新一代防撞系統ACASX技術發展淺議

四川九洲空管科技責任有限公司 彭勃滔 李 揚 謝 莉 李家蓬 盧曉霞 皈 勇

1 機載防撞系統的發展歷程

在早期航空業中，飛機的數量少，航線的間隔大，有足夠寬廣的空域，所以飛機碰撞事件很少發生。隨著航空業務的推進與發展，飛機出行已經變得司空見慣，天空變得擁擠，同時極大增加了飛機碰撞的可能性，因此防撞系統的需求日益迫切。而空中飛行安全通過戰略層規劃、交通層管理、機載自主防撞規避三個層次來實現，其中機載防撞位于第三層，它獨立于地面交通管制系統，并提供載機自主威脅探測與防撞規避建議，是防止空中交通碰撞事故發生的最后屏障，是確保航空飛行安全等級的必要手段。

為了應對一系列涉及商用客機的半空中碰撞事件，林肯實驗室在20世紀70年代受聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration）的指示，參與了機載防撞系統的開發。從目前的情況來看，交通警報和防撞系統在全世界所有大型飛機上都得到了授權，大大提高了空中旅行的安全性，但未來幾年計劃對空域進行的重大改變將需要對該系統進行實質性修改。最近，林肯實驗室率先開發了一種新的避碰系統方法，完全重新考慮了這些系統的設計方式，使系統能夠在不干擾正常安全操作的情況下提供更高程度的安全性，這就是ACAS X防撞系統。與目前應用最廣泛的防撞系統TACS相比，下一代機載防撞系統ACAS X采用了全新的防撞邏輯方法，減少了空中相撞風險，并將防撞保護擴展到新的飛機平臺，并利用最新的計算機技術，開創了將決策理論方法應用于防撞邏輯的先河。與TCAS II的基于確定性模型的邏輯不同，ACAS X的邏輯使用概率特征模型來表示各種不確定性來源(如飛行員不響應、監視錯誤等)和計算機優化來考慮由系統專家和操作用戶定義的安全性和操作的合理性。這種新的靈活的防撞邏輯方法與下一代航空運輸系統的空域程序和技術完全兼容。

2 ACAS X特點與優勢

在新一代空管運行體系對空中防相撞提出的需求，ACASX應滿足空域運行標準、符合新的應用操作程序、兼容通航、無人機等不同平臺，如表1所示。

表1 ACAS運行應用特點

除了與下一代航空運輸系統兼容之外，ACAS X改善了航空旅行的安全性，并提供了比TCASII更好地操作適應性；與TCAS II相比，ACAS X減少了59%的空中相撞風險和25%不必要的干擾性警報。除了提升世界各地所有大型商用飛機的飛行安全，ACAS X還受到飛行員的歡迎。具體優勢如下：

（1）容納新的監視輸入，提供比目前使用的應答機更詳細和更精確的跟蹤數據。（2）有助于降低燃料代價，減少排放量，縮短飛行時間，以及提高到達機場的機率。（3）盡量減少正常空中交通流量的中斷次數。（4）減輕與系統實施和升級有關的制造、運行操作及其成本。（5）促進無人駕駛飛機在國防和商業應用中的推廣使用。

3 針對不同平臺的ACAS X版本

ACAS X具有4中版本或子項，具體如表2所示：

表2 ACAS X的4種版本

ACAS Xa(active)：以新的架構模型設計、優化并替代現有ACAS系統，基于SSR和ADS-B混合監視方式實現。

ACAS Xp(passive)：該子項為基于ADS-B的機制監視和告警技術，用于通航飛機；通過被動接收ADS-B信息，對目標進行監視跟蹤，并提供基于飛機性能范圍優化的交通告警和垂直指示。

ACAS Xo(operatiaon)：為飛行程序/流程提供具體的操作指示，例如：為毗鄰的并行跑道上的飛機操作、編隊飛行等場景提供提示。

ACAS Xu(unmanned)：為無人機設計，允許多源監視信息輸入，并且為寬范圍容量性能進行了邏輯優化，該項研究需攻克即插即用的多源數據監視算法。

4 ACAS X 組成及功能特點

ACAS X作為復雜的航空電子系統，安裝并運行在飛機的通常稱之為本機或載機。ACAS X需要接收載機信息，無線電高度、大氣高度信息，并與載機的顯示和控制系統相交聯。通過即插即用式監視，ACAS X系統可載機雷達、光電、紅外等傳感器進行交聯，接收其探測到的目標飛機信息作為監視信源，當這些信息滿足要求時也可用于TRM模塊的交通告警和決斷告警。圖中S模式應答機是獨立式涉及，在綜合監視系統（參照ARINC768）中ACAS X處理機與S模式應答機、ADS-B乃至近地告警、氣象雷等功能單元可以集成到一個機箱內，原理樣機設計采用了綜合監視系統架構。ACAS X系統架構框圖如圖1所示。

圖1 ACAS X系統功能架構框圖

該系統實現了硬件和軟件兩方面的功能，包括4元陣列的定向天線系統。該系統和TCASII之間的主要區別在于“ACAS X處理器單元”，它實現對空域目標的航跡監視并發布告警建議。在這個處理器中，ACAS X的主要軟件是前端監視模塊（RFS）、監視與跟蹤模塊（STM）、威脅決斷模塊（TRM）。系統需要各類本載機和傳感器探測的空域目標信息的各輸入，輸出是對空域態勢信息、對載機飛行的指示和告警。

4.1 系統外部接口

ACAS X系統外部接口包括：

（1）S模式應答機(以及通過應答器的高度計)控制面板(選擇操作模式)(可與其他控制結合使用面板輸入，如模式控制面板)。

（2）離散輸入系統(設定飛機運行特性)、無線電高度計。

（3）任何已在外部系統中解碼的ADS_B數據，并傳遞給ACAS X。來自共同擁有的發射系統的抑制脈沖數據(潛在的)來自1030/1090兆赫系統的交聯數據，以實現特定的應用程序。

（4）飛行員向駕駛艙交通信息顯示器或某些其他待定義的ACAS X界面輸入信息，以選擇目標與ACAS XP和ACAS XO的接口尚未完全定義，盡管它們是上述接口的子集。

4.2 監視與跟蹤模塊

TCAS II和ACAS X之間存在的一個基本設計差異是監視功能和威脅解決邏輯之間的內部接口。ACAS X將要求所有跟蹤算法都包含在掃描隧道顯微鏡中。TRM中的威脅邏輯不再接受測量值作為輸入，而是接受目標的跟蹤狀態信息。跟蹤功能的這一轉變有效地將跟蹤與跟蹤分離開來，并建立了一個新的CAS設計范例，ACAS X將允許單一的優化威脅邏輯與任何監視源兼容(如信標詢問、ADS_B、電光、主雷達等)，或滿足最低性能要求的來源組合。

為了利用ACAS X的這一特點，STM必須設計成能處理多種監視源，以適應安裝在其他飛機上的任何監視硬件。這樣做實現了“即插即用監控”概念的一個組成部分，即所有ACAS X監視源將由單一版本的掃描隧道顯微鏡接收(即插入)。掃描隧道顯微鏡將自動識別收到的每個監控信息，對其進行處理，并使用它來跟蹤相關的入侵者，而不需要手動配置或額外的編程。

這意味著掃描隧道顯微鏡將動態地“插入”所有被批準的監視數據源，這些數據源可以幫助追蹤目標。例如，假設ACAS X有能力發送信標詢問，接收UAT ADS_B數據，并配備了一個光電傳感器。如果一架目標飛機有一個轉發器，ACAS X將詢問目標飛機。如果那架目標飛機沒有轉發器，而是廣播UAT數據，那么ACAS X將接收并處理UAT數據。如果目標飛機既有轉發器又有廣播的UAT數據，ACAS X將詢問目標飛機，并接收和處理其答復和UAT數據。不管目標飛機上安裝了什么航空電子設備，只要飛機在可見范圍內，ACAS X將在目標上使用光電傳感器。

每一類ACAS X (ACAS XA、ACAS XP、ACAS XO或UAS的未來版本)都將利用基于傳感能力的“即插即用監控”概念由安裝在ACAS X飛機上的硬件提供。ACAS X監視的初始設計將集中在三個級別：

（1）XA，它具有主動發送信標詢問的能力。

（2）XP，它將只依賴被動ADS_B數據。

（3）XO，這將使ACAS X與特定的操作更加兼容。

ACAS X STM和TRM之間將存在一個標準接口。定義這一標準接口實現了“即插即用監控”的第二個組成部分，即任何ACAS X TRM將與單一版本的STM無縫連接和工作。即插即用監視的這一方面將允許一個掃描隧道顯微鏡的設計與ACAS XA、XP和XO的優化威脅邏輯兼容。

為了使“即插即用監視”成為一個有效的解決方案，掃描隧道顯微鏡必須能夠為入侵者的位置和速度提供不確定性。因此，掃描隧道顯微鏡將提供每個參數的分布，而不是標量值。給定所提供的不確定性，TRM將使用該分布信息為每架目標飛機選擇最佳行動。

4.3 集中跟蹤(Tracking)

圖2 代價表離線優化及在線使用流程

ACAS X系統將集中跟蹤該系統。期望實現這一點的方法包括使用專門的跟蹤器/過濾器。這些跟蹤濾波器擅長組合來自各種來源的輸入，提供目標位置和速度的最佳估計，并考慮濾波器輸入測量和輸出的不確定性。一組估計狀態和相關權重(代表這些狀態不確定性的概率)將被傳遞給TRM。

4.4 優化的威脅決斷邏輯

用于優化威脅邏輯的概念是由麻省理工學院林肯實驗室在幾年的時間里發展起來的。優化的威脅邏輯是“離線”生成的；也就是說，在ACAS X安裝到飛機上之前，優化是在計算機系統上完成的，具體流程如圖2所示。給定一組狀態變量，這些表對要選擇的最佳動作進行編碼。存儲這些邏輯表的航空電子系統面臨的挑戰是，通過改進監視、跟蹤和估算技術，盡可能準確地估算這些狀態變量，以解決準確性問題。

4.5 顯示與告警通報

機組人員目前與TCAS II系統進行的交互將保持不變，使用的RA決斷告警類型與TCAS 7.1相同。盡可能快地提示飛行員，以便于對最終的任務指令做出更快的反應。目前正在進行研究，以確保在將這些警報納入ACAS X系統的框架內的同時，仍能實現發布警報效益。并且與接收和處理ADS_B數據的系統（稱為飛機監視應用系統(ASAS)）的交互可能會改變一些飛行員程序。ASAS允許飛行員為特殊應用選擇飛機，如成對進近，這可能使用減少的分離規則，這反過來可能導致不必要的高RAs率。為了解決這個問題，預計在ACAS X系統上將有一個輔助功能，允許選擇目標。該選擇將允許系統使用不同的邏輯表或選擇算法來發布RAs。

結語：航空業的發展，為防撞系統帶來的新的挑戰與要求。從最開始的信標防撞系統BCS到目前廣泛應用的TACS，再到不久將大量使用的機載防撞系統X（ACAS X），都是為了適應當時航空需求而不斷完善為一個更加健壯系統的過程。從完善傳感器到越來越先進的算法，新的技術為防撞系統的發展帶來了可能性，而如今的ACAS X將對監視和咨詢邏輯進行重大改進。該系統將從對TCAS的僅信標監視轉變為支持基于全球定位系統（GPS）數據的監視，并適應新的傳感器模式的即插即用監視架構，包括雷達和光電傳感器，這對無人平臺尤為重要。新的監視能力還將為新的用戶類別提供防撞保護，包括目前未配備TCAS的小型通用航空飛機。

ACAS X代表了咨詢邏輯生成和表示方式的一次重大革命。ACAS X不是使用基于規則的特殊偽碼，而是使用一個針對空域模型進行了優化的數字表來表示邏輯。這種新方法提高了健壯性，支持新的需求，并減少了不必要的警報。ACAS X采用的過程大大簡化了開發，預計將大大降低實施和維護成本。