飛機地形感知和告警系統(tǒng)仿真器設計

李視陽，何 方，趙春玲，肖 剛

(1.上海交通大學 自動化系，上海200240;2.上海飛機設計研究院 航電部，上海201210;3.上海交通大學 航空航天學院，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。根據飛行安全基金會(Flight Safety Foundation，FSF)的民用飛機事故報告，因CFIT而死亡的人數，約占民用航空運輸重大事故死亡人數的80%。

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

GPWS在實際應用中發(fā)揮著重要作用，但CFIT仍是導致民用飛機發(fā)生事故的主要原因。

GPWS的不足迫使航空界對傳統(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)提前報警的時間，給飛行員以更多的反應裕度，可以在更大程度上避免CFIT事故的發(fā)生。據統(tǒng)計，全世界已安裝EGPWS設備的飛機尚未發(fā)生過CFIT事故。

國外對于TAWS的研究和應用均較為成熟。美國聯邦航空局(Federal Aviation Administration，FAA)為TAWS制定了相應的規(guī)范，如RTCA/DO－161A、TSOC92c和TSO－C151b，以Honeywell公司為代表，該公司開發(fā)了8大系列30多個品種規(guī)格的產品，其EGPWS產品基本壟斷了TAWS產品領域。

國內的相關研究仍處于起步階段。目前，以對國外產品的模仿為主，缺乏深入系統(tǒng)的研究;且沒有國產的TAWS產品，對于如何通過復雜嚴格的適航認證方面，更是處于摸索階段［2］。

2008年，中國大型客機研制工作的啟動顯示出為我國研制具有自主品牌大飛機的決心。對近地告警系統(tǒng)進行原理研究和仿真驗證，可幫助打造出國內有自身核心技術的近地告警系統(tǒng)產品，以提高我國的航空技術。

1 地形感知和告警系統(tǒng)

TAWS的首要目標是避免CFIT事故的發(fā)生，TAWS接收經緯度坐標、飛行高度、姿態(tài)、航向和航速等參數作為輸入，應用相應的告警算法進行處理，對于進入告警包線的狀態(tài)，會為飛行員提供語音和視覺的告警信息，以及地形畫面顯示，提醒飛行員進行必要的操作，離開危險狀態(tài)，保障飛行安全［3］。

1.1 增強型近地告警系統(tǒng)

圖1為Honeywell公司的EGPWS產品系統(tǒng)結構圖［4］。

圖1 EGPWS系統(tǒng)結構圖

如圖1所示，地形提示和告警系統(tǒng)接收由飛機傳感器或其他系統(tǒng)提供輸入的參數，傳遞給增強型近地警告計算機(EGPWC)，而EGPWC結合輸入參數以及地形和機場數據庫，通過內置的告警算法進行各個告警功能判斷，將告警信息輸出到對應的駕駛艙揚聲器和警示燈，將前視地形圖像輸出到導航顯示器進行顯示。

1.2 地形感知和告警系統(tǒng)仿真器架構

文獻［6］提出了EGPWS的仿真器設計方案，詳細闡述了其功能、內部結構、硬件和軟件設計［5］。文獻［6］和Honeywell公司的EGPWS產品系統(tǒng)結構，TAWS仿真器軟件框架設計如圖2所示。

圖2 TAWS仿真器軟件結構圖

TAWS仿真器軟件包含以下模塊:通信接口程序、地形和機場數據庫、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、輸入輸出數據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)仿真器設計

2.1 通信接口模塊

TAWS仿真器通信接口部分使用UDP數據包方式與綜合監(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］編碼的各項參數［7］，輸入接口程序將其進行解碼，并傳送給TAWS其他模塊。同樣，輸出接口程序將TAWS告警模塊輸出的告警數據按照ARINC 429格式進行編碼，并發(fā)送給ISS主機。

2.2 地形和機場數據庫

地形數據選用由美國發(fā)射的“奮進”號航天飛機上搭載的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)系統(tǒng)采集和處理得到的數字地形高程模型(Digital Elevation Model，DEM)產品SRTM 3。

SRTM 3地形數據覆蓋了全球南北緯60°以內的區(qū)域，水平分辨率約為90 m。每個SRTM 3數據文件覆蓋1經度×1緯度的地區(qū)，即1 201×1 201個數據點。

文獻［4］完成了全球數字地形數據庫的構建，并結合當前飛機位置，采用查詢地形經緯度帶以及分區(qū)的方式，完成地形數據的實時搜索，地形數據調度采用動態(tài)調度以及分層調度相結合的方式，進行數據的動態(tài)讀取以及刪除［8］。

機場數據使用了X－Plane飛行模擬器提供的全球真實機場數據［3］，包括機場和跑道經緯度坐標，海拔高度等數據，能夠為飛機的飛行狀態(tài)判斷以及TCF(Terrain Clearance Floor)告警提供有效數據。

2.3 GPWS告警算法

GPWS包括6種告警功能模式:

模式1下降率過大;

模式2地形接近率過大;

模式3起飛或復飛后爬升掉高;

模式4非著陸狀態(tài)下的不安全離地高度;

模式5下滑道偏離度過大;

模式6傾斜角過大和高度報告;

參考Honeywell公司的EGPWS產品MK VIII的產品說明［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［9～10］使用基于性能指標報警閾值的設計方法，對GPWS各個模式告警曲線閾值進行了研究，得到的告警曲線與文獻［4］給出的告警曲線吻合［9－10］。

TAWS仿真器實現了各個模式的告警算法和告警優(yōu)先級的判斷，實時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時間以及飛機的操作延遲，飛機按照當前軌跡飛行一定時間，然后按飛機的最大爬升能力拉起并爬升，若飛機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)，則給出相應的警戒或警告信息［11］。

圖5 前視地形告警包線示意圖

文獻［12］提出一種基于概率統(tǒng)計原理的前視告警時間閾值設置方法并進行了仿真實驗，仿真結果表明，最優(yōu)前視告警閾值與工程實際上的前視告警時間閾值一致［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附近地形數據的高度值與當前飛行高度進行比對，根據威脅程度為地形賦予不同的顏色，并使用OpenGL在仿真器軟件中進行實現。

圖6 前視地形顯示

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

圖7 垂直剖面地形顯示

真實的TAWS設備將告警信息輸出到對應的駕駛艙揚聲器、警示燈和顯示器。TAWS仿真器軟件同樣在報警產生時，給出語音播報，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數據，為調試與測試提供支持。

TAWS仿真器會記錄仿真過程中產生的告警信息和對應的飛行參數以及故障信息，如輸入數據解碼錯誤、地形數據無法讀取等信息，為調試與測試提供支持。

3 仿真器實現與結果

TAWS仿真器使用C++語言編程實現TAWS各個模塊的功能;并使用UDP數據報協議與綜合監(jiān)視系統(tǒng)(ISS)主控軟件通信，模擬ARINC 429數據的傳輸;使用OpenGL實現前視地形和垂直剖面的顯示;使用MFC實現仿真器軟件的圖形化界面，構成了在Windows操作系統(tǒng)下的完整軟件包和說明文檔。

4 結束語

本文提出了一個地形感知和告警系統(tǒng)仿真器軟件架構方案，完成了與ISS仿真器的通信接口設計、地形和機場數據庫選擇，實現了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、輸入輸出數據顯示、告警和故障信息日志記錄等功能，為航電系統(tǒng)的仿真、測試和驗證研究以及復雜航電系統(tǒng)間的ICD設計提供了有力支持。

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

［2］ 何創(chuàng)新，鐘建坡，侯學暉.近地告警系統(tǒng)國內外現狀與發(fā)展概述［C］.南昌:第五屆中國航空學會青年科技論壇，2012.

［3］Department of Transportation Federal Aviation Administration Aircraft Certification Service.TSO－C151b，terrain awareness and warning system［S］.Washington，DC，USA:Department of Transportation Federal Aviation Administration Aircraft Certification Service，2002.

［4］Honeywell International Inc.Product specification for the enhanced ground proximity warning system［M］.USA:Honeywell International Inc，2009.

［5］ 陳冬梅.機載增強型近地告警系統(tǒng)的設計［C］.深圳:大型飛機關鍵技術高層論壇暨中國航空學會，2007.

［6］Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC specification 429 P1－18 digital information transfer system(DITS)，Part 1，functional description，electrical interfaces，label assignments and word formats［M］.USA:Airlines Electronic Engineering Committee，2004.

［7］Honeywell International Inc.MK VI and MK VIII enhanced ground proximity warning system installation design guide［M］.USA:Honeywell International Inc，2003.

［8］ 麻士東，何運成，王仲，等.機載增強型近地警告系統(tǒng)仿真驗證研究［C］.三亞:第14屆中國系統(tǒng)仿真技術與應用大會，2012.

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

［10］陳廣永.近地告警系統(tǒng)報警曲線算法模型與控制仿真研究［D］.南京:南京航空航天大學，2008.

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

［12］宋東，李文娟，裴林，等.增強型近地警告系統(tǒng)前視預警算法設計與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21(20):6666－6674.