高等級模擬機空中交通警告與防撞系統仿真技術研究

孔令帥 段坷 姚瑤

摘 要：基于不同的高等級模擬機空中交通警告與防撞系統（Traffic Alert and Collision Avoidance System，TCAS）沖突訓練科目，抽象出飛行過程中十種典型入侵飛機模型，模擬空中可能出現的交通沖突，建立入侵飛機方位、高度、速度等參數的通用仿真計算算法，實現入侵飛機的動態模擬，并解算入侵飛機經緯度、絕對高度等信息用于視景系統顯示。建立應答機仿真模型，模擬通過應答機詢問獲取入侵飛機識別碼及高度信息的過程，然后根據獲取的入侵飛機的位置、高度等參數，推測最接近點（Closest Point of Approach，CPA）及到達最接近點的時間，結合本機當前飛行高度及TCAS靈敏度，實現入侵目標威脅等級判斷。當出現決策建議（Resolution Advisory，RA）級別沖突時，解脫決策算法給出解脫建議，最終輸出入侵目標的信息和沖突解脫決策到指示記錄系統仿真界面，實現交通信息提示和解脫建議的顯示。經驗證，仿真模型正確模擬機載TCAS系統工作邏輯，入侵目標的仿真計算可有效模擬空中出現的交通沖突、威脅等級判斷及解脫建議算法，可滿足模擬訓練要求。

關鍵詞：高等級模擬機;TCAS仿真;入侵目標仿真;威脅等級判斷;解脫建議

中圖分類號：V328

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048（2020）06-0097-06

0 引? 言

隨著空中航路越來越繁忙，空中交通出現沖突的情況越來越多。為保障飛行安全，空中交通警告與防撞系統（TCAS）的作用越發重要[1-2]。TCAS是民用客機的重要組成部分，通過詢問空中附近飛機的交通狀況，識別和預測潛在撞擊的危險[1，3-4]。當發生交通沖突時，觸發垂直速度指令，以避免相撞，同時產生視覺和聽覺的警告信息，并將這些信息提供給座艙顯示和語音系統[5]。飛行員在實際飛行中不可能有練習使用 TCAS 的機會[6]，因此，在模擬機上和其他仿真訓練系統上進行TCAS訓練就顯得很重要。在高等級模擬機（C級/D級）中，TCAS訓練已成為固定的訓練科目[7]。因此，在高等級模擬機中，如何逼真地模擬空中交通環境以滿足Traffic Advisory （TA）和Resolution Advisory（RA）決策訓練至關重要。

本文針對高等級模擬機訓練需求仿真空中交通環境，建立入侵飛機的數學模型，由綜合控制臺設置加載入侵飛機的命令，使其按照一定的方位、高度、速度接近本機，同時，通過軟件仿真的方式模擬某型國產大型客機機載TCAS系統，模擬其不同工作模式，按照TCAS的避撞算法[8]解算入侵飛機的CPA距離、CPA時間、高度、方位，進而判斷威脅級別及相應決策信息，并將入侵飛機參數和告警信息輸出給指示記錄系統仿真軟件，實現交通信息顯示。

1 系統組成及工作原理

TCAS仿真軟件分為入侵目標仿真模塊、TCAS工作模式仿真模塊、沖突檢測及避撞決策模塊、交通告警信息輸出模塊、Transponder（XPDR）應答機仿真模塊。系統組成如圖1所示。

TCAS仿真系統工作原理如圖2所示。綜合控制臺（Instructor Operating Station，IOS）設置入侵目標的激活指令，由入侵目標仿真模塊進行響應模擬解算場景中可能出現的入侵飛機。TCAS工作模式仿真模塊接收調諧控制板（Tuning Control Panel，TCP）設置的工作模式、高度層選擇、高度顯示模式等相關控制指令，控制TCAS的工作模式。XPDR應答機仿真模塊結合入侵目標仿真模塊的解算結果，模擬通過應答機獲取入侵飛機識別碼、高度等信息[9]，將入侵目標經緯度、高度信息輸出至沖突檢測避撞決策模塊。由該模塊判斷入侵飛機的威脅等級，并解算相應的解脫建議，最終交通告警信息輸出模塊結合TCAS當前工作模式和顯示模式輸出交通符號信息、建議的解脫方向及垂直速度[10]至指示記錄系統進行顯示。同時，XPDR應答機模塊還接收TCP設置的本機識別碼，響應IOS設置的ATC（Air Traffic Control）詢問指令，回報本機識別碼及當前高度信息至IOS進行顯示。

2 仿真模塊設計

2.1 入侵目標仿真

入侵目標仿真模塊根據接收的入侵目標激活指令信息，激活入侵目標，根據預設的十種入侵目標相對本機的初始相對距離、方位、相對高度、速率等信息，實時解算入侵目標相對本機的距離以及經緯度信息，將位置數據輸出至沖突檢測避撞決策模塊，同時輸出入侵目標位置信息給視景系統進行顯示。入侵激活指令信息以消息的形式進行接收，由綜合控制臺觸發。

針對訓練要求，提煉出十種典型入侵場景，包括TA、單機RA（Climb/Descend）、多機RA[11]等場景。采用逆向仿真的思路，首先確認TCAS將向飛行員輸出的RA決策，再采集本機當前的經緯度、航向、高度，實時調整入侵飛機的相對方位和航跡角，以保證預定的RA沖突一定會發生。

入侵目標的運動方式設定為勻速運動，但在多機沖突的情況下，為觸發進一步的RA決策[12]，存在對其中一架入侵目標的飛行速率進行調整的情況。入侵目標初始接近速率設計為300節、400節、500節，升降速率根據設計的RA場景在滿足一定條件（如：高度差）時觸發。場景不模擬入侵飛機主動做出航向避撞的動作情況[13-14]，故默認入侵飛機入侵軌跡為直線。

入侵飛機初始位置、航跡計算過程如下：

（1） 由本機航向角θT及教員選擇的入侵飛機方位角αIn，解算出入侵飛機航跡角θIn（根據機載TCAS接口數據要求，θIn值域為[-180，180））：

θIn=（θT+αIn）-180（1）

（2） 根據設定的入侵飛機的相對方位角αIn0、入侵飛機相對本機的水平距離D，計算激活時刻入侵飛機在地理北向、東向大地坐標系下的坐標（XIn0，YIn0）：

XIn0=Dcos（αIn0）YIn0=Dsin（αIn0） （2）

（3） 由入侵目標激活時刻本機經緯度（βT0，λT0）及入侵飛機的大地坐標（XIn0，YIn0），解算入侵飛機的初始經緯度（βIn0，λIn0）：

βIn0=XIn0×180/（π×REarth）+βT0λIn0=（YIn0×180）/（π×cos（βIn0×π/180）×REarth）+λT0 （3）

式中：π為圓周率;REarth為地球平均半徑。

（4） 入侵飛機初始絕對高度ZIn0通過讀取本機絕對高度ZT0以及設定的入侵高度差ΔZ計算得到，單位為ft：

ZIn0=ZT0+ΔZ（4）

入侵飛機激活后，其位置、高度等數據每個周期迭代計算，實時輸出至視景系統及指示記錄系統。

（5） 入侵飛機原點為（βIn0，λIn0）。根據入侵飛機的航跡角θln、地速Vg、升降速度Vv以及解算周期時間Δt，解算入侵飛機的實時經緯度變化量及高度變化量（ΔβIn，ΔλIn，ΔZIn）：

ΔβIn=Vg×sinθin×π180×Δt/REarth×cosβIn0×π180

ΔλIn=Vg×cosθin×π180×Δt/（REarth）ΔZIn=ZIn0+Vv×Δt （5）

（6） 根據入侵目標初始經緯度（βIn0，λIn0）以及經緯度變化量（ΔβIn，ΔλIn），得到入侵目標的實時位置：

βIn=ΔβIn×180/π+βIn0λIn=（ΔλIn×180）/π+λIn0 （6）

除設定的TA/RA入侵場景外，在教員臺上設定隨機交通的觸發，可更加逼真地模擬空中交通環境。隨機交通的入侵目標設置的距本機距離、航跡、相對高度均較大，無法觸發相應的TA/RA。當指示記錄系統選擇顯示其他交通符號時，可顯示在MAP頁面中。

2.2 TCAS工作模式仿真

TCAS工作模式仿真模塊接收TCP設置的TCAS調諧信息，判斷其中的TCAS工作模式，模擬Standby，TA Only，TA/RA三種工作模式，不同工作模式下輸出不同的模式通告信息。備用模式下，TCAS無法進行沖突檢測，輸出“TCAS OFF”模式通告信息;TA Only模式下，TCAS可正常進行沖突檢測，但無法提供決斷咨詢，所有RA級別的沖突都將顯示為TA，輸出“TA Only”模式通告信息;TA/RA模式下，可正常檢測TA和RA級別的沖突，并提供決斷咨詢和避撞決策，輸出“TFC”模式通告信息。TCAS工作模式仿真模塊流程如圖3所示。

2.3 沖突檢測及避撞決策模塊

沖突檢測避撞決策遵照RTCA DO-185協議[15-16]進行設計，模擬機載設備的靈敏度選擇、告警閾值的限定、避撞決策及沖突解脫過程。某型國產飛機TCAS的探測能力在水平方向上最大范圍為30～40 nm，在垂直高度上最大范圍為9 900 ft（在本機上方/下方9 900 ft），如圖4所示。

遵照DO-185協議，根據本機當前的飛行高度、速度等信息設置不同的TCAS靈敏度，靈敏度不同對應TA和RA告警的CPA時間不同。靈敏度等級越高，所需的安全距離越大，TA/RA的CPA時間閾值越大。具體的靈敏度要求以及對應的告警時間如表1所示。

TCAS仿真軟件根據當前探測到的入侵飛機的位置、高度、速度等信息，首先判斷是否進入臨近交通的水平（6 nm）和垂直（1 200 ft）范圍內，進而根據入侵航跡及本機航跡，推測CPA點[14，17]，從而解算CPA時間。結合本機當前狀態的告警時間閾值進行沖突判斷。CPA點如圖5所示。

根據入侵目標在本機機體坐標系下的相對坐標（xIn，yIn）、入侵飛機航跡角θIn，解算距離CPA點的距離DCPA：

DCPA=yln-xln×tanθln×π180（7）

假設入侵目標飛機為勻速運動，根據入侵飛機設定的地速Vg，CPA 時間則為

TCPA=DCPAVg（8）

根據飛機當前靈敏度下的CPA時間閾值及當前入侵目標的CPA時間，即可判斷出入侵目標的威脅等級。

避撞算法模型符合ATC管制規則要求[14，18-19]，根據當前的RA，采用觸發垂直機動的方式進行避撞[20]。根據入侵飛機的相對高度選擇機動方向，并依據入侵飛機的入侵速度選擇相應建議的垂直機動速度。本文研究的仿真算法可用于觸發“Traffic，Traffic”，“Climb，Climb”，“Descend，Descend”，“MaintainVertical Speed，Maintain Vertical Speed”，“Increase Climb，Increase Climb”，“Increase Descend，Increase Descend”等告警，不同決策下相應的垂直速度建議顯示在PFD頁面升降速度帶上，用于指示飛行員垂直機動。

交通告警輸出模塊根據接收的TCAS調諧信息中的顯示模式（ABOVE;NORMAL;BELOW）、高度顯示模式（相對高度、絕對高度），篩選當前顯示范圍內的入侵目標，并根據威脅等級進行輸出相應的告警信息至綜合顯控子系統，觸發視覺告警。根據避撞指令輸出相應語音標志給聲音系統，觸發聽覺告警，并將建議的垂直速度輸出給綜合顯控子系統，觸發垂直速度帶中的建議速度指示。交通告警輸出模塊流程如圖6所示。

2.4 XPDR應答機模塊

XPDR應答機模塊接收TCAS調諧信息中的XPDR應答機工作模式（Standby，ALT REPORT OFF，XPDR），判斷應答機工作狀態。Standby模式下收發機為關閉狀態，不回報消息。ALT REPORT OFF模式下只回報本機識別碼。XPDR模式下回報本機識別碼和當前高度信息[21-22]。

XPDR應答機模塊模擬本機與入侵飛機的詢問、問答過程以及本機與ATC的詢問、問答過程。ATC詢問指令由綜合控制臺進行模擬，通過綜合控制臺通信頁面點擊ATC詢問按鈕發送詢問指令，XPDR應答機模塊進行響應并發送回報消息，消息內容根據收發機工作狀態而定。XPDR應答機模塊工作流程如圖7所示。

3 仿真結果

本文的入侵飛機仿真為動態仿真過程，通過IOS激活入侵飛機，并對解算的入侵飛機經緯度等參數進行了

記錄以便進行仿真結果分析。IOS激活入侵飛機1，設定入侵飛機1的入侵相對方位為-30°，入侵飛機激活時刻本機航向為90°，入侵飛機解算的航跡與本機的位置關系如圖8所示。圖中紅色點為本機位置，藍色曲線為入侵飛機的經緯度所繪制的曲線。由圖可知，仿真的入侵飛機1以預設的方位逐漸接近本機，可用于觸發RA級別的交通告警。

IOS激活入侵飛機2，入侵飛機2的入侵相對方位為30°，入侵飛機激活時刻本機航向為90°，入侵飛機解算的航跡與本機的位置關系如圖9所示。圖中紅色點為本機位置，藍色曲線為入侵飛機的經緯度所繪制的曲線。由圖可知，仿真的入侵飛機2以預設的方位逐漸接近本機，可用于觸發RA級別的交通告警。

飛行模擬機中入侵目標的參數顯示以及告警信息均通過指示記錄系統畫面進行顯示，包含仿真的入侵飛機

方位、距離、威脅等級、相關告警和解脫決策信息等。指示記錄系統顯示采用仿真畫面，顯示元素及顯示邏輯與某型國產大型飛機指示記錄系統一致。系統間交聯數據

參照該客機機載TCAS系統與指示記錄系統接口進行設

計，包含TCAS模式通告、入侵目標方位、距離、高度、

升降速度、威脅等級、避撞決策信息等參數，TCAS模式通告、入侵目標信息顯示在MAP頁面上，避撞決策建議的垂直速度顯示在PFD升降速度帶上。

TCAS模式通告用于指示記錄系統頁面上顯示TCAS的當前工作模式，包含TCAS OFF，TEST，TA ONLY，TFC。本文仿真結果驗證時，設定TCAS工作模式為TA/RA模式，MAP頁面左側TCAS模式通告欄顯示“TFC”模式通告信息，如圖10所示。按照指示記錄系統MAP頁面選擇的顯示范圍，輸出顯示范圍內的入侵飛機信息，指示記錄系統按照入侵飛機方位、距離，將入侵飛機符號顯示在頁面上的相應位置，并在相應符號上下顯示相對高度。如果入侵飛機的升降速度較大（大于500 ft/min），則在符號一側顯示相應方向箭頭。威脅等級分為四類：RA，TA，臨近交通和其他交通，對應四種顯示符號，RA級別威脅等級為紅色實心方框，TA級別為黃色實心圓形，臨近交通為白色實心菱形，其他交通為白色空心菱形。通過TCP調諧控制TCAS工作在正常模式，通過IOS設置入侵飛機1和入侵飛機2后，隨著入侵飛機接近本機，解算出的入侵飛機的威脅等級逐漸上升。

進入RA范圍內，入侵飛機1與入侵飛機2在MAP頁面中均顯示為紅色實心方框（見圖10），并且在右側通告欄中用紅色字體提示當前告警“TRAFFIC”以及入侵飛機1和入侵飛機2的信息。截圖時刻入侵飛機1告警級別為RA，距離本機1.3 kn，高度為本機上方約300 ft，具備下降速率。入侵飛機2告警級別為RA，距離本機2.4 kn，高度為本機下方約300 ft，具備上升速率。

4 結? 論

本文建立的TCAS仿真系統模型可有效模擬機載TCAS系統的工作邏輯和功能。建立的單機、多機入侵場景仿真模型及隨機交通仿真模型，模擬了空中復雜的交通狀態。沖突檢測避撞算法模型可根據設置的入侵目標不同，輸出不同的威脅等級判斷信息，并根據當前場景輸出正確告警及決策信息，可滿足飛行訓練中TCAS訓練的要求。本文研究的沖突場景均為飛機巡航階段可能出現的場景，針對高等級模擬機飛行訓練，機場空域、起降過程中的交通沖突仿真有待后續研究。參照CAE等高等級模擬機中的TCAS仿真，可針對不同的訓練機場和航線，實現特有起降過程中沖突場景數據錄制、加載重現的功能，進一步逼真地模擬機場空域或起降過程中的沖突，豐富訓練內容。

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Research on TCAS Simulation Technology of

High Level Flight Simulator

Kong Lingshuai*，Duan Ke，Yao Yao

（Bluesky Aviation Technology CO. LTD，Beijing 100085，China）

Abstract： Based on different conflict training subjects of traffic alert and collision avoidance system（TCAS） of high level flight simulator，ten typical invading aircraft models during flight are abstracted to simulate possible traffic conflicts，and a general simulation calculation algorithm for intrusion bearing，position，altitude，speed and other parameters is utilized to realize the dynamic simulation of the intruders.Information such as the latitude，longitude，and absolute altitude of the intruder is calculated and used for visual system to display intruder aircraft in scene.Transponder simulation model is established to simulate the querying process getting the identification code and altitude of the intruders.Closest point of approach （CPA） and CPA time are calculated according to the position，altitude and other parameters of intruder，intruders threat level is judged considered on intruders altitude and TCAS sensitivity.When a resolution advisory （RA） level conflict occurs，the simulated resolution algorithm gives resolution advisory.Finally，the intruder information and TA/RA are outputted to simulation interface of indication system for displaying the traffic information and vertical resolution advisory.It is verified that the simulation model can simulate the working logic of airborne TCAS system，and the simulation of the intruder aircraft can effectively simulate the traffic conflicts which may occur in the air，the threat level judgment and the resolution advisory algorithm，which can meet the simulation training requirements.

Key words： high level flight simulator; TCAS simulation; intruder simulation; threat level judgment; re-solution advisory

收稿日期：2020-05-25

作者簡介：孔令帥（1989-），女，山東曲阜人，工程師，碩士，研究方向是飛機模擬機航空電子系統仿真技術。

E-mail：klsbuaa@163.com