李亞玲 王韶濛 楊玉衛(wèi)

摘 要：闡述了機載防撞系統(tǒng)的功能及應用，針對某型飛機機載防撞系統(tǒng)飛行過程中目標方位跳變現(xiàn)象產(chǎn)生過程、原因進行了分析，得出了無威脅目標角度因素不影響防撞功能、接近威脅目標防撞系統(tǒng)可實時對目標方位進行跟蹤的結(jié)論。

關鍵詞：機載防撞系統(tǒng);目標;方位

0? ? 引言

隨著航空運輸業(yè)的飛速發(fā)展，空中交通量日益增大，飛機數(shù)量迅速增長，空域變得更加繁忙和擁擠，這就增加了飛機空中沖突的潛在可能性。機載防撞系統(tǒng)作為避免飛機空中相撞的最后一道防線，能夠顯示飛機周圍的情況，預報飛機是否處于碰撞軌跡上，在需要時提供語音告警，預測飛機可能發(fā)生的危險，幫助飛行員主動以適當?shù)臋C動方式躲避危險，提供安全可靠的間隔距離，避免飛機空中相撞的災難事故發(fā)生。

在國際航空界，機載防撞系統(tǒng)（ACAS，Airborne Collision Avoidance System，歐洲航行安全局定義）又名空中交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS，Traffic Alert and Collision Avoidance System，美國聯(lián)邦航空局定義），兩種名稱的含義、組成和功能是一致的。隨著軍、民航和諧發(fā)展的需要日益增長，國際民航組織（ICAO）于2000年1月1日即要求亞太地區(qū)飛機安裝機載防撞系統(tǒng)，中國民航規(guī)定域內(nèi)飛行的國際商業(yè)航空運輸飛機應遵守下列規(guī)定：從2004年1月1日起，所有最大審定起飛重量超過5 700 kg或批準載客數(shù)超過19座的渦輪發(fā)動機飛機，應當裝備機載防撞系統(tǒng)（TCAS Ⅱ）。

1? ? 系統(tǒng)概述

某型飛機裝備的機載防撞系統(tǒng)均為TCAS Ⅱ類產(chǎn)品，具有垂直避讓功能，通過主動發(fā)出詢問或偵聽來自鄰近飛機應答機的應答信號，探測在發(fā)送/接收信號覆蓋范圍內(nèi)其他裝有S模式或A/C模式應答機的飛機，確定其他飛機相對于本機的距離、高度、方位，監(jiān)視和跟蹤其運動軌跡，傳送到地面管制員的屏幕上，并與周邊飛機相互交換信息，建立、更新和維護系統(tǒng)航跡，以判定這些飛機是否存在與本機發(fā)生碰撞的可能，如果存在，系統(tǒng)就向飛行員以視頻或聲音信號提示，并提供最優(yōu)化的垂直方向上的避讓機動建議。

機載防撞系統(tǒng)主要由ACAS收發(fā)主機、S模式應答機、控制盒、交通/決斷顯示器、定向天線、全向天線、天線分配盒、靜壓轉(zhuǎn)換器、閉鎖信號交聯(lián)盒、綜合適配器等組成。系統(tǒng)主要功能如下：監(jiān)視功能、跟蹤功能、潛在威脅評估功能、交通告警（TA）顯示功能、防撞計算和決斷告警（RA）顯示功能、音響告警功能、空對空協(xié)調(diào)功能。

2? ? 目標跳變現(xiàn)象分析

某型飛機飛行過程中，目標飛機距離本機約50 km、上方300 m情況下，在同一航段多次出現(xiàn)目標跟蹤不連續(xù)和方位跳變現(xiàn)象，但預置航線其他幾個航路段目標連續(xù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)目標跟蹤不連續(xù)和方位跳變現(xiàn)象。

2.1? ? 系統(tǒng)性分析

某型飛機機載防撞系統(tǒng)TCAS Ⅱ中天線測向技術采用幅度單脈沖技術，測向采用4個陣子，每個陣子負責90°監(jiān)視范圍。4個天線陣子均能接收到目標應答信號并將信號幅度送入設備內(nèi)，應答信號經(jīng)過定向天線處理后，目標的方位信息只與4個通道的信號幅度信息有關，通過比較4通道的信號接收幅度，首先從4通道中選擇最大信號幅度的通道作為主通道，再比較主通道左右兩通道的信號幅度，選擇較大幅度的一路作為副通道，最后根據(jù)主通道和副通道的幅度差與設備內(nèi)部預置的方位OBA表比對，最終獲取目標飛機的方位值。由于波束較寬，測向精度均方根值僅能達到5°，單次最大偏差27°;同時同一波束內(nèi)較易接收到反射信號，造成信號交織和幅度偏差，出現(xiàn)角度跳變現(xiàn)象。

2.2? ? 現(xiàn)象分析

機載防撞系統(tǒng)通過空空詢問和應答的方式獲取目標的距離、高度、方位信息，正常情況下機載防撞系統(tǒng)僅能收到空空應答信息直線傳輸信號，信號會經(jīng)過地面障礙物反射形成反射信號，兩種信號疊加交織在一起，當反射信號與直線傳輸信號相位相同，信號幅度增加，當反射信號與直線應答信號相位相反，信號幅度削弱，而機載防撞系統(tǒng)是通過幅度單脈沖方式進行測向，幅度變化會造成角度偏差，出現(xiàn)目標方位跳變[1];同時信號交織會造成無法正確解算出應答信號，出現(xiàn)航跡斷點。

綜上所述，機載防撞系統(tǒng)飛行中顯示方位跳變均出現(xiàn)在相同航路點附近，均為信號經(jīng)過地面障礙物反射，造成信號交織，導致信號幅度出現(xiàn)變化或信號解碼錯誤，導致了方位跳變情況。具體跳變的情況可以分為兩種：目標跟蹤出現(xiàn)斷點，目標重新出現(xiàn)的前15 s方位變化較大，即航跡斷點重啟角度跳變情況;航路飛行時，方位偶爾跳變，即信號反射方位偶爾跳變情況。

2.3? ? 機理分析

2.3.1? ? 航跡斷點重啟角度跳變情況分析

應答信號經(jīng)地面障礙物反射后，會與直射信號疊加交織在一起，從而無法獲取目標正確的應答信號，導致目標航跡中斷。航跡斷點后，后續(xù)又繼續(xù)接收到了目標信號重新建立航跡，為保證目標航跡快速建立，前15 s角度濾波因子較大，會存在航跡跳變情況。待目標航跡建立超過15 s后，會逐步收斂穩(wěn)定。

根據(jù)RTCA-DO/185A標準附錄A.10規(guī)定，S模式航跡方位估算采用笛卡爾α-β估算算法，且α、β系數(shù)在航跡建立開始15 s內(nèi)按照追蹤器隨航跡壽命取值，航跡剛建立時，為能快速有效建立目標航跡，目標方位跟蹤α、β系數(shù)較大，導致接收到的目標應答信號更新航跡信息時，應答點跡信號方位信息對航跡方位影響較大，隨著監(jiān)視目標時間變長，α、β系數(shù)逐漸收斂，單個應答點跡信號對航跡影響逐步減小，航跡逐漸收斂穩(wěn)定。

2.3.2? ? 信號反射方位偶爾跳變情況分析

目標飛機應答信號經(jīng)障礙物反射后，如反射信號與直線應答信號相位相同，會造成信號幅度增加，使得目標方位跳變;如反射信號與直線應答信號相位相反，會造成信號幅度削弱，也會造成目標方位跳變。

由于目標飛機約在本機前方50 km、上方300 m，所以目標飛機平飛時正常使用下全向天線進行應答，其應答信號為360°輻射出去，而應答信號被障礙物（如山體、高樓等）折射、反射（如水面）回來亦可被本機接收，如果地面發(fā)射、折射信號與應答直射信號相位正好相同，信號幅度增加;如果反射信號與直線應答信號相位相反，信號幅度削弱，也會造成目標方位跳變。使用該應答信號方位信息對航跡方位進行更新時，會導致目標飛機角度和角速度有一個較大的跳動。

由于目標距離較遠，相對于本機威脅等級較低，對目標飛機監(jiān)視采用5 s間隔詢問1次方式，剩余4 s飛機的角度信息均根據(jù)目標距離、角度、角速度推算而出。所以如果接收到的應答信號是反射、折射信號，則會出現(xiàn)連續(xù)5 s方位跳動較大情況，待到第6秒再一次對目標飛機進行監(jiān)視詢問，接收到真實應答信號后，角度逐步修正到目標飛機真實的角度。

2.4? ? 結(jié)論

在上述現(xiàn)象中，目標距離較遠，為無威脅目標（顯示為空心菱形），故采用5 s詢問1次對目標進行監(jiān)視跟蹤，后續(xù)4 s則根據(jù)上次詢問的方位進行方位推測，所以此現(xiàn)象出現(xiàn)概率不高，無威脅目標角度因素不影響防撞功能，不影響正常使用;對于接近威脅目標（顯示為實心菱形），防撞系統(tǒng)采用1 s詢問1次對目標進行監(jiān)視跟蹤，可實時對目標方位進行跟蹤，目前還未出現(xiàn)目標跳變現(xiàn)象。

3? ? 結(jié)語

目前TCAS Ⅱ系統(tǒng)仍為國際主流防撞技術，通過垂直機動實現(xiàn)對目標飛機的碰撞避讓，水平避撞技術仍處于理論研究和實驗室驗證階段，未進入工程應用，防撞計算邏輯僅基于目標距離、距離變化率、高度、高度變化率等參數(shù)，方位信息不作為防撞邏輯計算因子（即目標飛機無角度信息也可正常形成交通告警和決斷告警），僅用于在顯示器上對應角度上顯示目標信息，作為加強飛行員空域態(tài)勢感知的一種方式。

開發(fā)有效的機載防撞系統(tǒng)一直以來都是航空工業(yè)界的重要目標，TCAS Ⅲ系統(tǒng)在TCAS Ⅱ系統(tǒng)功能的基礎上集成了TCAS、XPDR、TAWS、ADS-B IN/OUT功能，而TCAS Ⅳ正在開發(fā)中，主要增加了水平避讓功能，并能與自動駕駛儀交聯(lián)。

[參考文獻]

[1] 魏俊淦，田建學，劉水.運輸機機載防撞系統(tǒng)的體系構(gòu)建研究[J].電子世界，2014（13）：72.

收稿日期：2020-03-25

作者簡介：李亞玲（1979—），女，陜西渭南人，飛機設計高級工程師，研究方向：航空電子集成。