一種機(jī)載前向交通預(yù)警系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

段建軍

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川綿陽，621000）

0 引言

近年來，隨著小型、中型、大型飛機(jī)等航空器的不斷激增，空域變得越來越“擁擠”，特別是隨著未來低空空域的改革，小型飛機(jī)將越來越多。民用小型無人機(jī)可承擔(dān)貨運(yùn)任務(wù)，民用小型教練機(jī)可培養(yǎng)飛行員飛行私人飛機(jī)。軍用小型無人機(jī)可承擔(dān)偵察等軍事任務(wù)，軍用小型教練機(jī)可培養(yǎng)飛行員執(zhí)行軍事任務(wù)。未來，小型飛機(jī)與中、大型飛機(jī)以及小型飛機(jī)間的交叉飛行的情況將更頻繁，存在空中碰撞的危險，需采用機(jī)載的空中監(jiān)視、防相撞設(shè)備，保障飛機(jī)的飛行安全。

目前，中型、大型飛機(jī)采用機(jī)載防撞系統(tǒng)，通過四象限定向天線進(jìn)行詢問探測目標(biāo)飛機(jī)，評估目標(biāo)飛機(jī)威脅級別，進(jìn)行空中交通碰撞威脅的告警，提示飛行員操作避讓碰撞。小飛機(jī)采用地對空的航管應(yīng)答監(jiān)視，缺乏空空監(jiān)視預(yù)防空中交通碰撞的預(yù)警方法。由于定向天線直徑有200多毫米，在小飛機(jī)上找不到合適的安裝位置，且即使安裝上了也影響小飛機(jī)的氣動性能，不適合小型無人機(jī)、教練機(jī)等小飛機(jī)。同時，隨著中、大型飛機(jī)的功能不斷增多安裝的天線也不斷增多，安裝四象限定向天線也越來越困難。

1 系統(tǒng)概述

由于飛機(jī)在飛行中的碰撞威脅主要來自前方，可采用機(jī)載前向交通預(yù)警系統(tǒng)將四象限定向天線替換為與飛機(jī)機(jī)翼或其他飛機(jī)位置共形的數(shù)字相控陣天線，或與其他系統(tǒng)共用的數(shù)字相控陣天線，形成和、差、控制波束，采用C模式序列詢問和S模式點(diǎn)名詢問策略，在1秒周期內(nèi)完成對前向180度范圍內(nèi)的目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行探測，形成目標(biāo)飛機(jī)的航跡，同時接收目標(biāo)飛機(jī)的ADS-B信息，形成ADS-B航跡。機(jī)載前向交通預(yù)警系統(tǒng)將詢問探測的目標(biāo)航跡和ADS-B航跡融合處理進(jìn)行混合監(jiān)視，對本架飛機(jī)前向的C模式、S模式、ADS-B目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視跟蹤，評估目標(biāo)飛機(jī)對本架飛機(jī)的威脅程度，產(chǎn)生交通預(yù)警，同時通過本架飛機(jī)的S模式數(shù)據(jù)鏈將交通預(yù)警信息發(fā)送給目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行協(xié)同避撞，解決小飛機(jī)空中飛行碰撞威脅的問題，大中型飛機(jī)隨著天線增多安裝困難的問題。

前向交通預(yù)警系統(tǒng)由數(shù)字相控陣天線、前向交通預(yù)警處理主機(jī)組成，如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

2.1 前向目標(biāo)探測

基于機(jī)翼數(shù)字相控陣天線的前向交通預(yù)警系統(tǒng)最為復(fù)雜，基于飛機(jī)其他位置的共形數(shù)字相控陣天線的前向交通預(yù)警系統(tǒng)的實現(xiàn)方法與基于機(jī)翼數(shù)字相控陣天線的前向交通預(yù)警系統(tǒng)的實現(xiàn)方法類似。下面以最復(fù)雜的基于機(jī)翼數(shù)字相控陣為例，安裝示意圖如圖 2所示。

基于機(jī)翼數(shù)字相控陣天線的前向交通預(yù)警系統(tǒng)框圖如圖 3所示。

左或右機(jī)翼數(shù)字相控陣共形天線可以由5個或多個天線單元組成。以5個天線單元為例，4個天線單元用于形成和、差波束，一個單元用于形成控制波束。天線單元越多，探測目標(biāo)飛機(jī)的方位精度越高，距離越遠(yuǎn)。根據(jù)詢問目標(biāo)飛機(jī)的單個詢問和波束調(diào)度時間，通過對詢問目標(biāo)飛機(jī)的波位進(jìn)行合理規(guī)劃，考慮合成波束寬度的誤差，相鄰兩個波束間要有5度的交叉覆蓋，0度方向要從—5度開始，180度方向要到185度，實現(xiàn)前向180度無縫隙覆蓋。前向交通預(yù)警系統(tǒng)在1秒時間內(nèi)完成對本架飛機(jī)前向180度區(qū)域目標(biāo)飛機(jī)的探測。

2.2 主動監(jiān)視

2.2.1 概述

前向交通預(yù)警系統(tǒng)通過C模式和S模式主動詢問實現(xiàn)對目標(biāo)飛機(jī)的主動監(jiān)視，分為C模式目標(biāo)監(jiān)視和S模式目標(biāo)監(jiān)視。

2.2.2 C模式目標(biāo)監(jiān)視

前向交通預(yù)警系統(tǒng)的左右處理一致，以左為例。前向交通預(yù)警系統(tǒng)按照規(guī)劃的波位進(jìn)行C模式序列詢問編碼，通過前向交通預(yù)警處理主機(jī)內(nèi)的左發(fā)射數(shù)字波束合成和編碼模塊、左射頻發(fā)射通道，形成和波束和S1、P1、P3、P4編碼脈沖，使用4個天線單元發(fā)射，形成控制波束和P2編碼抑制脈沖，使用一個天線單元發(fā)射，完成C模式詢問。

為了減少在一個波位目標(biāo)飛機(jī)的應(yīng)答干擾，采用控制詢問功率形成C模式序列詢問策略，對目標(biāo)飛機(jī)進(jìn)行詢問。詢問后，由4個天線單元、前向交通預(yù)警處理主機(jī)內(nèi)的左射頻接收通道和左接收數(shù)字波束合成模塊，形成和、差波束接收目標(biāo)飛機(jī)的應(yīng)答信號，通過和、差波束比幅和波束瞄準(zhǔn)軸角度判斷目標(biāo)飛機(jī)的具體方位。和差波束簡單來說就是對目標(biāo)方向形成的主瓣即和波束，同時形成的零陷即差波束，如圖 4所示。

首先測量天線方向圖測試不同方位的和差波束的幅度值，某個方位和差波束的幅度值如圖 5所示，將不同方位的和差幅度比值制成表。

然后，前向交通預(yù)警系統(tǒng)探測到目標(biāo)飛機(jī)時，使用鑒相器輸出飛機(jī)偏離波束瞄準(zhǔn)軸的左邊或右邊，使用包絡(luò)檢波器和查表輸出飛機(jī)偏離波束瞄準(zhǔn)軸的角度。最后，目標(biāo)飛機(jī)的方位角=波束瞄準(zhǔn)軸角度（如圖 6所示的30度）+目標(biāo)落在波束內(nèi)的角度（如圖 6所示的兩個目標(biāo)，一個目標(biāo)為負(fù)0.8度，另一個目標(biāo)為正0.5度）。

前向交通預(yù)警系統(tǒng)通過譯碼模塊解析應(yīng)答信息獲得目標(biāo)飛機(jī)的高度，通過詢問應(yīng)答的時間獲得目標(biāo)飛機(jī)的距離。綜上所述，前向交通預(yù)警系統(tǒng)完成對C模式目標(biāo)飛機(jī)的監(jiān)視。

2.2.3 S模式目標(biāo)監(jiān)視

前向交通預(yù)警系統(tǒng)在不進(jìn)行詢問目標(biāo)飛機(jī)時，通過前向交通預(yù)警處理主機(jī)內(nèi)的左射頻接收通道和左接收數(shù)字波束合成模塊，接收4個天線單元的射頻信號，形成多波束接收S模式目標(biāo)飛機(jī)的斷續(xù)震蕩，通過比較接收的多波束合成的多個波束幅度值判斷大概方位，通過左譯碼模塊譯出目標(biāo)飛機(jī)斷續(xù)震蕩信息中的S模式地址，對目標(biāo)飛機(jī)編碼進(jìn)行精確的S模式點(diǎn)名詢問。通過前向交通預(yù)警處理主機(jī)內(nèi)的左發(fā)射數(shù)字波束合成和編碼模塊、左射頻發(fā)射通道，形成和波束和P1、P2、P6編碼脈沖，使用4個天線單元發(fā)射，形成控制波束和P5編碼抑制脈沖，使用一個天線單元發(fā)射，完成S模式點(diǎn)名詢問。

詢問后，由4個天線單元、前向交通預(yù)警處理主機(jī)內(nèi)的左射頻接收通道和左接收數(shù)字波束合成模塊，形成和、差波束接收目標(biāo)飛機(jī)的應(yīng)答信號，通過和、差波束比幅判斷目標(biāo)飛機(jī)的具體方位，通過左譯碼模塊獲得目標(biāo)飛機(jī)的高度，通過詢問應(yīng)答的時間獲得目標(biāo)飛機(jī)的距離。綜上所述，前向交通預(yù)警系統(tǒng)完成對S模式目標(biāo)飛機(jī)的監(jiān)視。

2.3 被動監(jiān)視

前向交通預(yù)警系統(tǒng)在形成多波束接收S模式目標(biāo)飛機(jī)的斷續(xù)震蕩進(jìn)行S模式目標(biāo)飛機(jī)監(jiān)視時，同時接收目標(biāo)飛機(jī)發(fā)送的ADS-B 信息，進(jìn)行目標(biāo)機(jī)ADS-B信息解析，獲取目標(biāo)飛機(jī)的航班號、經(jīng)緯度、高度、速度、S模式地址、A代碼等信息，實現(xiàn)對目標(biāo)飛機(jī)的被動監(jiān)視。目標(biāo)飛機(jī)的經(jīng)緯度等信息由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS/INS）提供。GNSS主要指美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、包括俄羅斯的GLONASS、中國的北斗系統(tǒng)。INS采用陀螺儀和加速計等慣性敏感器件的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。

2.4 混合監(jiān)視

前向交通預(yù)警系統(tǒng)將主動監(jiān)視和被動監(jiān)視組合為混合監(jiān)視，對具備ADS-B OUT的S模式目標(biāo)，采用被動接收目標(biāo)飛機(jī)的ADS-B廣播報文，接收目標(biāo)飛機(jī)的經(jīng)緯度、高度信號，結(jié)合本機(jī)信息完成目標(biāo)監(jiān)視，然后通過動態(tài)主動詢問監(jiān)視進(jìn)行對目標(biāo)飛機(jī)的確認(rèn)。如果主動監(jiān)視距離和高度的接近時間都大于時間門限，并且主動詢問有效，主動監(jiān)視轉(zhuǎn)換為混合監(jiān)視。如果主動監(jiān)視距離和高度的接近時間都小于時間門限，或主動詢問失效，混合監(jiān)視轉(zhuǎn)換為主動監(jiān)視。如果接收的ADS-B信號小于被動監(jiān)視門限，并且本機(jī)和目標(biāo)機(jī)的信息有效，混合監(jiān)視轉(zhuǎn)換為被動監(jiān)視。如果接收的ADS-B信號大于等于被動監(jiān)視門限，或本機(jī)和目標(biāo)機(jī)的其中一個信息失效，被動監(jiān)視轉(zhuǎn)換為混合監(jiān)視。如果主動監(jiān)視距離和高度的接近時間小于等于時間門限，被動監(jiān)視轉(zhuǎn)換為主動監(jiān)視。主動監(jiān)視不能直接轉(zhuǎn)換為被動監(jiān)視。

前向交通預(yù)警系統(tǒng)通過混合監(jiān)視實現(xiàn)降低對S模式目標(biāo)的詢問，減少詢問頻率，從而降低對空域中1030MHz頻譜的占用，減少空間電磁信號之間的干擾。

2.5 協(xié)同避撞

前向交通預(yù)警處理主機(jī)內(nèi)的目標(biāo)飛機(jī)的監(jiān)視和交通預(yù)警處理模塊將探測到左和右的C、S模式目標(biāo)飛機(jī)的信息與接收到的ADS-B目標(biāo)飛機(jī)信息進(jìn)行融合處理，形成前向180度空域目標(biāo)飛機(jī)航跡，完成目標(biāo)飛機(jī)的航跡監(jiān)視、跟蹤。前向交通預(yù)警系統(tǒng)對接近飛機(jī)進(jìn)行跟蹤，建立包括距離范圍、相對方位和相對高度的跟蹤信息，并計算接近飛機(jī)的相對位置、接近距離和高度變化率。將監(jiān)視和跟蹤的目標(biāo)飛機(jī)航跡與本機(jī)信息綜合，評估出目標(biāo)飛機(jī)的威脅級別（OT：無威脅，PA：接近威脅，TA：交通告警，RA：決斷告警），并將目標(biāo)飛機(jī)信息送顯。當(dāng)目標(biāo)飛機(jī)的威脅級別為TA時，系統(tǒng)顯示目標(biāo)飛機(jī)信息的同時伴有語音告警，提示飛行員注意觀察目標(biāo)飛機(jī)的飛行情況。如果目標(biāo)飛機(jī)的威脅級別為RA時， 系統(tǒng)顯示目標(biāo)飛機(jī)信息的同時伴有語音告警，提示飛行員操作。在產(chǎn)生RA的過程中，如果接近本機(jī)存在碰撞危險并也裝有TCAS II系統(tǒng)的飛機(jī)，本架飛機(jī)將會與目標(biāo)飛機(jī)建立一個機(jī)動協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)鏈路，確保兩機(jī)間的決斷告警是協(xié)調(diào)和兼容的，實現(xiàn)飛機(jī)間的協(xié)調(diào)避讓。如果系統(tǒng)檢測到入侵飛機(jī)不具有高度報告的能力，則提供交通告警。如果入侵飛機(jī)沒有裝備任何類型的航管應(yīng)答機(jī)，系統(tǒng)無法獲得這類飛機(jī)的信息，進(jìn)而產(chǎn)生不了咨詢建議。

前向交通預(yù)警系統(tǒng)判斷目標(biāo)飛機(jī)是否對本機(jī)構(gòu)成潛在碰撞危險，確定在最接近點(diǎn)的空中間隔是否存在潛在的沖突威脅，通過防撞解算、評估目標(biāo)機(jī)威脅級別，輸出交通告警（TA）、決斷告警（RA）。當(dāng)輸出決斷告警（RA）時，前向交通預(yù)警系統(tǒng)向飛行員輸出避讓建議（最適宜的垂直方向上的機(jī)動），兩機(jī)之間的避讓意圖通過S模式數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行交互，實現(xiàn)協(xié)同避撞。

3 結(jié)束語

前向交通預(yù)警系統(tǒng)是防止空中飛機(jī)危險接近和相撞事故發(fā)生的設(shè)備，獨(dú)立于地面交通管制系統(tǒng)的進(jìn)行工作。前向交通預(yù)警系統(tǒng)采用數(shù)字相控陣天線進(jìn)行C模式、S模式詢問，接收并解析目標(biāo)飛機(jī)的應(yīng)答信號和ADS-B信號，獲得目標(biāo)飛機(jī)相對本機(jī)的距離、高度、方位，實現(xiàn)對目標(biāo)飛機(jī)的監(jiān)視和跟蹤。同時，前向交通預(yù)警系統(tǒng)通過防撞邏輯計算判斷目標(biāo)飛機(jī)對本機(jī)的碰撞威脅程度，為飛機(jī)提供空中安全分隔保證，提醒飛行員采取規(guī)避措施，實現(xiàn)空中交通預(yù)警。