基于IMA的綜合監視集成解決方案

吳琛

摘 要：綜合監視系統本質上是一個告警系統，由于數據庫、個性化設置的需求，以及天線和收發機的存在，使其區別于一般的告警系統。而基于IMA的綜合監視系統集成方案則很好地將天線和收發機獨立出來，并且使用全機共享的數據庫來解決數據庫和個性化設置的需求。這樣，綜合監視的處理軟件就可以看作CAS告警的一個基本處理算法單元，而圖形處理軟件同樣也可以看作是顯示系統圖形處理模塊的一個基本算法單元。在這里，采用一種基于IMA的集成方案來對綜合監視系統進行優化，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理軟件集成于IMA中的CAS模塊中，將綜合監視圖形顯示的處理軟件集成于顯示系統的圖形處理模塊中。所需要的數據庫可以存儲于IMA的存儲器中。另外，采用集成式的交通監視天線，將收發機集成于頂部天線（TOP ANT）和底部天線（BOT ANT）。

關鍵詞：綜合監視系統 集成式交通天線 IMA 顯示系統 CAS

中圖分類號：V243 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0013-03

1 系統概述

綜合監視系統（ISS）是由傳統的氣象雷達（WXR）、地形提示和警告系統（TAWS）、交通告警和防撞系統（TCAS），以及S模式應答機（XPDR）四個子系統集成而形成的集成式系統。從功能對象上分為氣象監視、地形監視和交通監視三大監視功能。綜合監視系統通常采用航線可更換設備（LRU）集成方式見表1。

氣象監視和傳統的氣象雷達類似，主要由氣象雷達收發機（WXR RTM）、氣象處理模塊，氣象雷達天線驅動（WXR DRV）以及氣象雷達天線（WXR ANT）組成，通過發射和接收雷達波來探測氣象，并通過顯示器顯示出氣象圖形數據，并通過音響和目視告警將危險信息傳送給飛行機組。目前使用的氣象雷達功能主要包括傳統的氣象探測功能、紊流探測功能、輔助地形掃描功能、預測型風切變（PWS）功能，目前正在推廣的垂直氣象剖面顯示和垂直氣象分析功能，未來可能會發展基于網絡的氣象信息共享功能。

地形監視主要是由地形提示和警告系統由地形數據庫（包括地形數據、障礙物數據、機場數據、跑道數據等）、告警包線、運算處理單元組成。地形提示和警告系統主要是利用全球定位系統（GPS）、慣性基準系統（IRS）、無線電高度表（RA）、大氣數據系統（ADS）等系統的輸入信息計算飛機的位置、高度信息，并與數據庫中的地形進行比對，測算出危險的地形，通過目視和音響系統將危險信息傳送給飛行機組。地形提示和警告系統主要包括傳統的近地警告系統功能、基于地形數據庫的預測型地形功能，以及反應型風切變（RWS）功能，當前工業界正在推廣垂直地形剖面顯示功能。

交通監視功能集成了傳統的交通告警和防撞系統（TCAS）和S模式應答機（XPDR）。主要是通過詢問和應答機制來協調周圍空域中各飛機的位置和高度，并通過目視和音響系統來為飛行機組提供危險的信息。當前，航空工業界正在推廣一種基于廣播式通信機制的協調機制——廣播式自相關監視系統（ADS-B）。交通監視功能已廣泛集成了ADS-B功能，并已經取得了實質性的進展，ADS-B功能已應用于民用航空運營。未來ADS-B功能的擴展應用還將繼續發展和擴充。

2 綜合監視系統集成架構簡介

通常根據系統安全性需求來初步確定系統的集成方式，明確系統的架構。根據標準的最低安全性要求，通常：TAWS為D級設備；TCAS為C級設備；XPDR為C級設備；WXR為C級設備。綜合派遣率的要求，以及目前廣泛應用產品的屬性，經典的傳統架構選用一套TAWS、一套雷達、一套TCAS和兩套XPDR，如圖1所示架構。而采用集成式的綜合監視LRU則可以通過圖2的方式進行集成。

注：TOP ANT為頂部天線；BOT ANT為底部天線。

考慮到不同的運行條件下，如航空公司派遣要求、特殊的運營環境等因素，運營商可能會選擇安裝兩套TAWS，和/或兩套氣象雷達，和/或兩套TCAS。這樣就產生了不同的集成方式，這些不同的集成方式需要根據客戶的需求來選擇，傳統的獨立式設備需要增加不同的飛機構型，進行大量的改裝工作。現在，使用綜合監視系統可以考慮采用一種可以選擇的配置架構，見圖3。其中ISS-2作為可配置的設備，可根據客戶需求選擇加裝TAWS和/或WXR和/或TCAS。這樣的設計可以滿足不同特殊需求的客戶。

使用集成式ISS的優勢主要是簡化了傳統的集成架構。由于氣象監視、地形監視和交通監視的輸入和輸出高度類似，所以合并這些輸入輸出對簡化線路、提高網絡資源的利用率是非常有效的；在交通天線的使用上，綜合監視系統可以減少天線，以及由安裝天線帶來的同軸電纜、連接器等等，可以有效減少重量；另外，綜合監視相關功能輸出數據中包含圖形數據，這部分數據量大，綜合在一起有利于優化數據的標準化傳輸，簡化綜合監視系統和顯示系統的集成。而從使用和維護上來看，使用綜合監視系統，減少了航空備件，簡化了維護和維修的程序，可以降低飛機的維護成本和運營成本。

然而使用這種集成的系統，還是存在一些問題：笨重的同軸電纜似乎與交通監視如影隨形；龐大的圖形數據傳輸給整個飛機的網絡帶寬帶來了沉重的壓力；與顯示系統之間的數據傳輸機制似乎總是存在浪費；與CAS之間的告警協調、管理總是你中有我，我中有你，顯得重復和多余。

該文主要是通過一種基于模塊化航電系統（IMA）的綜合監視系統集成方案，來分析和探討解決綜合監視系統的使用帶來的不利因素，以及一些優化的措施。

3 TAWS作為獨立設備的必要性探討

目前民用航空中運輸類飛機所安裝的TAWS基本上都是獨立的TAWS設備，或者作為綜合監視計算機的獨立模塊來使用。然而，TAWS本身作為一個純軟件的告警系統，沒有獨立的傳感器，也不提供其它系統需要的重要參數。它主要用來運算和處理其它傳感器的數據，分析和比對地形數據庫，提供危險地形的告警，此外它也能夠通過其它系統傳感器數據識別反應型風切變。本質上，TAWS就是一個告警系統，而且根據標準的定義，它只是一個D級設備。筆者認為，完全可以集成到機組告警系統中或者集成到IMA中。

IMA中的存儲器，完全可以存儲供全機共享的數據庫，包括地形數據庫、高清機場數據庫、地磁場數據庫等。以及飛機的構型參數，包括機尾號、ICAO（國際民航組織）地址、飛機序列號、型號等等。

如果將TAWS的運算模塊和告警包線集成在IMA中，采用IMA存儲器中的地形數據庫數據，這樣不僅減少了設備，而且有利于與顯示系統的集成。如果與機組告警系統（CAS）集成在一起，更會簡化其與CAS的集成。

4 應用集成式交通天線的探討

交通監視功能由于需要進行飛機與飛機以及飛機與管制臺之間的協調，因此需要天線進行接收和發射信號。而收發機與天線之間通過同軸電纜連接，通常這些同軸電纜的重量和安裝會給設計人員帶來煩惱。

可以考慮將收發機和天線進行集成，通過一般的A429數據線或者光纖與處理器連接。這樣可以減少同軸電纜，減輕重量。更可以使共用天線變得簡單可行。理論上一部頂部天線和一部底部天線即可滿足兩套TCAS和兩套XPDR對天線的需求。

使用集成式的天線后，也可以將TCAS和XPDR集成到IMA或者CAS。

5 顯示數據處理流程的探討

綜合監視各功能模塊的顯示數據，包括將雷達收發機以及交通監視收發機輸出的數據讀取之后轉換為顯示格式的數據，另外就是TAWS將地形數據庫中的地形數據根據位置信息調用出來，并采用標準的格式發送給顯示器。這樣會很自然地考慮到：為什么不將這些處理集成到顯示器的處理器中呢？傳統的通信方式，往往雷達讀取收發機信號后需要根據顯示器的需要，發送多路相互獨立的圖形信息給不同的顯示器，TAWS和TCAS也有同樣的問題。這種方式非常浪費資源。如果將圖形處理軟件集成到顯示系統，那么顯示系統處理器可以直接根據需要讀取數據并進行處理后，直接顯示在顯示器上，而不需要中途重復轉送。

6 基于IMA的綜合監視系統集成解決方案

通過上面的探討，為了解決這些問題，該研究者采用一種基于IMA的集成方案來對綜合監視系統進行優化，如圖4基于IMA的監視系統集成方案所示。首先假設機組告警系統和顯示的圖形處理器集成于IMA中，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理軟件集成于IMA中的CAS模塊中，將圖形顯示的處理軟件集成于顯示系統的圖形處理模塊中。所需要的數據庫可以存儲于IMA的存儲器中。另外，采用集成式的交通監視天線，將收發機集成于頂部天線（TOP ANT）和底部天線（BOT ANT）。這樣，我們可以大量減少同軸電纜，并且可以通過A429總線或者光纖實現與處理器之間的通信。這樣可以方便地實現TCAS和XPDR，以及左右處理器的天線共用，理論上兩部天線可以滿足兩套TCAS和兩套XPDR的需求，甚至更多其它系統的需求。

7 結語

綜合監視系統本質上是一個告警系統，由于數據庫、個性化設置的需求，以及天線和收發機的存在，使其區別于一般的告警系統。基于IMA的綜合監視系統集成方案可以將天線和收發機獨立出來，并且通過使用全機共享的數據庫存儲器來解決數據庫和個性化設置的需求。這樣，綜合監視的處理軟件就可以看作CAS告警的一個基本處理算法單元，而圖形處理軟件同樣也可以看作是顯示系統圖形處理模塊的一個基本算法單元。

當前普遍的解決方案采用集成式的綜合監視系統LRU，而處理器之間缺少系統內協調機制的設計，需要CAS和顯示系統來協調ISS系統內部的狀態和告警信息。部分信號需要請求、確認協議，往返的確認機制不僅增加了延時，而且占用了有限的網絡資源。

在交通天線的使用方面，共用天線一直困擾著設計者。如何在保證可用性和完整性的情況下，減少同軸電纜數量，以及天線數量是當前綜合監視領域里的一個難題。

而TAWS和WXR的圖形數據，對網絡資源的占用對網絡資源配置設置了重重障礙。

采用基于IMA的綜合監視系統集成方案優勢非常明顯：首先，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理算法集成于IMA中的CAS模塊，直觀上減少了綜合監視系統與CAS的集成工作；并且大大減少了數據的傳輸，以及請求和確認機制，減少了傳輸的延時，提高了告警的及時性；另外，CAS直接控制揚聲器和顯示器上告警信息，比CAS管理綜合監視系統傳送的告警信息的效率高，且減少了傳輸錯誤的可能性。其次，將綜合監視的顯示處理算法軟件集成于顯示的圖形處理模塊中，顯示系統就可以直接讀取雷達收發機、交通監視收發機和地形數據庫中的數據，根據不同顯示器的需求，直接疊加相應的圖層。這樣不僅減少了綜合監視系統發送重復性的數據，而且在時效性上更好；此外，采用集成了收發機的交通監視天線，可以徹底解決笨重的同軸電纜帶來的煩惱，并且使多系統共用交通天線成為一件容易的事情。

參考文獻

[1] Donald L. Riggin. AC25-23 Airworthiness Criteria for the Installation Approval of a Terrain Awareness and Warning System （TAWS） for Part 25 Airplanes. U.S.Department of Transportation Federal Aviation Administration 5/22/00.

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