基于卫星数据链路的飞机主动维修保障系统

王凯伦，王 强，胡明朗

（空军工程大学装备管理与安全工程学院，西安 710051）

基于卫星数据链路的飞机主动维修保障系统

王凯伦，王 强，胡明朗

（空军工程大学装备管理与安全工程学院，西安 710051）

基于北斗卫星数据链路，采用了“空-地”两级数据处理方式进行飞行参数在线判读、主动维修保障及安全监控系统的实时处理。分析了主动维修保障及飞机实时状态监控、北斗短报文系统的基本情况，并着重介绍了系统的总体结构和优势，以及包括机载部分、地面处理系统和北斗卫星数传装置三部分的工作原理和设备构成。

主动维修保障，实时状态监控，北斗卫星短报文服务

0 引言

据有关数据表明，通过地面检查可以提前发现的故障仅占飞机总故障的60%，另外40%的故障是在飞行中暴露的［1］。然而现有飞机在飞行过程中的飞行参数等信息都保存在飞行记录仪中，飞行完成后才将数据下载到地面站进行分析。在飞行过程中，地面只能通过雷达对飞机高度、速度和位置等信息进行监视，难以得到飞机的姿态、健康状况和控制面的调整量等信息。这样就无法对飞行过程进行实时监控、预测飞行轨迹；无法对飞机健康进行评估，及时发现故障。处理空中特情时不能在着陆前就根据维修人员和备件的需求而制定更有效的维修决策和行动，维护效率不高。

现有的飞行实时监控系统（例如：ACARS系统），主要是通过数传电台将飞行参数等数据传输到地面进行分析处理，实现辅助飞行指挥、飞行质量监控等功能，但目前该技术还存在通信距离较短；无法满足短时间内（例如在几秒内）将所有飞行参数快速下传到地面并完成处理；以及相关研究成果尚未应用到飞行安全管理和维修保障领域等问题。所以仅借助地面检查是很难保证飞机具有高的完好率，反而会因不良维修造成设备的固有可靠性降低和人力、财力的浪费。

因此,本文中提出了主动维修保障及安全监控系统，它涉及飞行保障技术，是一种将飞机飞行参数在线判读，实时处理后，再通过自主研制的北斗卫星数据链路进行传输，并在地面数据处理站进一步分析、处理的主动维修保障及安全监控系统。

1 主动维修保障及飞机实时状态监控

主动维修保障是在视情维修和以可靠性为中心的维修等理论的基础上提出的，是一种针对可能引发故障的“故障源”采取的维修管理活动，主要目的是发现和纠正任何可能导致装备故障的操作或运行状况。它要求装备的材料和性能在发生损耗或降低前就采取必要的维修。因此,实施主动维修就必须要有完善的监测诊断技术作支持，以便及时、全面、准确地掌握设备技术状态和故障源特征。主动维修保障的有效实施能够保证机械设备和系统最高的可靠性和最长的使用寿命，从根本上避免了故障的发生，并提高了维修保障的及时性、有效性和经济性。

其作用在于解决设备反复出现故障；重新设计安排了现有的维修活动；增加少量易支配、效率高的资金投入，大量减少装备总的维修保障费用［2-3］。

具体的实施体现在建立飞行指挥控制平台实现飞行实时信息共享，并建立维修指挥控制平台实现主动维修保障。

1.1 建立飞行控制平台实现飞行实时信息共享

通过数据链提供稳定可靠的基本信息，既减少了引导人员的工作量，又减轻了飞行员的负担，使飞行员可以把精力投入到飞行任务中；飞机的各种信息通过数据链传输，保证地面维修平台实时共享。

1.2 建立维修控制平台实现主动维修保障

飞机的机载飞参系统，对飞机状态性能实时动态监控，通过数据传输，保证飞行控制平台、维修平台及时调配保障力量、保障器材和技术支援信息。一是利用智能化保障装备自动化检测、故障智能诊断等功能，提高保障时效性；二是建立航空装备材料可视化系统，实施快速、精确的保障，保证飞机迅速抢修恢复；三是建立后方专家远程技术支援系统，提高现场抢修能力。

在此基础上，本文提出了基于北斗卫星数据链路的飞行参数实时数据处理和传输技术，建立主动维修保障及安全监控系统，目的是通过主动式、先导式维修保障，充分利用飞行参数数据，提升现有飞机的完好率和出勤率，一方面实时监控飞机的飞行参数，判断飞机主要部件是否故障或故障趋势，为维修提供准确、丰富的故障信息，便于地面人员提前做好准备快速排除故障；另一方面，该系统在飞机和地面指挥中心之间形成了安全闭环，建立了“空-地”联合机组资源管理模式，地面指挥人员有效监控空中飞机健康状况和飞行员操纵动作，及早发现并及时处理存在的问题，把安全关口前移到事故发生之前。

2 北斗卫星短报文服务功能

北斗卫星导航系统简称北斗系统（Beidou Navigation Satellite System），是中国自主建设，独立运行，与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时，为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。短报文服务功能是以卫星传播信息，并可显示信息发布者的具体位置。它具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信能力。利用连续传送方式一次最多可传送120个汉字。这种简短双向报文通信服务，可有效地满足对即时性要求很高的用户应用系统的要求［4］。另外，在没有通信网络的海洋、沙漠、野外，安装北斗系统终端的用户可以确定自身位置，并能够向外界发布文字信息。

3 系统结构及优势

3.1 系统总体结构及优势

系统主要包括机载部分、地面设备两部分组成，如下页图1所示。

该系统是基于实时飞行参数的主动维修保障及安全监控系统的机载设备进行飞行参数粗判读，并控制数据传输内容和速率；地面北斗用户机接收机载设备下传的数据内容，然后在实时数据服务器内及时更新每架飞机的健康状况、姿态、位置、飞行员操纵指令等数据，消除冗余数据，为后续分析提供完整、一致的实时状态数据，主服务器进一步分析、处理这些实时状态数据，综合分析飞机健康状况，预测潜在的不安全因素。这些信息通过地面网络发送到地面终端后，地面人员可有效完成对飞行员的提醒和地面航材、保障车辆的调度。

该系统与现有技术相比，有如下优点：

（1）将飞行参数实时监控应用到飞行安全管理和维修保障等领域，使质量安全关口前移，提高了飞行安全；

（2）采用了北斗卫星数据链路进行数据传输，无通讯距离限制，可满足长距离及海上飞行等高技术条件下的飞行任务要求；

（3）采用：“空-地”两级数据处理方式，不需要将所有数据发送到地面进行判读，降低了数据传输量；

（4）采用多卡、单基带方式，提高了北斗短报文的数据传输速度。

图1 系统总体结构示意图

3.2 机载部分

机载设备主要包括HDLC协议RS485通信模块、主控模块、数据存储模块、北斗数据传输模块、北斗卫星天线、母板及电源模块。如图2所示。

图2 机载部分示意图

飞参系统与机载设备之间通过机载电缆进行链接；HDLC协议RS485通信模块从飞参系统读入飞行参数，二者之间采用主从HDLC+令牌通信方式，传输速率不小于1 MB/s，完成数据接收后将整个原码数据帧发送到主控模块；主控模块完成信息解码后，将物理量数据帧发送到数据存储模块进行保存。同时，主控模块数据预先设定的判读条件进行飞行参数判读，分析飞机发动机、机载设备有无故障发生，判断飞行员的操作指令是否准确，有无“人为因素”发生，并给出飞机健康状况评估报告，最后将判读结果发送到北斗数据传输模块。

数据存储模块采用FPGA总线控制器和NAND FLASH存储器件，采用两套独立、并行、大容量的数据存储装置——飞参记录器和健康状况评估报告记录器。主控模块和北斗数据传输模块向总线控制器发出控制指令，从而读取飞行参数原码、物理量、判读结果和健康评估报告。

HDLC协议RS485通信模块中，FJ-30D3飞参系统采用半双工的RS485通信方式和NRM的HDLC操作方式，根据飞参系统内部通信总线需求，设计了以FPGA为收发控制模块的RS485半双工通信控制模块。当FPGA检测到属于该地址的数据时，FPGA按HDLC协议接收数据，同时向主控模块发出中断信号，进行数据处理。

北斗数据传输模块根据当前飞机健康状况，确定需要发送的飞行参数判读结果、历史飞行参数和北斗导航参数的内容和优先级；然后利用北斗卫星短报文功能，采用多卡、单基带的结构，将处理后的数据通过北斗卫星天线传输到地面数据库，同时接受地面发送的控制指令。

北斗卫星天线通过馈线与机载北斗用户机相连，通过接收北斗1代通信卫星发送的无线电微波信号，然后将其转换为电平信号。

3.3 北斗卫星短报文数据传输

如图3所示，北斗数据传输模块采用双卡，单基带方式。这两张卡共享包括射频和基带信号在内的信号通道，通讯速率从1秒2帧～30秒1帧可选；控制单元协调数据传输内容和传输速率，它根据主控模块所给飞行参数判读结果，从数据存储模块读取相关的飞行参数数据，将数据打包、加密后，通过切换模块选择高动态机载北斗用户机，利用天线向地面发送,母板及电源模块向各模块提供电源。

图3 北斗卫星短报文数据传输示意图

3.4 地面处理系统

地面设备主要包括地面天线、地面卫星数传装置、实时数据处理模块、地面飞行及保障指挥控制模块、地面联合通信分布网络、用户终端。如图4所示。

图4 地面处理系统示意图

3.4.1 地面卫星数传装置

地面卫星数传装置包括多套地面北斗用户机，可监控多架飞机，它通过天线接收飞机上飞行参数判读结果、历史飞行参数和北斗导航参数，并将数据发送到实时数据处理模块；实时数据处理模块采用实时数据库，在整个运行周期内不允许数据堆积和数据处理过程中断，它为地面飞行及保障指挥控制模块提供所有飞机一致性的状态信息，减少数据冗余；地面飞行及保障指挥控制模块每隔一定时间周期（例如每秒）从实时数据处理模块读取飞机当前实时状态数据并保存到历史数据库，然后根据飞行参数实时数据和历史数据监控飞机的健康状况和飞行员的操纵动作，预测飞机状态变化趋势，警告潜在的危险状态和不安全因素，制定维修决策和特情处理决策；地面联合通信分布网络包括集线器、网卡、网线等，它将地面飞行保障指挥控制模块所给出的维修方案、特情处置方案、综合告警信息等发送到机务维修中心的用户终端，供维修保障人员和飞行指挥人员参考使用。

3.4.2 实时数据处理模块

实时数据处理模块部署在实时数据服务器中，位于地面北斗用户机与主服务器之间，完成的主要功能有：接收多个地面北斗用户机接收到的短信报文，并进行原始数据记录；完成实时数据处理，从短信报文中获取每架飞机的健康状况、姿态、位置、飞行员操纵指令等实时状态数据；为地面飞行及保障指挥控制系统提供一致性的实时状态数据，减少数据冗余。

3.4.3 地面飞行及保障指挥控制模块

地面飞行及保障指挥控制模块是系统的核心，它部署在主服务器中，将飞机状态信息用于主动维修保障和主动安全管理。它包括主动维修保障模块、主动安全监控模块和联合分布通信模块。

（1）主动维修保障模块根据飞行参数数据检测、定位、预测故障，完成维修决策，它包括故障预测和维修决策单元：

故障预测单元利用智能算法模型预测装备的健康状况，完成故障检测、故障隔离、剩余寿命预计、部件寿命跟踪、性能降低趋势跟踪等。

维修决策单元通过与故障预测结果相关联，实施技术状态管理、确认飞行状态记录、调整装备使用计划；确认并隔离故障，最终完成维修安排；制定合理的机务人员、维修工具、维修设备、电源车、航材等保障资源调度计划。

（2）主动安全监控模块监控飞机健康状况和飞行员操纵动作，预测飞机状态变化趋势，警告潜在的危险状态和不安全因素，提供特情处置预案。它包括实时监控、综合告警、特情处置3个单元：

实时监控单元根据实时数据处理软件获取当前飞机健康状况、姿态、位置、飞行员操纵指令，评估当前风险等级，分析存在的问题，预测飞机健康状况、飞行轨迹、飞行姿态的变化趋势；检测飞行过程中飞行员的“人为因素”。

综合告警单元基于地面通信网络，根据实时监控单元的监控结果，向地面飞行指挥人员发出声光告警信号，并将飞行指挥中心选定的特情处置方案通过地面通信网络发送给机务维修中心的外场保障维修人员。

特情处置单元从操纵时机、处置时间、操纵准确程度等方面进行对比分析，推断状况的发展，评估各种方案所能演绎出的安全结果，好中选优，筛选出相对稳妥的安全方案。

3.4.4 联合分布式通信模块

联合分布式通信模块使得信息可以通过Internet局域网，实时送往机务维修中心的外场保障维修人员和控制中心的飞行指挥人员。它基于信息网络平台，将装备状态信息与备件信息、维修设施设备信息、维修人员信息、技术资料信息和情报信息综合在一起，并根据维修决策意图，优化资源部署。

3.4.5 用户终端

用户终端即集群通讯系统采用选呼、组呼、群呼、脱网呼等呼叫方式，通过无线与无线、无线与有线方式，实现外场保障指挥人员与起飞线、停机坪、修理厂等维修保障点保持通信联络，指挥调度机场的机务人员、维修工具、维修设备、电源车、航材等保障资源。

4 结束语

基于北斗卫星数据链路的飞机主动维修保障系统设计有机地结合了计算机信息处理技术、辅助决策支持系统等技术和手段，并应用到机载设备的实际维修管理中。

通过完整部署系统，将实现同时监控多架飞机的安全状况。其中机载设备检测到飞行过程中存在故障或“人为因素”后，能够在几秒内将判读结果和地面分析所需的飞行参数发送到地面设备。地面设备接收到空中异常信息后，能快速显示相关异常信息和飞行数据，并给出特情处置预案和维修保障方案。

最终为降低装备保障工作的劳动强度，提高保障效率和准确率提供了系统建设方面的支持，从而使装备保障实现先进的主动维修保障模式，更有效地防治故障的发生，减少飞行事故。对于民航飞机科学化管理和安全飞行都具有十分重要的意义。

［1］陈德煌，赵敬，张涛.基于实时状态监控信息的飞机维修决策系统［J］.航空维修与工程,2011（6）：40-42.

［2］刘东风.主动维修思想与监测诊断技术［J］.中国修船, 2002，15（4）：47-50.

［3］姚陆锋，王建中.机械系统实施主动维修的方法研究［J］.中国修船，2010，23（4）：38-40.

［4］唐金元，于潞，王思臣.北斗卫星导航定位系统应用现状分析［J］.全球定位系统，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

王凯伦（1991- ），男，北京人，硕士研究生。研究方向：装备维修管理。