運(yùn)輸機(jī)機(jī)載防撞系統(tǒng)的體系構(gòu)建研究

魏俊淦 田建學(xué) 劉水

【摘要】為了減少和避免飛機(jī)相撞的危險(xiǎn)，結(jié)合防撞設(shè)備的發(fā)展，論證了運(yùn)輸機(jī)加裝機(jī)載防撞系統(tǒng)的必要性，提出了運(yùn)輸機(jī)機(jī)載防撞系統(tǒng)應(yīng)具備監(jiān)視、跟蹤、潛在威脅評(píng)估、交通告警顯示、決斷告警顯示、空對(duì)空協(xié)調(diào)等六大功能;針對(duì)國(guó)內(nèi)運(yùn)輸機(jī)機(jī)型多、制式不同、設(shè)備差異較大等特點(diǎn)，給出了構(gòu)建機(jī)載防撞系統(tǒng)的對(duì)策與措施。

【關(guān)鍵詞】運(yùn)輸機(jī);機(jī)載防撞系統(tǒng);功能設(shè)計(jì);對(duì)策與措施

Abstract：In order to reduce and avoid dangerous aircraft collision，combined with the development of anti-collision device，proved the necessity of conveyor with airborne collision avoidance system，the transport aircraft the airborne collision avoidance system should possess six functional of monitoring ，tracking，potential threat assessment，traffic alarm display，alarm display，spatial decision。According to the characteristics of domestic transport models many different devices，and puts forward the strategies and measures for constructing the airborne collision avoidance system.

Key words：transport aircraft;TCAS;Function design;Strategies and measures

為了減少和避免空中飛機(jī)相撞的危險(xiǎn)，航空界持續(xù)開(kāi)展了防撞技術(shù)和防撞設(shè)備的研究。1955年，Honeywell公司的J.S.Morrell博士提出了根據(jù)兩架飛機(jī)到達(dá)最接近點(diǎn)所需時(shí)間的主動(dòng)防撞概念，得到業(yè)界的認(rèn)可。

一、防撞設(shè)備的發(fā)展

在防撞設(shè)備方面，50年代曾利用電波的多普勒效應(yīng)原理研制了空中防撞設(shè)備，但因誤報(bào)很多，終未實(shí)用。60年代末70年代初，若干廠家開(kāi)發(fā)了航空器防撞系統(tǒng)，但該設(shè)備在繁忙機(jī)場(chǎng)區(qū)域的運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)有較高的虛假警告，此外它要求其他飛機(jī)也必須裝備該類(lèi)設(shè)備。70年代中期，開(kāi)發(fā)了信標(biāo)防撞系統(tǒng)BCAS。該系統(tǒng)利用空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)ATCRBS應(yīng)答機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)來(lái)決定對(duì)方飛機(jī)的距離和高度。所有的航線運(yùn)輸飛機(jī)、軍用飛機(jī)和大多數(shù)通用航空飛機(jī)上都安裝有ATCRBS應(yīng)答機(jī)。因此任何裝備BCAS的飛機(jī)能夠避開(kāi)大多數(shù)其它飛機(jī)而得到保護(hù)。此外，正在發(fā)展的S模式應(yīng)答機(jī)使用離散選址通信技術(shù)，使兩架沖突的BCAS飛機(jī)能高度可靠地完成避讓機(jī)動(dòng)的協(xié)調(diào)。1981年，F(xiàn)AA決定發(fā)展并裝備空中交通告警及防撞系統(tǒng)TCAS（Traffic Alert And Collision Avoidance System）。TCAS是在BCAS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但增加了新的功能，特別是TCAS II能提供垂直方向的避讓措施，能在交通密度高達(dá)每平方海里0.3架飛機(jī)的空域正常運(yùn)行。因此，TCAS系統(tǒng)是完全不依賴(lài)地面系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備。它通過(guò)ATC應(yīng)答機(jī)相互對(duì)話(huà)，自行完成探測(cè)和跟蹤?quán)徑沼蝻w機(jī)的任務(wù)。根據(jù)接近程度，向機(jī)組提供不同級(jí)別的告警，必要時(shí)推薦避讓措施。

二、構(gòu)建運(yùn)輸機(jī)機(jī)載防撞系統(tǒng)的必要性

一般來(lái)講，運(yùn)輸機(jī)（包括民用和軍用運(yùn)輸機(jī)）的飛行航線與民航客機(jī)航線有很多交叉，發(fā)生空中危險(xiǎn)接近的幾率相應(yīng)增大。所以，一些發(fā)達(dá)國(guó)家不但民用運(yùn)輸機(jī)要將TCAS系統(tǒng)作為基本配置，而且軍用運(yùn)輸機(jī)（特別是大型和主要的運(yùn)輸機(jī)）也要加裝配備TCAS系統(tǒng)，如美國(guó)在2002年由洛克希德·馬丁公司完成了為所有美國(guó)空軍C-5飛機(jī)（124架）加裝TCAS設(shè)備的工作;2005年，美國(guó)波音公司為美國(guó)空軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的500架C-130運(yùn)輸機(jī)加裝了Honeywell公司的TCAS機(jī)載設(shè)備。

在歐洲，法國(guó)空軍的空客軍用型，以及已經(jīng)推出的軍用空客A-400飛機(jī)，都裝備TCAS設(shè)備。俄羅斯也為其軍用的伊爾-76、圖-154、雅克-42、安-124等飛機(jī)裝備了Honeywell公司的TCAS系統(tǒng)。美國(guó)的其它軍用飛機(jī)也先后加裝了TCAS系統(tǒng)，如F-18、F-22就直接裝備了ETCAS（增強(qiáng)型機(jī)載防撞系統(tǒng)）。另?yè)?jù)報(bào)道，美國(guó)與瑞典合作，在F-16飛機(jī)上試飛與飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀交聯(lián)的機(jī)載防撞系統(tǒng)，以驗(yàn)證將來(lái)在無(wú)人機(jī)上應(yīng)用的可行性。

TCAS有三種類(lèi)型，即TCAS Ⅰ型、TCAS Ⅱ型、TCAS Ⅲ型。其中TCAS Ⅰ型為基本型。它是一種低功率、短距離系統(tǒng)，僅能探測(cè)臨近最直接范圍內(nèi)的飛機(jī)，已經(jīng)停止使用。能同時(shí)提供垂直和水平規(guī)避指令的TCAS Ⅲ型還處于開(kāi)發(fā)階段，國(guó)內(nèi)外主要裝備的均為T(mén)CAS Ⅱ系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCAS系統(tǒng)）。目前國(guó)外研制開(kāi)發(fā)TCAS II設(shè)備的廠家主要有Honeywell公司、Rockwell Collins公司和ACSS公司等。

國(guó)際民航組織（ICAO）在2000年1月1日起要求亞太地區(qū)安裝TCAS II系統(tǒng)。為了符合ICAO的規(guī)定并與國(guó)際接軌，中國(guó)民用航空總局曾經(jīng)于2000年6月16日發(fā)出關(guān)于安裝TCAS II有關(guān)問(wèn)題的通知和相應(yīng)的適航指令，規(guī)定：從2000年12月31日起，所有最大起飛重量超過(guò)15000公斤或批準(zhǔn)的旅客座位數(shù)超過(guò)30的民用固定翼渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，均應(yīng)安裝TCAS II;從2003年12月31日起，所有最大起飛重量超過(guò)5700公斤或批準(zhǔn)的旅客座位數(shù)超過(guò)19的民用固定翼渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，均應(yīng)安裝TCAS II。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的機(jī)載防撞系統(tǒng)均為T(mén)CAS Ⅱ系統(tǒng)，主要有CAS 67A、TCAS2000和TCAS4000等型號(hào)。

三、運(yùn)輸機(jī)機(jī)載防撞系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研和技術(shù)分析，各類(lèi)運(yùn)輸機(jī)要實(shí)現(xiàn)空中避讓和防撞這一總要求，必須具備監(jiān)視、跟蹤、潛在威脅評(píng)估、交通告警（TA）顯示、決斷告警（RA）顯示、空對(duì)空協(xié)調(diào)等六大功能。

（1）監(jiān)視功能——對(duì)空中周?chē)w機(jī)飛行軌跡的監(jiān)視功能。探測(cè)在系統(tǒng)監(jiān)視范圍內(nèi)出現(xiàn)的裝有S模式或A/C模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，建立航跡，比較并更新現(xiàn)存航跡。

（2）跟蹤功能——獲取有可能危險(xiǎn)接近飛機(jī)的間距、方位、高度等相關(guān)信息并進(jìn)行相對(duì)位置、接近速率與高度變化等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跟蹤的功能。對(duì)接近飛機(jī)進(jìn)行跟蹤，獲得兩機(jī)間的距離、相對(duì)方位和相對(duì)高度等參數(shù)，并計(jì)算接近飛機(jī)的相對(duì)位置、接近速率和高度變化等信息。

（3）潛在威脅評(píng)估功能——通過(guò)沖突探測(cè)和邏輯處理，具備對(duì)潛在危險(xiǎn)程度的評(píng)估功能。利用跟蹤數(shù)據(jù)，通過(guò)沖突探測(cè)和解決處理邏輯，與告警參數(shù)進(jìn)行比較，確定接近飛機(jī)的潛在威脅，當(dāng)出現(xiàn)相撞危險(xiǎn)時(shí)，根據(jù)危險(xiǎn)的程度發(fā)出交通告警和決斷告警。

（4）交通告警（TA）顯示功能——根據(jù)危險(xiǎn)程度發(fā)出顯示、音響等多種物理形式的交通告警的功能。通過(guò)顯示器顯示目標(biāo)的符號(hào)、位置、顏色和數(shù)據(jù)標(biāo)牌，提供周?chē)沼虺霈F(xiàn)的接近飛機(jī)的交通態(tài)勢(shì)和交通告警。

（5）決斷告警（RA）顯示功能——具有控制飛機(jī)升降、轉(zhuǎn)彎等決斷避險(xiǎn)功能。對(duì)出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)的接近飛機(jī)，確定出本機(jī)合適的垂直機(jī)動(dòng)飛行建議，通過(guò)顯示器顯示目標(biāo)的符號(hào)、位置、顏色和數(shù)據(jù)標(biāo)牌，以及VSI垂直速度指示畫(huà)面，給出決斷告警顯示，以便本機(jī)與接近飛機(jī)之間達(dá)到或保持安全間隔距離。

（6）空對(duì)空協(xié)調(diào)功能——具有飛機(jī)之間的空對(duì)空協(xié)調(diào)功能。對(duì)接近的存在碰撞危險(xiǎn)且裝有TCAS Ⅱ系統(tǒng)的飛機(jī)，本機(jī)將會(huì)與接近飛機(jī)建立一個(gè)機(jī)動(dòng)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)聯(lián)系，確保兩機(jī)間的決斷告警是協(xié)調(diào)和兼容的。

此外，機(jī)載防撞系統(tǒng)還應(yīng)具備音響告警功能和升降速度指示功能。就是說(shuō)，在一定條件下，通過(guò)輸出模擬語(yǔ)音給座艙音頻系統(tǒng)和TCAS揚(yáng)聲器，向飛行人員提供交通和決斷語(yǔ)音告警信息;防撞系統(tǒng)的顯示器可以利用飛機(jī)靜壓，向飛行員提供飛機(jī)的升降速度指示。

四、構(gòu)建機(jī)載防撞系統(tǒng)技術(shù)對(duì)策與措施

國(guó)內(nèi)運(yùn)輸機(jī)有機(jī)型多、制式不同、設(shè)備差異較大等特點(diǎn)，因此構(gòu)建機(jī)載防撞系統(tǒng)應(yīng)采用以下的對(duì)策與措施：

（1）采用裝備進(jìn)口與改裝研究相結(jié)合的方式進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建

按照民航總局和和有關(guān)部門(mén)的要求，運(yùn)輸機(jī)自主防撞系統(tǒng)采用TCASII系統(tǒng)。從國(guó)內(nèi)目前狀況來(lái)看，由于國(guó)家沒(méi)有正式立項(xiàng)研制TCAS系統(tǒng)，只是相關(guān)研制單位自籌資金開(kāi)展了一些局部的預(yù)研工作，積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，短期內(nèi)還無(wú)法研制出滿(mǎn)足運(yùn)輸機(jī)加裝要求的TCAS國(guó)產(chǎn)設(shè)備。因此只能采取從國(guó)外進(jìn)口裝備，自行研究解決信號(hào)交聯(lián)、設(shè)備裝機(jī)、試驗(yàn)檢驗(yàn)等問(wèn)題，從而建立符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)載防撞系統(tǒng)。

（2）合理選擇系統(tǒng)設(shè)備

根據(jù)運(yùn)輸機(jī)的特點(diǎn)，所選擇的機(jī)載防撞系統(tǒng)設(shè)備必須滿(mǎn)足：民航飛機(jī)大量使用并證明性能優(yōu)良的貨架產(chǎn)品;系統(tǒng)兼容性好、容易升級(jí)、擴(kuò)張能力強(qiáng)，滿(mǎn)足空管系統(tǒng)發(fā)展需要;系統(tǒng)可靠性、維修性好，滿(mǎn)足長(zhǎng)期使用維護(hù)需要;符合DO-185A 7.0規(guī)范;系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比;進(jìn)貨渠道有保證，可提供長(zhǎng)期技術(shù)服務(wù);系統(tǒng)接口能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)運(yùn)輸機(jī)機(jī)型多、機(jī)載設(shè)備品種多的狀態(tài)，或減小對(duì)接口適配器的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)以上要求，在充分考慮不同運(yùn)輸機(jī)自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上可靈活選擇不同公司的產(chǎn)品。

（3）注重系統(tǒng)融合突出適配器的核心作用

構(gòu)建運(yùn)輸機(jī)自主防撞空管系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何將定型的裝備在多種類(lèi)型飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)融合。根據(jù)需要TCAS系統(tǒng)應(yīng)與飛機(jī)上的航姿系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、無(wú)線電高度表、機(jī)內(nèi)通話(huà)系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、空地狀態(tài)、VOR、DME、Ⅲ型敵我識(shí)別器等信號(hào)交聯(lián)。而目前各型運(yùn)輸機(jī)機(jī)載設(shè)備大部分都屬模擬信號(hào)設(shè)備，技術(shù)狀態(tài)相對(duì)落后，無(wú)標(biāo)準(zhǔn)總線接口，且同型號(hào)飛機(jī)的技術(shù)狀態(tài)也不統(tǒng)一，大都無(wú)法與國(guó)外生產(chǎn)的TCAS設(shè)備直接交聯(lián)。因此加裝飛機(jī)機(jī)載設(shè)備提供的多路交聯(lián)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的信號(hào)處理后才能與TCAS設(shè)備交聯(lián)，而研制綜合信號(hào)適配器是最合理、最有效地解決方案。針對(duì)不同飛機(jī)、不同設(shè)備、不同信號(hào)格式研制專(zhuān)用的適配器，突出其核心作用，實(shí)現(xiàn)載機(jī)與機(jī)載防撞系統(tǒng)的融合。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著空中交通流量的不斷增大，空中危險(xiǎn)接近的情況越來(lái)越多，機(jī)載防撞系統(tǒng)的必要性日益明顯，堅(jiān)定了人們裝備自主防撞系統(tǒng)的決心，也加速了研制自主防撞系統(tǒng)的步伐。飛機(jī)裝備機(jī)載防撞系統(tǒng)后，飛行員能通過(guò)該設(shè)備監(jiān)測(cè)本機(jī)周?chē)霃酱蠹s40海里、上下3000m范圍內(nèi)的飛行動(dòng)態(tài)，通過(guò)與遭遇飛機(jī)間的相互詢(xún)問(wèn)和應(yīng)答以及數(shù)據(jù)分析，來(lái)確定航線是否有沖突。在地面管制能力受限的情況下，飛行員可通過(guò)機(jī)載防撞系統(tǒng)及時(shí)應(yīng)對(duì)，采取有效措施避免事故發(fā)生。地面管制員也可通過(guò)機(jī)載防撞系統(tǒng)獲取飛機(jī)的高度、航向、速度等有關(guān)飛行信息，從而擴(kuò)展管制人員的監(jiān)測(cè)范圍，提升地面管制的指揮能力。

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作者簡(jiǎn)介：魏俊淦（1964—），男，江蘇興化人，碩士，海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：機(jī)載設(shè)備集成技術(shù)、機(jī)載設(shè)備維護(hù)技術(shù)。