八十年代就着手研究机载脉冲多普勒气象雷达，并在本世纪初技术趋于成熟［1］。

载机装备了前视气象雷达就可以提前探测机头远区的雷雨强度信息、大气湍流信息及低空风切变信息，并可实时报告及直观显示给飞行员，同时还可将探测到的气象信息转发给后面的飞机及地面雷达站，便于及时、灵活地比较气象信息［2］。

因此，机载气象雷达是飞机对大气监测的重要手段，在对突发性、灾难性的气象环境监测、预报和警报中具有极其重要的作用。目前，全球所有大中型民用飞机和军用运输机都装备有各种类型的气象雷达，以便飞机更加安全、舒适地飞行。

通常，气象雷达只有通过国际航空电子设备适航性认证后才能够装备载机。适航性认证不仅包括对航空电子硬件设备的认证，同时也包括对电子设备软件的认证［3］。目前，机载气象雷达硬件架构体系比较成熟，而气象探测功能的实现越来越依赖软件功能的实现，有“软件雷达”著称。然而，现阶段国内气象雷达湍流、风切变探测软件大多还处于研制阶段，对气象雷达功能较好的验证手段如果单从真实载机试飞来实现，时间周期较长，且成本较高；如果在气象雷达软件试飞前对其进行软件测试，则在较早阶段发现隐藏缺陷，使得缺陷得到及时修复，且成本和周期得到较好的控制。

2 机载前视气象雷达软件功能

机载前视气象雷达主要具有气象、气象湍流和低空风切变探测的功能［4］。

在上述气象功能中，控制探测波束/时序控制、气象回波、气象湍流及风切变信号谱分析及图像处理、人机交互、系统自检、系统校准、数据交换等功能均以软件实现为主。

2.1 气象探测流程

气象方式探测载机航向前方的雷雨天气，以不同灰度等级显示雷雨区雨量和轮廓，提示和告警前方恶劣气象。降雨率越大，雷达回波就越强。信号处理软件对气象探测的软件处理流程如图1所示。

图1 气象探测流程图

2.2 气象/湍流探测流程

对气象雷达而言，湍流是指微粒速度偏差较大的气象目标。速度的偏差可理解为速度的范围与频谱，频谱越宽，湍流越大。根据湍流速度偏差大小，可将湍流分为轻度、中度和严重湍流。信号处理软件按照图2所示的流程来处理并判断有无湍流，如有，在气象显示基础上标注湍流位置。

图2 气象/湍流探测流程图

2.3 风切变探测流程

从强地杂波背景下探测微弱的低空风切变是机载前视风切变雷达的技术难点。当载机在起飞及着陆阶段检测到风切变时，根据风切变检测距离远近给予语言、文字和视觉通告等不同危险等级的告警提示。信号处理软件对风切变探测处理流程如图3所示。

图3 风切变探测流程图

由上述雷达软件功能描述可见，机载前视气象雷达软件的特点为“处理为主，控制为辅”。气象雷达软件功能主要靠信号处理软件来实现，其核心的气象探测算法、大气湍流探测及风切变探测算法的软件系统集成则是软件测试的重点。

3 软件系统测试实现

根据气象雷达软件功能特点，即气象强度和形成条件的不同组合会有不同气象信息的表现，提取覆盖软件功能、性能、接口、余量、强度、安全性和可恢复性7种测试类型的测试需求点［5］。

3.1 关键测试点提取

通过从系统顶层系统需求文件中提取软件需求，逐项分析并正式评审形成测试需求，一致认同该气象雷达软件在功能测试方面要重点关注以下测试点:

(1）气象探测方式回波强度不同时图像颜色显示是否正确；

(2）气象强度随载机距离的变化是否处于稳定状态；

(3）探测在不同方位的雨区是否正确；

(4）探测不同强度雨区的重叠是否正确；

(5）湍流分级显示是否正确；

(6）湍流报警是否正确；

(7）载机速度不同和湍流方位角较大时探测是否正确；

(8）湍流探测是否随载机距离的变化处于稳定状态；

(9）湍流不同强度的重叠探测是否正确；

(10）风切变危险因子的计算是否正确；

(11）不同的风切变危险因子下告警功能是否正确。

需要说明的是，以上功能测试点(2）～(4），(7）～(9）项在软件需求中没有涉及相关内容，因此提取该测试项对气象风切变雷达原理需要深入了解，也是本测试项目一个难点所在。运用场景法和猜错法来设计相关测试用例。对同一处气象信息持续稳定的探测需要雷达系统具有随距离不同衰减不同的接收增益曲线，否则会造成同一气象信息在远处探测为小雨，而随着距离的接近却错误地判断为中雨或更强的雨区。不同强度雨区重叠探测测试也是要验证软件处理系统是否充分考虑到此类场景，特别是在一个弱雨区的后面隐藏着更强的雨区时，系统应给出相应的报警提示。湍流的探测是要按照载机在飞行中的姿态和速度不同，计算的湍流谱宽有所展宽，在强度的判断上要分别采用不同的门限，因此设计测试用例时也要覆盖此类场景。

同时，在DO-178B 适航性要求中特别提到采用鲁棒性测试系统的健壮稳定性，设计以下10 项测试需求，验证在异常和危险情况下系统生存的能力:

(1）载机速度较大或非正常时雷达工作是否正常；

(2）载机姿态角有较大变化时雷达工作是否正常；

(3）雷达工作状态快速转换是否正常；

(4）雷达软件及数据受到破坏雷达工作是否仍然正常；

(5）能否非法窃取雷达软件及数据；

(6）显控功能按键互锁时雷达工作是否正常；

(7）雷达软件是否具有反汇编设计；

(8）雷达软件是否具有防病毒设计；

(9）载机惯导异常时雷达软件是否工作正常；

(10）气象、湍流和风切变探测3 种方式下扫描宽度快速切换是否正确。

其余测试类型的测试点按照常规机载雷达软件来分析提取就可以覆盖软件需求，这里就不再一一描述。

3.2 测试环境搭建

分析了测试的关注点和方法后就要搭建切实可行的测试环境来执行用例。气象雷达测试的另一难点在于测试环境的建立，而建立测试环境的关键在于气象回波模拟器的搭建。气象射频仿真系统应具备以下功能:

(1）模拟机载气象雷达湍流回波信号；

(2）模拟机载气象雷达低空风切变回波信号。

首先，采用了假设场景并模拟雷达扫描的工作过程来生成雷达回波。仿真系统根据美国国家气象局的分类标准，采用先进的流体力学仿真技术，分别建立了湍流和风切变风场模型，自主研发了湍流和风切变仿真软件，真实模拟了风场速度和风场的密度分布。

然后，射频仿真系统通过接收雷达发射信号，经系统内部对回波距离、范围、速度、谱宽和幅度处理后，产生模拟射频回波信号，注入给雷达及通过喇叭辐射给雷达天线。

这样，利用某研究所结合了气象、湍流、风切变目标仿真建模技术为一体的气象回波射频模拟器和雷达整机联试环境就可以搭建完整的测试环境，如图4所示。实线框为被测雷达系统，实线框以外的设备为测试环境。通过综合考虑雷达软件开发特点和运行环境，充分利用已有设备和开发调试环境，提出一种交叉测试(cross-testing）环境。在该测试环境上可以实现对嵌入式雷达软件功能和性能等项目实施有效测试，其中各部分的功能和作用是:

图4 机载气象雷达软件系统测试环境

(1）宿主机提供雷达软件的开发环境，用来开发测试用例，程序插装，编译通过后下载；

(2）雷达整机设备是被测程序的运行环境，利用该设备现有的可编程触摸键盘和显示模块控制测试的执行，显示模块也可以用来显示测试输出；

(3）气象回波模拟器和喇叭具有较好的可控性，可以模拟气象、湍流及风切变回波强度、距离、谱宽及位置信息，雷达对气象目标的检测功能和性能等都可以得到较全面的测试；

(4）专用设备总线监测仪是针对雷达对外航电通讯总线信息接口的监测，通过分析约定格式可以对总线接口信息进行通讯再现，从而可以计算总线响应时间和有无通讯误码；

(5）机载航电仿真系统模拟航电与雷达之间的通讯，同时通过模拟显控系统可以直观地把雷达检测到气象信息显示出来，仅仅通过观测显示画面就可以判断雷达工作是否正常。

这种交叉测试环境也是在雷达软件开发调试中经常使用的，在对嵌入式软件系统测试中可以直接利用，不需要增加新设备，具有高度的真实性、高可控性、节省费用和时间等优点。该测试环境已在实际测试项目中得到应用，完全适用于功能、性能、接口、安全性、余量、可恢复性及强度测试7 种类型，测试效果良好。

4 结束语

本文首先对机载前视气象雷达软件的功能逐一分析，给出了气象、湍流、风切变探测工作处理流程，然后针对气象3个方式探测处理的特点提取了软件功能和安全性测试的关注点，详细介绍系统测试环境的构建方法，最后通过7 种测试类型的执行完整地覆盖了基于需求的系统测试，为同类测试项目提供了实际经验。另外，机载气象雷达软件系统测试要进一步加强对气象目标模型仿真技术的深入研究才能更好地为测试项目提供全面的测试场景。

［1］梁爱民，陈露.低空风切变与飞行安全［J］.中国民用航空，2009，105(09）:32.

［2］魏永恒.大气湍流及航空风切变探测预警体系［J］.宝成航空科技，2007(1）:1-13.

［3］秦显忠.机载系统和设备软件适航性认证最新指导文件-RTCA DO-178B［J］.航空电子技术，1995(1）:23-25.

［4］张培昌，杜秉玉，戴铁培.雷达气象学［M］.北京:气象出版社，2000.11.

［5］Lee J，etc.Testability analysis based on structural and behavioral information［C］.Proceeding of IEEE VLSI Test Symposium，Atlantic City，NJ，1993:139-145.