吳琛

摘 要：綜合監(jiān)視系統(tǒng)本質(zhì)上是一個告警系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)庫、個性化設(shè)置的需求，以及天線和收發(fā)機的存在，使其區(qū)別于一般的告警系統(tǒng)。而基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成方案則很好地將天線和收發(fā)機獨立出來，并且使用全機共享的數(shù)據(jù)庫來解決數(shù)據(jù)庫和個性化設(shè)置的需求。這樣，綜合監(jiān)視的處理軟件就可以看作CAS告警的一個基本處理算法單元，而圖形處理軟件同樣也可以看作是顯示系統(tǒng)圖形處理模塊的一個基本算法單元。在這里，采用一種基于IMA的集成方案來對綜合監(jiān)視系統(tǒng)進行優(yōu)化，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理軟件集成于IMA中的CAS模塊中，將綜合監(jiān)視圖形顯示的處理軟件集成于顯示系統(tǒng)的圖形處理模塊中。所需要的數(shù)據(jù)庫可以存儲于IMA的存儲器中。另外，采用集成式的交通監(jiān)視天線，將收發(fā)機集成于頂部天線（TOP ANT）和底部天線（BOT ANT）。

關(guān)鍵詞：綜合監(jiān)視系統(tǒng) 集成式交通天線 IMA 顯示系統(tǒng) CAS

中圖分類號：V243 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0013-03

1 系統(tǒng)概述

綜合監(jiān)視系統(tǒng)（ISS）是由傳統(tǒng)的氣象雷達(dá)（WXR）、地形提示和警告系統(tǒng)（TAWS）、交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS），以及S模式應(yīng)答機（XPDR）四個子系統(tǒng)集成而形成的集成式系統(tǒng)。從功能對象上分為氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視三大監(jiān)視功能。綜合監(jiān)視系統(tǒng)通常采用航線可更換設(shè)備（LRU）集成方式見表1。

氣象監(jiān)視和傳統(tǒng)的氣象雷達(dá)類似，主要由氣象雷達(dá)收發(fā)機（WXR RTM）、氣象處理模塊，氣象雷達(dá)天線驅(qū)動（WXR DRV）以及氣象雷達(dá)天線（WXR ANT）組成，通過發(fā)射和接收雷達(dá)波來探測氣象，并通過顯示器顯示出氣象圖形數(shù)據(jù)，并通過音響和目視告警將危險信息傳送給飛行機組。目前使用的氣象雷達(dá)功能主要包括傳統(tǒng)的氣象探測功能、紊流探測功能、輔助地形掃描功能、預(yù)測型風(fēng)切變（PWS）功能，目前正在推廣的垂直氣象剖面顯示和垂直氣象分析功能，未來可能會發(fā)展基于網(wǎng)絡(luò)的氣象信息共享功能。

地形監(jiān)視主要是由地形提示和警告系統(tǒng)由地形數(shù)據(jù)庫（包括地形數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、機場數(shù)據(jù)、跑道數(shù)據(jù)等）、告警包線、運算處理單元組成。地形提示和警告系統(tǒng)主要是利用全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（IRS）、無線電高度表（RA）、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ADS）等系統(tǒng)的輸入信息計算飛機的位置、高度信息，并與數(shù)據(jù)庫中的地形進行比對，測算出危險的地形，通過目視和音響系統(tǒng)將危險信息傳送給飛行機組。地形提示和警告系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)的近地警告系統(tǒng)功能、基于地形數(shù)據(jù)庫的預(yù)測型地形功能，以及反應(yīng)型風(fēng)切變（RWS）功能，當(dāng)前工業(yè)界正在推廣垂直地形剖面顯示功能。

交通監(jiān)視功能集成了傳統(tǒng)的交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS）和S模式應(yīng)答機（XPDR）。主要是通過詢問和應(yīng)答機制來協(xié)調(diào)周圍空域中各飛機的位置和高度，并通過目視和音響系統(tǒng)來為飛行機組提供危險的信息。當(dāng)前，航空工業(yè)界正在推廣一種基于廣播式通信機制的協(xié)調(diào)機制——廣播式自相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）。交通監(jiān)視功能已廣泛集成了ADS-B功能，并已經(jīng)取得了實質(zhì)性的進展，ADS-B功能已應(yīng)用于民用航空運營。未來ADS-B功能的擴展應(yīng)用還將繼續(xù)發(fā)展和擴充。

2 綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成架構(gòu)簡介

通常根據(jù)系統(tǒng)安全性需求來初步確定系統(tǒng)的集成方式，明確系統(tǒng)的架構(gòu)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的最低安全性要求，通常：TAWS為D級設(shè)備；TCAS為C級設(shè)備；XPDR為C級設(shè)備；WXR為C級設(shè)備。綜合派遣率的要求，以及目前廣泛應(yīng)用產(chǎn)品的屬性，經(jīng)典的傳統(tǒng)架構(gòu)選用一套TAWS、一套雷達(dá)、一套TCAS和兩套XPDR，如圖1所示架構(gòu)。而采用集成式的綜合監(jiān)視LRU則可以通過圖2的方式進行集成。

注：TOP ANT為頂部天線；BOT ANT為底部天線。

考慮到不同的運行條件下，如航空公司派遣要求、特殊的運營環(huán)境等因素，運營商可能會選擇安裝兩套TAWS，和/或兩套氣象雷達(dá)，和/或兩套TCAS。這樣就產(chǎn)生了不同的集成方式，這些不同的集成方式需要根據(jù)客戶的需求來選擇，傳統(tǒng)的獨立式設(shè)備需要增加不同的飛機構(gòu)型，進行大量的改裝工作?，F(xiàn)在，使用綜合監(jiān)視系統(tǒng)可以考慮采用一種可以選擇的配置架構(gòu)，見圖3。其中ISS-2作為可配置的設(shè)備，可根據(jù)客戶需求選擇加裝TAWS和/或WXR和/或TCAS。這樣的設(shè)計可以滿足不同特殊需求的客戶。

使用集成式ISS的優(yōu)勢主要是簡化了傳統(tǒng)的集成架構(gòu)。由于氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視的輸入和輸出高度類似，所以合并這些輸入輸出對簡化線路、提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率是非常有效的；在交通天線的使用上，綜合監(jiān)視系統(tǒng)可以減少天線，以及由安裝天線帶來的同軸電纜、連接器等等，可以有效減少重量；另外，綜合監(jiān)視相關(guān)功能輸出數(shù)據(jù)中包含圖形數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)量大，綜合在一起有利于優(yōu)化數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸，簡化綜合監(jiān)視系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)的集成。而從使用和維護上來看，使用綜合監(jiān)視系統(tǒng)，減少了航空備件，簡化了維護和維修的程序，可以降低飛機的維護成本和運營成本。

然而使用這種集成的系統(tǒng)，還是存在一些問題：笨重的同軸電纜似乎與交通監(jiān)視如影隨形；龐大的圖形數(shù)據(jù)傳輸給整個飛機的網(wǎng)絡(luò)帶寬帶來了沉重的壓力；與顯示系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸機制似乎總是存在浪費；與CAS之間的告警協(xié)調(diào)、管理總是你中有我，我中有你，顯得重復(fù)和多余。

該文主要是通過一種基于模塊化航電系統(tǒng)（IMA）的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成方案，來分析和探討解決綜合監(jiān)視系統(tǒng)的使用帶來的不利因素，以及一些優(yōu)化的措施。

3 TAWS作為獨立設(shè)備的必要性探討

目前民用航空中運輸類飛機所安裝的TAWS基本上都是獨立的TAWS設(shè)備，或者作為綜合監(jiān)視計算機的獨立模塊來使用。然而，TAWS本身作為一個純軟件的告警系統(tǒng)，沒有獨立的傳感器，也不提供其它系統(tǒng)需要的重要參數(shù)。它主要用來運算和處理其它傳感器的數(shù)據(jù)，分析和比對地形數(shù)據(jù)庫，提供危險地形的告警，此外它也能夠通過其它系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)識別反應(yīng)型風(fēng)切變。本質(zhì)上，TAWS就是一個告警系統(tǒng)，而且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義，它只是一個D級設(shè)備。筆者認(rèn)為，完全可以集成到機組告警系統(tǒng)中或者集成到IMA中。

IMA中的存儲器，完全可以存儲供全機共享的數(shù)據(jù)庫，包括地形數(shù)據(jù)庫、高清機場數(shù)據(jù)庫、地磁場數(shù)據(jù)庫等。以及飛機的構(gòu)型參數(shù)，包括機尾號、ICAO（國際民航組織）地址、飛機序列號、型號等等。

如果將TAWS的運算模塊和告警包線集成在IMA中，采用IMA存儲器中的地形數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，這樣不僅減少了設(shè)備，而且有利于與顯示系統(tǒng)的集成。如果與機組告警系統(tǒng)（CAS）集成在一起，更會簡化其與CAS的集成。

4 應(yīng)用集成式交通天線的探討

交通監(jiān)視功能由于需要進行飛機與飛機以及飛機與管制臺之間的協(xié)調(diào)，因此需要天線進行接收和發(fā)射信號。而收發(fā)機與天線之間通過同軸電纜連接，通常這些同軸電纜的重量和安裝會給設(shè)計人員帶來煩惱。

可以考慮將收發(fā)機和天線進行集成，通過一般的A429數(shù)據(jù)線或者光纖與處理器連接。這樣可以減少同軸電纜，減輕重量。更可以使共用天線變得簡單可行。理論上一部頂部天線和一部底部天線即可滿足兩套TCAS和兩套XPDR對天線的需求。

使用集成式的天線后，也可以將TCAS和XPDR集成到IMA或者CAS。

5 顯示數(shù)據(jù)處理流程的探討

綜合監(jiān)視各功能模塊的顯示數(shù)據(jù)，包括將雷達(dá)收發(fā)機以及交通監(jiān)視收發(fā)機輸出的數(shù)據(jù)讀取之后轉(zhuǎn)換為顯示格式的數(shù)據(jù)，另外就是TAWS將地形數(shù)據(jù)庫中的地形數(shù)據(jù)根據(jù)位置信息調(diào)用出來，并采用標(biāo)準(zhǔn)的格式發(fā)送給顯示器。這樣會很自然地考慮到：為什么不將這些處理集成到顯示器的處理器中呢？傳統(tǒng)的通信方式，往往雷達(dá)讀取收發(fā)機信號后需要根據(jù)顯示器的需要，發(fā)送多路相互獨立的圖形信息給不同的顯示器，TAWS和TCAS也有同樣的問題。這種方式非常浪費資源。如果將圖形處理軟件集成到顯示系統(tǒng)，那么顯示系統(tǒng)處理器可以直接根據(jù)需要讀取數(shù)據(jù)并進行處理后，直接顯示在顯示器上，而不需要中途重復(fù)轉(zhuǎn)送。

6 基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成解決方案

通過上面的探討，為了解決這些問題，該研究者采用一種基于IMA的集成方案來對綜合監(jiān)視系統(tǒng)進行優(yōu)化，如圖4基于IMA的監(jiān)視系統(tǒng)集成方案所示。首先假設(shè)機組告警系統(tǒng)和顯示的圖形處理器集成于IMA中，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理軟件集成于IMA中的CAS模塊中，將圖形顯示的處理軟件集成于顯示系統(tǒng)的圖形處理模塊中。所需要的數(shù)據(jù)庫可以存儲于IMA的存儲器中。另外，采用集成式的交通監(jiān)視天線，將收發(fā)機集成于頂部天線（TOP ANT）和底部天線（BOT ANT）。這樣，我們可以大量減少同軸電纜，并且可以通過A429總線或者光纖實現(xiàn)與處理器之間的通信。這樣可以方便地實現(xiàn)TCAS和XPDR，以及左右處理器的天線共用，理論上兩部天線可以滿足兩套TCAS和兩套XPDR的需求，甚至更多其它系統(tǒng)的需求。

7 結(jié)語

綜合監(jiān)視系統(tǒng)本質(zhì)上是一個告警系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)庫、個性化設(shè)置的需求，以及天線和收發(fā)機的存在，使其區(qū)別于一般的告警系統(tǒng)。基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成方案可以將天線和收發(fā)機獨立出來，并且通過使用全機共享的數(shù)據(jù)庫存儲器來解決數(shù)據(jù)庫和個性化設(shè)置的需求。這樣，綜合監(jiān)視的處理軟件就可以看作CAS告警的一個基本處理算法單元，而圖形處理軟件同樣也可以看作是顯示系統(tǒng)圖形處理模塊的一個基本算法單元。

當(dāng)前普遍的解決方案采用集成式的綜合監(jiān)視系統(tǒng)LRU，而處理器之間缺少系統(tǒng)內(nèi)協(xié)調(diào)機制的設(shè)計，需要CAS和顯示系統(tǒng)來協(xié)調(diào)ISS系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)和告警信息。部分信號需要請求、確認(rèn)協(xié)議，往返的確認(rèn)機制不僅增加了延時，而且占用了有限的網(wǎng)絡(luò)資源。

在交通天線的使用方面，共用天線一直困擾著設(shè)計者。如何在保證可用性和完整性的情況下，減少同軸電纜數(shù)量，以及天線數(shù)量是當(dāng)前綜合監(jiān)視領(lǐng)域里的一個難題。

而TAWS和WXR的圖形數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)資源的占用對網(wǎng)絡(luò)資源配置設(shè)置了重重障礙。

采用基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成方案優(yōu)勢非常明顯：首先，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理算法集成于IMA中的CAS模塊，直觀上減少了綜合監(jiān)視系統(tǒng)與CAS的集成工作；并且大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸，以及請求和確認(rèn)機制，減少了傳輸?shù)难訒r，提高了告警的及時性；另外，CAS直接控制揚聲器和顯示器上告警信息，比CAS管理綜合監(jiān)視系統(tǒng)傳送的告警信息的效率高，且減少了傳輸錯誤的可能性。其次，將綜合監(jiān)視的顯示處理算法軟件集成于顯示的圖形處理模塊中，顯示系統(tǒng)就可以直接讀取雷達(dá)收發(fā)機、交通監(jiān)視收發(fā)機和地形數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同顯示器的需求，直接疊加相應(yīng)的圖層。這樣不僅減少了綜合監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)送重復(fù)性的數(shù)據(jù)，而且在時效性上更好；此外，采用集成了收發(fā)機的交通監(jiān)視天線，可以徹底解決笨重的同軸電纜帶來的煩惱，并且使多系統(tǒng)共用交通天線成為一件容易的事情。

參考文獻

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