飛參數(shù)據(jù)在航空飛行器狀態(tài)監(jiān)控檢測中的應(yīng)用

陳煒軍，崔德平，張 斌

(空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330095)

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，新研航空飛行器大量應(yīng)用高新技術(shù)，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化、綜合化，價(jià)格更加昂貴，保障安全的任務(wù)更加重大，對飛機(jī)進(jìn)行維護(hù)也更加困難。目前軍方訂貨的各型飛機(jī)均已配備了飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)及與其配套的飛行參數(shù)地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。飛參系統(tǒng)采集的參數(shù)成百上千個(gè)，大量的飛參數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確、及時(shí)地對飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。但是實(shí)際應(yīng)用表明，由于飛參系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)參數(shù)多，判讀量大，且飛行參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性和故障模式復(fù)雜，用人工判讀的方式對飛行狀態(tài)、飛機(jī)故障做出全面準(zhǔn)確的判讀較為困難。而且，隨著分析時(shí)間的繼續(xù)，效率降低，效果變差。這種情況嚴(yán)重制約了飛參數(shù)據(jù)輔助地勤維護(hù)作用的發(fā)揮，容易造成因人員技術(shù)水平等原因?qū)е碌娜藶椴铄e(cuò)，影響飛機(jī)的狀態(tài)檢測和正常維護(hù)。現(xiàn)階段飛參的數(shù)據(jù)卸載和設(shè)備維護(hù)均使用一線檢測設(shè)備(飛參檢測處理機(jī))來實(shí)現(xiàn)，工作地點(diǎn)在場外，工作時(shí)間長，使用維護(hù)不方便，且軟件運(yùn)行時(shí)間長，工作效率低，不具備快速處理能力，造成信息判讀時(shí)間的大量浪費(fèi)。因此，需對飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析歸類，以形成科學(xué)、高效、規(guī)范性的數(shù)據(jù)處理方法。

1 飛參系統(tǒng)原理

飛參數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(Flight Data Collecting and Processing System)，能夠自動(dòng)記錄飛機(jī)飛行中的各種狀態(tài)參數(shù)(包括飛機(jī)的姿態(tài)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、各種告警信號以及飛行員通話信息和座艙語言信息)。飛行結(jié)束后，它將記錄的飛行信息提供給地面信息處理設(shè)備，用于評定飛機(jī)的安全工作能力；記錄反映飛行員對飛機(jī)的操縱使用信息，用于考核飛行員的飛行訓(xùn)練水平；為飛行事故失事原因的處理提供依據(jù)。人們常說的“黑匣子”是飛參系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備的一部分，另外還包括機(jī)載參數(shù)采集器、地面設(shè)備以及專用處理軟件。機(jī)載部分通常包括參數(shù)采集器、音頻監(jiān)控器、防護(hù)記錄器和快取記錄器，主要是在飛行中實(shí)時(shí)地采集與飛行有關(guān)的數(shù)據(jù)，并以一定的格式記錄在記錄器中。地面設(shè)備包括飛參外場檢測處理機(jī)、飛參內(nèi)場檢測處理機(jī)、地面數(shù)據(jù)處理站，主要用于地面對系統(tǒng)的檢測維護(hù)。數(shù)據(jù)處理部分則完成對記錄器所記錄的飛行參數(shù)的提取、恢復(fù)和處理工作，并根據(jù)需要，以各種方式顯示出來，以供人們使用與分析。原理組成如圖1所示。

圖1 飛參系統(tǒng)組成原理框圖

飛行參數(shù)記錄系統(tǒng)傳感源現(xiàn)采用模擬、離散、總線、頻率和同步器信號共5種，包括直流模擬信號接口、同步器信號接口、開關(guān)信號接口、UART(RS-422A)串行總線信號接口、1553B總線信號接口、ARINC-429總線信號接口、HDLC總線接口、音頻信號等。

目前，我們對投產(chǎn)的XX系列航空飛行器監(jiān)控檢測用的地面設(shè)備為原飛參采集記錄系統(tǒng)廠家所提供。該套系統(tǒng)能對飛參記錄的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行簡單處理。通過地面設(shè)備中對應(yīng)機(jī)型的算法，用戶可對選定的飛行信息進(jìn)行處理，通過地面解析軟件重現(xiàn)飛行時(shí)狀態(tài)，如輸出事件代碼、起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、范圍、事件名稱等信息。解析完畢后，根據(jù)不同事件輸出相應(yīng)的參數(shù)曲線以方便用戶判斷事件是否為誤報(bào)。

2 記錄參數(shù)讀取方法

2.1 記錄參數(shù)

通過實(shí)測操作，目前裝機(jī)的飛參系統(tǒng)主要記錄導(dǎo)航、大氣數(shù)據(jù)、姿態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、旋翼轉(zhuǎn)速、旋翼載荷、機(jī)電參數(shù)以及飛控等各個(gè)系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)。不同的數(shù)據(jù)，來源及參數(shù)類別都不一樣。表1列出了部分飛參的記錄參數(shù)來源以及信號類別。

表1 某型旋翼飛機(jī)部分飛參數(shù)據(jù)來源及信號類型

2.2 參數(shù)讀取方法

2.2.1 閥值法

針對飛參數(shù)據(jù)采用不同的分析方法分析發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)和機(jī)電數(shù)據(jù)，通常在一定范圍內(nèi)可認(rèn)為該數(shù)據(jù)合格，因此該類數(shù)據(jù)采用閥值法進(jìn)行分析，就是在數(shù)據(jù)曲線中做出超限直線，只要數(shù)據(jù)不超過該曲線即認(rèn)為該飛行數(shù)據(jù)正常。

2.2.2 比較法

機(jī)上一些重要系統(tǒng)通常由兩至三套獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行相互備份。如某型直升機(jī)上的姿態(tài)系統(tǒng)，通常由慣導(dǎo)系統(tǒng)、航姿系統(tǒng)、備份飛行系統(tǒng)測量，互為備份。因此，對同一參數(shù)可通過不同系統(tǒng)測量，進(jìn)行同一坐標(biāo)系中分析。采用該種分析可以判讀對比哪個(gè)系統(tǒng)是有故障的，對飛行時(shí)的狀態(tài)分析可行度更高。

2.2.3 關(guān)聯(lián)法

大氣數(shù)據(jù)如全壓、靜壓、溫度、高度、指示空速、場壓以及升降速度之間存在解算方程，如：大氣靜壓與高度之間的關(guān)系見公式(1)，動(dòng)壓與指示空速之間的關(guān)系見公式(2)。

(1)

(2)

式中：

H

—重力勢高度(m)；

T

—相應(yīng)層下屆大氣溫度(K)；

β

—垂直溫度梯度(K/km)；

P

—大氣靜壓(Pa)；

P

—相應(yīng)層下屆大氣壓力(Pa)；

R

—專用氣體常數(shù)，等于287.05287m/K·s；

gn

—自由落體標(biāo)準(zhǔn)加速度，等于9.80665m/s；

Hb

—相應(yīng)層下屆高度(m)；

qc

—?jiǎng)訅?Pa)；

Pn

—海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(Pa)；

k

—絕熱指數(shù)，等于1.4；

V

—指示空速(m/s)；

c

—海平面標(biāo)準(zhǔn)聲速，等于340.294m/s。

因此，對于該類存在相互交聯(lián)的數(shù)據(jù)可以采取相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，采用關(guān)聯(lián)法來判斷其系統(tǒng)工作的正常性。

3 數(shù)據(jù)處理軟件選擇及運(yùn)用

3.1 飛參數(shù)據(jù)處理軟件選擇

目前流行的圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件主要有Matlab，Mathmatica和Maple等。這些軟件功能強(qiáng)大，可滿足科技工作中的許多需要。但使用這些軟件需要一定的計(jì)算機(jī)編程知識和矩陣知識，并熟悉其中大量的函數(shù)和命令。而使用Origin只需選擇菜單命令就可以完成大部分工作，獲得滿意的結(jié)果。

MIcroCal公司開發(fā)的Origin最初是一個(gè)專門為微型熱量計(jì)設(shè)計(jì)的軟件工具，主要用于將儀器采集到的數(shù)據(jù)作圖，進(jìn)行線性擬合及各種參數(shù)計(jì)算。1992年，MIcroCal軟件公司正式公開發(fā)布Origin，公司后來改名OriginLab公司。Origin是目前公認(rèn)的簡單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級用戶數(shù)據(jù)分析、函數(shù)擬合的需要。Origin具有兩大功能：數(shù)據(jù)分析和繪圖。Origin的數(shù)據(jù)分析主要包括統(tǒng)計(jì)、信號處理、圖形處理、峰值分析和曲線擬合等各種完善的數(shù)學(xué)分析功能。準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，只需選擇需要分析的數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單命令即可。Origin的繪圖是基于模板的，Origin本身提供了幾十種二維和三維繪圖模板供用戶選擇，并且允許用戶自己定制模板。用戶可以自定義數(shù)學(xué)函數(shù)、圖形樣式和繪圖模板，可以和各種數(shù)據(jù)庫、圖像處理軟件等方便地連接。Origin可以導(dǎo)入包括ASCⅡ、Excel、pClamp在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)。另外，它可以把Origin圖形輸出到各種格式的圖形文件，譬如JPEG、GIF、EPS、TIFF等。Origin里面有LabTalk和Origin C兩種編程語言，支持編程，以方便拓展Origin的功能和執(zhí)行批處理任務(wù)。

3.2 飛參數(shù)據(jù)處理方法

通過PC卡將來自飛參外場處理機(jī)的飛參數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。地面數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)將采集來的飛參數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成“*.txt”格式文件，然后將該“*.txt”格式文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件Origin。利用Origin軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，選取所需的數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)曲線以便進(jìn)行后續(xù)處理。

以旋翼轉(zhuǎn)速為例，查飛行手冊可知某型旋翼機(jī)額定旋翼轉(zhuǎn)速上下限分別為212r/min和207r/min。在該型號旋翼機(jī)飛參數(shù)據(jù)中取出旋翼轉(zhuǎn)速這一參數(shù)，利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件可得到如圖2所示的旋翼轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖中可以看出有部分轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)超限，對超限數(shù)據(jù)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。

圖2 旋翼轉(zhuǎn)速變化曲線

以指示空速和備飛空速為例，得到如圖3所示的指示空速和備飛空速對比曲線。從該曲線可以看出，指示空速和備飛空速基本吻合，說明兩套系統(tǒng)均工作正常。

圖3 指示空速和備飛空速對比曲線

應(yīng)用關(guān)聯(lián)法得到升降速度和相對氣壓高度關(guān)聯(lián)曲線，如圖4所示。

圖4 升降速度和相對氣壓高度關(guān)聯(lián)曲線

4 結(jié)束語

文章提出的分別用閥值法、對比法和關(guān)聯(lián)法對飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，借助數(shù)據(jù)處理軟件Origin的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析功能對飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化分析判斷，可以不斷提高飛參數(shù)據(jù)的利用率，保障航空飛行器的狀態(tài)監(jiān)測穩(wěn)定性和飛行安全。通過查看飛參數(shù)據(jù)圖表，清晰地了解飛機(jī)飛行狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)載設(shè)備的故障以及飛行員危害操作等情況，提高了飛參數(shù)據(jù)判讀的效率，降低了故障漏檢概率，為視情維修提供了依據(jù)，有效提高飛參數(shù)據(jù)輔助于地勤維護(hù)的效率，從而更全面真實(shí)地監(jiān)控航空飛行器狀態(tài)，并且可以為飛行訓(xùn)練及事故分析提供切實(shí)有效的依據(jù)。