雷 创

基于系统性能的近地告警技术研究

雷 创

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

基于多种导航信息综合处理、告警计算的近地告警系统，对于避免可控撞地事故、提升飞机安全具有重要意义。本文首先介绍了近地告警系统的工作原理，研究了基于SOC曲线的告警包线设计技术，并以过大近地速率告警模式为例进行了告警包线的仿真。最后，利用实际飞行数据分析验证了告警包线合理性以及导航信息可靠性对系统性能的影响。

近地告警；告警包线；可控飞行撞地

0 引言

可控飞行撞地（Controlled Flight Into Terrain，CFIT）事故历来是航空运输中最主要的危害因素之一，CFIT是指整个飞行过程中，在飞行员正常操作且没有任何机械或电子故障等情况下，由于飞行员失去对飞行态势的正确察觉或感知（包括飞机构型、飞行高度、高度变化率、前方地形和障碍物等），从而造成飞机撞到地面、水面、山岭或障碍物的事故[1-2]。

近地告警系统的成功研发和投入使用，大大提高了飞行的安全性。据统计，加装近地告警的飞机未曾发生一起可控撞地事故。随着对近地告警需求的不断增加，美国联邦航空局和中国民航总局分别制定了TSO-C151b和CTSO-C151b的《地形提示与警告系统》技术标准，规定了近地告警系统必须满足的最低工作性能标准。

近地告警系统内置多种告警模式，在起飞、巡航、进近、着陆等各个飞行阶段保护飞行安全，其中告警包线的合理性、导航信息的可靠性等均是影响系统工作性能的重要因素，同时影响着飞行员对近地告警系统的信任度。系统既要保护起降、航路的飞行安全，又不能滋扰飞行员，影响其正常操作。告警包线设计得不合理，要么频繁告警、虚警率过高；要么没有足够的反应和操作空间来避免碰撞的发生，影响飞行安全。国内外采用基于系统操作性能（System Operating Characteristic，SOC）的告警阈值分析和设计方法，得到研究学者和科研人员的广泛认可，用于系统研发中的告警包线设计，并根据实际需求进行优化[3-5]，从而满足安全飞行的应用需求。本文首先介绍了近地告警系统的工作原理，研究了基于SOC曲线的告警包线设计技术，并以过大近地速率告警为例进行了告警包线的设计仿真，最后利用实际飞行数据分析验证了告警包线合理性以及导航信息可靠性对近地告警系统性能的影响。

1 近地告警系统工作原理

近地告警系统通过采集机载大气数据系统、无线电高度表、惯性/卫星组合导航系统和仪表着陆系统等导航信息，根据起落架、襟翼等飞机构型，并结合内置的地形数据库、机场数据库以及当前飞行阶段，进行多种模式的告警计算，当飞机有撞地危险时，输出语音和指示灯告警信息，显示前方威胁地形，提醒飞行员进行威胁规避，可有效避免可控撞地事件，如图1所示。

图1 近地告警系统工作原理

近地告警系统主要包括近地告警计算机和控制板两个部件。近地告警计算机作为整个系统的核心，内置过大下降速率告警、过大近地速率告警、起飞后掉高度告警、非安全离地高度告警、过大下滑道偏差告警、高度呼叫、前视地形回避告警和威胁地形渲染等告警模式；控制板用于实现下滑道抑制、起落架抑制和襟翼抑制等告警抑制功能，以及二维/三维地形切换、量程调节等人机交互功能。

2 基于SOC曲线的告警包线设计

2.1 SOC分析方法

在各个飞行阶段，近地告警系统周期性的计算当前飞行状态是否进入告警包线区域内从而发出告警提示，系统设计中需考虑虚警和漏警等问题。基于概率统计理论，利用SOC曲线的告警包线设计方法，能够综合考虑虚警和漏警等对系统的影响，以及运用蒙特卡洛仿真方法得到不同状态下最佳的告警阈值点。

图2 SOC曲线示意图

定义系统告警的收益函数如式（3）所示：

2.2 飞行轨迹预测

根据系统的工作原理，告警发生后飞行员经过一定的反应延迟后操纵飞机规避危险。因此飞机告警后规避轨迹可分为反应延迟阶段、拉升逃逸阶段与稳定保持阶段，如图3所示。其中实线为根据当前状态预测的飞行轨迹，虚线为产生告警后飞行员操纵飞机的逃逸轨迹。

图3 飞行轨迹预测

2.3 过大下降速率告警模式包线仿真

过大下降速率告警模式适用于所有飞行阶段，告警触发条件与襟翼、起落架等飞机构型无关，告警示意图如图4所示。在飞行过程中，该模式监控飞机的无线电高度与下降速率，当下降速率过大时产生告警提示。其中，下降速率可通过大气数据系统的升降速度、惯性/卫星组合导航系统的天向速度等方式获得。根据危及飞机飞行安全的程度，该模式分为注意级告警和警告级告警两个级别。当进入注意级边界时，输出注意级的“下降率”告警；当进入警告级边界时，输出警告级的“拉起”告警；当飞机脱离告警区域时，告警立即解除。

图4 过大下降速率告警示意图

过大下降速率告警是防止飞机因过大的下降速率而导致撞地事故，该模式由无线电高度和下降速率两个参数进行告警计算判断是否进入报警区域并产生告警。由此，采用蒙特卡洛仿真的方法，首先固定一个无线电高度作为初始参数，对飞机下降速率进行一定范围内的循环，即在每个循环体中都有一对确定的状态参数共同作为初始条件。根据初始条件进行如图3所示的预测轨迹和告警后逃逸轨迹的模拟仿真。

基于上述条件进行仿真验证，可获得最佳告警收益点时无线电高度和下降速率的对应值，注意级和警告级的告警阈值如图5所示，进行拟合后得到过大近地速率的告警包线如图6所示。

图5 注意级和警告级告警阈值仿真

图6 过大下降速率告警包线

3 飞行数据验证

过大下降速率告警模式用于在飞机下降速率过大时产生告警提示，但不能在正常降落阶段产生告警滋扰。根据2.3节中的过大下降速率告警包线，结合飞机实际着陆过程中的导航数据，对其在正常着陆阶段的导航信息和告警结果进行分析验证。

着陆过程中海拔高度的变化如图7所示，可以看出高度变化始终较为平缓；飞机的下降速率如图8所示，分别为大气数据系统的升降速度和惯性/卫星组合导航系统的天向速度。因气流及其工作机理等因素的影响，升降速度的波动较大，而天向速度较为平稳，相比较而言，天向速度可真实地反应飞机海拔高度的变化。图9和图10分别为基于升降速度和天向速度产生的告警结果，0表示无告警，1表示产生注意级告警，2表示产生警告级告警。

图7 着陆阶段的海拔高度随时间的变化

图8 着陆阶段的下降速度对比

图9 基于升降速度计算的告警结果

图10 基于天向速度计算的告警结果

可以看出，同样是反应飞机下降速率的导航信息，不同信息源的选择，产生的告警结果是不同的。因为升降速度的波动性，多次产生了注意级告警和警告级告警，均为虚警，干扰了飞行员的正常着陆操作，并且这种波动是无法通过信息滤波等方式消除的；而基于天向速度的方式在整个着陆阶段始终未触发告警包线。

因此，告警包线的合理性以及导航信息的可靠性均决定着近地告警的系统性能。两种导航源测量下降速率的机理是不同的，惯性/卫星组合导航系统的天向速度更能真实、精确地反映飞机真实高度的变化，用于告警计算更为准确，因而天向速度宜作为过大下降速率告警模式的首选导航源。

4 结论

近地告警系统对于提高飞行安全具有重要意义，本文介绍了近地告警系统主要功能和工作原理，研究了基于SOC曲线的告警包线设计方法，结合近地告警特点分析了飞行轨迹预测和规避轨迹模型，对过大近地速率告警模式进行了告警包线的仿真。利用实际飞行数据，分析了告警包线合理性及导航信息可靠性对系统性能的影响，验证了采用可靠的导航数据可显著降低近地告警系统的虚警率。

[1] 徐柏龄. 新中国民航飞行安全回顾与思考[M]. 北京：中国民航出版社，1999．

[2] 赵晓晴. 基于飞行仿真的近地告警验证系统的研究与实现[D]. 天津：中国民航大学，2015．

[3] 陈广永，何亦征，龚华军. 近地告警系统报警阈值算法研究[J]. 航空电子技术，2007，38（3）：25-30．

[4] 杨超. 地形感知和告警系统（TAWS）研究及仿真实现[D]. 上海：上海交通大学，2011．

[5] 傅辰涛. 地形感知和告警系统中地形数据和告警功能的研究与实现[D]. 南京：江苏科技大学，2014.

Research of Ground Proximity Warning Based on System Characteristic

LEI Chuang

Based on the comprehensive processing and the alarm calculation of multiple navigation information, Ground Proximity Warning System is of great significance for avoiding controlled flight into terrain accidents and improving aircraft safety. First，the paper introduces the working principle of Ground Proximity Warning System, and studies the design technology of the alert envelope based on the SOC curve. Second, as an example, the warning mode of the high near ground rate is taking to simulate the alerting envelope. Finally, by using the actual fighting data, the rationality of alerting envelope and the reliability of navigation information are analyzed to affect the performance of the system.

Ground Proximity Warning; Alerting Envelope; Controlled Flight Into Terrain

U674

A

1674-7976-(2021)-04-246-05

2021-04-25。雷创（1983.10-），陕西大荔人，高级工程师，博士，主要研究方向为机载导航系统技术、智能安全导航技术等。