B737NG飛機(jī)TCAS系統(tǒng)分析與仿真

王闖 張凱

摘要：本文分析了B737NG飛機(jī)TCAS系統(tǒng)工作原理，顯示邏輯和常見故障現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了B737 NGND（Navigation Display）顯示器TCAS系統(tǒng)仿真頁面。根據(jù)737678系列飛機(jī)AMM手冊(cè)導(dǎo)航與和FIM手冊(cè)以及其他的資料，介紹TCAS的系統(tǒng)組成，及系統(tǒng)工作原理，全面分析了TCAS系統(tǒng)的故障邏輯，在TCAS計(jì)算機(jī)前面板上通過控制燈亮燈滅的仿真，表示相應(yīng)的故障的仿真。TCAS自檢時(shí)，導(dǎo)航顯示器ND顯示的邏輯現(xiàn)象，最終以仿真的形式呈現(xiàn)。基于OpenGL繪圖工具，通過矩形和圓，以及多邊形的繪制原理，AC3D模型制作軟件。運(yùn)用C++程序的邏輯語句，并結(jié)合VS的仿真輸出。運(yùn)用仿真軟件實(shí)現(xiàn)TCAS計(jì)算機(jī)前面板的功能與TCAS狀態(tài)下ND顯示器的顯示內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：ND;TCAS系統(tǒng);計(jì)算機(jī)面板;測試;仿真

第1章 緒論

1.1論文的背景

隨著國民經(jīng)濟(jì)生活水平的提高，快速發(fā)展的航空業(yè)已成為人們不可或缺的選擇，航空運(yùn)輸也以驚人的速度在發(fā)展。對(duì)航空的研究必然也加大投入，隨著研發(fā)費(fèi)用的增加，周期的延長，已滿足不了快速發(fā)展的需求。而仿真應(yīng)運(yùn)而生，通過較低的成本去研究較高收益的項(xiàng)目。不僅節(jié)省大量的人力物力，還大大降低我們犯錯(cuò)的成本。而且，仿真不僅可以運(yùn)用在航空領(lǐng)域，在其他高成本領(lǐng)域的投入同樣可以得到事半功倍的效果。對(duì)民航飛機(jī)制造商而言，為了縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)費(fèi)用，既而獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，飛機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)和新型系統(tǒng)的研制的過程中都需要先進(jìn)的仿真技術(shù)來支持，對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)的改進(jìn)和未來飛機(jī)的研制發(fā)展具有重大意義[1]。對(duì)航空公司而言，針對(duì)民航機(jī)務(wù)維護(hù)工程與管理，模擬飛機(jī)真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過程和場景，實(shí)現(xiàn)航空維護(hù)工程技術(shù)和管理的模擬再現(xiàn)和對(duì)機(jī)務(wù)維護(hù)人員、飛行員的訓(xùn)練，降低公司運(yùn)營成本，都有著顯著作用。而在國內(nèi)外的航空院校，也都有用于培訓(xùn)和教學(xué)的模擬機(jī)以達(dá)到一個(gè)近乎真實(shí)的模擬仿真環(huán)境，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，大大提高學(xué)生參與維護(hù)過程的直觀性和逼真性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)務(wù)維護(hù)工作內(nèi)涵和特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)與理解[2]。仿真已然成為航空領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)分析、研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策和訓(xùn)練過程中不可缺少的重要手段，其應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，應(yīng)用效益也日益顯著。

第2章 B737飛機(jī)TCAS系統(tǒng)

2.1 TCAS系統(tǒng)組成

BN737NG飛機(jī)的TCAS系統(tǒng)主要由TCAS方位性天線，TCAS計(jì)算機(jī)，應(yīng)答機(jī)/避撞控制板。TCAS和其他系統(tǒng)部件之間的接口為：ATC應(yīng)答機(jī)（2個(gè)），起落架手柄，接近電門電子組件，顯示系統(tǒng)，遠(yuǎn)程顯示電子組件2個(gè)，遠(yuǎn)距電子組件，無線電高度表（2個(gè)），近地警告計(jì)算機(jī)，氣象雷達(dá)，大氣數(shù)據(jù)慣性基準(zhǔn)組件，抑制同軸，飛行數(shù)據(jù)獲取組件。

TCAS計(jì)算機(jī)與下面部件相連接的時(shí)候會(huì)有兩中不同信號(hào)，分別是離散信號(hào)和模擬信號(hào)：頂部和底部TCAS方向性天線、起落架手柄電門、接近電門電子組件、近地警告系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（GPWC）、氣象雷達(dá)、DME/ATC/TCAS抑制同心三通、顯示電子組件（DEU）1號(hào)和2號(hào)。

2.2 TCAS系統(tǒng)工作原理

2.2.1 TCAS系統(tǒng)工作原理

TCAS向鄰近一架或多架飛機(jī)發(fā)送詢問信號(hào)。在這些飛機(jī)中，裝有空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)（ATCRBS）的飛機(jī)或者一種空中交通管制S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)會(huì)對(duì)此詢問做出回應(yīng)，TCAS的計(jì)算機(jī)通過分析這些應(yīng)答信號(hào)中的信息，得出它們之間的距離，相對(duì)方位和應(yīng)答飛機(jī)的高度。如果給出詢問信號(hào)回應(yīng)的飛機(jī)不報(bào)告高度，TCAS的系統(tǒng)就不能及時(shí)的了解到這架飛機(jī)的高度。而且，這種不報(bào)告高度的飛機(jī)，會(huì)被當(dāng)作目標(biāo)追蹤。

2.2.2 TCAS系統(tǒng)工作方式

交通警戒防撞系統(tǒng)在飛行過程中，通過向其他飛機(jī)發(fā)出詢問信號(hào)，來計(jì)算出其他飛機(jī)的高度、距離等信息。然后，將這些信息傳送至TCAS計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算，判斷出給出應(yīng)答信號(hào)的飛機(jī)，是否有可能與本機(jī)發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)，飛機(jī)的方位信息由方向性天線所確定，飛機(jī)的距離是發(fā)出的詢問信號(hào)與接收的應(yīng)答信號(hào)時(shí)間差計(jì)算得出。這些信息會(huì)以圖形的形式的方式分別顯示在ND顯示器上，也會(huì)以聲音的形式警告飛行人員。

第3章 TCAS系統(tǒng)顯示仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 TCAS計(jì)算機(jī)面板顯示仿真實(shí)現(xiàn)

TCAS計(jì)算機(jī)的面板仿真，基于邏輯上實(shí)現(xiàn)的，而TCAS計(jì)算機(jī)面板則靠AC3D實(shí)現(xiàn)的，找出面板的圖形，在AC3D上將所有的燈設(shè)置成動(dòng)態(tài)，即可以控制其亮與滅的狀態(tài)。用C++編寫程序?qū)崿F(xiàn)邏輯。當(dāng)按下TEST測試開關(guān)，所有的燈點(diǎn)亮一秒鐘，然后熄滅，當(dāng)檢測通過時(shí)，PASS燈亮，然后熄滅。此情況屬于正常情況。

3.2 TCAS系統(tǒng)ND顯示仿真實(shí)現(xiàn)

3.2.1 ND指示仿真實(shí)現(xiàn)

在TCAS系統(tǒng)下，ND也有相關(guān)的顯示邏輯，在操作測試時(shí)，當(dāng)按下EFIS控制板上的TFC開關(guān)，顯示器左下方會(huì)顯示TFC字母，表示該情況下，系統(tǒng)處于TCAS的工作模式，該功能的實(shí)現(xiàn)是基于OpengL的輸出功能與XML與AC3D的結(jié)合。

當(dāng)ATC/TCAS控制板上的開關(guān)調(diào)至STBY時(shí)，屏幕的左下方會(huì)顯示TRAFFIC OFF字樣，實(shí)現(xiàn)功能的原理與TFC相同。

3.2.2 TCAS自檢在ND上指示仿真實(shí)現(xiàn)

當(dāng)自檢成功時(shí)，即TCAS計(jì)算機(jī)面板PASS燈亮?xí)r，會(huì)顯示如下現(xiàn)象，在ND 顯示器上一點(diǎn)鐘方向會(huì)顯示紅色實(shí)心菱形符號(hào)。在三點(diǎn)鐘會(huì)出現(xiàn)紅色矩形實(shí)心符號(hào)，在九點(diǎn)鐘方向出現(xiàn)琥珀色實(shí)心圓形符號(hào)，在11點(diǎn)鐘方向出現(xiàn)白色菱形符號(hào)，還有左右出現(xiàn)的字樣，這些現(xiàn)象的顯示說明TCAS系統(tǒng)自檢通過。

第4章 結(jié)論

首先，分析了BN737飛機(jī)TCAS系統(tǒng)。其中，介紹了TCAS系統(tǒng)的工作原理，并根據(jù)兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析了系統(tǒng)的顯示頁面，在熟悉了顯示界面的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)頁面的顯示邏輯進(jìn)行了分析，這是對(duì)系統(tǒng)頁面的仿真設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

其次，介紹了TCAS系統(tǒng)頁面仿真設(shè)計(jì)方法。對(duì)時(shí)下普遍的飛行仿真原理進(jìn)行了簡述，包括紋理的概念和紋理映射的原理，仿真面板的坐標(biāo)系統(tǒng)?；贠penGL圖形引擎原理的頁面仿真設(shè)計(jì)方法，介紹了線和矩形的繪制及圓的繪制，以及相關(guān)的坐標(biāo)系統(tǒng)，運(yùn)用了庫函數(shù)，和VC++，從而實(shí)現(xiàn)控制面板中的按鈕開關(guān)對(duì)顯示頁面的操作。同時(shí)，需要在AC3D模型制作軟件中設(shè)計(jì)出顯示面板和控制面板。

最后，對(duì)TCAS系統(tǒng)頁面的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了描述，包括TCAS計(jì)算機(jī)面板與ND顯示頁面的主要指示以及其顯示的實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)手冊(cè)的查詢，整理相關(guān)的邏輯，運(yùn)用相關(guān)的軟件知識(shí)，分析器邏輯，編寫對(duì)應(yīng)的邏輯語言，從而實(shí)現(xiàn)正確的顯示。最終，對(duì)相關(guān)的仿真做了實(shí)際操作，對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象也基本顯示出來。對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，如何操作，如何實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了大致的分析。

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