監視技術在直升機上的應用

楊陽

【摘要】 為了給傳統雷達無法覆蓋區域提供監視，并有效地保持空中航空器的最小安全間隔，本文根據我國直升機應答機裝機現狀，論述了廣播式自相關監視技術和空中交通警戒防撞系統的在直升機上的應用需求，并提出了實際應用方案。該技術具有精度誤差小、監視能力強的特點，適用于高密度飛行區域的空中交通服務，有效的解決和避免了傳統的二次雷達和機載應答機之間詢問應答式監管的種種弊端，未來必將成為空管監視的主要手段。

【關鍵詞】 應答機 廣播式自相關監視技術 空中交通警戒防撞系統。

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模式應答機是直升機必須裝備的機載通信設備，用于向地面站報告本機信息，保障飛行安全，中國研發的直升機大部分都裝備的是S模式應答機。廣播式自動相關監視技術是以廣播的形式將本機的方位、速度，本機S模式地址以及高度等信息以約每0.5s一次的頻率發送給附近的飛機以及地面站，提示附近飛機進行避讓的一種防撞方法，ADS-B技術可以通過S模式應答機實現，可以有效的保障飛行安全。

空中交通警戒防撞系統（Traffic Alert and Collision Avoidance System ，簡稱TACS）是以二次監視雷達SSR為基礎，在1030MHz/1090MHz的頻率上采用飛機之間的問答方式獲得飛機之間的距離、高度等信息，來判斷飛機之間是否會發生沖突威脅或者碰撞威脅，從而實現對鄰近飛機的監視和防止碰撞。

二、直升機上的監視技術

2.1 A/C/S模式應答機

目前中國研發的直升機裝備的應答機大部分都支持S模式詢問功能，S模式（兼容A/C模式）應答機代碼容量是A/ C模式的4千多倍，每架直升機分配有唯一的地址，應答機接收地面二次雷達發出的詢問信號后，發出帶有載機代碼、地址、高度等信息給地面二次雷達。

應答機在良好的飛行環境下可以保障通信暢通，應答穩定，一旦飛行條件惡劣，如飛行區域山脈蜿蜒，建筑物高聳，很難保證應答效率。如某型民用直升機在試飛過程中應答效率低，在500-1000米飛行高度時應答信號時有時無，在3000米高度背臺飛行時信號丟失頻繁，設計團隊對此故障現象進行了詳細測試分析，分析過程及結論如下：

a）地面雷達顯示屏上應答數據在某時段丟失，并且數據丟失時間超過20s；

1.觀察分析直升機的試飛線路

結論：在地圖上分析試飛線路得出直升機在爬升過程中會受機場周圍的山體遮擋，導致數據丟失。

2.分析應答機的試飛應答數據

結論：飛行過程中應答機在某些時段未收到詢問信號，導致無應答數據，二次雷達盲區內應答機無法完成應答。

3.根據應答機天線周圍環境做電磁兼容仿真分析

結論：應答機天線安裝在機頭底部蒙皮，根據電磁兼容仿真結果，天線方向圖在水平面右側方向出現較大凹陷，不滿足設計要求，通過布局優化減少天線輻射在某一方向上的衰減，提高應答穩定性。

b）應答機最大試飛作用距離為120Km，不符合148Km作用距離指標。

1.測試機上射頻電纜長度及衰減；

結論：應答機射頻電纜實測為11米長衰減為3dB，通過優化布線、提高電纜傳傳輸性能，改進后射頻電纜為8.5米長衰減為1.2dB。試飛結果表明提高射頻電纜指標后，應答機通信性能提高。

2.天線端口測試應答機發射功率；

結論：通過調整設備內部收發模塊功放器件、電源模塊輸出等，測試應答機發射功率由原來的160W提高到260W；應答機發射功率提高后直升機在試飛過程中應答機通信效果穩定，作用距離達標。

2.2自動相關監視系統（ADS-B）

廣播式自動相關監視（ADS-B）是國際民航組織ICAO正在推廣的集通信、衛星導航和監視技術于一體的新一代技術，ADS-B系統由多地面站和機載站構成，通過飛機對外廣播其位置、速度、經緯度等信息，并接受其他飛機的廣播消息，達到飛機見的相互感知，進而實現對周邊空域交通狀況全面、詳細的了解。

ADS-B系統在雷達覆蓋區域，將作為雷達監視手段的有效補充，對其校準或補盲；在非雷達覆蓋區域，將成為一種獨立的監視手段。該技術與傳統的雷達監視技術相比，具有監視精度高、距離遠、價格低、易于安裝等明顯優勢。

針對大部分直升機機型，使應答機與機上組合導航系統、大氣數據計算機等交聯，采集本機實時的經緯度、氣壓高度、真航向、磁航向、地速、升降狀態、北京時間等導航信息，經應答機系統將這些信號格式轉換為適應應答機系統傳輸的數據格式，由應答機天線下發至地面ADS-B接收站或其他配裝ADS-B-IN的飛機。通過這種方式可以在短時間內以低成本的方式將我國直升機打造成具有ADS-B OUT功能的飛機，對我國實現空管監視技術起加速推廣作用。

2.3空中交通警戒防撞系統（TCAS）

隨著航空事業的迅速發展，空中交通密度日增，需要在傳統的ATC的基礎上提供飛行員的一種可靠的、機動的防碰撞措施，以提高空中交通的安全性。TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System）是一種機載空中交通防撞系統，是以二次監視雷達SSR為基礎，在1030MHz/1090MHz的頻率上采用飛機之間的問答方式獲得飛機之間的距離、高度等信息，來判斷飛機之間是否會發生沖突威脅或者碰撞威脅，從而實現對鄰近飛機的監視和防止碰撞。

2.3.1 TCAS系統組成

TCAS系統由以下幾個功能模塊組成：詢問編碼模塊、應答譯碼模塊、中央處理模塊、S摸式應答機四個功能模塊組成。

TCAS系統組成框圖中央處理單元主要負責TCAS咨詢、啟動詢問模式、接收應答譯碼上報的目標信息以及在TCAS相互協調時控制S模式的應答信息；

詢問編碼模塊主要的任務是負責發出詢問信息，包括C/ S的全呼詢問以及S模式的點呼詢問，詢問編碼完成后將編碼信息通過定向天線發出；

應答譯碼模塊需要對對接收到的模式S/A/C進行譯碼，并生成報表信息（包括檢測到目標的距離、方位、高度信息）上傳中央處理單元；

S模式應答機的前端有收發天線，用于接收A/C/S模式詢問并進行應答。

2.3.2 組合監視防撞系統

由于TCAS和ADS-B系統同在1030、1090MHz頻段工作，TCAS可以利用ADS-B的廣播信息直接獲取目標飛機的位置和速度，而不需要對應答機進行詢問，所以降低TCAS的詢問重復頻率，減少無線電干擾，在保持TCAS基本防撞功能的基礎上，還提高了監視精度。

該組合監視技術是將ADS-B信息融入TCAS設備，充分利用現有的成熟的監視技術，該系統監視范圍可分為兩個區域；

a）ADS-B獨立監視區域，從ADS-B監視范圍以內到TCAS系統監視范圍以外。

處在ADS-B獨立監視區域的飛機，直接收該區域目標飛機的ADS-B廣播信息，進行狀態估計和航跡預測 。

b）TCAS和ADS-B組合監視區域，TCAS監視范圍以內。

其中TCAS和ADS-B組合監視區域又可分為兩部分。當被監視目標飛機進入組合監視區域時，在TCAS監視范圍到警戒區之間，TCAS首先執行低頻率的主動詢問；當入侵飛機進入警戒區后，TCAS將恢復到每秒一次的完全主動詢問。

三、結束語

本文闡述了應答機在我國直升機上的應用現狀，引出廣播式自相關監視技術和防撞系統的在直升機上的應用需求，并提出在直升機上應用ADS-B系統的具體方法，該方法在改變機上現有的應答機硬件配套基礎上，實現向外部廣播ADS-B報文信息。并論述了在直升機上應用TCAS和ADS-B組合監視的思想， 增加機載監視范圍，增強了防撞功能。

但該組合監視系統還存在一些不足，其中一個主要的問題是接收到的ADS-B廣播中有很多信息是防撞系統不需要的，這樣將增加頻帶的使用，減少有用信息的傳頌量和速率。所以在今后的研究中要解決的問題是如何使TCAS系統只接收到對防撞系統有用的ADS-B信息。

參 考 文 獻

[1] 張軍，《現代空中交通管理》，北京航空航天大學出版社，2005.9；[1] 山秀明，航空二次雷達.國防工業出版社[M]；

[2] 何桂萍，基于TCASⅡ和ADS-B的組合監視防撞系統研究，2011.4；

[3] 方音，S模式ADS-B系統[J]，航空電子技術，1999年4期，25-31