雷 創(chuàng)

基于系統(tǒng)性能的近地告警技術(shù)研究

雷 創(chuàng)

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

基于多種導(dǎo)航信息綜合處理、告警計算的近地告警系統(tǒng)，對于避免可控撞地事故、提升飛機安全具有重要意義。本文首先介紹了近地告警系統(tǒng)的工作原理，研究了基于SOC曲線的告警包線設(shè)計技術(shù)，并以過大近地速率告警模式為例進(jìn)行了告警包線的仿真。最后，利用實際飛行數(shù)據(jù)分析驗證了告警包線合理性以及導(dǎo)航信息可靠性對系統(tǒng)性能的影響。

近地告警；告警包線；可控飛行撞地

0 引言

可控飛行撞地（Controlled Flight Into Terrain，CFIT）事故歷來是航空運輸中最主要的危害因素之一，CFIT是指整個飛行過程中，在飛行員正常操作且沒有任何機械或電子故障等情況下，由于飛行員失去對飛行態(tài)勢的正確察覺或感知（包括飛機構(gòu)型、飛行高度、高度變化率、前方地形和障礙物等），從而造成飛機撞到地面、水面、山嶺或障礙物的事故[1-2]。

近地告警系統(tǒng)的成功研發(fā)和投入使用，大大提高了飛行的安全性。據(jù)統(tǒng)計，加裝近地告警的飛機未曾發(fā)生一起可控撞地事故。隨著對近地告警需求的不斷增加，美國聯(lián)邦航空局和中國民航總局分別制定了TSO-C151b和CTSO-C151b的《地形提示與警告系統(tǒng)》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了近地告警系統(tǒng)必須滿足的最低工作性能標(biāo)準(zhǔn)。

近地告警系統(tǒng)內(nèi)置多種告警模式，在起飛、巡航、進(jìn)近、著陸等各個飛行階段保護(hù)飛行安全，其中告警包線的合理性、導(dǎo)航信息的可靠性等均是影響系統(tǒng)工作性能的重要因素，同時影響著飛行員對近地告警系統(tǒng)的信任度。系統(tǒng)既要保護(hù)起降、航路的飛行安全，又不能滋擾飛行員，影響其正常操作。告警包線設(shè)計得不合理，要么頻繁告警、虛警率過高；要么沒有足夠的反應(yīng)和操作空間來避免碰撞的發(fā)生，影響飛行安全。國內(nèi)外采用基于系統(tǒng)操作性能（System Operating Characteristic，SOC）的告警閾值分析和設(shè)計方法，得到研究學(xué)者和科研人員的廣泛認(rèn)可，用于系統(tǒng)研發(fā)中的告警包線設(shè)計，并根據(jù)實際需求進(jìn)行優(yōu)化[3-5]，從而滿足安全飛行的應(yīng)用需求。本文首先介紹了近地告警系統(tǒng)的工作原理，研究了基于SOC曲線的告警包線設(shè)計技術(shù)，并以過大近地速率告警為例進(jìn)行了告警包線的設(shè)計仿真，最后利用實際飛行數(shù)據(jù)分析驗證了告警包線合理性以及導(dǎo)航信息可靠性對近地告警系統(tǒng)性能的影響。

1 近地告警系統(tǒng)工作原理

近地告警系統(tǒng)通過采集機載大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無線電高度表、慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)和儀表著陸系統(tǒng)等導(dǎo)航信息，根據(jù)起落架、襟翼等飛機構(gòu)型，并結(jié)合內(nèi)置的地形數(shù)據(jù)庫、機場數(shù)據(jù)庫以及當(dāng)前飛行階段，進(jìn)行多種模式的告警計算，當(dāng)飛機有撞地危險時，輸出語音和指示燈告警信息，顯示前方威脅地形，提醒飛行員進(jìn)行威脅規(guī)避，可有效避免可控撞地事件，如圖1所示。

圖1 近地告警系統(tǒng)工作原理

近地告警系統(tǒng)主要包括近地告警計算機和控制板兩個部件。近地告警計算機作為整個系統(tǒng)的核心，內(nèi)置過大下降速率告警、過大近地速率告警、起飛后掉高度告警、非安全離地高度告警、過大下滑道偏差告警、高度呼叫、前視地形回避告警和威脅地形渲染等告警模式；控制板用于實現(xiàn)下滑道抑制、起落架抑制和襟翼抑制等告警抑制功能，以及二維/三維地形切換、量程調(diào)節(jié)等人機交互功能。

2 基于SOC曲線的告警包線設(shè)計

2.1 SOC分析方法

在各個飛行階段，近地告警系統(tǒng)周期性的計算當(dāng)前飛行狀態(tài)是否進(jìn)入告警包線區(qū)域內(nèi)從而發(fā)出告警提示，系統(tǒng)設(shè)計中需考慮虛警和漏警等問題?；诟怕式y(tǒng)計理論，利用SOC曲線的告警包線設(shè)計方法，能夠綜合考慮虛警和漏警等對系統(tǒng)的影響，以及運用蒙特卡洛仿真方法得到不同狀態(tài)下最佳的告警閾值點。

圖2 SOC曲線示意圖

定義系統(tǒng)告警的收益函數(shù)如式（3）所示：

2.2 飛行軌跡預(yù)測

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，告警發(fā)生后飛行員經(jīng)過一定的反應(yīng)延遲后操縱飛機規(guī)避危險。因此飛機告警后規(guī)避軌跡可分為反應(yīng)延遲階段、拉升逃逸階段與穩(wěn)定保持階段，如圖3所示。其中實線為根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測的飛行軌跡，虛線為產(chǎn)生告警后飛行員操縱飛機的逃逸軌跡。

圖3 飛行軌跡預(yù)測

2.3 過大下降速率告警模式包線仿真

過大下降速率告警模式適用于所有飛行階段，告警觸發(fā)條件與襟翼、起落架等飛機構(gòu)型無關(guān)，告警示意圖如圖4所示。在飛行過程中，該模式監(jiān)控飛機的無線電高度與下降速率，當(dāng)下降速率過大時產(chǎn)生告警提示。其中，下降速率可通過大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的升降速度、慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的天向速度等方式獲得。根據(jù)危及飛機飛行安全的程度，該模式分為注意級告警和警告級告警兩個級別。當(dāng)進(jìn)入注意級邊界時，輸出注意級的“下降率”告警；當(dāng)進(jìn)入警告級邊界時，輸出警告級的“拉起”告警；當(dāng)飛機脫離告警區(qū)域時，告警立即解除。

圖4 過大下降速率告警示意圖

過大下降速率告警是防止飛機因過大的下降速率而導(dǎo)致撞地事故，該模式由無線電高度和下降速率兩個參數(shù)進(jìn)行告警計算判斷是否進(jìn)入報警區(qū)域并產(chǎn)生告警。由此，采用蒙特卡洛仿真的方法，首先固定一個無線電高度作為初始參數(shù)，對飛機下降速率進(jìn)行一定范圍內(nèi)的循環(huán)，即在每個循環(huán)體中都有一對確定的狀態(tài)參數(shù)共同作為初始條件。根據(jù)初始條件進(jìn)行如圖3所示的預(yù)測軌跡和告警后逃逸軌跡的模擬仿真。

基于上述條件進(jìn)行仿真驗證，可獲得最佳告警收益點時無線電高度和下降速率的對應(yīng)值，注意級和警告級的告警閾值如圖5所示，進(jìn)行擬合后得到過大近地速率的告警包線如圖6所示。

圖5 注意級和警告級告警閾值仿真

圖6 過大下降速率告警包線

3 飛行數(shù)據(jù)驗證

過大下降速率告警模式用于在飛機下降速率過大時產(chǎn)生告警提示，但不能在正常降落階段產(chǎn)生告警滋擾。根據(jù)2.3節(jié)中的過大下降速率告警包線，結(jié)合飛機實際著陸過程中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，對其在正常著陸階段的導(dǎo)航信息和告警結(jié)果進(jìn)行分析驗證。

著陸過程中海拔高度的變化如圖7所示，可以看出高度變化始終較為平緩；飛機的下降速率如圖8所示，分別為大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的升降速度和慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的天向速度。因氣流及其工作機理等因素的影響，升降速度的波動較大，而天向速度較為平穩(wěn)，相比較而言，天向速度可真實地反應(yīng)飛機海拔高度的變化。圖9和圖10分別為基于升降速度和天向速度產(chǎn)生的告警結(jié)果，0表示無告警，1表示產(chǎn)生注意級告警，2表示產(chǎn)生警告級告警。

圖7 著陸階段的海拔高度隨時間的變化

圖8 著陸階段的下降速度對比

圖9 基于升降速度計算的告警結(jié)果

圖10 基于天向速度計算的告警結(jié)果

可以看出，同樣是反應(yīng)飛機下降速率的導(dǎo)航信息，不同信息源的選擇，產(chǎn)生的告警結(jié)果是不同的。因為升降速度的波動性，多次產(chǎn)生了注意級告警和警告級告警，均為虛警，干擾了飛行員的正常著陸操作，并且這種波動是無法通過信息濾波等方式消除的；而基于天向速度的方式在整個著陸階段始終未觸發(fā)告警包線。

因此，告警包線的合理性以及導(dǎo)航信息的可靠性均決定著近地告警的系統(tǒng)性能。兩種導(dǎo)航源測量下降速率的機理是不同的，慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的天向速度更能真實、精確地反映飛機真實高度的變化，用于告警計算更為準(zhǔn)確，因而天向速度宜作為過大下降速率告警模式的首選導(dǎo)航源。

4 結(jié)論

近地告警系統(tǒng)對于提高飛行安全具有重要意義，本文介紹了近地告警系統(tǒng)主要功能和工作原理，研究了基于SOC曲線的告警包線設(shè)計方法，結(jié)合近地告警特點分析了飛行軌跡預(yù)測和規(guī)避軌跡模型，對過大近地速率告警模式進(jìn)行了告警包線的仿真。利用實際飛行數(shù)據(jù)，分析了告警包線合理性及導(dǎo)航信息可靠性對系統(tǒng)性能的影響，驗證了采用可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)可顯著降低近地告警系統(tǒng)的虛警率。

[1] 徐柏齡. 新中國民航飛行安全回顧與思考[M]. 北京：中國民航出版社，1999．

[2] 趙曉晴. 基于飛行仿真的近地告警驗證系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 天津：中國民航大學(xué)，2015．

[3] 陳廣永，何亦征，龔華軍. 近地告警系統(tǒng)報警閾值算法研究[J]. 航空電子技術(shù)，2007，38（3）：25-30．

[4] 楊超. 地形感知和告警系統(tǒng)（TAWS）研究及仿真實現(xiàn)[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2011．

[5] 傅辰濤. 地形感知和告警系統(tǒng)中地形數(shù)據(jù)和告警功能的研究與實現(xiàn)[D]. 南京：江蘇科技大學(xué)，2014.

Research of Ground Proximity Warning Based on System Characteristic

LEI Chuang

Based on the comprehensive processing and the alarm calculation of multiple navigation information, Ground Proximity Warning System is of great significance for avoiding controlled flight into terrain accidents and improving aircraft safety. First，the paper introduces the working principle of Ground Proximity Warning System, and studies the design technology of the alert envelope based on the SOC curve. Second, as an example, the warning mode of the high near ground rate is taking to simulate the alerting envelope. Finally, by using the actual fighting data, the rationality of alerting envelope and the reliability of navigation information are analyzed to affect the performance of the system.

Ground Proximity Warning; Alerting Envelope; Controlled Flight Into Terrain

U674

A

1674-7976-(2021)-04-246-05

2021-04-25。雷創(chuàng)（1983.10-），陜西大荔人，高級工程師，博士，主要研究方向為機載導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)、智能安全導(dǎo)航技術(shù)等。