民用飛機(jī)TCAS與XPDR測(cè)試激勵(lì)器研究

郎夢(mèng)夢(mèng)

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

隨著民航事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)大型民機(jī)的安全性能要求逐漸提高，交通監(jiān)視功能的應(yīng)用能夠有效減少飛機(jī)相撞的事故率，提高飛機(jī)的安全性[1-3]。交通監(jiān)視功能包括TCAS（交通告警和防撞系統(tǒng)）和XPDR（S模式應(yīng)答機(jī)）功能，通過(guò)探測(cè)臨近空域的入侵飛機(jī)的威脅，向本機(jī)的飛行員發(fā)出告警，并提示飛行員做出相應(yīng)決策[4-5]。相對(duì)于國(guó)外較為成熟的研究，國(guó)內(nèi)該方向的研究起步較晚，在測(cè)試權(quán)威性方面與國(guó)外也有一定差距。

本文對(duì)TCAS與XPDR仿真激勵(lì)器進(jìn)行研究，可以減少早期測(cè)試成本，更加高效對(duì)飛機(jī)空中相撞的場(chǎng)景進(jìn)行模擬測(cè)試[6]。為健全民機(jī)測(cè)試條件，對(duì)TCAS與XPDR測(cè)試激勵(lì)器的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 仿真激勵(lì)器設(shè)計(jì)流程

仿真器軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示，以WINDOWS XP為軟件設(shè)計(jì)的編程環(huán)境，建立仿真激勵(lì)器的數(shù)據(jù)庫(kù)。為營(yíng)造逼真交通場(chǎng)景，采用專業(yè)航空儀表繪圖軟件編寫交通監(jiān)視人機(jī)交互頁(yè)面；通過(guò)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試線程檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)是否正常；依據(jù)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置以及故障注入；通過(guò)發(fā)送入侵飛機(jī)目標(biāo)驗(yàn)證激勵(lì)的告警信息，通過(guò)仿真模式詢問(wèn)，顯示正確的應(yīng)答信息。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

2 仿真激勵(lì)器組成

測(cè)試激勵(lì)器主要由仿真器主機(jī)和外部電纜組成。TCAS與XPDR仿真模塊、綜合處理I/O模塊、轉(zhuǎn)接單元、機(jī)柜單元、內(nèi)部電纜五部分構(gòu)成了仿真器主機(jī)。PXI控制器、PXI機(jī)箱、ARINC664板卡、ARINC429板卡、離散量板卡等構(gòu)成了綜合處理I/O模塊。顯示器、一體化鍵盤鼠標(biāo)、音響等構(gòu)成了機(jī)柜附件。交通監(jiān)視仿真激勵(lì)器組成如圖2所示。

圖2 交通監(jiān)視仿真激勵(lì)器組成

3 模擬目標(biāo)軌跡原理計(jì)算

通過(guò)在人機(jī)交互界面完成模擬目標(biāo)參數(shù)與本機(jī)飛機(jī)參數(shù)的初始設(shè)置，軟件會(huì)根據(jù)模擬目標(biāo)飛機(jī)的初始高度（Alt）、初始高度速率（Alt_Rate）、初始高度加速度（Alt_Accel）、初始水平距離（Range）、初始水平速度（Air_Speed）、航跡角（Angle）等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，從而得到模擬目標(biāo)與本機(jī)之間高度、距離和方位角等信息。且設(shè)定本機(jī)參數(shù)和模擬目標(biāo)的參數(shù)每t秒更新一次。模擬目標(biāo)飛機(jī)示意圖如圖3所示。

圖3 模擬目標(biāo)飛機(jī)示意圖

模擬目標(biāo)高度計(jì)算公式如下：

其中Alt表示高度，Alt_Rate表示高度速率，Alt_Accel表示高度加速度。

本機(jī)與目標(biāo)飛機(jī)相對(duì)距離RR計(jì)算公式如下：

Forward Range是本機(jī)到目標(biāo)飛機(jī)距離的x分量，Side_Range是從本機(jī)到目標(biāo)飛機(jī)距離的y分量。Angle是從x坐標(biāo)軸順時(shí)針測(cè)量的其他飛機(jī)的航向角。AltOWN表示本機(jī)的高度，AltOTHER表示目標(biāo)飛機(jī)的高度。

在激勵(lì)器控制軟件主界面輸入本機(jī)參數(shù)以及模擬目標(biāo)參數(shù)，仿真激勵(lì)器依據(jù)上述原理算法進(jìn)行模擬目標(biāo)軌跡計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)飛機(jī)的監(jiān)控。并依據(jù)DO-185B文件，按照威脅程度將目標(biāo)飛機(jī)分為“其他（OTHER）”“臨近（PROX）”“交通咨詢（TA）”“決斷咨詢（RA）”四個(gè)等級(jí)，并將本機(jī)與模擬目標(biāo)飛機(jī)在顯示界面進(jìn)行顯示。

4 整機(jī)功能要求

測(cè)試激勵(lì)器設(shè)置按照ARINC735A、ARINC735B、ARINC718A的相關(guān)要求進(jìn)行封裝，通過(guò)TCAS與XPDR系統(tǒng)中的Testport端口完成數(shù)字激勵(lì)；能夠仿真真實(shí)交通監(jiān)視系統(tǒng)所有ARINC 429、ARINC 664等數(shù)字總線接口的輸出功能，能夠提供交通監(jiān)視功能所有離散量、模擬量接口的輸出功能；能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下根據(jù)TCAS與XPDR系統(tǒng)激勵(lì)需求，完成場(chǎng)景設(shè)置（含入侵飛機(jī)高度、方向、軌跡等）；具備應(yīng)答A、C、S模式詢問(wèn)的能力，且根據(jù)仿真詢問(wèn)信號(hào)指令模擬出正確的參數(shù)，并在顯示界面顯示；能夠?qū)CAS和XPDR系統(tǒng)Testport端口的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，且能夠?qū)ΡO(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行解析、顯示。

5 典型場(chǎng)景測(cè)試

仿真場(chǎng)景測(cè)試能夠模擬真實(shí)飛機(jī)的飛行驗(yàn)證工作，在測(cè)試激勵(lì)器場(chǎng)景庫(kù)中，有設(shè)置場(chǎng)景庫(kù)和典型場(chǎng)景庫(kù)兩種。典型場(chǎng)景庫(kù)是為了方便用戶使用，在對(duì)TCAS/XPDR系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字激勵(lì)時(shí)，可直接從典型場(chǎng)景中調(diào)用預(yù)置的場(chǎng)景來(lái)完成場(chǎng)景激勵(lì)。

以一個(gè)典型場(chǎng)景四為例進(jìn)行測(cè)試，模擬空中單架無(wú)高度應(yīng)答能力的入侵飛機(jī)從本機(jī)的正后方逐漸靠近的過(guò)程，且入侵飛機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中類型由其他飛機(jī)、臨近飛機(jī)、TA告警飛機(jī)變化，在變化過(guò)程中，依據(jù)TCAS邏輯產(chǎn)生相應(yīng)的語(yǔ)音告警。本機(jī)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1，入侵飛機(jī)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。典型場(chǎng)景四中入侵飛機(jī)與本機(jī)的顯示場(chǎng)景如圖4所示。

表1 本機(jī)參數(shù)設(shè)置表

表2 入侵飛機(jī)參數(shù)設(shè)置表

圖4 典型場(chǎng)景圖

6 結(jié)論

本文研究了一種民用飛機(jī)TCAS與XPDR測(cè)試激勵(lì)器，針對(duì)激勵(lì)器的設(shè)計(jì)流程、結(jié)構(gòu)組成及功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并以一種典型場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。該測(cè)試激勵(lì)器的研究可以使設(shè)計(jì)人員深入理解設(shè)計(jì)規(guī)范、性能標(biāo)準(zhǔn)、功能需求，促進(jìn)后續(xù)國(guó)內(nèi)民機(jī)TCAS和S模式應(yīng)答機(jī)綜合集成驗(yàn)證工作的開(kāi)展。