《直升機(jī)防相撞系統(tǒng)問題研究》

基于自動(dòng)監(jiān)視技術(shù)的直升機(jī)防相撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、加裝直升機(jī)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(xiǎn)。許多直升機(jī)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(jī)事故案件的主要原因。由于直升機(jī)的特性，直升機(jī)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(huì)疏忽大意。眾所周知，稍有疏忽會(huì)導(dǎo)致機(jī)機(jī)毀人亡。任何系統(tǒng)都會(huì)使人們犯錯(cuò)誤，直升機(jī)和飛行員也會(huì)犯錯(cuò)誤，這是不可避免的。因此，直升機(jī)必須安裝防撞系統(tǒng)。當(dāng)安裝了防撞系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)飛行員接近障礙物時(shí)，可以通過語音通知飛行員，同時(shí)直升機(jī)可以執(zhí)行自動(dòng)防撞控制，即，直升機(jī)可以自動(dòng)向安全方向移動(dòng)。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(jī)并保護(hù)大型直升機(jī)的安全。小型車輛或直升機(jī)的防撞系統(tǒng)的安裝指日可待。由于直升機(jī)機(jī)艙空間有限，因此，這種防撞系統(tǒng)的屏幕相對(duì)較小，可以放置在常規(guī)直升機(jī)屏幕的側(cè)面，并且激光雷達(dá)用于檢測(cè)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(bào)；在3米以內(nèi)，必須從機(jī)組人員手中接管直升機(jī)并將直升機(jī)移出障礙物危險(xiǎn)區(qū)域。二、直升機(jī)地面防相撞技術(shù)綜述動(dòng)態(tài)監(jiān)視、沖突預(yù)判和告警提示是直升機(jī)地面防相撞技術(shù)的三個(gè)基本組成部分。動(dòng)態(tài)監(jiān)視包括場(chǎng)面動(dòng)態(tài)監(jiān)視和進(jìn)近監(jiān)視。以前的研究主要集中在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景監(jiān)視上，在這種情況下，直升機(jī)降落在地面上引起的沖突風(fēng)險(xiǎn)通常被忽略，并且存在安全漏洞。實(shí)現(xiàn)監(jiān)視的最重要手段是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)，空域監(jiān)視雷達(dá)，多點(diǎn)監(jiān)視系統(tǒng)等。同時(shí)，可以連接飛行計(jì)劃，車輛位置，停機(jī)坪位置信息等。沖突預(yù)測(cè)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(cè)沖突的風(fēng)險(xiǎn)。這是直升機(jī)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(jī)，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(duì)場(chǎng)景條件進(jìn)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(jī)過程理論，混合系統(tǒng)理論，動(dòng)態(tài)路徑分配算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(xiǎn)模型是在戰(zhàn)略，戰(zhàn)術(shù)和運(yùn)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(gè)指標(biāo)來評(píng)估沖突風(fēng)險(xiǎn)。在運(yùn)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(qǐng)求警報(bào)時(shí)，在識(shí)別出沖突風(fēng)險(xiǎn)后，將提示控制器和其他關(guān)聯(lián)的員工立即采取對(duì)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(jī)防撞技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并在一些主要機(jī)場(chǎng)中得到了應(yīng)用。但是，整個(gè)系統(tǒng)并不完美。三、ADS自動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)1.CNS/ATM新航行系統(tǒng)國際民航組織基于對(duì)未來業(yè)務(wù)增長(zhǎng)和應(yīng)用需求的預(yù)測(cè)，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(jī)，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(shí)某些系統(tǒng)設(shè)備仍在開發(fā)中，并且無法提供所需的運(yùn)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?cè)絹碓疥P(guān)注新系統(tǒng)的好處，同時(shí)認(rèn)識(shí)到空中交通管理（ATM）是協(xié)調(diào)一致地使用CNS來實(shí)現(xiàn)安全有效的全球空中交通的關(guān)鍵，ATM操作級(jí)別已成為高級(jí)CNS系統(tǒng)技術(shù)的重點(diǎn)?；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(jì)劃系統(tǒng)實(shí)施的指示，建議的標(biāo)準(zhǔn)和建議的措施，進(jìn)一步加快了新導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)施。1998年，國際民航組織大會(huì)再次修訂了全球CNS/ATM實(shí)施計(jì)劃，其中包括技術(shù)，運(yùn)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(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)代。2.ADS自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視"ADS是一種監(jiān)視技術(shù)，直升機(jī)通過數(shù)據(jù)連接自動(dòng)發(fā)送由機(jī)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(jī)識(shí)別碼，三維位置和所需的附加數(shù)據(jù)。一個(gè)重要組成部分是空中交通服務(wù)（ATS）的功能，即直升機(jī)通過數(shù)據(jù)連接自動(dòng)發(fā)送機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，這至少是直升機(jī)和三維的識(shí)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(dá)S模式數(shù)據(jù)連接。四、國產(chǎn)增強(qiáng)型CTRS-B近地警告系統(tǒng)當(dāng)前市場(chǎng)上的防撞系統(tǒng)沒有對(duì)警告功能的設(shè)計(jì)給予足夠的重視。由于直升機(jī)地面碰撞保護(hù)技術(shù)的三個(gè)基本組成部分，動(dòng)態(tài)監(jiān)視，沖突預(yù)測(cè)和警告消息沒有分為主要和次要部分，因此設(shè)計(jì)和研究的重點(diǎn)一直是動(dòng)態(tài)監(jiān)視和沖突預(yù)測(cè)的領(lǐng)域。對(duì)警報(bào)消息的關(guān)注不夠。但是，從理論和實(shí)踐的角度來看，警報(bào)消息是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，代表了整個(gè)系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地好。它們的作用和價(jià)值幾乎為零。完善系統(tǒng)應(yīng)該首先彌補(bǔ)這一短板?；谝陨蠋c(diǎn)考慮，中交遙感載荷科技有限公司（簡(jiǎn)稱：CTRS）根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)出了國產(chǎn)增強(qiáng)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(shí)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(jì)算機(jī)內(nèi)有一個(gè)全球機(jī)場(chǎng)位置數(shù)據(jù)庫和一個(gè)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(jī)的當(dāng)前緯度和經(jīng)度數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺TRS-B計(jì)算機(jī)，而大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)將直升機(jī)的壓力和高度傳輸?shù)紺TRS-B計(jì)算機(jī)。CTRS-B計(jì)算機(jī)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(jì)算直升機(jī)的進(jìn)近速度和高度以及一些最高的地形點(diǎn)，然后與指定的警報(bào)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(hào)。CTRS-B在可能發(fā)生碰撞前1分鐘發(fā)出聲音警報(bào)，而其他防撞系統(tǒng)只能提前10至15秒發(fā)出警報(bào)。使系統(tǒng)具有未來的虛擬生存能力。2.系統(tǒng)構(gòu)成增強(qiáng)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(jī)、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(diǎn)1.前視警戒功能CTRS-B根據(jù)潛在的地形威脅向機(jī)組提供警戒級(jí)和警告級(jí)兩種報(bào)警。一種具有警戒等級(jí)的警報(bào)包絡(luò)，另一種具有警告等級(jí)的警報(bào)包絡(luò)。根據(jù)直升機(jī)前方的預(yù)測(cè)距離，直升機(jī)下方的高度偏差以及直升機(jī)兩側(cè)的橫向距離來確定警報(bào)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(cè)距離也會(huì)增加，從而確保所有速度下的警報(bào)時(shí)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(jī)下方700英尺處，并且與直升機(jī)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(jí)報(bào)警，20~30秒觸發(fā)警告級(jí)報(bào)警。2.地形顯示CTRS-B本身只作威脅來臨的告警計(jì)算，不帶顯示器，而是具有用于在顯示器上輸出活動(dòng)地圖的界面，以便駕駛員可以監(jiān)視前方地形，提高態(tài)勢(shì)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(dòng)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(dá)顯示器上全面顯示。但是，地形和氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)無法同時(shí)顯示在同一顯示器上。因此，如果一個(gè)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(shí)，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(diǎn)顯示直升機(jī)前方的區(qū)域。顏色是根據(jù)直升機(jī)的當(dāng)前高度確定的。（1）綠色光點(diǎn)凡前方地形輪廓低于直升機(jī)500英尺或更大者顯示為綠色光點(diǎn)圖形。（2）黃色光點(diǎn)凡前方地形輪廓低于直升機(jī)500英尺以內(nèi)者或高于直升機(jī)2000英尺以內(nèi)者顯示為黃色光點(diǎn)圖形。（3）紅色光點(diǎn)凡前方地形輪廓高于直升機(jī)2000英尺以上者顯現(xiàn)為紅色光點(diǎn)圖形。為了減小顯示的混亂，任何低于直升機(jī)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(bào)警被激活時(shí)，地形也將自動(dòng)顯示。五、CTRS-B的警告及機(jī)組的應(yīng)對(duì)措施警告的等級(jí)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(jí)的情況有三種方式提醒飛行員(1)MasterWarning/CautionLight上的“WARNING”燈號(hào)會(huì)亮起。(2)PFD上，姿態(tài)儀的下方會(huì)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(jí)的狀況以下列兩種方示提醒飛行員:(1)儀表板上的GroundProximityLight會(huì)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(jī)在正常飛行或準(zhǔn)備降落過程中，地形急劇升高。剛開始時(shí)是Alert等級(jí)，發(fā)出的警告語音是“TERRAINTERRAIN"。若直升機(jī)沒有爬升，接著就會(huì)進(jìn)入Warning等級(jí)，PFD上顯示“PULLUP"，警告語音是“WHOOPWHOOPPULLUP"。2.直升機(jī)起飛后或者重飛(Go-around)時(shí)，高度不升反降，或者沒有爬高，仍與地面接近。3.直升機(jī)離地很低，卻沒有放下襟翼或起落架。屬于Alert等級(jí)，剛開始的警告語音是“T00LOWTERRAIN"，接著會(huì)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(jī)通過某些高度時(shí)，GPWS會(huì)以語音報(bào)出高度。在通過DecisionHight時(shí)會(huì)報(bào)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)到直升機(jī)著陸后撞，都有撞到障礙物和地面的風(fēng)險(xiǎn)。這種情況最多發(fā)生在起飛和降落階段。進(jìn)場(chǎng)和著陸時(shí)間僅占總飛行時(shí)間的4％，但地面碰撞事故占48.9％。作為巡航階段飛行時(shí)間的主要原因，撞山事故的發(fā)生率較低，主要是在下降，進(jìn)近和著陸階段，直升機(jī)活動(dòng)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(jī)組人員進(jìn)行了許多操作，然后遇到惡劣的天氣，例如雷暴，大雨，強(qiáng)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(jī)組主觀原因造成相撞事故和事故的原因：(1)機(jī)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(shí)使用錯(cuò)誤的操作程序