Page 127 - 航空电子传感器技术的研究与应用

Research and Application of Avionics Sensor Technology
航空电子传感器技术的研究与应用

对于民用飞机来说，关键传感器故障的诊断需要同时考虑安全性和经济性两
方面。一方面，民用飞机的设计和运行首先要满足安全性和适航性要求。以运输
类飞机为例，从 CCAR25.1309 条款规定可以看出，对于执行关键功能的飞控系

统传感器来说，必须尽可能地降低各类故障对操纵的影响，将单一传感器的失效
概率降为极不可能，满足航空器“失效—安全”的设计理念。这就要求系统具备
一定的故障诊断和容错能力，及时发现和处理故障，确保反馈飞机状态信号的正
确性，保证飞机的飞行安全。另一方面，轻量化是未来民航用航空器发展的重要

方向之一，是主流民用飞机厂商的重点研制生产目标。轻量化设计不仅可以从经
济上为航空公司节省成本、扩大收益，而且是实现绿色环保、降低污染物排放的
重要途径。从设计角度考虑，除了对飞机结构和材料有着更高的要求以外，机载
设备的配置和使用也要同时兼顾安全性和实用性。对于一般的冗余方法来说，双

余度可以检测到故障的产生，但难以判断具体的故障信息；三余度和四余度技术
可以定位故障传感器位置，但经济成本和设计代价较大，对于多故障同时发生的
状况也较难诊断。由此可以看出，现有飞机的关键传感器硬件余度方法可以满足
CCAR25.1309 条款要求，但多余度的设计也给重量和成本带来一定的负担。可

见发展非硬件冗余方式具有一定的潜力。
（二）基于模型方法研究现状
基于模型方法具有简单实用、物理概念性强等优点，工业界和学术界都在探
索利用“软”余度来替代传统的物理硬件余度，在满足航空器的安全性要求的同

时，提升飞机经济性。现有型号中，空客 A380 和 A350 利用基于模型方法诊断
飞控作动器中的非指令信号故障，并通过局方适航审定。国内外学者围绕基于模
型方法对传感器故障诊断开展了广泛的研究，典型的算法有 Kalman 滤波器（KF）、
未知输入观测器、滑模变结构方法、LPV 滤波器、鲁棒控制等。

学者们利用滤波与估计的方式来预测系统状态，诊断传感器中出现的故障。
KIYAK 设计了未知输入观测器，利用产生的残差探测和隔离故障，并应用于大
型客机的作动器和传感器故障检测；DELOZA 等建立了高阶滑模微分器对状态
进行预测，诊断波音 747 迎角传感器出现的故障，并且算法在 Simona 模拟器上

得到了验证；OSSMANN 等设计了基于 LPV 故障探测滤波器，用于诊断飞机迎
角传感器出现的漂移、噪声和振荡等故障，仿真结果表明所设计的系统具有鲁棒
性；ALWI 等也在鲁棒 LPV 方法的基础上，设计了滑模观测器来抑制模型不确

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