谷小樂(lè) 陳玲

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增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)直升機(jī)上的應(yīng)用研究

谷小樂(lè) 陳玲

航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001

增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)是為了幫助飛行員避免可控飛行觸地（CFIT）事故而研究的航空電子設(shè)備。在國(guó)外直升機(jī)上已有應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)直升機(jī)上并未使用。通過(guò)研究增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)的技術(shù)和使用要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)直升機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，從告警包絡(luò)算法、近地告警和雷達(dá)、光電等傳感器信息融合技術(shù)等方面，給出近地告警關(guān)鍵技術(shù)的解決方法，為將來(lái)在國(guó)內(nèi)直升機(jī)上的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

增強(qiáng)型近地告警；直升機(jī)；告警包絡(luò)算法；信息融合

1 概述

增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)EGPWS（Enhanced Ground Proximity Warning System）是利用目視和音響告警形式進(jìn)行地形提示來(lái)防止可控飛行觸地的設(shè)備[1]。根據(jù)國(guó)際飛行安全基金會(huì)的統(tǒng)計(jì)，CFIT（Controlled Flight Into Terrain）事故是影響飛行安全的禍?zhǔn)?。圖1為美國(guó)1994—2004年間直升機(jī)事故原因統(tǒng)計(jì)圖，從圖中可以看出，排在前三位的原因分別是與高壓線/障礙物相撞、夜間及不良目視條件下的飛行撞地、日間目視條件下的飛行撞地。

為減少CFIT 事故發(fā)生，EGPWS已普遍加裝在固定翼飛機(jī)上，國(guó)外直升機(jī)上也有加裝，但在國(guó)內(nèi)直升機(jī)上尚未應(yīng)用，主要是由于直升機(jī)具有飛行速度慢、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、起降點(diǎn)較為靈活等特點(diǎn)，安裝的必要性并不突出。隨著國(guó)內(nèi)直升機(jī)的快速發(fā)展，對(duì)安全性要求的提升，安裝EGPWS已成為今后的趨勢(shì)。

1.1 EGPWS介紹

EGPWS接收機(jī)上各種傳感器數(shù)據(jù)，并與地形數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的評(píng)估和對(duì)飛行軌跡的預(yù)測(cè)來(lái)判斷飛機(jī)是否存在撞地危險(xiǎn)。

圖1 美國(guó)1994—2004年直升機(jī)事故原因統(tǒng)計(jì)（引自FAA飛行事故數(shù)據(jù)庫(kù)）

按不同的飛行狀態(tài)，可分為以下幾種警告模式[2]。

（1）模式 l——過(guò)大的下降率；（2）模式2——過(guò)大的地形接近率；（3）模式3——起飛或復(fù)飛后掉高度太多；（4）模式4——不在著陸形態(tài)時(shí)的不安全越障高度（地形凈空高度不夠）；（5）模式5——進(jìn)近時(shí)低于下滑道太多；（6）模式6——飛機(jī)下降通過(guò)無(wú)線電高度表上預(yù)定高度時(shí)的語(yǔ)音報(bào)數(shù)；（7）模式7——風(fēng)切變警告（選裝特性）；（8）模型8——過(guò)大傾斜角告警功能；（9）模型9——尾部撞擊告警功能；（10）模型10——前視地形回避告警功能。

1.2 EGPWS的工作原理

EGPWS采集直升機(jī)上的相關(guān)飛行數(shù)據(jù)及綜合處理顯示單元的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)變換和濾波處理后將信號(hào)送往數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)處理單元和告警模型運(yùn)算單元，數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)處理單元根據(jù)本機(jī)當(dāng)前的位置和磁航向等信息讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的有關(guān)信息，進(jìn)行解密和解壓縮等處理后，提供給告警模型運(yùn)算單元，同時(shí)輸出地形信息。

告警模型運(yùn)算單元根據(jù)本機(jī)信息和讀取的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，運(yùn)行告警模型算法，當(dāng)觸發(fā)告警邊界時(shí)輸出當(dāng)前最高優(yōu)先級(jí)的告警信號(hào)，輸出語(yǔ)音告警信號(hào)給音頻控制器，同時(shí)輸出告警信號(hào)給飛參系統(tǒng)記錄。

EGPWS工作原理框圖見(jiàn)圖2。

圖2 EGPWS工作原理框圖

2 增強(qiáng)型近地告警在國(guó)內(nèi)直升機(jī)上的解決方案

2.1 與機(jī)上的交聯(lián)接口

EGPWS的安裝，機(jī)上需提供無(wú)線電高度、大氣、導(dǎo)航等數(shù)據(jù)，EGPWS通過(guò)數(shù)據(jù)總線接收大氣計(jì)算機(jī)發(fā)送的氣壓數(shù)據(jù)、無(wú)線電高度表發(fā)送的無(wú)線電高度數(shù)據(jù)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的經(jīng)緯度、航向等導(dǎo)航數(shù)據(jù)、綜顯系統(tǒng)發(fā)送的顯示控制數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)EGPWS處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理解算，輸出地形信息通過(guò)視頻接口至綜合顯示處理單元進(jìn)行顯示，同時(shí)輸出語(yǔ)音告警信號(hào)至音頻控制器。

圖3 EGPWS與機(jī)上的交聯(lián)

2.1.1 輸入數(shù)據(jù)

外部接收的飛機(jī)飛行信息包括無(wú)線電高度、組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)（GPS信息、慣導(dǎo)或航姿信息）大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)信息等，具體的信息內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 EGPWS接收數(shù)據(jù)

2.1.2 輸出數(shù)據(jù)

輸出包括地形綜合顯示視頻輸出、告警提示信息輸出及告警語(yǔ)音輸出。輸出交聯(lián)設(shè)備包括綜顯系統(tǒng)、告警燈及音頻控制器（具體如表2所示）。

表2 EGPWS發(fā)送數(shù)據(jù)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

EGPWS在國(guó)內(nèi)直升機(jī)上應(yīng)用需突破告警包絡(luò)算法[3]，近地告警系統(tǒng)和雷達(dá)、光電等多傳感器數(shù)據(jù)融合上的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 告警包絡(luò)算法及其驗(yàn)證

直升機(jī)告警包絡(luò)設(shè)計(jì)直接影響告警的準(zhǔn)確性。目前國(guó)內(nèi)直升機(jī)近地告警包絡(luò)的設(shè)計(jì)主要依據(jù)民航標(biāo)準(zhǔn)RTCA/DO-309、TSO-151B以及TSO-194對(duì)直升機(jī)地形感知與告警系統(tǒng)的最低性能要求，同時(shí)參考國(guó)外民用裝機(jī)產(chǎn)品的告警包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在固定翼飛機(jī)上國(guó)內(nèi)EGPWS的告警包絡(luò)已有試飛驗(yàn)證[5]，在國(guó)內(nèi)直升機(jī)上未有應(yīng)用。

國(guó)外Honeywell 公司的MKXXII產(chǎn)品為EGPWS的典型產(chǎn)品，若應(yīng)用國(guó)內(nèi)直升機(jī)上，告警包絡(luò)需要結(jié)合國(guó)內(nèi)相應(yīng)直升機(jī)型號(hào)的飛行特性和任務(wù)特性進(jìn)行配置，并將告警算法在直升機(jī)仿真驗(yàn)證平臺(tái)上進(jìn)行高逼真度的飛行仿真來(lái)驗(yàn)證告警包絡(luò)。

根據(jù)第2節(jié)提到的警告模式，結(jié)合告警包絡(luò)線，可在直升機(jī)仿真驗(yàn)證平臺(tái)上分別進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]試驗(yàn)效果，在驗(yàn)證之前可適當(dāng)調(diào)大告警敏感閾值。

（1）過(guò)大下沉速率告警驗(yàn)證

直升機(jī)在空曠地形上空懸停，直升機(jī)使其加速（加速度值）垂直下降飛行，當(dāng)出現(xiàn)“拉起”告警后，立即拉起直升機(jī)爬升至安全高度，其飛行示意圖見(jiàn)圖4。

（2）過(guò)大近地速率告警驗(yàn)證

直升機(jī)在預(yù)定高度（略高于預(yù)定山地最高峰）以一定速度向最高山峰水平飛行，當(dāng)出現(xiàn)“拉起”告警后，立即拉起直升機(jī)左（或右）爬升至安全高度，其飛行示意圖見(jiàn)圖5。

（3）起飛后掉高度告警驗(yàn)證

直升機(jī)離地起飛后，收起起落架。在一定高度時(shí)，調(diào)整直升機(jī)，使其下降飛行，當(dāng)出現(xiàn)“拉起”告警后，立即拉起飛機(jī)爬升至安全高度，其飛行剖面見(jiàn)圖6。

（4）非安全離地高度告警驗(yàn)證

直升機(jī)在平坦地形上空（高度值500?m）平飛，以10?m/s速度下降，當(dāng)出現(xiàn)“太低地形”告警后，立即拉起飛機(jī)爬升至安全高度，其飛行示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 過(guò)大下沉速率告警飛行示意圖

圖5 過(guò)大近地速率告警飛行示意圖

圖6 起飛后掉高度告警飛行示意圖

（5）過(guò)大下滑道偏差告警驗(yàn)證

直升機(jī)進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)著陸飛行。調(diào)整直升機(jī)使之在選定的下滑道以下飛行，當(dāng)出現(xiàn)“拉起”告警后，操縱飛機(jī)沿下滑道正常降落，其飛行剖面見(jiàn)圖7。

（6）高度呼叫驗(yàn)證

設(shè)定指定高度200?m（可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)安全高度），直升機(jī)在平坦地形上空（高度值300?m）平飛，以5?m/s速度向下穿越200?m時(shí)向飛行員發(fā)出高度提醒，輸出對(duì)應(yīng)的“高度200?m”語(yǔ)音，立即拉起飛機(jī)爬升至安全高度，其飛行示意圖見(jiàn)圖4。

（7）過(guò)大傾斜角告警驗(yàn)證

直升機(jī)在平坦地形上空（高度值100?m）平飛，以55°橫滾角轉(zhuǎn)彎，當(dāng)出現(xiàn)“過(guò)大傾斜角”告警后，立即減小角度飛行。

圖7 過(guò)大下滑道偏差告警飛行示意圖

（8）尾部撞擊告警驗(yàn)證

尾部撞擊告警，防止飛機(jī)尾部太低撞擊地面或障礙物。該告警模式根據(jù)無(wú)線電高度、俯仰角、俯仰速度及氣壓高度變化率信號(hào)，來(lái)判斷飛機(jī)是否會(huì)產(chǎn)生尾部撞擊地面或障礙物的情況，向飛行員發(fā)出提醒信號(hào)。

直升機(jī)在平坦地形離地（高度值10?m，高度值設(shè)定實(shí)際考慮直升機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度）空中懸停，調(diào)整直升機(jī)姿態(tài)以50°俯仰角懸停，當(dāng)出現(xiàn)“太低，尾部”告警后，立即減小角度，其飛行示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 尾部撞擊告警飛行示意圖

（9）前視地形回避告警驗(yàn)證

操縱直升機(jī)以巡航狀態(tài)以略高于前方預(yù)定山峰的高度水平飛行。當(dāng)出現(xiàn)“注意，障礙物”告警后，然后拉起飛機(jī)至安全高度，其飛行剖面見(jiàn)圖5。

2.2.2 EGPWS和雷達(dá)、光電等多傳感器數(shù)據(jù)融合

直升機(jī)EGPWS地形、障礙物告警功能主要依賴地形數(shù)據(jù)庫(kù)，可靠安全的地形數(shù)據(jù)庫(kù)是EGPWS功能的基礎(chǔ)。地形數(shù)據(jù)庫(kù)包括地形、障礙物、高壓線、機(jī)場(chǎng)等信息。國(guó)外杰普遜（Jeppesen）數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)更新快，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，如Honeywell等公司還研制了適應(yīng)于直升機(jī)的低空數(shù)據(jù)庫(kù)；而國(guó)內(nèi)，地形數(shù)據(jù)庫(kù)中低障礙物和高壓線數(shù)據(jù)不全或缺失，且無(wú)商業(yè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)更新，EGPWS的應(yīng)用受到較大的限制。

因此，EGPWS需要和雷達(dá)、光電等多傳感器數(shù)據(jù)融合，直升機(jī)上安裝的雷達(dá)、光電設(shè)備主動(dòng)探測(cè)的地形、障礙物圖像同EGPWS地形數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理，能彌補(bǔ)地形數(shù)據(jù)庫(kù)不全或者不夠準(zhǔn)確的缺陷，進(jìn)一步提高地形告警的性能。

以下給出雷達(dá)、紅外與EGPWS的數(shù)字地圖地形融合的解決步驟（見(jiàn)圖9）。

（1）根據(jù)EGPWS數(shù)據(jù)庫(kù)地圖精度，提取出地形網(wǎng)格。

（2）雷達(dá)探測(cè)地形坐標(biāo)變換至地形網(wǎng)格中；紅外探測(cè)數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)偏差校正、統(tǒng)一地理坐標(biāo)框架、重投影的空間配準(zhǔn)策略。

（3）將多次雷達(dá)/紅外探測(cè)地形加權(quán)積累，提高精度。

（4）達(dá)/紅外探測(cè)數(shù)據(jù)和地形網(wǎng)格融合，雷達(dá)/紅外未探測(cè)的地形用數(shù)字地形數(shù)據(jù)填充。

圖9 雷達(dá)與EGPWS地形融合

氣象雷達(dá)、毫米波雷達(dá)對(duì)地形進(jìn)行掃描，對(duì)回波信息處理并建立地形與障礙物的3D模型。同時(shí)，紅外成像系統(tǒng)利用紅外傳感器“穿透大氣”的探測(cè)能力，獲取外景清晰的圖像。將所獲所有傳感器的地形數(shù)據(jù)建立環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，與EGPWS的數(shù)字地圖地形庫(kù)進(jìn)行融合和處理，實(shí)現(xiàn)3D地形場(chǎng)景重構(gòu)，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)高精度的地形信息，用以精確防撞，如圖10所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從近地告警系統(tǒng)的介紹和增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)的原理出發(fā)，給出了增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)直升機(jī)上的安裝接口要求，并通過(guò)對(duì)告警算法、綜合近地告警系統(tǒng)信息融合技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)的闡述，給出了國(guó)內(nèi)直升機(jī)上安裝增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)的解決方案，為今后國(guó)內(nèi)直升機(jī)上安裝增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

圖10 多數(shù)據(jù)融合顯示

[1]劉儀. 防范可控飛行撞地事故的最新進(jìn)展[J]. 國(guó)際航空，2001（12）：41-42.

[2]劉連生，陳戴維. 增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)的特性及實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25（s1）：120-121.

[3]周成中，陸洋. 直升機(jī)前視地形告警算法研究[J]. 飛行力學(xué)，2016，34（3）：30-33.

[4]Honeywell：Mk_XXII_EGPWS，P-N_965-1590-XXX，1995：43-69[Z].

[5]楊劍，曹紅旗，李靖.近地告警系統(tǒng)飛行試驗(yàn)技術(shù)[J].航空電子技術(shù)，2010，41（3）：41-45.

Application of Enhanced Ground Proximity Warning System on Domestic Helicopters

Gu Xiaole Chen Ling

China Helicopter Research and Devlopment Institute, Jiangxi Jingdezhen 333001

EGPWS is a avionics device designed to help pilots avoid CFIT.It has been used on foreign helicopters but not on domestic helicopters. Considering the alarm algorithm and data fusion which combines EGPWS and radar, the paper studies the technology and requirements and combines the application environment of domestic helicopters to provide guidance to the application of GPWS on domestic helicopters in the future.

EGPWS; helicopter;alarm algorithms; data fusion

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