[发明专利]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

说明书

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(FADS)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2432914A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