基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路的飛機主動維修保障系統(tǒng)

王凱倫，王 強，胡明朗

（空軍工程大學裝備管理與安全工程學院，西安 710051）

基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路的飛機主動維修保障系統(tǒng)

王凱倫，王 強，胡明朗

（空軍工程大學裝備管理與安全工程學院，西安 710051）

基于北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路，采用了“空-地”兩級數(shù)據(jù)處理方式進行飛行參數(shù)在線判讀、主動維修保障及安全監(jiān)控系統(tǒng)的實時處理。分析了主動維修保障及飛機實時狀態(tài)監(jiān)控、北斗短報文系統(tǒng)的基本情況，并著重介紹了系統(tǒng)的總體結構和優(yōu)勢，以及包括機載部分、地面處理系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星數(shù)傳裝置三部分的工作原理和設備構成。

主動維修保障，實時狀態(tài)監(jiān)控，北斗衛(wèi)星短報文服務

0 引言

據(jù)有關數(shù)據(jù)表明，通過地面檢查可以提前發(fā)現(xiàn)的故障僅占飛機總故障的60%，另外40%的故障是在飛行中暴露的［1］。然而現(xiàn)有飛機在飛行過程中的飛行參數(shù)等信息都保存在飛行記錄儀中，飛行完成后才將數(shù)據(jù)下載到地面站進行分析。在飛行過程中，地面只能通過雷達對飛機高度、速度和位置等信息進行監(jiān)視，難以得到飛機的姿態(tài)、健康狀況和控制面的調(diào)整量等信息。這樣就無法對飛行過程進行實時監(jiān)控、預測飛行軌跡；無法對飛機健康進行評估，及時發(fā)現(xiàn)故障。處理空中特情時不能在著陸前就根據(jù)維修人員和備件的需求而制定更有效的維修決策和行動，維護效率不高。

現(xiàn)有的飛行實時監(jiān)控系統(tǒng)（例如：ACARS系統(tǒng)），主要是通過數(shù)傳電臺將飛行參數(shù)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛孢M行分析處理，實現(xiàn)輔助飛行指揮、飛行質量監(jiān)控等功能，但目前該技術還存在通信距離較短；無法滿足短時間內(nèi)（例如在幾秒內(nèi)）將所有飛行參數(shù)快速下傳到地面并完成處理；以及相關研究成果尚未應用到飛行安全管理和維修保障領域等問題。所以僅借助地面檢查是很難保證飛機具有高的完好率，反而會因不良維修造成設備的固有可靠性降低和人力、財力的浪費。

因此,本文中提出了主動維修保障及安全監(jiān)控系統(tǒng)，它涉及飛行保障技術，是一種將飛機飛行參數(shù)在線判讀，實時處理后，再通過自主研制的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路進行傳輸，并在地面數(shù)據(jù)處理站進一步分析、處理的主動維修保障及安全監(jiān)控系統(tǒng)。

1 主動維修保障及飛機實時狀態(tài)監(jiān)控

主動維修保障是在視情維修和以可靠性為中心的維修等理論的基礎上提出的，是一種針對可能引發(fā)故障的“故障源”采取的維修管理活動，主要目的是發(fā)現(xiàn)和糾正任何可能導致裝備故障的操作或運行狀況。它要求裝備的材料和性能在發(fā)生損耗或降低前就采取必要的維修。因此,實施主動維修就必須要有完善的監(jiān)測診斷技術作支持，以便及時、全面、準確地掌握設備技術狀態(tài)和故障源特征。主動維修保障的有效實施能夠保證機械設備和系統(tǒng)最高的可靠性和最長的使用壽命，從根本上避免了故障的發(fā)生，并提高了維修保障的及時性、有效性和經(jīng)濟性。

其作用在于解決設備反復出現(xiàn)故障；重新設計安排了現(xiàn)有的維修活動；增加少量易支配、效率高的資金投入，大量減少裝備總的維修保障費用［2-3］。

具體的實施體現(xiàn)在建立飛行指揮控制平臺實現(xiàn)飛行實時信息共享，并建立維修指揮控制平臺實現(xiàn)主動維修保障。

1.1 建立飛行控制平臺實現(xiàn)飛行實時信息共享

通過數(shù)據(jù)鏈提供穩(wěn)定可靠的基本信息，既減少了引導人員的工作量，又減輕了飛行員的負擔，使飛行員可以把精力投入到飛行任務中；飛機的各種信息通過數(shù)據(jù)鏈傳輸，保證地面維修平臺實時共享。

1.2 建立維修控制平臺實現(xiàn)主動維修保障

飛機的機載飛參系統(tǒng)，對飛機狀態(tài)性能實時動態(tài)監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)傳輸，保證飛行控制平臺、維修平臺及時調(diào)配保障力量、保障器材和技術支援信息。一是利用智能化保障裝備自動化檢測、故障智能診斷等功能，提高保障時效性；二是建立航空裝備材料可視化系統(tǒng)，實施快速、精確的保障，保證飛機迅速搶修恢復；三是建立后方專家遠程技術支援系統(tǒng)，提高現(xiàn)場搶修能力。

在此基礎上，本文提出了基于北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路的飛行參數(shù)實時數(shù)據(jù)處理和傳輸技術，建立主動維修保障及安全監(jiān)控系統(tǒng)，目的是通過主動式、先導式維修保障，充分利用飛行參數(shù)數(shù)據(jù)，提升現(xiàn)有飛機的完好率和出勤率，一方面實時監(jiān)控飛機的飛行參數(shù)，判斷飛機主要部件是否故障或故障趨勢，為維修提供準確、豐富的故障信息，便于地面人員提前做好準備快速排除故障；另一方面，該系統(tǒng)在飛機和地面指揮中心之間形成了安全閉環(huán)，建立了“空-地”聯(lián)合機組資源管理模式，地面指揮人員有效監(jiān)控空中飛機健康狀況和飛行員操縱動作，及早發(fā)現(xiàn)并及時處理存在的問題，把安全關口前移到事故發(fā)生之前。

2 北斗衛(wèi)星短報文服務功能

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡稱北斗系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System），是中國自主建設，獨立運行，與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時，為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務，并兼具短報文通信能力。短報文服務功能是以衛(wèi)星傳播信息，并可顯示信息發(fā)布者的具體位置。它具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間的雙向報文通信能力。利用連續(xù)傳送方式一次最多可傳送120個漢字。這種簡短雙向報文通信服務，可有效地滿足對即時性要求很高的用戶應用系統(tǒng)的要求［4］。另外，在沒有通信網(wǎng)絡的海洋、沙漠、野外，安裝北斗系統(tǒng)終端的用戶可以確定自身位置，并能夠向外界發(fā)布文字信息。

3 系統(tǒng)結構及優(yōu)勢

3.1 系統(tǒng)總體結構及優(yōu)勢

系統(tǒng)主要包括機載部分、地面設備兩部分組成，如下頁圖1所示。

該系統(tǒng)是基于實時飛行參數(shù)的主動維修保障及安全監(jiān)控系統(tǒng)的機載設備進行飛行參數(shù)粗判讀，并控制數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容和速率；地面北斗用戶機接收機載設備下傳的數(shù)據(jù)內(nèi)容，然后在實時數(shù)據(jù)服務器內(nèi)及時更新每架飛機的健康狀況、姿態(tài)、位置、飛行員操縱指令等數(shù)據(jù)，消除冗余數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供完整、一致的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，主服務器進一步分析、處理這些實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，綜合分析飛機健康狀況，預測潛在的不安全因素。這些信息通過地面網(wǎng)絡發(fā)送到地面終端后，地面人員可有效完成對飛行員的提醒和地面航材、保障車輛的調(diào)度。

該系統(tǒng)與現(xiàn)有技術相比，有如下優(yōu)點：

（1）將飛行參數(shù)實時監(jiān)控應用到飛行安全管理和維修保障等領域，使質量安全關口前移，提高了飛行安全；

（2）采用了北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，無通訊距離限制，可滿足長距離及海上飛行等高技術條件下的飛行任務要求；

（3）采用：“空-地”兩級數(shù)據(jù)處理方式，不需要將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到地面進行判讀，降低了數(shù)據(jù)傳輸量；

（4）采用多卡、單基帶方式，提高了北斗短報文的數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖1 系統(tǒng)總體結構示意圖

3.2 機載部分

機載設備主要包括HDLC協(xié)議RS485通信模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊、北斗衛(wèi)星天線、母板及電源模塊。如圖2所示。

圖2 機載部分示意圖

飛參系統(tǒng)與機載設備之間通過機載電纜進行鏈接；HDLC協(xié)議RS485通信模塊從飛參系統(tǒng)讀入飛行參數(shù)，二者之間采用主從HDLC+令牌通信方式，傳輸速率不小于1 MB/s，完成數(shù)據(jù)接收后將整個原碼數(shù)據(jù)幀發(fā)送到主控模塊；主控模塊完成信息解碼后，將物理量數(shù)據(jù)幀發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲模塊進行保存。同時，主控模塊數(shù)據(jù)預先設定的判讀條件進行飛行參數(shù)判讀，分析飛機發(fā)動機、機載設備有無故障發(fā)生，判斷飛行員的操作指令是否準確，有無“人為因素”發(fā)生，并給出飛機健康狀況評估報告，最后將判讀結果發(fā)送到北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊。

數(shù)據(jù)存儲模塊采用FPGA總線控制器和NAND FLASH存儲器件，采用兩套獨立、并行、大容量的數(shù)據(jù)存儲裝置——飛參記錄器和健康狀況評估報告記錄器。主控模塊和北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊向總線控制器發(fā)出控制指令，從而讀取飛行參數(shù)原碼、物理量、判讀結果和健康評估報告。

HDLC協(xié)議RS485通信模塊中，F(xiàn)J-30D3飛參系統(tǒng)采用半雙工的RS485通信方式和NRM的HDLC操作方式，根據(jù)飛參系統(tǒng)內(nèi)部通信總線需求，設計了以FPGA為收發(fā)控制模塊的RS485半雙工通信控制模塊。當FPGA檢測到屬于該地址的數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA按HDLC協(xié)議接收數(shù)據(jù)，同時向主控模塊發(fā)出中斷信號，進行數(shù)據(jù)處理。

北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊根據(jù)當前飛機健康狀況，確定需要發(fā)送的飛行參數(shù)判讀結果、歷史飛行參數(shù)和北斗導航參數(shù)的內(nèi)容和優(yōu)先級；然后利用北斗衛(wèi)星短報文功能，采用多卡、單基帶的結構，將處理后的數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星天線傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)庫，同時接受地面發(fā)送的控制指令。

北斗衛(wèi)星天線通過饋線與機載北斗用戶機相連，通過接收北斗1代通信衛(wèi)星發(fā)送的無線電微波信號，然后將其轉換為電平信號。

3.3 北斗衛(wèi)星短報文數(shù)據(jù)傳輸

如圖3所示，北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊采用雙卡，單基帶方式。這兩張卡共享包括射頻和基帶信號在內(nèi)的信號通道，通訊速率從1秒2幀～30秒1幀可選；控制單元協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容和傳輸速率，它根據(jù)主控模塊所給飛行參數(shù)判讀結果，從數(shù)據(jù)存儲模塊讀取相關的飛行參數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包、加密后，通過切換模塊選擇高動態(tài)機載北斗用戶機，利用天線向地面發(fā)送,母板及電源模塊向各模塊提供電源。

圖3 北斗衛(wèi)星短報文數(shù)據(jù)傳輸示意圖

3.4 地面處理系統(tǒng)

地面設備主要包括地面天線、地面衛(wèi)星數(shù)傳裝置、實時數(shù)據(jù)處理模塊、地面飛行及保障指揮控制模塊、地面聯(lián)合通信分布網(wǎng)絡、用戶終端。如圖4所示。

圖4 地面處理系統(tǒng)示意圖

3.4.1 地面衛(wèi)星數(shù)傳裝置

地面衛(wèi)星數(shù)傳裝置包括多套地面北斗用戶機，可監(jiān)控多架飛機，它通過天線接收飛機上飛行參數(shù)判讀結果、歷史飛行參數(shù)和北斗導航參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到實時數(shù)據(jù)處理模塊；實時數(shù)據(jù)處理模塊采用實時數(shù)據(jù)庫，在整個運行周期內(nèi)不允許數(shù)據(jù)堆積和數(shù)據(jù)處理過程中斷，它為地面飛行及保障指揮控制模塊提供所有飛機一致性的狀態(tài)信息，減少數(shù)據(jù)冗余；地面飛行及保障指揮控制模塊每隔一定時間周期（例如每秒）從實時數(shù)據(jù)處理模塊讀取飛機當前實時狀態(tài)數(shù)據(jù)并保存到歷史數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)飛行參數(shù)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控飛機的健康狀況和飛行員的操縱動作，預測飛機狀態(tài)變化趨勢，警告潛在的危險狀態(tài)和不安全因素，制定維修決策和特情處理決策；地面聯(lián)合通信分布網(wǎng)絡包括集線器、網(wǎng)卡、網(wǎng)線等，它將地面飛行保障指揮控制模塊所給出的維修方案、特情處置方案、綜合告警信息等發(fā)送到機務維修中心的用戶終端，供維修保障人員和飛行指揮人員參考使用。

3.4.2 實時數(shù)據(jù)處理模塊

實時數(shù)據(jù)處理模塊部署在實時數(shù)據(jù)服務器中，位于地面北斗用戶機與主服務器之間，完成的主要功能有：接收多個地面北斗用戶機接收到的短信報文，并進行原始數(shù)據(jù)記錄；完成實時數(shù)據(jù)處理，從短信報文中獲取每架飛機的健康狀況、姿態(tài)、位置、飛行員操縱指令等實時狀態(tài)數(shù)據(jù)；為地面飛行及保障指揮控制系統(tǒng)提供一致性的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)冗余。

3.4.3 地面飛行及保障指揮控制模塊

地面飛行及保障指揮控制模塊是系統(tǒng)的核心，它部署在主服務器中，將飛機狀態(tài)信息用于主動維修保障和主動安全管理。它包括主動維修保障模塊、主動安全監(jiān)控模塊和聯(lián)合分布通信模塊。

（1）主動維修保障模塊根據(jù)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)檢測、定位、預測故障，完成維修決策，它包括故障預測和維修決策單元：

故障預測單元利用智能算法模型預測裝備的健康狀況，完成故障檢測、故障隔離、剩余壽命預計、部件壽命跟蹤、性能降低趨勢跟蹤等。

維修決策單元通過與故障預測結果相關聯(lián)，實施技術狀態(tài)管理、確認飛行狀態(tài)記錄、調(diào)整裝備使用計劃；確認并隔離故障，最終完成維修安排；制定合理的機務人員、維修工具、維修設備、電源車、航材等保障資源調(diào)度計劃。

（2）主動安全監(jiān)控模塊監(jiān)控飛機健康狀況和飛行員操縱動作，預測飛機狀態(tài)變化趨勢，警告潛在的危險狀態(tài)和不安全因素，提供特情處置預案。它包括實時監(jiān)控、綜合告警、特情處置3個單元：

實時監(jiān)控單元根據(jù)實時數(shù)據(jù)處理軟件獲取當前飛機健康狀況、姿態(tài)、位置、飛行員操縱指令，評估當前風險等級，分析存在的問題，預測飛機健康狀況、飛行軌跡、飛行姿態(tài)的變化趨勢；檢測飛行過程中飛行員的“人為因素”。

綜合告警單元基于地面通信網(wǎng)絡，根據(jù)實時監(jiān)控單元的監(jiān)控結果，向地面飛行指揮人員發(fā)出聲光告警信號，并將飛行指揮中心選定的特情處置方案通過地面通信網(wǎng)絡發(fā)送給機務維修中心的外場保障維修人員。

特情處置單元從操縱時機、處置時間、操縱準確程度等方面進行對比分析，推斷狀況的發(fā)展，評估各種方案所能演繹出的安全結果，好中選優(yōu)，篩選出相對穩(wěn)妥的安全方案。

3.4.4 聯(lián)合分布式通信模塊

聯(lián)合分布式通信模塊使得信息可以通過Internet局域網(wǎng)，實時送往機務維修中心的外場保障維修人員和控制中心的飛行指揮人員。它基于信息網(wǎng)絡平臺，將裝備狀態(tài)信息與備件信息、維修設施設備信息、維修人員信息、技術資料信息和情報信息綜合在一起，并根據(jù)維修決策意圖，優(yōu)化資源部署。

3.4.5 用戶終端

用戶終端即集群通訊系統(tǒng)采用選呼、組呼、群呼、脫網(wǎng)呼等呼叫方式，通過無線與無線、無線與有線方式，實現(xiàn)外場保障指揮人員與起飛線、停機坪、修理廠等維修保障點保持通信聯(lián)絡，指揮調(diào)度機場的機務人員、維修工具、維修設備、電源車、航材等保障資源。

4 結束語

基于北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路的飛機主動維修保障系統(tǒng)設計有機地結合了計算機信息處理技術、輔助決策支持系統(tǒng)等技術和手段，并應用到機載設備的實際維修管理中。

通過完整部署系統(tǒng)，將實現(xiàn)同時監(jiān)控多架飛機的安全狀況。其中機載設備檢測到飛行過程中存在故障或“人為因素”后，能夠在幾秒內(nèi)將判讀結果和地面分析所需的飛行參數(shù)發(fā)送到地面設備。地面設備接收到空中異常信息后，能快速顯示相關異常信息和飛行數(shù)據(jù)，并給出特情處置預案和維修保障方案。

最終為降低裝備保障工作的勞動強度，提高保障效率和準確率提供了系統(tǒng)建設方面的支持，從而使裝備保障實現(xiàn)先進的主動維修保障模式，更有效地防治故障的發(fā)生，減少飛行事故。對于民航飛機科學化管理和安全飛行都具有十分重要的意義。

［1］陳德煌，趙敬，張濤.基于實時狀態(tài)監(jiān)控信息的飛機維修決策系統(tǒng)［J］.航空維修與工程,2011（6）：40-42.

［2］劉東風.主動維修思想與監(jiān)測診斷技術［J］.中國修船, 2002，15（4）：47-50.

［3］姚陸鋒，王建中.機械系統(tǒng)實施主動維修的方法研究［J］.中國修船，2010，23（4）：38-40.

［4］唐金元，于潞，王思臣.北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)應用現(xiàn)狀分析［J］.全球定位系統(tǒng)，2008（2）：26-30.

Aircraft Proactive Maintenance System Based on Satellite Data Link

WANG Kai-lun，WANG Qiang，HU Ming-lang
（Equipment Management&Safety Engineering College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The Beidou satellite data link based，adopting the“Air-Ground”two-direction mode of data processing which executes the interpretation of on-line parameter，the indemnification of proactive maintenance and real-time operation of the safety monitoring system.This article analyzes the basic situation of proactive maintenance supporting，real-time flight status monitoring and Beidou short message system;Demonstrating the working principle and the structure of equipment，which are including the airborne part，the ground processing system and the Beidou satellite data transmission devices as well.

proactive maintenance，real-time condition monitoring，Beidou Short Message

V243

A

1002-0640（2015）07-0155-05

2014-06-20

2014-07-30

王凱倫（1991- ），男，北京人，碩士研究生。研究方向：裝備維修管理。