基于单套惯导状态的针对性修理保障技术研究

宋文瑰 岳永凯 张广鹏 田晓凤

摘  要：针对军用飞机平台式惯导产品外场故障多发，内场调试过程烦琐的现状，开展基于单套惯导状态的针对性修理保障模式研究。依托历史调试数据，提炼总结惯导调试过程关键参数并建立有效数据模型，应用Matlab软件进行编程以对过程数据进行监测、分析及可视化呈现，将分析结果与已有数据模型进行比对分析，识别其差异点和相同点，从而形成适用于单套惯导修理的方案，可提升惯导产品的修理效率、可靠性，提高部队用户的使用体验。

关键词：基于状态的维修;惯导维修;数据可视化

中图分类号：TP391                  文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）15-0141-04

Abstract： Aiming at the current situation of frequent external field faults and cumbersome inner field debugging process of platform inertial navigation products in military aircraft， the targeted repair support mode based on single inertial navigation state is studied. Based on the historical debugging data， refine and summarize the key parameters of inertial navigation debugging process and establish an effective data model， program with MATLAB software to monitor， analyze and visualize the process data， compare and analyze the analysis results with the existing data model， and identify the differences and similarities between them， so as to form a scheme suitable for single inertial navigation repair， which can improve the repair efficiency and reliability of inertial navigation products and improve the use experience of military users.

Keywords： state-based maintenance; inertial navigation maintenance; data visualization

0  引  言

裝备维修是保持、恢复乃至提高部队战斗力的重要因素，对于武器系统效能的发挥或军事、经济效益的保持起着至关重要的作用。随着微电子技术和现代机械加工制造技术的跨越式发展，微电子机电产品在作战武器装备中的占比日趋增加，航空机载设备也呈现出百花齐放、百家争鸣的良好势头。由于航空机载设备对可靠性的严格要求，以及其对使用维修及时性、准确性的特殊需要，使得现代集成化机载设备的维修技术在战争中发挥的作用愈发明显和重要。惯导产品作为当前军用飞机的主要机载产品之一，其在飞机上的作用就好比浩瀚天际中为飞行员引领航迹的向导，飞行员对惯导产品的依赖与当下人们对导航的依赖如出一辙，无形中提升了惯导产品的使用频次。近年来，成熟军用飞机配装的平台式惯导产品的质量问题频发，严重阻碍部队战训目标的实现，质量提升需求紧迫。现实条件下，航空修理工厂身处航空产业链的末端，承修产品的软硬件往往滞后于当下科学一两个代次，尽管当下在设计制造领域捷联惯导发展势头平稳，但要想在短时间内实现对平台式惯导产品的全部替代是不经济也是不现实的，故对平台式惯导修理模式的深入研究仍是惯导修理厂不可回避的课题。

1  平台式惯导修理现状

1.1  平台式惯导修理现状及背景

典型的平台式惯导系统由平台（包含陀螺仪、加速度计）、加速度计、计算机、控制显示器等部分组成，如图1所示。目前飞机大修厂在维修保障过程中，受维修人员技术水平、设备自动化程度、器材供应渠道、工艺方法成熟度等因素影响，很难达到原设计单位细化到部件级和分系统级的维修标准。尤其是当部队承担突发或紧急战备任务时，原设计制造单位的鉴定验收试验就显得过于烦琐。修理的目标是通过对仪表系统性能的综合测试，掌握仪表当期使用后系统误差变化的规律，重新建立起仪表使用后的误差模型，再应用测试软件对仪表系统参数进行补偿修正，从而提高仪表的使用精度。实际条件下，要求惯性仪表在冲击、振动、高机动以及恶劣的温度、电磁干扰环境条件下都不受影响保持高精度稳定输出是不可能的。而提高仪表自身的精度则需付出极高昂的代价，特别是惯性级高精度仪表，其性能几乎已经达到了极限，若要再提高10%的精度，可能需要付出10倍的投入。为此，修理过程中认真测试，建立准确的误差模型是一个极为重要的提高惯性仪表使用精度的途径。测试的目的还在于发现惯性仪表在设计和制造环节固有的缺陷，从而为改进仪表的设计和制造工艺提供重要的依据。

1.2  平台式惯导修理流程优化

为适应当下部队作战训练中对装备完好性的衍生需求，大修厂在机载设备的修理过程中注重对产品过程试验数据、故障数据、外场使用数据等信息的收集和整理，探索在大量数据基础上寻找基于单个产品状态进行针对性维修的方法。该方法拟从产品的实际使用环境出发，根据各个产品的不同状态和故障情况，从可靠性和经济性等方面来确定其实际的维修流程。维修流程的确定取决于不同产品的可靠性，并根据产品各组件的损坏程度确定。

1.3  平台式惯导调试关键技术

平台式惯导核心传感器组件为陀螺仪和加速度计，二者精度和性能的优劣直接影响惯导系统的性能指标。实际上，陀螺仪和加速度计等关键传感器从使用稳定性角度可分为高、中、低三个等级，设计惯导系统时，往往需要选用与系统性能相匹配的惯性仪表，同时不断研发性能更优的仪表。但单纯地依靠优化仪表结构设计和工艺改进所带来的收益与投入往往相距甚远。随着计算机软件技术的发展，误差补偿技术逐渐广泛应用于惯导产品系统精度的提高。

修理工厂维修产品的过程就是对产品原有状态进行恢复的过程，涉及故检、分解、修理、装配、调试、验收等多个环节，其中调试环节是平台式惯导修理的关键。调试过程需要借助大量的试验数据来分析、补偿、确认惯导原始状态的恢复程度。试验中对过程数据的高效解读和利用是提升修理效率的关键。实践表明，凭借惯导过程试验数据可直接预测惯导预期使用效果。通过观察有无跳数跳台阶现象，观察对准50状30-01状态的Fi（i=x，y，z），导航后的Ni（i=x，y），随时间变化应是一条较为平滑的曲線，来回跳动称为跳数，出现阶跃称为跳台阶。如何从成百上千条数据中高效读取有用数据并进行图形化显现是本文研究的重点。

2  惯导基于状态维修的关键技术

GJB 150作为最典型的机载设备试验标准，其中规定了20多个试验项目，几乎涵盖各类机载设备预期可能经历的全部使用环境。对修理行业而言，相关的试验在设计制造环节已经进行了选取和试验及验证，单纯的复试产品理论上无须进行相关环境试验。但常规的修理技术标准对该类试验的筛选并无统一的原则，一些需要环境长期作用才能产生不利影响的实验项目，可列为一次性考核指标，如：霉菌、盐雾、沙尘、电磁兼容。实际上，如何取舍相关环境的试验也是维修人员需要根据单个产品特点认真分析和研究的内容。本文在借鉴设计制造单位鉴定试验项目的基础上，充分利用已有的实验数据进行统计分析，通过MATLAB软件建立外场故障与内场试验过程数据的关联关系，对新承接的待修件，套入已验证的可靠模型，针对性地删减不必要的环境试验项目，一方面可提高环境试验的针对性，另一方面也可防止重复进行环境试验对产品固有可靠性的无故消耗。

2.1  实时数据采集及可视化呈现

惯导基于状态维修需要及时完整地获得系统及内部各电路板、惯性器件的状态数据。CBM系统通常采用分布式状态监控—集中式分析处理方案。收集已修理交付的百余套平台式惯导基础信息，提炼调试过程故障信息、修理换件信息、外场返工信息等惯导修理周期内质量信息台账，识别惯导调试过程参数中的关键数据。针对确定的调试过程参数，通过软件编程分别实现对其的实时监控和检索监控，为产品故障监控和故障诊断提供支持。通过232串口/USB接口转接线将惯导232串口发送的数据传输到笔记本电脑上，再通过MATLAB软件编辑的“573数据接收测试软件”程序，实现对惯导232数据的实时采集和读取，并通过软件对关键参数Nx、Ny进行图形化显示，如出现大的跳数、跳台阶情况则可立即发现，从而实现对惯导调试过程参数图形可视化显示功能。以识别出的关键过程数据为基础，通过数据线将惯导XS3插座232数据发送插针与装有MATLAB软件的惯导外场用笔记本电脑连接，通过运行自编程序（573串口通信助手），可实现对惯导实时数据的可视化呈现，连接示意图如图2所示。

2.2  对惯导历史关键数据可视化呈现

针对外场反馈使用效果差或调试过程中发生故障的产品，设计开发了惯导历史数据可视化互动窗口程序，实现对已交付惯导Fi、Ni、Ti、Vi等关键过程数据的可视化呈现，建立关键数据与内外场故障的关联关系，形成惯导关键过程数据参考量化控制指标，作为在修惯导产品过程数据监控的依据。通过MATLAB软件开发惯导历史数据读取及可视化呈现程序，绘图实例如图3、图4、图5、图6所示。

2.3  历史故障信息高效检索

针对惯导调试过程中出现的故障情况，开发了573系列惯导调试数据故障代码检索程序（testFile），操作者在互动界面中输入文件夹位置，如图7所示，即可快速检索惯导已发生过故障的原始试验数据位置，具体检索结果如图8、图9所示。

3  结  论

随着飞行保障设备的持续性发展，大容量、自动化、智能化、参数化是其主要发展方向，在实际的装备系统越来越复杂的背景下，所涉设备数量以及类型也在不断增加。本文通过对惯导历史试验数据与外场使用效果关联规律的研究，为现有惯导开展基于状态维修提供了决策依据。针对传统惯导维修千篇一律开展高低温试验、综合环境应力试验的粗犷式维修问题，在分析已维修交付的百余套惯导试验数据和外场使用反馈基础上，利用Matlab软件开发过程试验数据监控程序，实现对单套惯导试验数据状态的实时评估，对评估结果较差的惯导与历史惯导数据进行比对状态预测，判断其状态进一步劣化的趋势，为单套惯导后续的维修决策制定提供依据。最终实现对单套惯导的状态评估，确定单套惯导的实际维修需求，制定合理的维修决策方案。

参考文献：

[1] 赵强.基于CBM维修理论的航空装备维修保障初探 [J].航空维修与工程，2020（3）：73-76.

[2] 黄德鸣.神奇的指路魔杖 [M].济南：山东教育出版社，2001.

[3] 徐丹，吴俊.基于RCM的设备维修管理平台研究与开发 [J].计算机与数字工程，2011，39（12）：66-68.

[4] 洪翔.机载设备环境试验设计 [J].科技创新导报，2018，15（11）：110-111.

[5] 郑元珠，杨德，宋小梅，等.相控阵雷达基于状态维修技术研究 [J].现代雷达，2020，42（10）：12-17+21.

[6] 吕瑞，陶书弘.飞行保障装备基于状态的维修决策支持系统研究 [J].中国设备工程，2020（6）：52-53.

作者简介：宋文瑰（1983—），女，汉族，山东威海人，高级工程师，工程硕士，研究方向：机载设备修理技术。

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