《直升機防相撞系統(tǒng)問題研究》

基于自動監(jiān)視技術(shù)的直升機防相撞系統(tǒng)設(shè)計一、加裝直升機防撞系統(tǒng)的必要自從將車輛的防撞系統(tǒng)內(nèi)置到車輛中以來，它已經(jīng)成功地幫助了成千上萬的人避免了發(fā)生碰撞和事故的風(fēng)險。許多直升機目前未安裝類似的系統(tǒng)。這是每年發(fā)生數(shù)十起直升機事故案件的主要原因。由于直升機的特性，直升機只能在人口稠密的地區(qū)短距離飛行，并且在人類居住區(qū)存在各種障礙。即使是細(xì)心的飛行員也可能會疏忽大意。眾所周知，稍有疏忽會導(dǎo)致機機毀人亡。任何系統(tǒng)都會使人們犯錯誤，直升機和飛行員也會犯錯誤，這是不可避免的。因此，直升機必須安裝防撞系統(tǒng)。當(dāng)安裝了防撞系統(tǒng)時，當(dāng)飛行員接近障礙物時，可以通過語音通知飛行員，同時直升機可以執(zhí)行自動防撞控制，即，直升機可以自動向安全方向移動。我公司目前已開發(fā)出一種防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功用于大型直升機并保護大型直升機的安全。小型車輛或直升機的防撞系統(tǒng)的安裝指日可待。由于直升機機艙空間有限，因此，這種防撞系統(tǒng)的屏幕相對較小，可以放置在常規(guī)直升機屏幕的側(cè)面，并且激光雷達用于檢測環(huán)境變化并相應(yīng)地處理一些特殊情況。如果到障礙物的距離小于10米，則應(yīng)立即發(fā)出聲音警報；在3米以內(nèi)，必須從機組人員手中接管直升機并將直升機移出障礙物危險區(qū)域。二、直升機地面防相撞技術(shù)綜述動態(tài)監(jiān)視、沖突預(yù)判和告警提示是直升機地面防相撞技術(shù)的三個基本組成部分。動態(tài)監(jiān)視包括場面動態(tài)監(jiān)視和進近監(jiān)視。以前的研究主要集中在動態(tài)場景監(jiān)視上，在這種情況下，直升機降落在地面上引起的沖突風(fēng)險通常被忽略，并且存在安全漏洞。實現(xiàn)監(jiān)視的最重要手段是現(xiàn)場監(jiān)視雷達，空域監(jiān)視雷達，多點監(jiān)視系統(tǒng)等。同時，可以連接飛行計劃，車輛位置，停機坪位置信息等。沖突預(yù)測是接收信息與目的地融合的統(tǒng)一過程，并且使用適當(dāng)?shù)乃惴▉眍A(yù)測沖突的風(fēng)險。這是直升機地面碰撞技術(shù)領(lǐng)域的研究核心。預(yù)定區(qū)域包括直升機，車輛和滑行道上的其他物體，還可以監(jiān)視物體是否通過預(yù)設(shè)的限制區(qū)域。通常，它應(yīng)允許對場景條件進行24/7連續(xù)監(jiān)控，并在雨，雪或冰雹中為用戶提供令人滿意的監(jiān)控結(jié)果。關(guān)于特定算法，國內(nèi)外科學(xué)家提出了一些重要的理論和方法，例如，隨機過程理論，混合系統(tǒng)理論，動態(tài)路徑分配算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法，蒙特卡洛模擬，跑道入侵預(yù)防系統(tǒng)，輔助決策系統(tǒng)等,沖突風(fēng)險模型是在戰(zhàn)略，戰(zhàn)術(shù)和運營層面上創(chuàng)建的，主要根據(jù)沖突概率和沖突數(shù)量這兩個指標(biāo)來評估沖突風(fēng)險。在運營層面，考慮到空中交通管制員在情況感知方面的工作量，以支持空中交通管制人員的決策。當(dāng)請求警報時，在識別出沖突風(fēng)險后，將提示控制器和其他關(guān)聯(lián)的員工立即采取對策，以避免發(fā)生碰撞事件。警告的真正目的是要求空中交通管制員和其他人員做出響應(yīng)。目前，直升機防撞技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并在一些主要機場中得到了應(yīng)用。但是，整個系統(tǒng)并不完美。三、ADS自動相關(guān)系統(tǒng)1.CNS/ATM新航行系統(tǒng)國際民航組織基于對未來業(yè)務(wù)增長和應(yīng)用需求的預(yù)測，以解決未來航空中當(dāng)前導(dǎo)航系統(tǒng)缺乏安全性，容量和效率的問題，1983年在以下三種環(huán)境中提出了這一建議：直升機，太空和地面設(shè)施。衛(wèi)星和數(shù)字信息提供的通信（C），導(dǎo)航（N）和監(jiān)視技術(shù)（S）。由于當(dāng)時某些系統(tǒng)設(shè)備仍在開發(fā)中，并且無法提供所需的運行條件，因此國際民航組織將此提案稱為未來導(dǎo)航系統(tǒng)（FANS）解決方案。隨著各種可用的CNS技術(shù)的成熟，人們越來越關(guān)注新系統(tǒng)的好處，同時認(rèn)識到空中交通管理（ATM）是協(xié)調(diào)一致地使用CNS來實現(xiàn)安全有效的全球空中交通的關(guān)鍵，ATM操作級別已成為高級CNS系統(tǒng)技術(shù)的重點?；陂_發(fā)新導(dǎo)航系統(tǒng)的想法，國際民航組織將1993-94年FANS改名為CNS/ATM系統(tǒng)。制定計劃系統(tǒng)實施的指示，建議的標(biāo)準(zhǔn)和建議的措施，進一步加快了新導(dǎo)航系統(tǒng)的實施。1998年，國際民航組織大會再次修訂了全球CNS/ATM實施計劃，其中包括技術(shù)，運營，商業(yè)，金融，法律，組織和其他領(lǐng)域，并為在不同地區(qū)引入新的導(dǎo)航系統(tǒng)提供了更具體的指南。CNS/ATM系統(tǒng)在航空中的應(yīng)用將極大地改變?nèi)蚩罩薪煌ǖ陌踩?，有效性和靈活性。新的導(dǎo)航系統(tǒng)使民航進入了一個新的發(fā)展時代。2.ADS自動相關(guān)監(jiān)視"ADS是一種監(jiān)視技術(shù)，直升機通過數(shù)據(jù)連接自動發(fā)送由機載導(dǎo)航和定位系統(tǒng)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)至少包括直升機識別碼，三維位置和所需的附加數(shù)據(jù)。一個重要組成部分是空中交通服務(wù)（ATS）的功能，即直升機通過數(shù)據(jù)連接自動發(fā)送機載導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，這至少是直升機和三維的識別包括位置信息。還可以提供相應(yīng)的附加數(shù)據(jù)，ICAO建議使用三種類型的數(shù)據(jù)連接，即衛(wèi)星，VHF和輔助雷達S模式數(shù)據(jù)連接。四、國產(chǎn)增強型CTRS-B近地警告系統(tǒng)當(dāng)前市場上的防撞系統(tǒng)沒有對警告功能的設(shè)計給予足夠的重視。由于直升機地面碰撞保護技術(shù)的三個基本組成部分，動態(tài)監(jiān)視，沖突預(yù)測和警告消息沒有分為主要和次要部分，因此設(shè)計和研究的重點一直是動態(tài)監(jiān)視和沖突預(yù)測的領(lǐng)域。對警報消息的關(guān)注不夠。但是，從理論和實踐的角度來看，警報消息是一個非常重要的環(huán)節(jié)，代表了整個系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)盡可能地好。它們的作用和價值幾乎為零。完善系統(tǒng)應(yīng)該首先彌補這一短板。基于以上幾點考慮，中交遙感載荷科技有限公司（簡稱：CTRS）根據(jù)用戶需求，設(shè)計出了國產(chǎn)增強型CTRS-B近地警告系統(tǒng)，具有地形顯示功能和前視地形警戒能力，它能將周圍地形像地圖一樣顯示給駕駛員:在距離地形大約一分鐘的飛行時間或在更遠(yuǎn)的空域系統(tǒng)即可發(fā)出音頻告警。1.CTRS-B的基本原理CTRS-B的計算機內(nèi)有一個全球機場位置數(shù)據(jù)庫和一個全球地形數(shù)據(jù)庫，地形數(shù)據(jù)庫包含95％的全球土地狀況。GPS或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)RS將直升機的當(dāng)前緯度和經(jīng)度數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺TRS-B計算機，而大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)將直升機的壓力和高度傳輸?shù)紺TRS-B計算機。CTRS-B計算機從地形數(shù)據(jù)庫中提取該數(shù)據(jù)，然后比較航線前的地形信息以計算直升機的進近速度和高度以及一些最高的地形點，然后與指定的警報標(biāo)準(zhǔn)進行比較。由于使用了地形數(shù)據(jù)庫，因此CTRS-B可以比其他避撞系統(tǒng)更早地發(fā)出預(yù)警信號。CTRS-B在可能發(fā)生碰撞前1分鐘發(fā)出聲音警報，而其他防撞系統(tǒng)只能提前10至15秒發(fā)出警報。使系統(tǒng)具有未來的虛擬生存能力。2.系統(tǒng)構(gòu)成增強型CTRS-B低空飛行航空器防撞系統(tǒng)由四部分組成：北斗地面局域差分站、北斗局域差分接收機、便攜式防撞GIS顯示終端、應(yīng)用系統(tǒng)軟件等CTRS-B的功能特點1.前視警戒功能CTRS-B根據(jù)潛在的地形威脅向機組提供警戒級和警告級兩種報警。一種具有警戒等級的警報包絡(luò)，另一種具有警告等級的警報包絡(luò)。根據(jù)直升機前方的預(yù)測距離，直升機下方的高度偏差以及直升機兩側(cè)的橫向距離來確定警報范圍。前視距離主要取決于地速，隨著行駛速度的增加，預(yù)測距離也會增加，從而確保所有速度下的警報時間大致相同。超前距離基于沿平面的軌跡（上升，下降或水平）。高度偏差在直升機下方700英尺處，并且與直升機地面軌跡的任何一側(cè)的橫向距離均為1/8海里（0.23公里）。在潛在的地形碰撞威脅前35~50秒，觸發(fā)前視警戒級報警，20~30秒觸發(fā)警告級報警。2.地形顯示CTRS-B本身只作威脅來臨的告警計算，不帶顯示器，而是具有用于在顯示器上輸出活動地圖的界面，以便駕駛員可以監(jiān)視前方地形，提高態(tài)勢感知并避免潛在的地形沖突。因此，可以在駕駛艙儀表板上安裝特殊的主動式地圖顯示器，也可以在EFIS導(dǎo)航顯示器ND（EHSI）或彩色天氣雷達顯示器上全面顯示。但是，地形和氣象雷達數(shù)據(jù)無法同時顯示在同一顯示器上。因此，如果一個顯示器上顯示了地形，則可以在另一顯示器上選擇天氣信息。當(dāng)CTRS-B與監(jiān)視器結(jié)合使用時，可以在屏幕上再現(xiàn)頂部和底部地形。顯示屏上以紅色，黃色和綠色的虛線點顯示直升機前方的區(qū)域。顏色是根據(jù)直升機的當(dāng)前高度確定的。（1）綠色光點凡前方地形輪廓低于直升機500英尺或更大者顯示為綠色光點圖形。（2）黃色光點凡前方地形輪廓低于直升機500英尺以內(nèi)者或高于直升機2000英尺以內(nèi)者顯示為黃色光點圖形。（3）紅色光點凡前方地形輪廓高于直升機2000英尺以上者顯現(xiàn)為紅色光點圖形。為了減小顯示的混亂，任何低于直升機現(xiàn)行高度2000英尺的地形不顯示，只用黑色背景顯示。地形顯示可通過EFIS開關(guān)板上的地形顯示選擇按鈕人工選擇，但當(dāng)前視警戒或警告報警被激活時，地形也將自動顯示。五、CTRS-B的警告及機組的應(yīng)對措施警告的等級分成兩種，一為Warning，另一為Alert。其中Warning是比較嚴(yán)重的情況。1.Warning等級的情況有三種方式提醒飛行員(1)MasterWarning/CautionLight上的“WARNING”燈號會亮起。(2)PFD上，姿態(tài)儀的下方會出現(xiàn)警告文字("PULLUP”或“WINDSHEAR")(3)依所發(fā)生的狀況，駕駛艙內(nèi)發(fā)出警告的語音。2.Alert等級的狀況以下列兩種方示提醒飛行員:(1)儀表板上的GroundProximityLight會亮起。(2)發(fā)生的狀況，駕駛艙內(nèi)發(fā)出警告的語音。1.直升機在正常飛行或準(zhǔn)備降落過程中，地形急劇升高。剛開始時是Alert等級，發(fā)出的警告語音是“TERRAINTERRAIN"。若直升機沒有爬升，接著就會進入Warning等級，PFD上顯示“PULLUP"，警告語音是“WHOOPWHOOPPULLUP"。2.直升機起飛后或者重飛(Go-around)時，高度不升反降，或者沒有爬高，仍與地面接近。3.直升機離地很低，卻沒有放下襟翼或起落架。屬于Alert等級，剛開始的警告語音是“T00LOWTERRAIN"，接著會視情況發(fā)出“T00LOWFLAPS"(沒放襟翼)，或“T00LOWGEAR"(沒放起落架)。4.在降落過程中，直升機通過某些高度時，GPWS會以語音報出高度。在通過DecisionHight時會報出''MINIMUMS"，這并不算是警告狀況。六、CTRS-B在預(yù)防相撞事故中的作用1.發(fā)生相撞事故的原因直從發(fā)動機啟動到直升機著陸后撞，都有撞到障礙物和地面的風(fēng)險。這種情況最多發(fā)生在起飛和降落階段。進場和著陸時間僅占總飛行時間的4％，但地面碰撞事故占48.9％。作為巡航階段飛行時間的主要原因，撞山事故的發(fā)生率較低，主要是在下降，進近和著陸階段，直升機活動很多，離地面障礙物的高度較低，與地面交通管制聯(lián)絡(luò)頻繁，機組人員進行了許多操作，然后遇到惡劣的天氣，例如雷暴，大雨，強風(fēng)，低云，低能見度，風(fēng)切變和結(jié)冰，這是客觀因素。下面分析由于機組主觀原因造成相撞事故和事故的原因：(1)機組違反了基本的操作程序33。(2)缺少兩名駕駛員的交叉檢查26。(3)在非正常情況下缺乏正確的反映9。(4)駕駛員沒有正確地判定復(fù)飛6。(5)駕駛員在復(fù)飛時使用錯誤的操作程序