增強型近地告警系統在國內直升機上的應用研究

谷小樂 陳玲

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增強型近地告警系統在國內直升機上的應用研究

谷小樂 陳玲

航空工業直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001

增強型近地告警系統是為了幫助飛行員避免可控飛行觸地（CFIT）事故而研究的航空電子設備。在國外直升機上已有應用，但在國內直升機上并未使用。通過研究增強型近地告警系統的技術和使用要求，結合國內直升機的應用環境，從告警包絡算法、近地告警和雷達、光電等傳感器信息融合技術等方面，給出近地告警關鍵技術的解決方法，為將來在國內直升機上的應用提供指導。

增強型近地告警；直升機；告警包絡算法；信息融合

1 概述

增強型近地告警系統簡稱EGPWS（Enhanced Ground Proximity Warning System）是利用目視和音響告警形式進行地形提示來防止可控飛行觸地的設備[1]。根據國際飛行安全基金會的統計，CFIT（Controlled Flight Into Terrain）事故是影響飛行安全的禍首。圖1為美國1994—2004年間直升機事故原因統計圖，從圖中可以看出，排在前三位的原因分別是與高壓線/障礙物相撞、夜間及不良目視條件下的飛行撞地、日間目視條件下的飛行撞地。

為減少CFIT 事故發生，EGPWS已普遍加裝在固定翼飛機上，國外直升機上也有加裝，但在國內直升機上尚未應用，主要是由于直升機具有飛行速度慢、機動性強、起降點較為靈活等特點，安裝的必要性并不突出。隨著國內直升機的快速發展，對安全性要求的提升，安裝EGPWS已成為今后的趨勢。

1.1 EGPWS介紹

EGPWS接收機上各種傳感器數據，并與地形數據庫結合，通過對傳感器數據的評估和對飛行軌跡的預測來判斷飛機是否存在撞地危險。

圖1 美國1994—2004年直升機事故原因統計（引自FAA飛行事故數據庫）

按不同的飛行狀態，可分為以下幾種警告模式[2]。

（1）模式 l——過大的下降率；（2）模式2——過大的地形接近率；（3）模式3——起飛或復飛后掉高度太多；（4）模式4——不在著陸形態時的不安全越障高度（地形凈空高度不夠）；（5）模式5——進近時低于下滑道太多；（6）模式6——飛機下降通過無線電高度表上預定高度時的語音報數；（7）模式7——風切變警告（選裝特性）；（8）模型8——過大傾斜角告警功能；（9）模型9——尾部撞擊告警功能；（10）模型10——前視地形回避告警功能。

1.2 EGPWS的工作原理

EGPWS采集直升機上的相關飛行數據及綜合處理顯示單元的控制信號，經過數據變換和濾波處理后將信號送往數據庫預處理單元和告警模型運算單元，數據庫預處理單元根據本機當前的位置和磁航向等信息讀取數據庫中的有關信息，進行解密和解壓縮等處理后，提供給告警模型運算單元，同時輸出地形信息。

告警模型運算單元根據本機信息和讀取的數據庫數據，運行告警模型算法，當觸發告警邊界時輸出當前最高優先級的告警信號，輸出語音告警信號給音頻控制器，同時輸出告警信號給飛參系統記錄。

EGPWS工作原理框圖見圖2。

圖2 EGPWS工作原理框圖

2 增強型近地告警在國內直升機上的解決方案

2.1 與機上的交聯接口

EGPWS的安裝，機上需提供無線電高度、大氣、導航等數據，EGPWS通過數據總線接收大氣計算機發送的氣壓數據、無線電高度表發送的無線電高度數據、組合導航系統發送的經緯度、航向等導航數據、綜顯系統發送的顯示控制數據，并經過EGPWS處理器進行數據處理解算，輸出地形信息通過視頻接口至綜合顯示處理單元進行顯示，同時輸出語音告警信號至音頻控制器。

圖3 EGPWS與機上的交聯

2.1.1 輸入數據

外部接收的飛機飛行信息包括無線電高度、組合導航數據（GPS信息、慣導或航姿信息）大氣數據計算機信息等，具體的信息內容見表1。

表1 EGPWS接收數據

2.1.2 輸出數據

輸出包括地形綜合顯示視頻輸出、告警提示信息輸出及告警語音輸出。輸出交聯設備包括綜顯系統、告警燈及音頻控制器（具體如表2所示）。

表2 EGPWS發送數據

2.2 關鍵技術及解決方案

EGPWS在國內直升機上應用需突破告警包絡算法[3]，近地告警系統和雷達、光電等多傳感器數據融合上的關鍵技術。

2.2.1 告警包絡算法及其驗證

直升機告警包絡設計直接影響告警的準確性。目前國內直升機近地告警包絡的設計主要依據民航標準RTCA/DO-309、TSO-151B以及TSO-194對直升機地形感知與告警系統的最低性能要求，同時參考國外民用裝機產品的告警包絡進行設計，在固定翼飛機上國內EGPWS的告警包絡已有試飛驗證[5]，在國內直升機上未有應用。

國外Honeywell 公司的MKXXII產品為EGPWS的典型產品，若應用國內直升機上，告警包絡需要結合國內相應直升機型號的飛行特性和任務特性進行配置，并將告警算法在直升機仿真驗證平臺上進行高逼真度的飛行仿真來驗證告警包絡。

根據第2節提到的警告模式，結合告警包絡線，可在直升機仿真驗證平臺上分別進行驗證。考慮試驗效果，在驗證之前可適當調大告警敏感閾值。

（1）過大下沉速率告警驗證

直升機在空曠地形上空懸停，直升機使其加速（加速度值）垂直下降飛行，當出現“拉起”告警后，立即拉起直升機爬升至安全高度，其飛行示意圖見圖4。

（2）過大近地速率告警驗證

直升機在預定高度（略高于預定山地最高峰）以一定速度向最高山峰水平飛行，當出現“拉起”告警后，立即拉起直升機左（或右）爬升至安全高度，其飛行示意圖見圖5。

（3）起飛后掉高度告警驗證

直升機離地起飛后，收起起落架。在一定高度時，調整直升機，使其下降飛行，當出現“拉起”告警后，立即拉起飛機爬升至安全高度，其飛行剖面見圖6。

（4）非安全離地高度告警驗證

直升機在平坦地形上空（高度值500?m）平飛，以10?m/s速度下降，當出現“太低地形”告警后，立即拉起飛機爬升至安全高度，其飛行示意圖見圖4。

圖4 過大下沉速率告警飛行示意圖

圖5 過大近地速率告警飛行示意圖

圖6 起飛后掉高度告警飛行示意圖

（5）過大下滑道偏差告警驗證

直升機進行進場著陸飛行。調整直升機使之在選定的下滑道以下飛行，當出現“拉起”告警后，操縱飛機沿下滑道正常降落，其飛行剖面見圖7。

（6）高度呼叫驗證

設定指定高度200?m（可根據實際情況調節安全高度），直升機在平坦地形上空（高度值300?m）平飛，以5?m/s速度向下穿越200?m時向飛行員發出高度提醒，輸出對應的“高度200?m”語音，立即拉起飛機爬升至安全高度，其飛行示意圖見圖4。

（7）過大傾斜角告警驗證

直升機在平坦地形上空（高度值100?m）平飛，以55°橫滾角轉彎，當出現“過大傾斜角”告警后，立即減小角度飛行。

圖7 過大下滑道偏差告警飛行示意圖

（8）尾部撞擊告警驗證

尾部撞擊告警，防止飛機尾部太低撞擊地面或障礙物。該告警模式根據無線電高度、俯仰角、俯仰速度及氣壓高度變化率信號，來判斷飛機是否會產生尾部撞擊地面或障礙物的情況，向飛行員發出提醒信號。

直升機在平坦地形離地（高度值10?m，高度值設定實際考慮直升機機身長度）空中懸停，調整直升機姿態以50°俯仰角懸停，當出現“太低，尾部”告警后，立即減小角度，其飛行示意圖見圖8。

圖8 尾部撞擊告警飛行示意圖

（9）前視地形回避告警驗證

操縱直升機以巡航狀態以略高于前方預定山峰的高度水平飛行。當出現“注意，障礙物”告警后，然后拉起飛機至安全高度，其飛行剖面見圖5。

2.2.2 EGPWS和雷達、光電等多傳感器數據融合

直升機EGPWS地形、障礙物告警功能主要依賴地形數據庫，可靠安全的地形數據庫是EGPWS功能的基礎。地形數據庫包括地形、障礙物、高壓線、機場等信息。國外杰普遜（Jeppesen）數據庫的數據更新快，數據準確，如Honeywell等公司還研制了適應于直升機的低空數據庫；而國內，地形數據庫中低障礙物和高壓線數據不全或缺失，且無商業機構負責數據庫更新，EGPWS的應用受到較大的限制。

因此，EGPWS需要和雷達、光電等多傳感器數據融合，直升機上安裝的雷達、光電設備主動探測的地形、障礙物圖像同EGPWS地形數據進行信息融合處理，能彌補地形數據庫不全或者不夠準確的缺陷，進一步提高地形告警的性能。

以下給出雷達、紅外與EGPWS的數字地圖地形融合的解決步驟（見圖9）。

（1）根據EGPWS數據庫地圖精度，提取出地形網格。

（2）雷達探測地形坐標變換至地形網格中；紅外探測數據采用系統偏差校正、統一地理坐標框架、重投影的空間配準策略。

（3）將多次雷達/紅外探測地形加權積累，提高精度。

（4）達/紅外探測數據和地形網格融合，雷達/紅外未探測的地形用數字地形數據填充。

圖9 雷達與EGPWS地形融合

氣象雷達、毫米波雷達對地形進行掃描，對回波信息處理并建立地形與障礙物的3D模型。同時，紅外成像系統利用紅外傳感器“穿透大氣”的探測能力，獲取外景清晰的圖像。將所獲所有傳感器的地形數據建立環境動態數據庫，與EGPWS的數字地圖地形庫進行融合和處理，實現3D地形場景重構，并產生實時高精度的地形信息，用以精確防撞，如圖10所示。

3 結束語

本文從近地告警系統的介紹和增強型近地告警系統的原理出發，給出了增強型近地告警系統在國內直升機上的安裝接口要求，并通過對告警算法、綜合近地告警系統信息融合技術關鍵技術的闡述，給出了國內直升機上安裝增強型近地告警系統的解決方案，為今后國內直升機上安裝增強型近地告警系統提供理論基礎。

圖10 多數據融合顯示

[1]劉儀. 防范可控飛行撞地事故的最新進展[J]. 國際航空，2001（12）：41-42.

[2]劉連生，陳戴維. 增強型近地警告系統的特性及實現[J]. 中國民航大學學報，2007，25（s1）：120-121.

[3]周成中，陸洋. 直升機前視地形告警算法研究[J]. 飛行力學，2016，34（3）：30-33.

[4]Honeywell：Mk_XXII_EGPWS，P-N_965-1590-XXX，1995：43-69[Z].

[5]楊劍，曹紅旗，李靖.近地告警系統飛行試驗技術[J].航空電子技術，2010，41（3）：41-45.

Application of Enhanced Ground Proximity Warning System on Domestic Helicopters

Gu Xiaole Chen Ling

China Helicopter Research and Devlopment Institute, Jiangxi Jingdezhen 333001

EGPWS is a avionics device designed to help pilots avoid CFIT.It has been used on foreign helicopters but not on domestic helicopters. Considering the alarm algorithm and data fusion which combines EGPWS and radar, the paper studies the technology and requirements and combines the application environment of domestic helicopters to provide guidance to the application of GPWS on domestic helicopters in the future.

EGPWS; helicopter;alarm algorithms; data fusion

V243

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