淺談波音787飛機機載氣象雷達系統(tǒng)顯示異常問題

夏飛 范翔宇 連鵬 滕國鋒 王東

摘要：機載氣象雷達系統(tǒng)作為波音787飛機重要導(dǎo)航系統(tǒng)之一，對飛行安全影響至關(guān)重要。當雷達系統(tǒng)出現(xiàn)顯示異常時，由于缺少關(guān)聯(lián)維護信息和手冊程序支持，導(dǎo)致后續(xù)故障隔離困難。本文結(jié)合廠家技術(shù)資料和歷史維護經(jīng)驗，對787雷達系統(tǒng)顯示異常問題進行歸納和分析，為日后相似維護工作提供參考和指引。

關(guān)鍵詞：波音787；氣象雷達；顯示異常；雷達校準

Keywords：B787；weather radar；abnormal display；radar calibration

1 引言

我司波音787機隊選裝的是柯林斯WXR-2100多重掃描氣象雷達系統(tǒng)。該氣象雷達系統(tǒng)具有左右兩套子系統(tǒng)，除共用發(fā)射天線外（共用驅(qū)動組件，驅(qū)動組件內(nèi)部具有獨立的雙通道），雙子系統(tǒng)相互獨立，互為備份。在一套系統(tǒng)發(fā)生故障后，會自動切換至備用系統(tǒng)。當787中央維護系統(tǒng)監(jiān)控到系統(tǒng)故障后，會在駕駛艙產(chǎn)生相應(yīng)的駕駛艙效應(yīng)，并生成相關(guān)聯(lián)的維護信息，用以指導(dǎo)地面維護和排故工作。

近期，飛行員反饋了多起氣象雷達系統(tǒng)顯示異常事件。此類事件中，當氣象雷達系統(tǒng)出現(xiàn)顯示異常時，787中央維護系統(tǒng)和AHM監(jiān)控系統(tǒng)并不會記錄到相關(guān)故障和維護信息。由于異常顯示通常無法在地面階段復(fù)現(xiàn)，加之AMM和FIM手冊缺少對應(yīng)的檢查程序和相關(guān)描述，就會導(dǎo)致地面維護工作難于開展。

結(jié)合我司787機隊維護經(jīng)驗，將常見的異常顯示分為四類：由自動校準程序引入的地形雜波；手動模式和自動模式顯示差異；預(yù)警氣象與觀測氣象不符；雙側(cè)系統(tǒng)顯示存在差異。本文將結(jié)合787機隊維護經(jīng)驗、波音手冊、柯林斯氣象雷達系統(tǒng)培訓(xùn)資料以及波音/柯林斯針對此類事件的答復(fù)內(nèi)容，對這四類異常顯示逐一進行討論，以期為日后 787機載氣象雷達系統(tǒng)維護工作提供有效的技術(shù)參考和理論支撐。

2 由自動校準程序引入的地形雜波

回顧我司787機隊維護歷史，在完成氣象雷達驅(qū)動組件更換后的首個航段，有一定概率出現(xiàn)顯示異?，F(xiàn)象（見圖1），在導(dǎo)航顯示范圍40nm外（通常為80nm處）出現(xiàn)大量干擾圖形。

2.1 自動校準程序簡介

為消除地面雜波對預(yù)警顯示的干擾，機載氣象雷達系統(tǒng)需要獲得天線波束的精確俯仰角度?？铝炙筗XR-2100多重掃描氣象雷達系統(tǒng)引入了自動校準程序，用以消除氣象雷達驅(qū)動組件和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的安裝誤差，以及消除飛機在空中結(jié)構(gòu)彎曲變化對零參考面的影響，實現(xiàn)高精度的波束俯仰控制，計算地面雜波的濾除。

自動校準程序執(zhí)行過程中，會在導(dǎo)航顯示范圍40nm外（通常為80nm處）顯示大量地形雜波，40nm內(nèi)系統(tǒng)預(yù)警功能正常。在系統(tǒng)自動校準完成后，地面雜波會被自動濾除，機組無須執(zhí)行任何操作。根據(jù)柯林斯廠家的描述，在系統(tǒng)校準過程中，如系統(tǒng)探測到真實預(yù)警氣象，會自動終止校準過程，濾除地面雜波，顯示預(yù)警氣象，但我司787機隊運行中還未觀測到類似事件。

氣象雷達驅(qū)動組件安裝誤差的修正參數(shù)（由自動校準功能提供）分別存儲在兩部ISSPU和驅(qū)動組件易失存儲器中，以ISSPU中存儲的數(shù)據(jù)為準。787機載氣象雷達系統(tǒng)有左右兩套子系統(tǒng)，兩套子系統(tǒng)相互獨立，需要分別完成各自的校準程序。

更換氣象雷達驅(qū)動組件或ISSPU后，并不一定會觸發(fā)自動校準程序。例如，新安裝組件的安裝誤差與上一個組件相似，系統(tǒng)監(jiān)控顯示參數(shù)未超過門限值，則不會觸發(fā)自動校準程序。自動校準程序也不是一次完成終身不變的，氣象雷達系統(tǒng)會在后臺持續(xù)監(jiān)控相關(guān)的顯示參數(shù)，對于長期穩(wěn)定工作的系統(tǒng)，如監(jiān)控顯示參數(shù)超限，也會再次觸發(fā)自動校準程序。

2.2 自動校準程序完成條件

根據(jù)波音廠家答復(fù)，完成氣象雷達系統(tǒng)自動校準程序需要滿足下列條件：處于陸地巡航階段；巡航高度大于17000ft；連續(xù)執(zhí)行264次凈掃描。凈掃描的定義為無氣象、無地形和無姿態(tài)變更。

在自動校準程序執(zhí)行的過程中，如果出現(xiàn)相關(guān)參數(shù)不滿足校準要求、人工切換系統(tǒng)、修改系統(tǒng)工作參數(shù)等情況，均會中斷自動校準程序。自動校準程序中斷后，系統(tǒng)會在下一次合適的時機再次自動開始執(zhí)行校準程序，直至程序校準完成。

787機載氣象雷達系統(tǒng)單次掃描需要4s，執(zhí)行264次掃描需要約18min。因自動校準程序完成條件較為苛刻，完成一次校準所需的時間從18min到幾小時或幾天均屬正?，F(xiàn)象。

2.3 處理建議

由自動校準程序引入的干擾圖形為地形雜波，與天線俯仰掃描角度關(guān)系密切。前期與波音廠家溝通過程中，波音建議將氣象雷達放置在地形模式下，通過對比地形模式顯示與異常顯示是否一致，判斷異常顯示是否為地形雜波。但日常運行中驗證發(fā)現(xiàn)該方法并不能達到滿意的效果（見圖2）。

結(jié)合機隊維護經(jīng)驗和廠家描述，地形雜波會穩(wěn)定顯示在60～80nm位置上。根據(jù)此特性，持續(xù)觀察異常顯示是否穩(wěn)定在固定的距離上而不隨飛機的移動而前移，是識別地形雜波最為有效的方式之一。

如果當前飛機無相關(guān)駕駛艙效應(yīng)和維護信息，異常顯示范圍相對固定，則基本可以判斷異常顯示為地形雜波，氣象雷達系統(tǒng)正在執(zhí)行自動校準程序，屬正常現(xiàn)象。在不影響適航安全的前提下，持續(xù)開啟需要校準的一側(cè)系統(tǒng)，使該側(cè)系統(tǒng)盡早完成校準程序。

2.4 案例

2021年5月16日我司一架787飛機執(zhí)行氣象雷達驅(qū)動組件更換工作。18日機組反饋左側(cè)氣象雷達系統(tǒng)全程工作正常，右側(cè)氣象雷達系統(tǒng)出現(xiàn)地形雜波，10余分鐘后右側(cè)系統(tǒng)自動恢復(fù)正常，后續(xù)監(jiān)控使用正常。

2021年6月5日，我司一架787飛機在執(zhí)行國內(nèi)航班后，機組反饋左側(cè)氣象雷達在80nm外顯示異常，出現(xiàn)大片氣象預(yù)警，右側(cè)氣象雷達顯示凈空無氣象。該機近1年內(nèi)無氣象雷達系統(tǒng)維護記錄，驅(qū)動組件、雙側(cè)ISSPU和RTM-R均為原出廠組件，已穩(wěn)定工作7000飛行小時，1300飛行循環(huán)，RTM-L已穩(wěn)定工作1400飛行小時，240飛行循環(huán)。結(jié)合機組反饋照片分析，判斷后臺系統(tǒng)監(jiān)控左側(cè)系統(tǒng)顯示參數(shù)超限，觸發(fā)了自動校準程序。相關(guān)異常顯示屬正?，F(xiàn)象，只需等待系統(tǒng)自行完成校準程序。

3 手動模式和自動模式顯示差異

在787機隊運行過程中，部分飛行員反饋機載氣象雷達系統(tǒng)在手動模式下和自動模式下的顯示存在一定差異（見圖3），對應(yīng)如何取信存在一定疑問。

787機載氣象雷達系統(tǒng)手動模式和自動模式的系統(tǒng)工作原理存在較大差異，此差異是導(dǎo)致顯示不一致的主要原因。

3.1手動模式

787機載氣象雷達系統(tǒng)手動模式下的工作原理與傳統(tǒng)氣象雷達一致，為單波束掃描，根據(jù)降雨反射率的高低在ND上生成相應(yīng)的預(yù)警圖形。

傳統(tǒng)氣象雷達系統(tǒng)對于氣象的探測存在諸多局限性，受限于雷達波的反射特性，無法探測含水量較低的氣象，如雪、霧、低含水量的云、干性湍流、閃電、干冰雹等（見圖4）。

3.2 自動模式下的掃描方式

787機載氣象雷達系統(tǒng)自動模式下屬于早期V1版本的多重掃描氣象雷達系統(tǒng)（MultiScan V1），區(qū)別于傳統(tǒng)的氣象雷達系統(tǒng)，該版本系統(tǒng)為雙波束掃描（見圖5），通過發(fā)射兩個不同俯仰角度的雷達波束，收集飛機前方的地面和氣象信息，并將信息存儲在臨時緩存中，經(jīng)相關(guān)補償參數(shù)的修正，最終呈現(xiàn)在顯示器上。

3.3自動模式下的基于溫度的自動補償

在氣象處于零溫度線以上時，受限于雷達波反射特性，隨著高度的升高，溫度下降，機載氣象雷達系統(tǒng)對氣象的探測能力會顯著下降（見圖6）。

為提高雷達系統(tǒng)對高空氣象的預(yù)警能力，增加雷雨的可視高度，在自動模式下引入了基于溫度的自動補償參數(shù)（Temperature Based Gain）。

3.4自動模式下的全球氣象模型數(shù)據(jù)庫補償

根據(jù)地域和季節(jié)的不同，雷雨的可探測頂部（濕頂）到實際頂部的高度具有相當大的差異。為提升機載氣象雷達系統(tǒng)對雷雨精確預(yù)警的能力，在自動模式下引入了全球氣象模型數(shù)據(jù)庫補償參數(shù)。

全球氣象模型數(shù)據(jù)庫根據(jù)大量的衛(wèi)星統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立了全球各個地域的氣象模型，其中包括區(qū)域雷雨的發(fā)展高度。雷達系統(tǒng)會據(jù)此判斷雷雨的實際威脅高度，以確定是否對飛機的實際飛行高度有威脅，從而只顯示對飛行航路有威脅的氣象。

3.5自動模式下的靜謐駕駛艙設(shè)計

為降低無威脅氣象對飛行員產(chǎn)生干擾，XWR-2100多重掃描氣象雷達系統(tǒng)引入了靜謐駕駛艙設(shè)計原則。遵循此原則，787機載氣象雷達系統(tǒng)在自動模式下會自動屏蔽處于飛機飛行高度6000ft以下的氣象。

3.6手動模式和自動模式差異

綜合以上設(shè)計差異，787機載氣象雷達系統(tǒng)工作在手動模式時的顯示單純?yōu)閷涤攴瓷渎实捏w現(xiàn)；而系統(tǒng)工作在自動模式時的顯示為降雨反射率、基于溫度的自動補償和全球氣象模型數(shù)據(jù)庫補償綜合計算的顯示。787機載氣象雷達系統(tǒng)手動模式和自動模式在掃描方式和成像原理上均有差異，因此最終展現(xiàn)在顯示器上的預(yù)警圖形也不盡相同，屬正?，F(xiàn)象。

3.7處理建議

通常情況下，手動模式和自動模式下的顯示差異是由系統(tǒng)設(shè)計差異導(dǎo)致的，而非真實的系統(tǒng)故障。結(jié)合機隊維護經(jīng)驗，在對比這類顯示差異時，有兩點需要額外注意。

1）787機載氣象雷達系統(tǒng)在自動模式下為雙波束掃描，呈現(xiàn)在顯示器上的掃描角度不是真實掃描角度。在與手動模式對比顯示差異時，自動模式下顯示的掃描角度不具有參考意義。

2）部分機組傾向于人為調(diào)大增益參數(shù)，從而獲得機組所認為應(yīng)該有的預(yù)警顯示。在手動模式下，增益的調(diào)整需要遵循機組操作手冊建議和實際使用需求，不應(yīng)一味地放大增益，使預(yù)警顯示偏離真實氣象（見圖7）。在自動模式下，系統(tǒng)已引入了相關(guān)的補償參數(shù)，正常顯示已具有較大增益。根據(jù)廠家描述，在自動模式下建議將增益放在基準位（CAL位），不建議再繼續(xù)人為放大增益。此外，在自動模式下，如果增益偏離了基準位，還會導(dǎo)致相關(guān)補償參數(shù)失效，降低系統(tǒng)的預(yù)警能力。

4 自動模式下預(yù)警圖形與機組實際觀測氣象不符

787機載氣象雷達系統(tǒng)在自動模式下的預(yù)警圖形與機組實際觀測到的氣象不符，這也是飛行員反映較多的問題之一。相關(guān)情形包括觀測無氣象有預(yù)警、觀測有氣象無預(yù)警、預(yù)警過重、預(yù)警過輕等。結(jié)合機隊歷史維護經(jīng)驗，大多數(shù)事件中，事后證明氣象雷達系統(tǒng)均工作正常。導(dǎo)致機組反饋預(yù)警與觀測不符的原因多為系統(tǒng)設(shè)計功能、雷達波反射特性、不適當?shù)膮?shù)設(shè)置等。

4.1 雷達波反射特性

受限于雷達波反射特性，787機載氣象雷達系統(tǒng)只能探測和預(yù)警具有一定含水量的氣象。當探測前方氣象的含水量較低時，系統(tǒng)不會給出預(yù)警提示。

4.2 靜謐駕駛艙設(shè)計

靜謐駕駛艙設(shè)計（Quiet Dark Cockpit）會自動過濾低空無干擾氣象，這也是導(dǎo)致機組反饋異常的原因之一。

4.3 基于溫度的自動補償

為提高機載氣象雷達系統(tǒng)對高空氣象的預(yù)警能力，引入了基于溫度的自動補償參數(shù)。在與廠家溝通的過程中獲悉，在飛機穿越零溫度線時，該補償參數(shù)會突然增大。突然增大的補償參數(shù)有可能使顯示屏上的預(yù)警圖形突然加劇或出現(xiàn)預(yù)警圖形。該類異常現(xiàn)象通常出現(xiàn)在爬升階段，飛行高度為11000ft至17000ft。

4.4不適當?shù)膮?shù)設(shè)置

機載氣象雷達系統(tǒng)在自動模式下可人工調(diào)整增益參數(shù)，在手動模式下可以調(diào)整掃描角度和增益參數(shù)。在自動模式下，由于系統(tǒng)已設(shè)計大量補償參數(shù)，廠家建議將增益放置于基準位。在手動模式下，受限于使用環(huán)境和所需觀測距離，相關(guān)參數(shù)調(diào)整范圍較大，沒有統(tǒng)一的標準。當雷達參數(shù)選取不適當時，可能導(dǎo)致過預(yù)警或預(yù)警較輕。

4.5 外部干擾

在接近敏感地區(qū)或軍事活動區(qū)域時，受地面大功率干擾設(shè)備影響，在顯示屏上會出現(xiàn)異常顯示（見圖8）。這類異常顯示通常會在飛離該類區(qū)域后自行消失，不屬于系統(tǒng)故障。需要注意的是，在日出或日落時，如雷達正對太陽掃描，也可能會出現(xiàn)類似顯示。

4.6處理建議

這類事件通常無故障記錄和維護信息，由特定的外部條件觸發(fā)，不會穩(wěn)定出現(xiàn)在每一個航段中。分析時需要充分收集異常出現(xiàn)時的外部條件，包括但不限于：飛行階段、高度、姿態(tài)，異常顯示和外部氣象照片，雷達的工作模式和設(shè)置參數(shù)，整個事件持續(xù)的時間等。

如對比異常顯示特征符合上述描述，相關(guān)異常在后續(xù)航段沒有再現(xiàn)，則無需進行額外的維護工作。

4.7 案例

2021年7月13日我司機組反映一架787飛機在爬升階段顯示出現(xiàn)異常，此時觀測前方無氣象。到達巡航高度后，異常顯示自行消失，后續(xù)監(jiān)控使用正常。

2020年5月18日我司另一架787飛機在起飛后，氣象雷達系統(tǒng)顯示約5mm寬洋紅色波束，當時飛行高度為11000ft。異常顯示持續(xù)5min后自行消失，后續(xù)監(jiān)控使用正常。

5 雙側(cè)氣象雷達系統(tǒng)顯示差異

787機載氣象雷達系統(tǒng)具有左右兩套子系統(tǒng)，兩套子系統(tǒng)相互獨立。飛機通電后，默認選擇左側(cè)系統(tǒng)。除人工切換或系統(tǒng)監(jiān)控到左側(cè)系統(tǒng)故障外，右側(cè)系統(tǒng)不會主動激活。在日常運行中，雙側(cè)氣象雷達系統(tǒng)顯示存在差異也是機組反饋較多的問題之一。

5.1 氣象雷達系統(tǒng)初始化

在787機載氣象雷達系統(tǒng)啟動或切換時，需要經(jīng)歷一段時間進行初始化后系統(tǒng)顯示才能趨于穩(wěn)定。在波音AMM手冊中對氣象雷達系統(tǒng)初始化所需時間的描述為6～9s，但在與柯林斯廠家溝通的過程中得知，系統(tǒng)切換后需要約2min才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，如飛機姿態(tài)有較大變化，達到穩(wěn)定的時間還會延長。

5.2 氣象雷達系統(tǒng)發(fā)射功率

在我司787機隊維護歷史中，曾懷疑因氣象雷達系統(tǒng)部件性能不同，雙側(cè)發(fā)射功率不一致，致使顯示出現(xiàn)差異。在后期與廠家代表溝通過程中，確認氣象雷達系統(tǒng)部件長期服役后，因部件老化問題，發(fā)射功率確實存在降低的可能性。但相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)部已有監(jiān)控邏輯，如發(fā)射功率低于監(jiān)控門限值，會在顯示屏上以“weak”字樣提示。在發(fā)射功率滿足監(jiān)控門限要求時，發(fā)射功率差異不會造成顯著的顯示差異。

5.3 處理建議

針對我司飛行員反饋的多起氣象雷達雙側(cè)顯示差異事件，通過與廠家溝通分析，認為多數(shù)事件屬于系統(tǒng)切換后未達到穩(wěn)定狀態(tài)，致使雙側(cè)顯示出現(xiàn)差異，后續(xù)監(jiān)控使用均正常。

在接報到類似異常事件后，要核實具體的飛行狀態(tài)以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后等待的時間等。若判斷系統(tǒng)可能處于未穩(wěn)定狀態(tài)，建議在巡航平飛后，再次對比雙側(cè)系統(tǒng)是否存在穩(wěn)定差異。如差異依舊存在，建議通過對串RTM和ISSPU的方式逐步隔離故障。

5.4 案例

2021年5月22日我司一架787飛機在爬升階段，機組將氣象雷達系統(tǒng)從左側(cè)切換至右側(cè)時，發(fā)現(xiàn)顯示出現(xiàn)異常，后切換回左側(cè)系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行航班（見圖9）。地面檢查無維護信息，系統(tǒng)測試正常。

結(jié)合圖中導(dǎo)航數(shù)據(jù)分析，兩張照片拍攝間隔不足1min。后與廠家溝通，廠方認為導(dǎo)致系統(tǒng)顯示出現(xiàn)差異的主要原因有兩點，一是系統(tǒng)切換后等待時間過短，未達到穩(wěn)定狀態(tài)，在系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)前存在顯示地形雜波的可能性；二是飛機處于爬升階段，穿越零溫度層后，基于溫度的補償參數(shù)突增，導(dǎo)致顯示差異擴大。

2021年5月26日我司另一架787飛機在進近階段，機組將氣象雷達系統(tǒng)從左側(cè)切換至右側(cè)，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)顯示存在一定差異。等待1min后差異未消失，機組判斷左側(cè)系統(tǒng)更接近真實氣象，隨即切換回左側(cè)系統(tǒng)執(zhí)行進近。地面檢查無維護信息，系統(tǒng)測試正常，后續(xù)監(jiān)控使用正常。后期與廠家溝通，廠方認為系統(tǒng)切換后等待時間過短，系統(tǒng)未進入穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)束語

787機載氣象雷達系統(tǒng)為機組提供氣象和風切變預(yù)警功能，是確保飛機適航安全的重要導(dǎo)航系統(tǒng)之一。在處理機載氣象雷達系統(tǒng)顯示異常事件時，因缺少維護信息和相關(guān)排故程序支持，地面維護工作開展困難。本文結(jié)合廠家技術(shù)資料和歷次故障溝通分析結(jié)果，對雷達系統(tǒng)顯示異常事件進行了分類和討論，可為日后處理類似事件提供參考和支持。

參考文獻

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