監(jiān)視技術(shù)在直升機(jī)上的應(yīng)用

楊陽(yáng)

【摘要】 為了給傳統(tǒng)雷達(dá)無(wú)法覆蓋區(qū)域提供監(jiān)視，并有效地保持空中航空器的最小安全間隔，本文根據(jù)我國(guó)直升機(jī)應(yīng)答機(jī)裝機(jī)現(xiàn)狀，論述了廣播式自相關(guān)監(jiān)視技術(shù)和空中交通警戒防撞系統(tǒng)的在直升機(jī)上的應(yīng)用需求，并提出了實(shí)際應(yīng)用方案。該技術(shù)具有精度誤差小、監(jiān)視能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)，有效的解決和避免了傳統(tǒng)的二次雷達(dá)和機(jī)載應(yīng)答機(jī)之間詢問(wèn)應(yīng)答式監(jiān)管的種種弊端，未來(lái)必將成為空管監(jiān)視的主要手段。

【關(guān)鍵詞】 應(yīng)答機(jī) 廣播式自相關(guān)監(jiān)視技術(shù) 空中交通警戒防撞系統(tǒng)。

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(yīng)答機(jī)是直升機(jī)必須裝備的機(jī)載通信設(shè)備，用于向地面站報(bào)告本機(jī)信息，保障飛行安全，中國(guó)研發(fā)的直升機(jī)大部分都裝備的是S模式應(yīng)答機(jī)。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)是以廣播的形式將本機(jī)的方位、速度，本機(jī)S模式地址以及高度等信息以約每0.5s一次的頻率發(fā)送給附近的飛機(jī)以及地面站，提示附近飛機(jī)進(jìn)行避讓的一種防撞方法，ADS-B技術(shù)可以通過(guò)S模式應(yīng)答機(jī)實(shí)現(xiàn)，可以有效的保障飛行安全。

空中交通警戒防撞系統(tǒng)（Traffic Alert and Collision Avoidance System ，簡(jiǎn)稱TACS）是以二次監(jiān)視雷達(dá)SSR為基礎(chǔ)，在1030MHz/1090MHz的頻率上采用飛機(jī)之間的問(wèn)答方式獲得飛機(jī)之間的距離、高度等信息，來(lái)判斷飛機(jī)之間是否會(huì)發(fā)生沖突威脅或者碰撞威脅，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近飛機(jī)的監(jiān)視和防止碰撞。

二、直升機(jī)上的監(jiān)視技術(shù)

2.1 A/C/S模式應(yīng)答機(jī)

目前中國(guó)研發(fā)的直升機(jī)裝備的應(yīng)答機(jī)大部分都支持S模式詢問(wèn)功能，S模式（兼容A/C模式）應(yīng)答機(jī)代碼容量是A/ C模式的4千多倍，每架直升機(jī)分配有唯一的地址，應(yīng)答機(jī)接收地面二次雷達(dá)發(fā)出的詢問(wèn)信號(hào)后，發(fā)出帶有載機(jī)代碼、地址、高度等信息給地面二次雷達(dá)。

應(yīng)答機(jī)在良好的飛行環(huán)境下可以保障通信暢通，應(yīng)答穩(wěn)定，一旦飛行條件惡劣，如飛行區(qū)域山脈蜿蜒，建筑物高聳，很難保證應(yīng)答效率。如某型民用直升機(jī)在試飛過(guò)程中應(yīng)答效率低，在500-1000米飛行高度時(shí)應(yīng)答信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，在3000米高度背臺(tái)飛行時(shí)信號(hào)丟失頻繁，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)此故障現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試分析，分析過(guò)程及結(jié)論如下：

a）地面雷達(dá)顯示屏上應(yīng)答數(shù)據(jù)在某時(shí)段丟失，并且數(shù)據(jù)丟失時(shí)間超過(guò)20s；

1.觀察分析直升機(jī)的試飛線路

結(jié)論：在地圖上分析試飛線路得出直升機(jī)在爬升過(guò)程中會(huì)受機(jī)場(chǎng)周圍的山體遮擋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

2.分析應(yīng)答機(jī)的試飛應(yīng)答數(shù)據(jù)

結(jié)論：飛行過(guò)程中應(yīng)答機(jī)在某些時(shí)段未收到詢問(wèn)信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)應(yīng)答數(shù)據(jù)，二次雷達(dá)盲區(qū)內(nèi)應(yīng)答機(jī)無(wú)法完成應(yīng)答。

3.根據(jù)應(yīng)答機(jī)天線周圍環(huán)境做電磁兼容仿真分析

結(jié)論：應(yīng)答機(jī)天線安裝在機(jī)頭底部蒙皮，根據(jù)電磁兼容仿真結(jié)果，天線方向圖在水平面右側(cè)方向出現(xiàn)較大凹陷，不滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)布局優(yōu)化減少天線輻射在某一方向上的衰減，提高應(yīng)答穩(wěn)定性。

b）應(yīng)答機(jī)最大試飛作用距離為120Km，不符合148Km作用距離指標(biāo)。

1.測(cè)試機(jī)上射頻電纜長(zhǎng)度及衰減；

結(jié)論：應(yīng)答機(jī)射頻電纜實(shí)測(cè)為11米長(zhǎng)衰減為3dB，通過(guò)優(yōu)化布線、提高電纜傳傳輸性能，改進(jìn)后射頻電纜為8.5米長(zhǎng)衰減為1.2dB。試飛結(jié)果表明提高射頻電纜指標(biāo)后，應(yīng)答機(jī)通信性能提高。

2.天線端口測(cè)試應(yīng)答機(jī)發(fā)射功率；

結(jié)論：通過(guò)調(diào)整設(shè)備內(nèi)部收發(fā)模塊功放器件、電源模塊輸出等，測(cè)試應(yīng)答機(jī)發(fā)射功率由原來(lái)的160W提高到260W；應(yīng)答機(jī)發(fā)射功率提高后直升機(jī)在試飛過(guò)程中應(yīng)答機(jī)通信效果穩(wěn)定，作用距離達(dá)標(biāo)。

2.2自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）是國(guó)際民航組織ICAO正在推廣的集通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和監(jiān)視技術(shù)于一體的新一代技術(shù)，ADS-B系統(tǒng)由多地面站和機(jī)載站構(gòu)成，通過(guò)飛機(jī)對(duì)外廣播其位置、速度、經(jīng)緯度等信息，并接受其他飛機(jī)的廣播消息，達(dá)到飛機(jī)見(jiàn)的相互感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊空域交通狀況全面、詳細(xì)的了解。

ADS-B系統(tǒng)在雷達(dá)覆蓋區(qū)域，將作為雷達(dá)監(jiān)視手段的有效補(bǔ)充，對(duì)其校準(zhǔn)或補(bǔ)盲；在非雷達(dá)覆蓋區(qū)域，將成為一種獨(dú)立的監(jiān)視手段。該技術(shù)與傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，具有監(jiān)視精度高、距離遠(yuǎn)、價(jià)格低、易于安裝等明顯優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)大部分直升機(jī)機(jī)型，使應(yīng)答機(jī)與機(jī)上組合導(dǎo)航系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)等交聯(lián)，采集本機(jī)實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度、氣壓高度、真航向、磁航向、地速、升降狀態(tài)、北京時(shí)間等導(dǎo)航信息，經(jīng)應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)將這些信號(hào)格式轉(zhuǎn)換為適應(yīng)應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，由應(yīng)答機(jī)天線下發(fā)至地面ADS-B接收站或其他配裝ADS-B-IN的飛機(jī)。通過(guò)這種方式可以在短時(shí)間內(nèi)以低成本的方式將我國(guó)直升機(jī)打造成具有ADS-B OUT功能的飛機(jī)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)空管監(jiān)視技術(shù)起加速推廣作用。

2.3空中交通警戒防撞系統(tǒng)（TCAS）

隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，空中交通密度日增，需要在傳統(tǒng)的ATC的基礎(chǔ)上提供飛行員的一種可靠的、機(jī)動(dòng)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(jī)載空中交通防撞系統(tǒng)，是以二次監(jiān)視雷達(dá)SSR為基礎(chǔ)，在1030MHz/1090MHz的頻率上采用飛機(jī)之間的問(wèn)答方式獲得飛機(jī)之間的距離、高度等信息，來(lái)判斷飛機(jī)之間是否會(huì)發(fā)生沖突威脅或者碰撞威脅，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近飛機(jī)的監(jiān)視和防止碰撞。

2.3.1 TCAS系統(tǒng)組成

TCAS系統(tǒng)由以下幾個(gè)功能模塊組成：詢問(wèn)編碼模塊、應(yīng)答譯碼模塊、中央處理模塊、S摸式應(yīng)答機(jī)四個(gè)功能模塊組成。

TCAS系統(tǒng)組成框圖中央處理單元主要負(fù)責(zé)TCAS咨詢、啟動(dòng)詢問(wèn)模式、接收應(yīng)答譯碼上報(bào)的目標(biāo)信息以及在TCAS相互協(xié)調(diào)時(shí)控制S模式的應(yīng)答信息；

詢問(wèn)編碼模塊主要的任務(wù)是負(fù)責(zé)發(fā)出詢問(wèn)信息，包括C/ S的全呼詢問(wèn)以及S模式的點(diǎn)呼詢問(wèn)，詢問(wèn)編碼完成后將編碼信息通過(guò)定向天線發(fā)出；

應(yīng)答譯碼模塊需要對(duì)對(duì)接收到的模式S/A/C進(jìn)行譯碼，并生成報(bào)表信息（包括檢測(cè)到目標(biāo)的距離、方位、高度信息）上傳中央處理單元；

S模式應(yīng)答機(jī)的前端有收發(fā)天線，用于接收A/C/S模式詢問(wèn)并進(jìn)行應(yīng)答。

2.3.2 組合監(jiān)視防撞系統(tǒng)

由于TCAS和ADS-B系統(tǒng)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(biāo)飛機(jī)的位置和速度，而不需要對(duì)應(yīng)答機(jī)進(jìn)行詢問(wèn)，所以降低TCAS的詢問(wèn)重復(fù)頻率，減少無(wú)線電干擾，在保持TCAS基本防撞功能的基礎(chǔ)上，還提高了監(jiān)視精度。

該組合監(jiān)視技術(shù)是將ADS-B信息融入TCAS設(shè)備，充分利用現(xiàn)有的成熟的監(jiān)視技術(shù)，該系統(tǒng)監(jiān)視范圍可分為兩個(gè)區(qū)域；

a）ADS-B獨(dú)立監(jiān)視區(qū)域，從ADS-B監(jiān)視范圍以內(nèi)到TCAS系統(tǒng)監(jiān)視范圍以外。

處在ADS-B獨(dú)立監(jiān)視區(qū)域的飛機(jī)，直接收該區(qū)域目標(biāo)飛機(jī)的ADS-B廣播信息，進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和航跡預(yù)測(cè) 。

b）TCAS和ADS-B組合監(jiān)視區(qū)域，TCAS監(jiān)視范圍以內(nèi)。

其中TCAS和ADS-B組合監(jiān)視區(qū)域又可分為兩部分。當(dāng)被監(jiān)視目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)入組合監(jiān)視區(qū)域時(shí)，在TCAS監(jiān)視范圍到警戒區(qū)之間，TCAS首先執(zhí)行低頻率的主動(dòng)詢問(wèn)；當(dāng)入侵飛機(jī)進(jìn)入警戒區(qū)后，TCAS將恢復(fù)到每秒一次的完全主動(dòng)詢問(wèn)。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了應(yīng)答機(jī)在我國(guó)直升機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，引出廣播式自相關(guān)監(jiān)視技術(shù)和防撞系統(tǒng)的在直升機(jī)上的應(yīng)用需求，并提出在直升機(jī)上應(yīng)用ADS-B系統(tǒng)的具體方法，該方法在改變機(jī)上現(xiàn)有的應(yīng)答機(jī)硬件配套基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)向外部廣播ADS-B報(bào)文信息。并論述了在直升機(jī)上應(yīng)用TCAS和ADS-B組合監(jiān)視的思想， 增加機(jī)載監(jiān)視范圍，增強(qiáng)了防撞功能。

但該組合監(jiān)視系統(tǒng)還存在一些不足，其中一個(gè)主要的問(wèn)題是接收到的ADS-B廣播中有很多信息是防撞系統(tǒng)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(wèn)題是如何使TCAS系統(tǒng)只接收到對(duì)防撞系統(tǒng)有用的ADS-B信息。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張軍，《現(xiàn)代空中交通管理》，北京航空航天大學(xué)出版社，2005.9；[1] 山秀明，航空二次雷達(dá).國(guó)防工業(yè)出版社[M]；

[2] 何桂萍，基于TCASⅡ和ADS-B的組合監(jiān)視防撞系統(tǒng)研究，2011.4；

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