基于系統(tǒng)性能的近地告警技術(shù)研究

雷 創(chuàng)

基于系統(tǒng)性能的近地告警技術(shù)研究

雷 創(chuàng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

基于多種導(dǎo)航信息綜合處理、告警計(jì)算的近地告警系統(tǒng)，對(duì)于避免可控撞地事故、提升飛機(jī)安全具有重要意義。本文首先介紹了近地告警系統(tǒng)的工作原理，研究了基于SOC曲線的告警包線設(shè)計(jì)技術(shù)，并以過(guò)大近地速率告警模式為例進(jìn)行了告警包線的仿真。最后，利用實(shí)際飛行數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了告警包線合理性以及導(dǎo)航信息可靠性對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

近地告警；告警包線；可控飛行撞地

0 引言

可控飛行撞地（Controlled Flight Into Terrain，CFIT）事故歷來(lái)是航空運(yùn)輸中最主要的危害因素之一，CFIT是指整個(gè)飛行過(guò)程中，在飛行員正常操作且沒(méi)有任何機(jī)械或電子故障等情況下，由于飛行員失去對(duì)飛行態(tài)勢(shì)的正確察覺(jué)或感知（包括飛機(jī)構(gòu)型、飛行高度、高度變化率、前方地形和障礙物等），從而造成飛機(jī)撞到地面、水面、山嶺或障礙物的事故[1-2]。

近地告警系統(tǒng)的成功研發(fā)和投入使用，大大提高了飛行的安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，加裝近地告警的飛機(jī)未曾發(fā)生一起可控撞地事故。隨著對(duì)近地告警需求的不斷增加，美國(guó)聯(lián)邦航空局和中國(guó)民航總局分別制定了TSO-C151b和CTSO-C151b的《地形提示與警告系統(tǒng)》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了近地告警系統(tǒng)必須滿足的最低工作性能標(biāo)準(zhǔn)。

近地告警系統(tǒng)內(nèi)置多種告警模式，在起飛、巡航、進(jìn)近、著陸等各個(gè)飛行階段保護(hù)飛行安全，其中告警包線的合理性、導(dǎo)航信息的可靠性等均是影響系統(tǒng)工作性能的重要因素，同時(shí)影響著飛行員對(duì)近地告警系統(tǒng)的信任度。系統(tǒng)既要保護(hù)起降、航路的飛行安全，又不能滋擾飛行員，影響其正常操作。告警包線設(shè)計(jì)得不合理，要么頻繁告警、虛警率過(guò)高；要么沒(méi)有足夠的反應(yīng)和操作空間來(lái)避免碰撞的發(fā)生，影響飛行安全。國(guó)內(nèi)外采用基于系統(tǒng)操作性能（System Operating Characteristic，SOC）的告警閾值分析和設(shè)計(jì)方法，得到研究學(xué)者和科研人員的廣泛認(rèn)可，用于系統(tǒng)研發(fā)中的告警包線設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化[3-5]，從而滿足安全飛行的應(yīng)用需求。本文首先介紹了近地告警系統(tǒng)的工作原理，研究了基于SOC曲線的告警包線設(shè)計(jì)技術(shù)，并以過(guò)大近地速率告警為例進(jìn)行了告警包線的設(shè)計(jì)仿真，最后利用實(shí)際飛行數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了告警包線合理性以及導(dǎo)航信息可靠性對(duì)近地告警系統(tǒng)性能的影響。

1 近地告警系統(tǒng)工作原理

近地告警系統(tǒng)通過(guò)采集機(jī)載大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無(wú)線電高度表、慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)和儀表著陸系統(tǒng)等導(dǎo)航信息，根據(jù)起落架、襟翼等飛機(jī)構(gòu)型，并結(jié)合內(nèi)置的地形數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)以及當(dāng)前飛行階段，進(jìn)行多種模式的告警計(jì)算，當(dāng)飛機(jī)有撞地危險(xiǎn)時(shí)，輸出語(yǔ)音和指示燈告警信息，顯示前方威脅地形，提醒飛行員進(jìn)行威脅規(guī)避，可有效避免可控撞地事件，如圖1所示。

圖1 近地告警系統(tǒng)工作原理

近地告警系統(tǒng)主要包括近地告警計(jì)算機(jī)和控制板兩個(gè)部件。近地告警計(jì)算機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，內(nèi)置過(guò)大下降速率告警、過(guò)大近地速率告警、起飛后掉高度告警、非安全離地高度告警、過(guò)大下滑道偏差告警、高度呼叫、前視地形回避告警和威脅地形渲染等告警模式；控制板用于實(shí)現(xiàn)下滑道抑制、起落架抑制和襟翼抑制等告警抑制功能，以及二維/三維地形切換、量程調(diào)節(jié)等人機(jī)交互功能。

2 基于SOC曲線的告警包線設(shè)計(jì)

2.1 SOC分析方法

在各個(gè)飛行階段，近地告警系統(tǒng)周期性的計(jì)算當(dāng)前飛行狀態(tài)是否進(jìn)入告警包線區(qū)域內(nèi)從而發(fā)出告警提示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮虛警和漏警等問(wèn)題?；诟怕式y(tǒng)計(jì)理論，利用SOC曲線的告警包線設(shè)計(jì)方法，能夠綜合考慮虛警和漏警等對(duì)系統(tǒng)的影響，以及運(yùn)用蒙特卡洛仿真方法得到不同狀態(tài)下最佳的告警閾值點(diǎn)。

圖2 SOC曲線示意圖

定義系統(tǒng)告警的收益函數(shù)如式（3）所示：

2.2 飛行軌跡預(yù)測(cè)

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，告警發(fā)生后飛行員經(jīng)過(guò)一定的反應(yīng)延遲后操縱飛機(jī)規(guī)避危險(xiǎn)。因此飛機(jī)告警后規(guī)避軌跡可分為反應(yīng)延遲階段、拉升逃逸階段與穩(wěn)定保持階段，如圖3所示。其中實(shí)線為根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測(cè)的飛行軌跡，虛線為產(chǎn)生告警后飛行員操縱飛機(jī)的逃逸軌跡。

圖3 飛行軌跡預(yù)測(cè)

2.3 過(guò)大下降速率告警模式包線仿真

過(guò)大下降速率告警模式適用于所有飛行階段，告警觸發(fā)條件與襟翼、起落架等飛機(jī)構(gòu)型無(wú)關(guān)，告警示意圖如圖4所示。在飛行過(guò)程中，該模式監(jiān)控飛機(jī)的無(wú)線電高度與下降速率，當(dāng)下降速率過(guò)大時(shí)產(chǎn)生告警提示。其中，下降速率可通過(guò)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的升降速度、慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的天向速度等方式獲得。根據(jù)危及飛機(jī)飛行安全的程度，該模式分為注意級(jí)告警和警告級(jí)告警兩個(gè)級(jí)別。當(dāng)進(jìn)入注意級(jí)邊界時(shí)，輸出注意級(jí)的“下降率”告警；當(dāng)進(jìn)入警告級(jí)邊界時(shí)，輸出警告級(jí)的“拉起”告警；當(dāng)飛機(jī)脫離告警區(qū)域時(shí)，告警立即解除。

圖4 過(guò)大下降速率告警示意圖

過(guò)大下降速率告警是防止飛機(jī)因過(guò)大的下降速率而導(dǎo)致撞地事故，該模式由無(wú)線電高度和下降速率兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行告警計(jì)算判斷是否進(jìn)入報(bào)警區(qū)域并產(chǎn)生告警。由此，采用蒙特卡洛仿真的方法，首先固定一個(gè)無(wú)線電高度作為初始參數(shù)，對(duì)飛機(jī)下降速率進(jìn)行一定范圍內(nèi)的循環(huán)，即在每個(gè)循環(huán)體中都有一對(duì)確定的狀態(tài)參數(shù)共同作為初始條件。根據(jù)初始條件進(jìn)行如圖3所示的預(yù)測(cè)軌跡和告警后逃逸軌跡的模擬仿真。

基于上述條件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，可獲得最佳告警收益點(diǎn)時(shí)無(wú)線電高度和下降速率的對(duì)應(yīng)值，注意級(jí)和警告級(jí)的告警閾值如圖5所示，進(jìn)行擬合后得到過(guò)大近地速率的告警包線如圖6所示。

圖5 注意級(jí)和警告級(jí)告警閾值仿真

圖6 過(guò)大下降速率告警包線

3 飛行數(shù)據(jù)驗(yàn)證

過(guò)大下降速率告警模式用于在飛機(jī)下降速率過(guò)大時(shí)產(chǎn)生告警提示，但不能在正常降落階段產(chǎn)生告警滋擾。根據(jù)2.3節(jié)中的過(guò)大下降速率告警包線，結(jié)合飛機(jī)實(shí)際著陸過(guò)程中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，對(duì)其在正常著陸階段的導(dǎo)航信息和告警結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。

著陸過(guò)程中海拔高度的變化如圖7所示，可以看出高度變化始終較為平緩；飛機(jī)的下降速率如圖8所示，分別為大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的升降速度和慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的天向速度。因氣流及其工作機(jī)理等因素的影響，升降速度的波動(dòng)較大，而天向速度較為平穩(wěn)，相比較而言，天向速度可真實(shí)地反應(yīng)飛機(jī)海拔高度的變化。圖9和圖10分別為基于升降速度和天向速度產(chǎn)生的告警結(jié)果，0表示無(wú)告警，1表示產(chǎn)生注意級(jí)告警，2表示產(chǎn)生警告級(jí)告警。

圖7 著陸階段的海拔高度隨時(shí)間的變化

圖8 著陸階段的下降速度對(duì)比

圖9 基于升降速度計(jì)算的告警結(jié)果

圖10 基于天向速度計(jì)算的告警結(jié)果

可以看出，同樣是反應(yīng)飛機(jī)下降速率的導(dǎo)航信息，不同信息源的選擇，產(chǎn)生的告警結(jié)果是不同的。因?yàn)樯邓俣鹊牟▌?dòng)性，多次產(chǎn)生了注意級(jí)告警和警告級(jí)告警，均為虛警，干擾了飛行員的正常著陸操作，并且這種波動(dòng)是無(wú)法通過(guò)信息濾波等方式消除的；而基于天向速度的方式在整個(gè)著陸階段始終未觸發(fā)告警包線。

因此，告警包線的合理性以及導(dǎo)航信息的可靠性均決定著近地告警的系統(tǒng)性能。兩種導(dǎo)航源測(cè)量下降速率的機(jī)理是不同的，慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的天向速度更能真實(shí)、精確地反映飛機(jī)真實(shí)高度的變化，用于告警計(jì)算更為準(zhǔn)確，因而天向速度宜作為過(guò)大下降速率告警模式的首選導(dǎo)航源。

4 結(jié)論

近地告警系統(tǒng)對(duì)于提高飛行安全具有重要意義，本文介紹了近地告警系統(tǒng)主要功能和工作原理，研究了基于SOC曲線的告警包線設(shè)計(jì)方法，結(jié)合近地告警特點(diǎn)分析了飛行軌跡預(yù)測(cè)和規(guī)避軌跡模型，對(duì)過(guò)大近地速率告警模式進(jìn)行了告警包線的仿真。利用實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，分析了告警包線合理性及導(dǎo)航信息可靠性對(duì)系統(tǒng)性能的影響，驗(yàn)證了采用可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)可顯著降低近地告警系統(tǒng)的虛警率。

[1] 徐柏齡. 新中國(guó)民航飛行安全回顧與思考[M]. 北京：中國(guó)民航出版社，1999．

[2] 趙曉晴. 基于飛行仿真的近地告警驗(yàn)證系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 天津：中國(guó)民航大學(xué)，2015．

[3] 陳廣永，何亦征，龔華軍. 近地告警系統(tǒng)報(bào)警閾值算法研究[J]. 航空電子技術(shù)，2007，38（3）：25-30．

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

[5] 傅辰濤. 地形感知和告警系統(tǒng)中地形數(shù)據(jù)和告警功能的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京：江蘇科技大學(xué)，2014.

Research of Ground Proximity Warning Based on System Characteristic

LEI Chuang

Based on the comprehensive processing and the alarm calculation of multiple navigation information, Ground Proximity Warning System is of great significance for avoiding controlled flight into terrain accidents and improving aircraft safety. First，the paper introduces the working principle of Ground Proximity Warning System, and studies the design technology of the alert envelope based on the SOC curve. Second, as an example, the warning mode of the high near ground rate is taking to simulate the alerting envelope. Finally, by using the actual fighting data, the rationality of alerting envelope and the reliability of navigation information are analyzed to affect the performance of the system.

Ground Proximity Warning; Alerting Envelope; Controlled Flight Into Terrain

U674

A

1674-7976-(2021)-04-246-05

2021-04-25。雷創(chuàng)（1983.10-），陜西大荔人，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)、智能安全導(dǎo)航技術(shù)等。