于超鵬，劉心剛，黃 翔（中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇無錫，214063）

?

TAWS系統(tǒng)模式二的告警原理研究與仿真驗(yàn)證

于超鵬，劉心剛，黃 翔
（中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇無錫，214063）

摘要：地形感知與告警系統(tǒng)（TAWS）可以有效的避免可控飛行撞地事故，提高飛行員態(tài)勢感知，保障航空安全?；诘湫蚑AWS系統(tǒng)的模式二告警原理，研究告警所需傳感器參數(shù)、告警觸發(fā)條件、告警閾值曲線等信息。最后以真實(shí)事故數(shù)據(jù)作為測試激勵(lì)，在全數(shù)字仿真平臺上，驗(yàn)證地形對模式二告警性能的影響，并給出改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：地形感知與告警系統(tǒng)；模式2；仿真驗(yàn)證；告警功能

0 引言

可控飛行撞地事故（Controlled Flight Into Terrain ，CFIT）是商用飛機(jī)機(jī)體損毀和人員死亡事故的主要誘因之一，根據(jù)飛行安全基金會(huì)統(tǒng)計(jì)，在地形感知警告系統(tǒng)出現(xiàn)之前，可控飛行撞地一直是威脅航空安全的頭號殺手為此，在美國聯(lián)邦航空局（FAA）和國際民航組織的要求和建議下GPWS逐步在安裝。其中，模式二的告警性能明顯不足，尤其在遇到一些陡峭地形時(shí)，告警太遲或者有時(shí)候無法告警，因此安裝了GPWS系統(tǒng)的飛機(jī)仍然無法完全避免可控飛行撞地。

針對典型TAWS系統(tǒng)進(jìn)行了研究，深入探究TAWS模式二告警原理，告警所需的傳感器參數(shù)以及觸發(fā)條件等，并對告警閾值曲線進(jìn)行了分析，然后在全數(shù)字仿真平臺上，根據(jù)事故后記錄的數(shù)據(jù)真實(shí)還原事故情形，測試改進(jìn)后的告警系統(tǒng)是否可以避免這些事故，驗(yàn)證后提出了地形對TAWS系統(tǒng)模式二的告警功能的成功概率有較大的影響，地形越陡峭告警成功率會(huì)降低，因此，必須使用配置了前視地形告警的TAWS設(shè)備。

1 TAWS模式二告警原理

模式二，地形接近率過大告警，系統(tǒng)主要作用于飛機(jī)的起飛或降落階段，根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的飛行階段，以及飛機(jī)的飛行狀態(tài)，通過采集飛機(jī)的無線電高度，飛機(jī)的下降速率，襟翼起落架位置，空速等信息經(jīng)過正確的組合運(yùn)算并且與存儲在計(jì)算機(jī)中的告警閾值進(jìn)行比對，當(dāng)飛機(jī)軌跡進(jìn)入告警區(qū)域時(shí)，給出適當(dāng)?shù)穆暪飧婢畔?。在起飛或降落階段，當(dāng)飛機(jī)遇到陡峭地形或者突然的上升地形，或者飛機(jī)下降造成了過大的地形接近率時(shí)，飛機(jī)就會(huì)給出”terrain terrain”的告警信息，提醒飛行員拉起飛機(jī)，避開陡峭地形。

1.1模式二告警觸發(fā)條件

TAWS系統(tǒng)不是一個(gè)全時(shí)的告警系統(tǒng)，它的基本告警功能只在飛機(jī)起飛，復(fù)飛和著陸階段且無線電高度低于2450ft時(shí)工作。并且TAWS系統(tǒng)包括多種告警模式，每種模式告警的條件都不相同，因此研究模式二的告警觸發(fā)條件是建立模式二告警功能的必備步驟，這也是一個(gè)減少虛警的有效措施，模式二告警由襟翼位置的不同分為模式2A和模式2B：

TAWS告警計(jì)算機(jī)根據(jù)自身檢測算法可以確定模式2A/2B的觸發(fā)條件，分別是：

表1 模式2A告警觸發(fā)條件Chart 1 alert trigger condition of Mode 2A

表2 模式2B告警觸發(fā)條件Chart 2 alert trigger condition of Mode 2B

1.2模式二告警參數(shù)及其傳感器系統(tǒng)

模式二告警主要通過檢測下列數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警：無線電高度、慣性垂直速率、氣壓高度速率、氣壓高度、校準(zhǔn)空速、起落架位置、下滑道偏離信號、臨近電門電子組件。如表3給出模式二告警參數(shù)與傳感器系統(tǒng)。

1.3模式二告警閾值曲線

告警閾值曲線相當(dāng)于劃分了安全區(qū)域和告警區(qū)域，當(dāng)飛機(jī)的參數(shù)為與告警曲線下方時(shí)，就會(huì)觸發(fā)告警，模式2A的告警閾值曲線如下圖1所示：

下部分曲線方程為：MIN TERRAIN CLEARTANCE（ft） = -1579 + 0.7895 * closerate（fpm）

上部分曲線方程為： MIN TERRAIN CLEARTANCE（ft） = 522 + 0.1968 * closerate（fpm）

模式2A的閾值曲線上限是與飛機(jī)當(dāng)前的空速有關(guān)的，并且無線電上限值與飛機(jī)空速的函數(shù)關(guān)系為：UPPER LIMIT （ft） = 1650 + 8.9 * （Airspeed-220）

模式2B的告警閾值曲線如下圖2所示：

模式2B的告警閾值曲線為：

TERRAIN CLEARANCE （ft）］= -66.777 - 0.667 * ［closerate （fpm）］

告警閾值曲線下限與飛機(jī)的下降速率存在的函數(shù)關(guān)系：（下限在220～600ft）

DOWN level（ft） = 0.667 * sinkrate（fpm） -66.8（ft）

通過模式2A/B閾值曲線的對比，可以看出來，模式2B的告警范圍是包含與模式2A的，告警靈敏度降低，這是因?yàn)樵谶M(jìn)近階段，為了不影響飛機(jī)正常著陸，減少告警系統(tǒng)對飛行員的滋擾設(shè)計(jì)的，只有在地形接近率超過正常進(jìn)近的范圍內(nèi)時(shí)才給出告警提示。

2 模式二功能驗(yàn)證

大多數(shù)的可控飛機(jī)撞地事故都發(fā)生在進(jìn)近和起飛階段，并且即使在安裝了GPWS設(shè)備的飛機(jī)上，有些地形碰撞仍然無法提前規(guī)避，模式2的作用階段在起飛和進(jìn)近階段，并且是一個(gè)與地形條件關(guān)聯(lián)度非常高的告警模式，因此，我們基于全數(shù)字仿真平臺對模式二的告警功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)是選擇的真實(shí)地形碰撞的數(shù)據(jù)，即包括飛機(jī)位置信息還包括飛機(jī)姿態(tài)信息，主要分析地形陡峭程度對模式二告警性能的影響。

2.1全數(shù)字仿真平臺簡介

全數(shù)字仿真平臺由飛行仿真機(jī)、TAWS模擬器、以及用于告警畫面顯示的顯示器組成，其中，飛行仿真機(jī)主要用于運(yùn)行飛機(jī)模型，而TAWS模擬器用于接收飛行仿真機(jī)或其他飛行器數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的飛行數(shù)據(jù)，包括位置，高度，姿態(tài)等數(shù)據(jù)。經(jīng)過地形數(shù)據(jù)處理和告警算法，計(jì)算出地形數(shù)據(jù)和告警信息，由TAWS畫面顯示和產(chǎn)生對應(yīng)的聲音告警。其中，飛機(jī)模型和TAWS模擬器模型都通過matlab的simulink工具箱創(chuàng)建，TAWS地形顯示和告警顯示畫面通過Opengl在地形顯示模塊中實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的前視地形和預(yù)警信息。

表3 模式二告警參數(shù)以及傳感器Chart 3 parameters and sensors of mode2

圖1 模式2A/B告警閾值曲線

2.2飛行仿真模型

飛行仿真模型是基于典型民機(jī)數(shù)據(jù)搭建的模型，包括操作桿輸入模塊（可以操縱飛機(jī)進(jìn)行俯仰和滾轉(zhuǎn)操作），UDP發(fā)送模塊（用于給TAWS模塊和視景顯示模塊發(fā)送飛行參數(shù)），具有風(fēng)干擾，傳感器噪聲注入等功能接口，還具有選擇地形的功能。

飛行仿真模型可以提供TAWS告警所需的全部參數(shù)，經(jīng)過UDP傳輸模塊，將飛機(jī)參數(shù)傳送給TAWS模塊，并將飛機(jī)的位置信息和高度信息傳送給視景顯示模塊，實(shí)時(shí)觀測TAWS告警系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

飛行模式是具有操作桿輸入部分的模型，在飛行仿真過程中，人為可以參與進(jìn)飛機(jī)的操縱過程，操縱飛機(jī)執(zhí)行爬升下降滾轉(zhuǎn)等動(dòng)作，從而驗(yàn)證告警系統(tǒng)的功能。

2.2TAWS告警模型

TAWS告警模型是基于典型 TAWS設(shè)備的功能進(jìn)行建模的，該告警模型主要有四大模塊組成，分別是數(shù)據(jù)接收模塊（UDP接收模塊，負(fù)責(zé)接收飛控機(jī)傳輸來的飛行參數(shù)）、告警觸發(fā)條件判斷模塊（通過飛行參數(shù)判斷哪個(gè)模式需要被使能）、告警運(yùn)算模塊（使能模塊，在收到使能信號后，通過告警算法計(jì)算是否給出告警）、前視告警模塊（根據(jù)飛機(jī)位置信息和以查表格式存儲的地形信息做比對判斷前方是否有陡峭地形）、告警數(shù)據(jù)輸出模塊（首先通過優(yōu)先級判斷模塊，之后把最緊急的告警信息傳送給輸出端）。

2.3仿真驗(yàn)證結(jié)果分析

表4 仿真驗(yàn)證項(xiàng)目

試驗(yàn)條件：仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來自真實(shí)的可控飛行撞地事故數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中包括發(fā)生碰撞時(shí)的飛行階段，碰撞地點(diǎn)，碰撞區(qū)域的地形值，以及飛機(jī)姿態(tài)，速度等信息，可以完全復(fù)現(xiàn)事故發(fā)生的情形，驗(yàn)證近地防撞系統(tǒng)的告警性能

圖2 模式2B告警閾值曲線

圖3 TAWS全數(shù)字仿真平臺功能框圖

試驗(yàn)一（1）和試驗(yàn)一（2）驗(yàn)證的是飛機(jī)處于平飛狀態(tài)遇到起伏的地形發(fā)生可控飛行撞地事故，下圖給出了事故發(fā)生地的地形高度值和飛機(jī)飛行高度中。

圖4（a） 平飛與陡峭地形碰撞事故數(shù)據(jù)

圖4（b） 平飛與陡峭地形碰撞事故數(shù)據(jù)

圖4（a）：飛機(jī)處于巡航階段，天氣為黑夜，儀表氣象條件，機(jī)上29人喪生。

圖4（b）：飛機(jī)處于巡航形態(tài)，事故附近地區(qū)的天氣微漆黑的夜晚，飛機(jī)朝著非常陡峭的地形飛行，由于無法看清前方地形，與地形發(fā)生碰撞，機(jī)上20人死亡。

仿真結(jié)果：當(dāng)模式2地形接近率過大告警發(fā)生時(shí)，飛機(jī)距離碰撞點(diǎn)只剩下不足5s的時(shí)間，這段時(shí)間對于飛行員操作而言，任務(wù)太緊迫，碰撞幾率很大。

仿真結(jié)果： TAWS告警系統(tǒng)在距離碰撞點(diǎn)4s發(fā)生告警，由于地形非常陡峭，并且告警時(shí)間晚，此次碰撞完全無法避免。

試驗(yàn)二驗(yàn)證的是飛機(jī)處于進(jìn)近狀態(tài)遇到起伏的地形發(fā)生可控飛行撞地事故，下圖給出了事故發(fā)生地的地形高度值和飛機(jī)飛行高度中。

圖5 進(jìn)近與陡峭地形碰撞事故數(shù)據(jù)圖

飛機(jī)在進(jìn)近階段遇到陡峭地形發(fā)生碰撞。飛機(jī)距離目的地機(jī)場4.3海里，起落架和襟翼已經(jīng)收回，執(zhí)行正常進(jìn)近操作，撞到一個(gè)中等陡峭的山峰，機(jī)上兩人死亡，兩人受傷。

仿真結(jié)果：由于飛機(jī)襟翼已經(jīng)收回，飛機(jī)處于進(jìn)近階段，所以模式2B告警處于告警預(yù)備狀態(tài)，模式2B的靈敏度已經(jīng)降低了，所以發(fā)生告警時(shí)距離碰撞點(diǎn)已經(jīng)只剩3s的時(shí)間，再加上飛機(jī)處于下降的姿態(tài)，進(jìn)行規(guī)避所需的時(shí)間更長，因此此次事故無法避免。

試驗(yàn)三：試驗(yàn)二驗(yàn)證的是飛機(jī)處于起飛狀態(tài)遇到起伏的地形發(fā)生可控飛行撞地事故，下圖給出了事故發(fā)生地的地形高度值和飛機(jī)飛行高度中。

圖6 起飛與陡峭地形碰撞事故圖

飛機(jī)在起飛階段遇到突然上升地形，無法避免，發(fā)生碰撞。飛機(jī)起飛不久后，就撞擊薩克拉門托山脈脊阿拉莫戈多的東部，這架飛機(jī)在巡航階段，機(jī)上六人死亡。

仿真結(jié)果分析：飛機(jī)處于起飛階段，所以模式2A告警工作，由于地形突然上升，告警系統(tǒng)發(fā)生告警時(shí)距離碰撞點(diǎn)只有5s的時(shí)間，飛機(jī)無法規(guī)避此次碰撞。

綜上所示，TAWS在平坦地形中與陡峭地形相比提供了更高的安全性，地形撞地的概率在陡峭地形下增加了很多，對于一些突然上升的地形，模式2完全沒有辦法進(jìn)行告警，即便發(fā)生告警，也因?yàn)榫嚯x碰撞點(diǎn)距離過近，無法規(guī)避，這次仿真事故也展示了這種情況的發(fā)生是因?yàn)轱w機(jī)缺少前視地形的功能，因此飛機(jī)無法獲得陡峭地形的信息，地形高度越不確定就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的曲線的安全性降低，虛警率增加，因此必須在飛機(jī)航行過程中，保證前視地形告警功能始終處于正常工作中，保障機(jī)組人員安全。

參考文獻(xiàn)

［1］Donald L Riggin.Advisory Circular 25-23A，Airworthiness Criteria for the Installation Approval of a Terrain Awareness and Warning System（TAWS） for Part 25 Airplanes ［R］.FAA，2000

［2］吳琛. 增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)給研究［J］.客機(jī)創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（32）：16-17

［3］武建勇.增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)（EGPWS）［J］.航空維修與工程，2004（5）：59-60

［4］GERARD J F.Layered space—time architecture for wireless comm—unication in a fading environment when using muhi—element antennas ［J］.Bell Labs Technical Journal，1996.（2）1：41—59.

［5］李庚. 近地告警計(jì)算機(jī)自動(dòng)測試系統(tǒng)的研究 ［D］.西北工業(yè)大學(xué)，2006

［6］李視陽.飛機(jī)地形感知和告警系統(tǒng)仿真器設(shè)計(jì) ［J］. 電子科技，2013，26（11）：93-98

［7］趙鑫.民機(jī)近地告警系統(tǒng)的閾值非關(guān)鍵參數(shù)特性 ［J］.兵工自動(dòng)化，2011，30（7）：56-60

中圖分類號：TN

第一作者簡介：于超鵬，1977年5月生，碩士學(xué)位，現(xiàn)在中國航空工業(yè)集團(tuán)公司雷華電子技術(shù)研究所工作，從事機(jī)載雷達(dá)和飛行環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)的研制。

Function theory and simulation verification of Mode 2 in Terrain Awareness and warning system

Yu Chaopeng，Liu Xingang，Huang Xiang
（Lei Hua Electronic Technology Research Institute of China Aviation Industry，Wu’xi，China，214063）

Abstract：Terrain Awareness and Warning System（TAWS）has been proven to be effective of avoiding Control Flight Into Terrain（CFIT），and to be capable of improving the pilot situational awareness and ensuring the aviation security.This paper mainly focus on the Mode 2 Alert，known as the representative of basic components of the TAWS（i.e.six fundamental warning modes and the front view warning function），which includes the analysis of the parameters of warning sensors，the prerequisite of triggering the warning and the warning threshold curve.Finally， the experimental data，which considered to be the test stimulus，has been successfully applied to the digital simulator to validate the effect of terrain to the Mode 2 Alert and to provide the proposed improvement.

Keywords：Terrain Awareness and Warning System（TAWS）；mode 2；simulation verification；alert function