基于NM7000B的儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：吳兵（1990— ），男，助理工程師，碩士；研究方向：通導(dǎo)設(shè)備維護(hù)管理與技術(shù)支持。

摘要：故障預(yù)測(cè)與健康管理的提出和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為解決設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)感知、維修保障需求的快速響應(yīng)提供了有效技術(shù)途徑。文章對(duì)此提出以NM7000B為基礎(chǔ)的儀表著陸系統(tǒng)模擬器改裝方案。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)模型仿真以展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)。文章選擇國(guó)內(nèi)某大型樞紐機(jī)場(chǎng)信息系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真測(cè)試。研究結(jié)果證明，文章提出的健康管理系統(tǒng)能有效應(yīng)用于儀表著陸系統(tǒng)的運(yùn)維，具有較高的估計(jì)精度。

關(guān)鍵詞：儀表著陸系統(tǒng)；設(shè)備改造；運(yùn)維管控

中圖分類號(hào)：V351.37" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System， ILS）目前在航空器精準(zhǔn)入港和著陸引導(dǎo)中被廣泛運(yùn)用。近年來(lái)，ILS的應(yīng)用隨著中國(guó)民用航空的迅猛發(fā)展而逐步增多。國(guó)內(nèi)各大機(jī)場(chǎng)目前都在積極增加第2、3條跑道，相應(yīng)ILS的附屬設(shè)備數(shù)量不斷增加，對(duì)設(shè)備的操作和維護(hù)也就多了一份要求。在鐵路運(yùn)輸行業(yè)，Siemens、Ricardo和Knor等公司為了提高交通運(yùn)營(yíng)的可靠性，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出安全狀態(tài)診斷和預(yù)測(cè)系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的研發(fā)在提高鐵路養(yǎng)護(hù)效率，降低鐵路養(yǎng)護(hù)成本方面起到關(guān)鍵作用。中國(guó)民航的維修方式正由以前“計(jì)劃修”過(guò)渡到“狀態(tài)修”，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，這種維修模式的轉(zhuǎn)變能提高檢修效率，增強(qiáng)設(shè)備的安全可靠性，從而節(jié)約設(shè)備檢修成本。“狀態(tài)修”還可以幫助維修人員制定和完善維護(hù)策略，準(zhǔn)確把握設(shè)備故障發(fā)生的時(shí)機(jī)，評(píng)估設(shè)備的狀況。

1" ILS設(shè)備健康管理系統(tǒng)的計(jì)劃

儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備健康管理系統(tǒng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，該系統(tǒng)硬件部分利用機(jī)場(chǎng)淘汰的舊型號(hào)設(shè)備。筆者克服設(shè)備板件和框架不同的諸多困難，通過(guò)重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、搭配新型號(hào)組件、模擬生成天線信號(hào)等措施，創(chuàng)新設(shè)計(jì)組裝成一套新的模擬設(shè)備［1］。軟件部分由3個(gè)模塊組成：（1）數(shù)據(jù)的獲取。利用傳感器獲得盲降設(shè)備的外部環(huán)境和附屬設(shè)施的數(shù)據(jù)；利用編程自動(dòng)從設(shè)備端獲取運(yùn)行參數(shù)。（2）數(shù)據(jù)分析。本文分析了過(guò)去十余年的設(shè)備維護(hù)記錄、設(shè)備技術(shù)檔案等資料，整理出不同情況下設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)的展示。使用合適的圖文形式來(lái)展示收集到的各種資料建立的資料庫(kù)。目前，集成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行趨勢(shì)異常預(yù)警、維護(hù)提醒等功能的ILS數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，能夠幫助工作人員科學(xué)制定設(shè)備故障的預(yù)測(cè)、維護(hù)方案，提高工作效率和應(yīng)急處理能力。

2" 儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備健康管理系統(tǒng)硬件部分

2.1" NM7000B 設(shè)備的信號(hào)原理

NM7000B 指引航空器落地的原理［2］是產(chǎn)生CSB與SBO信號(hào)，經(jīng)天線系統(tǒng)發(fā)射，在空中形成可靠的AM調(diào)幅信號(hào)，飛機(jī)通過(guò)機(jī)載接收器接收信號(hào)，通過(guò)解調(diào)得到所需的90 Hz和150 Hz引導(dǎo)信號(hào)。要使ILS設(shè)備在空中生成精確信號(hào)，必須保證CSB和SBO信號(hào)的幅度和相位穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。NM7000B使用軟件定義無(wú)線電技術(shù)（Software Defined Radio，SDR）以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字、全軟件調(diào)機(jī)的功能。NM7000B的LF（Low frequency）板件產(chǎn)生CSB和SBO包絡(luò)信號(hào)，再在GPA1230板件中（Generate Power Amplifier）產(chǎn)生CSB與SBO射頻可用信號(hào)，基于I/Q調(diào)制和笛卡爾反饋控制技術(shù)手段，通過(guò)控制I-signal和Q-signal的幅度大小改變輸出相位，以實(shí)現(xiàn)全軟件調(diào)機(jī)的功能。

2.2" NM7000B 設(shè)備板材的獲取

ILS設(shè)備的組成分為5個(gè)模塊：信號(hào)發(fā)射模塊、設(shè)備監(jiān)控模塊、中央控制模塊、設(shè)備電源模塊與天線陣模塊。筆者深入對(duì)NM7000A與最新NM7000B設(shè)備運(yùn)行原理進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)因?yàn)樾屡f型號(hào)設(shè)備發(fā)射信號(hào)模塊的LF板件、GPA板件、下滑功放板與下滑余隙功放板，雖然作用原理類似，都可以為航空器提供CSB與SBO信號(hào)，但是設(shè)計(jì)生產(chǎn)的技術(shù)手段有一定的區(qū)別，不可以交叉使用。中央控制模塊的遠(yuǎn)程控制維護(hù)板（RMA板）因?yàn)槠銭EPROM芯片在2個(gè)型號(hào)設(shè)備使用不同（NM7000A為NM7000 RMS SW，NM7000B為NM7000B RMS），NM7000B無(wú)法穩(wěn)定使用NM7000A附加的RMM程序，所以也無(wú)法混用。模擬機(jī)需要的電源模塊、天線分配單元（Antenna Drive Unit， ADU）、監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)（Monitor Combine Unit， MCU）、監(jiān)視系統(tǒng)等模塊，筆者通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)新舊型號(hào)設(shè)備之間雖有配置上的些許差異，但是并沒(méi)有進(jìn)行深度上的升級(jí)改裝，舊型號(hào)的板件依舊可以在模擬機(jī)上運(yùn)行使用。從成本角度上考慮，本文在搭建NM7000B 模擬機(jī)的方案中首先選擇NM7000A設(shè)備上淘汰下來(lái)可以繼續(xù)使用的板件；需要更換的板件使用NM7000B的備件替代。

2.3" 設(shè)備信息采樣的解決辦法

模擬機(jī)只有復(fù)現(xiàn)NM7000B設(shè)備的功能：才能達(dá)到對(duì)初學(xué)者進(jìn)行實(shí)操培訓(xùn)的效果，這樣新員工才能夠在模擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)操作，對(duì)盲降信號(hào)流程有一定的了解進(jìn)而提升排故能力。但因?yàn)闄C(jī)場(chǎng)周邊電磁環(huán)境保護(hù)的要求，模擬機(jī)發(fā)射的信號(hào)可能會(huì)使得飛行員產(chǎn)生誤判，因此模擬機(jī)的發(fā)射信號(hào)禁止傳輸至天線中發(fā)射，防止對(duì)實(shí)際使用的盲降無(wú)線電信號(hào)產(chǎn)生干擾。這就導(dǎo)致天線沒(méi)有發(fā)射信號(hào)，所以MCU沒(méi)有任何信號(hào)輸入，這是因?yàn)樵O(shè)備監(jiān)控部分的信號(hào)是采樣天線發(fā)射信號(hào)輸入MCU。

對(duì)于監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有輸入信號(hào)的問(wèn)題，本文使用“假負(fù)載+耦合器”替代天線的方案來(lái)解決。其一考慮的是天線負(fù)載阻抗匹配，筆者使用假負(fù)載連接在ADU后每個(gè)接入天線的接口上。其二將耦合器接在每個(gè)假負(fù)載之前，這樣耦合端口的輸出信號(hào)可以用來(lái)替代天線的采樣信號(hào)輸入監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為監(jiān)控信號(hào)指示設(shè)備的工作狀態(tài)。本文考慮到ILS設(shè)備中航向設(shè)備輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下滑設(shè)備，采用單一的耦合射頻信號(hào)取代天線采樣信號(hào)，可能會(huì)導(dǎo)致傳輸進(jìn)入監(jiān)控模塊的信號(hào)電平過(guò)高，對(duì)設(shè)" 備造成破壞。因此，為了將射頻信號(hào)值減小到設(shè)備可接受范圍值，所以信號(hào)在進(jìn)入天線分配單元前，先經(jīng)過(guò)衰減器將RF信號(hào)電平衰減到正常值，這樣RF信號(hào)就不會(huì)對(duì)適合監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)造成損害。因?yàn)槟M機(jī)天線沒(méi)有實(shí)際信號(hào)發(fā)射出去，這樣近場(chǎng)監(jiān)控天線同樣監(jiān)控不到任何有效信息，考慮到近場(chǎng)信號(hào)與航道信號(hào)的數(shù)值基本一致，作為模擬機(jī)可以將航道信號(hào)耦合一路，當(dāng)作近場(chǎng)信號(hào)傳輸至監(jiān)控模塊。

2.4" 組裝和測(cè)試

經(jīng)過(guò)上述方案可知，模擬機(jī)天線沒(méi)有信號(hào)發(fā)射，天線模塊便不需要配置天線陣，僅保留天線分配單元（ADU）與監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)（MCU）。搭建的模擬機(jī)平臺(tái)由三大模塊組成：機(jī)柜、天線分配單元（ADU）和監(jiān)控混合網(wǎng)絡(luò)（MCU），無(wú)需配置室外部分。筆者搭建的模擬機(jī)平臺(tái)既能夠定制合適的機(jī)柜升級(jí)為可移動(dòng)平臺(tái)方便人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，也能夠固定在某處。模擬機(jī)測(cè)試信號(hào)如圖1—2所示。

3" 儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備的仿真模型

3.1" 設(shè)備故障因素分析

本文通過(guò)分析以往的設(shè)備維護(hù)記錄［3］、設(shè)備技術(shù)檔案等資料，結(jié)合設(shè)備的基本原理整理出與運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。筆者梳理出設(shè)備受雨雪低溫等變化影響較大的設(shè)備參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析出參數(shù)隨著溫度、降水量、降雪量等數(shù)據(jù)變化的規(guī)律。文章在變量中還加入影響儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行的人為因素、環(huán)境因素、設(shè)備因素、管理因素等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立基于NM7000B的儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備健康管理系統(tǒng)。

3.2" 數(shù)據(jù)的獲取

ILS設(shè)備時(shí)刻都在生成規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)，大型機(jī)場(chǎng)由于巨額的設(shè)備數(shù)量和業(yè)務(wù)規(guī)模，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更是海量，傳統(tǒng)信息化系統(tǒng)建設(shè)碎片化，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)無(wú)序、雜亂等特點(diǎn)，這就導(dǎo)致信息系統(tǒng)實(shí)際使用中出現(xiàn)各種問(wèn)題，如數(shù)據(jù)資產(chǎn)無(wú)法沉淀下來(lái)變?yōu)橘Y產(chǎn)，存在數(shù)據(jù)不可知、數(shù)據(jù)不可取、數(shù)據(jù)無(wú)法相連等諸多問(wèn)題。

以往的數(shù)據(jù)收集方法，是利用單一裝置，將外部系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備采集后輸入系統(tǒng)內(nèi)部的接口，例如監(jiān)視鏡頭、錄音機(jī)等。此類裝備的功能是單一的，收集數(shù)據(jù)能力有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)信息獲取目的。在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)在，數(shù)據(jù)采集早就大范圍運(yùn)用于航海業(yè)、商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)采集這一領(lǐng)域，發(fā)生了顯著的進(jìn)步。其一人工智能數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外開(kāi)始有明顯的發(fā)展，應(yīng)用在不同的場(chǎng)景中；其二支持多種總線兼容的數(shù)據(jù)采集插件日益增多；其三兼容PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)層出不窮。本文采用的是物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感等新技術(shù)搭建的新型設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：信息采集模塊、即時(shí)通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。此系統(tǒng)能夠便捷地取得外界相關(guān)信息并儲(chǔ)存。

4" 算例分析

為了確認(rèn)所設(shè)計(jì)的模型［4］的可靠性， 本文選擇2021年3—9月國(guó)內(nèi)某重點(diǎn)機(jī)場(chǎng)的儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證可知，目前集成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行趨勢(shì)異常預(yù)警、維護(hù)提醒等功能的ILS數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，能夠幫助工作人員實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的預(yù)測(cè)、維護(hù)方案的科學(xué)制定，提高工作效率和應(yīng)急處理能力。數(shù)據(jù)變化如圖3—4所示。

5" 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備健康管理系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證，該系統(tǒng)為公司解決實(shí)操培訓(xùn)的難題，全員技能水平得到提升，并且能持續(xù)穩(wěn)定記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，生成ILS運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)。工作人員通過(guò)狀態(tài)變化預(yù)測(cè)故障發(fā)生并提前采取措施，故障概率減少；利用數(shù)據(jù)科學(xué)制定維護(hù)計(jì)劃，提升工作效率。該系統(tǒng)具有一定的借鑒和推廣的意義。

參考文獻(xiàn)

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［3］郭忠義，李永華，李關(guān)輝，等.裝備系統(tǒng)剩余使用壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2022（3）：341-346.

［4］郭忠義，李永華，李關(guān)輝，等.儀表著陸系統(tǒng)建模與仿真［J］.火力與指揮控制，2009（6）：96-99.

（編輯" 王永超）

Design of health management system for instrument landing system equipment based on NM7000B

Wu" Bing

（Changsha Huanghua International Airport Branch， Changsha 410000， China）

Abstract：" The proposal of fault prediction and health management and the development of related technologies provide an effective technical way to solve the real-time perception of equipment status information and the rapid response of maintenance support needs. In this paper， a NM7000B modification scheme of instrument landing system simulator is proposed. The software uses data models to display the operating status of equipment and predict equipment operating trends. The data provided by the information system of a large hub airport in China are selected for simulation， and the research results show that the proposed health management system can be effectively applied to the operation and maintenance of the instrument landing system， and has high estimation accuracy.

Key words： instrument landing system; equipment modification; operation and maintenance control