直升机防撞线主动预警系统

孙伟 贾若

摘要

直升机撞高压线一直是直升机超低空飞行中面临的一大难题与电线相碰撞可能会导致严重的后果，最近几年在国内发生了多起直升机撞线事故，造成人员伤亡。直升机超低空作业时需要在不同的能见度下进行近地飞行，因此无法完全消除由于线缆及其他障碍物而带来的危害。

【关键词】直升机防撞线 主动预警 系统

1 直升机防撞线主动预警系统总体框架

位于航管中心的计算机组或位于直升机上的单片机芯片，主要完成数据处理，参数预设与存储，算法运行，产生各种控制信号。位于直升机端的GPS或北斗卫星天线用于产生直升机实时经纬度信息，高度表用于产生直升机实时的高度信息，接收终端用于接收航管中心的计算机组或单片机发送的告警信号。

2 工作原理及实现方法

2.1 防撞线系统的原理

以经度纬度和高度构建三维坐标系，将高压线缆或登山索道的端点A、B坐标值（x₁y₁z₁，x₂y₂z₂）输入计算机组，那么直线AB方向向量为1，m，n;1=x₁-x₂，m=y₁-y₂，n=z₁-z₂三维直线方程可以表示为假设直升机实时坐标为P（x₀y₀z₀）这样直升机距离直线AB的距离就可以用公式计算出来另外计算点PA、PB之间的距离如果p点在地面的投影位于矩形（x₁，y₁）（x₁，y₂）（x₂，y₂）（x₂，y₁）內，点到线段AB的最短距离d=d₀。否则最短距离为d_A、d_B中最小值。当d小于预警距离D时，计算机组产生射频信号发送给目标直升机起到告警作用。

2.2 算法优化

因为实际生活中，不只有一条线缆或一架直升机，一条线缆在高度或经纬度发生变化时就会变成多段直线相连成的折线。假如有十架直升机飞行，有三条高压线，每条高压线分为十段，则计算机组需要同时计算300组公式，得出结果（d₁、d₂、d₃…d₃₀₀）分别与安全距离D比较。一条高压线缆与一架直升机最近的点只有一个，距离最近的直线段也只有一个，用全部的线段计算距离是没必要的。下面区分两种情况进行描述。

（1）首先假设有一架直升机和一条线缆，直升机实时坐标为P（x₀y₀z₀），电缆分为十段：L₁、L₂、L₃…L₁₀。软件初始运行时计算所有十条线段与点P的距离（d₁、d₂、d₃…d₁₀），数值最短代表直升机与相应段线缆距离最近。假设d₂最小，保留L₂的持续计算，这里面又分三种情况：P点接近L₂、P点远离L₂、P点与L₂平行运动。对应上述数学模型分别设t₁、t₂，t₁表示上一时间值、t₂表示当前时间值。用d_2t1与d_2t2比较，d_2t1>d_2t2说明点P在靠近线段L₂、d_2t12t2说明点P在远离线段L₂、d_wt1=d_2t2说明点P在与线段L₂平行运动。当点靠近线段时，只需计算该线段与点之间的距离，其他两种情况则须计算整条高压线所有线段与点的距离。用同样的方法计算出点P在向哪条线段靠近，从而简化计算量。

（2）假设有三条高压线，每条线分为十条线段。初始计算时同时计算出这30条线段与点P（x₀y₀z₀）的距离，分别取出三个最小值其中表示第3条电缆的第7段。同样道理直升机飞行中没必要与这3条电缆实时进行计算，可以预设一安全计算距离例如为告警距离的三倍即3D，则当时，每2秒计算一次第三条电缆十段线段与点P（x₀y₀vz₀）的距离，直至第三条电缆与点的最短距离小于3D，则转入第一种情形进行计算。

出于对飞行安全性能的考虑，如果两段线缆（1₁、1₃）在地面投影相交，则将两段线段编为一组，即1₁处于计算状态，1₃也处于计算状态，这样可以避免直升机在上下两条线缆之间穿过时预警时间过短的弊端。

3 计算机组系统与机载单片机系统的优劣分析

（1）计算机组运行速度快，可以满足整个通航机场所有直升机运行的防撞预警需求，集成化程度高，可以免去对直升机过多的改装，直升机端只需加装机载型或手持性接收终端，其余设备集中在航空管制中心。计算机组的缺点也是比较明显的，比如成本较高、大数据量长时间运行对计算机组硬件的要求较高，计算机可能受网络攻击、病毒影响、电力供应、周期维护等因素影响引起计算意外中断，进而造成所有的直升机防撞安全出现空档期。比较稳妥的解决办法是在航管中心设置两套或更多的相互独立的计算机组，并行运算，只要有一组计算机计算结果符合告警要求并发射射频信号，位于直升机端的接受设备就认定直升机危险接近高压线缆或索道，从而发出告警信号提醒飞行人员。

（2）直升机载型单片机的优点是体积小、重量轻，成本低，不会受到操作系统、网络病毒的影响，运行稳定。供电方面采用直升机电源直接供电，只要直升机电力系统能正常运转就不会影响系统运行。直升机载型单片机系统采用机上电源供电还有一个优点就是该单片机只为本架直升机服务，只在本机飞行时工作，可以利用空闲时间检修。单片机系统在算法上只需计算本机防撞情况，运行负荷相对较小。由于单片机系统所有设备均为机载型，信号传输为有限方式传输，信号传递稳定，不因山体、高大建筑物遮挡而受影响。单片机系统也有不足之处，一是单片机发生运算死循环或其他错误时，本机防撞线安全预警功能将完全丧失。二是在直升机上加装设备的申请程序复杂，需要考虑系统重量、对重心的影响、对电能负荷的增加、与机上其他设备的交联关系、电磁干扰对数据传输的影响。针对上述缺点可以在单片机上加装看门狗防止死机，加装自检测和周期检测功能增强单片机系统的稳定性。至于对直升机整体性能和相关航电设备的影响，可以充分论证的基础上集中报批。

4 结论

经过优化，直升机防撞线主动预警系统可以为低空飞行器尤其是直升机安全飞行提供主动预警功能，预警时间可达5-10秒，能够有效降低直升机撞击高压线、高空缆车线和其他不易探测的固定线缆的事故率。而且各机场可以根据自身条件、需求选择计算机组型系统或直升机载型单片机系统。