一种直升机噪声合格审定测量系统及方法与流程

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1.本发明属于试飞测试技术，涉及一种直升机噪声合格审定测量系统及方法。

背景技术：

2.在中国民用航空局的《航空器型号和适航合格审定噪声规定》(ccar-36部)中规定了直升机(此处泛指最大审定起飞重量大于3175公斤的初级类、正常类、运输类和限用类直升机)的起飞、飞越、进近噪声要求，其中，附件a中第a36.3条、附件h中b部分是对测量系统的要求，但未给出具体的测量系统构建方法。

技术实现要素：

3.本发明的目的是：为直升机噪声合格审定设计一种测量系统，能够完成对飞机噪声信号和空中位置的测量，以验证其与ccar-36部的符合性。
4.本发明的技术方案是：
5.本发明的优点是：
6.通过本发明得到的飞机飞行参数、发动机参数数值可与噪声数据实现gps时间同步，便于确定噪声测量时的飞行参数和发动机参数数值；得到的飞机和地面噪声测量站的gps位置数据，通过差分方式得到修正后的gps位置，由此确定飞机相对于地面噪声测量站的空中位置，包含高度和航向，由地面噪声测量子系统获得的飞机高度和航向的精度要高于机载测量子系统由飞机系统获得的飞行参数，更能反映飞机的真实空中位置。
附图说明
7.图1为直升机噪声合格审定测量系统架构图。
8.图2为地面噪声测量子系统示意图。
9.图3为传声器系统安装方向示意图。
10.图4为自研时间同步标记装置内部结构示意图。
11.图5为直升机基准航迹示意图。
12.图6为直升机实测航迹偏差允许区域(阴影区域)示意图。
具体实施方式
13.为了完成对直升机噪声合格审定中飞机噪声信号和空中位置的测量，设计了一种测量系统，该系统包含三个子系统，如图1所示，分别为：机载测量子系统1、地面噪声测量子系统2、地面差分gps子系统3。
14.(1)机载测量子系统1：就是安装在直升机上的测量子系统，目的是获取直升机的飞行参数(高度、速度等)、发动机参数(燃气涡轮转速、涡轮间温度等)、直升机的空中位置(gps系统中的位置)，因为民航规章对以上三类参数都有要求，所以都需要测量并记录，需要向民航局提供。其中，飞行参数和发动机参数需要使用一台数据采集记录器存储数据(时
间统一使用gps时间，由空中位置的gps系统中天线通过“一分二”方式获得，即gps天线分两条线，一根进入数据采集记录器、一根进入gps系统的接收机)，空中位置需要一套gps系统(包含一个接收机和一个天线，后续针对gps系统有简单介绍，请往后看)用于提供和存储gps时间和gps位置数据(主要是gps坐标下的经度、纬度、高度)。本发明中描述为x、y、z。一般gps系统可以提供两个功能，gps时间、gps位置，因此，一般gps系统组成也包含两部分，一部分是用于提供gps时间和gps位置的天线，一部分是存储gps时间和gps位置的接收机。大部分数据采集记录器都带有接收机功能，因此可仅配置gps天线(例如：地面测量子系统中三个测量站的数据采集记录器的gps时间仅通过gps天线实现，不需要gps接收机)。但单独使用的gps系统必须配备天线和接收机，两者缺一不可(例如：地面测量子系统三个测量站的gps位置需要使用一个天线和一个接收机，提供gps时间和位置的同时，还要记录数据)。实际使用中，技术人员一般不区分天线和接收机，两者一般同时使用，因此统一称为gps系统或gps接收机，型号也仅提接收机的型号(天线是必需品，一般不单独提型号)，本专利中因为在地面测量子系统出现了单独使用gps天线的情况，因为区分描述了gps系统、gps天线和gps接收机，型号也做了单独描述。
15.gps系统下空间上每个点都有唯一的三位坐标，即经度、纬度、高度，本专利中描述为x、y、z。一般gps系统可以提供两个功能，gps时间、gps位置，因此，一般gps系统组成也包含两部分，一部分是用于提供gps时间和gps位置的天线，一部分是存储gps时间和gps位置的接收机。大部分数据采集记录器都带有接收机功能，因此可仅配置gps天线(例如：地面测量子系统中三个测量站的数据采集记录器的gps时间仅通过gps天线实现，不需要gps接收机)。但单独使用的gps系统必须配备天线和接收机，两者缺一不可(例如：地面测量子系统三个测量站的gps位置需要使用一个天线和一个接收机，提供gps时间和位置的同时，还要记录数据)。实际使用中，技术人员一般不区分天线和接收机，两者一般同时使用，因此统一称为gps系统或gps接收机，型号也仅提接收机的型号(天线是必需品，一般不单独提型号)，本专利中因为在地面测量子系统出现了单独使用gps天线的情况，因为区分描述了gps系统、gps天线和gps接收机，型号也做了单独描述。
16.(2)地面噪声测量子系统2：就是安装在地面上的测量子系统，目的是获取地面测量到的噪声数值和三个噪声测量站的gps位置。因为民航规章中要求测量站需要有三个，且每个测量站均需要放置一套测量噪声的小系统(包含一个传声器、一个放大器、一个三脚架和一个数据采集记录器，传声器用于获取声信号并转化成电信号、放大器用于放大转换来的微小电信号、三脚架用于支撑传声器和放大器安装、数据采集记录器用于存储声信号转换来的电信号)，因此，一共需要三个传声器、三个放大器、三个三脚架和三个数据采集器。另外，三台数据采集记录器需要相互间做到时间同步、也需要与机载测量子系统中的时间同步，需要使用一根gps天线连接到其中一个数据采集记录器上，另两台数据采集记录器通过时间同步装置来实现时间同步(简单说，时间同步装置就是一个带有固定直流电压的断路器，通知占用三台数据采集记录器中每一台的一个测试通道，通过同时上电和下电的方式来标记时间段)。同时，还需要一套gps系统，分别放置于三个测量站的位置，用于获取三个测量站的gps位置数据；由于gps系统比较昂贵、且三个测量站的位置固定且在试验中不变化，所以可以使用一套gps系统分别放置在三个测量站的方式来获取位置，如果经费和设备都比较充足的话，可以选择在三个测量站都放一套gps系统，本专利出于实际试验中操作
方式和节约成本的方面考虑，只设计了一套gps系统，用于可移动，所以表述中称为可移动gps系统。
17.(3)地面差分gps子系统3：就是用于进行差分gps计算的(差分gps，也称dgps，必须要有一个，后面简要介绍，请往后看)。单台gps定位经度较低(具体原因可以百度)，但是如果两台gps配合使用，其中一台静止不动(一般称为gps)、另一台移动(一般称为gps移动站)，即使用gps的修正数据修正gps移动站的偏差，则可以大幅度提高定位精度(具体原因可以百度)。因此，需要设置一个gps(就是地面差分gps子系统)，这样一来，机载测量子系统中的gps坐标升级为dgps坐标，精度得到大幅提升。
18.机载测量子系统包含数据采集记录器一台、gps系统一套(含gps天线一个、gps接收机一台)。其中，数据采集记录器使用爱尔兰acra公司生产的kam-500数据采集记录器，gps系统使用加拿大novatel公司生产的l1天线和dl-v3接收机。用于记录飞机的飞行状态参数、发动机参数、gps时间、gps位置。
19.地面噪声测量子系统包含传声器系统三套(含传声器三个、放大器三个)、三脚架三个、数据采集记录器三台、自研时间同步标记装置一个、声级校准器一个、gps天线一个、可移动gps系统一套。其中，传声器系统使用丹麦gras公司生产的46be传声器和26cb放大器，三脚架用于固定传声器系统，数据采集记录器使用江苏东华测试技术股份有限公司生产的两台dh5902和一台dh5916，自研时间同步标记装置包含断路器一个、接线桩四个、9v电池一节、15厘米
×
15厘米
×
2厘米封装铁盒一个(含空心盒体一个、平板盒盖一个、m4螺栓四个)，声级校准器使用美国larson davis公司生产的cal200，gps天线使用加拿大novatel公司生产的l1天线，gps系统使用加拿大novatel公司生产的l1天线和dl-v3接收机。用于记录传声器系统校准数据、飞机噪声信号、gps时间、每个地面噪声测量站gps位置。时间同步指三台数据采集记录器记录的噪声数据时间段的起始时间和结束时间是相同的，记录模式为电压记录，当断路器接通时，在三台采集记录器上分别采集到9v电压量；最初断路器为断开状态，当初断路器为断开状态，当需要标记时间段时，保持断路器接通，保持9v电压数据记录，标记结束后，断路器断开，则有9v电压数据的时间段为所需时间段，确定时间段的起始时间和结束时间，进而截取其他通道在此时间段的数据。
20.与三个地面噪声测量站的数据采集记录器使用电缆连接；接通断路器，开始标记数据段；断开断路器，结束标记数据段。
21.地面差分gps子系统包含gps系统一套(含gps天线一个、gps接收机一台)。其中，gps系统使用加拿大novatel公司生产的l1天线和dl-v3接收机。用于向机载测量子系统和地面噪声测量子系统提供已知精确的gps三维坐标，差分处理后修正飞机和地面噪声测量站的位置、提高定位精度。
22.1、机载测量子系统的实施方式：
23.飞行参数、发动机参数的采集通过机上抽引总线信号的方式，直接由数据采集记录器(kam-500)获取和存储机上信号，数据与机上信号相同，数据采集记录器安装于机舱内单独设计加装的专用固定式设备架上。gps系统包含gps天线(l1)和gps接收机(dl-v3)两部分，gps天线通过延长电缆延伸安装于飞机驾驶舱挡风玻璃前单独设计加装的专用支架上以加强gps卫星信号搜索能力，gps接收机安装于机舱内单独设计加装的专用固定式设备架上。kam-500和gps系统由机上电源供电。
24.2、地面噪声测量子系统的实施方式：
25.图2示意了地面噪声测量子系统的基本构成。
26.地面噪声测量站的布置：地面噪声测量站数量为三个，包含飞行轨迹测量站一个、边线测量站两个。其中，飞行轨迹测量站a位于飞机基准航迹的地面投影上，两个边线测量站s1、s2分别布置于飞行轨迹测量站的左右两侧且两者连线垂直于飞机基准航迹的地面投影，与飞行轨迹测量站的距离为150米。
27.图3示意了传声器系统的安装方向。
28.传声器系统和数据采集器(含gps天线)的安装：传声器系统(含46be传声器和26cb放大器)安装于三脚架，数据采集记录器和三脚架固定放置于三个地面噪声测量站(附图2中的点a、s1、s2)。其中，飞行轨迹测量站布置dh5916、边线测量站布置dh5902，gps天线使用电缆连接于飞行轨迹测量站的数据采集记录器(dh5916)，传声器系统与数据采集记录器使用电缆连接。传声器系统和三脚架整体布置完毕后，传声器系统安装方向如图3所示，传声器敏感元件与飞机噪声的声入射方向在同一平面内(声入射角为90度，即切向入射)，安装高度为距离地面1.2米。
29.图4示意了自研时间同步标记装置的内部结构。
30.时间同步的实现：飞行轨迹测量站利用gps时间与其他系统实现时间同步，飞行轨迹测量站和边线测量站之间使用时间同步标记装置实现同步标记、标记对应的时间与飞行轨迹测量站标记点对应的gps时间一致。时间同步装置布置于飞行轨迹测量站，与三个地面噪声测量站的数据采集记录器(dh5916、dh5902)使用电缆连接。接通断路器，开始标记数据段；断开断路器，结束标记数据段。
31.传声器系统的现场校准：每次试验的前后，立即使用声校准器在现场做有记录的声学标准，以检查系统灵敏度和给声级数据分析提供声学基准级。
32.3、地面差分gps子系统的实施方式：
33.gps系统(含gps天线l1和gps接收机dl-v3)安装位置周围视野需开阔、无明显建筑物或植物遮挡，以提高gps天线的卫星搜索能力。gps系统需要至少在试验前24小时完成固定和调试，且在试验过程中不可移动，以提高标准定位数据的精度。供电方式视情选择锂电池或220v交流电。
34.4、利用dgps(差分gps)计算相对于各噪声测量站的飞机空中位置的方法：
35.图5示意了直升机噪声合格审定基准航迹。
36.图6示意了直升机噪声合格审定实测航迹偏差允许区域。
37.地面的gps坐标获取方法：试验前24小时，将地面差分gps子系统中的gps系统放置于选定位置。试验时，将gps系统通电并开机，记录gps坐标数据，获取到地面的gps坐标。
38.三个地面噪声测量站的gps坐标获取方法：试验前，将地面噪声测量子系统中的可移动gps系统分别放置于每个噪声测量站，通电并开机，每个噪声测量站记录gps数据1分钟以上，获取到各噪声测量站的gps坐标。将各噪声测量站gps数据与gps数据进行差分处理，得到各噪声测量站的dgps坐标，分别记为dgpsa(xa、ya、za)、dgpss1(xs1、ys1、zs1)、dgpss2(xs2、ys2、zs2)。其中，x、y、z分别为经度、纬度、高度。
39.直升机在实测航迹上任意一点空中位置的gps坐标获取方法：试验时，将gps系统
通电并开机，获得该空中位置的gps坐标，将该gps数据与gps数据进行差分处理，得到该空中位置的dgps坐标，记为dgpsk(xk、yk、zk)。其中，x、y、z分别为经度、纬度、高度。
40.实测航迹上任意一点相对于各噪声测量站的飞机空中位置的计算和判断方法：
41.(1)已知：
42.飞行轨迹测量站a的dgpa坐标为(xa、ya、za)；
43.边线测量站s1的dgpss1坐标为(xs1、ys1、zs1)；
44.边线测量站s2的dgpss2坐标为(xs2、ys2、zs2)；
45.任意一点飞机空中位置的dgpk坐标为(xk、yk、zk)。
46.(2)计算：
47.依据附图5，代入将各噪声测量站的dgps坐标，计算得到飞机基准航迹。
48.依据附图6，在飞机基准航迹基础上，计算得到飞机实测航迹偏差允许区域。
49.(3)绘图：
50.将(2)中计算得到的飞机实测航迹偏差允许区域，使用matlab等制图软件绘制成三维立体图。
51.(4)判断：
52.将任意一点飞机空中位置的dgps坐标代入(3)中的三维立体图。若该点位于三维立体图内部，则表明该点符合ccar-36部中对于实测航迹偏差允许范围的要求；若该点位于三维立体图外部，则表明该点不符合ccar-36部中对于实测航迹偏差允许范围的要求。
53.5、ac352直升机噪声合格审定试验实施实例：
54.在ac352直升机噪声合格审定试验中，利用本测量系统完成了三个地面噪声测量站的飞机起飞、飞越和进近噪声信号的测量和处理，完成了实测航迹的测量和计算，通过获取的噪声数据和实测航迹上任意一点的空中位置数据，表明了其与ccar-36部的符合性，验证了实测航迹上任意一点飞机空中位置的计算结果均符合ccar-36部实测航迹偏差允许范围的规定、三个地面噪声测量站噪声数据的处理结果符合ccar-36部噪声限值的规定。
55.工作流程描述：
56.(a)试验前准备：
57.(1)分别在三个地面测量站处，安装传声器、放大器、三脚架、数据采集记录器；
58.(2)在其中一个地面测量站的数据采集记录器上，安装gps天线；
59.(3)在其中一个地面测量站处，安装时间同步装置，并使用电缆连接至三个地面测量站的数据采集记录器上；
60.(4)在一个开阔、无遮挡(保证gps搜星信号强度)处，安装“地面差分gps子系统”，需提前24小时安装，以保证精度；
61.(5)在直升机上安装“机载测量子系统”。
62.(b)试验时流程：
63.(1)打开“地面差分gps子系统”；
64.(2)进行传声器现场校准；
65.(3)将“地面噪声测量子系统”中的“可移动gps系统”分别放置于三个地面测量站，分别记录数据几分钟；
66.(4)打开三个地面测量站的数据采集记录器，开始记录数据；
67.(5)直升机按照规定三个阶段进行飞行(机载测量子系统工作)，分别在每个阶段的开始和结束时，接通和断开时间同步装置，标记时间段；
68.(6)飞行结束后，关闭“地面差分gps子系统”、三个地面测量站的数据采集记录器。
69.(c)试验后数据处理：
70.(1)数据处理方法为：噪声数据按照民航规章要求处理，航迹数据使用差分gps法(dgps法)的方式处理；
71.(2)将噪声数据和航迹数据与民航规章中的限制值比较，如果符合要求，则数据合格；如果不符合，则调整飞机后重新试验。

技术特征：

1.一种直升机噪声合格审定测量系统，其特征在于，包括：机载测量子系统、噪声测量子系统、地面差分gps子系统；其中，噪声测量子系统包括三个地面噪声测量站，即一个飞行轨迹测量站、两个边线测量站；机载测量子系统为安装在直升机上的测量子系统，用于获取直升机的飞行参数、发动机参数、直升机的空中位置；飞行参数和发动机参数需要使用一台数据采集记录器存储数据，空中位置需要一套gps系统用于提供和存储gps时间和gps位置数据；地面噪声测量子系统为安装在地面上的测量子系统，用于获取地面测量到的噪声数值和三个噪声测量站的gps位置；地面差分gps子系统用于进行差分gps计算的。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，飞行轨迹测量站a位于飞机基准航迹的地面投影上，两个边线测量站s1、s2分别布置于飞行轨迹测量站的左右两侧且两者连线垂直于飞机基准航迹的地面投影，与飞行轨迹测量站的距离为150米。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，飞行轨迹测量站利用gps时间与其他系统实现时间同步；飞行轨迹测量站和边线测量站之间使用时间同步标记装置实现同步标记、标记对应的时间与飞行轨迹测量站标记点对应的gps时间一致。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，每个噪声测量子系统包括：传声器系统、三脚架、数据采集记录器、一个gps天线；其中，传声器系统安装于三脚架，数据采集记录器和三脚架固定放置于三个地面噪声测量站点；gps天线使用电缆连接于飞行轨迹测量站的数据采集记录器，传声器系统与数据采集记录器使用电缆连接。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，传声器系统安装方向朝向飞机噪声的位置，传声器敏感元件与飞机噪声的声入射方向在同一平面内，安装高度为距离地面1.2米。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，飞行轨迹测量站还包括：时间同步标记装置，用于将三台数据采集记录器的时间同步；时间同步指三台数据采集记录器记录的噪声数据时间段的起始时间和结束时间是相同的，记录模式为电压记录，当断路器接通时，在三台采集记录器上分别采集到9v电压量；最初断路器为断开状态，当初断路器为断开状态，当需要标记时间段时，保持断路器接通，保持9v电压数据记录，标记结束后，断路器断开，则有9v电压数据的时间段为所需时间段，确定时间段的起始时间和结束时间，进而截取其他通道在此时间段的数据。与三个地面噪声测量站的数据采集记录器使用电缆连接；接通断路器，开始标记数据段；断开断路器，结束标记数据段。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，时间同步标记装置包括：断路器、接线桩、电池、封装铁盒；其中，电源与断路器、接线桩串联后，与数据采集记录器并联，断路器、接线桩和电池封装在封装铁盒内。8.一种直升机噪声合格审定测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的系统，所述方法包括：
(a)试验时流程：(1)打开“地面差分gps子系统”；(2)将“地面噪声测量子系统”中的“可移动gps系统”分别放置于三个地面测量站，分别记录数据几分钟；(3)打开三个地面测量站的数据采集记录器，开始记录数据；(4)直升机按照规定三个阶段进行飞行，相应的机载测量子系统工作，分别在每个阶段的开始和结束时，接通和断开时间同步装置，标记时间段；(5)飞行结束后，关闭“地面差分gps子系统”、三个地面测量站的数据采集记录器；(b)试验后数据处理：(1)数据处理方法为：噪声数据按照民航规章要求处理，航迹数据使用差分gps法的方式处理；(2)将噪声数据和航迹数据与民航规章中的限制值比较，如果符合要求，则数据合格；如果不符合，则调整飞机后重新试验。

技术总结

本发明属于试飞测试技术，涉及一种直升机噪声合格审定测量系统及方法。该系统包括：机载测量子系统、噪声测量子系统、地面差分GPS子系统；其中，噪声测量子系统包括三个地面噪声测量站，即一个飞行轨迹测量站、两个边线测量站；机载测量子系统为安装在直升机上的测量子系统，用于获取直升机的飞行参数、发动机参数、直升机的空中位置；飞行参数和发动机参数需要使用一台数据采集记录器存储数据，空中位置需要一套GPS系统用于提供和存储GPS时间和GPS位置数据；地面噪声测量子系统为安装在地面上的测量子系统，用于获取地面测量到的噪声数值和三个噪声测量站的GPS位置；地面差分GPS子系统用于进行差分GPS计算的。GPS子系统用于进行差分GPS计算的。GPS子系统用于进行差分GPS计算的。