高等級模擬機(jī)空中交通警告與防撞系統(tǒng)仿真技術(shù)研究

孔令帥 段坷 姚瑤

摘 要：基于不同的高等級模擬機(jī)空中交通警告與防撞系統(tǒng)（Traffic Alert and Collision Avoidance System，TCAS）沖突訓(xùn)練科目，抽象出飛行過程中十種典型入侵飛機(jī)模型，模擬空中可能出現(xiàn)的交通沖突，建立入侵飛機(jī)方位、高度、速度等參數(shù)的通用仿真計算算法，實現(xiàn)入侵飛機(jī)的動態(tài)模擬，并解算入侵飛機(jī)經(jīng)緯度、絕對高度等信息用于視景系統(tǒng)顯示。建立應(yīng)答機(jī)仿真模型，模擬通過應(yīng)答機(jī)詢問獲取入侵飛機(jī)識別碼及高度信息的過程，然后根據(jù)獲取的入侵飛機(jī)的位置、高度等參數(shù)，推測最接近點（Closest Point of Approach，CPA）及到達(dá)最接近點的時間，結(jié)合本機(jī)當(dāng)前飛行高度及TCAS靈敏度，實現(xiàn)入侵目標(biāo)威脅等級判斷。當(dāng)出現(xiàn)決策建議（Resolution Advisory，RA）級別沖突時，解脫決策算法給出解脫建議，最終輸出入侵目標(biāo)的信息和沖突解脫決策到指示記錄系統(tǒng)仿真界面，實現(xiàn)交通信息提示和解脫建議的顯示。經(jīng)驗證，仿真模型正確模擬機(jī)載TCAS系統(tǒng)工作邏輯，入侵目標(biāo)的仿真計算可有效模擬空中出現(xiàn)的交通沖突、威脅等級判斷及解脫建議算法，可滿足模擬訓(xùn)練要求。

關(guān)鍵詞：高等級模擬機(jī);TCAS仿真;入侵目標(biāo)仿真;威脅等級判斷;解脫建議

中圖分類號：V328

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5048（2020）06-0097-06

0 引? 言

隨著空中航路越來越繁忙，空中交通出現(xiàn)沖突的情況越來越多。為保障飛行安全，空中交通警告與防撞系統(tǒng)（TCAS）的作用越發(fā)重要[1-2]。TCAS是民用客機(jī)的重要組成部分，通過詢問空中附近飛機(jī)的交通狀況，識別和預(yù)測潛在撞擊的危險[1，3-4]。當(dāng)發(fā)生交通沖突時，觸發(fā)垂直速度指令，以避免相撞，同時產(chǎn)生視覺和聽覺的警告信息，并將這些信息提供給座艙顯示和語音系統(tǒng)[5]。飛行員在實際飛行中不可能有練習(xí)使用 TCAS 的機(jī)會[6]，因此，在模擬機(jī)上和其他仿真訓(xùn)練系統(tǒng)上進(jìn)行TCAS訓(xùn)練就顯得很重要。在高等級模擬機(jī)（C級/D級）中，TCAS訓(xùn)練已成為固定的訓(xùn)練科目[7]。因此，在高等級模擬機(jī)中，如何逼真地模擬空中交通環(huán)境以滿足Traffic Advisory （TA）和Resolution Advisory（RA）決策訓(xùn)練至關(guān)重要。

本文針對高等級模擬機(jī)訓(xùn)練需求仿真空中交通環(huán)境，建立入侵飛機(jī)的數(shù)學(xué)模型，由綜合控制臺設(shè)置加載入侵飛機(jī)的命令，使其按照一定的方位、高度、速度接近本機(jī)，同時，通過軟件仿真的方式模擬某型國產(chǎn)大型客機(jī)機(jī)載TCAS系統(tǒng)，模擬其不同工作模式，按照TCAS的避撞算法[8]解算入侵飛機(jī)的CPA距離、CPA時間、高度、方位，進(jìn)而判斷威脅級別及相應(yīng)決策信息，并將入侵飛機(jī)參數(shù)和告警信息輸出給指示記錄系統(tǒng)仿真軟件，實現(xiàn)交通信息顯示。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

TCAS仿真軟件分為入侵目標(biāo)仿真模塊、TCAS工作模式仿真模塊、沖突檢測及避撞決策模塊、交通告警信息輸出模塊、Transponder（XPDR）應(yīng)答機(jī)仿真模塊。系統(tǒng)組成如圖1所示。

TCAS仿真系統(tǒng)工作原理如圖2所示。綜合控制臺（Instructor Operating Station，IOS）設(shè)置入侵目標(biāo)的激活指令，由入侵目標(biāo)仿真模塊進(jìn)行響應(yīng)模擬解算場景中可能出現(xiàn)的入侵飛機(jī)。TCAS工作模式仿真模塊接收調(diào)諧控制板（Tuning Control Panel，TCP）設(shè)置的工作模式、高度層選擇、高度顯示模式等相關(guān)控制指令，控制TCAS的工作模式。XPDR應(yīng)答機(jī)仿真模塊結(jié)合入侵目標(biāo)仿真模塊的解算結(jié)果，模擬通過應(yīng)答機(jī)獲取入侵飛機(jī)識別碼、高度等信息[9]，將入侵目標(biāo)經(jīng)緯度、高度信息輸出至沖突檢測避撞決策模塊。由該模塊判斷入侵飛機(jī)的威脅等級，并解算相應(yīng)的解脫建議，最終交通告警信息輸出模塊結(jié)合TCAS當(dāng)前工作模式和顯示模式輸出交通符號信息、建議的解脫方向及垂直速度[10]至指示記錄系統(tǒng)進(jìn)行顯示。同時，XPDR應(yīng)答機(jī)模塊還接收TCP設(shè)置的本機(jī)識別碼，響應(yīng)IOS設(shè)置的ATC（Air Traffic Control）詢問指令，回報本機(jī)識別碼及當(dāng)前高度信息至IOS進(jìn)行顯示。

2 仿真模塊設(shè)計

2.1 入侵目標(biāo)仿真

入侵目標(biāo)仿真模塊根據(jù)接收的入侵目標(biāo)激活指令信息，激活入侵目標(biāo)，根據(jù)預(yù)設(shè)的十種入侵目標(biāo)相對本機(jī)的初始相對距離、方位、相對高度、速率等信息，實時解算入侵目標(biāo)相對本機(jī)的距離以及經(jīng)緯度信息，將位置數(shù)據(jù)輸出至沖突檢測避撞決策模塊，同時輸出入侵目標(biāo)位置信息給視景系統(tǒng)進(jìn)行顯示。入侵激活指令信息以消息的形式進(jìn)行接收，由綜合控制臺觸發(fā)。

針對訓(xùn)練要求，提煉出十種典型入侵場景，包括TA、單機(jī)RA（Climb/Descend）、多機(jī)RA[11]等場景。采用逆向仿真的思路，首先確認(rèn)TCAS將向飛行員輸出的RA決策，再采集本機(jī)當(dāng)前的經(jīng)緯度、航向、高度，實時調(diào)整入侵飛機(jī)的相對方位和航跡角，以保證預(yù)定的RA沖突一定會發(fā)生。

入侵目標(biāo)的運(yùn)動方式設(shè)定為勻速運(yùn)動，但在多機(jī)沖突的情況下，為觸發(fā)進(jìn)一步的RA決策[12]，存在對其中一架入侵目標(biāo)的飛行速率進(jìn)行調(diào)整的情況。入侵目標(biāo)初始接近速率設(shè)計為300節(jié)、400節(jié)、500節(jié)，升降速率根據(jù)設(shè)計的RA場景在滿足一定條件（如：高度差）時觸發(fā)。場景不模擬入侵飛機(jī)主動做出航向避撞的動作情況[13-14]，故默認(rèn)入侵飛機(jī)入侵軌跡為直線。

入侵飛機(jī)初始位置、航跡計算過程如下：

（1） 由本機(jī)航向角θT及教員選擇的入侵飛機(jī)方位角αIn，解算出入侵飛機(jī)航跡角θIn（根據(jù)機(jī)載TCAS接口數(shù)據(jù)要求，θIn值域為[-180，180））：

θIn=（θT+αIn）-180（1）

（2） 根據(jù)設(shè)定的入侵飛機(jī)的相對方位角αIn0、入侵飛機(jī)相對本機(jī)的水平距離D，計算激活時刻入侵飛機(jī)在地理北向、東向大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（XIn0，YIn0）：

XIn0=Dcos（αIn0）YIn0=Dsin（αIn0） （2）

（3） 由入侵目標(biāo)激活時刻本機(jī)經(jīng)緯度（βT0，λT0）及入侵飛機(jī)的大地坐標(biāo)（XIn0，YIn0），解算入侵飛機(jī)的初始經(jīng)緯度（βIn0，λIn0）：

βIn0=XIn0×180/（π×REarth）+βT0λIn0=（YIn0×180）/（π×cos（βIn0×π/180）×REarth）+λT0 （3）

式中：π為圓周率;REarth為地球平均半徑。

（4） 入侵飛機(jī)初始絕對高度ZIn0通過讀取本機(jī)絕對高度ZT0以及設(shè)定的入侵高度差ΔZ計算得到，單位為ft：

ZIn0=ZT0+ΔZ（4）

入侵飛機(jī)激活后，其位置、高度等數(shù)據(jù)每個周期迭代計算，實時輸出至視景系統(tǒng)及指示記錄系統(tǒng)。

（5） 入侵飛機(jī)原點為（βIn0，λIn0）。根據(jù)入侵飛機(jī)的航跡角θln、地速Vg、升降速度Vv以及解算周期時間Δt，解算入侵飛機(jī)的實時經(jīng)緯度變化量及高度變化量（ΔβIn，ΔλIn，ΔZIn）：

ΔβIn=Vg×sinθin×π180×Δt/REarth×cosβIn0×π180

ΔλIn=Vg×cosθin×π180×Δt/（REarth）ΔZIn=ZIn0+Vv×Δt （5）

（6） 根據(jù)入侵目標(biāo)初始經(jīng)緯度（βIn0，λIn0）以及經(jīng)緯度變化量（ΔβIn，ΔλIn），得到入侵目標(biāo)的實時位置：

βIn=ΔβIn×180/π+βIn0λIn=（ΔλIn×180）/π+λIn0 （6）

除設(shè)定的TA/RA入侵場景外，在教員臺上設(shè)定隨機(jī)交通的觸發(fā)，可更加逼真地模擬空中交通環(huán)境。隨機(jī)交通的入侵目標(biāo)設(shè)置的距本機(jī)距離、航跡、相對高度均較大，無法觸發(fā)相應(yīng)的TA/RA。當(dāng)指示記錄系統(tǒng)選擇顯示其他交通符號時，可顯示在MAP頁面中。

2.2 TCAS工作模式仿真

TCAS工作模式仿真模塊接收TCP設(shè)置的TCAS調(diào)諧信息，判斷其中的TCAS工作模式，模擬Standby，TA Only，TA/RA三種工作模式，不同工作模式下輸出不同的模式通告信息。備用模式下，TCAS無法進(jìn)行沖突檢測，輸出“TCAS OFF”模式通告信息;TA Only模式下，TCAS可正常進(jìn)行沖突檢測，但無法提供決斷咨詢，所有RA級別的沖突都將顯示為TA，輸出“TA Only”模式通告信息;TA/RA模式下，可正常檢測TA和RA級別的沖突，并提供決斷咨詢和避撞決策，輸出“TFC”模式通告信息。TCAS工作模式仿真模塊流程如圖3所示。

2.3 沖突檢測及避撞決策模塊

沖突檢測避撞決策遵照RTCA DO-185協(xié)議[15-16]進(jìn)行設(shè)計，模擬機(jī)載設(shè)備的靈敏度選擇、告警閾值的限定、避撞決策及沖突解脫過程。某型國產(chǎn)飛機(jī)TCAS的探測能力在水平方向上最大范圍為30～40 nm，在垂直高度上最大范圍為9 900 ft（在本機(jī)上方/下方9 900 ft），如圖4所示。

遵照DO-185協(xié)議，根據(jù)本機(jī)當(dāng)前的飛行高度、速度等信息設(shè)置不同的TCAS靈敏度，靈敏度不同對應(yīng)TA和RA告警的CPA時間不同。靈敏度等級越高，所需的安全距離越大，TA/RA的CPA時間閾值越大。具體的靈敏度要求以及對應(yīng)的告警時間如表1所示。

TCAS仿真軟件根據(jù)當(dāng)前探測到的入侵飛機(jī)的位置、高度、速度等信息，首先判斷是否進(jìn)入臨近交通的水平（6 nm）和垂直（1 200 ft）范圍內(nèi)，進(jìn)而根據(jù)入侵航跡及本機(jī)航跡，推測CPA點[14，17]，從而解算CPA時間。結(jié)合本機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的告警時間閾值進(jìn)行沖突判斷。CPA點如圖5所示。

根據(jù)入侵目標(biāo)在本機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系下的相對坐標(biāo)（xIn，yIn）、入侵飛機(jī)航跡角θIn，解算距離CPA點的距離DCPA：

DCPA=yln-xln×tanθln×π180（7）

假設(shè)入侵目標(biāo)飛機(jī)為勻速運(yùn)動，根據(jù)入侵飛機(jī)設(shè)定的地速Vg，CPA 時間則為

TCPA=DCPAVg（8）

根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前靈敏度下的CPA時間閾值及當(dāng)前入侵目標(biāo)的CPA時間，即可判斷出入侵目標(biāo)的威脅等級。

避撞算法模型符合ATC管制規(guī)則要求[14，18-19]，根據(jù)當(dāng)前的RA，采用觸發(fā)垂直機(jī)動的方式進(jìn)行避撞[20]。根據(jù)入侵飛機(jī)的相對高度選擇機(jī)動方向，并依據(jù)入侵飛機(jī)的入侵速度選擇相應(yīng)建議的垂直機(jī)動速度。本文研究的仿真算法可用于觸發(fā)“Traffic，Traffic”，“Climb，Climb”，“Descend，Descend”，“MaintainVertical Speed，Maintain Vertical Speed”，“Increase Climb，Increase Climb”，“Increase Descend，Increase Descend”等告警，不同決策下相應(yīng)的垂直速度建議顯示在PFD頁面升降速度帶上，用于指示飛行員垂直機(jī)動。

交通告警輸出模塊根據(jù)接收的TCAS調(diào)諧信息中的顯示模式（ABOVE;NORMAL;BELOW）、高度顯示模式（相對高度、絕對高度），篩選當(dāng)前顯示范圍內(nèi)的入侵目標(biāo)，并根據(jù)威脅等級進(jìn)行輸出相應(yīng)的告警信息至綜合顯控子系統(tǒng)，觸發(fā)視覺告警。根據(jù)避撞指令輸出相應(yīng)語音標(biāo)志給聲音系統(tǒng)，觸發(fā)聽覺告警，并將建議的垂直速度輸出給綜合顯控子系統(tǒng)，觸發(fā)垂直速度帶中的建議速度指示。交通告警輸出模塊流程如圖6所示。

2.4 XPDR應(yīng)答機(jī)模塊

XPDR應(yīng)答機(jī)模塊接收TCAS調(diào)諧信息中的XPDR應(yīng)答機(jī)工作模式（Standby，ALT REPORT OFF，XPDR），判斷應(yīng)答機(jī)工作狀態(tài)。Standby模式下收發(fā)機(jī)為關(guān)閉狀態(tài)，不回報消息。ALT REPORT OFF模式下只回報本機(jī)識別碼。XPDR模式下回報本機(jī)識別碼和當(dāng)前高度信息[21-22]。

XPDR應(yīng)答機(jī)模塊模擬本機(jī)與入侵飛機(jī)的詢問、問答過程以及本機(jī)與ATC的詢問、問答過程。ATC詢問指令由綜合控制臺進(jìn)行模擬，通過綜合控制臺通信頁面點擊ATC詢問按鈕發(fā)送詢問指令，XPDR應(yīng)答機(jī)模塊進(jìn)行響應(yīng)并發(fā)送回報消息，消息內(nèi)容根據(jù)收發(fā)機(jī)工作狀態(tài)而定。XPDR應(yīng)答機(jī)模塊工作流程如圖7所示。

3 仿真結(jié)果

本文的入侵飛機(jī)仿真為動態(tài)仿真過程，通過IOS激活入侵飛機(jī)，并對解算的入侵飛機(jī)經(jīng)緯度等參數(shù)進(jìn)行了

記錄以便進(jìn)行仿真結(jié)果分析。IOS激活入侵飛機(jī)1，設(shè)定入侵飛機(jī)1的入侵相對方位為-30°，入侵飛機(jī)激活時刻本機(jī)航向為90°，入侵飛機(jī)解算的航跡與本機(jī)的位置關(guān)系如圖8所示。圖中紅色點為本機(jī)位置，藍(lán)色曲線為入侵飛機(jī)的經(jīng)緯度所繪制的曲線。由圖可知，仿真的入侵飛機(jī)1以預(yù)設(shè)的方位逐漸接近本機(jī)，可用于觸發(fā)RA級別的交通告警。

IOS激活入侵飛機(jī)2，入侵飛機(jī)2的入侵相對方位為30°，入侵飛機(jī)激活時刻本機(jī)航向為90°，入侵飛機(jī)解算的航跡與本機(jī)的位置關(guān)系如圖9所示。圖中紅色點為本機(jī)位置，藍(lán)色曲線為入侵飛機(jī)的經(jīng)緯度所繪制的曲線。由圖可知，仿真的入侵飛機(jī)2以預(yù)設(shè)的方位逐漸接近本機(jī)，可用于觸發(fā)RA級別的交通告警。

飛行模擬機(jī)中入侵目標(biāo)的參數(shù)顯示以及告警信息均通過指示記錄系統(tǒng)畫面進(jìn)行顯示，包含仿真的入侵飛機(jī)

方位、距離、威脅等級、相關(guān)告警和解脫決策信息等。指示記錄系統(tǒng)顯示采用仿真畫面，顯示元素及顯示邏輯與某型國產(chǎn)大型飛機(jī)指示記錄系統(tǒng)一致。系統(tǒng)間交聯(lián)數(shù)據(jù)

參照該客機(jī)機(jī)載TCAS系統(tǒng)與指示記錄系統(tǒng)接口進(jìn)行設(shè)

計，包含TCAS模式通告、入侵目標(biāo)方位、距離、高度、

升降速度、威脅等級、避撞決策信息等參數(shù)，TCAS模式通告、入侵目標(biāo)信息顯示在MAP頁面上，避撞決策建議的垂直速度顯示在PFD升降速度帶上。

TCAS模式通告用于指示記錄系統(tǒng)頁面上顯示TCAS的當(dāng)前工作模式，包含TCAS OFF，TEST，TA ONLY，TFC。本文仿真結(jié)果驗證時，設(shè)定TCAS工作模式為TA/RA模式，MAP頁面左側(cè)TCAS模式通告欄顯示“TFC”模式通告信息，如圖10所示。按照指示記錄系統(tǒng)MAP頁面選擇的顯示范圍，輸出顯示范圍內(nèi)的入侵飛機(jī)信息，指示記錄系統(tǒng)按照入侵飛機(jī)方位、距離，將入侵飛機(jī)符號顯示在頁面上的相應(yīng)位置，并在相應(yīng)符號上下顯示相對高度。如果入侵飛機(jī)的升降速度較大（大于500 ft/min），則在符號一側(cè)顯示相應(yīng)方向箭頭。威脅等級分為四類：RA，TA，臨近交通和其他交通，對應(yīng)四種顯示符號，RA級別威脅等級為紅色實心方框，TA級別為黃色實心圓形，臨近交通為白色實心菱形，其他交通為白色空心菱形。通過TCP調(diào)諧控制TCAS工作在正常模式，通過IOS設(shè)置入侵飛機(jī)1和入侵飛機(jī)2后，隨著入侵飛機(jī)接近本機(jī)，解算出的入侵飛機(jī)的威脅等級逐漸上升。

進(jìn)入RA范圍內(nèi)，入侵飛機(jī)1與入侵飛機(jī)2在MAP頁面中均顯示為紅色實心方框（見圖10），并且在右側(cè)通告欄中用紅色字體提示當(dāng)前告警“TRAFFIC”以及入侵飛機(jī)1和入侵飛機(jī)2的信息。截圖時刻入侵飛機(jī)1告警級別為RA，距離本機(jī)1.3 kn，高度為本機(jī)上方約300 ft，具備下降速率。入侵飛機(jī)2告警級別為RA，距離本機(jī)2.4 kn，高度為本機(jī)下方約300 ft，具備上升速率。

4 結(jié)? 論

本文建立的TCAS仿真系統(tǒng)模型可有效模擬機(jī)載TCAS系統(tǒng)的工作邏輯和功能。建立的單機(jī)、多機(jī)入侵場景仿真模型及隨機(jī)交通仿真模型，模擬了空中復(fù)雜的交通狀態(tài)。沖突檢測避撞算法模型可根據(jù)設(shè)置的入侵目標(biāo)不同，輸出不同的威脅等級判斷信息，并根據(jù)當(dāng)前場景輸出正確告警及決策信息，可滿足飛行訓(xùn)練中TCAS訓(xùn)練的要求。本文研究的沖突場景均為飛機(jī)巡航階段可能出現(xiàn)的場景，針對高等級模擬機(jī)飛行訓(xùn)練，機(jī)場空域、起降過程中的交通沖突仿真有待后續(xù)研究。參照CAE等高等級模擬機(jī)中的TCAS仿真，可針對不同的訓(xùn)練機(jī)場和航線，實現(xiàn)特有起降過程中沖突場景數(shù)據(jù)錄制、加載重現(xiàn)的功能，進(jìn)一步逼真地模擬機(jī)場空域或起降過程中的沖突，豐富訓(xùn)練內(nèi)容。

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Research on TCAS Simulation Technology of

High Level Flight Simulator

Kong Lingshuai*，Duan Ke，Yao Yao

（Bluesky Aviation Technology CO. LTD，Beijing 100085，China）

Abstract： Based on different conflict training subjects of traffic alert and collision avoidance system（TCAS） of high level flight simulator，ten typical invading aircraft models during flight are abstracted to simulate possible traffic conflicts，and a general simulation calculation algorithm for intrusion bearing，position，altitude，speed and other parameters is utilized to realize the dynamic simulation of the intruders.Information such as the latitude，longitude，and absolute altitude of the intruder is calculated and used for visual system to display intruder aircraft in scene.Transponder simulation model is established to simulate the querying process getting the identification code and altitude of the intruders.Closest point of approach （CPA） and CPA time are calculated according to the position，altitude and other parameters of intruder，intruders threat level is judged considered on intruders altitude and TCAS sensitivity.When a resolution advisory （RA） level conflict occurs，the simulated resolution algorithm gives resolution advisory.Finally，the intruder information and TA/RA are outputted to simulation interface of indication system for displaying the traffic information and vertical resolution advisory.It is verified that the simulation model can simulate the working logic of airborne TCAS system，and the simulation of the intruder aircraft can effectively simulate the traffic conflicts which may occur in the air，the threat level judgment and the resolution advisory algorithm，which can meet the simulation training requirements.

Key words： high level flight simulator; TCAS simulation; intruder simulation; threat level judgment; re-solution advisory

收稿日期：2020-05-25

作者簡介：孔令帥（1989-），女，山東曲阜人，工程師，碩士，研究方向是飛機(jī)模擬機(jī)航空電子系統(tǒng)仿真技術(shù)。

E-mail：klsbuaa@163.com