CN112109907A - 一种飞机迎角探测器实时监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机迎角探测器实时监控方法，在ACMS中，增设监控飞机左右AOA不一致，或飞机左右AOA不一致外加飞机左右空速不一致、左右高度不一致、AOA信号故障、失速事件中的一种或两种以上的组合的自主监控逻辑，并定制收集大气数据和关键飞行参数的报文格式，当相关事件发生致使相应监控逻辑被触发时，ACMS根据定制的报文收集相应的大气数据和关键飞行参数，触发飞机下行ACARS报文，和/或通过MCDU显示出重要参数。本发明通过ACMS监控AOA的健康状态，使地面工程人员和机组均能更好的获知AOA的状况，有利于地面精确排故，机组快速判断故障源。
Description
技术领域
本发明所属行业是民用航空交通运输业，特别是民航飞机健康监控领域以及民航维修工程领域。
背景技术
关于飞机迎角探测器
迎角探测器(AOA)是用于测量飞机纵轴与气流方向的夹角，即飞机运动中的迎角。B737飞机有两个AOA,分别给左右ADIRU提供数据。迎角大小与飞机的空气动力密切相关。在一定范围内，飞机迎角越大，升力系数与阻力系数也越大。但是，当迎角超过某一数值(称为临界迎角)，升力系数与阻力系数反而减小。这时飞机就可能失速。因此，迎角是重要的飞行参数之一。飞行员必须使飞机在一定的迎角范围内飞行。另外迎角还用于修正空速、高度等大气数据。
关于仪表显示系统
飞机上的仪表显示系统是十分重要的航空电子设备，可以用来显示飞行参数给飞行员。B737目前采用的集成显示系统，用于给飞行员提供大气数据、导航、姿态、系统状态、发动机参数的各类信息，显示系统由显示器，处理器，控制板等组成。显示系统处理器接收来自其他系统的数据完成计算和转换，通过驾驶舱显示器，给飞行员提供目视信息，控制板用于设置各种显示模式的转换。
飞行员可以在主飞行显示器PFD，查看空速、高度、AOA(需要选装)、升降速度等大气数据。还可以查空速不一致、高度不一致、AOA不一致(需要选装)等警告信息。
关于飞行数据系统
B737飞机的飞行数据系统包括飞行数据记录器FDR和数字式数据接口组件DFDAU。数字式数据接口组件DFDAU是负责实时收集、处理数据。里面分强制性软件MDB和飞机状态监控系统ACMS。MDB负责收集适航强制性数据，并记录在飞行记录器FDR，用于飞机失事后工程调查。ACMS负责收集客户化数据，并记录在QAR，航后通过无线QAR组件下发至地面，用于飞机排故和工程调查。ACMS可通过触发逻辑，实时将ACMS报文发送至通信管理组件CMU，然后通过ACARS数据链下发至地面，用于飞机健康监控。
现有技术的缺陷
迎角是飞行控制的重要参数之一，飞行控制系统根据飞机全重、迎角、空速等参数，调整飞机姿态及发动机推力，以确保飞机的姿态处于安全飞行包线中。现有的B737飞机迎角探测器每一个AOA信号分为两路输出。一路送至同侧的失速管理偏航管理组件(SMYD),用于判断失速警告的逻辑。AOA传感器故障时(另一侧正常)，会导致同侧的SMYD缺少判断条件，产生错误的失速计算。另一路送至同侧的ADIRU,用于计算高度、空速等大气参数，由于AOA故障，同侧的ADIRU不能正确计算高度、空速等大气参数，会与另一侧的ADIRU的数据进行比较，产生高度不一致、速度不一致的信息。
AOA不一致、AOA指示选项属于选装项目。航空公司若没有选装，其显示器上就无AOA的参数显示。当出现两侧AOA数据不一致时，亦没有相应的警告信息。即使选装了AOA指示，能获得的信息也非常有限。如图1所示，只有一个AOA指针指示图1001，显示其中一个AOA的读数，而且没有区分左右。虽然，在选装后，仪表显示系统可以显示AOA不一致、空速不一致、高度不一致等警告信息，使飞行员可以第一时间知道出现了这些问题，但依靠显示的这些信息无法判断错误源，即无法判断是左还是右AOA发生故障。机组无法区分正确和错误的AOA数据，如果飞机其他系统使用错误的AOA探测器参数，可能会导致间歇性\连续性失速斗杆、空速不一致、高度不一致、AOA不一致(需要选装)、自动驾驶脱开等故障。这些故障在飞行的各个阶段可能导致运行风险，包括冲出跑道、飞机返航备降、飞机失速等。
上面是AOA故障对机组的影响。对地面机务人员而言，由于B737飞机迎角探测器AOA故障、空速故障可能导致的运行风险，包括冲出跑道、飞机返航备降、飞机失速等高风险事件，并且由于飞机的迎角探测器、空速管等大气数据传感器的故障发生率高，排故难度大。面对这种故障，航空公司通常启动重大故障调查程序，将左右迎角探测器、空速管、大气数据模块一起拆换，并清洗所有管路。上述操作虽然可以达到排故的目的，但无法准确定位故障，消耗大量的人力和物力，且效果不佳。
发明内容
本发明的发明目的是，针对B737飞机出现AOA故障、空速故障等可能导致的运行风险，提供一种通用的飞机迎角探测器实时监控方法。
本发明的发明目的通过如下技术方案实现：一种飞机迎角探测器实时监控方法，其特征在于，在机载ACMS系统中，增设监控飞机左右AOA不一致，或飞机左右AOA不一致外加飞机左右空速不一致、左右高度不一致、AOA信号故障、失速等事件中的一种或两种以上的组合的自主监控逻辑，并定制收集大气数据和关键飞行参数的报文格式，当相关事件发生致使相应监控逻辑被触发时，所述机载ACMS系统根据定制的所述报文收集相应的大气数据和关键飞行参数，触发飞机下行ACARS报文信息至地面工程监控模块，和/或通过MCDU显示，通过MCDU显示的参数包括飞机左右AOA的值，或飞机左右AOA的值外加左右空速、左右高度的值等中的一种或两种以上的组合。
现有飞行记录系统的飞机状态监控系统ACMS能采集到左右迎角探测器AOA的参数等客户数据，而且可通过设置监控逻辑触发报文，自动收集相关参数下行至地面。本发明借助上述系统，实现迎角探测器的实时监控，并自动收集参数实时下行至地面，使地面工程人员可以第一时间获知相关故障信息并同时收集故障分析所需的相关参数，以便可以准确定位故障，从而有针对性地进行处理，避免费时费力盲目地全拆换、全清洗处理。
针对AOA故障时机组所面临的问题，本发明通过将左右AOA、左右空速、左右高度值等信息通过MCDU显示，弥补现有仪表显示系统的不足，辅助飞行员判断故障侧，从而将权利如自动驾驶权交给有利的一侧。
所述大气数据和关键飞行参数包括：
LONP；LNFP；LATP；LTFP；ALT1；ALT2；CAS1；CAS2；STK1；STK2；MACH；TAT；SAT；GW；CODE；AOA1；AOA2；AOA SIGNAL FAIL；LEF1；LEF2；LEF3；LEF4；LES1；LES2；LES3；LES4；LES5；LES6；LES7；LES8；FLAPL；FLAPR；AILERON L；AILERON R；ELEVATOR L；ELEVATOR R；RUDDER；STB；SPL2；SPL3；SPL4；SPL5；SPL6；SPL7；SPL8；SPL9；SPL10；SPL11。
监控飞机左右AOA不一致事件的监控逻辑定义如下：
|AOA1-AOA2|>设定阈值一，且持续设定时长一，则判断该事件发生；
监控飞机左右空速不一致事件的监控逻辑定义如下：
|CAS1-CAS2|>设定阈值二，持续设定时长二,则判断该事件发生；
监控飞机左右高度不一致事件的监控逻辑定义如下：
|ALT1-ALT2|>设定阈值三，持续设定时长三,则判断该事件发生；
AOA信号故障事件的监控逻辑定义如下：
AOAF参数为真，则判断该事件发生；
失速事件的监控逻辑定义如下：
左或者右失速参数为真，则判断该事件发生。
作为优选方案：
设定阈值一为10，设定时长一为10秒；
设定阈值二为5，设定时长一为5秒；
设定阈值三为200，设定时长一为5秒。
前文提及ACMS收集客户化数据，并记录在QAR，航后通过无线QAR组件下发至地面工程监控模块。作为对飞机迎角探测器监控方式的进一步补充，本发明方法还包括QAR译码监控步骤：
地面工程监控模块收到QAR数据后，先通过QAR解码器译码QAR数据，提取左、右AOA参数，每隔一段时间计算它们在这段时间里滚动平均值的差值，若差值大于设定阈值四，则设置告警属性。该步骤主要用于监控AOA不一致的性能衰退趋势，以实现预测维修。该步骤中，推荐每30秒计算一次滚动平均值的差值，设定阈值四为5。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)本发明通过机载软件ACMS实现AOA不一致，空速不一致、高度不一致、失速警告、AOA信号故障等事件的自动监控，实现简单方便，该方法在不同机型上都能适用，具有较好的通用性，还可通过定制报文，使地面工程人员可以及时获取故障类型和故障分析所需的大气数据系统关键参数，以便有针对性地进行故障定位和维修排故；
2)机组可在MCDU页面中查看左右AOA，左右空速，左右高度的参数值，辅助他们快速判断故障源，以选择更安全的驾驶方式；
3)本发明通过地面QAR译码监控，提取左右AOA参数，通过算法模型，动态监控迎角探测器的性能趋势，辅助地面机务根据迎角探测器的性能衰退情况实施预防维修，减少飞机大气数据系统的故障，保障飞机安全、航班正点。
附图说明
图1为AOA指示图；
图2为系统整体架构图；
图3为AOA监控主逻辑的流程图；
图4为AOA不一致监控子程序的流程图；
图5为空速不一致监控子程序的流程图；
图6为高度不一致监控子程序的流程图；
图7为AOA信号故障监控子程序的流程图；
图8为失速监控子程序的流程图；
图9为AOA报文打印格式样本；
图10为CSN AOA REPORT报文路由页面；
图11为AOA参数页面；
图12 QAR译码监控流程图。
具体实施方式
下文提供一种B737飞机迎角探测器实时监控方法。
上述方法基于的系统的整体架构主要分三个模块：机载ACMS监控模块，地面工程监控模块，用户终端。系统整体架构图如图2所示。
一、机载ACMS监控模块
该模块主要由数字式飞行数据接口组件DFDAU、飞机状态监控系统ACMS、打印机、控制显示单元MCDU、通信管理组件CMU、无线WQAR以及大气数据传感器等组成。机载ACMS监控模块主要负责监控飞机迎角探测器的健康状态，收集大气数据和关键飞行参数，以及触发AOA报文，然后将报文发至飞机的通信管理组件CMU，然后通过ACARS数据链将AOA报文发送至地面。ACMS的触发逻辑具有根据事件代码CODE的抑制功能，确保一个航班每种子监控逻辑只能触发一次报文。控制显示单元MCDU页面可查看左右AOA、左右空速、左右高度的参数。
二、地面工程监控模块
地面工程监控模块是由地面的报文解码器、QAR解码器、数据库等组成。主要将数据服务商传输至航空公司地面的ACARS报文、QAR数据进行解码，并存数据库。
三、用户终端
用户终端服务于地面机务人员，进行实时消息接收，以及提供WEB页面查询服务。
各模块功能的实现
一、机载ACMS监控模块
AOA监控事件
将具有AOA功能的ACMS软件安装在B737飞机的数字式飞行数据接口组件DFDAU中，然后通过该ACMS实时采集相应的参数并计算，出现相关故障警告时，收集相应的大气数据系统参数，触发AOA报文下行至地面，帮助机务维修排故和故障定位。具体监控逻辑如下：
(1)AOA不一致“AOA DISAGREE”
AOA不一致“AOA DISAGREE”主要监控当一侧迎角探测器AOA出现测量精度、读数错误时，驾驶舱效应FDE出现AOA不一致"AOA DISAGREE"的警告，通过ACMS软件监控逻辑:|AOA1-AOA2|>10，持续10秒,然后获取大气数据和关键飞行参数，生成AOA报文和事件代码1001，判断左右AOA的故障。提示地面机务故障定位。详见AOA监控事件表。
如果驾驶舱没有选装"AOA DISAGREE"警告，则仪表显示系统不会出现"AOADISAGREE"警告。当一侧AOA传感器出现错误时，可以进行辅助监控"AOA DISAGREE"的警告。
(2)空速不一致“CAS DISAGREE”
空速不一致“CAS DISAGREE”。主要监控当一侧空速出现测量精度、读数错误或者AOA故障导致修正错误时，驾驶舱效应FDE出现空速不一致“CAS DISAGREE”的警告，通过ACMS软件监控逻辑:|CAS1-CAS2|>5，持续5秒,然后获取大气数据和关键飞行参数，生成AOA报文和事件代码1002，判断大气数据源的故障。提示地面机务故障定位。详见AOA监控事件表。
(3)高度不一致“ALT DISAGREE”
高度不一致“ALT DISAGREE”。主要监控当一侧高度出现测量精度、读数错误或者AOA故障导致修正错误时，驾驶舱效应FDE出现高度不一致“ALT DISAGREE”的警告，通过ACMS软件监控逻辑:|ALT1-ALT2|>200，持续5秒,然后获取大气数据和关键飞行参数，生成AOA报文和事件代码1003，判断大气数据源的故障。提示地面机务故障定位。详见AOA监控事件表。
(4)AOA信号故障“AOA SIGNAL FAIL”
AOA信号故障“AOA SIGNAL FAIL”。主要监控AOA信号故障，通过ACMS软件监控逻辑:AOAF参数为真,然后获取大气数据和关键飞行参数，生成AOA报文和事件代码1004，由于无法区分左右AOA信号故障，只能辅助AOA不一致“AOA DISAGREE”警告)。详见AOA监控事件表。
(5)失速斗杆“STICK SHAKER”
失速斗杆“STICK SHAKER”。主要监控左右失速抖杆，通过ACMS软件监控逻辑:左或者右失速参数为真,然后获取大气数据和关键飞行参数，生成AOA报文和事件代码1005，判断大气数据源的故障。提示地面机务故障定位。详见AOA监控事件表。
表1 AOA监控事件表
本实施例中AOA事件代码Code与每种逻辑监控形成统一的规范，可以方便工程人员和地面一线机务的交流，也可方便地面快速查找排故。
ACMS软件详细设计
ACMS软件详细设计主要包括AOA触发逻辑(又称为监控逻辑)，AOA报文设置，MCDU页面设置等。
(1)AOA触发逻辑
触发逻辑是ACMS软件的核心，ACMS软件包含很多触发逻辑，本专利涉及的触发逻辑事件为表1AOA监控事件，触发逻辑详细如图3中的AOA监控主逻辑图、图4中的AOA不一致监控子程序、图5中的空速不一致监控子程序、图6中的高度不一致监控子程序、图7中的AOA信号故障监控子程序、图8中的失速监控子程序。
机载ACMS软件的AOA监控逻辑，每一种事件代码CODE都可设置触发抑制条件。每个事件对应一个代码CODE，表示一种情况，每个CODE都设置有一个标志，标志初始值默认为0，即表示不抑制，用户可在MCDU页面设置其为1，即表示抑制该事件。监控逻辑执行前，先判断抑制条件，如果为0不抑制，就执行该监控逻辑的判句，如果满足触发条件，就触发该事件代码对应的报文，并修改该CODE对应的抑制标志为1，保证每个航班每一种CODE只触发一次。这样即节约了ACARS报文的流量费用，又能快速区分每一种CODE的首次发生时间。
(2)AOA报文设置
ACMS报文一般由触发逻辑产生。本发明设计AOA ALERT报文。里面包含大气数据、飞行控制等关键飞行参数。AOA报文包含两种格式：打印格式和ACARS格式。ACARS格式下传至地面，地面根据ARINC规范解码。打印格式用于地面机务查看或通过MCDU页面打印查看。下图为AOA报文打印格式样本。
表2为本发明AOA报文采集的大气数据和关键飞行参数。
表2大气数据和关键飞行参数
(3)MCDU页面设置
AOA、空速、高度等大气数据参数可以在MCDU页面中查看，以方便确定左右故障源参数值。
MCDU页面设置主要包括下面两个步骤，分别如图10和11所示。
首先，在MCDU中OPERATOR APPLICATION页面，增设CSN AOA REPORT路由页面，详细见图10CSN AOA REPORT路由页面。
然后，在CSN AOA REPORT页面中显示AOA、空速、高度等参数，并可打印生成的AOA报文。详细见图11AOA参数页面。
二、地面工程监控模块
地面工程监控模块主要负责AOA监控的ACMS报文解码与消息推送，QAR译码监控等。
(1)ACMS报文解码
报文解码器负责AOA报文的解码工作，具体操作如下步骤：
1)报文解码器定时扫描AOA报文池，获取文件列表，然后逐个按照ARINC620规范预解析AOA报文ARINC620表头字段。
2)然后判断AOA报文正文部分，如果报文SMI＝DFD，报文内容开头＝“AOA”，说明这是监控所需的AOA报文，接着进行报文解码。如果不满足则进行下一个报文解码。
3)解码完成后，AOA报文存数据库，然后判断该报文是否被订阅，订阅规则是按照事件代码CODE来进行消息订阅的。如果有消息订阅，则发消息邮件。
4)完成步骤2)-3)后，继续进行下一个报文解码。
(2)QAR译码监控
QAR译码监控，主要是译码QAR数据，提取左右AOA参数，然后计算滚动平均值差。具体操作如下步骤，详见图12QAR数据译码流程图。
1)QAR译码监控主程序定时扫描QAR数据池，得到文件列表，然后判断解析文件名是否包含监控所需的飞机号，否则跳过。
2)然后依据ARINC717规则解析数据帧，然后提取每个数据帧的AOA1，AOA2参数。
3)接着分别对AOA1/AOA2参数进行平均滚动处理，每30秒做一个滚动平均值。然后得到AOA1’和AOA2’。
4)然后计算绝对差值△，公式为：△＝ABS(AOA1’-AOA2’)。如果差为0，则丢弃，然后返回。
5)如果差值△大于5，则设置警告属性。
6)最后存数据库，返回定时扫描，直到解完所有的QAR数据。
本发明针对B737飞机出现AOA故障、空速故障可能导致的运行风险，提供一种B737飞机迎角探测器实时监控通用的方法。在机载ACMS系统中，通过增设自主监控飞机左右AOA不一致、左右空速不一致、左右高度不一致、AOA信号故障、失速等事件的监控逻辑，定制包含大气数据和关键飞行参数的报文格式。当出现相关故障警告时，收集关键系统参数，触发下行ACARS报文信息至地面和通过MCDU显示关键参数信息，以便机务、机组排故。在地面工程系统中，还通过译码QAR数据中的左右AOA参数，监控AOA不一致的性能衰退趋势，以便监控性能趋势。从而实现飞机空地一体化的迎角探测器实时健康监控，保障飞行安全。
文中缩略语和关键术语请参见表3。
表3缩略语和关键术语定义
Claims (6)
1.一种飞机迎角探测器实时监控方法，其特征在于，在机载ACMS系统中，增设监控飞机左右AOA不一致，或飞机左右AOA不一致外加飞机左右空速不一致、左右高度不一致、AOA信号故障、失速等事件中的一种或两种以上的组合的自主监控逻辑，并定制收集大气数据和关键飞行参数的报文格式，当相关事件发生致使相应监控逻辑被触发时，所述机载ACMS系统根据定制的所述报文收集相应的大气数据和关键飞行参数，触发飞机下行ACARS报文信息至地面工程监控模块，和/或通过MCDU显示，通过MCDU显示的参数包括飞机左右AOA的值，或飞机左右AOA的值外加左右空速、左右高度的值等中的一种或两种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的飞机迎角探测器实时监控方法，其特征在于，所述大气数据和关键飞行参数包括：
LONP；LNFP；LATP；LTFP；ALT1；ALT2；CAS1；CAS2；STK1；STK2；MACH；TAT；SAT；GW；CODE；AOA1；AOA2；AOA SIGNAL FAIL；LEF1；LEF2；LEF3；LEF4；LES1；LES2；LES3；LES4；LES5；LES6；LES7；LES8；FLAPL；FLAPR；AILERON L；AILERON R；ELEVATOR L；ELEVATOR R；RUDDER；STB；SPL2；SPL3；SPL4；SPL5；SPL6；SPL7；SPL8；SPL9；SPL10；SPL11。
3.根据权利要求1所述的飞机迎角探测器实时监控方法，其特征在于，监控飞机左右AOA不一致事件的监控逻辑定义如下：
|AOA1-AOA2|>设定阈值一，且持续设定时长一，则判断该事件发生；
监控飞机左右空速不一致事件的监控逻辑定义如下：
|CAS1-CAS2|>设定阈值二，持续设定时长二,则判断该事件发生；
监控飞机左右高度不一致事件的监控逻辑定义如下：
|ALT1-ALT2|>设定阈值三，持续设定时长三,则判断该事件发生；
AOA信号故障事件的监控逻辑定义如下：
AOAF参数为真，则判断该事件发生；
失速事件的监控逻辑定义如下：
左或者右失速参数为真，则判断该事件发生。
4.根据权利要求3所述的飞机迎角探测器实时监控方法，其特征在于，
设定阈值一为10，设定时长一为10秒；
设定阈值二为5，设定时长一为5秒；
设定阈值三为200，设定时长一为5秒。
5.根据权利要求1所述的飞机迎角探测器实时监控方法，其特征在于，还包括QAR译码监控步骤：
地面工程监控模块收到QAR数据后，先通过QAR解码器译码QAR数据，提取左、右AOA参数，每隔一段时间计算它们在这段时间里滚动平均值的差值，若差值大于设定阈值四，则设置告警属性。
6.根据权利要求5所述的飞机迎角探测器实时监控方法，其特征在于，QAR译码监控步骤中，每30秒计算一次滚动平均值的差值，设定阈值四为5。
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