增强型近地告警系统在国内直升机上的应用研究

谷小乐 陈玲

增强型近地告警系统在国内直升机上的应用研究

谷小乐 陈玲

航空工业直升机设计研究所，江西 景德镇 333001

增强型近地告警系统是为了帮助飞行员避免可控飞行触地（CFIT）事故而研究的航空电子设备。在国外直升机上已有应用，但在国内直升机上并未使用。通过研究增强型近地告警系统的技术和使用要求，结合国内直升机的应用环境，从告警包络算法、近地告警和雷达、光电等传感器信息融合技术等方面，给出近地告警关键技术的解决方法，为将来在国内直升机上的应用提供指导。

增强型近地告警；直升机；告警包络算法；信息融合

1 概述

增强型近地告警系统简称EGPWS（Enhanced Ground Proximity Warning System）是利用目视和音响告警形式进行地形提示来防止可控飞行触地的设备[1]。根据国际飞行安全基金会的统计，CFIT（Controlled Flight Into Terrain）事故是影响飞行安全的祸首。图1为美国1994—2004年间直升机事故原因统计图，从图中可以看出，排在前三位的原因分别是与高压线/障碍物相撞、夜间及不良目视条件下的飞行撞地、日间目视条件下的飞行撞地。

为减少CFIT 事故发生，EGPWS已普遍加装在固定翼飞机上，国外直升机上也有加装，但在国内直升机上尚未应用，主要是由于直升机具有飞行速度慢、机动性强、起降点较为灵活等特点，安装的必要性并不突出。随着国内直升机的快速发展，对安全性要求的提升，安装EGPWS已成为今后的趋势。

1.1 EGPWS介绍

EGPWS接收机上各种传感器数据，并与地形数据库结合，通过对传感器数据的评估和对飞行轨迹的预测来判断飞机是否存在撞地危险。

图1 美国1994—2004年直升机事故原因统计（引自FAA飞行事故数据库）

按不同的飞行状态，可分为以下几种警告模式[2]。

（1）模式 l——过大的下降率；（2）模式2——过大的地形接近率；（3）模式3——起飞或复飞后掉高度太多；（4）模式4——不在着陆形态时的不安全越障高度（地形净空高度不够）；（5）模式5——进近时低于下滑道太多；（6）模式6——飞机下降通过无线电高度表上预定高度时的语音报数；（7）模式7——风切变警告（选装特性）；（8）模型8——过大倾斜角告警功能；（9）模型9——尾部撞击告警功能；（10）模型10——前视地形回避告警功能。

1.2 EGPWS的工作原理

EGPWS采集直升机上的相关飞行数据及综合处理显示单元的控制信号，经过数据变换和滤波处理后将信号送往数据库预处理单元和告警模型运算单元，数据库预处理单元根据本机当前的位置和磁航向等信息读取数据库中的有关信息，进行解密和解压缩等处理后，提供给告警模型运算单元，同时输出地形信息。

告警模型运算单元根据本机信息和读取的数据库数据，运行告警模型算法，当触发告警边界时输出当前最高优先级的告警信号，输出语音告警信号给音频控制器，同时输出告警信号给飞参系统记录。

EGPWS工作原理框图见图2。

图2 EGPWS工作原理框图

2 增强型近地告警在国内直升机上的解决方案

2.1 与机上的交联接口

EGPWS的安装，机上需提供无线电高度、大气、导航等数据，EGPWS通过数据总线接收大气计算机发送的气压数据、无线电高度表发送的无线电高度数据、组合导航系统发送的经纬度、航向等导航数据、综显系统发送的显示控制数据，并经过EGPWS处理器进行数据处理解算，输出地形信息通过视频接口至综合显示处理单元进行显示，同时输出语音告警信号至音频控制器。

图3 EGPWS与机上的交联

2.1.1 输入数据

外部接收的飞机飞行信息包括无线电高度、组合导航数据（GPS信息、惯导或航姿信息）大气数据计算机信息等，具体的信息内容见表1。

表1 EGPWS接收数据

2.1.2 输出数据

输出包括地形综合显示视频输出、告警提示信息输出及告警语音输出。输出交联设备包括综显系统、告警灯及音频控制器（具体如表2所示）。

表2 EGPWS发送数据

2.2 关键技术及解决方案

EGPWS在国内直升机上应用需突破告警包络算法[3]，近地告警系统和雷达、光电等多传感器数据融合上的关键技术。

2.2.1 告警包络算法及其验证

直升机告警包络设计直接影响告警的准确性。目前国内直升机近地告警包络的设计主要依据民航标准RTCA/DO-309、TSO-151B以及TSO-194对直升机地形感知与告警系统的最低性能要求，同时参考国外民用装机产品的告警包络进行设计，在固定翼飞机上国内EGPWS的告警包络已有试飞验证[5]，在国内直升机上未有应用。

国外Honeywell 公司的MKXXII产品为EGPWS的典型产品，若应用国内直升机上，告警包络需要结合国内相应直升机型号的飞行特性和任务特性进行配置，并将告警算法在直升机仿真验证平台上进行高逼真度的飞行仿真来验证告警包络。

根据第2节提到的警告模式，结合告警包络线，可在直升机仿真验证平台上分别进行验证。考虑试验效果，在验证之前可适当调大告警敏感阈值。

（1）过大下沉速率告警验证

直升机在空旷地形上空悬停，直升机使其加速（加速度值）垂直下降飞行，当出现“拉起”告警后，立即拉起直升机爬升至安全高度，其飞行示意图见图4。

（2）过大近地速率告警验证

直升机在预定高度（略高于预定山地最高峰）以一定速度向最高山峰水平飞行，当出现“拉起”告警后，立即拉起直升机左（或右）爬升至安全高度，其飞行示意图见图5。

（3）起飞后掉高度告警验证

直升机离地起飞后，收起起落架。在一定高度时，调整直升机，使其下降飞行，当出现“拉起”告警后，立即拉起飞机爬升至安全高度，其飞行剖面见图6。

（4）非安全离地高度告警验证

直升机在平坦地形上空（高度值500 m）平飞，以10 m/s速度下降，当出现“太低地形”告警后，立即拉起飞机爬升至安全高度，其飞行示意图见图4。

图4 过大下沉速率告警飞行示意图

图5 过大近地速率告警飞行示意图

图6 起飞后掉高度告警飞行示意图

（5）过大下滑道偏差告警验证

直升机进行进场着陆飞行。调整直升机使之在选定的下滑道以下飞行，当出现“拉起”告警后，操纵飞机沿下滑道正常降落，其飞行剖面见图7。

（6）高度呼叫验证

设定指定高度200 m（可根据实际情况调节安全高度），直升机在平坦地形上空（高度值300 m）平飞，以5 m/s速度向下穿越200 m时向飞行员发出高度提醒，输出对应的“高度200 m”语音，立即拉起飞机爬升至安全高度，其飞行示意图见图4。

（7）过大倾斜角告警验证

直升机在平坦地形上空（高度值100 m）平飞，以55°横滚角转弯，当出现“过大倾斜角”告警后，立即减小角度飞行。

图7 过大下滑道偏差告警飞行示意图

（8）尾部撞击告警验证

尾部撞击告警，防止飞机尾部太低撞击地面或障碍物。该告警模式根据无线电高度、俯仰角、俯仰速度及气压高度变化率信号，来判断飞机是否会产生尾部撞击地面或障碍物的情况，向飞行员发出提醒信号。

直升机在平坦地形离地（高度值10 m，高度值设定实际考虑直升机机身长度）空中悬停，调整直升机姿态以50°俯仰角悬停，当出现“太低，尾部”告警后，立即减小角度，其飞行示意图见图8。

图8 尾部撞击告警飞行示意图

（9）前视地形回避告警验证

操纵直升机以巡航状态以略高于前方预定山峰的高度水平飞行。当出现“注意，障碍物”告警后，然后拉起飞机至安全高度，其飞行剖面见图5。

2.2.2 EGPWS和雷达、光电等多传感器数据融合

直升机EGPWS地形、障碍物告警功能主要依赖地形数据库，可靠安全的地形数据库是EGPWS功能的基础。地形数据库包括地形、障碍物、高压线、机场等信息。国外杰普逊（Jeppesen）数据库的数据更新快，数据准确，如Honeywell等公司还研制了适应于直升机的低空数据库；而国内，地形数据库中低障碍物和高压线数据不全或缺失，且无商业机构负责数据库更新，EGPWS的应用受到较大的限制。

因此，EGPWS需要和雷达、光电等多传感器数据融合，直升机上安装的雷达、光电设备主动探测的地形、障碍物图像同EGPWS地形数据进行信息融合处理，能弥补地形数据库不全或者不够准确的缺陷，进一步提高地形告警的性能。

以下给出雷达、红外与EGPWS的数字地图地形融合的解决步骤（见图9）。

（1）根据EGPWS数据库地图精度，提取出地形网格。

（2）雷达探测地形坐标变换至地形网格中；红外探测数据采用系统偏差校正、统一地理坐标框架、重投影的空间配准策略。

（3）将多次雷达/红外探测地形加权积累，提高精度。

（4）达/红外探测数据和地形网格融合，雷达/红外未探测的地形用数字地形数据填充。

图9 雷达与EGPWS地形融合

气象雷达、毫米波雷达对地形进行扫描，对回波信息处理并建立地形与障碍物的3D模型。同时，红外成像系统利用红外传感器“穿透大气”的探测能力，获取外景清晰的图像。将所获所有传感器的地形数据建立环境动态数据库，与EGPWS的数字地图地形库进行融合和处理，实现3D地形场景重构，并产生实时高精度的地形信息，用以精确防撞，如图10所示。

3 结束语

本文从近地告警系统的介绍和增强型近地告警系统的原理出发，给出了增强型近地告警系统在国内直升机上的安装接口要求，并通过对告警算法、综合近地告警系统信息融合技术关键技术的阐述，给出了国内直升机上安装增强型近地告警系统的解决方案，为今后国内直升机上安装增强型近地告警系统提供理论基础。

图10 多数据融合显示

[1]刘仪. 防范可控飞行撞地事故的最新进展[J]. 国际航空，2001（12）：41-42.

[2]刘连生，陈戴维. 增强型近地警告系统的特性及实现[J]. 中国民航大学学报，2007，25（s1）：120-121.

[3]周成中，陆洋. 直升机前视地形告警算法研究[J]. 飞行力学，2016，34（3）：30-33.

[4]Honeywell：Mk_XXII_EGPWS，P-N_965-1590-XXX，1995：43-69[Z].

[5]杨剑，曹红旗，李靖.近地告警系统飞行试验技术[J].航空电子技术，2010，41（3）：41-45.

Application of Enhanced Ground Proximity Warning System on Domestic Helicopters

Gu Xiaole Chen Ling

China Helicopter Research and Devlopment Institute, Jiangxi Jingdezhen 333001

EGPWS is a avionics device designed to help pilots avoid CFIT.It has been used on foreign helicopters but not on domestic helicopters. Considering the alarm algorithm and data fusion which combines EGPWS and radar, the paper studies the technology and requirements and combines the application environment of domestic helicopters to provide guidance to the application of GPWS on domestic helicopters in the future.

EGPWS; helicopter;alarm algorithms; data fusion

V243

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