直升機防撞線主動預警系統

孫偉 賈若

摘要

直升機撞高壓線一直是直升機超低空飛行中面臨的一大難題與電線相碰撞可能會導致嚴重的后果，最近幾年在國內發生了多起直升機撞線事故，造成人員傷亡。直升機超低空作業時需要在不同的能見度下進行近地飛行，因此無法完全消除由于線纜及其他障礙物而帶來的危害。

【關鍵詞】直升機防撞線 主動預警 系統

1 直升機防撞線主動預警系統總體框架

位于航管中心的計算機組或位于直升機上的單片機芯片，主要完成數據處理，參數預設與存儲，算法運行，產生各種控制信號。位于直升機端的GPS或北斗衛星天線用于產生直升機實時經緯度信息，高度表用于產生直升機實時的高度信息，接收終端用于接收航管中心的計算機組或單片機發送的告警信號。

2 工作原理及實現方法

2.1 防撞線系統的原理

以經度緯度和高度構建三維坐標系，將高壓線纜或登山索道的端點A、B坐標值（x₁y₁z₁，x₂y₂z₂）輸入計算機組，那么直線AB方向向量為1，m，n;1=x₁-x₂，m=y₁-y₂，n=z₁-z₂三維直線方程可以表示為假設直升機實時坐標為P（x₀y₀z₀）這樣直升機距離直線AB的距離就可以用公式計算出來另外計算點PA、PB之間的距離如果p點在地面的投影位于矩形（x₁，y₁）（x₁，y₂）（x₂，y₂）（x₂，y₁）內，點到線段AB的最短距離d=d₀。否則最短距離為d_A、d_B中最小值。當d小于預警距離D時，計算機組產生射頻信號發送給目標直升機起到告警作用。

2.2 算法優化

因為實際生活中，不只有一條線纜或一架直升機，一條線纜在高度或經緯度發生變化時就會變成多段直線相連成的折線。假如有十架直升機飛行，有三條高壓線，每條高壓線分為十段，則計算機組需要同時計算300組公式，得出結果（d₁、d₂、d₃…d₃₀₀）分別與安全距離D比較。一條高壓線纜與一架直升機最近的點只有一個，距離最近的直線段也只有一個，用全部的線段計算距離是沒必要的。下面區分兩種情況進行描述。

（1）首先假設有一架直升機和一條線纜，直升機實時坐標為P（x₀y₀z₀），電纜分為十段：L₁、L₂、L₃…L₁₀。軟件初始運行時計算所有十條線段與點P的距離（d₁、d₂、d₃…d₁₀），數值最短代表直升機與相應段線纜距離最近。假設d₂最小，保留L₂的持續計算，這里面又分三種情況：P點接近L₂、P點遠離L₂、P點與L₂平行運動。對應上述數學模型分別設t₁、t₂，t₁表示上一時間值、t₂表示當前時間值。用d_2t1與d_2t2比較，d_2t1>d_2t2說明點P在靠近線段L₂、d_2t12t2說明點P在遠離線段L₂、d_wt1=d_2t2說明點P在與線段L₂平行運動。當點靠近線段時，只需計算該線段與點之間的距離，其他兩種情況則須計算整條高壓線所有線段與點的距離。用同樣的方法計算出點P在向哪條線段靠近，從而簡化計算量。

（2）假設有三條高壓線，每條線分為十條線段。初始計算時同時計算出這30條線段與點P（x₀y₀z₀）的距離，分別取出三個最小值其中表示第3條電纜的第7段。同樣道理直升機飛行中沒必要與這3條電纜實時進行計算，可以預設一安全計算距離例如為告警距離的三倍即3D，則當時，每2秒計算一次第三條電纜十段線段與點P（x₀y₀vz₀）的距離，直至第三條電纜與點的最短距離小于3D，則轉入第一種情形進行計算。

出于對飛行安全性能的考慮，如果兩段線纜（1₁、1₃）在地面投影相交，則將兩段線段編為一組，即1₁處于計算狀態，1₃也處于計算狀態，這樣可以避免直升機在上下兩條線纜之間穿過時預警時間過短的弊端。

3 計算機組系統與機載單片機系統的優劣分析

（1）計算機組運行速度快，可以滿足整個通航機場所有直升機運行的防撞預警需求，集成化程度高，可以免去對直升機過多的改裝，直升機端只需加裝機載型或手持性接收終端，其余設備集中在航空管制中心。計算機組的缺點也是比較明顯的，比如成本較高、大數據量長時間運行對計算機組硬件的要求較高，計算機可能受網絡攻擊、病毒影響、電力供應、周期維護等因素影響引起計算意外中斷，進而造成所有的直升機防撞安全出現空檔期。比較穩妥的解決辦法是在航管中心設置兩套或更多的相互獨立的計算機組，并行運算，只要有一組計算機計算結果符合告警要求并發射射頻信號，位于直升機端的接受設備就認定直升機危險接近高壓線纜或索道，從而發出告警信號提醒飛行人員。

（2）直升機載型單片機的優點是體積小、重量輕，成本低，不會受到操作系統、網絡病毒的影響，運行穩定。供電方面采用直升機電源直接供電，只要直升機電力系統能正常運轉就不會影響系統運行。直升機載型單片機系統采用機上電源供電還有一個優點就是該單片機只為本架直升機服務，只在本機飛行時工作，可以利用空閑時間檢修。單片機系統在算法上只需計算本機防撞情況，運行負荷相對較小。由于單片機系統所有設備均為機載型，信號傳輸為有限方式傳輸，信號傳遞穩定，不因山體、高大建筑物遮擋而受影響。單片機系統也有不足之處，一是單片機發生運算死循環或其他錯誤時，本機防撞線安全預警功能將完全喪失。二是在直升機上加裝設備的申請程序復雜，需要考慮系統重量、對重心的影響、對電能負荷的增加、與機上其他設備的交聯關系、電磁干擾對數據傳輸的影響。針對上述缺點可以在單片機上加裝看門狗防止死機，加裝自檢測和周期檢測功能增強單片機系統的穩定性。至于對直升機整體性能和相關航電設備的影響，可以充分論證的基礎上集中報批。

4 結論

經過優化，直升機防撞線主動預警系統可以為低空飛行器尤其是直升機安全飛行提供主動預警功能，預警時間可達5-10秒，能夠有效降低直升機撞擊高壓線、高空纜車線和其他不易探測的固定線纜的事故率。而且各機場可以根據自身條件、需求選擇計算機組型系統或直升機載型單片機系統。