监视技术在直升机上的应用

杨阳

【摘要】 为了给传统雷达无法覆盖区域提供监视，并有效地保持空中航空器的最小安全间隔，本文根据我国直升机应答机装机现状，论述了广播式自相关监视技术和空中交通警戒防撞系统的在直升机上的应用需求，并提出了实际应用方案。该技术具有精度误差小、监视能力强的特点，适用于高密度飞行区域的空中交通服务，有效的解决和避免了传统的二次雷达和机载应答机之间询问应答式监管的种种弊端，未来必将成为空管监视的主要手段。

【关键词】 应答机 广播式自相关监视技术 空中交通警戒防撞系统。

Surveillance technology on helicopters

Yang yang China Helicopter Research and Development Institute， Jingdezhen 333001

【Abstract】In order to provide surveillance for areas not covered by conventional rader ，according to the present situation of the TDR in China helicopter， this paper discusses the application requirements of ADS-B and TCAS on helicopter and present specific program specific program. The technology has high precision and strong monitoring ability， which is suitable for air traffic service in high density area. It effectively solve and avoid the drawbacks of the raditional inquiry response regulation and become the main means of air traffic surveillance.

【Key words】Transponder，ADS-B， TCAS

一、引言

A/C/S模式應答机是直升机必须装备的机载通信设备，用于向地面站报告本机信息，保障飞行安全，中国研发的直升机大部分都装备的是S模式应答机。广播式自动相关监视技术是以广播的形式将本机的方位、速度，本机S模式地址以及高度等信息以约每0.5s一次的频率发送给附近的飞机以及地面站，提示附近飞机进行避让的一种防撞方法，ADS-B技术可以通过S模式应答机实现，可以有效的保障飞行安全。

空中交通警戒防撞系统（Traffic Alert and Collision Avoidance System ，简称TACS）是以二次监视雷达SSR为基础，在1030MHz/1090MHz的频率上采用飞机之间的问答方式获得飞机之间的距离、高度等信息，来判断飞机之间是否会发生冲突威胁或者碰撞威胁，从而实现对邻近飞机的监视和防止碰撞。

二、直升机上的监视技术

2.1 A/C/S模式应答机

目前中国研发的直升机装备的应答机大部分都支持S模式询问功能，S模式（兼容A/C模式）应答机代码容量是A/ C模式的4千多倍，每架直升机分配有唯一的地址，应答机接收地面二次雷达发出的询问信号后，发出带有载机代码、地址、高度等信息给地面二次雷达。

应答机在良好的飞行环境下可以保障通信畅通，应答稳定，一旦飞行条件恶劣，如飞行区域山脉蜿蜒，建筑物高耸，很难保证应答效率。如某型民用直升机在试飞过程中应答效率低，在500-1000米飞行高度时应答信号时有时无，在3000米高度背台飞行时信号丢失频繁，设计团队对此故障现象进行了详细测试分析，分析过程及结论如下：

a）地面雷达显示屏上应答数据在某时段丢失，并且数据丢失时间超过20s；

1.观察分析直升机的试飞线路

结论：在地图上分析试飞线路得出直升机在爬升过程中会受机场周围的山体遮挡，导致数据丢失。

2.分析应答机的试飞应答数据

结论：飞行过程中应答机在某些时段未收到询问信号，导致无应答数据，二次雷达盲区内应答机无法完成应答。

3.根据应答机天线周围环境做电磁兼容仿真分析

结论：应答机天线安装在机头底部蒙皮，根据电磁兼容仿真结果，天线方向图在水平面右侧方向出现较大凹陷，不满足设计要求，通过布局优化减少天线辐射在某一方向上的衰减，提高应答稳定性。

b）应答机最大试飞作用距离为120Km，不符合148Km作用距离指标。

1.测试机上射频电缆长度及衰减；

结论：应答机射频电缆实测为11米长衰减为3dB，通过优化布线、提高电缆传传输性能，改进后射频电缆为8.5米长衰减为1.2dB。试飞结果表明提高射频电缆指标后，应答机通信性能提高。

2.天线端口测试应答机发射功率；

结论：通过调整设备内部收发模块功放器件、电源模块输出等，测试应答机发射功率由原来的160W提高到260W；应答机发射功率提高后直升机在试飞过程中应答机通信效果稳定，作用距离达标。

2.2自动相关监视系统（ADS-B）

广播式自动相关监视（ADS-B）是国际民航组织ICAO正在推广的集通信、卫星导航和监视技术于一体的新一代技术，ADS-B系统由多地面站和机载站构成，通过飞机对外广播其位置、速度、经纬度等信息，并接受其他飞机的广播消息，达到飞机见的相互感知，进而实现对周边空域交通状况全面、详细的了解。

ADS-B系统在雷达覆盖区域，将作为雷达监视手段的有效补充，对其校准或补盲；在非雷达覆盖区域，将成为一种独立的监视手段。该技术与传统的雷达监视技术相比，具有监视精度高、距离远、价格低、易于安装等明显优势。

针对大部分直升机机型，使应答机与机上组合导航系统、大气数据计算机等交联，采集本机实时的经纬度、气压高度、真航向、磁航向、地速、升降状态、北京时间等导航信息，经应答机系统将这些信号格式转换为适应应答机系统传输的数据格式，由应答机天线下发至地面ADS-B接收站或其他配装ADS-B-IN的飞机。通过这种方式可以在短时间内以低成本的方式将我国直升机打造成具有ADS-B OUT功能的飞机，对我国实现空管监视技术起加速推广作用。

2.3空中交通警戒防撞系统（TCAS）

随着航空事业的迅速发展，空中交通密度日增，需要在传统的ATC的基础上提供飞行员的一种可靠的、机动的防碰撞措施，以提高空中交通的安全性。TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System）是一种机载空中交通防撞系统，是以二次监视雷达SSR为基础，在1030MHz/1090MHz的频率上采用飞机之间的问答方式获得飞机之间的距离、高度等信息，来判断飞机之间是否会发生冲突威胁或者碰撞威胁，从而实现对邻近飞机的监视和防止碰撞。

2.3.1 TCAS系统组成

TCAS系统由以下几个功能模块组成：询问编码模块、应答译码模块、中央处理模块、S摸式应答机四个功能模块组成。

TCAS系统组成框图中央处理单元主要负責TCAS咨询、启动询问模式、接收应答译码上报的目标信息以及在TCAS相互协调时控制S模式的应答信息；

询问编码模块主要的任务是负责发出询问信息，包括C/ S的全呼询问以及S模式的点呼询问，询问编码完成后将编码信息通过定向天线发出；

应答译码模块需要对对接收到的模式S/A/C进行译码，并生成报表信息（包括检测到目标的距离、方位、高度信息）上传中央处理单元；

S模式应答机的前端有收发天线，用于接收A/C/S模式询问并进行应答。

2.3.2 组合监视防撞系统

由于TCAS和ADS-B系统同在1030、1090MHz频段工作，TCAS可以利用ADS-B的广播信息直接获取目标飞机的位置和速度，而不需要对应答机进行询问，所以降低TCAS的询问重复频率，减少无线电干扰，在保持TCAS基本防撞功能的基础上，还提高了监视精度。

该组合监视技术是将ADS-B信息融入TCAS设备，充分利用现有的成熟的监视技术，该系统监视范围可分为两个区域；

a）ADS-B独立监视区域，从ADS-B监视范围以内到TCAS系统监视范围以外。

处在ADS-B独立监视区域的飞机，直接收该区域目标飞机的ADS-B广播信息，进行状态估计和航迹预测 。

b）TCAS和ADS-B组合监视区域，TCAS监视范围以内。

其中TCAS和ADS-B组合监视区域又可分为两部分。当被监视目标飞机进入组合监视区域时，在TCAS监视范围到警戒区之间，TCAS首先执行低频率的主动询问；当入侵飞机进入警戒区后，TCAS将恢复到每秒一次的完全主动询问。

三、结束语

本文阐述了应答机在我国直升机上的应用现状，引出广播式自相关监视技术和防撞系统的在直升机上的应用需求，并提出在直升机上应用ADS-B系统的具体方法，该方法在改变机上现有的应答机硬件配套基础上，实现向外部广播ADS-B报文信息。并论述了在直升机上应用TCAS和ADS-B组合监视的思想， 增加机载监视范围，增强了防撞功能。

但该组合监视系统还存在一些不足，其中一个主要的问题是接收到的ADS-B广播中有很多信息是防撞系统不需要的，这样将增加频带的使用，减少有用信息的传颂量和速率。所以在今后的研究中要解决的问题是如何使TCAS系统只接收到对防撞系统有用的ADS-B信息。

参 考 文 献

[1] 张军，《现代空中交通管理》，北京航空航天大学出版社，2005.9；[1] 山秀明，航空二次雷达.国防工业出版社[M]；

[2] 何桂萍，基于TCASⅡ和ADS-B的组合监视防撞系统研究，2011.4；

[3] 方音，S模式ADS-B系统[J]，航空电子技术，1999年4期，25-31