CN110412562B - 机载距离测量设备健康度评估方法 - Google Patents

机载距离测量设备健康度评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种机载距离测量设备健康度评估方法，旨在提供一种能够定量评估机载DME设备健康状态的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：机载DME设备将某一时刻工作频率、飞机与DME地面台之间的距离、接收信道AGC衰减量、发射信道发射功率等数据发送给飞机中央维护系统；飞机中央维护系统计算机载DME设备接收信道AGC的标准值，与设备采集的AGC实际值对比，得到接收信道增益的损耗，然后根据接收信道增益的设计值计算接收信道的健康度；接下来，中央维护系统利用采集的发射功率实际值与设计值对比来评估发射信道的健康度；最后利用机载DME设备接收信道、发射信道的健康度，综合评估机载DME设备整体的健康度。

Description

机载距离测量设备健康度评估方法
技术领域
本发明涉及一种机载距离测量设备(DME，Distance measuring equipment)健康度评估方法，用于飞机中央维护系统或地面数据分析系统。
背景技术
预测与健康管理技术是利用传感器采集系统的各种数据信息，借助各种智能推理算法来监测系统自身的健康状态，在系统故障发生前对其故障进行预测，并结合各种可利用的资源信息提供一系列的维修保障措施以实现视情维修的一门技术。预测与健康管理技术是飞机维修保障的发展方向和趋势，而定量化的健康评估是机载电子设备健康管理的技术难点，也是实现机载电子设备视情维修的前提。
机载DME设备通过与塔台的实时通讯，实现了飞机的实时定位、实时测距、飞机航向确定、避开禁飞区等功能，是飞机重要的导航设备之一。目前对机载DME设备的测试诊断主要通过BIT(机内测试，Built In Test)和地面测试两种手段来实现，存在以下局限：
1)BIT方法通过实时监测设备内部主要的数字或射频电路工作状态来确定设备的健康状态，具备实时性和连续性好的优点。但BIT功能的实现需要在设备内部添加额外的嵌入式测试电路或软件，增加了设备体积、重量和功耗的开销，降低了设备的基本可靠性。受限于以上因素，BIT方法的测试精度和故障覆盖率很难达到很高的水平，只能给出设备“正常”或“故障”两种状态，无法准确反映设备健康状态的连续变化趋势。
2)地面测试方法作为BIT的补充，可以实现对机载DME设备功能和性能指标的检测，测试精度更高，故障覆盖率更全。但地面测试方法需要借助地面检测设备，测试过程相对复杂，频繁测试会加重飞机维护人员的负担，因此，地面测试工作的开展时机存在限制，测试时间间隔一般取决于飞机的定检周期，相对较长，无法实现对设备健康状态实时、连续的监控。
发明内容
本发明的目的是针对目前已有的BIT和地面测试方法在进行机载DME设备测试诊断时存在的局限性，提供一种能够定量化评估机载DME设备健康状态的健康度评估方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于包括如下步骤：机载距离测量设备DME利用应答式脉冲测距原理计算飞机与地面台之间的距离，并记录当前时刻机载DME设备的自动增益控制AGC值，将记录的飞机与DME地面台之间的距离、工作模式、工作频率、接收信道AGC值数据信息发送给飞机中央维护系统，作为定量化评估机载DME设备健康度的输入数据；飞机中央维护系统计算某一时刻机载DME设备接收信道的标准AGC值，并将该时刻接收信道AGC的实际值与计算得到的标准值进行对比，计算接收信道AGC实际值与标准值之间的偏差，得到接收信道增益的损耗值，并利用飞行记录数据统计分析得到机载DME设备接收信道正常状态下AGC偏差的均值，然后根据机载DME设备接收信道增益的设计值和损耗值来评估接收信道的健康度。
本发明具有如下有益效果：
本发明采用健康评估数据获取、接收信道增益损耗和发射信道发射功率损耗计算、健康度评估等三个步骤来实现机载DME设备健康度评估，可有效利用机载DME设备实时记录的各种数据信息，定量化评估机载DME设备的健康状态，解决了当前机上BIT系统无法定量化评估机载DME设备健康状态的问题。
本发明可用于飞机维护人员监控机载DME设备的健康状态变化趋势，使得维护人员可以根据掌握的机载DME设备健康状态，从而更加合理地安排维修时机，在机载DME设备逼近失效时进行维修更换，实现基于状态维修。这种方法一方面可以减少因为机载DME设备故障导致的飞机停机时间，另一方面，可以实现对机载DME设备维修过程的精细化管理，在保证飞机可用度的前提下，减少备件数量和维护费用。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明专利进一步说明。
图1是机载距离测量设备组成及工作原理示意图。
图2是飞机DME测距原理示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，1)机载机载距离测量设备DME利用应答式脉冲测距原理计算飞机与地面信标台之间的距离，并记录当前时刻DME的工作频点和接收信道自动增益控制AGC值。然后，机载DME设备将记录的飞机与DME地面台之间的距离、工作频率、AGC值、数据记录时间等信息发送给飞机中央维护系统，作为定量化评估机载DME设备接收信道健康度的输入数据。
2)飞机中央维护系统计算某一时刻机载DME设备接收信道的标准AGC值，并将该时刻接收信道AGC的实际值与计算得到的标准值进行对比，计算接收信道AGC实际值与标准值之间的偏差，得到接收信道增益的损耗值。
3)飞机中央维护系统利用机载DME设备接收信道增益的设计值和计算得到的损耗值来评估机载DME设备接收信道的健康度。
4)机载DME设备采集发射信道的发射功率值，送到飞机中央维护系统。飞机中央维护系统利用实际采集的发射功率值与发射功率的设计值进行对比，计算机载DME设备发射信道的健康度。
5)飞机中央维护系统利用机载DME设备接收信道的健康度、发射信道的健康度，综合评估机载DME设备的健康度。
机载距离测量设备DME的组成主要包括天线、含功放模块和激励模块的接收信道、发射信道和信号处理模块，在接收状态下，接收信道对来自天线的DME接收信号进行变频、放大、滤波以及A/D变换等处理，形成数字中频信号，然后送入信号处理模块进行解调和基带处理，并产生最终的测量数据。在发射状态下，信号处理模块产生所需的数字信号，经发射信道中激励模块完成数/模变换、变频后生成所需的激励信号，功放模块将激励信号进行调制和功率放大后形成功率放大信号，作为DME发射信号送到天线进行发射。信号处理模块采用AGC控制电路产生AGC值，对接收信道的增益大小进行控制。机载DME设备利用应答式脉冲测距原理计算飞机与地面信标台之间的距离，并记录当前时刻机载DME设备的自动增益控制AGC值，将记录的飞机与地面信标台之间的距离、工作频率、AGC值、发射功率等数据信息发送给飞机中央维护系统，作为定量化评估机载DME设备健康度的输入数据。飞机中央维护系统计算某一时刻机载DME设备接收信道的标准AGC值，并将该时刻接收信道AGC的实际值与计算得到的标准值进行对比，计算接收信道AGC实际值与标准值之间的偏差，得到接收信道增益的损耗值。飞机中央维护系统利用机载DME设备接收信道增益的设计值和计算得到的损耗值来评估机载DME设备接收信道的健康度。飞机中央维护系统利用实际采集的发射功率值、发射信道发射功率的设计值，计算机载DME设备发射信道的健康度。飞机中央维护系统利用机载DME设备接收信道的健康度、发射信道的健康度，综合评估机载DME设备的健康度。
机载DME设备采用AGC控制电路对接收信道的输入信号进行动态范围压缩，即当接收信道的输入信号幅度起伏变化时，通过控制接收信道增益，使信号输出幅度保持恒定，以满足后续数字信号处理的要求。AGC将接收信号在A/D变换前控制在AD芯片要求的信号电平范围内。设接收信道增益(设计值)为LRec，AD芯片要求的信号电平为LAD，可得AGC衰减量标准值满足下式：LAGC＝P-L-Ls+LRec-LAD
P表示地面信标台发射脉冲功率。Ls表示电磁波传播路径上的固定衰减量，与地面信标台天线最小增益L1、DME天线平均增益L2、DME射频电缆插入损耗L3、地面信标台射频电缆插入损耗L4和监测器损耗L5相关，计算公式为：Ls＝L1+L2-L3-L4-L5
L是电磁波空间衰减量，单位dB。L的计算公式为：L＝32.4+20log10(f)+20log10(D)
其中，f是信号频率，单位MHz，D是传播距离，表示机载DME设备与地面信标台的距离，单位km。DME工作在962MHz～1213MHz，以中位数1088MHz作为信号频率f代入进算，可得到空间衰减量L与传播距离D的关系。
参阅图2。机载DME设备与地面信标台的距离可利用应答式脉冲测距原理测量得到。机载DME设备发射询问脉冲对信号，地面信标台收到该询问脉冲后，经过一个固定延时，再向机载DME设备发出回答脉冲对信号，机载DME设备收到询问脉冲信号后，经过识别，选择出对自己的测距应答脉冲，并测出询问脉冲和信标台回答脉冲之间的时间间隔，传播距离是与该时间间隔成正比的，计算公式如下：D＝C×(t-t0)/2
其中，C为光速，t为机载DME设备发出询问脉冲到收到地面信标台回答脉冲的时间间隔，为了补偿各地面信标台对信号延时的不同而产生距离误差，规定所有DME台都有t0微秒的回答延迟。
当接收信道性能退化的情况下，如接收信道中放大器增益减小、噪声系数增大等，接收信道增益会下降。为使A/D前的信号电平保持在要求范围内，AGC衰减量的实际值会比计算的标准值小，此时AGC衰减量实际值的计算公式为：
L′AGC＝P-L-Ls+LRec-Lreduct-LAD (6)
式中，L′AGC表示AGC衰减量的实际值；Lreduct表示接收信道增益的损耗量。
由公式(1)和公式(6)可知，Lreduct等于AGC衰减量标准值与实际值之差：
Lreduct＝LAGC-L′AGC (7)
当接收信道正常时，接收信道增益的损耗为0，此时AGC衰减量实际值与标准值的偏差Lreduct＝0；当接收信道完全故障时，接收信道增益由设计值LRec减小到0，此时为AGC衰减量实际值与标准值的偏差：Lreduct(max)＝LRec，为最大值。
机载DME设备的最大作用距离由设备发射功能的最大作用距离和接收功能的最大作用距离共同决定。DME接收功能的作用距离取决于接收信道增益、AGC衰减量的范围以及A/D芯片的信号电平要求，即当A/D前的信号电平小于A/D芯片的输入范围时，机载塔康功能软件无法解算距离或方位，塔康功能失效。DME发射功能的作用距离取决于发射信道的发射功率大小。
设AGC衰减量的值域范围为[0dB-LAGC(max)]，则由公式(1)可得DME接收功能作用距离满足：0≤P-L-Ls+LRec-LAD≤LAGC(max) (8)
将公式(4)代入上式可得：
Figure BDA0002112986560000051
由公式(9)可得DME接收功能的最大作用距离为：
Figure BDA0002112986560000052
以上计算未考虑接收信道退化的情况，当引入接收信道增益损耗时，DME接收功能的最大作用距离为：
Figure BDA0002112986560000053
由公式(11)可知，DME接收功能的最大作用距离D′max与增益损耗Lreduct成反比，即随着接收信道不断退化，接收信道增益不断下降，DME接收功能的作用距离会逐渐缩短。
由设备基本可靠性预计可知，接收信道增益损耗是导致DME功能接收灵敏度下降和作用距离缩短的主要原因。因此，本实施例将接收信道增益损耗作为机载DME设备接收信道的健康表征参数，通过对比AGC衰减量实际值与计算标准值之间的偏差得到增益损耗的具体数值，见公式(7)，进而计算接收信道的健康度。
当不考虑设备误差和外界环境影响时，机载DME设备健康度的计算公式为：
Figure BDA0002112986560000054
Figure BDA0002112986560000055
I＝min{Irec，Iemi} (14)
I表示机载DME设备健康度；Irec表示DME接收信道健康度；Iemi表示DME发射信道健康度；LTP(real)表示机载DME设备发射功率的实际值；LTP(design)表示机载DME设备发射功率的设计值。
当机载DME设备完全故障时I＝0；当机载DME设备正常时，I＝1；当机载DME设备退化时，0＜I＜1。
实际对机载DME设备接收信道进行健康评估时，需要考虑设备误差和外界环境因素影响。此时，引入AGC控制衰减量偏差的统计均值
Figure BDA0002112986560000061
初始统计均值
Figure BDA0002112986560000062
机载DME设备发射功率的统计均值
Figure BDA0002112986560000063
和初始统计均值
Figure BDA0002112986560000064
其中，
Figure BDA0002112986560000065
和
Figure BDA0002112986560000066
可利用设备初始安装使用时的飞行记录数据统计分析得到，
Figure BDA0002112986560000067
和
Figure BDA0002112986560000068
可通过对设备实际使用过程中机上采集数据进行统计分析和曲线拟合得到。机载DME设备健康度的计算公式为：
Figure BDA0002112986560000069
Figure BDA00021129865600000610
I′＝min{I′Rec，I′Emi} (17)
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于包括如下步骤：
机载距离测量设备DME利用应答式脉冲测距原理计算飞机与地面台之间的距离，并记录当前时刻机载DME设备的自动增益控制AGC值，将记录的飞机与DME地面台之间的距离、工作模式、工作频率、接收信道AGC值数据信息发送给飞机中央维护系统，作为定量化评估机载DME设备健康度的输入数据；飞机中央维护系统计算某一时刻机载DME设备接收信道的标准AGC值，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，电磁波传播路径上的固定衰减量
Figure DEST_PATH_IMAGE004
与DME地面台天线最小增益
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、机载DME设备天线平均增益
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、机载DME设备射频电缆插入损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、DME地面台射频电缆插入损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和监测器损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE014
相关，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，并将该时刻接收信道AGC的实际值与计算得到的标准值进行对比，计算接收信道AGC衰减量实际值与标准值之间的偏差，得到接收信道增益的损耗值，并利用飞行记录数据统计分析得到机载DME设备接收信道正常状态下AGC偏差的均值，然后根据机载DME设备接收信道增益的设计值和损耗值来评估接收信道的健康度，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示接收信道增益的设计值，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示AD芯片要求的信号电平，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示DME地面台发射脉冲功率，
Figure 918621DEST_PATH_IMAGE004
表示电磁波传播路径上的固定衰减量，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示电磁波空间衰减量。
2.如权利要求1所述的机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于：当接收信道正常时，接收信道增益的损耗为0，此时AGC衰减量实际值与标准值的偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；当接收信道完全故障时，接收信道增益由设计值
Figure DEST_PATH_IMAGE028
减小到0，此时为AGC衰减量实际值与标准值的偏差：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为最大值。
3.如权利要求1所述的机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于：将接收信道增益损耗作为无线电测距设备接收信道的健康表征参数，通过对比AGC衰减量实际值与计算标准值之间的偏差得到接收信道增益损耗的损耗量，进而计算接收信道的健康度。
4.如权利要求1所述的机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于：机载DME设备采集发射信道的发射功率值，送到飞机中央维护系统，飞机中央维护系统利用实际采集的发射功率值、发射信道发射功率的设计值，计算机载DME设备发射信道的健康度。
5.如权利要求1所述的机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于：飞机中央维护系统利用机载DME设备接收信道的健康度、发射信道的健康度，综合评估机载DME设备的健康度。
6.如权利要求1所述的机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于：机载距离测量设备DME的组成主要包括天线、含功放模块和激励模块的接收信道、发射信道和信号处理模块，在接收状态下，接收信道对来自天线的DME接收信号进行变频、放大、滤波以及A/D变换处理，形成数字中频信号，然后送入信号处理模块进行解调和基带处理，并产生最终的测量数据。
7.如权利要求6所述的机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于：在发射状态下，信号处理模块产生所需的数字信号，经发射信道中激励模块完成数/模变换、变频后生成所需的激励信号，功放模块将激励信号进行调制和功率放大后形成功率放大信号，作为DME发射信号送到天线进行发射。
8.如权利要求7所述的机载距离测量设备健康度评估方法，其特征在于：信号处理模块采用AGC控制电路产生AGC值，对接收信道的增益大小进行控制；机载DME设备利用应答式脉冲测距原理计算飞机与地面信标台之间的距离，并记录当前时刻机载DME设备的自动增益控制AGC值，将记录的飞机与地面信标台之间的距离、工作频率、AGC值、发射功率数据信息发送给飞机中央维护系统，作为定量化评估机载DME设备健康度的输入数据；飞机中央维护系统计算某一时刻机载DME设备接收信道的标准AGC值，并将该时刻接收信道AGC的实际值与计算得到的标准值进行对比，计算接收信道AGC实际值与标准值之间的偏差，得到接收信道增益的损耗值。
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