彭良福，林云松，黃勤珍

基于SSR和ADS-B混合監(jiān)視的機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)設(shè)計?

彭良福1，林云松2，黃勤珍1

（1.西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，成都610041；2.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，成都610054）

由于設(shè)備性能的限制，民航飛機(jī)目前使用的機(jī)載防撞系統(tǒng)TCASⅡ不能適用于編隊飛行防撞。為了解決飛機(jī)編隊飛行防撞以及與民航飛機(jī)TCASⅡ兼容的問題，給出了一種基于二次雷達(dá)（SSR）和ADS-B混合監(jiān)視的機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案采用了TCAS主動監(jiān)視和被動監(jiān)視相結(jié)合的方法，利用唯一的24位S模式地址來識別和歸類目標(biāo)飛機(jī)，將TCAS的監(jiān)視數(shù)據(jù)和ADS-B的監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合來完成對目標(biāo)飛機(jī)的監(jiān)視和跟蹤。通過將大型編隊劃分為多個編隊單元的方法，由長機(jī)負(fù)責(zé)保持各個編隊單元之間的安全間距。采用收發(fā)器將長機(jī)產(chǎn)生的位置保持和碰撞避免的操縱指令通過高頻數(shù)據(jù)鏈路傳送給各個編隊單元，各個編隊成員按照操縱指令調(diào)整自己飛機(jī)的位置，完成對整個編隊的位置保持和碰撞避免的集中控制和分散執(zhí)行。該方案可以為機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)提供參考和幫助。

機(jī)載防撞系統(tǒng)（TCAS）；編隊飛行防撞；廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）；二次雷達(dá)；混合監(jiān)視

1 引言

目前民航飛機(jī)廣泛使用的機(jī)載防撞系統(tǒng)（TCASⅡ），其工作原理是利用TCAS的詢問和應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答來確定飛機(jī)之間的相對距離和方位，其位置精度和設(shè)置的告警門限均不能滿足編隊飛行的要求［1］，因此不能應(yīng)用于飛機(jī)編隊飛行時的防撞。對于飛機(jī)尤其是軍用飛機(jī)來說，有時需要2架甚至多達(dá)100架飛機(jī)保持編隊位置和間距，在夜間或全天候執(zhí)行精確的空投、集結(jié)、空中加油等飛行任務(wù)。隨著廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以通過ADS-B廣播信息獲得目標(biāo)飛機(jī)的精確的經(jīng)度、緯度和高度等信息［2］，為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的近距離編隊飛行防撞提供了可能。美國Honeywell公司開發(fā)的增強(qiáng)型機(jī)載防撞系統(tǒng)（Enhanced Traffic Alert Collision Avoidance System，ETCAS）不僅可以提供TCAS常規(guī)的監(jiān)視和防撞功能，而且可以為軍用飛機(jī)提供編隊功能［3］。但是ETCAS只能為編隊飛機(jī)提供空中的態(tài)勢感知，而不能控制和消除編隊飛機(jī)之間的位置偏差。此外，當(dāng)ETCAS工作于編隊模式時，采用的仍然是TCAS主動詢問的監(jiān)視技術(shù)，當(dāng)密集編隊飛行時大量的TCAS同時詢問將產(chǎn)生嚴(yán)重的射頻干擾，因此不適用于大型編隊的情況。本文提出了一種將ADS-B技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)載防撞系統(tǒng)（TCAS）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)編隊飛行防撞的技術(shù)方案。

2 機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)的組成和功能

2.1系統(tǒng)的組成

機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)主要由機(jī)載防撞系統(tǒng)（TCAS）、S模式應(yīng)答機(jī)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)／慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS／INS）、大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)、飛行任務(wù)計算機(jī)、收發(fā)器、控制單元、顯示器等組成，如圖1所示。

圖1 編隊飛行防撞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic block diagram of the collision avoidance system for formation flight

（1）機(jī)載防撞系統(tǒng)

即滿足RTCA DO-185A《空中交通預(yù)警和防撞系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備》所定義的飛機(jī)防撞設(shè)備TCASⅡ［4］。在機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)中，對TCAS進(jìn)行了改進(jìn)和增強(qiáng)。它不僅具有ADS-B IN的功能，而且除了具有TCAS正常的工作模式（主動監(jiān)視模式）之外，還可以工作在被動監(jiān)視模式。

（2）S模式應(yīng)答機(jī)

即滿足RTCA DO-181A《空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)／模式選擇（ATCRBS／MODE S）機(jī)載設(shè)備》所定義的S模式應(yīng)答設(shè)備［5］。它不僅具有地面和空中詢問功能，而且還具有ADS-B OUT的功能，能夠產(chǎn)生和發(fā)送ADS-B廣播數(shù)據(jù)。這種ADS-B廣播數(shù)據(jù)包含了飛機(jī)的位置信息（經(jīng)度、緯度和高度）、速度信息、身份標(biāo)識信息（例如24位S模式地址）、意圖信息等［6］。

（3）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)／慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS／INS）

GNSS主要指美國的全球定位系統(tǒng)（GPS），也可以包括俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、中國的COMPASS／BD2系統(tǒng)。INS即采用陀螺儀和加速度計等慣性敏感器件的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS接收機(jī)為系統(tǒng)提供飛機(jī)當(dāng)前的位置信息（經(jīng)度、緯度和高度）和時間信息。

（4）大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)

它根據(jù)傳感器測得的氣流的靜壓、總壓、總溫等，計算出與大氣數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)，例如飛行高度、升降速度、真實(shí)空速、馬赫數(shù)等，傳送給座艙顯示、飛行控制、導(dǎo)航等機(jī)載系統(tǒng)。

（5）飛行任務(wù)計算機(jī)

即完成航空電子系統(tǒng)主要任務(wù)相關(guān)功能的計算機(jī)，它包括飛行管理、數(shù)據(jù)融合、顯示處理、編隊內(nèi)定位防撞控制等功能。

（6）收發(fā)器

收發(fā)器可以是任何類型的無線通信系統(tǒng)，其工作頻率不同于S模式應(yīng)答機(jī)／TCAS詢問和應(yīng)答信道的頻率（1 030 MHz和1 090 MHz）。其作用是在編隊飛機(jī)之間建立高頻數(shù)據(jù)鏈路，并通過該數(shù)據(jù)鏈路收發(fā)數(shù)據(jù)。

（7）控制單元

控制單元用于選擇各個組件的功能。主要為S模式應(yīng)答機(jī)、TCAS（主動模式和被動模式）、收發(fā)器和顯示器的控制功能提供選擇。

（8）顯示器

顯示器用于顯示飛機(jī)周圍的空中交通和告警指示。顯示器是一個或者多個顯示單元，通常與ARINC735A顯示總線協(xié)議兼容。

2.2系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)

機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)具有主動監(jiān)視和被動監(jiān)視的功能，以及SSR數(shù)據(jù)和ADS-B數(shù)據(jù)融合的功能?？梢砸悦棵雰纱蔚乃俾矢嘛w機(jī)的位置、速度、航向、飛機(jī)標(biāo)識符等信息。具有編隊內(nèi)定位和防撞的功能，能夠在夜間／儀表飛行氣象條件下（IMC），支持2～100架飛機(jī)保持正確的編隊位置和安全的間隔距離。允許在儀表飛行規(guī)則（IFR）的所有高度下，使飛機(jī)的位置間距在152～3 704 m的范圍內(nèi)任意選擇。當(dāng)其他的非編隊飛機(jī)穿越到編隊飛機(jī)預(yù)先確定的某個告警周界時，系統(tǒng)會自動向飛行員發(fā)出提示和告警。具有顯示近距離空域的功能，可以選擇顯示0.926 km、9.26 km、18.52 km、37.04 km、74.08 km、148.16 km范圍的空域情況，此外還可以顯示飛機(jī)的相對速度。

機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）利用高頻數(shù)據(jù)鏈路來發(fā)布編隊內(nèi)部的操縱指令，提供了對大型飛行編隊進(jìn)行飛機(jī)定位和間距保持的一種手段。

（2）利用飛機(jī)的任務(wù)計算機(jī)作為數(shù)據(jù)融合中心，將TCAS主動監(jiān)視的信息和ADS-B被動監(jiān)視的信息進(jìn)行融合，根據(jù)接收到的來自TCAS、S模式應(yīng)答機(jī)以及收發(fā)器的信息來產(chǎn)生操縱指令。

（3）在編隊飛行時，只允許長機(jī)的TCAS工作在主動模式（可以主動詢問），編隊中其余飛機(jī)的TCAS均處于被動模式（不發(fā)送詢問）。長機(jī)通過高頻數(shù)據(jù)鏈路與編隊中處于TCAS被動模式的飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)視信息的共享。這種工作方式減少了同時發(fā)送多個TCAS詢問以及S模式應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答所產(chǎn)生的射頻干擾。

（4）不僅提供了編隊飛機(jī)和空域中的非編隊飛機(jī)之間防撞的功能，而且也提供了編隊內(nèi)部成員之間碰撞避免的功能。

3 機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)的工作原理

通過對多個編隊單元的集中控制和分散執(zhí)行，機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)能夠支持大型的編隊飛行。系統(tǒng)采用了幾種關(guān)鍵的技術(shù)，包括被動監(jiān)視技術(shù)、ADSB和SSR數(shù)據(jù)融合技術(shù)、編隊內(nèi)成員飛機(jī)之間的無線通信技術(shù)、分層控制技術(shù)等。在編隊飛行時，長機(jī)是整個編隊中唯一的TCAS處于主動模式的飛機(jī)，只有長機(jī)可以主動發(fā)送詢問，所有的編隊成員的TCAS均處于被動模式。但是，編隊成員可以通過S模式應(yīng)答機(jī)周期性地廣播（每秒兩次）其自身的ADS -B信息，同時通過TCAS接收來自其他飛機(jī)的ADS -B信息。飛機(jī)的位置、相對高度和相對速度被顯示在多功能顯示器上。

3.1飛機(jī)的分類和編隊單元的劃分

為了實(shí)現(xiàn)編隊防撞系統(tǒng)的功能，將飛機(jī)分為兩種類型，一類是編隊飛機(jī)，另一類是非編隊飛機(jī)。其中，編隊飛機(jī)又分為長機(jī)和編隊成員飛機(jī)。編隊飛行防撞系統(tǒng)采用集中控制和分散執(zhí)行的方法，將大型的編隊劃分為多個編隊單元，每個編隊單元定義為2～25架飛機(jī)的小型編隊。即一個大型的編隊包含多個編隊單元，每個編隊單元包含2～25架成員飛機(jī)。整個大型編隊只有一個長機(jī)，每個編隊單元有一個組長。

3.2系統(tǒng)的工作模式

傳統(tǒng)的TCAS只有一種工作模式，即主動監(jiān)視模式，而編隊防撞系統(tǒng)有3種工作模式，即主動監(jiān)視模式（即TCAS正常工作模式，也稱為長機(jī)模式）、被動監(jiān)視模式（也稱為編隊成員模式）以及編隊內(nèi)部監(jiān)視和防撞模式。

當(dāng)系統(tǒng)處于主動監(jiān)視模式時，可以主動向周圍空域中的目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行詢問，通過TCAS主動發(fā)送詢問請求應(yīng)答的方式來執(zhí)行監(jiān)視，同時還允許對ATC地面站的詢問進(jìn)行回答。

當(dāng)系統(tǒng)處于被動監(jiān)視模式時，TCAS的主動詢問功能失效，不能主動地詢問其他飛機(jī)，同時也禁止向ATC地面站發(fā)送消息。不過可以通過S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)送ADS-B廣播信息以及通過高頻數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送監(jiān)視信息，同時可以接收來自其他飛機(jī)的ADS-B廣播信息，以及通過高頻數(shù)據(jù)鏈路接收來自編隊中其他飛機(jī)的監(jiān)視信息。通過將這些信息進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)飛機(jī)的跟蹤和防撞計算。被動監(jiān)視技術(shù)顯著地降低了大型編隊能夠被探測到的距離，并且產(chǎn)生的射頻干擾較少。圖2給出了被動監(jiān)視的處理流程。

圖2 被動監(jiān)視處理流程Fig.2 Processing flowchart of passive surveillance

除了主動監(jiān)視模式和被動監(jiān)視模式之外，機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)還有一種工作模式，即編隊內(nèi)部監(jiān)視和防撞模式。當(dāng)系統(tǒng)工作在編隊內(nèi)部監(jiān)視和防撞模式時，只有長機(jī)的TCAS處于主動模式，編隊內(nèi)其余飛機(jī)的TCAS均處于被動模式。同時在編隊內(nèi)部通過收發(fā)器的高頻數(shù)據(jù)鏈路建立了一個無線通信網(wǎng)絡(luò)，該無線通信網(wǎng)絡(luò)使具有主動模式TCAS的長機(jī)和具有被動模式TCAS的編隊成員可以共享與當(dāng)前空中／地面交通以及潛在碰撞威脅相關(guān)的數(shù)據(jù)。長機(jī)的TCAS可以使用監(jiān)視和跟蹤信息來計算其與目標(biāo)飛機(jī)之間的相對距離、相對高度和相對方位角度以便根據(jù)其自身的飛行信息來確定接近的時間和潛在的碰撞威脅。長機(jī)得到的監(jiān)視和跟蹤信息包括經(jīng)度、緯度、高度、空速、標(biāo)識符、地速以及用于飛機(jī)態(tài)勢感知的意圖信息等。長機(jī)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)視和跟蹤信息傳達(dá)給編隊內(nèi)的其他成員。關(guān)于長機(jī)的位置數(shù)據(jù)也可以通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)給其余的編隊成員。TCAS處于被動模式的編隊成員使用長機(jī)傳達(dá)的監(jiān)視信息來保持對周圍空域中非編隊飛機(jī)的態(tài)勢感知，并且用這些監(jiān)視信息在顯示器上顯示空中交通的情況。

當(dāng)機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)工作于主動監(jiān)視模式時，與傳統(tǒng)的TCAS一樣，有3種交通警戒和告警信息，即鄰近信息（Proximate Advisory，PA）、交通信息（Traffic Advisory，TA）、解脫信息（Resolution Advisory，RA）。當(dāng)系統(tǒng)工作于編隊內(nèi)部監(jiān)視和防撞模式時，如果編隊內(nèi)的成員飛機(jī)之間存在潛在的碰撞威脅，那么將發(fā)出另一種告警信息，即沖撞告警（Blunder Alert，BA）。

對編隊飛行來說采用被動監(jiān)視主要有兩個優(yōu)點(diǎn)，一是目標(biāo)飛機(jī)的定位精度基本上等于由飛機(jī)的GPS導(dǎo)航源確定的定位精度，機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)獲得的目標(biāo)飛機(jī)的相對方位角度的均方根小于2°［3］；二是被動監(jiān)視降低了射頻發(fā)射的功率，不僅有利于降低射頻干擾，而且有利于減小飛機(jī)被探測到的概率。

3.3系統(tǒng)的工作機(jī)制

在機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)中，TCAS與S模式應(yīng)答機(jī)進(jìn)行通信，同時與飛行任務(wù)計算機(jī)進(jìn)行通信。飛行任務(wù)計算機(jī)接收和處理來自TCAS的ADS-B數(shù)據(jù)。處理的步驟包括通過接收到的ADS-B廣播數(shù)據(jù)來計算目標(biāo)飛機(jī)的距離、距離變化率、相對高度、高度變化率和方位角度，以便確定目標(biāo)飛機(jī)是否正在侵入本機(jī)的監(jiān)視空域。

在多個編隊單元組成的大型編隊中，系統(tǒng)使用被動TCAS和S模式應(yīng)答機(jī)以及編隊內(nèi)部的高頻數(shù)據(jù)鏈路來提供分布式的編隊內(nèi)部控制。一個大型的編隊被分為多個較小的編隊單元，每個編隊單元都有一個組長，由組長負(fù)責(zé)維持編隊單元內(nèi)部各成員之間的安全間距。整個編隊只有一個長機(jī)，長機(jī)是編隊成員的信標(biāo)，它負(fù)責(zé)保持多個編隊單元之間的安全間距，通過對多個編隊單元的分布式控制來支持大型編隊的飛行。長機(jī)接收來自各個編隊單元組長的數(shù)據(jù)。編隊單元組長及成員的精確位置都可以用來自GPS接收機(jī)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地進(jìn)行定位和跟蹤。長機(jī)、編隊單元組長，以及編隊單元的成員都可以通過每架飛機(jī)的唯一的24位S模式地址或者是飛機(jī)標(biāo)識碼（Flight ID）來識別。長機(jī)融合所有編隊單元的位置數(shù)據(jù)，由長機(jī)的飛行任務(wù)計算機(jī)的數(shù)據(jù)融合中心來完成這些數(shù)據(jù)的融合。長機(jī)接收來自編隊單元組長的ADS-B位置信息，由飛行任務(wù)計算機(jī)計算出編隊單元的位置和間距信息并產(chǎn)生編隊內(nèi)部定位和防撞的操縱指令，該操縱指令以分層的方式傳送。首先，操縱指令通過高頻數(shù)據(jù)鏈路按照唯一的24位S模式地址發(fā)送給各個編隊單元的組長。編隊單元組長在其自身的飛行管理系統(tǒng)（FMS）中處理這些操縱指令并且按照唯一的24位S模式地址將操縱指令轉(zhuǎn)發(fā)給編隊單元內(nèi)部的其他成員，編隊成員按照接收到的操縱指令由其自身的自動飛行控制系統(tǒng)（AFCS）來調(diào)整和保持編隊單元內(nèi)成員飛機(jī)之間的相對位置和間隔距離，實(shí)施對操縱指令的分散執(zhí)行。這些操縱命令可能包括了各種命令，例如俯仰、滾轉(zhuǎn)和推進(jìn)等。

在機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)中，相對高度、高度變化率、距離和距離變化率（相對速度）對于防撞來說都是非常關(guān)鍵的因素。利用入侵飛機(jī)發(fā)送的ADS-B廣播數(shù)據(jù)，可以取代相對位置的計算，計算出目標(biāo)飛機(jī)精確的空中位置。在大多數(shù)情況下其誤差不超過10 m。

飛行任務(wù)計算機(jī)中的數(shù)據(jù)融合中心與外圍的數(shù)據(jù)鏈路設(shè)備接口，以采集由TCAS、S模式應(yīng)答機(jī)、高頻數(shù)據(jù)鏈路收發(fā)器提供的有效數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)是從多個獨(dú)立的信號源獲得的，代表了本機(jī)相對于其他飛機(jī)的不同視角的位置和狀態(tài)，因此在采集的數(shù)據(jù)中可能包含了一些重復(fù)和矛盾的數(shù)據(jù)。通過使用數(shù)據(jù)融合算法可以消除重復(fù)和矛盾的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到信息合理和一致的子集中［7-8］。利用經(jīng)過融合后的數(shù)據(jù)，飛行任務(wù)計算機(jī)采用控制算法為自動飛行控制系統(tǒng)計算空速、高度、航向和節(jié)流閥目標(biāo)，由自動飛行控制系統(tǒng)來控制編隊內(nèi)的飛機(jī)，同時根據(jù)這些控制數(shù)據(jù)來完成對編隊內(nèi)所有飛機(jī)協(xié)調(diào)后的飛行計劃航線的改變。飛行任務(wù)計算機(jī)響應(yīng)機(jī)組人員的輸入，通過發(fā)送控制數(shù)據(jù)給S模式應(yīng)答機(jī)和TCAS以產(chǎn)生射頻發(fā)射或者使射頻發(fā)射功率降至最低。

顯示處理單元接收來自經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后的顯示數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以集成顯示在空中交通信息駕駛艙顯示器（CDTI）上，這樣可以增強(qiáng)空中態(tài)勢感知并且為飛行員提供鄰近空域中交通情況的清晰且簡明的顯示。圖3給出了顯示處理流程。

圖3 顯示處理流程Fig.3 Flowchart of display processing

3.3.1編隊飛機(jī)與非編隊飛機(jī)之間的防撞方法

非編隊飛機(jī)即不參與編隊的飛機(jī)。當(dāng)多架裝備了TCAS的飛機(jī)編隊飛行時，只允許編隊中的一架飛機(jī)（長機(jī)）的TCAS處于主動模式，而其余的編隊成員的TCAS均處于被動模式。

TCAS與高頻數(shù)據(jù)鏈路結(jié)合起來可以為處于TCAS被動模式的編隊成員提供對周圍空域中的非編隊飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)視跟蹤和執(zhí)行防撞計算的能力。處于TCAS主動模式的長機(jī)通過主動詢問和接收應(yīng)答信號來獲得關(guān)于周圍空域中非編隊飛機(jī)的信息。當(dāng)長機(jī)獲得任何新的或者更新后的非編隊飛機(jī)的空中交通信息時，可以用收發(fā)器通過一條高頻數(shù)據(jù)鏈路將這些信息傳送給處于TCAS被動模式的編隊成員。長機(jī)的位置坐標(biāo)作為監(jiān)視信息的一部分也被提供給所有的編隊成員，以便于編隊成員確定其相對于長機(jī)的位置。當(dāng)然，關(guān)于周圍空域的非編隊飛機(jī)的信息也可以通過接收來自周圍空域的非編隊飛機(jī)的ADS-B信息來獲得。處于TCAS被動模式的編隊成員采用這些有效信息的組合來監(jiān)視非編隊飛機(jī)和其他的編隊成員。

編隊成員的位置和身份標(biāo)識信息可以通過其ADS-B信息廣播進(jìn)行交換。每架編隊成員飛機(jī)可以確定其自身的相對位置、速度、高度和高度變化率，并將這些信息與由長機(jī)提供的非編隊飛機(jī)的監(jiān)視信息進(jìn)行比較。通過這些比較，處于TCAS被動模式的編隊成員可以確定與非編隊飛機(jī)之間是否存在著潛在的碰撞威脅，同時根據(jù)監(jiān)視信息和計算的相對位置來更新顯示器上的空中交通信息。

能夠接收TCAS詢問和ADS-B廣播數(shù)據(jù)的非編隊飛機(jī)可以在其顯示器上看見編隊飛機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)工作在編隊內(nèi)部監(jiān)視和防撞模式時，由于編隊內(nèi)的飛機(jī)緊密靠近，禁止發(fā)送交通信息（TA）和解脫信息（RA），因此當(dāng)編隊飛機(jī)與非編隊飛機(jī)發(fā)生飛行沖突時，由于編隊飛機(jī)不發(fā)送解脫信息（RA），因此機(jī)動避讓的責(zé)任由非編隊飛機(jī)承擔(dān)，即非編隊飛機(jī)應(yīng)該主動避讓編隊飛機(jī)。

3.3.2編隊內(nèi)部飛機(jī)之間的防撞方法

在機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)中，監(jiān)視信息不僅可以用于監(jiān)視非編隊的飛機(jī)，而且還可以用于監(jiān)視編隊內(nèi)部的其他成員飛機(jī)。

機(jī)載編隊防撞系統(tǒng)根據(jù)接收到的信息（例如通過高頻數(shù)據(jù)鏈路傳達(dá)的監(jiān)視信息或者是廣播的ADS -B信息）檢查在編隊成員之間是否存在著潛在的碰撞威脅。如果在編隊成員之間出現(xiàn)了潛在的碰撞威脅，那么將產(chǎn)生一個沖撞告警（BA）而不是解脫信息（RA），同時系統(tǒng)會以聽覺和視覺的方式向飛行員發(fā)布告警信息。當(dāng)飛行員解脫這個沖撞告警之后，系統(tǒng)將繼續(xù)工作在被動模式。

沖撞告警（BA）可以分為兩種類型。

（1）沖撞接近告警

當(dāng)兩架編隊成員飛機(jī)之間的間隔距離達(dá)到某個最小閾值距離（例如304.8 m）時，將產(chǎn)生碰撞接近告警；或者當(dāng)達(dá)到最小閾值距離的預(yù)留時間小于某個時間閾值（例如30 s）時。

（2）沖撞加速度告警

當(dāng)與另一架編隊成員飛機(jī)之間的距離在某個距離（例如304.8 m）以內(nèi)并且編隊飛機(jī)之間的相對加速度超過某個閾值（例如2.94 m／s2）時，將產(chǎn)生沖撞加速度告警。

當(dāng)上述兩種類型的沖撞告警出現(xiàn)任何一種時，編隊飛機(jī)的飛行員應(yīng)該根據(jù)長機(jī)的操縱指令采取措施來解脫潛在的編隊碰撞威脅。

當(dāng)系統(tǒng)工作在編隊內(nèi)部監(jiān)視和防撞模式時，由于在編隊內(nèi)的飛機(jī)緊密靠近，因此交通信息（TA）和解脫信息（RA）的功能被禁止。根據(jù)接收到的來自長機(jī)的主動監(jiān)視信息和其他飛機(jī)廣播的ADS-B信息，處于TCAS被動模式的編隊飛機(jī)也可以探測交通信息（TA）或解脫信息（RA）是否出現(xiàn)，并且通過視覺和聽覺的方式為飛行員指示TA和RA。當(dāng)長機(jī)的主動監(jiān)視功能失效時，如果探測到TA和RA，那么系統(tǒng)會自動或手動地切換到TCAS主動監(jiān)視模式。沖突一旦解脫，系統(tǒng)立即自動切換回TCAS被動監(jiān)視模式。

4 結(jié)束語

編隊飛行防撞是軍用飛機(jī)需要的重要功能之一，如何實(shí)現(xiàn)軍用飛機(jī)既具有編隊防撞的功能又能夠與民航飛機(jī)裝備的TCASⅡ兼容是我國空中交通管制實(shí)施過程中迫切需要解決的一個問題。因此，防止軍用飛機(jī)與民航飛機(jī)在空中相撞，輔助飛行安全，開展編隊飛行防撞方法和設(shè)備的研究是非常必要的。本文給出了利用SSR和ADS-B混合監(jiān)視技術(shù)來實(shí)現(xiàn)編隊飛行防撞系統(tǒng)的技術(shù)方案，通過在編隊內(nèi)使用收發(fā)器建立無線通信網(wǎng)絡(luò)、長機(jī)使用TCAS主動監(jiān)視、編隊成員飛機(jī)使用TCAS被動監(jiān)視來提供分布式的編隊位置控制，達(dá)到實(shí)現(xiàn)大型編隊飛行防撞的目的。由于國內(nèi)在這方面的研究工作開展得較少，本文只是給出了一種初步的實(shí)現(xiàn)方案，還有很多問題需要深入研究，例如GPS信號中斷、長機(jī)TCAS主動監(jiān)視失效、收發(fā)器偶然故障等情況的處理，這些問題都有待進(jìn)一步深入的研究。

［1］U.S.Department of Transportation Federal Aviation Administration.Introduction to TCASⅡversion 7［EB／OL］.2002-03 -03.http：／／www.arinc.com／downloads／tcas／tcas.pdf.

［2］Harrison M J.ADS-X The next gen approach for the next generation air transportation system［C］／／Proceedings of the 25th Digital Avionics Systems Conference.OR，Portland：AIAA／IEEE，2006：1-8.

［3］Haissig C M.Military formation flight as a model for increased capacity in civilian airspace［C］／／Proceedings of the 23rd Digital Avionics Systems Conference.Saltlake City，USA：AIAA／IEEE，2004：4-9.

［4］RTCA／DO-185A，Minimum operational performance standards for traffic alert and collision avoidance systemsⅡ（TCASⅡ）airborne equipment［S］.

［5］RTCA／DO-181A，Minimum operational performance standards for Air Traffic Control Radar Beacon System／Mode Select（ATCRBS／Mode S）airborne equipment［S］.

［6］RTCA／DO-260A，Minimum Operational Performance Standards for 1090MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast（ADS-B）and Traffic Information Services-Broadcast（TIS-B）［S］.

［7］楊榮盛，程擎，羅軍.一種ADS-B和多雷達(dá)數(shù)據(jù)融合方案的研究［J］.蘇州科技學(xué)院學(xué)報，2009，22（4）：58-61.

YANG Rong-sheng，CHENG Qin，LUO Jun.A study on ADS-B and multi-radar data fusion program［J］.Journal of Suzhou University of Science and Technology，2009，22（4）：58-61.（in Chinese）

［8］張學(xué)軍，張其善.ATM中的ADS-SSR數(shù)據(jù)融合的研究

［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2001，27（1）：24-27. ZHANG Xue-jun，ZHANG Qi-shan.Data fusion of ADS-SSR in air traffic management［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2001，27（1）：24-27.（in Chinese）

PENG Liang-fu was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1966. He received the Ph.D.degrees from University of Electronic Science and Technology of China in 1994.His research interests include traffic alert collision avoidance system，signal and information processing.

Email：pengliangfu＠126.com

林云松（1969—），男，四川成都人，1999年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事機(jī)載防撞系統(tǒng)、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)的研究；

LIN Yun-song was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1969.He received the Ph.D.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 1999.He is now an associate professor.His research concerns traffic alert collision avoidance system，automatic dependent surveillance-broadcast system.

黃勤珍（1965—），女，福建福州人，碩士，教授，主要從事自動控制與計算機(jī)應(yīng)用方面的研究。

HUANG Qin-zhen was born in Fuzhou，F(xiàn)ujian Province，in 1965.She received the M.S.degree from Chongqing University in 1990.She is now a professor.Her research concerns automatic control theory and computer applications.

Scheme Design of a Collision Avoidance System for Formation Flight Based on SSR and ADS-B Hybrid Surveillance

PENG Liang-fu1，LIN Yun-song2，HUANG Qin-zhen1
（1.College of Electrical Information Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，China；2.College of Automation，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

The Traffic Alert and Collision Avoidance System（TCASⅡ）which is widely used in civil aviation is not suitable for formation flight due to the performance limitations of equipment.In order to solve the problem of collision avoidance in formation flight and the product compatibility between collision avoidance system and TCASⅡof civil aviation，a design scheme of collision avoidance system based on Secondary Surveillance Radar（SSR）and ADS-B hybrid surveillance for formation flight is presented.A hybrid surveillance method of active TCAS surveillance and passive TCAS surveillance is used in this design，and the identification and classification of object airplanes is accomplished by using unique 24 bits mode S address.ADS-B data and TCAS surveillance data are fused based on the data fusion algorithm to monitor and track those object airplanes.A large scale formation is split into multiple smaller cells with a cell leader，while a master leader is responsible for maintaining safe separation between these multiple cells.Steering commands generated by the maser leader to maintain separation and avoid collision are transmitted to cell leaders by high speed digital communication link through a transceiver.Individual formation member uses these steering commands to positioning itself with respect to the leader.So the large scale formation to maintain separation and avoid collision can be realized by using centralized control and decentralized execution of multiple aircraft formation cells.The scheme design provides some references and assistance for design and produce collision avoidance system used in formation flight.

collision avoidance for formation flight；traffic alert and collision avoidance system（TCAS）；automatic dependent surveillance-broadcast（ADS-B）；secondary surveillance radar（SSR）；hybrid surveillance

The Science＆Technology Pillar Program of Sichuan Province（2011GZ0206）；The Natural Science Research Project of Southwest University for Nationalities（10NZD002）

TN95；V241；V243；V249

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.001

彭良福（1966—），男，四川成都人，博士，高級工程師，主要從事機(jī)載防撞系統(tǒng)、信號與信息處理的研究；

1001-893X（2012）05-0609-06

2012-01-04；

2012-03-26

四川省科技支撐計劃項目（2011GZ0206）；西南民族大學(xué)自然科學(xué)研究項目（10NZD002）