民用飞机TCAS与XPDR测试激励器研究

郎梦梦

（上海飞机设计研究院，上海201210）

随着民航事业的不断发展，对大型民机的安全性能要求逐渐提高，交通监视功能的应用能够有效减少飞机相撞的事故率，提高飞机的安全性[1-3]。交通监视功能包括TCAS（交通告警和防撞系统）和XPDR（S模式应答机）功能，通过探测临近空域的入侵飞机的威胁，向本机的飞行员发出告警，并提示飞行员做出相应决策[4-5]。相对于国外较为成熟的研究，国内该方向的研究起步较晚，在测试权威性方面与国外也有一定差距。

本文对TCAS与XPDR仿真激励器进行研究，可以减少早期测试成本，更加高效对飞机空中相撞的场景进行模拟测试[6]。为健全民机测试条件，对TCAS与XPDR测试激励器的研究具有重要的现实意义。

1 仿真激励器设计流程

仿真器软件总体设计流程如图1所示，以WINDOWS XP为软件设计的编程环境，建立仿真激励器的数据库。为营造逼真交通场景，采用专业航空仪表绘图软件编写交通监视人机交互页面；通过启动网络测试线程检测网络连接状态是否正常；依据真实场景进行场景设置以及故障注入；通过发送入侵飞机目标验证激励的告警信息，通过仿真模式询问，显示正确的应答信息。

图1 设计流程图

2 仿真激励器组成

测试激励器主要由仿真器主机和外部电缆组成。TCAS与XPDR仿真模块、综合处理I/O模块、转接单元、机柜单元、内部电缆五部分构成了仿真器主机。PXI控制器、PXI机箱、ARINC664板卡、ARINC429板卡、离散量板卡等构成了综合处理I/O模块。显示器、一体化键盘鼠标、音响等构成了机柜附件。交通监视仿真激励器组成如图2所示。

图2 交通监视仿真激励器组成

3 模拟目标轨迹原理计算

通过在人机交互界面完成模拟目标参数与本机飞机参数的初始设置，软件会根据模拟目标飞机的初始高度（Alt）、初始高度速率（Alt_Rate）、初始高度加速度（Alt_Accel）、初始水平距离（Range）、初始水平速度（Air_Speed）、航迹角（Angle）等参数进行实时计算，从而得到模拟目标与本机之间高度、距离和方位角等信息。且设定本机参数和模拟目标的参数每t秒更新一次。模拟目标飞机示意图如图3所示。

图3 模拟目标飞机示意图

模拟目标高度计算公式如下：

其中Alt表示高度，Alt_Rate表示高度速率，Alt_Accel表示高度加速度。

本机与目标飞机相对距离RR计算公式如下：

Forward Range是本机到目标飞机距离的x分量，Side_Range是从本机到目标飞机距离的y分量。Angle是从x坐标轴顺时针测量的其他飞机的航向角。AltOWN表示本机的高度，AltOTHER表示目标飞机的高度。

在激励器控制软件主界面输入本机参数以及模拟目标参数，仿真激励器依据上述原理算法进行模拟目标轨迹计算，实现对目标飞机的监控。并依据DO-185B文件，按照威胁程度将目标飞机分为“其他（OTHER）”“临近（PROX）”“交通咨询（TA）”“决断咨询（RA）”四个等级，并将本机与模拟目标飞机在显示界面进行显示。

4 整机功能要求

测试激励器设置按照ARINC735A、ARINC735B、ARINC718A的相关要求进行封装，通过TCAS与XPDR系统中的Testport端口完成数字激励；能够仿真真实交通监视系统所有ARINC 429、ARINC 664等数字总线接口的输出功能，能够提供交通监视功能所有离散量、模拟量接口的输出功能；能够在实验室环境下根据TCAS与XPDR系统激励需求，完成场景设置（含入侵飞机高度、方向、轨迹等）；具备应答A、C、S模式询问的能力，且根据仿真询问信号指令模拟出正确的参数，并在显示界面显示；能够对TCAS和XPDR系统Testport端口的输出数据进行状态监控，且能够对监控数据进行解析、显示。

5 典型场景测试

仿真场景测试能够模拟真实飞机的飞行验证工作，在测试激励器场景库中，有设置场景库和典型场景库两种。典型场景库是为了方便用户使用，在对TCAS/XPDR系统进行数字激励时，可直接从典型场景中调用预置的场景来完成场景激励。

以一个典型场景四为例进行测试，模拟空中单架无高度应答能力的入侵飞机从本机的正后方逐渐靠近的过程，且入侵飞机在运动过程中类型由其他飞机、临近飞机、TA告警飞机变化，在变化过程中，依据TCAS逻辑产生相应的语音告警。本机参数设置见表1，入侵飞机参数设置见表2。典型场景四中入侵飞机与本机的显示场景如图4所示。

表1 本机参数设置表

表2 入侵飞机参数设置表

图4 典型场景图

6 结论

本文研究了一种民用飞机TCAS与XPDR测试激励器，针对激励器的设计流程、结构组成及功能进行了详细介绍，并以一种典型场景进行测试验证。该测试激励器的研究可以使设计人员深入理解设计规范、性能标准、功能需求，促进后续国内民机TCAS和S模式应答机综合集成验证工作的开展。