機(jī)載防撞系統(tǒng)應(yīng)用中目標(biāo)跳變現(xiàn)象分析

李亞玲 王韶濛 楊玉衛(wèi)

摘 要：闡述了機(jī)載防撞系統(tǒng)的功能及應(yīng)用，針對(duì)某型飛機(jī)機(jī)載防撞系統(tǒng)飛行過(guò)程中目標(biāo)方位跳變現(xiàn)象產(chǎn)生過(guò)程、原因進(jìn)行了分析，得出了無(wú)威脅目標(biāo)角度因素不影響防撞功能、接近威脅目標(biāo)防撞系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)方位進(jìn)行跟蹤的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：機(jī)載防撞系統(tǒng);目標(biāo);方位

0? ? 引言

隨著航空運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，空中交通量日益增大，飛機(jī)數(shù)量迅速增長(zhǎng)，空域變得更加繁忙和擁擠，這就增加了飛機(jī)空中沖突的潛在可能性。機(jī)載防撞系統(tǒng)作為避免飛機(jī)空中相撞的最后一道防線，能夠顯示飛機(jī)周圍的情況，預(yù)報(bào)飛機(jī)是否處于碰撞軌跡上，在需要時(shí)提供語(yǔ)音告警，預(yù)測(cè)飛機(jī)可能發(fā)生的危險(xiǎn)，幫助飛行員主動(dòng)以適當(dāng)?shù)臋C(jī)動(dòng)方式躲避危險(xiǎn)，提供安全可靠的間隔距離，避免飛機(jī)空中相撞的災(zāi)難事故發(fā)生。

在國(guó)際航空界，機(jī)載防撞系統(tǒng)（ACAS，Airborne Collision Avoidance System，歐洲航行安全局定義）又名空中交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS，Traffic Alert and Collision Avoidance System，美國(guó)聯(lián)邦航空局定義），兩種名稱的含義、組成和功能是一致的。隨著軍、民航和諧發(fā)展的需要日益增長(zhǎng)，國(guó)際民航組織（ICAO）于2000年1月1日即要求亞太地區(qū)飛機(jī)安裝機(jī)載防撞系統(tǒng)，中國(guó)民航規(guī)定域內(nèi)飛行的國(guó)際商業(yè)航空運(yùn)輸飛機(jī)應(yīng)遵守下列規(guī)定：從2004年1月1日起，所有最大審定起飛重量超過(guò)5 700 kg或批準(zhǔn)載客數(shù)超過(guò)19座的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，應(yīng)當(dāng)裝備機(jī)載防撞系統(tǒng)（TCAS Ⅱ）。

1? ? 系統(tǒng)概述

某型飛機(jī)裝備的機(jī)載防撞系統(tǒng)均為T(mén)CAS Ⅱ類產(chǎn)品，具有垂直避讓功能，通過(guò)主動(dòng)發(fā)出詢問(wèn)或偵聽(tīng)來(lái)自鄰近飛機(jī)應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，探測(cè)在發(fā)送/接收信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)其他裝有S模式或A/C模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，確定其他飛機(jī)相對(duì)于本機(jī)的距離、高度、方位，監(jiān)視和跟蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡，傳送到地面管制員的屏幕上，并與周邊飛機(jī)相互交換信息，建立、更新和維護(hù)系統(tǒng)航跡，以判定這些飛機(jī)是否存在與本機(jī)發(fā)生碰撞的可能，如果存在，系統(tǒng)就向飛行員以視頻或聲音信號(hào)提示，并提供最優(yōu)化的垂直方向上的避讓機(jī)動(dòng)建議。

機(jī)載防撞系統(tǒng)主要由ACAS收發(fā)主機(jī)、S模式應(yīng)答機(jī)、控制盒、交通/決斷顯示器、定向天線、全向天線、天線分配盒、靜壓轉(zhuǎn)換器、閉鎖信號(hào)交聯(lián)盒、綜合適配器等組成。系統(tǒng)主要功能如下：監(jiān)視功能、跟蹤功能、潛在威脅評(píng)估功能、交通告警（TA）顯示功能、防撞計(jì)算和決斷告警（RA）顯示功能、音響告警功能、空對(duì)空協(xié)調(diào)功能。

2? ? 目標(biāo)跳變現(xiàn)象分析

某型飛機(jī)飛行過(guò)程中，目標(biāo)飛機(jī)距離本機(jī)約50 km、上方300 m情況下，在同一航段多次出現(xiàn)目標(biāo)跟蹤不連續(xù)和方位跳變現(xiàn)象，但預(yù)置航線其他幾個(gè)航路段目標(biāo)連續(xù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)目標(biāo)跟蹤不連續(xù)和方位跳變現(xiàn)象。

2.1? ? 系統(tǒng)性分析

某型飛機(jī)機(jī)載防撞系統(tǒng)TCAS Ⅱ中天線測(cè)向技術(shù)采用幅度單脈沖技術(shù)，測(cè)向采用4個(gè)陣子，每個(gè)陣子負(fù)責(zé)90°監(jiān)視范圍。4個(gè)天線陣子均能接收到目標(biāo)應(yīng)答信號(hào)并將信號(hào)幅度送入設(shè)備內(nèi)，應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過(guò)定向天線處理后，目標(biāo)的方位信息只與4個(gè)通道的信號(hào)幅度信息有關(guān)，通過(guò)比較4通道的信號(hào)接收幅度，首先從4通道中選擇最大信號(hào)幅度的通道作為主通道，再比較主通道左右兩通道的信號(hào)幅度，選擇較大幅度的一路作為副通道，最后根據(jù)主通道和副通道的幅度差與設(shè)備內(nèi)部預(yù)置的方位OBA表比對(duì)，最終獲取目標(biāo)飛機(jī)的方位值。由于波束較寬，測(cè)向精度均方根值僅能達(dá)到5°，單次最大偏差27°;同時(shí)同一波束內(nèi)較易接收到反射信號(hào)，造成信號(hào)交織和幅度偏差，出現(xiàn)角度跳變現(xiàn)象。

2.2? ? 現(xiàn)象分析

機(jī)載防撞系統(tǒng)通過(guò)空空詢問(wèn)和應(yīng)答的方式獲取目標(biāo)的距離、高度、方位信息，正常情況下機(jī)載防撞系統(tǒng)僅能收到空空應(yīng)答信息直線傳輸信號(hào)，信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)地面障礙物反射形成反射信號(hào)，兩種信號(hào)疊加交織在一起，當(dāng)反射信號(hào)與直線傳輸信號(hào)相位相同，信號(hào)幅度增加，當(dāng)反射信號(hào)與直線應(yīng)答信號(hào)相位相反，信號(hào)幅度削弱，而機(jī)載防撞系統(tǒng)是通過(guò)幅度單脈沖方式進(jìn)行測(cè)向，幅度變化會(huì)造成角度偏差，出現(xiàn)目標(biāo)方位跳變[1];同時(shí)信號(hào)交織會(huì)造成無(wú)法正確解算出應(yīng)答信號(hào)，出現(xiàn)航跡斷點(diǎn)。

綜上所述，機(jī)載防撞系統(tǒng)飛行中顯示方位跳變均出現(xiàn)在相同航路點(diǎn)附近，均為信號(hào)經(jīng)過(guò)地面障礙物反射，造成信號(hào)交織，導(dǎo)致信號(hào)幅度出現(xiàn)變化或信號(hào)解碼錯(cuò)誤，導(dǎo)致了方位跳變情況。具體跳變的情況可以分為兩種：目標(biāo)跟蹤出現(xiàn)斷點(diǎn)，目標(biāo)重新出現(xiàn)的前15 s方位變化較大，即航跡斷點(diǎn)重啟角度跳變情況;航路飛行時(shí)，方位偶爾跳變，即信號(hào)反射方位偶爾跳變情況。

2.3? ? 機(jī)理分析

2.3.1? ? 航跡斷點(diǎn)重啟角度跳變情況分析

應(yīng)答信號(hào)經(jīng)地面障礙物反射后，會(huì)與直射信號(hào)疊加交織在一起，從而無(wú)法獲取目標(biāo)正確的應(yīng)答信號(hào)，導(dǎo)致目標(biāo)航跡中斷。航跡斷點(diǎn)后，后續(xù)又繼續(xù)接收到了目標(biāo)信號(hào)重新建立航跡，為保證目標(biāo)航跡快速建立，前15 s角度濾波因子較大，會(huì)存在航跡跳變情況。待目標(biāo)航跡建立超過(guò)15 s后，會(huì)逐步收斂穩(wěn)定。

根據(jù)RTCA-DO/185A標(biāo)準(zhǔn)附錄A.10規(guī)定，S模式航跡方位估算采用笛卡爾α-β估算算法，且α、β系數(shù)在航跡建立開(kāi)始15 s內(nèi)按照追蹤器隨航跡壽命取值，航跡剛建立時(shí)，為能快速有效建立目標(biāo)航跡，目標(biāo)方位跟蹤α、β系數(shù)較大，導(dǎo)致接收到的目標(biāo)應(yīng)答信號(hào)更新航跡信息時(shí)，應(yīng)答點(diǎn)跡信號(hào)方位信息對(duì)航跡方位影響較大，隨著監(jiān)視目標(biāo)時(shí)間變長(zhǎng)，α、β系數(shù)逐漸收斂，單個(gè)應(yīng)答點(diǎn)跡信號(hào)對(duì)航跡影響逐步減小，航跡逐漸收斂穩(wěn)定。

2.3.2? ? 信號(hào)反射方位偶爾跳變情況分析

目標(biāo)飛機(jī)應(yīng)答信號(hào)經(jīng)障礙物反射后，如反射信號(hào)與直線應(yīng)答信號(hào)相位相同，會(huì)造成信號(hào)幅度增加，使得目標(biāo)方位跳變;如反射信號(hào)與直線應(yīng)答信號(hào)相位相反，會(huì)造成信號(hào)幅度削弱，也會(huì)造成目標(biāo)方位跳變。

由于目標(biāo)飛機(jī)約在本機(jī)前方50 km、上方300 m，所以目標(biāo)飛機(jī)平飛時(shí)正常使用下全向天線進(jìn)行應(yīng)答，其應(yīng)答信號(hào)為360°輻射出去，而應(yīng)答信號(hào)被障礙物（如山體、高樓等）折射、反射（如水面）回來(lái)亦可被本機(jī)接收，如果地面發(fā)射、折射信號(hào)與應(yīng)答直射信號(hào)相位正好相同，信號(hào)幅度增加;如果反射信號(hào)與直線應(yīng)答信號(hào)相位相反，信號(hào)幅度削弱，也會(huì)造成目標(biāo)方位跳變。使用該應(yīng)答信號(hào)方位信息對(duì)航跡方位進(jìn)行更新時(shí)，會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)飛機(jī)角度和角速度有一個(gè)較大的跳動(dòng)。

由于目標(biāo)距離較遠(yuǎn)，相對(duì)于本機(jī)威脅等級(jí)較低，對(duì)目標(biāo)飛機(jī)監(jiān)視采用5 s間隔詢問(wèn)1次方式，剩余4 s飛機(jī)的角度信息均根據(jù)目標(biāo)距離、角度、角速度推算而出。所以如果接收到的應(yīng)答信號(hào)是反射、折射信號(hào)，則會(huì)出現(xiàn)連續(xù)5 s方位跳動(dòng)較大情況，待到第6秒再一次對(duì)目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)視詢問(wèn)，接收到真實(shí)應(yīng)答信號(hào)后，角度逐步修正到目標(biāo)飛機(jī)真實(shí)的角度。

2.4? ? 結(jié)論

在上述現(xiàn)象中，目標(biāo)距離較遠(yuǎn)，為無(wú)威脅目標(biāo)（顯示為空心菱形），故采用5 s詢問(wèn)1次對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視跟蹤，后續(xù)4 s則根據(jù)上次詢問(wèn)的方位進(jìn)行方位推測(cè)，所以此現(xiàn)象出現(xiàn)概率不高，無(wú)威脅目標(biāo)角度因素不影響防撞功能，不影響正常使用;對(duì)于接近威脅目標(biāo)（顯示為實(shí)心菱形），防撞系統(tǒng)采用1 s詢問(wèn)1次對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視跟蹤，可實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)方位進(jìn)行跟蹤，目前還未出現(xiàn)目標(biāo)跳變現(xiàn)象。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

目前TCAS Ⅱ系統(tǒng)仍為國(guó)際主流防撞技術(shù)，通過(guò)垂直機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)飛機(jī)的碰撞避讓，水平避撞技術(shù)仍處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，未進(jìn)入工程應(yīng)用，防撞計(jì)算邏輯僅基于目標(biāo)距離、距離變化率、高度、高度變化率等參數(shù)，方位信息不作為防撞邏輯計(jì)算因子（即目標(biāo)飛機(jī)無(wú)角度信息也可正常形成交通告警和決斷告警），僅用于在顯示器上對(duì)應(yīng)角度上顯示目標(biāo)信息，作為加強(qiáng)飛行員空域態(tài)勢(shì)感知的一種方式。

開(kāi)發(fā)有效的機(jī)載防撞系統(tǒng)一直以來(lái)都是航空工業(yè)界的重要目標(biāo)，TCAS Ⅲ系統(tǒng)在TCAS Ⅱ系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上集成了TCAS、XPDR、TAWS、ADS-B IN/OUT功能，而TCAS Ⅳ正在開(kāi)發(fā)中，主要增加了水平避讓功能，并能與自動(dòng)駕駛儀交聯(lián)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 魏俊淦，田建學(xué)，劉水.運(yùn)輸機(jī)機(jī)載防撞系統(tǒng)的體系構(gòu)建研究[J].電子世界，2014（13）：72.

收稿日期：2020-03-25

作者簡(jiǎn)介：李亞玲（1979—），女，陜西渭南人，飛機(jī)設(shè)計(jì)高級(jí)工程師，研究方向：航空電子集成。