TAWS系统模式二的告警原理研究与仿真验证

于超鹏，刘心刚，黄 翔（中航工业雷华电子技术研究所，江苏无锡，214063）



TAWS系统模式二的告警原理研究与仿真验证

于超鹏，刘心刚，黄 翔
（中航工业雷华电子技术研究所，江苏无锡，214063）

摘要：地形感知与告警系统（TAWS）可以有效的避免可控飞行撞地事故，提高飞行员态势感知，保障航空安全。基于典型TAWS系统的模式二告警原理，研究告警所需传感器参数、告警触发条件、告警阈值曲线等信息。最后以真实事故数据作为测试激励，在全数字仿真平台上，验证地形对模式二告警性能的影响，并给出改进意见。

关键词：地形感知与告警系统；模式2；仿真验证；告警功能

0 引言

可控飞行撞地事故（Controlled Flight Into Terrain ，CFIT）是商用飞机机体损毁和人员死亡事故的主要诱因之一，根据飞行安全基金会统计，在地形感知警告系统出现之前，可控飞行撞地一直是威胁航空安全的头号杀手为此，在美国联邦航空局（FAA）和国际民航组织的要求和建议下GPWS逐步在安装。其中，模式二的告警性能明显不足，尤其在遇到一些陡峭地形时，告警太迟或者有时候无法告警，因此安装了GPWS系统的飞机仍然无法完全避免可控飞行撞地。

针对典型TAWS系统进行了研究，深入探究TAWS模式二告警原理，告警所需的传感器参数以及触发条件等，并对告警阈值曲线进行了分析，然后在全数字仿真平台上，根据事故后记录的数据真实还原事故情形，测试改进后的告警系统是否可以避免这些事故，验证后提出了地形对TAWS系统模式二的告警功能的成功概率有较大的影响，地形越陡峭告警成功率会降低，因此，必须使用配置了前视地形告警的TAWS设备。

1 TAWS模式二告警原理

模式二，地形接近率过大告警，系统主要作用于飞机的起飞或降落阶段，根据飞机当前的飞行阶段，以及飞机的飞行状态，通过采集飞机的无线电高度，飞机的下降速率，襟翼起落架位置，空速等信息经过正确的组合运算并且与存储在计算机中的告警阈值进行比对，当飞机轨迹进入告警区域时，给出适当的声光告警信息。在起飞或降落阶段，当飞机遇到陡峭地形或者突然的上升地形，或者飞机下降造成了过大的地形接近率时，飞机就会给出”terrain terrain”的告警信息，提醒飞行员拉起飞机，避开陡峭地形。

1.1模式二告警触发条件

TAWS系统不是一个全时的告警系统，它的基本告警功能只在飞机起飞，复飞和着陆阶段且无线电高度低于2450ft时工作。并且TAWS系统包括多种告警模式，每种模式告警的条件都不相同，因此研究模式二的告警触发条件是建立模式二告警功能的必备步骤，这也是一个减少虚警的有效措施，模式二告警由襟翼位置的不同分为模式2A和模式2B：

TAWS告警计算机根据自身检测算法可以确定模式2A/2B的触发条件，分别是：

表1 模式2A告警触发条件Chart 1 alert trigger condition of Mode 2A

表2 模式2B告警触发条件Chart 2 alert trigger condition of Mode 2B

1.2模式二告警参数及其传感器系统

模式二告警主要通过检测下列数据进行报警：无线电高度、惯性垂直速率、气压高度速率、气压高度、校准空速、起落架位置、下滑道偏离信号、临近电门电子组件。如表3给出模式二告警参数与传感器系统。

1.3模式二告警阈值曲线

告警阈值曲线相当于划分了安全区域和告警区域，当飞机的参数为与告警曲线下方时，就会触发告警，模式2A的告警阈值曲线如下图1所示：

下部分曲线方程为：MIN TERRAIN CLEARTANCE（ft） = -1579 + 0.7895 * closerate（fpm）

上部分曲线方程为： MIN TERRAIN CLEARTANCE（ft） = 522 + 0.1968 * closerate（fpm）

模式2A的阈值曲线上限是与飞机当前的空速有关的，并且无线电上限值与飞机空速的函数关系为：UPPER LIMIT （ft） = 1650 + 8.9 * （Airspeed-220）

模式2B的告警阈值曲线如下图2所示：

模式2B的告警阈值曲线为：

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

告警阈值曲线下限与飞机的下降速率存在的函数关系：（下限在220～600ft）

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

通过模式2A/B阈值曲线的对比，可以看出来，模式2B的告警范围是包含与模式2A的，告警灵敏度降低，这是因为在进近阶段，为了不影响飞机正常着陆，减少告警系统对飞行员的滋扰设计的，只有在地形接近率超过正常进近的范围内时才给出告警提示。

2 模式二功能验证

大多数的可控飞机撞地事故都发生在进近和起飞阶段，并且即使在安装了GPWS设备的飞机上，有些地形碰撞仍然无法提前规避，模式2的作用阶段在起飞和进近阶段，并且是一个与地形条件关联度非常高的告警模式，因此，我们基于全数字仿真平台对模式二的告警功能进行仿真验证，测试数据是选择的真实地形碰撞的数据，即包括飞机位置信息还包括飞机姿态信息，主要分析地形陡峭程度对模式二告警性能的影响。

2.1全数字仿真平台简介

全数字仿真平台由飞行仿真机、TAWS模拟器、以及用于告警画面显示的显示器组成，其中，飞行仿真机主要用于运行飞机模型，而TAWS模拟器用于接收飞行仿真机或其他飞行器数据源产生的飞行数据，包括位置，高度，姿态等数据。经过地形数据处理和告警算法，计算出地形数据和告警信息，由TAWS画面显示和产生对应的声音告警。其中，飞机模型和TAWS模拟器模型都通过matlab的simulink工具箱创建，TAWS地形显示和告警显示画面通过Opengl在地形显示模块中实时显示飞机的前视地形和预警信息。

表3 模式二告警参数以及传感器Chart 3 parameters and sensors of mode2

图1 模式2A/B告警阈值曲线

2.2飞行仿真模型

飞行仿真模型是基于典型民机数据搭建的模型，包括操作杆输入模块（可以操纵飞机进行俯仰和滚转操作），UDP发送模块（用于给TAWS模块和视景显示模块发送飞行参数），具有风干扰，传感器噪声注入等功能接口，还具有选择地形的功能。

飞行仿真模型可以提供TAWS告警所需的全部参数，经过UDP传输模块，将飞机参数传送给TAWS模块，并将飞机的位置信息和高度信息传送给视景显示模块，实时观测TAWS告警系统的工作状态。

飞行模式是具有操作杆输入部分的模型，在飞行仿真过程中，人为可以参与进飞机的操纵过程，操纵飞机执行爬升下降滚转等动作，从而验证告警系统的功能。

2.2TAWS告警模型

TAWS告警模型是基于典型 TAWS设备的功能进行建模的，该告警模型主要有四大模块组成，分别是数据接收模块（UDP接收模块，负责接收飞控机传输来的飞行参数）、告警触发条件判断模块（通过飞行参数判断哪个模式需要被使能）、告警运算模块（使能模块，在收到使能信号后，通过告警算法计算是否给出告警）、前视告警模块（根据飞机位置信息和以查表格式存储的地形信息做比对判断前方是否有陡峭地形）、告警数据输出模块（首先通过优先级判断模块，之后把最紧急的告警信息传送给输出端）。

2.3仿真验证结果分析

表4 仿真验证项目

试验条件：仿真试验的数据来自真实的可控飞行撞地事故数据，这些数据中包括发生碰撞时的飞行阶段，碰撞地点，碰撞区域的地形值，以及飞机姿态，速度等信息，可以完全复现事故发生的情形，验证近地防撞系统的告警性能

图2 模式2B告警阈值曲线

图3 TAWS全数字仿真平台功能框图

试验一（1）和试验一（2）验证的是飞机处于平飞状态遇到起伏的地形发生可控飞行撞地事故，下图给出了事故发生地的地形高度值和飞机飞行高度中。

图4（a） 平飞与陡峭地形碰撞事故数据

图4（b） 平飞与陡峭地形碰撞事故数据

图4（a）：飞机处于巡航阶段，天气为黑夜，仪表气象条件，机上29人丧生。

图4（b）：飞机处于巡航形态，事故附近地区的天气微漆黑的夜晚，飞机朝着非常陡峭的地形飞行，由于无法看清前方地形，与地形发生碰撞，机上20人死亡。

仿真结果：当模式2地形接近率过大告警发生时，飞机距离碰撞点只剩下不足5s的时间，这段时间对于飞行员操作而言，任务太紧迫，碰撞几率很大。

仿真结果： TAWS告警系统在距离碰撞点4s发生告警，由于地形非常陡峭，并且告警时间晚，此次碰撞完全无法避免。

试验二验证的是飞机处于进近状态遇到起伏的地形发生可控飞行撞地事故，下图给出了事故发生地的地形高度值和飞机飞行高度中。

图5 进近与陡峭地形碰撞事故数据图

飞机在进近阶段遇到陡峭地形发生碰撞。飞机距离目的地机场4.3海里，起落架和襟翼已经收回，执行正常进近操作，撞到一个中等陡峭的山峰，机上两人死亡，两人受伤。

仿真结果：由于飞机襟翼已经收回，飞机处于进近阶段，所以模式2B告警处于告警预备状态，模式2B的灵敏度已经降低了，所以发生告警时距离碰撞点已经只剩3s的时间，再加上飞机处于下降的姿态，进行规避所需的时间更长，因此此次事故无法避免。

试验三：试验二验证的是飞机处于起飞状态遇到起伏的地形发生可控飞行撞地事故，下图给出了事故发生地的地形高度值和飞机飞行高度中。

图6 起飞与陡峭地形碰撞事故图

飞机在起飞阶段遇到突然上升地形，无法避免，发生碰撞。飞机起飞不久后，就撞击萨克拉门托山脉脊阿拉莫戈多的东部，这架飞机在巡航阶段，机上六人死亡。

仿真结果分析：飞机处于起飞阶段，所以模式2A告警工作，由于地形突然上升，告警系统发生告警时距离碰撞点只有5s的时间，飞机无法规避此次碰撞。

综上所示，TAWS在平坦地形中与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，对于一些突然上升的地形，模式2完全没有办法进行告警，即便发生告警，也因为距离碰撞点距离过近，无法规避，这次仿真事故也展示了这种情况的发生是因为飞机缺少前视地形的功能，因此飞机无法获得陡峭地形的信息，地形高度越不确定就会导致设计的曲线的安全性降低，虚警率增加，因此必须在飞机航行过程中，保证前视地形告警功能始终处于正常工作中，保障机组人员安全。

参考文献

［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

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［6］李视阳.飞机地形感知和告警系统仿真器设计 ［J］. 电子科技，2013，26（11）：93-98

［7］赵鑫.民机近地告警系统的阈值非关键参数特性 ［J］.兵工自动化，2011，30（7）：56-60

中图分类号：TN

第一作者简介：于超鹏，1977年5月生，硕士学位，现在中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所工作，从事机载雷达和飞行环境监视系统的研制。

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