周成中, 陸洋

(南京航空航天大學 直升機旋翼動力學國家級重點實驗室, 江蘇 南京 210016)

直升機前視地形告警算法研究

周成中, 陸洋

(南京航空航天大學 直升機旋翼動力學國家級重點實驗室, 江蘇 南京 210016)

摘要:為了更好地利用直升機地形感知與告警系統(tǒng)，減少可控飛行撞地事故的發(fā)生,提出了一種適用于直升機地形感知與告警系統(tǒng)的前視地形告警算法。首先介紹了直升機前視地形告警的基本原理,并給出了前視告警包線的設計流程;然后提出了前視告警包線下視邊界、前視邊界、上視邊界和橫側邊界的確定方法;最后構建仿真算例進行了仿真驗證。仿真結果表明,提出的算法可以在直升機飛行撞地前提前預警。

關鍵詞:地形感知與告警系統(tǒng); 可控飛行撞地; 前視地形告警

0引言

飛行器在無任何機械故障的情況下，由于缺乏對周圍地形的感知而發(fā)生飛行撞地事故稱為可控飛行撞地(Controlled Flight Into Terrain, CFIT),CFIT一直是現(xiàn)代商用航空飛行事故的主要原因之一。為了減少CFIT事故,研究人員在20世紀70年代開發(fā)了近地告警系統(tǒng)(Ground Proximity Warning System, GPWS)。隨著數(shù)字地圖技術的發(fā)展,Honeywell公司在20世紀90年代成功研制了地形感知與告警系統(tǒng)(Terrain Awareness and Warning System, TAWS)。該系統(tǒng)具有前視告警功能及可提高飛行員對外界感知的地形顯示功能。自推出TAWS以來,民機的CFIT事故大大減少。

直升機的飛行環(huán)境決定了其發(fā)生CFIT事故的概率不比固定翼飛機低,因此需要發(fā)展直升機地形感知與告警系統(tǒng)(Helicopter Terrain Awareness and Warning System, HTAWS)。國外對HTAWS的研究則始于上世紀末,發(fā)展至今已經(jīng)比較成熟,且已開發(fā)出多款產品投入應用,如美國Honeywell公司的MKXXII、Sandel公司的ST3453H和Rockwell Collins公司的Helisure等;而國內針對HTAWS的研究才剛剛起步[1-2]。不言而喻,告警算法是HTAWS功能實現(xiàn)的核心,然而國外尚未公開發(fā)表此方面的文獻,僅有的一些資料也多為功能描述,未給出具體算法。本文參照固定翼飛機TAWS的前視告警算法結構[3-5],提出一種適用于直升機且具有工程可實現(xiàn)性的前視地形告警算法,并結合美國航電規(guī)范DO-309中的算例進行了仿真驗證,初步驗證了該算法的有效性。

1HTAWS前視地形告警包線設計

1.1HTAWS前視地形告警工作原理

HTAWS前視地形告警的工作原理是基于直升機飛行狀態(tài),在其前進方向空間上生成一個虛擬的三維安全包線,同時獲取數(shù)據(jù)庫提供的地形、障礙物數(shù)據(jù)信息,實時比較告警包線與周邊地形的空間位置關系。當告警包線與周邊地形接觸時即觸發(fā)告警,HTAWS同時給出燈光告警和語音告警。此外,HTAWS還具有地形/障礙物顯示功能。HTAWS的工作原理如圖1所示。

圖1　HTAWS工作原理Fig.1　Working principle of HTAWS

HTAWS前視告警分為警戒告警和警告告警兩個告警級別,分別對應于告警包線的外包線和內包線。當外包線與周邊地形接觸時觸發(fā)警戒告警,告警燈光為黃色,告警語音為“Caution Terrain”;當內包線與周邊地形接觸時觸發(fā)警告告警,告警燈光為紅色,告警語音為“Warning Terrain”。圖2為典型的HTAWS前視告警包線示意圖。

圖2　HTAWS前視告警包線Fig.2　Forward-looking alerting envelope of HTAWS

1.2HTAWS前視告警包線設計流程

HTAWS算法中,前視告警包線生成是其最重要的部分。前視告警包線包括內外兩層,每層告警包線均由4部分組成,即下視邊界、前視邊界、上視邊界以及側邊界。圖3給出了HTAWS前視告警包線的設計流程。

圖3　HTAWS告警包線設計流程圖Fig.3　Design process of alerting envelope of HTAWS

直升機飛行過程中應該在其下方預留一段安全距離,即最小安全高度(ΔH),直升機正常飛行時應不低于這一高度,否則將觸發(fā)告警。同理,直升機飛行過程中,其前方也應該預留一段安全距離,以避免與前方障礙地形相撞,該安全距離即前視距離(L)。飛機前方遇到障礙地形時,可以選擇轉彎改出,直升機同樣具有這一特性,因此可以將前視距離設為直升機協(xié)調轉彎時的轉彎半徑。最小安全高度和前視距離為前視告警包線的重要特征參數(shù),也是設計告警邊界的基礎。

下視邊界、前視邊界和上視邊界共同組成了告警包線的縱向邊界,內、外包線的縱向邊界設計流程完全一致,僅某些特征值的數(shù)值大小有所差別。內包線特征值的安全裕度較小,外包線特征值的安全裕度較大。

(1)下視邊界。從直升機正下方與直升機距離為最小安全高度處開始,以下視延伸角向前延伸即得到HTAWS的下視邊界。為確保安全,當直升機飛行航跡角小于一定值時,應對下視邊界進行修正。此外,為了避免虛警,當直升機以較低高度飛越山脊時,下視邊界需進行額外的邊界剪裁[6]。經(jīng)過邊界修正和邊界剪裁的下視邊界即為最終的下視邊界。

(2)前視邊界。前視邊界主要由前視告警距離確定,前視距離乘以相應的影響系數(shù)k即可得到前視告警距離。從直升機正前方與直升機距離為前視告警距離處開始,垂直方向上雙向延伸即可得到HTAWS的前視邊界。

(3)上視邊界。當直升機遇到障礙地形時,垂直方向上的規(guī)避方式一般為拉起爬升,因此以拉起爬升過程中的高度損失來設計上視邊界較為合理。從直升機正下方與直升機距離為拉起掉高處開始以上視延伸角向前延伸,延伸距離達到上視距離后改為垂直向上延伸,即得到HTAWS的上視邊界。

(4)側邊界。直升機飛行過程中所處的位置具有一定的橫向不確定性,因此告警包線應具有一定寬度。前方越遠處直升機位置不確定性越大,因此遠前方處告警包線的寬度也應該越大。為此,在起始寬度的基礎上,以一定的偏斜角向前延伸即得到HTAWS的側邊界。

此外,直升機飛行中還存在高度誤差、地形數(shù)據(jù)庫分辨率及精度誤差等諸多不確定因素,而這些不確定因素在最后著陸階段很可能引起虛警。因此,在HTAWS前視告警算法中引入“剪裁高度”,以減少著陸階段可能出現(xiàn)的虛警。

2直升機前視告警包線算法

2.1最小安全高度

最小安全高度ΔH是直升機下方的一段安全距離。直升機巡航飛行中可以參考直升機GPWS中模式4A的告警高度,將ΔH設為46 m(150 ft)[7]。在起飛或著陸階段,直升機往往飛行高度很低,此時為減少虛警,ΔH值應相應減小,ΔH隨直升機距最近跑道距離的變化而變化。

2.2前視距離

前視距離L是直升機前方的一段安全距離。參考飛機前視距離的設計方法,將直升機轉彎改出過程中前進的距離作為前視距離。L由兩部分組成,即直升機在飛行員反應時間內通過的水平距離和協(xié)調轉彎改出時的轉彎半徑,表達式如下:

(1)

式中:V為直升機飛行速度;g為重力加速度;α為轉彎坡度角;T為飛行員反應時間。

2.3下視邊界

下視邊界即告警包線的下邊界,下視邊界主要由地形ΔH和下視延伸角θ確定,2.1節(jié)已經(jīng)詳細給出了最小安全高度的確定方法。對于延伸角,可以在HTAWS系統(tǒng)中預設定一個角度值θ1,并與直升機當前飛行航跡角相比較,取兩者中的較大值為下視延伸角度。如:警戒邊界θ1可設為0°,警告邊界θ1可設為6°。

當直升機下降飛行,且航跡角γ小于某一預設基準角δ時(如-4°),下視延伸角度須進行修正,修正角度表達式如下:

(2)

式中:K為影響系數(shù),對于警戒邊界典型值為0.5,警告邊界典型值為0.25。

在進行邊界剪裁時,系統(tǒng)預設定一個剪裁角度上限值θsx、一個角度基準值δ和一個高度補償值h。剪裁角度可以表示為:

(3)

2.4前視邊界

前視邊界即告警包線的前方邊界。前視邊界主要由前視距離確定,其計算方法已經(jīng)在2.2節(jié)進行了詳細描述,將前視距離乘以相應的影響系數(shù)k即可得到警戒前視距離和警告前視距離。警戒邊界k典型值為1,警告邊界k典型值為0.5。

在確定前視距離之后,從直升機正前方與直升機距離為警戒前視距離處開始沿垂直方向雙向延伸，即得到HTAWS的警戒前視邊界;從直升機正前方與直升機距離為警告前視距離處開始沿垂直方向雙向延伸，即得到HTAWS的警告前視邊界。

2.5上視邊界

上視邊界即告警包線的上邊界。上視邊界主要由拉起掉高、上視延伸角和上視距離確定。拉起掉高可以表示為:

(4)

(5)

對于上視邊界的延伸角度,首先在HTAWS系統(tǒng)中預設定一個角度值θ2,并與直升機當前飛行航跡角比較,取兩者中的較大值為上視延伸角度。警戒邊界和警告邊界θ2典型值均為6°。

2.6側邊界

告警包線的側邊界由起始寬度、中心線偏斜角、側邊界偏離角共同確定[8]。HTAWS系統(tǒng)預先設定一個起始寬度(如典型值64 m(210 ft)),直升機左右兩側各一半;中心線偏斜角φ等于直升機當前的滾轉角ρ;側邊界偏離角ψ是指側邊界偏離中心線的角度,該值也可由系統(tǒng)預先設定,如1°。

在起始寬度的基礎上,以中心線偏斜角和側邊界偏離角向前延伸,即可得到HTAWS的側邊界。圖4給出了告警側邊界延伸示意圖。

圖4　告警側邊界延伸示意圖Fig.4　Lateral boundary of HTAWS

2.7剪裁高度

直升機存在高度誤差、地形數(shù)據(jù)庫分辨率及精度誤差等諸多不確定因素,而這些不確定因素在最后著陸階段很可能引起虛警。因此,在HTAWS前視告警算法中引入“剪裁高度”這一措施,以減少著陸階段可能出現(xiàn)的虛警。剪裁高度包括相對于跑道的剪裁高度Hr和相對于飛行器的剪裁高度Ha[9],其表達式為:

式中:Hre為機場跑道海拔;Hs為預設定值,典型值為90 m(300 ft);Hae為直升機瞬時海拔高度;Hb為可調偏置量,典型值為6 m(20 ft)。

絕對剪裁高度(Hjc)可以表示為:

(6)

式中:d為直升機距最近跑道距離。圖5為絕對剪裁高度示意圖。

圖5　絕對剪裁高度示意圖Fig.5　Absolute cut-off altitude

當直升機海拔高度小于絕對剪裁高度時,告警系統(tǒng)將自動屏蔽所有地形而不進行任何告警。

3算例仿真

選取美國航電規(guī)范DO-309算例庫中的算例進行飛行仿真[10],以驗證上述前視告警算法的有效性。該算例中直升機飛行速度為250 km/h,飛行高度為2 621 m(8 600 ft)?；诒疚乃o出的直升機前視地形告警算法和算例中的事故場景進行飛行仿真。圖6給出了飛行仿真結果。

圖6　飛行仿真結果Fig.6　Flight simulation results

可以看出,在撞地前35 s,HTAWS給出了“警戒地形”的語音告警,在撞地前21 s,HTAWS給出了“警告地形”的語音告警,若此時飛行員及時采取改出操縱動作,完全可以避免與山峰相撞。仿真算法驗證了本文前視地形告警算法的有效性。

4結束語

本文提出了一種適用于直升機的前視地形告警算法,并構建仿真算例對算法進行了仿真驗證。仿真結果表明，該算法可以在直升機撞地前提供告警,飛行員根據(jù)告警信息進行改出機動從而避免飛行撞地。本算法不針對特定機型,在后續(xù)研究中可以考慮具體直升機性能參數(shù)對算法的影響,對告警算法進行優(yōu)化,為研制前視地形告警設備提供算法支撐。

參考文獻：

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(編輯：李怡)

Research on forward looking terrain alerting algorithm for helicopter

ZHOU Cheng-zhong, LU Yang

(National Key Laboratory of Rotorcraft Aeromechanics, NUAA, Nanjing 210016, China)

Abstract:To make the best use of helicopter terrain awareness and warning system(HTAWS) to reduce accidents of controlled flight into terrain, a kind of forward looking terrain alerting algorithm suitable for helicopter was introduced. Firstly, the basic operating principles of HTAWS forward looking terrain alerting was introduced, and then the determination method of the look-down boundary, look-ahead boundary, look-up boundary and lateral boundary were raised in detail. Finally, a simulation example was built to verify the effectiveness of the algorithm. Simulation results show that the algorithm can provide early warning for helicopter flying into terrain.

Key words:terrain awareness and warning system; controlled flight into terrain; forward looking terrain alerting

收稿日期:2015-09-08;

修訂日期:2015-12-08; 網(wǎng)絡出版時間:2016-02-29 16:38

作者簡介:周成中(1991-)，男，江蘇濱海人，碩士研究生，研究方向為直升機飛行安全; 陸洋(1977-)，男，江蘇大豐人，副教授，博士，研究方向為直升機動力學與飛行控制。

中圖分類號：V249.1; V275.1

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)03-0030-04