飛行模擬機增強型近地告警系統(tǒng)仿真研究與設(shè)計

付 煒， 趙旭東

(北京藍(lán)天航空科技股份有限公司，北京 100085)

在嚴(yán)重威脅航空安全的事故中，可控飛行撞地(Controlled Flight Into Terrain,CFIT)是造成死亡人數(shù)最多的事故原因。CFIT是指飛機在適航狀態(tài)下，由于飛行員操作失當(dāng)、夜航或復(fù)雜氣象導(dǎo)致目視條件下降，引起的飛行器發(fā)生撞山、撞地、障礙物或墜水的事故[1]。

增強型近地告警系統(tǒng)(Enhanced Ground Proximity Warning System,EGPWS)在原有GPWS的模式告警功能基礎(chǔ)上，增加了前視地形顯示預(yù)警(Terrain Awareness and Display,TAD)以及地形凈空層(Terrain Clearance Floor,TCF)保護(hù)的能力[2]。通過對機載近地告警系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范和多型機載近地告警計算機技術(shù)手冊的研究，搭建與飛機一致的告警模型，采用高精度地形數(shù)據(jù)庫結(jié)合機場模型作為地形及障礙物高程信息的來源，實現(xiàn)近地告警地形環(huán)境仿真。應(yīng)用飛行模擬機，對飛行員進(jìn)行EGPWS科目訓(xùn)練，可以增強飛行員對地形的情景意識感知，有效避免由于飛行機組操作失誤導(dǎo)致的CFIT風(fēng)險。

1 EGPWS的增強告警功能

在EGPWS的仿真設(shè)計中，保持了與機載系統(tǒng)一致的系統(tǒng)架構(gòu)。近地告警計算機仿真軟件接收來自外部傳感器的飛行參數(shù)，包括GNSS或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的經(jīng)緯度，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出的氣壓高度、升降速度，無線電高度，儀表著陸系統(tǒng)的下滑偏差等。近地告警避撞模型根據(jù)起落架和襟翼所處的位置，判斷飛機所處的構(gòu)型，進(jìn)而選擇相應(yīng)的近地告警模式和對應(yīng)的告警包線。

增強型近地告警系統(tǒng)除了保留GPWS的模式報警功能外,還駐留了可定期升級的地形和障礙物數(shù)據(jù)庫，增加了一個含有地形數(shù)據(jù)庫的預(yù)警模塊，綜合顯示系統(tǒng)根據(jù)飛機距地面的高度差繪制不同級別的圖形元素，這些圖形元素單元組成了載機周邊的地形地圖，為飛行機組提供直觀觀察二維高程地形的人機界面。

此外，近地告警系統(tǒng)存儲有一個機場數(shù)據(jù)庫，包含跑道長度大于3500 ft的硬質(zhì)跑道機場和地形復(fù)雜機場數(shù)據(jù)，以機場跑道為中心，建立一個離地高度沿階梯遞增的凈地空間，在飛機進(jìn)入凈空高保護(hù)區(qū)域時將觸發(fā)“TOO LOW TERRAIN”的語音和視覺的告警，防止飛機受控撞地。在這些機場周邊提供TCF。

2 前視地形和TCF仿真原理

2.1 前視地形告警原理

前視地形告警系統(tǒng)的工作原理是基于飛機的飛行狀態(tài)，在其前進(jìn)方向空間上生成一個虛擬的三維安全包線，同時獲取數(shù)據(jù)庫提供的地形、障礙物數(shù)據(jù)信息，實時比較告警包線與周邊地形的空間位置關(guān)系。當(dāng)告警包線與周邊地形接觸時即觸發(fā)告警，給出燈光告警和語音告警。此外，前視地形告警還具有地形/障礙物顯示功能。前視地形功能通過航空總線接收來自機載導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的大氣數(shù)據(jù)、經(jīng)緯度、無線電高度等傳感器位置[3]，訪問近地告警系統(tǒng)存儲的高精度高程與障礙物數(shù)據(jù)庫，輸出可觸發(fā)視覺和聽覺告警的提示消息給顯示和聲音仿真系統(tǒng)，其功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 前視地形功能架構(gòu)

2.2 對地凈空層告警系統(tǒng)原理

TCF功能需要訪問飛行管理系統(tǒng)輸出的目的地機場、跑道信息。TCF模型以跑道中心點為坐標(biāo)原點，但TCF告警包絡(luò)起點并不為跑道中心點，偏移量k通常為半跑道長度。

TCF包絡(luò)線根據(jù)距跑道中心的距離，可以分為小于k+4 nm、k+12 nm、k+15 nm、大于k+15 nm共4個不同告警閾值區(qū)間，通過實時解算載機距離機場中心點的距離判斷所在區(qū)間，進(jìn)而根據(jù)當(dāng)載機當(dāng)前無線電高度判斷載機是否觸發(fā)了TCF告警。當(dāng)無線電高度低于30 ft時，TCF告警將被抑制。TCF告警包絡(luò)范圍與機場跑道的相對關(guān)系如圖2所示。

圖2 TCF模型示意圖

在更新版本的增強型近地告警系統(tǒng)中，又引入了機場跑道凈空層(Runway Field Clearance Floor，RFCF)保護(hù)區(qū)。RFCF是在對地凈空層告警包絡(luò)線的基礎(chǔ)上附加了一個幾何高度指數(shù)，以便當(dāng)飛機在高海拔機場近進(jìn)時，離地高度可能很高，而相對機場的幾何高度較低時即可觸發(fā)告警。RFCF告警功能主要用于山區(qū)或高原機場，由于地形復(fù)雜導(dǎo)致的離地高度突變，通過建立虛擬的高度過渡層模型，提供航路前方潛在的地形威脅警告，也可使飛行員平緩操縱規(guī)避地形突變導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險，為飛行員正確操縱飛機安全避讓地形提供充裕的時間保證。RFCF功能的使用需要載機的GPS系統(tǒng)提供滿足精度要求的水平位置及高度參數(shù)。TCF與RFCF的區(qū)別在于，TCF限制的是飛機與地面的高度，而RFCF限制了飛機與機場的相對高度，如圖3所示。

圖3 RFCF和TCF保護(hù)區(qū)域?qū)Ρ?/p>

3 前視地形告警實仿真實現(xiàn)

前視地形告警功能仿真設(shè)計通過實時訪問DEM高程地形數(shù)據(jù)和障礙物數(shù)據(jù)庫，讀取掃描區(qū)域內(nèi)的地形/障礙物高度，解算載機與高程數(shù)據(jù)的高度差作為地形顯示的依據(jù)[4]。機組通過顯示控制系統(tǒng)設(shè)置地形顯示區(qū)域范圍，以載機經(jīng)緯度作為坐標(biāo)原點，以載機真航向為X軸，載機航向右側(cè)為Y軸。

仿真試驗中設(shè)置的地形掃描區(qū)域范圍為16 nm×16 nm，以飛機所在位置為零點，機頭方向為x軸正方向，機身側(cè)向垂直向右為y軸正方向，則掃描區(qū)域可以表示為[-4,12]×[-8,8]。掃描方式分為逐行掃描和扇形掃描兩種，利用全局變量secterON進(jìn)行選擇。

3.1 逐行掃描方式

逐行掃描每一幀以(x0,y0)點作為掃描起點，以從左至右，從上至下的方式進(jìn)行地形掃描。

逐行掃描顯示區(qū)域，地形顯示時，將顯示區(qū)域柵格化，最小顯示的一格為邊長為sweep的正方形(目前全局變量sweep=0.25 nm，x、y方向上劃分的格數(shù)保存在全局變量sweepX和sweepY中)。由于地形數(shù)據(jù)庫的分辨率為30 m(保存在全局變量terrainNetSize中)，遠(yuǎn)小于sweep，因此在計算每一柵格的地形高度時，需要把這一格以30 m的分辨率再進(jìn)行細(xì)分(細(xì)分?jǐn)?shù)量保存在全局變量partNum中，根據(jù)具體的項目需求進(jìn)行配置)，讀取每一小份的地形高度，取其最大值為這一格的地形高度，如圖4所示。

圖4 逐行掃示意圖

3.2 扇形掃描方式

扇形掃描方式以飛機為圓心，圓周式掃描。

將顯示區(qū)域柵格化，劃分大小與行掃相同。掃描步長為stepAngle(目前為0.5°)，掃描線長為scanLength(目前為15 nm)，每條線上的點間距為dotLength(目前為0.01 nm)，點數(shù)為dotNum。每一條掃描線上的點需要落入到對應(yīng)的柵格中，為了提高落入點判斷效率，只判斷掃描線所在象限內(nèi)的柵格(圖示掃描線在第二象限，則只需判斷點是否落入第二象限內(nèi)的柵格即可)，一個柵格的地形高度就是落入其中所有點的最大高度，如圖5所示。

圖5 扇形掃描示意圖

根據(jù)飛機所在高度求出地形與飛機的相對高度，不同高度對應(yīng)不同的顏色，顏色信息以整型數(shù)據(jù)的形式保存在color[sweepX][sweepY]中。

3.3 凈空層告警仿真實現(xiàn)

設(shè)計控制臺版本的測試界面輸出，TFC功能被觸發(fā)時將輸出“TOO LOW TEERAIN”語音告警標(biāo)識，當(dāng)飛機處于TFC/RFCF告警包線內(nèi)時，注意告警燈將持續(xù)顯示。當(dāng)有任意告警模式被觸發(fā)，打印包含告警觸發(fā)時刻的觸發(fā)告警模式，當(dāng)前場景最大、最小地形高度，經(jīng)優(yōu)先級排序、抑制后的語音告警標(biāo)識和告警燈燃亮狀態(tài)。圖6為機場著陸場景測試打印結(jié)果，測試進(jìn)行到1530 s，觸發(fā)TCF/RFCF告警，輸出語音及指示燈告警消息；飛機持續(xù)下降，1620 s，保持在TCF/RFCF包線內(nèi)，保持告警燈燃亮；1800 s，同時觸發(fā)近地告警常規(guī)模式mode 4A、mode6及TCF/RFCF警告。

圖6 控制臺打印TCF/RFCF告警信息

3.4 地形顯示仿真實現(xiàn)

以ARJ21飛機近地告警系統(tǒng)作為仿真對象，使用VAPS軟件繪制電子式飛行顯示器人機顯示界面，在導(dǎo)航顯示窗口疊加地形顯示圖層，演示了首都機場36跑道近進(jìn)過程中地形掃描的仿真畫面，如圖7所示。EGPWS仿真研究的成果已經(jīng)應(yīng)用于ARJ21程序訓(xùn)練器項目，作為集成機載設(shè)備的替代方案，即將交付應(yīng)用于飛行員的初始、改裝訓(xùn)練。

圖7 ND顯示頁面疊加地形顯示及告警窗口

5 結(jié)束語

以 EGPWS 的增強功能TAD和TCF功能模塊作為重點研究對象，研究了前視地形掃描采樣及告警邏輯判斷的基本理論和方法，對TCF與其增強功能RFCF的原理和保護(hù)域建模方法進(jìn)行了闡述。設(shè)計了適用于模擬機的EGPWS 仿真系統(tǒng)，利用飛行仿真模塊輸出的載機飛行參數(shù)及傳感器數(shù)據(jù)，對EGPWS的告警模式及前視預(yù)警模塊、地形庫以及地形顯示模塊進(jìn)行仿真。研究與仿真試驗結(jié)果表明，所研究的EGPWS仿真模型架構(gòu)合理，算法可行，系統(tǒng)輸出響應(yīng)與機載EGPWS在相同測試條件下反饋一致，可以作為機載試驗件的替代產(chǎn)品，應(yīng)用在IPT、FTD等飛行模擬訓(xùn)練設(shè)備中。