民機(jī)增強(qiáng)型近地告警仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)（EGPWS）是民航飛機(jī)上必需的航空電子設(shè)備，對(duì)保障飛行安全有重要的意義。增強(qiáng)型近地告警的仿真系統(tǒng)是研究增強(qiáng)型近地告警的一個(gè)有效手段，在VC 6.0平臺(tái)下建立飛機(jī)的六自由度模型，人機(jī)交互界面和告警模塊；利用Tilcon軟件設(shè)計(jì)虛擬儀表并研究前視地形的顯示方法；同時(shí)借助FlightGear飛行模擬器實(shí)現(xiàn)飛行仿真的三維可視化顯示，通過(guò)UDP通信將各個(gè)模塊連接成一個(gè)完整的可視化仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)近地告警和飛行狀態(tài)直觀形象的顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)Ω婢Ｊ竭M(jìn)行準(zhǔn)確有效的報(bào)警，并具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、易操作的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)； FlightGear； 虛擬儀表； UDP通信

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0001?04

0 引 言

在飛機(jī)可以操控的情況下，不是由于飛機(jī)本身故障或發(fā)動(dòng)機(jī)失效等原因，而是由于機(jī)組人員在毫無(wú)覺(jué)察危險(xiǎn)的情況下，致使飛機(jī)撞山、撞地或墜水的事故稱為可控飛行撞地（Controlled Flight Into Terrain，CFIT）事故。國(guó)際民航組織統(tǒng)計(jì)CFIT是造成飛機(jī)和人員傷亡的主要原因[1]。為了避免這種情況發(fā)生，近地告警系統(tǒng)（GPWS）逐步得到了應(yīng)用。GPWS的安裝使得CFIT事故大大地減少，但仍然存在需要改進(jìn)的地方[2]。在GPWS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)（EGPWS）不僅存儲(chǔ)各種告警方式的極限數(shù)據(jù)，而且增加了前視地形警戒和地形顯示的功能，解決了警告時(shí)間短、無(wú)前視功能的缺點(diǎn)[3]。作為飛機(jī)上的一種十分重要的航空電子設(shè)備，增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)對(duì)保障飛行安全有著重要的意義。增強(qiáng)型近地告警仿真系統(tǒng)是研究近地告警的一個(gè)有效手段，在增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)真正投入使用之前，仿真系統(tǒng)可以做大量的測(cè)試研究工作，能有效提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，減少直接投入使用的風(fēng)險(xiǎn)和成本。為此，本文以VC 6.0平臺(tái)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了增強(qiáng)型近地告警仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1描述了增強(qiáng)型近地告警仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)包括飛行仿真模塊，告警模塊，儀表顯示模塊和人機(jī)交互模塊。

在人機(jī)交互模塊配置飛機(jī)初始狀態(tài)和選擇告警模式并開(kāi)始仿真。飛行狀態(tài)生成模塊產(chǎn)生飛行狀態(tài)信息，分別傳送至三維視景模塊、告警模塊和儀表顯示模塊。三維視景模塊將接收到的信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)視景顯示。告警模塊將接收到的信息與預(yù)先存儲(chǔ)的各告警模式的報(bào)警閾值進(jìn)行比較判斷，如果滿足報(bào)警條件，就把報(bào)警信息輸送給虛擬儀表，虛擬儀表接收飛行狀態(tài)信息，報(bào)警信息等，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。用戶根據(jù)虛擬儀表的顯示信息，利用鍵盤或操縱桿操縱飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生模塊對(duì)操縱指令進(jìn)行處理，更新飛機(jī)的飛行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)

2.1 飛行仿真模塊

飛行仿真包括飛機(jī)飛行狀態(tài)產(chǎn)生模塊和三維視景顯示模塊。編寫程序模擬飛機(jī)六自由度模型產(chǎn)生飛行狀態(tài)信息；充分利用FlightGear飛行模擬器的視景顯示功能，配置FlightGear的飛行場(chǎng)景、輸入/輸出接口等，接收飛行狀態(tài)信息并轉(zhuǎn)換到經(jīng)緯度坐標(biāo)系下，直觀、動(dòng)態(tài)的顯現(xiàn)民機(jī)的飛行過(guò)程。

2.2 告警模塊

告警模塊中包含7種報(bào)警模式：

（1） 過(guò)大下降率報(bào)警；

（2） 過(guò)大地形接近率報(bào)警；

（3） 起飛或復(fù)飛掉高過(guò)大報(bào)警；

（4） 不安全離地高度報(bào)警；

（5） 偏離下滑道太多報(bào)警；

（6） 無(wú)線電高度和決斷高度的報(bào)告；

（7） 低空風(fēng)切變報(bào)警。

根據(jù)來(lái)自飛行仿真模塊的信息，結(jié)合預(yù)先存儲(chǔ)的各報(bào)警模式的報(bào)警閾值，判斷是否需要給出報(bào)警，并根據(jù)報(bào)警優(yōu)先級(jí)判斷決定給出何種報(bào)警，從而給出正確的報(bào)警信息。報(bào)警流程框圖見(jiàn)圖2。

對(duì)優(yōu)先級(jí)的判斷是報(bào)警算法中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果有2個(gè)或2個(gè)以上的模式同時(shí)給出報(bào)警時(shí)，則根據(jù)優(yōu)先權(quán)決定給出何種報(bào)警，優(yōu)先權(quán)的高低由危險(xiǎn)程度確定。表1給出了報(bào)警模式的內(nèi)容和優(yōu)先級(jí)的高低順序，并進(jìn)行賦值，數(shù)值越大優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)系統(tǒng)不給出報(bào)警時(shí)將數(shù)值設(shè)為0。在優(yōu)先級(jí)判斷的編程中，通過(guò)對(duì)返回值的大小判斷決定給出何種模式的報(bào)警信息[4]。

表1 報(bào)警模式的優(yōu)先級(jí)及對(duì)應(yīng)值

2.3 儀表顯示模塊

2.3.1 虛擬儀表的設(shè)計(jì)

虛擬儀表包括主飛行顯示、前視地形顯示和告警文字、聲音顯示。

圖3是虛擬儀表顯示狀態(tài)，其中左邊是主飛行顯示，包括飛機(jī)的姿態(tài)、空速、馬赫數(shù)、氣壓高度、氣壓基準(zhǔn)、升降速度、無(wú)線電高度等，右邊是飛機(jī)前方20 nmi地形顯示和告警顯示，當(dāng)有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，給出相應(yīng)的語(yǔ)音和文字報(bào)警。設(shè)計(jì)虛擬儀表采用Tilcon軟件，其“拖?放”式的圖形界面設(shè)計(jì)，把用戶從大量編碼的圖形界面開(kāi)發(fā)方式中解放出來(lái)，使得圖形界面的開(kāi)發(fā)過(guò)程更為簡(jiǎn)便[5]。虛擬儀表中預(yù)先存儲(chǔ)了各個(gè)報(bào)警模式的報(bào)警文字、報(bào)警提示音信息。接收告警模塊和飛行仿真模塊的信息進(jìn)行顯示，給出報(bào)警語(yǔ)音及文字信息。使顯示更直觀、醒目。

2.3.2 地形數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

地形數(shù)據(jù)庫(kù)采用SRTM地形數(shù)據(jù)，它是由美國(guó)太空總署（NASA）和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局（NIMA）聯(lián)合測(cè)量的。SRTM根據(jù)精度不同分為SRTM1文件和SRTM3文件，目前能夠免費(fèi)獲取的SRTM3文件。SRTM3每經(jīng)緯度方格提供一個(gè)文件，分辨率精度為90 m，在每個(gè)文件中包含了[1 201×1 201]個(gè)采樣點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)[6]。本文中的飛行場(chǎng)景使用舊金山機(jī)場(chǎng)（KSFO）所在的數(shù)據(jù)塊，利用Global Mapper軟件進(jìn)行有關(guān)處理后建立SQL地形數(shù)據(jù)庫(kù)。將每個(gè)網(wǎng)格的信息經(jīng)過(guò)處理采用三參數(shù)表示：經(jīng)度信息、緯度信息和最高海拔高度，從而方便地實(shí)現(xiàn)了每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的索引和相應(yīng)的高度獲取[7]。

2.3.3 前視地形顯示的設(shè)計(jì)

在飛機(jī)飛行過(guò)程中，根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的經(jīng)緯度和航跡角，采用ADO的機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，讀取前方20 nmi需要顯示的點(diǎn)。結(jié)合飛機(jī)當(dāng)前的氣壓高度和網(wǎng)格中的高度確定點(diǎn)的顏色。在虛擬儀表上采用Tilcon中的繪圖函數(shù)在指定的位置繪制出不同顏色的點(diǎn)，如表2所示。隨著經(jīng)緯度和航跡角的變化，不斷的訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)更新地形顯示。

2.4 人機(jī)交互模塊

實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)和用戶之間的交互功能，利用VC++設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，本系統(tǒng)可以對(duì)報(bào)警模式進(jìn)行選擇，用戶可以根據(jù)需要選擇只有某種報(bào)警方式打開(kāi)，或者報(bào)警方式全打開(kāi)進(jìn)行仿真。此外，如果虛擬儀表顯示報(bào)警狀態(tài)，用戶可通過(guò)鍵盤或操縱桿操縱飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生模塊對(duì)操縱指令進(jìn)行處理，更新飛機(jī)的飛行狀態(tài)，使飛機(jī)脫離危險(xiǎn)區(qū)域。

2.5 通信模塊

2.5.1 UDP網(wǎng)絡(luò)通信

通信模塊用于連接飛行仿真模塊、告警模塊和儀表顯示模塊，完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信至少需要一對(duì)套接字，其中一個(gè)運(yùn)行于客戶端，稱之為ClientSocket；另一個(gè)運(yùn)行于服務(wù)器端，稱之為ServerSocket[8]。飛行仿真模塊和人機(jī)交互模塊分配在客戶端，而儀表顯示模塊和告警模塊分配在服務(wù)器端，客戶端和服務(wù)器端部署在不同的機(jī)器上。本系統(tǒng)使用UDP傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D如圖4所示。

為了適應(yīng)FlightGear的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，將FlightGear的輸入/輸出接口模塊進(jìn)行修改后移植到其他模塊中。人機(jī)交互模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包給FlightGear，同時(shí)FlightGear中的網(wǎng)絡(luò)通信模塊再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給儀表顯示模塊。

2.5.2 FlightGear的網(wǎng)絡(luò)配置

FlightGear飛行模擬器自身具備完善的網(wǎng)絡(luò)通信能力，只需要對(duì)FlightGear的輸入/輸出接口進(jìn)行配置。由于FlightGear不但要接收數(shù)據(jù)，還要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此需要同時(shí)對(duì)輸入輸出進(jìn)行設(shè)置。首先進(jìn)入FlightGear飛行模擬器的設(shè)置界面，進(jìn)入如圖5所示的選項(xiàng)卡界面。在Input/Output選項(xiàng)中，Protocol選擇native?fdm、Medium選擇為Socket， Direction為Out，Hostname為另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址，Hz項(xiàng)為60 Hz，Port為5 500，選擇UDP通信模式，輸出設(shè)置完成；點(diǎn)擊New設(shè)置輸入，Protocol選擇native?fdm，Medium選擇為Socket， Direction為In，靜態(tài)IP缺省，默認(rèn)127.0.0.1，其余的設(shè)置與輸出相同。然后點(diǎn)擊“OK”即可完成 FlightGear飛行模擬器的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置[9]。

3 仿真結(jié)果與分析

在局域網(wǎng)中使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行民機(jī)的飛行仿真模塊和人機(jī)交互模塊，另一臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行告警模塊和儀表顯示模塊，進(jìn)行聯(lián)機(jī)驗(yàn)證。仿真過(guò)程中，利用鍵盤操縱飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

以模式1為例，圖6和圖7給出了仿真結(jié)果。圖7是飛行模擬器顯示飛機(jī)的飛行狀態(tài)，圖6是虛擬儀表顯示狀態(tài)，其中左邊是主飛行顯示，包括飛機(jī)的姿態(tài)、空速、馬赫數(shù)、氣壓高度、氣壓基準(zhǔn)、升降速度、無(wú)線電高度等。右邊是飛機(jī)前方20 nmi地形顯示和告警顯示。當(dāng)下降速率過(guò)大時(shí)，給出“SINK RATE”的語(yǔ)音和文字報(bào)警，飛行員此時(shí)應(yīng)立即操縱飛機(jī)加速爬升以規(guī)避危險(xiǎn)。可以看出，在整個(gè)仿真過(guò)程中，虛擬儀表能夠正確地報(bào)警并且實(shí)時(shí)的更新前視地形顯示，整個(gè)系統(tǒng)逼真、直觀。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)增強(qiáng)型近地告警仿真系統(tǒng)，并聯(lián)機(jī)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。系統(tǒng)的告警程序是根據(jù)霍尼韋爾公司公布的告警閾值編寫的，系統(tǒng)中的三維視景模塊和地形顯示采用的是舊金山機(jī)場(chǎng)附近的地形，可以根據(jù)實(shí)際的需要更換不同的告警程序和飛行場(chǎng)景進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、使用方便的特點(diǎn)，為進(jìn)一步的研究提供了良好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] RIGGIN D L. Advisory circular 25?23A， airworthiness criteria for the installation approval of a terrain awareness and warning system （TAWS） for Part 25 airplanes [R]. USA： FAA， 2000.

[2] 劉連生，陳戴維.增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)的特性與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25（1）：120?121.

[3] 宋東，周宇晗，葉浩.增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)建模與報(bào)警仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008（25）：29?31.

[4] 趙鑫.空中防撞與近地告警綜合系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[5] 張加林，李松，汪高武，等.基于Tilcon的VexWork圖形界面開(kāi)發(fā)技術(shù)[J].指揮控制與仿真，2007，29（5）：100?104.

[6] 孫子軍，吳東蘇，柴功博，等.飛行模擬器EGPWS地形顯示模塊研究及仿真[J].信息技術(shù)，2013（4）：8?11.

[7] BOUCHERON L E， CREUSERE C D. Lossless wavelet?based compression of digital elevation maps for fast and efficient search and retrieval [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2005， 43（5）： 1210?1214.

[8] 于琰平.基于FlightGear的四旋翼無(wú)人機(jī)三維可視仿真系統(tǒng)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[9] 劉鵬.基于FlightGear的無(wú)人直升機(jī)飛行仿真技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[10] 韓改寧，李永鋒.基于嵌入式的Tilcon用戶圖形界面設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（16）：51?53.