飞行控制系统BIT 虚警问题分析研究

飞行控系虚警问分析研摘要:飞控系统是飞机的关键核心系统中BIT分系统中存在较高的虚警率是制约其快速发展影响其有效使用的关键问题之一有效降低Bπ虚警率的研究是BIT研究中的主要内容之一。总结归纳了飞控系统IT各种虚警的原因。按照IT硬/软件设计工环境因素等几个方面提出了一个较为系统和完整的BIT虚警解决方案。对提升飞控系BIT的性能，推进BIT入、广泛、有效的应用具有十分重要意义。由于现代军/民用航空飞行控制系统复杂化程度不断扩大，使得检测和维修难度增大，测试时间变长、维修保障费用增加。为解决这些问题，飞控系统广泛采用机内测试(built-intest，简称BIT)技术，以便对其内部故障进行自动检测、诊断和隔离。BIT是指系统或设备自身为故障检测、隔离或诊断提供的自动测试能力。飞控系统具有的BIT能力可以保证系统以最短停飞维护时间做好飞行前准备。BIT技术从20世纪70年代末开始应用于国外航空领域和武器装备系统中在提高系统测试性维修性和保障性方面发挥了重要作用但同时也暴露出一些问题，较高的虚警在其中尤为突出。虚警是指设备的IT系统或其他监控系统指示有故障而实际上不存在故障的情况直接导致了飞控系统可用性降低和全寿命周期费用提高使得使用及维修人员对BIT逐步丧失信心直接影响了BIT的应用与推广严重制约了BIT技术更深入广泛的应用如何有效抑制和降低虚警已经成为目前BIT技术的一个重点和难点问题。飞控统BIT结构飞控系统BIT的基本结构可分为两级第1级是对飞控计算机的检测因为飞控计算机是整个飞行控制系统的核心部件，同时IT的软件、激励信号、采集等功能都是由飞控计算机产生和控制的；第级是对飞行控制系统的各传感器、伺服作动系统、离散量等进行检测。飞控系统IT总体结构见图1。飞控系统BIT件设计及检测原理见图2。

飞控统BIT虚警分GJB3385-98定义虚警为：机内测试(BIT)或其他监测电路指示有故障而实际上不存在故障的现象按照美军对BIT的试验统计BIT虚警可以分为两类①检测对象A有故障BIT指示检测对象B有故障，即所谓“错报”，类虚警；②检测对象无故障，BIT报警，即所谓的“假报”，为Ⅱ类虚警。BIT虚警参数反映系统BIT虚警的指标通常用虚警率(FAR)表示警率发生的虚警数与

同一时间内的故障指示总数之比。的数学表达式可用式(1)来表示。式中，NFA为测试中的虚警次数;NF为真实故障指示次数;NFA故障指示总次数。用于电子及机电产品FAR的分析及预计模型可用式(2)来表示。式中

表示第i个导致虚警的事件的频率中包括导致虚警的IT故障的故障率和瞬态事件的频率；事件总数。

表示被检测出的所有故障模式的故障率之和；代表导致虚警的通常飞控系统设计规范中都会对BIT虚警率有定量的要求，例如:虚警率≤1%。BIT虚警原因根据大量试验数据分析及系统工程经验，造成飞控系统IT虚警主要有4个主要原因:系统设计、信号采集通道中的噪声污染、计过程中门限值(或测试容差)选择不当和故障诊断算法选择不合适。BIT设计人员为简化设计常需要作一些假设由于难以完全掌握BIT工作环境和实际工作特性对BIT的影响，使得这些假设不一定是完全符合实际情况，导致BIT在实际工作中出现虚警。传感器采集通道中的噪声污染使得采集的数据不能反映系统的真实状态。门限值(或测试容差)主要指被测参数的最大允许偏差量果测量值超出此值，说明发生了故障。BIT门限值选择不当，包括两种情况。①门限值大小不合理:门限值太宽，难以有效检测到故障；门限值太严，易导致虚警；若飞行门限值与地面维修及中间级(中继级基地级)维修时门限值不协调易导致不能复现(CND)和重测合格(RTOK)现象。②门限值固:在恶劣环境因素(离温、高

湿、频繁气压变化)、液压源波动、震动冲击、不适当激励和干系统潜在通路、强电磁干扰、电源被动等)下导致其适应性、鲁棒性差，易发生虚警。常规BIT故障诊断算法往往是采取基于硬件/软件实现的固定阈值瞬态判决算法，该算法在系统产生间歇故障或瞬态故障时容易出现虚警。另外当IT软件故障诊断算法简单、粗糙时，进行IT信号处理、故障诊断和维修决策等也易导致BIT虚警。除此之外BIT虚警率的高低利BIT工作的可靠性高低也有很大关系BIT自身工作可靠性的高低主要体现在以下两个方面(1)BIT自身发生故障(如软故障、硬故障、瞬态故障、间歇故障)。例如：BIT组成单元降级，结果将导致报告被测系统中出现故障；中故障判定或指示报警部分发生故障，也会导致被测系统元故障但IT发生报警现象(II类虚警)。(2)BIT在非设计的条件下运行例如:当Bπ在实际工作条件下所受环境应力与设计时所预计的不同时，BIT工作特性与原计划相比发生变化使原设计的BIT特性(如门限值)出现虚警区和未检测区。BIT虚警影响根据美国空军试验和评价中心对F-15A，F-16A和F/A-18A的BIT统计分析，这些飞机的BIT诊断能力仅有50%-70%，而个别航空电子设备的虚警率高达85%美国海军海上系统司令部的研究表明从飞机拆下的外场可更换单元大约有70%是再测试完好的。BIT的虚警问题会在从飞行任务到后勤保障维护等多个方面造成严重后果。影响产品/部件可用度:错误的BIT指示使得产品/部件功能得不到正常有般地利用并且会因而影响飞行任务造成无效维修错误的BIT指示使得好的可更换单元被拆卸和维修，造成人力、时间和费用的浪费。影响维修备件供应错误的BIT指示使得设备可更换单元的备件数目难以有效地确定，可能造成备件液费或贻误战机。失去使用、维修人员信任对使用者而言，可能因此造成严重后果；对维修人员而言，可能放弃使用BIT手段进行维修活动，造成效率低下。

飞控系统BIT常见虚警在飞控系统台架综合和外场机上地面试验以及飞行试飞的过程中，工程技术人员经常会发现一些常见的π虚警，例如①飞行前BIT报飞控系统一次电源28Vl、28V2故障。很可能是因为发动机未开车，飞控系统只由飞机上蓄电瓶供电。②飞行前BIT报1553B总线通信故障。很可能是因为与飞控计算机进行数据通信的航电系统未上电或启动时间设置不合理。③飞行中Bπ报某舵机的机械液压监控器故障。有些情况下是机上液压披动和故障监控时间设置不合理。④飞行前BIT报角速率陀螺电机转速故障。有些情况下是因为电机转速输出披形和该信号的滤波、计数方式不匹配。⑤驾驶员指令传感器不在要求的物理零位和飞行员或地勤人员在BIT运行过程中的误操作，也会影响BIT的正确结果。3BIT虚警解决方案3.1硬件措施从BIT硬件的设计方面采取措施来降低飞控系统π虚警的方法主要有以下5种:①合理地确定监控容差和延时;针对Bπ信号获取中的干扰引起的虚警，分析采集信号的特性，采用必要的硬件滤波措施，消除干扰对π决策的影响;③确认BIT装置自身的可靠性和逻辑的严密性④对分布式的飞控系统体系结构进行对应的分布式测试设计，最终由飞控计算机进行信息综合处理;⑤提高设备元器件的可靠性、完善生产工艺、改善硬件原材料和提高装配质量等。3.2软件措施从Bπ软件设计的角度采取措施来降低飞控系统Bπ虚警的方法主要有以下7个方面:①根据部件的重要性和故障危害度等综合因素，合理设置判故门限，以取得Bπ故障检测率和虚警率的合理折衷②针对瞬变状态引起的虚警，检测到的故障信息不要马上报警，延时一段时间，连续检测确认该信息元误后再报警③采用数字滤波和卡尔曼滤波技术，可以有效消除干扰噪声对实际信号的影响;④分析环境应力因素，采用变门限方法⑤考虑部分传感器的初始值对其他测试部分的影响⑥多余度信息的数据融合;⑦在BIT故障诊断算法中引人诸如专家系统、自适应和神经网络技术等智能理论和方法。应用BIT软件解决虚警问题具有灵活性、升级容易、便于智能化处理等优点，所以说采用软件改善π的诊断算法来降低BIT虚警是一种比较高效、实用的方法。3.3人工及环境措施人的因素在BIT虚警中也占有重要的位置，现在兴起的人素工程，重点就是研究人在系统正常运转和维护中的地位和作

用。环境影响问题无处不在，是每个系统工程中都要客观面对的问题。飞控系统所处的恶劣环境高温、高湿、电磁辐射、振动冲击，这些因素不仅影响被测对象，同时也影响IT模块本身。提高地勤维护人员的个人综合素质、加强工程管理手段、严格遵守BIT操作规程、降低或有效隔离环境应力、改善保养存储条件，也可对Bπ虚警起到一定的控制作用。3.4系统试验综合验证由于飞控系统是整个飞机的关键控制系统，系统结构复杂、关联部件众多。各部件都能正常工作是保证飞控系统正常良好运行的基础。所以以飞控计算机为核心的IT系统不仅需要确认自身是否功能、性能正常，还需要对所有的部件进行检测、监控。在飞控系统的设计之初就必须对系统、部件及重要功能模块进行固有测试性分析，保证BIT的有效性。系统试验综合是以工程试验的方式鉴定BIT设计思想与设计方案的正确性，提示系统BIT硬件完善与软件优化的方法与途径。通过各种地面试验和长期飞行试验的使用结果，发现IT存在的问题，分析原因并采取改进措施进行优化是减少虚警提高BIT有效性的重要途径系统试验综合是Bη系统在系统设计、工程实践过程中不可缺少的科研环节，为整系统在生产交付后减少由于设计人员设计不当造成的虚警打下了坚实的验证基础，也为今后分析系统的虚警特性有一定的帮助。一般情况下BIT系统试验包括:Bπ逻辑验证、各Bη检测特征值的静/动态测试、检测阔值的确定、检测使能与