专利名称：检测和隔离平头式大气数据系统(fads)的压力感测中的故障的系统和方法
技术领域：
本发明涉及特定来说空间飞行器中使用的平头式大气数据系统(Flush Air Data system,FADS)的压力感测系统的领域中的航空工程。更具体地说，本发明涉及一种用于检 测和隔离压力感测系统的压力端口和压力变换器中的故障的系统和方法。
背景技术：
空间飞行器、高速航行器和行星探测器的平头式大气数据系统(FADQ所利用的 压力感测系统一般由压力端口、气动管道和压力变换器组成。压力变换器测量来自压力端 口的表面气压，且向FADS处理器提供压力数据输入，所述FADS处理器又产生比如攻角、滑 角、马赫数和动压等大气数据参数。这些大气数据参数对于飞行器的引导和控制系统进行 实时控制和阵风载荷减轻至关重要，以便保护飞行器系统使其不会发生气动力加热，以实 行增益调度并用于沿着所要轨迹引导飞行器。因此，维持用于控制飞行器的这些压力测量 的准确性是很重要的。然而，可能因压力变换器中的故障或由于结冰或外来质粒子所引起的压力端口的 阻塞而发生压力测量的不准确性。被阻塞的压力端口和出故障的压力变换器造成所估计的 大气数据参数与其真实值的显著偏离，这可最终导致飞行器的飞行任务失去控制和失败。 研究1995年1月19日NASA的X-31实验航行器失事的原因的意外事故调查委员会已推理 出，冰在航行器的未加热的全静压系统中或上的堆积将错误的空速信息提供给了飞行控制 计算机。这导致总气压数据的错误读取，且致使航行器飞行控制系统自动针对较低速度而 错误配置。航行器突然开始在所有轴上振荡，上仰到超过90度的攻角，失去控制并坠落。此外，存在大气数据系统的压力端口被昆虫或由于飞行期间气动管道中所截留的 水结冰而密封的若干其它报告。这些事件可引起对起飞具有错误的空速指示的可能性以及 不适当的空勤组动作的可能性的关注，其导致高速中断的起飞或飞行中情景意识的丢失。 因此，始终需要从FADS计算中去除被阻塞的压力端口和/或出故障的变换器，以增强空间 飞行器中FADS的大气数据参数估计的准确性和可靠性。常规的故障检测和隔离(FDI)技术利用如神经网络等人工智能算法来识别被阻 塞的压力端口，所述技术是利用反演模型的间接且复杂的方法。在此类现有系统中，单个或 两个压力变换器连接到一个压力端口，其导致难以使端口阻塞与压力变换器故障隔离开。 此外，单个或两个变换器的供电是使用单个电源来完成的，其在发生电源故障时影响整个 压力测量。第7257470号美国专利描述基于人工智能的大气数据系统中的故障隔离方法和 设备，其特定针对基于人工智能的大气数据系统。此方法是需要与压力端口的数目一样多 的数目的神经网络的反演方法。所述方法主要依据FADS的输入参数来进行压力端口中的 故障检测，且因此其需要反演模型来解决压力测量故障。此类反演模型计算需要FADS中每 一压力端口处的压力估计的输出，其导致计算量大且复杂的过程。
第M32914A号GB专利描述基于人工智能的大气数据系统中的故障检测，其也特 定针对基于人工智能的大气数据系统。此方法也利用大量神经网络来进行压力传感器的大 气数据产生和故障检测。现有技术系统的主要缺点在于，其依靠反演模型来估计压力端口 处的压力值，这使故障检测和隔离(FDI)变得复杂。并且，现有系统需要如残余压力的方差 等统计特性的广泛验证。相对于常规方法，利用众多神经网络来实现空间飞行器的压力感测系统中的压力 端口的大气数据产生和故障检测。然而，这些方法涉及用于故障检测的反演模型，其在FADS 上处理起来非常困难且复杂。为了克服上文提到的现有技术的不足，需要具有减小的计算 负担和对于机载实施观点的适宜性的FDI方案。因此，需要提供一种用于检测和隔离压力 感测系统的压力端口和压力变换器中的故障的改进的系统和方法。
发明内容
本发明的目标本发明的目标是提供一种用于检测和隔离压力感测系统的压力端口和压力变换 器中的故障的系统，其增强FADS的压力估计的准确性和可靠性。本发明的另一目标是提供一种用于检测和隔离压力感测系统的压力端口和压力 变换器中的故障的系统，其实现实时控制空间飞行器所需的准确且可靠的大气数据产生。本发明的又一目标是提供一种用于检测和隔离压力感测系统的压力端口和压力 变换器中的故障的方法，其直接、简单、十分安全且准确。本发明概述根据一个方面，实现所述目标的本发明涉及一种用于检测和隔离压力感测系统的 压力端口和压力变换器中的故障的系统，所述系统包括一组压力端口，其以十字架形式与 空间飞行器的头锥罩齐平。三个压力变换器经由气动导管连接到每一压力端口，用于测量 来自所述压力端口的表面压力。单独的功率供应单元连接到所述三个压力变换器，用于对 每一压力端口处的压力变换器供电。处理单元经配置以获取对应于来自所述压力变换器的 所测得表面压力的电压输入。所述处理单元执行一个或一个以上等级的故障检查，以基于 所述电压输入来检测和隔离压力变换器故障以及所述压力端口的阻塞。因此，有可能增强 FADS的压力估计的准确性和可靠性。根据另一方面，实现所述目标的本发明涉及一种用于检测和隔离压力感测系统的 压力端口和压力变换器中的故障的方法，其包括通过在压力端口处测得的表面压力的交 叉比较来将压力端口阻塞故障与压力变换器故障区分开。在飞行阶段的特定瞬间以粗略水 平确定测得的表面压力是否在所要范围内。检查关于测得的表面压力的恒定压力和速率， 以识别压力端口中的完全或部分阻塞以及压力变换器上的突发故障。从沿着飞行器头锥罩 的垂直和水平子午线定位的压力端口的预定义组合产生若干组结构化的攻角和侧滑角估 计值。基于所述组结构化的攻角和侧滑角估计值来检测和隔离垂直和水平子午线上压力端 口和压力变换器中的故障。
将参看附图更详细地论述本发明。
图1展示根据本发明的示范性实施例的用于检测和隔离压力感测系统的压力端 口和压力变换器中的故障的系统；图2说明根据本发明的原理的端口压力与马赫数之间描绘的曲线图；图3说明根据本发明的原理的压力端口的几何形状和编号方案；以及图4说明根据本发明的示范性实施例的用于检测和隔离压力感测系统的压力端 口和压力变换器中的故障的方法的流程图。
具体实施例方式参看图1，根据本发明的示范性实施例，说明一种用于检测和隔离压力感测系统的 压力端口 2和压力变换器3中的故障的系统。此系统检测空间飞行器中的被阻塞的压力端 口 2和有缺陷的压力变换器3。所述系统包括九个压力端口 2、气动管道4和平头式大气数 据系统(FADS)处理器10作为主要组件，以及其它组件。九个压力端口 2中的每一者具备 三个绝对压力变换器3，即系统中总共有二十七个压力变换器，用于获得压力测量结果。压力端口 2以十字架形式布置于飞行器的头锥罩1上。每一压力端口 2借助于气 动管道4连接到三个压力变换器3。气动导管4的一端使用适配器5连接到压力端口 2，而 另一端连接到安装于接口托架6上的压力变换器3。因康镍合金anconel)气动导管4应 具有1. 75mm的内径、3. 175mm的外径和600+/_50mm的长度，以满足FADS的工作飞行状态中 大于50Hz的自然频率的频率响应要求和小于20毫秒的时间常数。压力变换器3容纳在单个封装中以便测量压力并且还提供使变换器故障与压力 端口阻塞故障隔离的能力。压力变换器3可测量来自压力端口 2的表面压力，且基于从压 力端口 2测得的表面压力将模拟电压输入输出到飞行器的FADS处理器10。三个独立的电 源7、8和9分别用于对压力端口 2处的三个压力变换器3供电，这避免了因单个电源的故 障而引起的压力端口 2处的所有压力数据的丢失。此外，来自压力变换器3的模拟电压经由接口托架6路由到在32MHz时钟频率下 工作的数字信号处理器10。使用FADS处理器10内部的模/数转换器来使呈模拟电压形 式的27个压力读数数字化。所述27个压力读数由FADS处理器10以25毫秒的速率获取。 以压力测量的总体准确性好于100帕斯卡的方式来选择压力变换器3和模/数转换器的准 确性。随后，使用来自压力变换器3的这些压力读数来实行四个等级的故障检查，以检测压 力变换器3的故障和/或压力端口 2的阻塞。参看图4，根据本发明的示范性实施例，说明用于检测和隔离压力感测系统的压力 端口 2和压力变换器3中的故障的方法的流程图。故障检测和隔离(FDI)方法利用四个等 级的检查来检查压力端口 2和压力变换器3中的故障。在第一等级中，实行FDI检查，作为 对每一压力端口 2处的压力变换器3的三重模块冗余(Triple Modular Redundant, TMR) 逻辑检查，如步骤405处所说明。每一压力端口 2展现测量特定压力端口位置处的表面压 力的三个绝对压力变换器3。由于使用三个独立的电源7、8和9来进行对三个变换器3的 供电，所以单个电源的故障不会影响压力测量。在压力变换器3的无故障条件下，压力端口 2处的所有三个压力读数应在临界值 内匹配。可通过压力端口 2处的三个压力读数的交叉比较(TMR逻辑)来检测压力变换器3 的故障。应针对所有九个压力端口 2进行此程序，如步骤410处所描绘。如果检测到任何变
6换器故障，那么可从FADS计算中去除出故障的变换器3，如步骤415和440处所示。然而， 此TMR逻辑检查不能检测完全或部分阻塞的端口 2或压力端口 2处两个压力变换器3的同 时故障。因此，对测得的压力读数进行下一等级的检查(即，范围有效性检查)。在第二等级中，进行范围有效性检查，以在飞行阶段的特定瞬间以非常粗略的水 平确定测得的压力是否在所预期范围内，如步骤420处所提到。基于如图2 (其描绘端口压 力与马赫数之间绘制的曲线图)所示的空间飞行器中预期的压力值，对于大约马赫数2的 压力值，50，0001 和25001 的临界值水平是固定的，即马赫数> 2的区间应具有< 50000 帕斯卡的值，而对于小于马赫数2的区间，压力应> 2500Pa，结论是如果对应的端口 2的值 在此范围之外，那么所述端口 2使被完全阻塞的端口。如果通过范围有效性检查检测到任 何变换器或端口故障，那么可将出故障的变换器3或端口 2从FADS计算中去除，如步骤425 和440处所示。在第三等级中，对测得的压力应用动态行为检查，其包含恒定压力检查和速率检 查，如步骤430处所说明。在恒定压力检查中，在每100秒的阻塞持续时间内维持关于每个 压力端口 2处的最高和最低压力读数的记录。如果任何阻塞期间最高与最低压力读数之间 的差小于指定临界值(< 100帕斯卡的典型值)，那么将特定端口 2从FADS计算中去除，如 步骤435和440处所描绘。此恒定压力检查将在巡航操作期间停用。类似地，在速率检查 中，确定在25毫秒的一个计算更新循环时间期间，压力端口 2处的读数是否改变了超过临 界值(5000帕斯卡的典型值)，如果超过，那么将所述压力端口 2从FADS计算中去除。恒定 压力检查连同速率检查可使得能够识别完全和部分阻塞的压力端口 2以及压力变换器3中 发生的突发故障。最后，基于若干组结构化的攻角和侧滑角估计值的产生来执行第四等级的检查。 FADS中的压力端口 2或压力变换器3中的故障导致“结构化组”内攻角和侧滑角估计值的 偏差。这些结构化组是从沿着飞行器的FADS头锥罩1的垂直和水平子午线定位的压力端 口 2的预定义组合产生。使用攻角估计值来检测和隔离沿着垂直子午线定位的压力端口 2 或压力变换器3中的故障，而使用侧滑角估计值来检测和隔离沿着水平子午线定位的压力 端口 2或压力变换器3的故障。此外，图3中展示用于FDI方案的典型系统的压力端口几何形状，图3描绘根据本 发明的原理的压力端口 2的几何形状和编号方案。在此系统考虑中，九个压力端口 2以十 字架形式沿着垂直和水平子午线布置。沿着垂直子午线的压力端口 2被编号为1、2、5、8和 9。其余四个沿着水平子午线的压力端口 2被编号为3、4、6和7。使用一组结构化的攻角估计值来识别沿着垂直子午线的压力端口 2或变换器3的 故障(即，编号为1、2、5、8和9的端口的故障)，如步骤445处所描绘。所述结构化组由十 个攻角估计值组成，其中每一攻角估计值是从三个压力端口 2形成。表1中展示使用沿着 垂直子午线的压力端口 2的十个攻角估计值的结构化组1。通过检查非正常值与所述结构 化组的中值的离差来进行对垂直子午线上的压力端口 2和/或压力变换器3中的故障的检 测。在垂直子午线端口的此FDI检查中，表1所示的所述结构化组的十个攻角估计值 以升序或降序布置，以便找出所述十个攻角估计值的中值。如果估计值的总数为偶数值，那 么中值为所述结构化组的两个中心值的平均值。接着，通过找出位于距中值最远处的攻角估计值来识别整个结构化组中的非正常值。检测非正常值与中值的角度估计值之间的差。组权利要求
1.一种用于检测和隔离平头式大气数据系统(FADS)的压力感测系统的压力端口和压 力变换器中的故障的系统，其包括多个压力端口，其以十字架形式与空间飞行器的头锥罩齐平；至少三个压力变换器，其经由多个气动导管连接到每一压力端口，用于测量来自所述 多个压力端口的表面压力；至少一个功率供应单元，其单独连接到所述至少三个压力变换器，用于对每一压力端 口处的所述至少三个压力变换器供电；以及处理单元，其经配置以获取对应于来自所述至少三个压力变换器的所述测得表面压力 的电压输入，其中所述处理单元执行一个或一个以上等级的故障检查，以基于所述电压输 入来检测和隔离压力变换器故障和所述多个压力端口的阻塞。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理单元经配置以经由接口托架从所述至少 三个压力变换器获取所述电压输入。
3.根据权利要求1所述的系统，其中每一压力端口的所述至少三个压力变换器容纳在 单个封装中。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或一个以上等级的故障检查被实行为三 重模块冗余(TMR)逻辑、范围有效性、动态行为以及若干结构化组的攻角和侧滑角估计值 的产生。
5.一种用于检测和隔离压力感测系统的压力端口和压力变换器中的故障的方法，其包括通过在多个压力端口处测得的表面压力的交叉比较来区分压力端口阻塞故障与压力 变换器故障；在飞行阶段的特定瞬间以粗略水平确定所述测得表面压力是否在所要范围内；检查关于所述测得表面压力的恒定压力和速率，以识别所述多个压力端口中的完全或 部分阻塞以及多个压力变换器上的突发故障；从沿着飞行器头锥罩的垂直和水平子午线定位的所述多个压力端口的预定义组合产 生一个或一个以上结构化组的攻角和侧滑角估计值；以及基于所述一个或一个以上结构化组的攻角和侧滑角估计值来检测和隔离所述垂直和 水平子午线上的所述多个压力端口和所述多个压力变换器中的所述故障。
6.根据权利要求5所述的方法，其中恒定压力的所述检查包括在预定义阻塞持续时间 内所述表面压力的最高与最低读数之间的差小于所要临界值的情况下，检测并隔离所述被 阻塞的压力端口和所述出故障的压力变换器。
7.根据权利要求5所述的方法，其中速率的所述检查包括在一个计算更新循环时间期 间所述测得表面压力超过所要临界值的情况下，检测并隔离所述被阻塞的压力端口和所述 出故障的压力变换器。
8.根据权利要求5所述的方法，其中通过检查非正常值与所述一个或一个以上结构化 组的攻角估计值的中值的离差来检测和隔离所述垂直子午线上的所述多个压力端口和所 述多个压力变换器中的所述故障。
9.根据权利要求5所述的方法，其中通过检查所述一个或一个以上结构化组的侧滑角 估计值的中值的绝对量值来检测和隔离所述水平子午线上的所述多个压力端口和所述多个压力变换器中的所述故障。
10.根据权利要求5所述的方法，其中从所述多个压力端口中的至少三个压力端口配 置所述一个或一个以上结构化组的攻角和侧滑角估计值。
11.根据权利要求5所述的方法，其中经由逻辑推理从计算中隔离所述被阻塞的压力 端口和所述出故障的压力变换器。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述检查非正常值与所述一个或一个以上结构 化组的攻角估计值的所述中值的离差进一步包括在以升序或降序布置所述攻角估计值之后，确定所述攻角估计值的所述中值； 通过找出位于距所述攻角估计值的所述中值最远处的所述攻角估计值来识别所述一 个或一个以上结构化组中的所述非正常值；确定所述非正常值与所述攻角估计值的所述中值之间的差；以及 在所述非正常值与所述中值之间的所述差大于所要临界值的情况下，将所述非正常值 中的所述多个压力端口表示为有故障端口 ；以及使用其余压力端口和所述有故障端口中的一者来形成第二结构化组的攻角估计值，并 隔离所述第二结构化组的非正常值中的所述压力端口。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述检查非正常值与所述一个或一个以上结构 化组的侧滑角估计值的所述中值的离差进一步包括在以升序或降序布置所述侧滑角估计值之后，确定所述侧滑角估计值的所述中值； 检查所述侧滑角估计值的所述所确定的中值的所述绝对量值是否小于所要临界值；以及在所述侧滑角估计值的所述所确定的中值的所述绝对量值大于所述所要临界值的情 况下，隔离所述一个或一个以上结构化组的侧滑角估计值所共同的所述压力端口。
14.根据权利要求13所述的方法，其中用所述多个压力端口所共同的所述水平子午线 上的至少一个压力端口和取自所述垂直子午线的所述结构化组中的其余端口来形成所述 一个或一个以上结构化组的侧滑角估计值。
全文摘要
本发明公开了一种用于检测和隔离压力感测系统的压力端口(2)和压力变换器(3)中的故障的系统和方法。该系统包括一组压力端口(2)，以十字架形式与空间飞行器的头锥罩(1)齐平。三个压力变换器(3)经气动导管(4)连接到每一压力端口(2)，测量来自压力端口(2)的表面压力。单独的电力供应单元(7、8、9)连接到三个压力变换器(3)，对每一压力端口(2)处的压力变换器(3)供电。处理单元(10)经配置获取来自压力变换器(3)的测得表面压力的电压输入。处理单元(10)执行一个或一个以上等级的故障检查，电压输入来检测和隔离压力变换器故障和压力端口(2)的阻塞。有可能增强FADS的压力估计的准确性和可靠性。
文档编号G01P13/02GK102066951SQ200980120614
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月17日 优先权日2009年4月21日
发明者加亚库马·马哈文皮赖, 哈瑞许·湘德南·苏达米尼, 夏玛·苏兰达拉·维尔, 斯瓦米纳森·苏布拉玛尼艾尔, 瑞米许·纳拉雅南, 西旺·凯拉萨瓦迪坞 申请人:印度太空研究组织