根據(jù)民用航空事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，發(fā)生可控飛行撞地事故占到了總事故數(shù)量的絕大部分。直升機由于具備垂直起降、近地機動特點，其飛行安全受環(huán)境因素影響較大。環(huán)境因素中未知地形、線塔、惡劣氣象條件、夜視等都會對直升機的飛行安全造成直接影響，直升機面臨的可控飛行撞地形勢日益嚴峻。2005年，國際直升機安全組為避免直升機發(fā)生可控飛行撞地事故提出了一系列改進方法，包括改善座艙交互界面、降低飛行員負擔、提供障礙物三維視景畫面、加裝地形提示告警系統(tǒng)幫助飛行員識別和規(guī)避障礙物等。2006年，F(xiàn)AA規(guī)定救援直升機必須配裝直升機地形提示與告警設備，隨后的統(tǒng)計結(jié)果表明，TAWS裝機之后醫(yī)療救援直升機的事故發(fā)生概率降低了28.6%。2018年11月的一項聯(lián)合測試結(jié)果顯示，TAWS能夠使直升機安全性至少提高40%。

由于地面站操作人員缺乏對無人直升機所處環(huán)境的直接感知，再疊加通信延遲等不利影響，難以對危險態(tài)勢作出及時響應。有必要對TAWS在無人直升機上的應用進行研究，通過地面控制站的告警顯示，提醒操作人員采取動作、避免可控飛行撞地事故發(fā)生。

TAWS功能介紹

TAWS包含近地告警（GPWS）告警功能、前視地形告警（FLTA）告警功能，可根據(jù)直升機侵入告警外邊界、內(nèi)邊界的程度，提供注意、警告兩個等級的告警提示。

近地告警主要是提供“下視”告警功能，包括下降率過大、地形接近率過大、起飛/復飛后掉高過大、高度提示、側(cè)傾角過大、俯仰角過大等模式。首先梳理與近地告警相關(guān)的性能指標，如加速能力、爬升率、下降率，作為建立告警邊界設計的基準點。在基準點限制的范圍內(nèi)選取若干設計點、計算每個設計點的告警邊界值，處理后得到實用的GPWS告警邊界。

前視地形告警主要提供“前視”告警功能，可實現(xiàn)地形以及障礙物的預測式防撞告警。該功能利用輸入的飛行數(shù)據(jù)及攜帶的數(shù)據(jù)庫，發(fā)出語音和指示燈告警。根據(jù)直升機姿態(tài)信息以及飛行階段，結(jié)合改出軌跡預測告警算法，在其前方空間內(nèi)形成一個虛擬的三維告警邊界，同時結(jié)合位置信息、地形數(shù)據(jù)庫提供的地形數(shù)據(jù)，實時比對告警邊界與地形、障礙物、高壓線碰撞的周邊地形的空間位置關(guān)系，當告警邊界與周邊地形觸碰時即觸發(fā)告警。

無人直升機地形感知與告警設計

操作人員主要通過地面站實現(xiàn)對無人機的飛行監(jiān)控和操縱控制，因此TAWS告警設計主要針對地面控制站飛行監(jiān)控席位。TAWS告警設計時應考慮以下因素：

（1）由于操作人員聚焦于任務，孤立的視覺告警可能會被忽視；

（2）需仔細平衡地形告警虛警率與觸發(fā)閾值，避免操作員跳過或者關(guān)閉告警系統(tǒng)；

（3）地形告警應能夠被抑制與確認，避免影響操作人員后續(xù)操作；

（4）TAWS警告級告警應提供20秒預警時間，注意級告警應提供30秒預警時間，便于操作人員感知并處置。

告警形式

根據(jù)告警設計基本要求，可控飛行撞地意味著直升機暴露在外部危險/威脅中，應設置相應的告警。無人機操作員由于任務需要其視線可能會離開顯示器，因此視覺告警一般不推薦用于時間緊急的警告信息，但是可用于更具有持續(xù)性、低優(yōu)先級的信息或者作為高優(yōu)先級告警信息聽覺告警的補充。聽覺作為比視覺更少受空間限制的感覺形態(tài)，聽覺告警在高優(yōu)先級告警上的應用更廣。

因此考慮操作員視距、聽覺特性，確定TAWS告警采用聽覺告警為主、視覺告警為輔的告警形式。

根據(jù)無人直升機侵入TAWS告警邊界的程度，TAWS提供兩種級別的告警（警告級、注意級），以及無線電高度提示。地形告警觸發(fā)后，觸發(fā)聽覺告警，同步在地面站飛行監(jiān)控頁面以閃爍的字符顯示視覺告警內(nèi)容，警告級為紅色，注意級為黃色，無線電高度提示僅具有聽覺告警。在TAWS告警子頁面，設置語音靜默、告警抑制等按鍵選項。

視覺告警

視覺告警的設計需要吸引操作員注意力，而不妨礙對其他視覺信息的感知。

根據(jù)操作員視覺特性、儀表布局要求和告警設計要求，綜合考慮操作員對視覺告警項的辨認清晰度、速度，視覺告警項應安裝在操作員設計眼位為頂點、對稱于從設計眼位延伸到顯示器頂部中心軸線的30°視錐內(nèi)，以便于操作員無需轉(zhuǎn)動頭部就可以獲取視覺告警信息。

一項關(guān)于人員眼動軌跡的研究（Class A HTAWS Warning Annunciation）表明，操作人員眼睛通過一系列主動地、有順序的掃視活動，直到找到需要注視的信息。下圖為操作人員采用“半風箏形”或者“風箏形”掃視軌跡及重點關(guān)注區(qū)域。具體到TAWS頁面設計中，應將視覺告警顯示區(qū)域盡量靠近主要觀察區(qū)域，尤其是在姿態(tài)指示器周邊。

聽覺告警

聽覺告警包括語音告警、音調(diào)告警，或者二者綜合設計形式。語音告警的優(yōu)勢在于可傳達復雜信息，且不需要提前學習，但是需要較長時間理解、容易被掩蓋。音調(diào)告警的優(yōu)缺點與語音告警相反，可以短時間內(nèi)傳達信息、加快反應時間，可以聽得更準確、減少噪音掩蓋下生誤聽的概率，在高負荷情況下易被操作員捕獲，但缺點是需要提前學習，且音調(diào)告警數(shù)量不建議超過6種。

綜合兩種聽覺告警優(yōu)缺點，TAWS聽覺告警采用音調(diào)（前奏）+語音告警形式。在語音告警音前插入一個特殊的音調(diào)，增加顯著性、區(qū)別性，一方面便于操作員快速反應，另一方面有助于區(qū)分地面站內(nèi)噪音或者其他告警音。

聽覺告警內(nèi)容方面，對于警告級告警，若處置措施是明確的，則建議直接通過聽覺告警告知處置程序，若處置措施需要根據(jù)情況確定，則應告知操作員告警原因。對于注意級告警，通過聽覺告警告知操作員告警原因。

總結(jié)與展望

TAWS發(fā)展至今，功能不斷改進，在防止可控飛行撞地方面取得了顯著地成效。即使如此，TAWS在無人直升機上的應用還需要進一步研究?，F(xiàn)階段TAWS系統(tǒng)只作為單純的、獨立的告警系統(tǒng)，缺少對前方環(huán)境的主動感知，沒有與飛控系統(tǒng)的閉環(huán)控制回路進行交聯(lián)，因此存在潛在地形沖突/威脅時，需要操作員感知并進行應急處置，而不能自行規(guī)避。受限于機載地形數(shù)據(jù)精度，無人機無法及時獲取最新的地形數(shù)據(jù)，同樣存在一定的安全隱患。

隨著未來先進光電/雷達傳感器技術(shù)、飛行器綜合環(huán)境監(jiān)視技術(shù)、智能避障算法的發(fā)展，結(jié)合無人機自主化等級的提升，為無人機實現(xiàn)主動探測、智能決策、自主避障功能提供堅實基礎，切實提升無人直升機綜合避障能力。