劉志剛 田宏安 李洪偉
(1.四川九洲電器集團有限責(zé)任公司,四川綿陽 621000;2.四川九洲空管科技有限責(zé)任公司,四川綿陽 621000)
空域飛行安全的3個層面:規(guī)劃層、戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術(shù)層。規(guī)劃層從空域管理、運行、飛行程序上,盡最大可能在宏觀上避免飛行矛盾;戰(zhàn)略層在中觀上進行空中交通管理和自主間隔保持,管制員或飛行員借助地面和機載設(shè)備監(jiān)視飛行活動,防止違規(guī)飛行和違反間隔標(biāo)準(zhǔn);戰(zhàn)術(shù)層在微觀上進行機載防撞規(guī)避,通過機載設(shè)備實時掌握周圍環(huán)境態(tài)勢,確保飛機不會與其他飛行器和地面碰撞,不會進入危及飛行安全的惡劣氣象區(qū)域和特殊限制空域。機載防撞獨立于地面交通管制系統(tǒng),是防止空中相撞事故發(fā)生的最后防線[1]。
隨著電子器件和航空電子系統(tǒng)模塊化(IMA)的發(fā)展,空管監(jiān)視防撞技術(shù)也由單一監(jiān)視功能向綜合監(jiān)視技術(shù)發(fā)展。綜合監(jiān)視系統(tǒng)減小了設(shè)備體積、重量和功耗,提升設(shè)備可靠性、可更換性及易維護性,正在替代單一功能TCAS,成為大中型運輸機、轟炸機的主流配置。
ARINC組織2011年發(fā)布升級版本ARINC768-2《綜合監(jiān)視系統(tǒng)(ISS)最低性能標(biāo)準(zhǔn)》,該標(biāo)準(zhǔn)定義了4種構(gòu)型的ISS,見表1。
表1 ISS構(gòu)型
當(dāng)前國際上的主流產(chǎn)品主要采用A構(gòu)型和D構(gòu)型,如Honeywell公司和Collins公司產(chǎn)品符合A構(gòu)型,Thales產(chǎn)品符合D構(gòu)型。
為降低戰(zhàn)機飛行事故率,美國國防部完成自動空中防撞系統(tǒng)(Auto-ACAS)系統(tǒng)的研制和試驗。后續(xù)階段,Auto-ACAS和Auto-GCAS(自動防撞地系統(tǒng))將集成到一個統(tǒng)一的自動防撞(Auto-CAS)系統(tǒng)中。
Auto-ACAS與傳統(tǒng)的民航機載防撞系統(tǒng)(TCAS)不同,Auto-ACAS是一套基于軟件算法的飛機防撞系統(tǒng)。在飛行員手動防撞機動失敗的情況下由Auto-ACAS接管操作,在兩架飛機碰撞前的最后瞬間實現(xiàn)自動防撞[2]。
與TCAS只能垂直避撞不同,Auto-ACAS基于數(shù)據(jù)鏈通信完成多機間的自動避撞操作,飛機通常采取垂直方向、水平方向,或者垂直和水平方向組合的機動措施來避撞。機動措施包括拉升、向左滾轉(zhuǎn)并拉升和向右滾轉(zhuǎn)并拉升3種。在兩架飛機規(guī)避機動時會產(chǎn)生9種可能的機動組合。對于各種機動操作組合,計算兩架飛機飛行線路之間的最小間隔,其中最小間隔值最大的機動組合為最優(yōu)方案。
Auto-ACAS系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 Auto-ACAS系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖
Auto-GCAS是基于精確導(dǎo)航和數(shù)字地形數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng),飛行員將飛行軌跡疊加到數(shù)字地形圖上,通過將飛機已知的、預(yù)測的位置與飛機前方的地形圖進行比對,確定飛行軌跡是否有與地面或其他障礙物(高山)等發(fā)生碰撞的趨勢。當(dāng)飛行員喪失判斷力或遭遇高過載意識喪失時,系統(tǒng)會進行干預(yù)。如圖2所示,在機載計算機控制飛機5s之前,系統(tǒng)將發(fā)出警報,如果飛行員不能在1.5s內(nèi)做出反應(yīng),Auto-GCAS將自行控制飛機,首先迅速將飛機翻轉(zhuǎn)至機翼水平狀態(tài),之后進行過載5g的拉起動作,飛機狀態(tài)恢復(fù)穩(wěn)定后計算機將控制權(quán)交還飛行員。
圖2 Auto-GCAS系統(tǒng)可在飛機碰撞前自動拉起飛機
ACAS X是FAA于2008年資助研究開發(fā)的一種最終將取代TCASⅡ的新型機載防撞方案,它兼容了SESAR和Next-Gen的未來運行概念?;诟怕誓P偷腁CAS X可提供未來飛機位置的統(tǒng)計表示法,在考慮系統(tǒng)安全操作目標(biāo)的同時,實現(xiàn)了邏輯定制特殊程序或空域配置。相比TCASⅡ而言,ACAS X在降低升級與維護成本同時,可將碰撞風(fēng)險降低約50%,升級更快速便捷。
TCASⅡ與ACAS X當(dāng)前概念之間存在兩個關(guān)鍵差異,即防撞原理和監(jiān)視數(shù)據(jù)源。在確定入侵飛機當(dāng)前和未來預(yù)計位置時,TCASⅡ比較依賴使用機載應(yīng)答機的詢問機制。如果所跟蹤的飛機被認(rèn)為有威脅并同樣配有TCASⅡ,兩套TCASⅡ?qū)⑦M行協(xié)調(diào)并發(fā)出補充咨詢。當(dāng)前的TCASⅡ咨詢原理是根據(jù)飛行最近交會時間和預(yù)定交會距離,針對潛在威脅發(fā)出告警[3]。
ACAS X并未使用硬件編碼規(guī)則,而是采用基于數(shù)字查找表的告警原理,并優(yōu)化了基于概率的空域模型和一套安全操作注意事項。與TCASⅡ僅依靠基于應(yīng)答機的監(jiān)視不同,ACAS X可以兼容符合規(guī)定性能標(biāo)準(zhǔn)的任何監(jiān)視源(或監(jiān)視源組合),這種概念被稱作“即插即用”監(jiān)視,可使ACAS X獲取各種來源的監(jiān)視數(shù)據(jù),如衛(wèi)星、雷達(dá)、紅外和光電監(jiān)視系統(tǒng)等,并且其中一些監(jiān)視源還可用于支持無人機對未裝應(yīng)答機飛機的感知和規(guī)避。ACAS X工作原理如圖3所示。
圖3 ACAS X工作原理圖
除了標(biāo)準(zhǔn)的ACAS X(ACAS XA),還有其他版本的ACAS X,ACAS X的4種版本見表2,從而將防撞保護擴展到了目前TCAS Ⅱ無法顧及的情況和用戶。
表2 ACAS X的4種版本
ACAS X確保了與當(dāng)前和未來CNS / ATM系統(tǒng)(包括TCAS II)的互操作性。ACAS X的作為下一代系統(tǒng),致力于解決現(xiàn)有ACAS的設(shè)計方面的限制,提高安全性,降低虛警,滿足規(guī)避操作的便利性以及考慮飛行員可接受的飛機性能。調(diào)整內(nèi)部處理流程降低告警對ATC系統(tǒng)的影響,并且發(fā)布的告警可以更易于操作和執(zhí)行。ACAS X的每個變體都支持一組不同的操作目標(biāo)。它們將共同提高安全性,減少不必要的RA,并為新用戶類提供防撞保護[4]。
ACAS X的處理鏈如圖4所示。
圖4 ACAS X處理鏈
3.2.1 ACAS Xa
ACAS Xa除了被動監(jiān)視,還采用主動監(jiān)視和協(xié)調(diào),并結(jié)合全局威脅解決邏輯。它旨在替代TCAS II和ACAS II。ACAS Xa包括目標(biāo)監(jiān)視和防撞算法兩大部分,設(shè)計為監(jiān)視跟蹤模塊(STM)和威脅決斷模塊(TRM)。
3.2.2 監(jiān)視跟蹤模塊STM
STM處理所有目標(biāo)監(jiān)視和本機數(shù)據(jù),并按TRM需要的格式進行輸出。STM輸出到TRM的本機和目標(biāo)機數(shù)據(jù)均附加一組不同權(quán)值的樣本值,代表本機和目標(biāo)機的位置不確定性,這些帶有權(quán)值的樣本值統(tǒng)稱為置信狀態(tài)。每個目標(biāo)機都有水平和垂直位置的置信狀態(tài),本機只有垂直位置置信狀態(tài)。各類位置的置信狀態(tài)將輸出到威脅決斷模塊(TRM)進行狀態(tài)和價值估計,這是與TCASII的另外一個重要區(qū)別[5]。
入侵機垂直和本機的垂直置信狀態(tài)包括海拔和海拔率的估計。提供五個“加權(quán)”樣本。一個概率或權(quán)重為1/3的“中間”樣本([z,dz])和四個權(quán)重為1/6的樣本([z,dz+σdz],[z,dz-σdz],[z+σz,dz],[z-σz,dz])。這五個垂直西格瑪樣本(置信狀態(tài))代表垂直或高度分布。
入侵機水平置信狀態(tài)包括相對x和y以及x和y的比率(dx,dy)。提供了九個“加權(quán)”樣本。提供權(quán)重為1/3的一個中間樣本([x,y,dx,dy])和在中間樣本兩側(cè)的八個另外的樣本,權(quán)重為1/12[6]。
STM用信息標(biāo)記每個航跡,允許TRM確定航跡是否可用于僅生成RA和TA或TA。
3.2.3 威脅決斷模塊TRM
威脅決斷模塊接收監(jiān)視跟蹤模塊輸出接口的數(shù)據(jù)后,實現(xiàn)TA、RA、RA協(xié)同,并對目標(biāo)機的威脅進行評估,最后確定顯示告警的邏輯參數(shù),其設(shè)計的總體架構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 威脅決斷模塊架構(gòu)圖
TRM需要的本機相關(guān)輸入包括:無線電高度、航向、S模式地址,以及設(shè)備垂直狀態(tài)。本機垂直狀態(tài)估計信息是一組本機垂直高度、高度率相關(guān)的置信狀態(tài)量。TRM需要的目標(biāo)機相關(guān)輸入包括:目標(biāo)S模式地址報告值、高度量化精度、TCAS設(shè)備狀態(tài)、收到的垂直協(xié)同補充信息(VRC)。TRM的處理過程如圖6所示。
圖6 TRM的處理過程
隨著航空電子系統(tǒng)模塊化(IMA)的發(fā)展,民機防撞由單一防撞TCAS系統(tǒng)發(fā)展為綜合監(jiān)視ISS系統(tǒng),戰(zhàn)機防撞Auto-CAS取得了積極進展。新一代防撞系統(tǒng)ACAS X的出現(xiàn)提高了效率和安全性,而且不同版本的ACAS X適合不同類型的飛機,滿足不同的防撞需求,是防撞系統(tǒng)的發(fā)展方向。