李視陽(yáng)，何 方，趙春玲，肖 剛

(1.上海交通大學(xué) 自動(dòng)化系，上海200240;2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 航電部，上海201210;3.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海200240)

可控飛行撞地(Controlled Flight into Terrain，CFIT)事故目前是威脅航空安全的主要因素。根據(jù)飛行安全基金會(huì)(Flight Safety Foundation，F(xiàn)SF)的民用飛機(jī)事故報(bào)告，因CFIT而死亡的人數(shù)，約占民用航空運(yùn)輸重大事故死亡人數(shù)的80%。

20世紀(jì)70年代，通過(guò)對(duì)CFIT事故進(jìn)行了大量研究，美國(guó)首先推出了適用于民用航空領(lǐng)域的近地告警系統(tǒng)(Ground Proximity Warning System，GPWS)［1］。

GPWS在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，但CFIT仍是導(dǎo)致民用飛機(jī)發(fā)生事故的主要原因。

GPWS的不足迫使航空界對(duì)傳統(tǒng)的近地告警系統(tǒng)加以改善，Honeywell公司于1998年推出了增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)(Enhanced Ground Proximity Warning System，EGPWS)，主要增加了前視地形警戒和地形顯示兩大功能。此系統(tǒng)還大幅提高了系統(tǒng)提前報(bào)警的時(shí)間，給飛行員以更多的反應(yīng)裕度，可以在更大程度上避免CFIT事故的發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界已安裝EGPWS設(shè)備的飛機(jī)尚未發(fā)生過(guò)CFIT事故。

國(guó)外對(duì)于TAWS的研究和應(yīng)用均較為成熟。美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)為TAWS制定了相應(yīng)的規(guī)范，如RTCA/DO－161A、TSOC92c和TSO－C151b，以Honeywell公司為代表，該公司開(kāi)發(fā)了8大系列30多個(gè)品種規(guī)格的產(chǎn)品，其EGPWS產(chǎn)品基本壟斷了TAWS產(chǎn)品領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究仍處于起步階段。目前，以對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的模仿為主，缺乏深入系統(tǒng)的研究;且沒(méi)有國(guó)產(chǎn)的TAWS產(chǎn)品，對(duì)于如何通過(guò)復(fù)雜嚴(yán)格的適航認(rèn)證方面，更是處于摸索階段［2］。

2008年，中國(guó)大型客機(jī)研制工作的啟動(dòng)顯示出為我國(guó)研制具有自主品牌大飛機(jī)的決心。對(duì)近地告警系統(tǒng)進(jìn)行原理研究和仿真驗(yàn)證，可幫助打造出國(guó)內(nèi)有自身核心技術(shù)的近地告警系統(tǒng)產(chǎn)品，以提高我國(guó)的航空技術(shù)。

1 地形感知和告警系統(tǒng)

TAWS的首要目標(biāo)是避免CFIT事故的發(fā)生，TAWS接收經(jīng)緯度坐標(biāo)、飛行高度、姿態(tài)、航向和航速等參數(shù)作為輸入，應(yīng)用相應(yīng)的告警算法進(jìn)行處理，對(duì)于進(jìn)入告警包線的狀態(tài)，會(huì)為飛行員提供語(yǔ)音和視覺(jué)的告警信息，以及地形畫面顯示，提醒飛行員進(jìn)行必要的操作，離開(kāi)危險(xiǎn)狀態(tài)，保障飛行安全［3］。

1.1 增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)

圖1為Honeywell公司的EGPWS產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖［4］。

圖1 EGPWS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，地形提示和告警系統(tǒng)接收由飛機(jī)傳感器或其他系統(tǒng)提供輸入的參數(shù)，傳遞給增強(qiáng)型近地警告計(jì)算機(jī)(EGPWC)，而EGPWC結(jié)合輸入?yún)?shù)以及地形和機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)內(nèi)置的告警算法進(jìn)行各個(gè)告警功能判斷，將告警信息輸出到對(duì)應(yīng)的駕駛艙揚(yáng)聲器和警示燈，將前視地形圖像輸出到導(dǎo)航顯示器進(jìn)行顯示。

1.2 地形感知和告警系統(tǒng)仿真器架構(gòu)

文獻(xiàn)［6］提出了EGPWS的仿真器設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了其功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計(jì)［5］。文獻(xiàn)［6］和Honeywell公司的EGPWS產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，TAWS仿真器軟件框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 TAWS仿真器軟件結(jié)構(gòu)圖

TAWS仿真器軟件包含以下模塊:通信接口程序、地形和機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、GPWS告警算法、前視地形告警算法、前視地形和垂直剖面地形顯示、音視頻告警信息顯示、輸入輸出數(shù)據(jù)顯示以及告警和故障信息日志記錄。

2 地形感知和告警系統(tǒng)仿真器設(shè)計(jì)

2.1 通信接口模塊

TAWS仿真器通信接口部分使用UDP數(shù)據(jù)包方式與綜合監(jiān)視系統(tǒng)(Integrated Surveillance System，ISS)仿真器主控端通信。ISS主機(jī)按照接口控制文件(Interface Control Document，ICD)發(fā)送基于ARINC 429［6］編碼的各項(xiàng)參數(shù)［7］，輸入接口程序?qū)⑵溥M(jìn)行解碼，并傳送給TAWS其他模塊。同樣，輸出接口程序?qū)AWS告警模塊輸出的告警數(shù)據(jù)按照ARINC 429格式進(jìn)行編碼，并發(fā)送給ISS主機(jī)。

2.2 地形和機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)

地形數(shù)據(jù)選用由美國(guó)發(fā)射的“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)上搭載的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)系統(tǒng)采集和處理得到的數(shù)字地形高程模型(Digital Elevation Model，DEM)產(chǎn)品SRTM 3。

SRTM 3地形數(shù)據(jù)覆蓋了全球南北緯60°以內(nèi)的區(qū)域，水平分辨率約為90 m。每個(gè)SRTM 3數(shù)據(jù)文件覆蓋1經(jīng)度×1緯度的地區(qū)，即1 201×1 201個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

文獻(xiàn)［4］完成了全球數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，并結(jié)合當(dāng)前飛機(jī)位置，采用查詢地形經(jīng)緯度帶以及分區(qū)的方式，完成地形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)搜索，地形數(shù)據(jù)調(diào)度采用動(dòng)態(tài)調(diào)度以及分層調(diào)度相結(jié)合的方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)讀取以及刪除［8］。

機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)使用了X－Plane飛行模擬器提供的全球真實(shí)機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)［3］，包括機(jī)場(chǎng)和跑道經(jīng)緯度坐標(biāo)，海拔高度等數(shù)據(jù)，能夠?yàn)轱w機(jī)的飛行狀態(tài)判斷以及TCF(Terrain Clearance Floor)告警提供有效數(shù)據(jù)。

2.3 GPWS告警算法

GPWS包括6種告警功能模式:

模式1下降率過(guò)大;

模式2地形接近率過(guò)大;

模式3起飛或復(fù)飛后爬升掉高;

模式4非著陸狀態(tài)下的不安全離地高度;

模式5下滑道偏離度過(guò)大;

模式6傾斜角過(guò)大和高度報(bào)告;

參考Honeywell公司的EGPWS產(chǎn)品MK VIII的產(chǎn)品說(shuō)明［4］，以模式1為例，其告警判斷流程圖和Caution告警曲線如圖3和圖4所示。

圖3 MK VIII模式1告警判斷流程圖

圖4 MK VIII模式1Caution告警曲線

文獻(xiàn)［9～10］使用基于性能指標(biāo)報(bào)警閾值的設(shè)計(jì)方法，對(duì)GPWS各個(gè)模式告警曲線閾值進(jìn)行了研究，得到的告警曲線與文獻(xiàn)［4］給出的告警曲線吻合［9－10］。

TAWS仿真器實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模式的告警算法和告警優(yōu)先級(jí)的判斷，實(shí)時(shí)給出正確的告警信息。

2.4 前視地形告警算法

考慮到飛行員的反應(yīng)時(shí)間以及飛機(jī)的操作延遲，飛機(jī)按照當(dāng)前軌跡飛行一定時(shí)間，然后按飛機(jī)的最大爬升能力拉起并爬升，若飛機(jī)的警戒或警告包線與前視地形高度曲線的差值小于最低離地距離(Minimum Terrain Clearance Distance，MTCD)，則給出相應(yīng)的警戒或警告信息［11］。

圖5 前視地形告警包線示意圖

文獻(xiàn)［12］提出一種基于概率統(tǒng)計(jì)原理的前視告警時(shí)間閾值設(shè)置方法并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，最優(yōu)前視告警閾值與工程實(shí)際上的前視告警時(shí)間閾值一致［12］。

2.5 前視地形和垂直剖面地形顯示

前視地形顯示模塊將飛機(jī)附近地形數(shù)據(jù)的高度值與當(dāng)前飛行高度進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)威脅程度為地形賦予不同的顏色，并使用OpenGL在仿真器軟件中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

圖6 前視地形顯示

同時(shí)，TAWS還提供飛機(jī)前方路徑上垂直剖面地形圖像，可更清晰地發(fā)現(xiàn)前方危險(xiǎn)地形信息，以做出判斷。

圖7 垂直剖面地形顯示

真實(shí)的TAWS設(shè)備將告警信息輸出到對(duì)應(yīng)的駕駛艙揚(yáng)聲器、警示燈和顯示器。TAWS仿真器軟件同樣在報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，給出語(yǔ)音播報(bào)，以及在顯示界面給出視頻信息。

TAWS仿真器提供界面顯示輸入和輸出的ARINC 429數(shù)據(jù)，為調(diào)試與測(cè)試提供支持。

TAWS仿真器會(huì)記錄仿真過(guò)程中產(chǎn)生的告警信息和對(duì)應(yīng)的飛行參數(shù)以及故障信息，如輸入數(shù)據(jù)解碼錯(cuò)誤、地形數(shù)據(jù)無(wú)法讀取等信息，為調(diào)試與測(cè)試提供支持。

3 仿真器實(shí)現(xiàn)與結(jié)果

TAWS仿真器使用C++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)TAWS各個(gè)模塊的功能;并使用UDP數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議與綜合監(jiān)視系統(tǒng)(ISS)主控軟件通信，模擬ARINC 429數(shù)據(jù)的傳輸;使用OpenGL實(shí)現(xiàn)前視地形和垂直剖面的顯示;使用MFC實(shí)現(xiàn)仿真器軟件的圖形化界面，構(gòu)成了在Windows操作系統(tǒng)下的完整軟件包和說(shuō)明文檔。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一個(gè)地形感知和告警系統(tǒng)仿真器軟件架構(gòu)方案，完成了與ISS仿真器的通信接口設(shè)計(jì)、地形和機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇，實(shí)現(xiàn)了GPWS告警和前視地形告警算法、前視地形和垂直剖面顯示、音視頻告警信息顯示、輸入輸出數(shù)據(jù)顯示、告警和故障信息日志記錄等功能，為航電系統(tǒng)的仿真、測(cè)試和驗(yàn)證研究以及復(fù)雜航電系統(tǒng)間的ICD設(shè)計(jì)提供了有力支持。

［1］ 許衛(wèi)東，呼曦.機(jī)載增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)發(fā)展概述［J］.航空制造技術(shù)，2008，16(2):50－53.

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［11］Aviation Communication，Surveillance Systems.Terrain awareness and warning system pilot's guide［M］.USA:ACSS，2007.

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