基于飞行力学的“抬轮过载大”假事件分析(3)
图4 推导值、原值、修改值之间对比
[1]任和,邱明杰,王志强,等.飞机运行安全分析与事故调查技术[M],上海:上海交通大学出版社,2017.
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[3]方自力,韩意新,袁广田,电传飞机飞行品质低阶等效系统算法研究[J].计算机测量与控制,2018,26(11):223-227.
[4]王奔驰,杜军,丁超,等.基于主客观权重方法的某战机起飞阶段飞行品质评价[J].计算机测量与控制,2018,26(8):294-298,314.
[5]陈啸,王永飞.基于QAR数据的民航客机设计理念分析[J].计算机测量与控制,2017,25(10):151-153,161.
[6]曲朝阳,高宇峰,聂欣.基于决策树的网络故障诊断专家系统模型[J].计算机工程,2008,34(22):215-217.
巴塔西,工程师,主要从事飞行记录器数据译码分析及仿真技术、飞行品质监控技术等方向的研究。
0 引言飞行数据译码是指将以二进制数据流形式记录于飞机记录器(FDR、QAR)中的飞行数据转换为工程值数据的过程。飞行原始数据只有经过译码,转换成直观的、具有单位或确切意义的工程数据,才能方便进行数据的分析与应用[1]。飞行品质监控主要是通过收集和分析航线运行中记录的飞行数据,监控飞行机组行为和航空器性能,及时发现机组操纵、发动机工作状况以及航空器性能等方面存在的问题,分析查找原因,掌握飞机运行动态,采取针对性的改进措施,消除隐患,确保航空安全[2]。飞行品质监控是航空安全管理的重要科学手段,是提高安全管理水平、保障飞行安全的一项科学、有效的技术手段。飞行品质监控中不可避免地会出现假事件。产生假事件的原因很多,如监控逻辑不合理、监控参数译码错误、航电系统间歇性异常等,分析人员必须综合考虑各方情况进行判断。1 “抬轮过载大”事件及原因“抬轮过载大”事件是飞行品质监控系列事件中的一个超限事件,主要监控飞机在起飞抬轮阶段最大法向过载是否超过标准值,用于评判抬轮过程是否平稳。一般来说,“抬轮过载大”事件可能是由于不规范的飞行操作技术(操纵过猛过快)、飞控系统响应异常或外部环境影响(如风切变)所导致。在监控某型飞机历史飞行数据时发现,“抬轮过载大”事件发生的概率非常高。取1个月46次航班数据进行分析,合计发生“抬轮过载大”31次,根据超限程度,重度事件6次(>1.55G),中度事件13次(1.5~1.55G),轻度事件12次(1.45~1.5G),平均每架次发生概率达到67.4%,明显高于行业监控水平(不足1%)。搜集发生这些事件的飞机飞行员评述意见和乘客体验,并未发现抬轮及爬升时有操纵异常或乘坐不适的反馈。初步怀疑飞行参数法向过载存在问题的可能性较大。法向过载由航电系统中惯导或航姿计算机中的加速度计产生,参数传递路径比较复杂,导致参数错误的原因可能有法向过载信号源故障、中间设备转发故障、QAR数据记录错误、地面译码规则配置错误等。2 基于飞行力学的参数分析由于对法向过载参数是否正常存疑,且缺乏可以参考的有效标准,因此考虑利用飞行力学公式推导出法向过载计算公式,通过其他参数如爬升速率(IVV)、地速(GS)、攻角(AOA)、仰角(Pitch)等计算法向过载,再与采集得到的法向过载数据进行比较,确定差异。法向过载计算原理如下。加速度及飞行力学分解见图1。其中,θ为水平轴与飞机轴线之间夹角(仰角),α为气流来向与飞机轴线之间夹角(攻角);aV为垂直加速度,aL为水平加速度;T为推力,L为升力,D为阻力,M为质量,g为重力加速度。由图1可知,法向加速度等于垂直加速度及水平加速度在法向上的分量之和,即:垂直加速度实际为垂直速度(IVV)对时间求导,可用数值差分近似代替,即:图1 加速度(左)及飞行力学(右)分解图2 推导值与Normal Acceleration对比水平加速度实际为地速(GS)对时间求导,可用数值差分近似代替,即:法向外力之和等于升力、阻力、重力在法向上的分量之和,即记F=Lcosα+Dsinα,则过载为:将式(1)、(2)、(3)代入式(5),得出:由式(6)可知,通过垂直速度(IVV)、地速(GS)、仰角(θ)、重力加速度(g)即可算出法向过载。恰好QAR记录了以上参数,且在分析中未发现这些参数有异常现象。因此,可通过认定为正常的参数来计算法向过载,供参考分析。在飞行品质监控软件内利用相关参数编程,取ΔT=1s,可直接算出推导法向过载。编程计算出的推导值见图2。可以看出,推导值与法向过载值Normal Acceleration在变化趋势上大体相同,但在振幅上小于Normal Acceleration值。同样时刻Normal Acceleration值会超过监控门槛,但推导值却低于监控门槛。考虑式(6)为理论推导,实际传感器精度及QAR记录精度也会带来误差,该推导值不可能与Normal Acceleration完全相同。通过图2的对比可以看出,两者变化趋势几乎相同,仅振幅有差别,而且计算值并不会触发超限,与乘客反馈更为接近,数值更为合理。3 假事件原因分析通过上面的对比分析,基本确定法向过载参数存在问题,需要对法向过载进行溯源排查。通过对设计文件的追溯和梳理,发现QAR记录的法向过载是由惯性基准设备(或航姿设备)通过L-IRS-1(或L-AHC-1)总线的370label发送给综合处理机柜(IPC)的,经过IPC补偿计算由A-IOC-15L的122label转发给DCU,再经ARINC717编码后发给QAR进行记录。由于航电系统设计更改,Normal Acceleration参数的信号源已由航姿计算机(AHC)更改为惯导计算机(IRS)。通过数据对比发现,设备更改为IRS后,该事件触发率明显上升,说明该参数数据异常是由数据源更换导致的。查阅设计接口定义,协调航电试验台试验资源,并抽取航电试验台总线数据进行检查,发现两条异常情况。1)在飞机水平状态下,惯导和航姿由于来自不同厂家,选取的输出基准不一致,惯导基准为1,航姿基准为0。若译码参数仍然使用原译码规则,则两者差别为常数1。2)经过参数对比,发现由L-IRS-1总线输出的370label Normal Acceleration数据正常,但由惯导输出的经过自动飞行软件进行补偿修正的数据异常。IPC自动飞行软件对122label补偿Normal Acceleration经过计算后,再转发数据时发生错位,导致记录在QAR内的数据同样发生错位。未发生错位时,ARINC429总线中的18~29bit数据本应占据ARINC717记录位中的1~12bit,由于发生错位,ARINC429中的17~28bit被提升一位,占据了ARINC717中的1~12bit。本不该被记录的17bit被记录了,本该记录的29bit溢出。具体错位情况释义见图3。由于错位,实际记录在QAR内的Normal Acceleration参数相对于真实数据向高位错移1位,适用的转换系数相当于增大2倍,导致译码数据比实际增大2倍。图3 转发数据错位假设惯导设备输出的数值为:受以上两条情况综合影响后,导致译码数据:即数据源由AHC变为IRS后译码法向过载被增大2倍且被减1。两者的数据关系如表1所示。正常情况下,法向过载应在1附近波动,输出和译码数据差别较小。在水平无机动时,两者都为1。数据分析员在分析时不容易察觉译码参数与真实数据间的细微差别,认为译码数据是正常的。法向过载与基准1差别越大,译码数据与真实数据的差别也就越大。实际过载为1.3G时,原译码值达到1.6G,这就造成了实际飞行法向过载大于监控门槛,进而导致事件触发。根据该Normal Acceleration的译码规则,译码数值等于多项式展开式的计算之和。该参数适用于简单线性变换,因此适用于公式A=ax1+b。通过之前的分析,需将原先译码规则中的一次项系数a缩小两倍(aIRS=0.5aAHC=0.0039),再将常数项修正系数b置0(bIRS=0)。4 验证与确认通过飞行力学分析和实际调查,确认了参数译码错误原因是输出基准变更和航电软件传输错位。原法向过载参数译码规则不再适用,造成法向过载Normal Acceleration译码值偏大,进而触发了“抬轮过载大”假事件。地面飞行品质监控软件的译码规则需根据总线传输情况进行相应修改。在飞行品质监控程序中按照实际情况修改了Normal Acceleration译码规则,利用修改后的译码规则重新译码数据。将原译码值、推导值、修改译码值进行对比,抬轮阶段具体数据见图4。由图4可知,推导值与修改值基本一致,最大振幅也比较接近。随机选取一架次抬轮阶段数据,计算推导值与修改值之间的绝对偏差平均值:推导值与修改值之间的绝对偏差平均值仅为4.26%,充分说明了推导公式的正确性。将Normal Acceleration修改后再重新监控历史数据中“抬轮过载大”事件,发现再无超限事件触发,证明“抬轮过载大”事件为假事件,实际飞行中并未发生。表1 输出与译码值差异表images/BZ_49_1593_346_2240_1263.png5 结论本文针对飞行品质飞行过程中的“抬轮过载大”事件虚警高问题,提出了基于飞行力学的“抬轮过载大”事件分析方法。通过将计算得出的法向过载与飞行品质监控软件得出的译码值进行对比,发现译码法向过载与计算法向过载之间存在较大差异。根据设计资料和总线参数检查,确认了参数译码错误为输出基准变更和航电设备传输错位所致,对参数译码规则进行更新修改。将修正后的译码规则与计算法向过载计算值进行比较,结果表明两者数值十分接近,验证了推导公式的正确性。以某型飞机历史数据为例,对“抬轮过载大”事件修改译码规则进行验证,结果表明无超限事件发生,与飞机实际运行情况相符。该方法可显著消除飞行品质分析过程中“抬轮过载大”事件虚警,有效提高飞行品质监控的准确性。图4 推导值、原值、修改值之间对比参考文献:[1]任和,邱明杰,王志强,等.飞机运行安全分析与事故调查技术[M],上海:上海交通大学出版社,2017.[2]俞力玲.中国民航飞行品质监控回顾与展望[J].中国民用航空,2012,140(8):51-53.[3]方自力,韩意新,袁广田,电传飞机飞行品质低阶等效系统算法研究[J].计算机测量与控制,2018,26(11):223-227.[4]王奔驰,杜军,丁超,等.基于主客观权重方法的某战机起飞阶段飞行品质评价[J].计算机测量与控制,2018,26(8):294-298,314.[5]陈啸,王永飞.基于QAR数据的民航客机设计理念分析[J].计算机测量与控制,2017,25(10):151-153,161.[6]曲朝阳,高宇峰,聂欣.基于决策树的网络故障诊断专家系统模型[J].计算机工程,2008,34(22):215-217.
文章来源:《飞行力学》 网址: http://www.fxlxzz.cn/qikandaodu/2021/0205/330.html