應(yīng)急救生定位系統(tǒng)在直升機(jī)上的應(yīng)用研究

張 偉

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

應(yīng)急救生定位系統(tǒng)或應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)（ELT）是載人航空器的必需設(shè)備。應(yīng)急救生定位系統(tǒng)或ELT在航空器遇險(xiǎn)時(shí)，通過衛(wèi)星、超短波等信道及時(shí)向地面人員發(fā)送遇險(xiǎn)信號(hào)，并持續(xù)發(fā)送信標(biāo)信號(hào)。

1 概述

當(dāng)前，已經(jīng)有多款產(chǎn)品應(yīng)用于直升機(jī)平臺(tái)，在國產(chǎn)直升機(jī)上配裝的應(yīng)急救生定位系統(tǒng)既有基于全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）的EBC-406HM、KANNAD-406AF等進(jìn)口設(shè)備，也有基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的某型應(yīng)急救生信標(biāo)機(jī)，極大提高了國產(chǎn)直升機(jī)應(yīng)急救援的獨(dú)立自主性。

本文從工作原理、安裝要求、自檢維護(hù)等方面介紹了應(yīng)急救生定位系統(tǒng)在國產(chǎn)直升機(jī)上的應(yīng)用。針對(duì)應(yīng)急救生定位系統(tǒng)過載觸發(fā)的方式，本文詳細(xì)討論了其觸發(fā)條件的定義及閾值設(shè)定原則，提出了一種采集試飛過載數(shù)據(jù)并進(jìn)行線下分析的過載閾值標(biāo)定方法。

2 工作原理

應(yīng)急救生定位系統(tǒng)通常處于待機(jī)模式，監(jiān)控直升機(jī)的過載情況；直升機(jī)應(yīng)急觸發(fā)后，即刻向全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）發(fā)送信息；或者通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送定位信息。

應(yīng)急救生定位系統(tǒng)還將持續(xù)廣播AM121.5MHz或AM243MHz的信標(biāo)信號(hào)，救援人員或直升機(jī)可通過超短波定向儀等設(shè)備對(duì)遇險(xiǎn)直升機(jī)進(jìn)行定向搜索。

應(yīng)急救生定位系統(tǒng)的觸發(fā)方式為手動(dòng)觸發(fā)或過載觸發(fā)。部分設(shè)備還配備了浸水傳感器，具有浸水觸發(fā)功能，在直升機(jī)落水后傳感器將被自動(dòng)觸發(fā)，隨后釋放內(nèi)置了衛(wèi)星通信和信標(biāo)發(fā)射裝置的漂浮設(shè)備。

3 安裝要求

應(yīng)急救生定位系統(tǒng)EBC-406HM為便攜式一體機(jī)，自帶天線并內(nèi)置過載傳感器、電池和GPS系統(tǒng)，飛行員可隨身攜帶，實(shí)時(shí)發(fā)送自身位置。通常，設(shè)備以快卸方式安裝在托架上，托架通過螺釘緊固在直升機(jī)結(jié)構(gòu)骨架上或直升機(jī)蒙皮內(nèi)側(cè)上。EBC-406HM的安裝位置要求盡可能接近飛行員，其內(nèi)置的過載傳感器采集直升機(jī)航向、橫向及縱向的過載值，該過載值與機(jī)上位置緊密相關(guān)，距離飛行員越近，越能真實(shí)反映飛行員所受的沖擊過載值。EBC-406HM為貨架產(chǎn)品，現(xiàn)配裝在某型國產(chǎn)民用直升機(jī)上。

應(yīng)急救生定位系統(tǒng)KANNAD-406AF為分立式系統(tǒng)，包括主機(jī)、控制盒、天線。主機(jī)內(nèi)置了過載傳感器和電池，并向控制盒供電，預(yù)留的接口可以接入機(jī)上慣導(dǎo)系統(tǒng)，并獲取直升機(jī)的實(shí)時(shí)位置信息?？刂坪幸话惆惭b在儀表板上，便于飛行員操作；主機(jī)安裝在全機(jī)重心附近；天線安裝在直升機(jī)駕駛艙頂部或發(fā)動(dòng)機(jī)艙外蒙皮上。與EBC-406HM相比，KANNAD-406AF不具有便攜性，飛行員如果要離開直升機(jī)，還需再配備便攜式的ELT；KANNAD-406AF的優(yōu)點(diǎn)是其發(fā)射功率和天線增益較大，提高了搜索的效率，縮短了救援搜索時(shí)間。KANNAD-406AF也為貨架產(chǎn)品，現(xiàn)配裝在另外一型民用特種直升機(jī)上。但是，由于其分立式的系統(tǒng)架構(gòu)，降低了系統(tǒng)維護(hù)的便利性，特別是由于直升機(jī)機(jī)身較小，維護(hù)操作空間有限，實(shí)際使用中存在維護(hù)不便的問題。

文獻(xiàn)[1]提到的北斗信標(biāo)機(jī)也是一種分立式系統(tǒng)，包括北斗天線、信標(biāo)天線、主機(jī)和控制盒。考慮到直升機(jī)遇險(xiǎn)時(shí)，主要向上發(fā)送信號(hào)，北斗天線安裝于某型國產(chǎn)直升機(jī)尾梁上部，信標(biāo)天線安裝于座艙頂棚上部。

4 自檢維護(hù)

應(yīng)急救生定位系統(tǒng)或ELT在緊急情況下工作，需要自帶電池。目前應(yīng)用最廣泛的是鋰錳電池，壽命為6年。電池到期或者應(yīng)急發(fā)射工作以后，就需要替換電池。

EBC-406HM和KANNAD-406AF是基于全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT），首次使用需要注冊(cè)直升機(jī)平臺(tái)信息，每次注冊(cè)的有效期為2年。國產(chǎn)的救生信標(biāo)機(jī)是基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，需要申領(lǐng)北斗用戶卡，并向地面救援部門（或指揮所）上報(bào)備案。

文獻(xiàn)[2]和[3]提到了過載啟動(dòng)傳感器的檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)需要短接設(shè)備上的針腳，使得過載檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)模式，降低其觸發(fā)閾值，快速甩動(dòng)設(shè)備即可觸發(fā)警告。國產(chǎn)救生信標(biāo)機(jī)的過載傳感器檢測(cè)還需要外場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備，與國外產(chǎn)品相比尚有差距。

應(yīng)急救生定位系統(tǒng)需要進(jìn)行周期性發(fā)射檢測(cè)，依據(jù)相關(guān)民航規(guī)定，其檢測(cè)時(shí)間為整點(diǎn)后5min以內(nèi)進(jìn)行。

5 觸發(fā)條件

5.1 過載閾值的定義

直升機(jī)的過載觸發(fā)閾值Q為一矢量值，以載機(jī)航向?yàn)閄軸，側(cè)向?yàn)閅軸，垂向?yàn)閆軸，可將Q值分解為Qx、Qy、Qz3個(gè)標(biāo)量值。通常應(yīng)急救生定位系統(tǒng)內(nèi)置3個(gè)相互垂直的過載傳感器，分別檢測(cè)X向、Y向、Z向的過載值。

圖1為直升機(jī)過載閾值的觸發(fā)條件，T1為過載值q上升階段達(dá)到Q值的時(shí)刻，T2為過載值q下降階段達(dá)到Q值的時(shí)刻。T= T2-T1，為過載脈沖寬度值。

過載觸發(fā)條件中還應(yīng)給定一個(gè)最小脈沖寬度Tmin，當(dāng)T≥Tmin時(shí)，即滿足過載觸發(fā)條件。

圖1 直升機(jī)過載閾值的觸發(fā)條件

5.2 直升機(jī)的過載觸發(fā)閾值條件

文獻(xiàn)[2]中KANNAD-406AF的過載觸發(fā)條件符合ED62標(biāo)準(zhǔn)要求，其設(shè)置的過載觸發(fā)閾值由專門的碰撞研究機(jī)構(gòu)（Crash Research Institute）分析大量撞擊數(shù)據(jù)后提出，為一固定值。文獻(xiàn)[3]中EBC-406HM的過載閾值為5g～7g，也為固定值。

5.3 過載傳感器的位置選擇

過載傳感器的安裝位置不同，其采集到的載機(jī)過載值也會(huì)有很大的差異，依據(jù)對(duì)過載條件的判斷和處置方法的不同，可以有兩種安裝位置。

普遍采用的方法為將過載傳感器的安裝位置選在盡可能靠近飛行員的位置，該位置所檢測(cè)的過載值能真實(shí)反映飛行員所受的過載值。當(dāng)過載傳感器采集到的過載值大于5g～7g時(shí)，即可過載觸發(fā)，這一條件的確定應(yīng)是基于人體所耐受的過載極限，與載機(jī)平臺(tái)并不相關(guān)。當(dāng)過載值超過5g～7g時(shí)，飛行員就可能出現(xiàn)昏迷等無法手動(dòng)觸發(fā)的情況。此時(shí)，就需要應(yīng)急救生定位系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)。反之，當(dāng)過載值小于5g～7g時(shí)，可以認(rèn)為飛行員尚具有手動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)應(yīng)急救生定位系統(tǒng)的能力。

另一種過載傳感器的安裝位置為盡可能靠近直升機(jī)重心的位置，使其盡可能真實(shí)反映載機(jī)所受的過載值，不會(huì)由于直升機(jī)高速機(jī)動(dòng)而誤觸發(fā)啟動(dòng)。對(duì)于軍用直升機(jī)而言，直升機(jī)在高速機(jī)動(dòng)過程中，很可能在局部產(chǎn)生大的過載值，此時(shí)將載機(jī)本身的過載極限作為判斷依據(jù)則更加合理。

5.4 一種基于試飛數(shù)據(jù)的閾值標(biāo)定方法

前文提到的兩款國外產(chǎn)品的過載閾值均不會(huì)隨直升機(jī)平臺(tái)的變化而更改，而在實(shí)際應(yīng)用過程中，不僅不同的平臺(tái)其振動(dòng)過載不同，甚至在不同的安裝位置，過載值都有很大不同。而不同的產(chǎn)品，選用的過載傳感器也存在差異，若采用統(tǒng)一的過載閾值，就會(huì)存在誤觸發(fā)或者過載觸發(fā)失效的情況。

為減少上述誤差，可在過載傳感器中內(nèi)置過載數(shù)據(jù)記錄單元，并在設(shè)備上預(yù)留數(shù)據(jù)卸載接口，每次飛行后，由地面維護(hù)人員將本次飛行的過載數(shù)據(jù)全部下載，通過數(shù)據(jù)分析軟件，得出直升機(jī)一次正常飛行的過載峰值及其脈寬值。通過多次飛行數(shù)據(jù)的積累，特別是多種環(huán)境條件下的試飛數(shù)據(jù)的積累，得出直升機(jī)平臺(tái)的正常過載峰值及其脈寬值，將這個(gè)值作為該型平臺(tái)的過載觸發(fā)閾值。

這種通過采集試飛數(shù)據(jù)在線下進(jìn)行分析的方式，可以最大限度減小誤觸發(fā)的概率，并保證過載觸發(fā)的有效性。其不足之處是在試飛階段無法采用過載觸發(fā)的方式，考慮到直升機(jī)平臺(tái)試飛過程中受到嚴(yán)密監(jiān)控，實(shí)時(shí)位置和飛行狀態(tài)信息可以通過其他方式傳輸?shù)降孛嬷笓]臺(tái)，此不足的影響可以忽略。

6 試飛考核

不同于其他航電設(shè)備，應(yīng)急救生定位系統(tǒng)的試飛考核因?yàn)闊o法設(shè)置直升機(jī)遇險(xiǎn)產(chǎn)生大過載的考核條件，因而無法全面檢測(cè)其指標(biāo)的有效性，實(shí)際在試飛驗(yàn)證中僅能通過飛行員手動(dòng)觸發(fā)的方式，考核其衛(wèi)星定位及信標(biāo)發(fā)射的有效性。對(duì)于過載觸發(fā)功能的測(cè)試，目前還只能通過在試驗(yàn)室設(shè)置觸發(fā)閾值進(jìn)行考核。所以，通過采集試飛數(shù)據(jù)并進(jìn)行線下分析的過載閾值標(biāo)定方法，也最大限度地滿足了產(chǎn)品功能指標(biāo)的試飛要求。

7 結(jié)束語

直升機(jī)載應(yīng)急救生定位系統(tǒng)是直升機(jī)遇險(xiǎn)時(shí)順利開展救援的重要保障。過載觸發(fā)條件的確定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文給出了過載閾值的定義，并結(jié)合國內(nèi)外產(chǎn)品，分析了過載閾值的設(shè)置條件及不同設(shè)置條件下選取過載傳感器安裝位置的方法。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種結(jié)合直升機(jī)平臺(tái)試飛，采集過載數(shù)據(jù)并進(jìn)行線下分析的過載閾值標(biāo)定方法。

未來應(yīng)急救生定位系統(tǒng)將日益融入航電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中，在分析積累數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步研究自適應(yīng)的過載閾值設(shè)置算法，以便提高系統(tǒng)的通用性，降低研發(fā)成本。