GPS进入民航导航领域的历程

GPS作为目前广泛应用于民航导航领域的系统,经过数十年的发展,其技术标准体系已非常成熟完善,是各大新建卫星导航系统进入民航领域应用的重要参考。文章主要从GPS系统建设、民用政策、设备标准的起草、设备的审定角度研究了GPS进入民航领域在1996年前的发展背景和过程,旨在为机载北斗导航设备的发展提供参考。

航空发动机电子控制器的高强辐射场干扰及防护

针对航空发动机电子控制器(EEC)易受高强辐射场(HIRF)干扰问题,以ZF-M600型EEC为研究对象,通过三维电磁仿真软件CST对EEC建模并进行平面波辐照仿真,模拟HIRF对EEC的干扰效应,仿真结果表明,HIRF可以通过孔缝耦合进入EEC内部并在腔体内部产生谐振,谐振频率处电场强度显著增加。依据RTCA DO-160G在400 MHz~4 GHz开展EEC辐射敏感度试验,试验结果表明:EEC失效频点为2.40 GHz和3.48 GHz,敏感模块为模拟量输入输出模块,敏感现象为模拟量数据丢失。EEC失效频点与谐振频率接近,说明EEC失效与腔体谐振有关,在EEC内部贴装吸波材料并进行仿真,分析吸波材料的放置方式和厚度对EEC谐振电磁干扰强度的影响,仿真结果表明,贴装吸波材料可以有效抑制谐振电磁干扰。

显示触控系统人为因素适航符合性验证技术

为解决传统人为因素适航符合性验证技术对先进驾驶舱显示触控系统设计的不适用性问题,首先,详细阐述显示触控系统的技术特点;然后,依据相关适航条款,确定显示触控系统在人为因素适航审定中需重点考虑的要素和审定计划的条理性方法;最后,结合符合性验证可能产生的问题,给出显示触控系统人为因素符合性验证要求及实现方法。结果表明:人为因素适航符合性验证技术能够在符合性验证方法的框架内,通过位置和可达性、功能和可靠性等6个方面的要求,实现显示触控系统的人为因素适航符合性验证。

显示和机组告警系统适航审定方法研究

与多个机载系统存在任务交联的特点以及平视显示系统等新技术的应用,给显示和机组告警系统的适航审定带来挑战。分析显示和机组告警系统的适航文件体系,给出审定基础、符合性方法确定原则,以及与其他系统的符合性验证交联关系,并从实际审查角度给出显示和机组告警系统的审定要素和评审要求。本研究可为民机机载显示和机组告警系统的适航审定与设计提供支持。

北斗三号仅用作追踪的机载设备适航要求分析

随着北斗三号卫星导航系统服务正式开通,北斗二号相关适航标准已无法满足当前机载设备应用场景需求,严重制约了北斗在民航领域的应用进程,急需开展北斗三号相应标准的研究与制定。针对北斗在民用航空器中应用第1阶段“仅用作航空器追踪”,对北斗二号与北斗三号开展差异性分析,提出标准修订总体方案,综合考虑适航安全性、机载设备应用场景,结合工业实践,根据设备构型提出指标修订方案,形成审定要素及符合性方法建议,为设备研发与适航取证提供标准支持。仿真分析了设备天线增益、卫星可见性等关键参数,验证了所修订技术指标的正确性。

基于无扰切换的航空发动机性能与安全协调控制设计

为了提高发动机的转速调节性能并保证安全性,针对航空发动机控制系统,本文提出一种性能与安全协调切换控制策略,并设计一种无扰切换控制策略抑制切换造成的信号突变问题。首先,将发动机性能与安全协调控制问题描述成输出受限的状态跟踪切换控制问题,利用多Lyapunov函数方法分别设计性能回路和安全保护回路控制器。然后,为了避免切换导致控制信号突变对系统造成危害,提出一种基于可调插值函数的无扰切换控制策略,并给出无扰切换的稳定性充分条件。最后,将所提出的基于无扰切换的航空发动机性能与安全协调控制策略应用于航空发动机控制系统仿真试验中。结果表明,无扰切换策略的信号变化比直接切换的减少约21%,表明了所提方法的有效性。

航空发动机控制中变权重函数阶次的仿真研究

提出一种民用航空发动机过渡过程控制方法,在含非线性补偿项的航空发动机分段线性模型基础上建立含耦合状态变量权重项的性能指标指标函数,设计变权重SDRE控制算法实现的对过渡过程的控制。在MATLAB环境下对各阶次变权重函数下的航空发动机SDRE控制算法进行仿真,仿真结果表明,变权重SDRE控制算法相比定权重控制算法可以在提升航空发动机转速响应速度的同时降低燃油消耗,同时仿真结果表明,变权重函数阶次越高时转子转速响应的上升时间越快,同时燃油流量随阶次的上升先减小再增加,最后对产生这种结果的原因进行了分析。

BDS机载天线增益适航性分析与验证

基于航空无线电技术委员会(Radio Technical Committee for Aeronautics,RTCA)等的相关技术标准,结合卫星通信链路预算理论,给出全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)机载天线增益适航性分析的理论方法,并对北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)机载天线增益进行适航性分析计算。以BDS机载天线增益适航性分析结果为设计指标进行BDS B1I频段机载无源天线的验证设计与仿真。BDS机载无源天线仿真结果满足设计指标,并具有良好的低仰角增益与圆极化性能。证明了所给GNSS机载天线增益适航性分析方法的可行性与BDS机载天线增益适航性分析结果的合理性。

面向适航符合性的智能航电系统认证研究进展

民用飞机航电系统引入人工智能/机器学习技术会带来可信性、不确定性和可解释性等问题,有必要通过有效的符合性方法向公众与利益攸关方证实智能航电系统的适航安全性。首先,分析了智能航电系统的等级分类和应用现状,阐述了现有指南和标准的适用性;然后,基于对当前研究成果的梳理,总结了智能航电系统认证框架实施流程及其技术细节;最后,给出智能航电系统在全生命周期各个阶段的符合性验证要求及实现方法建议,评估了符合性验证对现有适航体系的影响,为民用飞机智能航电系统的设计与认证提供了参考依据。

基于小波神经网络的航空发动机传感器故障诊断

航空发动机传感器故障诊断系统对于保证航空发动机控制系统可靠性和安全性至关重要,针对传统基于发动机模型的传感器故障诊断中存在建模精度不足导致故障诊断存在误诊和漏诊的问题,提出以小波变换和神经网络为基础,使用正常传感器预测故障传感器值。通过对比传感器输出和神经网络预测值的残差来实现传感器的故障诊断,其中神经网络可以在传感器故障后估计出正常的模拟信号代替故障信号供发动机控制系统使用,实现航空发动机控制系统的容错控制;使用改进粒子群优化算法优化BP神经网络的阈值和权值,以提高神经网络诊断和预测信号精度。仿真结果表明:该方法可以有效完成故障诊断,减少漏诊和误诊的发生。

航空电子系统仿真可信度评估方法研究

针对传统可信度评估方法存在评估时间较长、均方误差偏高、可信度较低等问题,提出了一种基于ReliefF算法的航空电子系统可信度评估方法。分析航空电子系统基础数据,构建系统可信度模型,可信度模型的信任值包含主观信任值、直接信任值以及推荐信任值三个方面,由三个信任值推导出电子系统可信度最终信任值。根据最终信任值,利用主观判别方法分别计算航空电子系统定性指标可信度、可信度指标主观权重值、可信度指标客观权重值,根据指标综合性权重值给出评估结果。在上述基础上,采用ReliefF算法筛选整个航空电子系统可信度评估指标,并完成评估。实验结果表明,所提方法有效缩短了评估时间,降低了均方误差,提高了评估结果的可信度。

基于深度强化学习的综合航电系统安全性优化方法

为解决传统基于人工检查的安全性设计方法难以应对航电系统大规模集成带来的可选驻留方案爆炸问题,构建航电系统分区模型、任务模型以及安全关键等级量化模型,将考虑安全性的综合化设计优化问题模型化为马尔可夫决策过程(MDP)问题,并提出一种基于Actor-Critic框架的柔性动作-评价(SAC)算法的优化方法;为得到SAC算法的参数选择和训练结果之间的相关性,针对算法参数灵敏度开展研究;同时,为验证基于SAC算法的优化方法在优化考虑安全性的综合化设计方面的优越性,以深度确定性策略梯度(DDPG)算法和传统分配算法为对象,开展优化对比试验。结果表明:在最佳的参数组合下,使用的SAC算法收敛后的最大奖励相较于其他参数组合提升近8%,同时,收敛时间缩短近16.6%;相较于DDPG算法和传统分配算法,基于SAC算法的优化方法在相同的参数设置下获得的最大奖励、约束累计违背率、分区均衡风险效果、分区资源利用以及求解时间方面最大提升分别为62%、7464%、8370%、2123%和775%。

适应于硬件部署的神经网络剪枝量化算法

深度神经网络由于性能优异已经在图像识别、目标检测等领域广泛应用,然而其包含大量参数和巨大计算量,导致在需要低延时和低功耗的移动边缘端部署时困难。针对该问题,提出一种用移位加法代替乘法运算的压缩算法,通过对神经网络进行剪枝和量化将参数压缩至低比特。该算法在乘法资源有限的情况下降低了硬件部署难度,可满足移动边缘端低延时和低功耗的要求,提高运行效率。对ImageNet数据集经典神经网络进行了实验,结果表明神经网络的参数在压缩到4 bit的情况下,其准确率与全精度神经网络的基本一致,甚至在ResNet18、ResNet50和GoogleNet网络上的Top-1/Top-5准确率还分别提升了0.38%/0.22%,0.35%/0.21%和1.14%/0.57%。对VGG16第8层卷积层进行实验,将其部署在Zynq7035上,结果表明,压缩后的网络在使用的DSP资源减少43%的情况下缩短了51.1%的推理时间,并且减少了46.7%的功耗。

运输类飞机应急撤离演示试验适航要求解析

运输类飞机的应急撤离演示试验是通过型号合格审定的重要试验环节,试验涉及人员多,适航审定检查项目和种类繁杂。通过对运输类飞机应急撤离相关适航要求及其咨询通告等文件进行系统地分析,制定出更合理的试验方案;针对飞机应急撤离演示试验的全过程,从前期准备、机上检查、试验中以及试验后四方面开展研究,明确适航审定的基本流程,总结适航审定要素和具体的验证方法,以支持和保障应急撤离试验顺利完成。

航空沉头铆钉动态加载试验及失效模式研究

为研究航空沉头铆钉在动态加载下的失效模式,以航空器结构中使用的100°沉头铆钉为研究对象,采用高速液压伺服材料试验机,进行不同加载速度下的纯拉伸、30°拉剪耦合、45°拉剪耦合、60°拉剪耦合和纯剪切动态试验,获得不同工况下铆钉动态力学失效试验数据,研究加载角度、加载速度对铆钉失效模式和失效载荷的影响规律,并拟合铆钉失效本构参数及失效判据。结果表明,此种铆钉主要有沉头拉脱和钉杆剪断失效模式,不同加载角度下铆钉失效模式差异较大,不同加载速度下铆钉失效模式差异较小;失效载荷随加载速度增大而增大。对纯拉伸和纯剪切试验,失效载荷与加载速度线性相关;建立不同加载速度下的铆钉失效判据,可应用于铆钉有限元建模及机身结构适坠性仿真分析。

航空VHF通信设备电磁防护模块电路设计

针对航空甚高频(Very High Frequency,VHF)通信设备,提出了一种具有低插入损耗、高限幅性能的电磁防护模块电路设计方法。在无源多级限幅器设计基础上外加直流偏置,构建了一款有源式防护模块以提高限幅能力。将定向耦合器与整流电路相结合,提出了以整流部分干扰信号代替外加直流偏置的方式,进一步优化设计了一款半有源式防护模块。对所设计的2款电磁防护模块进行实物加工与测试,结果表明,在118~136 MHz的航空VHF频段内,插入损耗均小于1.5 dB,起限电平小于6 dBm,限幅电平小于8 dBm,功率容量不小于25 dBm。相比于其他同类型防护模块,起限电平和限幅电平明显降低,能够有效提高防护能力。

基于改进STPA-DEMATEL的智能航电系统致因要素分析

针对智能航电系统在非线性耦合运行场景下产生的预期功能安全(safety of the intended functionality,SOTIF)问题,提出一种将系统理论过程分析(systematic theory process analysis,STPA)与决策试验与评价实验法(decision-making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)相结合的致因分析框架。首先,在定义系统级危险的基础上构建安全控制结构,识别其不安全控制行为并提取与智能化缺陷相关的STPA致因要素。接下来,引入毕达哥拉斯模糊加权平均算子和闵可夫斯基距离对传统DEMATEL方法进行优化,专家根据控制反馈回路对致因要素进行评价并计算其中心度与原因度。最后,分析STPA致因要素与SOTIF致因属性之间的映射关系,给出关键致因要素的风险减缓措施。以单一飞行员驾驶(single-pilot operation,SPO)模式下的虚拟驾驶员助理系统为例说明了所提方法的可行性与有效性。研究结果表明,改进的STPA-DEMATEL方法可以有效识别关键致因要素,且能够克服专家评价的模糊性与不确定性,为智能航电系统的安全性设计提供了参考依据。

一款航空VHF限幅器的设计与测试

为提高航空甚高频(VHF)通信设备的电磁防护能力,提出了一种基于PIN二极管的限幅器。采用先进设计系统(ADS)仿真研究了不同二极管级数对限幅器插入损耗以及限幅性能的影响,设计了一款由PIN对管并联结构、集总参数定向耦合器、整流电路与匹配电路相结合的半有源式限幅器,通过将部分干扰信号转变为直流的方式,为二极管提供偏置电压,降低限幅器的限幅电平。性能测试结果表明,在118~136 MHz的频率范围内,半有源式限幅器的插入损耗小于1 dB,输入输出端口的回波损耗大于20 dB,限幅电平小于7.5 dBm,功率容量大于25 dBm,实现了低插入损耗与高限幅性能。

民用直升机结构验证适航要求及符合性方法

直升机的结构强度对直升机飞行安全起着决定性的作用,世界各主要适航当局对直升机的结构强度都有明确的规定。CCAR 29.307结构验证作为直升机结构强度的最重要的条款之一,规定了结构每一临界受载情况均满足29.305条要求的强度和变形要求,而且要考虑结构使用环境的影响。如果使用分析方法表明对强度和变形要求的符合性,则该方法必须是经过试验验证的。本文对运输类旋翼航空器CCAR 29.307结构验证条款的历史沿革、解读、符合性方法及审查要点进行了详细论述。

仅用作航空器追踪的北斗机载设备适航要求分析

北斗卫星导航系统(简称北斗)在民用航空器中安装应用的前提是明确和符合北斗机载设备的适航要求。但由于全球定位系统(GPS)与北斗在星座结构、信号体制及功能上的不同,导致目前国际上全球卫星导航系统(GNSS)相关适航标准不适用于北斗设备。标准的缺失严重制约北斗民航产业发展,急需进行自主研究与制定。针对北斗在民用航空器中应用第一阶段的功能及场景,即仅用作航空器追踪,分析当前可参考标准的适用性,明确适航要求的制订策略及框架,综合考虑适航安全性、民航对北斗机载设备的紧迫需求,未来机载设备的发展方向,以及当前工业水平,提出一套仅用作航空器追踪的北斗机载设备适航要求,形成审定要素及评审要求,可支持工业方对适航标准的理解。