一种用于机载防撞系统的接收环路自检方法

作者/郑红，四川九洲空管科技有限责任公司



一种用于机载防撞系统的接收环路自检方法

作者/郑红，四川九洲空管科技有限责任公司

文章摘要：本文公开了一种用于机载防撞系统ACAS收发主机的接收环路自检方法，该方法在不增加额外的硬件设备的条件下，利用设备原有组成模块及其固有的通信渠道配合工作，软件编程实现。该方法能自动、周期性、有效地实现ACAS收发主机的接收环路自检测，可完成功能模块级故障定位，实现故障隔离，便于维修保障，满足设备测试和维护需求。

关键词：机载防撞、TCAS、ACAS收发主机、接收环路、自检

1.引言

随着国家经济的发展，空中交通流量大幅度增加，飞机空中危险接近的潜在可能性增加，给保证国家的飞行安全带来了巨大的压力。依赖地面空中交通管制来保证飞机之间的空中交通安全已难以满足需要。机载防撞设备作为国际通用防止飞机空中危险接近、碰撞的最有效机载设备。其不依赖于地面空中交通管制系统，在飞机发生危险接近之前，可直接向飞行员提出警告，并给出避让建议，使飞机相互避让，它具备的防撞功能和提供信息的时效性及准确性都是地面系统所无法比拟的。

2.机载防撞系统工作原理

机载防撞系统（即TCAS-Traffic Alert and Collision Avoidance System）由美国联邦航空局（FAA）定义，是防止空中飞机危险接近和相撞事故发生的必不可少的设备。TCAS主要用于为飞机提供空中安全分隔保证，系统采用二次雷达的方式探测附近空域的接近飞机，必要时，提醒飞行员采取规避措施以与其它飞机保持适当的安全间距，达到防碰撞的目的。具体来说，机载防撞设备应具有空中交通告警/防撞、空管应答和广播式自动相关监视功能。通过近几年的飞行实践证明，该系统是防止飞机空中相撞的最后一道防线，也是目前最有效的手段之一，它克服了地面空中交通管制的局限性，能提供超出地面交通管制所能提供的飞行安全保证能力，对应付空中突发的危险接近，避免空中相撞有巨大的作用。

系统的ACAS收发主机通过控制天线波束指向，对飞机前、后、左、右4个区域进行扫描询问，附近装有空管应答机（S模式/ATCRBS应答机）的飞机（以下称为目标机）就会做出应答。ACAS收发主机根据收到的应答信号，获得目标机的高度、相对距离、速度、方位等目标信息，并进而计算其高度变化率、相对距离变化率，同时结合本机的位置信息和运动信息，监视、跟踪目标机，建立、更新和维护目标航迹。将监视和更新的目标航迹与本机信息综合，评估出目标机的威胁级别（OT：其它飞机，PT：接近飞机，TA：交通告警，RA：决断告警），从而产生交通咨询，或进一步依据威胁程度产生分析咨询，防止与其它飞机发生碰撞；当双方都装有防撞系统时，能够通过S模式数据链交换防撞信息，达到相互配合避让的目的。否则，机载防撞系统将引导本机实现主动避让。

图1　ACASII系统对不同类型系统的响应

如果系统检测到接近飞机不具有高度报告的能力，则只提供交通咨询。

如果接近飞机没有装备任何类型的航管应答机，TCAS系统无法获得这类飞机的信息，进而产生不了咨询建议。TCAS系统对不同类型系统的响应如图1所示。

3.接收环路自检方法

本文提出了一种用于机载防撞系统的ACAS收发主机接收环路自检测方法，该方法在不增加额外的硬件设备的条件下，利用设备原有组成模块JSCPU、FPGA、接收机模块、译码模块和FZCPU及其固有的通信渠道配合工作，软件编程实现，其组成框图如图2所示。在设备的整个工作过程中，该自检保持1s/次的频率周期性进行，FZCPU会将自检故障代码通过ARINC429总线上报给载机维护系统，进行故障显示和记录。

ACAS收发主机接收环路自检流程如图3所示，其具体处理流程如下：

第1步，JSCPU判断1s定时器是否到达，如果定时器到达，则进入第2步，如果未到，则继续等待；

第2步，JSCPU通过数据总线下发C模式闭环自检命令给编码FPGA；FPGA收到该自检命令后，FPGA编码生成一个标准C模式应答码信号给接收机模块，同时还会生出一些控制信号给到接收机模块，包括有自检使能信号、4个发送通道信号、4个接收通道信号和自检混频信号。

图2　ACAS收发主机闭环自检组成框图

第3步，接收机模块根据控制信号状态把接收到的应答码信号经D/A转换成4个通道的视频幅度信号给到译码模块；译码模块根据接收到FPGA的工作模式信息，判断出系统工作状态，确定自己的解码模式，同时结合距离门信号、发射框架信号和应答码信号解码出相应的译码信息，准备好上传JSCPU的报表数据并向JSCPU发起传输译码数据的中断请求；JSCPU接收到该中断请求后，根据事先约定好的报表长度，通过数据总线向译码模块发起读取译码数据报表的信号；

第4步，JSCPU根据接收到的译码数据报表，提取出飞机高度信息，并和事先约定好的飞机高度信息作比较，如果一致，则判定C模式闭环自检正常；否则判定C模式闭环自检故障。C模式闭环自检结束；

第5步，JSCPU通过数据总线下发S模式闭环自检命令给编码FPGA；FPGA收到该自检命令后，编码生成一个长112位的标准S模式应答码，其中包含约定好的飞机相关高度，速度信息和飞机地址码信息。同时还会生出一些控制信号给到接收机模块，包括有自检使能信号、4个发送通道信号、4个接收通道信号和自检混频信号。

第6步，重复第3步步骤；

第7步，JSCPU根据接收到的译码数据报表，提取出飞机的相关高度，速度信息和飞机地址码信息，并和事先约定好的标准S模式应答码作比较，如果一致，则判定S模式闭环自检正常；否则判定S模式闭环自检故障。S模式闭环自检结束；

第8步，JSCPU通过FPGA内部的RAM功能模块将该自检结果传给FZCPU；FZCPU将该自检结果通过429数据格式上报综合显示系统。

通过采用以上的技术方案，可以实现在系统的整个工作阶段进行实时故障监测，并将自检结果上报载机维护系统进行故障显示和记录。并且根据不同的自检结果，可以准确定位故障位置，做到有效地故障隔离，极大的提高了设备的可靠性和维修性。

图3　闭环自检工作流程图

4.结语

针对现有机载防撞系统的测试性要求，进一步提高故障检测和定位能力，本文提供了一种机载防撞系统ACAS收发主机接收环路自检方法。该方法能自动、周期性、有效地实现ACAS收发主机的接收环路自检测，可完成功能模块级故障定位，实现故障隔离，便于维修保障，满足设备测试和维护需求。同时由于该方法利用设备固有硬件资源通过软件编程的方式实现，无需测试设备和人工介入，有效地节省了人力、物力成本，提高了设备的测试性和维修性，便于设备生产和维修。

参考文献

＊[1] RTCA/DO—185B Minimum Operational Performance Standa rds for Traffic Alert and Collision Avoidance System II (TCAS II)

＊[2]张尉.二次雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2007.