CN111052190A - 飞行器监控系统 - Google Patents
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Abstract
一种监控系统，其包括测量装备件(2)和LPWAN接收终端，每件测量装备包括：·传感器(15；20；24；27)，其被布置成测量飞行器的参数；·LPWAN天线(7)和LPWAN发射器(9)；·独立电源(5)，其为该测量装备件供电；·主切断部件(10)，其连接在所述独立电源与所述LPWAN发射器之间；以及·主控制组件(6)，其被布置成监控所述LPWAN发射器(9)的工作参数，并根据所述工作参数来选择性地打开和闭合所述主切断部件(10)。
Description
本发明涉及飞行器监控系统的领域。
发明背景
传统地，飞行器监控系统包括用于监控飞行器的一个或多个参数的一个或多个传感器。
这种监控系统特别地用于检测故障的发生，或者通过分析飞行器的一个或多个参数的变化(一种称为健康监控的过程)来预测故障的发生。这样的监控系统还可以使得验证飞行器中任何件装备或物体的存在成为可能。
当设计飞行器时，集成监控系统通常是困难的。具体地，传感器有时需要被置于难以接近的位置中，并且通常难以确保由这些传感器进行的测量被返回至数据集中器或维护装备。与传感器连接的电缆可能会产生相当大的重量，并且它们有时难以安装。电缆也往往会降低监控系统的可靠性，特别是当它们穿过受到恶劣环境限制(温度、振动、冲击等)的环境时。
监控系统难以认证，因为传感器和电缆可能会或者经由电气连接主动地或者通过生成各种干扰非主动地与属于其他系统的许多外部装备件相互作用。
在现有的飞行器中集成和认证新监控系统甚至更加困难。具体而言，在这种情况下，现有的飞行器并未被设计成接收新的监控系统。因此，必须在不会干扰新监控系统外部的装备(该装备并非被设计成在该新监控系统存在的情况下工作)的情况下集成该新监控系统。应当观察到，这个问题是相当大的，因为从其设计开始到其寿命结束，飞行器的生命周期可能会持续数十年。因此，能够在现有飞行器中集成和认证更高性能的新监控系统是基本的。
发明目的
本发明的目标是在飞行器中在其设计阶段期间或在现有的飞行器中便于集成并认证监控系统。
发明内容
为了实现该目标，提出了一种飞行器监控系统，该飞行器监控系统包括测量装备件和LPWAN接收终端的LPWAN网络，该LPWAN接收终端还被适配成被连接至飞行器的维护装备，每件测量装备包括：
·传感器，被布置成测量飞行器的参数；
·LPWAN天线和LPWAN发射器，被布置成将由传感器产生的测量数据传送给LPWAN接收终端；
·为测量装备件供电的独立电源；
·主切断部件，其连接在独立电源与LPWAN发射器之间；以及
·主控制组件，被布置成监控LPWAN发射器的工作参数，并根据该工作参数来选择性地打开和闭合主切断部件。
由于每件测量装备包括其自身的用于传输测量数据的LPWAN发射器，以及还有用于为其供电的独立电源，因此仅LPWAN接收终端需要被连接到机载网络。这用于简化在新飞行器或现有飞行器中集成和认证本发明的监控系统。
对于认证活动，有一个基本要求，即能够发射射频(RF)能量的任何装备都必须符合RTCA航空标准DO-160第21节的规定。特别是，针对每个频率，该标准要求所发射的RF能量等级必须低于预定阈值。
通过连接在独立电源与LPWAN发射器之间的主切断部件，主控制组件可以通过物理切断LPWAN发射器的电源来停用LPWAN发射器。
因此，在可能导致以与上述标准不兼容的方式发射RF能量的工作问题的情况下，主控制组件肯定能够停用LPWAN发射器。
这确保测量装备在任何情况下都不会干扰外部装备，并且确保监控系统符合认证要求。
在阅读了以下对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征及优点将变得显而易见。
附图的简要说明
参考附图，其中：
·图1示出了本发明的监控系统；以及
·图2示出了本发明的监控系统的一件测量装备。
发明的详细描述
参考图1，本发明的监控系统1被安装在飞行器上。
监控系统1包括各测量装备件2a、2b和2c以及LPWAN接收终端3。各测量装备件2a、2b、2c和LPWAN接收终端3组成LPWAN网络。缩写LPWAN代表低功率广域网。LPWAN是一种以较低的速率并且在较长的距离上提供RF数据通信的技术。
在此示例中，LPWAN网络是长距离(LoRa)网络。然而，LPWAN网络可以是不同的LPWAN网络，例如，Sigfox网络。
在该示例中，所有的测量装备件2a、2b和2c在硬件级是等同的。所实现的软件功能取决于在其中使用每件测量装备2的应用。
每件测量装备2以两种操作模式来操作：第一操作模式和第二操作模式。在第一操作模式中，由测量装备2进行的LPWAN信号的发射被停用。在第二操作模式中，由测量装备2进行的LPWAN信号的发射被激活。
所使用的操作模式取决于将发现的飞行器所处的飞行阶段。第一操作模式对应于预定的飞行阶段，其包括初始滑行阶段、起飞阶段、爬升阶段、巡航阶段、下降阶段、进近阶段、着陆阶段和最终滑行阶段。第二操作模式对应于飞行器被停放的阶段。
参考图2，每件测量装备2包括为该测量装备2的各组件供电的独立电源5。因此，不需要将测量装备2连接到外部电源。
在该示例中，独立电源5包括具有低泄漏电流的电池(例如，锂亚硫酰氯类型的电池)。
测量装备2还包括主控制组件6。主控制组件6管理整件测量装备2的操作。在该示例中，主控制组件6是微控制器，然而它可以是不同的组件，例如现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、处理器等。
测量装备2还包括LPWAN天线7、带通滤波器8和LPWAN发射器9。
带通滤波器8位于LPWAN发射器9与LPWAN天线7之间。带通滤波器8使预定频带通过并强烈衰减预定频带之外的频率。在该示例中，预定频带是863兆赫兹(MHz)至928MHz。在960MHz，带通滤波器8的抑制至少等于60分贝(dB)。在工作通带中，带通滤波器应尽可能少地衰减。
主控制组件6持续监控LPWAN发射器9的配置参数。特别地，主控制组件6监控由LPWAN发射器9生成的LPWAN信号的发射功率设置，以及LPWAN信号的发射频率设置。
测量装备2还包括连接在独立电源5与LPWAN发射器9之间的主切断部件10。
因此，测量装备2的所有组件均由独立电源5直接供电，除了LPWAN发射器9是由独立电源5经由主切断部件10供电。
主控制组件6选择性地打开和闭合主切断部件10。主切断部件10通常处于打开状态(切断到LPWAN发射器9的电源)。仅当有必要并且授权发射时，切断部件才会闭合(为LPWAN发射器9供电)。
在检测到LPWAN发射器9的配置错误的情况下，主控制组件6随后生成故障消息，该故障消息指定故障位于LPWAN发射器9中。
此外，主控制组件6通过在3秒以后打开主切断部件10来确保LPWAN发射器9在每3600秒中发射的时间不超过3秒。这限制了由测量装备2传输的RF能量的量。
测量装备2还包括第一操作检测装置12。第一操作检测装置12包括连接在独立电源5与LPWAN发射器9之间的第一副切断部件13，连同加速度计15和连接至该加速度计15的第一副控制组件16。
第一副控制组件16被布置成选择性地打开和闭合第一副切断部件13。
加速度计15是产生对装备2所经受的加速度的测量的传感器。第一辅助控制组件16获取这些加速度测量，并且基于该加速度测量，它能检测是否将发现飞行器处于与测量装备2的第一操作模式相对应的飞行阶段中。
如果是，则停用LPWAN信号发射是适当的。第一副控制组件16打开第一副切断部件13。因此，切断了到LPWAN发射器9的电源，并且因此使LPWAN发射器9停用并且不再能够发射LPWAN信号。测量装备2因此进入第一操作模式。
测量装备2还包括第二操作检测装置18。第二操作检测装置18包括连接在独立电源5与LPWAN发射器9之间的第二副切断部件19，连同陀螺仪20和连接至该陀螺仪20的第二副控制组件21。
第二副控制组件21被布置成选择性地打开和闭合第二副切断部件19。
陀螺仪20是产生对测量装备2的角位置的测量的传感器。第二辅助控制组件21获取这些角位置测量，并且基于该角位置测量，它能检测是否将发现飞行器处于与测量装备2的第一操作模式相对应的飞行阶段中。
如果是，则停用LPWAN信号发射是适当的。第二副控制组件21打开第二副切断部件19。因此，切断了到LPWAN发射器9的电源，并且因此使LPWAN发射器9停用并且不再能够发射LPWAN信号。测量装备2因此进入第一操作模式。
因此，第一副控制组件16和第二副控制组件21基于对两个不同参数(加速度和角位置)的独立测量来独立地操作以切断到LPWAN发射器9的电源。
测量装备2还包括连接在主切断部件10与LPWAN发射器9之间的限流组件23。限流组件23被设计为提供最高达某个最大值的电流，以使LPWAN发射器9能够以所需的功率(但没有更多功率)传送消息，即以受限的功率生成LPWAN信号。限流组件23因此防止了LPWAN发射器9以大于预定最大功率的功率生成LPWAN信号。应当观察到，预定最大功率包括代表组件的工作功率的附加裕度。该操作裕度使得能够确保功率足以传输消息，而与测量装备2工作的条件无关：环境条件、组件公差、组件老化等。
主控制组件6监控由限流组件23执行的限流。当由限流组件23通过的电流大于最大电流时，主控制组件6打开主切断部件10。
限流组件23和主切断部件10(在发射3秒(或更早)结束时由主控制组件6打开)的组合动作限定了用于发射LPWAN信号而提供的预定最大能量。所需能量小于或等于预定最大能量。
在此示例中，最大能量对应于25毫瓦(mW)的发射功率达历时ΔT，该历时与发射消息的历时相对应。
测量装备2还包括多个传感器24，包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器和冲击传感器。
所有传感器24都活跃是没有必要的。传感器24的使用取决于在其中使用测量装备2的应用。
测量装备2还包括全球定位系统(GPS)天线26和GPS接收器27。GPS接收器27是传感器，其产生用于估计测量装备2的位置的位置测量。
测量数据被采集并由数据存储模块28存储。测量数据包括由传感器24产生的温度、压力、湿度和冲击/加速度测量，由陀螺仪20产生的角位置测量，以及如由GPS接收器27产生的位置测量。
主控制组件6被连接到数据存储模块28，并且当它基于所测得的数据检测到异常情况(例如，发动机机舱内部的温度过高)时，它产生警告消息。
测量装备2还包括射频识别(RFID)天线30和包括RFID存储器的无源RFID发射器31。主控制组件6可将任何数据存储在RFID存储器中。
因此，当操作人员将外部RFID读取器靠近测量装备2时，外部RFID读取器经由RFID天线30将电能提供给无源RFID发射器31。然后，无源RFID发射器31被供电并被激活。无源RFID发射器31经由RFID天线30将包含在RFID存储器中的数据传送给外部RFID读取器。
主控制组件6、第一副控制组件16和第二副控制组件21还执行在内部监控测量装备2的功能。
内部监控功能包括测试测量装备2，诊断测量装备2中的故障以及识别出发生故障的组件。更具体地，第一副控制组件16监控第一操作检测装置12。更具体地，第二副控制组件21监控第二操作检测装置18。
当测量装备2中发生故障时，主控制组件6打开主切断部件10，第一副控制组件16打开第一副切断部件13，或者第二副控制组件21打开第二副切断部件19。
然后，LPWAN发射器9不再被供电，并且不可能发射LPWAN信号。测量装备2因此进入第一操作模式。
然后，故障消息由主控制组件6存储在RFID存储器中。因此，即使没有任何LPWAN信号正在发射，也可以获得有关故障的信息。
主控制组件6还通过使用由传感器24、加速度计15、陀螺仪20以及GPS接收器27提供的测量数据来检测将发现飞行器所处的飞行阶段。
然后，主控制组件6调整传感器24、加速度计15、陀螺仪20以及GPS接收器27的采样频率，以匹配将发现飞行器所处的飞行阶段。
使采样频率适应飞行阶段用于在不需要高频度地进行测量的飞行阶段中降低采样频率，从而降低了测量装备2的能耗并因此增加了其电池寿命。
作为示例，已知发动机机舱在某些飞行阶段期间沉重承压。特别地，机舱在飞行器的起飞和爬升阶段经受温度和振动水平的很大变化，并且在飞行器的下降、进近和着陆阶段经受压力的很大变化。因此，在这些阶段期间，对温度、压力和冲击传感器使用高采样频率是适当的。相反，可以在飞行的其他阶段期间降低该采样频率。
下面提到可以在其中使用测量装备的应用。
测量装备2包括第一件装备2、第二件装备2b和第三件装备2c。
第一件测量装备2a被定位在飞行器的起落架上。第一件测量装备2a用于测量飞行器的一个特定参数，特别是在每次着陆期间飞行器受到的冲击。
第一件测量装备2a因此产生包括冲击测量的测量数据，并且它存储该测量数据。因此，基于该冲击测量，第一件测量装备2a可以检测到“硬”着陆。当检测到硬着陆时，第一件测量装备2a产生警告消息。
测量数据、警告消息和故障消息由第一件测量装备2a传送给LPWAN接收终端3。测量数据和警告消息特别用于执行起落架的预测维护，并且还用于对飞行器机队中的起落架执行全面监控。
第二件测量装备2b被定位在飞行器的发动机机舱上。第二件测量装备2b用于测量飞行器的各种参数，特别是发动机舱内存在的温度和压力。第二件测量装备2b因此产生包括温度测量和压力测量的测量数据，并且它存储该测量数据。基于该温度和压力测量，第二件测量装备2b同样可以检测到异常工作条件。当检测到异常情况时，第二件测量装备2b产生警告消息。
测量数据、警告消息和故障消息由第二件测量装备2b传送给LPWAN接收终端3。测量数据和警告消息特别用于执行发动机舱和发动机的预测维护，并且还用于对飞行器机队中的发动机舱执行全面监控。
第三件测量装备2c被定位在位于飞行器中的容器(或集装设备(ULD))上。
第三件测量装备2c用于测量第三件测量装备2c所位于的容器内部的气候条件，并且特别是压力、温度、冲击和湿度。
第三件测量装备2c因此产生测量数据，并且它存储该测量数据。
测量数据、警告消息和故障消息由第三件测量装备2c传送给LPWAN接收终端3。测量数据使得容器能够以良好的精度被地理定位，以便确保该容器确实位于飞行器内。
LPWAN接收终端3控制包括测量装备2和LPWAN接收终端3的LPWAN网络。
LPWAN接收终端3包括LPWAN收发器。LPWAN接收终端与各测量装备件进行单向无线通信：测量装备件2将LPWAN信号传送给LPWAN接收终端3，LPWAN接收终端3接收所述LPWAN信号。
LPWAN接收终端3接收并存储由测量装备件2传送给LPWAN接收终端3的测量数据、警告消息和故障消息。
LPWAN接收终端3还被连接到飞行器的机载网络。LPWAN接收终端3通过电源电缆被连接到飞行器的电源，该电源用于为LPWAN接收终端3供电。LPWAN接收终端3还通过通信电缆被连接到飞行器的维护装备。LPWAN接收终端3将测量数据、警告消息和故障消息传送给飞行器的维护装备。
维护装备构成飞行器的维护系统的一部分。维护系统的作用尤其是接收、处理和传送测量数据、警告消息和故障消息到第一地面装备。然后，测量数据、警告消息和故障消息可以使得维护操作能够被组织，例如，这些操作可以包括更换、调整、测试或监控一件装备。LPWAN接收终端3还可以被直接连接到包括LPWAN收发器的第二地面装备。第一地面装备和第二地面装备可以可能构成单件装备。
当飞行器在地面上时以及飞行器在飞行中时，LPWAN接收终端3可以与第二地面装备通信。
在该示例中，LPWAN接收终端3通过在飞行器在地面上并静止不动(在停放阶段期间)时通过向第二地面装备进行传送来下载来自LPWAN网络中所有测量装备件2的所有测量数据、警告消息和故障消息。
下面描述由本发明的监控系统获得的某些优点。
经由无线链路与LPWAN接收终端3通信并配备有各自独立电源5的测量装备件2本身机械地集成在各个不同的区域中，而与飞行器的机载网络没有任何物理接口。这用于简化将监控系统1集成在飞行器中，因此减轻了其重量(由于没有电缆)并提高了其可靠性。仅LPWAN接收终端3被连接到飞机网络。因此，仅LPWAN接收终端3需要被集成在飞机网络中，这需要困难的认证工作。
对于每件装备，发射LPWAN信号需要很少的发射功率。
这确保了测量装备2可被安装在飞行器中而不会干扰外部装备，并且这无需详细调查由在预定的863MHz-928 MHz频带中发射的RF能量可能涉及的对所有外部装备的影响就能进行。
如上所述，当飞行器处于飞行器停放阶段时，LPWAN信号只能在第二操作模式下被发射。应当观察到，即使在第一操作检测装置12或第二操作检测装置18中发生故障，从而在飞行器处于与第一操作模式对应的飞行阶段时阻止停用LPWAN信号的发射，该发射仍然被限制在小于RTCA航空标准DO-160第21节的限制的水平。因此，发射不会干扰外部装备。
作为使用LPWAN技术的结果，每件测量装备2的电力消耗也相对较低。由此获得呈现相当长的工作寿命的测量装备件2，而无需使用特别昂贵或笨重的独立电源。
自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖了落入由权利要求书限定的本发明范围内的任何变型。
如上所述，测量装备件在硬件方面都是等同的。那不必一定是真的。作为示例，每件测量装备可被装配有各自不同的传感器，其取决于要在其中使用该测量装备的应用。
如上所述，LPWAN接收终端与测量装备进行单向通信。这种通信可以是双向的，并且一件测量装备的LPWAN发射器可以是LPWAN收发器。
提到测量装备的第一操作模式和第二操作模式。在第一操作模式中，由测量装备2进行的LPWAN信号的发射被停用。一件测量装备完全可能仅以一种操作模式进行操作，并且不停用LPWAN信号的发射。可以想到，在提及的阶段以外的飞行阶段中停用LPWAN信号的发射是可能的。
如上所述，独立电源包括具有低泄漏电流的电池。替换地，使用一个或多个不同的电池，甚至使用用于回收或“收集”能量的装置是可能的。作为示例，能量收集装置可以将由发动机生成的振动转化为电能，该电能用被于为测量装备供电。
Claims (7)
1.一种飞行器监控系统，包括：包括测量装备件(2)和LPWAN接收终端的LPWAN网络，所述LPWAN接收终端还被适配成被连接至所述飞行器的维护装备，每件测量装备包括：
·传感器(15；20；24；27)，其被布置成测量所述飞行器的参数；
·LPWAN天线(7)和LPWAN发射器(9)，其被布置成将由所述传感器产生的测量数据传送给所述LPWAN接收终端；
·独立电源(5)，其为所述测量装备件供电；
·主切断部件(10)，其连接在所述独立电源与所述LPWAN发射器之间；以及
·主控制组件(6)，其被布置成监控所述LPWAN发射器(9)的工作参数，并根据所述工作参数来选择性地打开和闭合所述主切断部件(10)。
2.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述工作参数包括针对由所述LPWAN发射器(9)生成的LPWAN信号的发射功率和发射频率，并且其中所述主控制组件(6)被布置成当所述发射功率大于预定功率阈值时和/或当所述发射频率位于预定频带之外时打开所述主切断部件(10)。
3.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述测量装备件(2)进一步包括连接在所述独立电源(5)与所述LPWAN发射器(9)之间的第一副切断部件(13)，以及加速度计(15)和第一副控制组件(16)，所述第一副控制组件(16)被连接至所述加速度计(15)并且被布置成当所述第一副控制组件(16)检测到所述飞行器处于预定飞行阶段时打开所述第一副切断部件(13)。
4.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述测量装备件(2)进一步包括连接在所述独立电源(5)与所述LPWAN发射器(9)之间的第二副切断部件(19)，以及陀螺仪(20)和第二副控制组件(21)，所述第二副控制组件(21)被连接至所述陀螺仪(20)并且被布置成当所述第二副控制组件(21)检测到所述飞行器处于预定飞行阶段时打开所述第二副切断部件(19)。
5.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述测量装备件进一步包括限流组件(23)，所述限流组件(23)被连接在所述主切断部件(10)与所述LPWAN发射器(9)之间。
6.如权利要求5所述的监控系统，其特征在于，所述限流组件(23)和所述主切断部件(10)的组合动作用于限定用于发射LPWAN信号的预定最大能量。
7.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述测量装备件被布置成检测将发现所述飞行器所处的飞行阶段，并且其中所述传感器的采样频率根据所述飞行阶段来被适配。
Applications Claiming Priority (3)
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