飛行模擬機增強型近地告警系統仿真研究與設計

付 煒， 趙旭東

(北京藍天航空科技股份有限公司，北京 100085)

在嚴重威脅航空安全的事故中，可控飛行撞地(Controlled Flight Into Terrain,CFIT)是造成死亡人數最多的事故原因。CFIT是指飛機在適航狀態下，由于飛行員操作失當、夜航或復雜氣象導致目視條件下降，引起的飛行器發生撞山、撞地、障礙物或墜水的事故[1]。

增強型近地告警系統(Enhanced Ground Proximity Warning System,EGPWS)在原有GPWS的模式告警功能基礎上，增加了前視地形顯示預警(Terrain Awareness and Display,TAD)以及地形凈空層(Terrain Clearance Floor,TCF)保護的能力[2]。通過對機載近地告警系統技術規范和多型機載近地告警計算機技術手冊的研究，搭建與飛機一致的告警模型，采用高精度地形數據庫結合機場模型作為地形及障礙物高程信息的來源，實現近地告警地形環境仿真。應用飛行模擬機，對飛行員進行EGPWS科目訓練，可以增強飛行員對地形的情景意識感知，有效避免由于飛行機組操作失誤導致的CFIT風險。

1 EGPWS的增強告警功能

在EGPWS的仿真設計中，保持了與機載系統一致的系統架構。近地告警計算機仿真軟件接收來自外部傳感器的飛行參數，包括GNSS或慣性導航系統的經緯度，大氣數據系統輸出的氣壓高度、升降速度，無線電高度，儀表著陸系統的下滑偏差等。近地告警避撞模型根據起落架和襟翼所處的位置，判斷飛機所處的構型，進而選擇相應的近地告警模式和對應的告警包線。

增強型近地告警系統除了保留GPWS的模式報警功能外,還駐留了可定期升級的地形和障礙物數據庫，增加了一個含有地形數據庫的預警模塊，綜合顯示系統根據飛機距地面的高度差繪制不同級別的圖形元素，這些圖形元素單元組成了載機周邊的地形地圖，為飛行機組提供直觀觀察二維高程地形的人機界面。

此外，近地告警系統存儲有一個機場數據庫，包含跑道長度大于3500 ft的硬質跑道機場和地形復雜機場數據，以機場跑道為中心，建立一個離地高度沿階梯遞增的凈地空間，在飛機進入凈空高保護區域時將觸發“TOO LOW TERRAIN”的語音和視覺的告警，防止飛機受控撞地。在這些機場周邊提供TCF。

2 前視地形和TCF仿真原理

2.1 前視地形告警原理

前視地形告警系統的工作原理是基于飛機的飛行狀態，在其前進方向空間上生成一個虛擬的三維安全包線，同時獲取數據庫提供的地形、障礙物數據信息，實時比較告警包線與周邊地形的空間位置關系。當告警包線與周邊地形接觸時即觸發告警，給出燈光告警和語音告警。此外，前視地形告警還具有地形/障礙物顯示功能。前視地形功能通過航空總線接收來自機載導航系統輸出的大氣數據、經緯度、無線電高度等傳感器位置[3]，訪問近地告警系統存儲的高精度高程與障礙物數據庫，輸出可觸發視覺和聽覺告警的提示消息給顯示和聲音仿真系統，其功能架構如圖1所示。

圖1 前視地形功能架構

2.2 對地凈空層告警系統原理

TCF功能需要訪問飛行管理系統輸出的目的地機場、跑道信息。TCF模型以跑道中心點為坐標原點，但TCF告警包絡起點并不為跑道中心點，偏移量k通常為半跑道長度。

TCF包絡線根據距跑道中心的距離，可以分為小于k+4 nm、k+12 nm、k+15 nm、大于k+15 nm共4個不同告警閾值區間，通過實時解算載機距離機場中心點的距離判斷所在區間，進而根據當載機當前無線電高度判斷載機是否觸發了TCF告警。當無線電高度低于30 ft時，TCF告警將被抑制。TCF告警包絡范圍與機場跑道的相對關系如圖2所示。

圖2 TCF模型示意圖

在更新版本的增強型近地告警系統中，又引入了機場跑道凈空層(Runway Field Clearance Floor，RFCF)保護區。RFCF是在對地凈空層告警包絡線的基礎上附加了一個幾何高度指數，以便當飛機在高海拔機場近進時，離地高度可能很高，而相對機場的幾何高度較低時即可觸發告警。RFCF告警功能主要用于山區或高原機場，由于地形復雜導致的離地高度突變，通過建立虛擬的高度過渡層模型，提供航路前方潛在的地形威脅警告，也可使飛行員平緩操縱規避地形突變導致的碰撞風險，為飛行員正確操縱飛機安全避讓地形提供充裕的時間保證。RFCF功能的使用需要載機的GPS系統提供滿足精度要求的水平位置及高度參數。TCF與RFCF的區別在于，TCF限制的是飛機與地面的高度，而RFCF限制了飛機與機場的相對高度，如圖3所示。

圖3 RFCF和TCF保護區域對比

3 前視地形告警實仿真實現

前視地形告警功能仿真設計通過實時訪問DEM高程地形數據和障礙物數據庫，讀取掃描區域內的地形/障礙物高度，解算載機與高程數據的高度差作為地形顯示的依據[4]。機組通過顯示控制系統設置地形顯示區域范圍，以載機經緯度作為坐標原點，以載機真航向為X軸，載機航向右側為Y軸。

仿真試驗中設置的地形掃描區域范圍為16 nm×16 nm，以飛機所在位置為零點，機頭方向為x軸正方向，機身側向垂直向右為y軸正方向，則掃描區域可以表示為[-4,12]×[-8,8]。掃描方式分為逐行掃描和扇形掃描兩種，利用全局變量secterON進行選擇。

3.1 逐行掃描方式

逐行掃描每一幀以(x0,y0)點作為掃描起點，以從左至右，從上至下的方式進行地形掃描。

逐行掃描顯示區域，地形顯示時，將顯示區域柵格化，最小顯示的一格為邊長為sweep的正方形(目前全局變量sweep=0.25 nm，x、y方向上劃分的格數保存在全局變量sweepX和sweepY中)。由于地形數據庫的分辨率為30 m(保存在全局變量terrainNetSize中)，遠小于sweep，因此在計算每一柵格的地形高度時，需要把這一格以30 m的分辨率再進行細分(細分數量保存在全局變量partNum中，根據具體的項目需求進行配置)，讀取每一小份的地形高度，取其最大值為這一格的地形高度，如圖4所示。

圖4 逐行掃示意圖

3.2 扇形掃描方式

扇形掃描方式以飛機為圓心，圓周式掃描。

將顯示區域柵格化，劃分大小與行掃相同。掃描步長為stepAngle(目前為0.5°)，掃描線長為scanLength(目前為15 nm)，每條線上的點間距為dotLength(目前為0.01 nm)，點數為dotNum。每一條掃描線上的點需要落入到對應的柵格中，為了提高落入點判斷效率，只判斷掃描線所在象限內的柵格(圖示掃描線在第二象限，則只需判斷點是否落入第二象限內的柵格即可)，一個柵格的地形高度就是落入其中所有點的最大高度，如圖5所示。

圖5 扇形掃描示意圖

根據飛機所在高度求出地形與飛機的相對高度，不同高度對應不同的顏色，顏色信息以整型數據的形式保存在color[sweepX][sweepY]中。

3.3 凈空層告警仿真實現

設計控制臺版本的測試界面輸出，TFC功能被觸發時將輸出“TOO LOW TEERAIN”語音告警標識，當飛機處于TFC/RFCF告警包線內時，注意告警燈將持續顯示。當有任意告警模式被觸發，打印包含告警觸發時刻的觸發告警模式，當前場景最大、最小地形高度，經優先級排序、抑制后的語音告警標識和告警燈燃亮狀態。圖6為機場著陸場景測試打印結果，測試進行到1530 s，觸發TCF/RFCF告警，輸出語音及指示燈告警消息；飛機持續下降，1620 s，保持在TCF/RFCF包線內，保持告警燈燃亮；1800 s，同時觸發近地告警常規模式mode 4A、mode6及TCF/RFCF警告。

圖6 控制臺打印TCF/RFCF告警信息

3.4 地形顯示仿真實現

以ARJ21飛機近地告警系統作為仿真對象，使用VAPS軟件繪制電子式飛行顯示器人機顯示界面，在導航顯示窗口疊加地形顯示圖層，演示了首都機場36跑道近進過程中地形掃描的仿真畫面，如圖7所示。EGPWS仿真研究的成果已經應用于ARJ21程序訓練器項目，作為集成機載設備的替代方案，即將交付應用于飛行員的初始、改裝訓練。

圖7 ND顯示頁面疊加地形顯示及告警窗口

5 結束語

以 EGPWS 的增強功能TAD和TCF功能模塊作為重點研究對象，研究了前視地形掃描采樣及告警邏輯判斷的基本理論和方法，對TCF與其增強功能RFCF的原理和保護域建模方法進行了闡述。設計了適用于模擬機的EGPWS 仿真系統，利用飛行仿真模塊輸出的載機飛行參數及傳感器數據，對EGPWS的告警模式及前視預警模塊、地形庫以及地形顯示模塊進行仿真。研究與仿真試驗結果表明，所研究的EGPWS仿真模型架構合理，算法可行，系統輸出響應與機載EGPWS在相同測試條件下反饋一致，可以作為機載試驗件的替代產品，應用在IPT、FTD等飛行模擬訓練設備中。