机载防撞系统应用中目标跳变现象分析

李亚玲 王韶濛 杨玉卫

摘 要：阐述了机载防撞系统的功能及应用，针对某型飞机机载防撞系统飞行过程中目标方位跳变现象产生过程、原因进行了分析，得出了无威胁目标角度因素不影响防撞功能、接近威胁目标防撞系统可实时对目标方位进行跟踪的结论。

关键词：机载防撞系统;目标;方位

0    引言

随着航空运输业的飞速发展，空中交通量日益增大，飞机数量迅速增长，空域变得更加繁忙和拥挤，这就增加了飞机空中冲突的潜在可能性。机载防撞系统作为避免飞机空中相撞的最后一道防线，能够显示飞机周围的情况，预报飞机是否处于碰撞轨迹上，在需要时提供语音告警，预测飞机可能发生的危险，帮助飞行员主动以适当的机动方式躲避危险，提供安全可靠的间隔距离，避免飞机空中相撞的灾难事故发生。

在国际航空界，机载防撞系统（ACAS，Airborne Collision Avoidance System，欧洲航行安全局定义）又名空中交通告警和防撞系统（TCAS，Traffic Alert and Collision Avoidance System，美国联邦航空局定义），两种名称的含义、组成和功能是一致的。随着军、民航和谐发展的需要日益增长，国际民航组织（ICAO）于2000年1月1日即要求亚太地区飞机安装机载防撞系统，中国民航规定域内飞行的国际商业航空运输飞机应遵守下列规定：从2004年1月1日起，所有最大审定起飞重量超过5 700 kg或批准载客数超过19座的涡轮发动机飞机，应当装备机载防撞系统（TCAS Ⅱ）。

1    系统概述

某型飞机装备的机载防撞系统均为TCAS Ⅱ类产品，具有垂直避让功能，通过主动发出询问或侦听来自邻近飞机应答机的应答信号，探测在发送/接收信号覆盖范围内其他装有S模式或A/C模式应答机的飞机，确定其他飞机相对于本机的距离、高度、方位，监视和跟踪其运动轨迹，传送到地面管制员的屏幕上，并与周边飞机相互交换信息，建立、更新和维护系统航迹，以判定这些飞机是否存在与本机发生碰撞的可能，如果存在，系统就向飞行员以视频或声音信号提示，并提供最优化的垂直方向上的避让机动建议。

机载防撞系统主要由ACAS收发主机、S模式应答机、控制盒、交通/决断显示器、定向天线、全向天线、天线分配盒、静压转换器、闭锁信号交联盒、综合适配器等组成。系统主要功能如下：监视功能、跟踪功能、潜在威胁评估功能、交通告警（TA）显示功能、防撞计算和决断告警（RA）显示功能、音响告警功能、空对空协调功能。

2    目标跳变现象分析

某型飞机飞行过程中，目标飞机距离本机约50 km、上方300 m情况下，在同一航段多次出现目标跟踪不连续和方位跳变现象，但预置航线其他几个航路段目标连续稳定，未出现目标跟踪不连续和方位跳变现象。

2.1    系统性分析

某型飞机机载防撞系统TCAS Ⅱ中天线测向技术采用幅度单脉冲技术，测向采用4个阵子，每个阵子负责90°监视范围。4个天线阵子均能接收到目标应答信号并将信号幅度送入设备内，应答信号经过定向天线处理后，目标的方位信息只与4个通道的信号幅度信息有关，通过比较4通道的信号接收幅度，首先从4通道中选择最大信号幅度的通道作为主通道，再比较主通道左右两通道的信号幅度，选择较大幅度的一路作为副通道，最后根据主通道和副通道的幅度差与设备内部预置的方位OBA表比对，最终获取目标飞机的方位值。由于波束较宽，测向精度均方根值仅能达到5°，单次最大偏差27°;同时同一波束内较易接收到反射信号，造成信号交织和幅度偏差，出现角度跳变现象。

2.2    现象分析

机载防撞系统通过空空询问和应答的方式获取目标的距离、高度、方位信息，正常情况下机载防撞系统仅能收到空空应答信息直线传输信号，信号会经过地面障碍物反射形成反射信号，两种信号叠加交织在一起，当反射信号与直线传输信号相位相同，信号幅度增加，当反射信号与直线应答信号相位相反，信号幅度削弱，而机载防撞系统是通过幅度单脉冲方式进行测向，幅度变化会造成角度偏差，出现目标方位跳变[1];同时信号交织会造成无法正确解算出应答信号，出现航迹断点。

综上所述，机载防撞系统飞行中显示方位跳变均出现在相同航路点附近，均为信号经过地面障碍物反射，造成信号交织，导致信号幅度出现变化或信号解码错误，导致了方位跳变情况。具体跳变的情况可以分为两种：目标跟踪出现断点，目标重新出现的前15 s方位变化较大，即航迹断点重启角度跳变情况;航路飞行时，方位偶尔跳变，即信号反射方位偶尔跳变情况。

2.3    机理分析

2.3.1    航迹断点重启角度跳变情况分析

应答信号经地面障碍物反射后，会与直射信号叠加交织在一起，从而无法获取目标正确的应答信号，导致目标航迹中断。航迹断点后，后续又继续接收到了目标信号重新建立航迹，为保证目标航迹快速建立，前15 s角度滤波因子较大，会存在航迹跳变情况。待目标航迹建立超过15 s后，会逐步收敛稳定。

根据RTCA-DO/185A标准附录A.10规定，S模式航迹方位估算采用笛卡尔α-β估算算法，且α、β系数在航迹建立开始15 s内按照追踪器随航迹寿命取值，航迹刚建立时，为能快速有效建立目标航迹，目标方位跟踪α、β系数较大，导致接收到的目标应答信号更新航迹信息时，应答点迹信号方位信息对航迹方位影响较大，随着监视目标时间变长，α、β系数逐渐收敛，单个应答点迹信号对航迹影响逐步减小，航迹逐渐收敛稳定。

2.3.2    信号反射方位偶尔跳变情况分析

目标飞机应答信號经障碍物反射后，如反射信号与直线应答信号相位相同，会造成信号幅度增加，使得目标方位跳变;如反射信号与直线应答信号相位相反，会造成信号幅度削弱，也会造成目标方位跳变。

由于目标飞机约在本机前方50 km、上方300 m，所以目标飞机平飞时正常使用下全向天线进行应答，其应答信号为360°辐射出去，而应答信号被障碍物（如山体、高楼等）折射、反射（如水面）回来亦可被本机接收，如果地面发射、折射信号与应答直射信号相位正好相同，信号幅度增加;如果反射信号与直线应答信号相位相反，信号幅度削弱，也会造成目标方位跳变。使用该应答信号方位信息对航迹方位进行更新时，会导致目标飞机角度和角速度有一个较大的跳动。

由于目标距离较远，相对于本机威胁等级较低，对目标飞机监视采用5 s间隔询问1次方式，剩余4 s飞机的角度信息均根据目标距离、角度、角速度推算而出。所以如果接收到的应答信号是反射、折射信号，则会出现连续5 s方位跳动较大情况，待到第6秒再一次对目标飞机进行监视询问，接收到真实应答信号后，角度逐步修正到目标飞机真实的角度。

2.4    结论

在上述现象中，目标距离较远，为无威胁目标（显示为空心菱形），故采用5 s询问1次对目标进行监视跟踪，后续4 s则根据上次询问的方位进行方位推测，所以此现象出现概率不高，无威胁目标角度因素不影响防撞功能，不影响正常使用;对于接近威胁目标（显示为实心菱形），防撞系统采用1 s询问1次对目标进行监视跟踪，可实时对目标方位进行跟踪，目前还未出现目标跳变现象。

3    结语

目前TCAS Ⅱ系统仍为国际主流防撞技术，通过垂直机动实现对目标飞机的碰撞避让，水平避撞技术仍处于理论研究和实验室验证阶段，未进入工程应用，防撞计算逻辑仅基于目标距离、距离变化率、高度、高度变化率等参数，方位信息不作为防撞逻辑计算因子（即目标飞机无角度信息也可正常形成交通告警和决断告警），仅用于在显示器上对应角度上显示目标信息，作为加强飞行员空域态势感知的一种方式。

开发有效的机载防撞系统一直以来都是航空工业界的重要目标，TCAS Ⅲ系统在TCAS Ⅱ系统功能的基础上集成了TCAS、XPDR、TAWS、ADS-B IN/OUT功能，而TCAS Ⅳ正在开发中，主要增加了水平避让功能，并能与自动驾驶仪交联。

[参考文献]

[1] 魏俊淦，田建学，刘水.运输机机载防撞系统的体系构建研究[J].电子世界，2014（13）：72.

收稿日期：2020-03-25

作者简介：李亚玲（1979—），女，陜西渭南人，飞机设计高级工程师，研究方向：航空电子集成。