新一代防撞系統(tǒng)ACASX技術(shù)發(fā)展淺議

四川九洲空管科技責(zé)任有限公司 彭勃滔 李 揚(yáng) 謝 莉 李家蓬 盧曉霞 皈 勇

1 機(jī)載防撞系統(tǒng)的發(fā)展歷程

在早期航空業(yè)中，飛機(jī)的數(shù)量少，航線的間隔大，有足夠?qū)拸V的空域，所以飛機(jī)碰撞事件很少發(fā)生。隨著航空業(yè)務(wù)的推進(jìn)與發(fā)展，飛機(jī)出行已經(jīng)變得司空見慣，天空變得擁擠，同時(shí)極大增加了飛機(jī)碰撞的可能性，因此防撞系統(tǒng)的需求日益迫切。而空中飛行安全通過戰(zhàn)略層規(guī)劃、交通層管理、機(jī)載自主防撞規(guī)避三個(gè)層次來實(shí)現(xiàn)，其中機(jī)載防撞位于第三層，它獨(dú)立于地面交通管制系統(tǒng)，并提供載機(jī)自主威脅探測與防撞規(guī)避建議，是防止空中交通碰撞事故發(fā)生的最后屏障，是確保航空飛行安全等級(jí)的必要手段。

為了應(yīng)對(duì)一系列涉及商用客機(jī)的半空中碰撞事件，林肯實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)70年代受聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration）的指示，參與了機(jī)載防撞系統(tǒng)的開發(fā)。從目前的情況來看，交通警報(bào)和防撞系統(tǒng)在全世界所有大型飛機(jī)上都得到了授權(quán)，大大提高了空中旅行的安全性，但未來幾年計(jì)劃對(duì)空域進(jìn)行的重大改變將需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性修改。最近，林肯實(shí)驗(yàn)室率先開發(fā)了一種新的避碰系統(tǒng)方法，完全重新考慮了這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，使系統(tǒng)能夠在不干擾正常安全操作的情況下提供更高程度的安全性，這就是ACAS X防撞系統(tǒng)。與目前應(yīng)用最廣泛的防撞系統(tǒng)TACS相比，下一代機(jī)載防撞系統(tǒng)ACAS X采用了全新的防撞邏輯方法，減少了空中相撞風(fēng)險(xiǎn)，并將防撞保護(hù)擴(kuò)展到新的飛機(jī)平臺(tái)，并利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，開創(chuàng)了將決策理論方法應(yīng)用于防撞邏輯的先河。與TCAS II的基于確定性模型的邏輯不同，ACAS X的邏輯使用概率特征模型來表示各種不確定性來源(如飛行員不響應(yīng)、監(jiān)視錯(cuò)誤等)和計(jì)算機(jī)優(yōu)化來考慮由系統(tǒng)專家和操作用戶定義的安全性和操作的合理性。這種新的靈活的防撞邏輯方法與下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)的空域程序和技術(shù)完全兼容。

2 ACAS X特點(diǎn)與優(yōu)勢

在新一代空管運(yùn)行體系對(duì)空中防相撞提出的需求，ACASX應(yīng)滿足空域運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)、符合新的應(yīng)用操作程序、兼容通航、無人機(jī)等不同平臺(tái)，如表1所示。

表1 ACAS運(yùn)行應(yīng)用特點(diǎn)

除了與下一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)兼容之外，ACAS X改善了航空旅行的安全性，并提供了比TCASII更好地操作適應(yīng)性；與TCAS II相比，ACAS X減少了59%的空中相撞風(fēng)險(xiǎn)和25%不必要的干擾性警報(bào)。除了提升世界各地所有大型商用飛機(jī)的飛行安全，ACAS X還受到飛行員的歡迎。具體優(yōu)勢如下：

（1）容納新的監(jiān)視輸入，提供比目前使用的應(yīng)答機(jī)更詳細(xì)和更精確的跟蹤數(shù)據(jù)。（2）有助于降低燃料代價(jià)，減少排放量，縮短飛行時(shí)間，以及提高到達(dá)機(jī)場的機(jī)率。（3）盡量減少正?？罩薪煌髁康闹袛啻螖?shù)。（4）減輕與系統(tǒng)實(shí)施和升級(jí)有關(guān)的制造、運(yùn)行操作及其成本。（5）促進(jìn)無人駕駛飛機(jī)在國防和商業(yè)應(yīng)用中的推廣使用。

3 針對(duì)不同平臺(tái)的ACAS X版本

ACAS X具有4中版本或子項(xiàng)，具體如表2所示：

表2 ACAS X的4種版本

ACAS Xa(active)：以新的架構(gòu)模型設(shè)計(jì)、優(yōu)化并替代現(xiàn)有ACAS系統(tǒng)，基于SSR和ADS-B混合監(jiān)視方式實(shí)現(xiàn)。

ACAS Xp(passive)：該子項(xiàng)為基于ADS-B的機(jī)制監(jiān)視和告警技術(shù)，用于通航飛機(jī)；通過被動(dòng)接收ADS-B信息，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視跟蹤，并提供基于飛機(jī)性能范圍優(yōu)化的交通告警和垂直指示。

ACAS Xo(operatiaon)：為飛行程序/流程提供具體的操作指示，例如：為毗鄰的并行跑道上的飛機(jī)操作、編隊(duì)飛行等場景提供提示。

ACAS Xu(unmanned)：為無人機(jī)設(shè)計(jì)，允許多源監(jiān)視信息輸入，并且為寬范圍容量性能進(jìn)行了邏輯優(yōu)化，該項(xiàng)研究需攻克即插即用的多源數(shù)據(jù)監(jiān)視算法。

4 ACAS X 組成及功能特點(diǎn)

ACAS X作為復(fù)雜的航空電子系統(tǒng)，安裝并運(yùn)行在飛機(jī)的通常稱之為本機(jī)或載機(jī)。ACAS X需要接收載機(jī)信息，無線電高度、大氣高度信息，并與載機(jī)的顯示和控制系統(tǒng)相交聯(lián)。通過即插即用式監(jiān)視，ACAS X系統(tǒng)可載機(jī)雷達(dá)、光電、紅外等傳感器進(jìn)行交聯(lián)，接收其探測到的目標(biāo)飛機(jī)信息作為監(jiān)視信源，當(dāng)這些信息滿足要求時(shí)也可用于TRM模塊的交通告警和決斷告警。圖中S模式應(yīng)答機(jī)是獨(dú)立式涉及，在綜合監(jiān)視系統(tǒng)（參照ARINC768）中ACAS X處理機(jī)與S模式應(yīng)答機(jī)、ADS-B乃至近地告警、氣象雷等功能單元可以集成到一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，原理樣機(jī)設(shè)計(jì)采用了綜合監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)。ACAS X系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 ACAS X系統(tǒng)功能架構(gòu)框圖

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件兩方面的功能，包括4元陣列的定向天線系統(tǒng)。該系統(tǒng)和TCASII之間的主要區(qū)別在于“ACAS X處理器單元”，它實(shí)現(xiàn)對(duì)空域目標(biāo)的航跡監(jiān)視并發(fā)布告警建議。在這個(gè)處理器中，ACAS X的主要軟件是前端監(jiān)視模塊（RFS）、監(jiān)視與跟蹤模塊（STM）、威脅決斷模塊（TRM）。系統(tǒng)需要各類本載機(jī)和傳感器探測的空域目標(biāo)信息的各輸入，輸出是對(duì)空域態(tài)勢信息、對(duì)載機(jī)飛行的指示和告警。

4.1 系統(tǒng)外部接口

ACAS X系統(tǒng)外部接口包括：

（1）S模式應(yīng)答機(jī)(以及通過應(yīng)答器的高度計(jì))控制面板(選擇操作模式)(可與其他控制結(jié)合使用面板輸入，如模式控制面板)。

（2）離散輸入系統(tǒng)(設(shè)定飛機(jī)運(yùn)行特性)、無線電高度計(jì)。

（3）任何已在外部系統(tǒng)中解碼的ADS_B數(shù)據(jù)，并傳遞給ACAS X。來自共同擁有的發(fā)射系統(tǒng)的抑制脈沖數(shù)據(jù)(潛在的)來自1030/1090兆赫系統(tǒng)的交聯(lián)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用程序。

（4）飛行員向駕駛艙交通信息顯示器或某些其他待定義的ACAS X界面輸入信息，以選擇目標(biāo)與ACAS XP和ACAS XO的接口尚未完全定義，盡管它們是上述接口的子集。

4.2 監(jiān)視與跟蹤模塊

TCAS II和ACAS X之間存在的一個(gè)基本設(shè)計(jì)差異是監(jiān)視功能和威脅解決邏輯之間的內(nèi)部接口。ACAS X將要求所有跟蹤算法都包含在掃描隧道顯微鏡中。TRM中的威脅邏輯不再接受測量值作為輸入，而是接受目標(biāo)的跟蹤狀態(tài)信息。跟蹤功能的這一轉(zhuǎn)變有效地將跟蹤與跟蹤分離開來，并建立了一個(gè)新的CAS設(shè)計(jì)范例，ACAS X將允許單一的優(yōu)化威脅邏輯與任何監(jiān)視源兼容(如信標(biāo)詢問、ADS_B、電光、主雷達(dá)等)，或滿足最低性能要求的來源組合。

為了利用ACAS X的這一特點(diǎn)，STM必須設(shè)計(jì)成能處理多種監(jiān)視源，以適應(yīng)安裝在其他飛機(jī)上的任何監(jiān)視硬件。這樣做實(shí)現(xiàn)了“即插即用監(jiān)控”概念的一個(gè)組成部分，即所有ACAS X監(jiān)視源將由單一版本的掃描隧道顯微鏡接收(即插入)。掃描隧道顯微鏡將自動(dòng)識(shí)別收到的每個(gè)監(jiān)控信息，對(duì)其進(jìn)行處理，并使用它來跟蹤相關(guān)的入侵者，而不需要手動(dòng)配置或額外的編程。

這意味著掃描隧道顯微鏡將動(dòng)態(tài)地“插入”所有被批準(zhǔn)的監(jiān)視數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)源可以幫助追蹤目標(biāo)。例如，假設(shè)ACAS X有能力發(fā)送信標(biāo)詢問，接收UAT ADS_B數(shù)據(jù)，并配備了一個(gè)光電傳感器。如果一架目標(biāo)飛機(jī)有一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，ACAS X將詢問目標(biāo)飛機(jī)。如果那架目標(biāo)飛機(jī)沒有轉(zhuǎn)發(fā)器，而是廣播UAT數(shù)據(jù)，那么ACAS X將接收并處理UAT數(shù)據(jù)。如果目標(biāo)飛機(jī)既有轉(zhuǎn)發(fā)器又有廣播的UAT數(shù)據(jù)，ACAS X將詢問目標(biāo)飛機(jī)，并接收和處理其答復(fù)和UAT數(shù)據(jù)。不管目標(biāo)飛機(jī)上安裝了什么航空電子設(shè)備，只要飛機(jī)在可見范圍內(nèi)，ACAS X將在目標(biāo)上使用光電傳感器。

每一類ACAS X (ACAS XA、ACAS XP、ACAS XO或UAS的未來版本)都將利用基于傳感能力的“即插即用監(jiān)控”概念由安裝在ACAS X飛機(jī)上的硬件提供。ACAS X監(jiān)視的初始設(shè)計(jì)將集中在三個(gè)級(jí)別：

（1）XA，它具有主動(dòng)發(fā)送信標(biāo)詢問的能力。

（2）XP，它將只依賴被動(dòng)ADS_B數(shù)據(jù)。

（3）XO，這將使ACAS X與特定的操作更加兼容。

ACAS X STM和TRM之間將存在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。定義這一標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)了“即插即用監(jiān)控”的第二個(gè)組成部分，即任何ACAS X TRM將與單一版本的STM無縫連接和工作。即插即用監(jiān)視的這一方面將允許一個(gè)掃描隧道顯微鏡的設(shè)計(jì)與ACAS XA、XP和XO的優(yōu)化威脅邏輯兼容。

為了使“即插即用監(jiān)視”成為一個(gè)有效的解決方案，掃描隧道顯微鏡必須能夠?yàn)槿肭终叩奈恢煤退俣忍峁┎淮_定性。因此，掃描隧道顯微鏡將提供每個(gè)參數(shù)的分布，而不是標(biāo)量值。給定所提供的不確定性，TRM將使用該分布信息為每架目標(biāo)飛機(jī)選擇最佳行動(dòng)。

4.3 集中跟蹤(Tracking)

圖2 代價(jià)表離線優(yōu)化及在線使用流程

ACAS X系統(tǒng)將集中跟蹤該系統(tǒng)。期望實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法包括使用專門的跟蹤器/過濾器。這些跟蹤濾波器擅長組合來自各種來源的輸入，提供目標(biāo)位置和速度的最佳估計(jì)，并考慮濾波器輸入測量和輸出的不確定性。一組估計(jì)狀態(tài)和相關(guān)權(quán)重(代表這些狀態(tài)不確定性的概率)將被傳遞給TRM。

4.4 優(yōu)化的威脅決斷邏輯

用于優(yōu)化威脅邏輯的概念是由麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室在幾年的時(shí)間里發(fā)展起來的。優(yōu)化的威脅邏輯是“離線”生成的；也就是說，在ACAS X安裝到飛機(jī)上之前，優(yōu)化是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上完成的，具體流程如圖2所示。給定一組狀態(tài)變量，這些表對(duì)要選擇的最佳動(dòng)作進(jìn)行編碼。存儲(chǔ)這些邏輯表的航空電子系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是，通過改進(jìn)監(jiān)視、跟蹤和估算技術(shù)，盡可能準(zhǔn)確地估算這些狀態(tài)變量，以解決準(zhǔn)確性問題。

4.5 顯示與告警通報(bào)

機(jī)組人員目前與TCAS II系統(tǒng)進(jìn)行的交互將保持不變，使用的RA決斷告警類型與TCAS 7.1相同。盡可能快地提示飛行員，以便于對(duì)最終的任務(wù)指令做出更快的反應(yīng)。目前正在進(jìn)行研究，以確保在將這些警報(bào)納入ACAS X系統(tǒng)的框架內(nèi)的同時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)發(fā)布警報(bào)效益。并且與接收和處理ADS_B數(shù)據(jù)的系統(tǒng)（稱為飛機(jī)監(jiān)視應(yīng)用系統(tǒng)(ASAS)）的交互可能會(huì)改變一些飛行員程序。ASAS允許飛行員為特殊應(yīng)用選擇飛機(jī)，如成對(duì)進(jìn)近，這可能使用減少的分離規(guī)則，這反過來可能導(dǎo)致不必要的高RAs率。為了解決這個(gè)問題，預(yù)計(jì)在ACAS X系統(tǒng)上將有一個(gè)輔助功能，允許選擇目標(biāo)。該選擇將允許系統(tǒng)使用不同的邏輯表或選擇算法來發(fā)布RAs。

結(jié)語：航空業(yè)的發(fā)展，為防撞系統(tǒng)帶來的新的挑戰(zhàn)與要求。從最開始的信標(biāo)防撞系統(tǒng)BCS到目前廣泛應(yīng)用的TACS，再到不久將大量使用的機(jī)載防撞系統(tǒng)X（ACAS X），都是為了適應(yīng)當(dāng)時(shí)航空需求而不斷完善為一個(gè)更加健壯系統(tǒng)的過程。從完善傳感器到越來越先進(jìn)的算法，新的技術(shù)為防撞系統(tǒng)的發(fā)展帶來了可能性，而如今的ACAS X將對(duì)監(jiān)視和咨詢邏輯進(jìn)行重大改進(jìn)。該系統(tǒng)將從對(duì)TCAS的僅信標(biāo)監(jiān)視轉(zhuǎn)變?yōu)橹С只谌蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)的監(jiān)視，并適應(yīng)新的傳感器模式的即插即用監(jiān)視架構(gòu)，包括雷達(dá)和光電傳感器，這對(duì)無人平臺(tái)尤為重要。新的監(jiān)視能力還將為新的用戶類別提供防撞保護(hù)，包括目前未配備TCAS的小型通用航空飛機(jī)。

ACAS X代表了咨詢邏輯生成和表示方式的一次重大革命。ACAS X不是使用基于規(guī)則的特殊偽碼，而是使用一個(gè)針對(duì)空域模型進(jìn)行了優(yōu)化的數(shù)字表來表示邏輯。這種新方法提高了健壯性，支持新的需求，并減少了不必要的警報(bào)。ACAS X采用的過程大大簡化了開發(fā)，預(yù)計(jì)將大大降低實(shí)施和維護(hù)成本。