基于IMA的综合监视集成解决方案

吴琛

摘 要：综合监视系统本质上是一个告警系统，由于数据库、个性化设置的需求，以及天线和收发机的存在，使其区别于一般的告警系统。而基于IMA的综合监视系统集成方案则很好地将天线和收发机独立出来，并且使用全机共享的数据库来解决数据库和个性化设置的需求。这样，综合监视的处理软件就可以看作CAS告警的一个基本处理算法单元，而图形处理软件同样也可以看作是显示系统图形处理模块的一个基本算法单元。在这里，采用一种基于IMA的集成方案来对综合监视系统进行优化，将TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警处理软件集成于IMA中的CAS模块中，将综合监视图形显示的处理软件集成于显示系统的图形处理模块中。所需要的数据库可以存储于IMA的存储器中。另外，采用集成式的交通监视天线，将收发机集成于顶部天线（TOP ANT）和底部天线（BOT ANT）。

关键词：综合监视系统 集成式交通天线 IMA 显示系统 CAS

中图分类号：V243 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0013-03

1 系统概述

综合监视系统（ISS）是由传统的气象雷达（WXR）、地形提示和警告系统（TAWS）、交通告警和防撞系统（TCAS），以及S模式应答机（XPDR）四个子系统集成而形成的集成式系统。从功能对象上分为气象监视、地形监视和交通监视三大监视功能。综合监视系统通常采用航线可更换设备（LRU）集成方式见表1。

气象监视和传统的气象雷达类似，主要由气象雷达收发机（WXR RTM）、气象处理模块，气象雷达天线驱动（WXR DRV）以及气象雷达天线（WXR ANT）组成，通过发射和接收雷达波来探测气象，并通过显示器显示出气象图形数据，并通过音响和目视告警将危险信息传送给飞行机组。目前使用的气象雷达功能主要包括传统的气象探测功能、紊流探测功能、辅助地形扫描功能、预测型风切变（PWS）功能，目前正在推广的垂直气象剖面显示和垂直气象分析功能，未来可能会发展基于网络的气象信息共享功能。

地形监视主要是由地形提示和警告系统由地形数据库（包括地形数据、障碍物数据、机场数据、跑道数据等）、告警包线、运算处理单元组成。地形提示和警告系统主要是利用全球定位系统（GPS）、惯性基准系统（IRS）、无线电高度表（RA）、大气数据系统（ADS）等系统的输入信息计算飞机的位置、高度信息，并与数据库中的地形进行比对，测算出危险的地形，通过目视和音响系统将危险信息传送给飞行机组。地形提示和警告系统主要包括传统的近地警告系统功能、基于地形数据库的预测型地形功能，以及反应型风切变（RWS）功能，当前工业界正在推广垂直地形剖面显示功能。

交通监视功能集成了传统的交通告警和防撞系统（TCAS）和S模式应答机（XPDR）。主要是通过询问和应答机制来协调周围空域中各飞机的位置和高度，并通过目视和音响系统来为飞行机组提供危险的信息。当前，航空工业界正在推广一种基于广播式通信机制的协调机制——广播式自相关监视系统（ADS-B）。交通监视功能已广泛集成了ADS-B功能，并已经取得了实质性的进展，ADS-B功能已应用于民用航空运营。未来ADS-B功能的扩展应用还将继续发展和扩充。

2 综合监视系统集成架构简介

通常根据系统安全性需求来初步确定系统的集成方式，明确系统的架构。根据标准的最低安全性要求，通常：TAWS为D级设备；TCAS为C级设备；XPDR为C级设备；WXR为C级设备。综合派遣率的要求，以及目前广泛应用产品的属性，经典的传统架构选用一套TAWS、一套雷达、一套TCAS和两套XPDR，如图1所示架构。而采用集成式的综合监视LRU则可以通过图2的方式进行集成。

注：TOP ANT为顶部天线；BOT ANT为底部天线。

考虑到不同的运行条件下，如航空公司派遣要求、特殊的运营环境等因素，运营商可能会选择安装两套TAWS，和/或两套气象雷达，和/或两套TCAS。这样就产生了不同的集成方式，这些不同的集成方式需要根据客户的需求来选择，传统的独立式设备需要增加不同的飞机构型，进行大量的改装工作。现在，使用综合监视系统可以考虑采用一种可以选择的配置架构，见图3。其中ISS-2作为可配置的设备，可根据客户需求选择加装TAWS和/或WXR和/或TCAS。这样的设计可以满足不同特殊需求的客户。

使用集成式ISS的优势主要是简化了传统的集成架构。由于气象监视、地形监视和交通监视的输入和输出高度类似，所以合并这些输入输出对简化线路、提高网络资源的利用率是非常有效的；在交通天线的使用上，综合监视系统可以减少天线，以及由安装天线带来的同轴电缆、连接器等等，可以有效减少重量；另外，综合监视相关功能输出数据中包含图形数据，这部分数据量大，综合在一起有利于优化数据的标准化传输，简化综合监视系统和显示系统的集成。而从使用和维护上来看，使用综合监视系统，减少了航空备件，简化了维护和维修的程序，可以降低飞机的维护成本和运营成本。

然而使用这种集成的系统，还是存在一些问题：笨重的同轴电缆似乎与交通监视如影随形；庞大的图形数据传输给整个飞机的网络带宽带来了沉重的压力；与显示系统之间的数据传输机制似乎总是存在浪费；与CAS之间的告警协调、管理总是你中有我，我中有你，显得重复和多余。

该文主要是通过一种基于模块化航电系统（IMA）的综合监视系统集成方案，来分析和探讨解决综合监视系统的使用带来的不利因素，以及一些优化的措施。

3 TAWS作为独立设备的必要性探讨

目前民用航空中运输类飞机所安装的TAWS基本上都是独立的TAWS设备，或者作为综合监视计算机的独立模块来使用。然而，TAWS本身作为一个纯软件的告警系统，没有独立的传感器，也不提供其它系统需要的重要参数。它主要用来运算和处理其它传感器的数据，分析和比对地形数据库，提供危险地形的告警，此外它也能够通过其它系统传感器数据识别反应型风切变。本质上，TAWS就是一个告警系统，而且根据标准的定义，它只是一个D级设备。笔者认为，完全可以集成到机组告警系统中或者集成到IMA中。

IMA中的存储器，完全可以存储供全机共享的数据库，包括地形数据库、高清机场数据库、地磁场数据库等。以及飞机的构型参数，包括机尾号、ICAO（国际民航组织）地址、飞机序列号、型号等等。

如果将TAWS的运算模块和告警包线集成在IMA中，采用IMA存储器中的地形数据库数据，这样不仅减少了设备，而且有利于与显示系统的集成。如果与机组告警系统（CAS）集成在一起，更会简化其与CAS的集成。

4 应用集成式交通天线的探讨

交通监视功能由于需要进行飞机与飞机以及飞机与管制台之间的协调，因此需要天线进行接收和发射信号。而收发机与天线之间通过同轴电缆连接，通常这些同轴电缆的重量和安装会给设计人员带来烦恼。

可以考虑将收发机和天线进行集成，通过一般的A429数据线或者光纤与处理器连接。这样可以减少同轴电缆，减轻重量。更可以使共用天线变得简单可行。理论上一部顶部天线和一部底部天线即可满足两套TCAS和两套XPDR对天线的需求。

使用集成式的天线后，也可以将TCAS和XPDR集成到IMA或者CAS。

5 显示数据处理流程的探讨

综合监视各功能模块的显示数据，包括将雷达收发机以及交通监视收发机输出的数据读取之后转换为显示格式的数据，另外就是TAWS将地形数据库中的地形数据根据位置信息调用出来，并采用标准的格式发送给显示器。这样会很自然地考虑到：为什么不将这些处理集成到显示器的处理器中呢？传统的通信方式，往往雷达读取收发机信号后需要根据显示器的需要，发送多路相互独立的图形信息给不同的显示器，TAWS和TCAS也有同样的问题。这种方式非常浪费资源。如果将图形处理软件集成到显示系统，那么显示系统处理器可以直接根据需要读取数据并进行处理后，直接显示在显示器上，而不需要中途重复转送。

6 基于IMA的综合监视系统集成解决方案

通过上面的探讨，为了解决这些问题，该研究者采用一种基于IMA的集成方案来对综合监视系统进行优化，如图4基于IMA的监视系统集成方案所示。首先假设机组告警系统和显示的图形处理器集成于IMA中，将TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警处理软件集成于IMA中的CAS模块中，将图形显示的处理软件集成于显示系统的图形处理模块中。所需要的数据库可以存储于IMA的存储器中。另外，采用集成式的交通监视天线，将收发机集成于顶部天线（TOP ANT）和底部天线（BOT ANT）。这样，我们可以大量减少同轴电缆，并且可以通过A429总线或者光纤实现与处理器之间的通信。这样可以方便地实现TCAS和XPDR，以及左右处理器的天线共用，理论上两部天线可以满足两套TCAS和两套XPDR的需求，甚至更多其它系统的需求。

7 结语

综合监视系统本质上是一个告警系统，由于数据库、个性化设置的需求，以及天线和收发机的存在，使其区别于一般的告警系统。基于IMA的综合监视系统集成方案可以将天线和收发机独立出来，并且通过使用全机共享的数据库存储器来解决数据库和个性化设置的需求。这样，综合监视的处理软件就可以看作CAS告警的一个基本处理算法单元，而图形处理软件同样也可以看作是显示系统图形处理模块的一个基本算法单元。

当前普遍的解决方案采用集成式的综合监视系统LRU，而处理器之间缺少系统内协调机制的设计，需要CAS和显示系统来协调ISS系统内部的状态和告警信息。部分信号需要请求、确认协议，往返的确认机制不仅增加了延时，而且占用了有限的网络资源。

在交通天线的使用方面，共用天线一直困扰着设计者。如何在保证可用性和完整性的情况下，减少同轴电缆数量，以及天线数量是当前综合监视领域里的一个难题。

而TAWS和WXR的图形数据，对网络资源的占用对网络资源配置设置了重重障碍。

采用基于IMA的综合监视系统集成方案优势非常明显：首先，将TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警处理算法集成于IMA中的CAS模块，直观上减少了综合监视系统与CAS的集成工作；并且大大减少了数据的传输，以及请求和确认机制，减少了传输的延时，提高了告警的及时性；另外，CAS直接控制扬声器和显示器上告警信息，比CAS管理综合监视系统传送的告警信息的效率高，且减少了传输错误的可能性。其次，将综合监视的显示处理算法软件集成于显示的图形处理模块中，显示系统就可以直接读取雷达收发机、交通监视收发机和地形数据库中的数据，根据不同显示器的需求，直接叠加相应的图层。这样不仅减少了综合监视系统发送重复性的数据，而且在时效性上更好；此外，采用集成了收发机的交通监视天线，可以彻底解决笨重的同轴电缆带来的烦恼，并且使多系统共用交通天线成为一件容易的事情。

参考文献

[1] Donald L. Riggin. AC25-23 Airworthiness Criteria for the Installation Approval of a Terrain Awareness and Warning System （TAWS） for Part 25 Airplanes. U.S.Department of Transportation Federal Aviation Administration 5/22/00.

[2] TSO-C151a-TERRAIN AWARENESS AND WARNING SYSTEM U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration Aircraft Certification Service Washington， DC 11/29/99.

[3] TSO-C63d - AIRBORNE WEATHER RADAR EQUIPMENT Department of Transportation Federal Aviation Administration Aircraft Certification Service Washington， DC 02/28/12.