飞机地形感知和告警系统仿真器设计

李视阳，何 方，赵春玲，肖 刚

(1.上海交通大学 自动化系，上海200240;2.上海飞机设计研究院 航电部，上海201210;3.上海交通大学 航空航天学院，上海200240)

可控飞行撞地(Controlled Flight into Terrain，CFIT)事故目前是威胁航空安全的主要因素。根据飞行安全基金会(Flight Safety Foundation，FSF)的民用飞机事故报告，因CFIT而死亡的人数，约占民用航空运输重大事故死亡人数的80%。

20世纪70年代，通过对CFIT事故进行了大量研究，美国首先推出了适用于民用航空领域的近地告警系统(Ground Proximity Warning System，GPWS)［1］。

GPWS在实际应用中发挥着重要作用，但CFIT仍是导致民用飞机发生事故的主要原因。

GPWS的不足迫使航空界对传统的近地告警系统加以改善，Honeywell公司于1998年推出了增强型近地警告系统(Enhanced Ground Proximity Warning System，EGPWS)，主要增加了前视地形警戒和地形显示两大功能。此系统还大幅提高了系统提前报警的时间，给飞行员以更多的反应裕度，可以在更大程度上避免CFIT事故的发生。据统计，全世界已安装EGPWS设备的飞机尚未发生过CFIT事故。

国外对于TAWS的研究和应用均较为成熟。美国联邦航空局(Federal Aviation Administration，FAA)为TAWS制定了相应的规范，如RTCA/DO－161A、TSOC92c和TSO－C151b，以Honeywell公司为代表，该公司开发了8大系列30多个品种规格的产品，其EGPWS产品基本垄断了TAWS产品领域。

国内的相关研究仍处于起步阶段。目前，以对国外产品的模仿为主，缺乏深入系统的研究;且没有国产的TAWS产品，对于如何通过复杂严格的适航认证方面，更是处于摸索阶段［2］。

2008年，中国大型客机研制工作的启动显示出为我国研制具有自主品牌大飞机的决心。对近地告警系统进行原理研究和仿真验证，可帮助打造出国内有自身核心技术的近地告警系统产品，以提高我国的航空技术。

1 地形感知和告警系统

TAWS的首要目标是避免CFIT事故的发生，TAWS接收经纬度坐标、飞行高度、姿态、航向和航速等参数作为输入，应用相应的告警算法进行处理，对于进入告警包线的状态，会为飞行员提供语音和视觉的告警信息，以及地形画面显示，提醒飞行员进行必要的操作，离开危险状态，保障飞行安全［3］。

1.1 增强型近地告警系统

图1为Honeywell公司的EGPWS产品系统结构图［4］。

图1 EGPWS系统结构图

如图1所示，地形提示和告警系统接收由飞机传感器或其他系统提供输入的参数，传递给增强型近地警告计算机(EGPWC)，而EGPWC结合输入参数以及地形和机场数据库，通过内置的告警算法进行各个告警功能判断，将告警信息输出到对应的驾驶舱扬声器和警示灯，将前视地形图像输出到导航显示器进行显示。

1.2 地形感知和告警系统仿真器架构

文献［6］提出了EGPWS的仿真器设计方案，详细阐述了其功能、内部结构、硬件和软件设计［5］。文献［6］和Honeywell公司的EGPWS产品系统结构，TAWS仿真器软件框架设计如图2所示。

图2 TAWS仿真器软件结构图

TAWS仿真器软件包含以下模块:通信接口程序、地形和机场数据库、GPWS告警算法、前视地形告警算法、前视地形和垂直剖面地形显示、音视频告警信息显示、输入输出数据显示以及告警和故障信息日志记录。

2 地形感知和告警系统仿真器设计

2.1 通信接口模块

TAWS仿真器通信接口部分使用UDP数据包方式与综合监视系统(Integrated Surveillance System，ISS)仿真器主控端通信。ISS主机按照接口控制文件(Interface Control Document，ICD)发送基于ARINC 429［6］编码的各项参数［7］，输入接口程序将其进行解码，并传送给TAWS其他模块。同样，输出接口程序将TAWS告警模块输出的告警数据按照ARINC 429格式进行编码，并发送给ISS主机。

2.2 地形和机场数据库

地形数据选用由美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)系统采集和处理得到的数字地形高程模型(Digital Elevation Model，DEM)产品SRTM 3。

SRTM 3地形数据覆盖了全球南北纬60°以内的区域，水平分辨率约为90 m。每个SRTM 3数据文件覆盖1经度×1纬度的地区，即1 201×1 201个数据点。

文献［4］完成了全球数字地形数据库的构建，并结合当前飞机位置，采用查询地形经纬度带以及分区的方式，完成地形数据的实时搜索，地形数据调度采用动态调度以及分层调度相结合的方式，进行数据的动态读取以及删除［8］。

机场数据使用了X－Plane飞行模拟器提供的全球真实机场数据［3］，包括机场和跑道经纬度坐标，海拔高度等数据，能够为飞机的飞行状态判断以及TCF(Terrain Clearance Floor)告警提供有效数据。

2.3 GPWS告警算法

GPWS包括6种告警功能模式:

模式1下降率过大;

模式2地形接近率过大;

模式3起飞或复飞后爬升掉高;

模式4非着陆状态下的不安全离地高度;

模式5下滑道偏离度过大;

模式6倾斜角过大和高度报告;

参考Honeywell公司的EGPWS产品MK VIII的产品说明［4］，以模式1为例，其告警判断流程图和Caution告警曲线如图3和图4所示。

图3 MK VIII模式1告警判断流程图

图4 MK VIII模式1Caution告警曲线

文献［9～10］使用基于性能指标报警阈值的设计方法，对GPWS各个模式告警曲线阈值进行了研究，得到的告警曲线与文献［4］给出的告警曲线吻合［9－10］。

TAWS仿真器实现了各个模式的告警算法和告警优先级的判断，实时给出正确的告警信息。

2.4 前视地形告警算法

考虑到飞行员的反应时间以及飞机的操作延迟，飞机按照当前轨迹飞行一定时间，然后按飞机的最大爬升能力拉起并爬升，若飞机的警戒或警告包线与前视地形高度曲线的差值小于最低离地距离(Minimum Terrain Clearance Distance，MTCD)，则给出相应的警戒或警告信息［11］。

图5 前视地形告警包线示意图

文献［12］提出一种基于概率统计原理的前视告警时间阈值设置方法并进行了仿真实验，仿真结果表明，最优前视告警阈值与工程实际上的前视告警时间阈值一致［12］。

2.5 前视地形和垂直剖面地形显示

前视地形显示模块将飞机附近地形数据的高度值与当前飞行高度进行比对，根据威胁程度为地形赋予不同的颜色，并使用OpenGL在仿真器软件中进行实现。

图6 前视地形显示

同时，TAWS还提供飞机前方路径上垂直剖面地形图像，可更清晰地发现前方危险地形信息，以做出判断。

图7 垂直剖面地形显示

真实的TAWS设备将告警信息输出到对应的驾驶舱扬声器、警示灯和显示器。TAWS仿真器软件同样在报警产生时，给出语音播报，以及在显示界面给出视频信息。

TAWS仿真器提供界面显示输入和输出的ARINC 429数据，为调试与测试提供支持。

TAWS仿真器会记录仿真过程中产生的告警信息和对应的飞行参数以及故障信息，如输入数据解码错误、地形数据无法读取等信息，为调试与测试提供支持。

3 仿真器实现与结果

TAWS仿真器使用C++语言编程实现TAWS各个模块的功能;并使用UDP数据报协议与综合监视系统(ISS)主控软件通信，模拟ARINC 429数据的传输;使用OpenGL实现前视地形和垂直剖面的显示;使用MFC实现仿真器软件的图形化界面，构成了在Windows操作系统下的完整软件包和说明文档。

4 结束语

本文提出了一个地形感知和告警系统仿真器软件架构方案，完成了与ISS仿真器的通信接口设计、地形和机场数据库选择，实现了GPWS告警和前视地形告警算法、前视地形和垂直剖面显示、音视频告警信息显示、输入输出数据显示、告警和故障信息日志记录等功能，为航电系统的仿真、测试和验证研究以及复杂航电系统间的ICD设计提供了有力支持。

［1］ 许卫东，呼曦.机载增强型近地警告系统发展概述［J］.航空制造技术，2008，16(2):50－53.

［2］ 何创新，钟建坡，侯学晖.近地告警系统国内外现状与发展概述［C］.南昌:第五届中国航空学会青年科技论坛，2012.

［3］Department of Transportation Federal Aviation Administration Aircraft Certification Service.TSO－C151b，terrain awareness and warning system［S］.Washington，DC，USA:Department of Transportation Federal Aviation Administration Aircraft Certification Service，2002.

［4］Honeywell International Inc.Product specification for the enhanced ground proximity warning system［M］.USA:Honeywell International Inc，2009.

［5］ 陈冬梅.机载增强型近地告警系统的设计［C］.深圳:大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会，2007.

［6］Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC specification 429 P1－18 digital information transfer system(DITS)，Part 1，functional description，electrical interfaces，label assignments and word formats［M］.USA:Airlines Electronic Engineering Committee，2004.

［7］Honeywell International Inc.MK VI and MK VIII enhanced ground proximity warning system installation design guide［M］.USA:Honeywell International Inc，2003.

［8］ 麻士东，何运成，王仲，等.机载增强型近地警告系统仿真验证研究［C］.三亚:第14届中国系统仿真技术与应用大会，2012.

［9］ 杨超.地形感知和告警系统(TAWS)研究及仿真实现［D］.上海:上海交通大学，2011.

［10］陈广永.近地告警系统报警曲线算法模型与控制仿真研究［D］.南京:南京航空航天大学，2008.

［11］Aviation Communication，Surveillance Systems.Terrain awareness and warning system pilot's guide［M］.USA:ACSS，2007.

［12］宋东，李文娟，裴林，等.增强型近地警告系统前视预警算法设计与仿真［J］.系统仿真学报，2009，21(20):6666－6674.