一种机载前向交通预警系统的实现方法

段建军

（四川九洲空管科技有限责任公司，四川绵阳，621000）

0 引言

近年来，随着小型、中型、大型飞机等航空器的不断激增，空域变得越来越“拥挤”，特别是随着未来低空空域的改革，小型飞机将越来越多。民用小型无人机可承担货运任务，民用小型教练机可培养飞行员飞行私人飞机。军用小型无人机可承担侦察等军事任务，军用小型教练机可培养飞行员执行军事任务。未来，小型飞机与中、大型飞机以及小型飞机间的交叉飞行的情况将更频繁，存在空中碰撞的危险，需采用机载的空中监视、防相撞设备，保障飞机的飞行安全。

目前，中型、大型飞机采用机载防撞系统，通过四象限定向天线进行询问探测目标飞机，评估目标飞机威胁级别，进行空中交通碰撞威胁的告警，提示飞行员操作避让碰撞。小飞机采用地对空的航管应答监视，缺乏空空监视预防空中交通碰撞的预警方法。由于定向天线直径有200多毫米，在小飞机上找不到合适的安装位置，且即使安装上了也影响小飞机的气动性能，不适合小型无人机、教练机等小飞机。同时，随着中、大型飞机的功能不断增多安装的天线也不断增多，安装四象限定向天线也越来越困难。

1 系统概述

由于飞机在飞行中的碰撞威胁主要来自前方，可采用机载前向交通预警系统将四象限定向天线替换为与飞机机翼或其他飞机位置共形的数字相控阵天线，或与其他系统共用的数字相控阵天线，形成和、差、控制波束，采用C模式序列询问和S模式点名询问策略，在1秒周期内完成对前向180度范围内的目标飞机进行探测，形成目标飞机的航迹，同时接收目标飞机的ADS-B信息，形成ADS-B航迹。机载前向交通预警系统将询问探测的目标航迹和ADS-B航迹融合处理进行混合监视，对本架飞机前向的C模式、S模式、ADS-B目标进行监视跟踪，评估目标飞机对本架飞机的威胁程度，产生交通预警，同时通过本架飞机的S模式数据链将交通预警信息发送给目标飞机进行协同避撞，解决小飞机空中飞行碰撞威胁的问题，大中型飞机随着天线增多安装困难的问题。

前向交通预警系统由数字相控阵天线、前向交通预警处理主机组成，如图1所示。

2 系统实现方法

2.1 前向目标探测

基于机翼数字相控阵天线的前向交通预警系统最为复杂，基于飞机其他位置的共形数字相控阵天线的前向交通预警系统的实现方法与基于机翼数字相控阵天线的前向交通预警系统的实现方法类似。下面以最复杂的基于机翼数字相控阵为例，安装示意图如图 2所示。

基于机翼数字相控阵天线的前向交通预警系统框图如图 3所示。

左或右机翼数字相控阵共形天线可以由5个或多个天线单元组成。以5个天线单元为例，4个天线单元用于形成和、差波束，一个单元用于形成控制波束。天线单元越多，探测目标飞机的方位精度越高，距离越远。根据询问目标飞机的单个询问和波束调度时间，通过对询问目标飞机的波位进行合理规划，考虑合成波束宽度的误差，相邻两个波束间要有5度的交叉覆盖，0度方向要从—5度开始，180度方向要到185度，实现前向180度无缝隙覆盖。前向交通预警系统在1秒时间内完成对本架飞机前向180度区域目标飞机的探测。

2.2 主动监视

2.2.1 概述

前向交通预警系统通过C模式和S模式主动询问实现对目标飞机的主动监视，分为C模式目标监视和S模式目标监视。

2.2.2 C模式目标监视

前向交通预警系统的左右处理一致，以左为例。前向交通预警系统按照规划的波位进行C模式序列询问编码，通过前向交通预警处理主机内的左发射数字波束合成和编码模块、左射频发射通道，形成和波束和S1、P1、P3、P4编码脉冲，使用4个天线单元发射，形成控制波束和P2编码抑制脉冲，使用一个天线单元发射，完成C模式询问。

为了减少在一个波位目标飞机的应答干扰，采用控制询问功率形成C模式序列询问策略，对目标飞机进行询问。询问后，由4个天线单元、前向交通预警处理主机内的左射频接收通道和左接收数字波束合成模块，形成和、差波束接收目标飞机的应答信号，通过和、差波束比幅和波束瞄准轴角度判断目标飞机的具体方位。和差波束简单来说就是对目标方向形成的主瓣即和波束，同时形成的零陷即差波束，如图 4所示。

首先测量天线方向图测试不同方位的和差波束的幅度值，某个方位和差波束的幅度值如图 5所示，将不同方位的和差幅度比值制成表。

然后，前向交通预警系统探测到目标飞机时，使用鉴相器输出飞机偏离波束瞄准轴的左边或右边，使用包络检波器和查表输出飞机偏离波束瞄准轴的角度。最后，目标飞机的方位角=波束瞄准轴角度（如图 6所示的30度）+目标落在波束内的角度（如图 6所示的两个目标，一个目标为负0.8度，另一个目标为正0.5度）。

前向交通预警系统通过译码模块解析应答信息获得目标飞机的高度，通过询问应答的时间获得目标飞机的距离。综上所述，前向交通预警系统完成对C模式目标飞机的监视。

2.2.3 S模式目标监视

前向交通预警系统在不进行询问目标飞机时，通过前向交通预警处理主机内的左射频接收通道和左接收数字波束合成模块，接收4个天线单元的射频信号，形成多波束接收S模式目标飞机的断续震荡，通过比较接收的多波束合成的多个波束幅度值判断大概方位，通过左译码模块译出目标飞机断续震荡信息中的S模式地址，对目标飞机编码进行精确的S模式点名询问。通过前向交通预警处理主机内的左发射数字波束合成和编码模块、左射频发射通道，形成和波束和P1、P2、P6编码脉冲，使用4个天线单元发射，形成控制波束和P5编码抑制脉冲，使用一个天线单元发射，完成S模式点名询问。

询问后，由4个天线单元、前向交通预警处理主机内的左射频接收通道和左接收数字波束合成模块，形成和、差波束接收目标飞机的应答信号，通过和、差波束比幅判断目标飞机的具体方位，通过左译码模块获得目标飞机的高度，通过询问应答的时间获得目标飞机的距离。综上所述，前向交通预警系统完成对S模式目标飞机的监视。

2.3 被动监视

前向交通预警系统在形成多波束接收S模式目标飞机的断续震荡进行S模式目标飞机监视时，同时接收目标飞机发送的ADS-B 信息，进行目标机ADS-B信息解析，获取目标飞机的航班号、经纬度、高度、速度、S模式地址、A代码等信息，实现对目标飞机的被动监视。目标飞机的经纬度等信息由全球导航卫星系统/惯性导航系统（GNSS/INS）提供。GNSS主要指美国的全球定位系统（GPS）、包括俄罗斯的GLONASS、中国的北斗系统。INS采用陀螺仪和加速计等惯性敏感器件的自主式导航系统。

2.4 混合监视

前向交通预警系统将主动监视和被动监视组合为混合监视，对具备ADS-B OUT的S模式目标，采用被动接收目标飞机的ADS-B广播报文，接收目标飞机的经纬度、高度信号，结合本机信息完成目标监视，然后通过动态主动询问监视进行对目标飞机的确认。如果主动监视距离和高度的接近时间都大于时间门限，并且主动询问有效，主动监视转换为混合监视。如果主动监视距离和高度的接近时间都小于时间门限，或主动询问失效，混合监视转换为主动监视。如果接收的ADS-B信号小于被动监视门限，并且本机和目标机的信息有效，混合监视转换为被动监视。如果接收的ADS-B信号大于等于被动监视门限，或本机和目标机的其中一个信息失效，被动监视转换为混合监视。如果主动监视距离和高度的接近时间小于等于时间门限，被动监视转换为主动监视。主动监视不能直接转换为被动监视。

前向交通预警系统通过混合监视实现降低对S模式目标的询问，减少询问频率，从而降低对空域中1030MHz频谱的占用，减少空间电磁信号之间的干扰。

2.5 协同避撞

前向交通预警处理主机内的目标飞机的监视和交通预警处理模块将探测到左和右的C、S模式目标飞机的信息与接收到的ADS-B目标飞机信息进行融合处理，形成前向180度空域目标飞机航迹，完成目标飞机的航迹监视、跟踪。前向交通预警系统对接近飞机进行跟踪，建立包括距离范围、相对方位和相对高度的跟踪信息，并计算接近飞机的相对位置、接近距离和高度变化率。将监视和跟踪的目标飞机航迹与本机信息综合，评估出目标飞机的威胁级别（OT：无威胁，PA：接近威胁，TA：交通告警，RA：决断告警），并将目标飞机信息送显。当目标飞机的威胁级别为TA时，系统显示目标飞机信息的同时伴有语音告警，提示飞行员注意观察目标飞机的飞行情况。如果目标飞机的威胁级别为RA时， 系统显示目标飞机信息的同时伴有语音告警，提示飞行员操作。在产生RA的过程中，如果接近本机存在碰撞危险并也装有TCAS II系统的飞机，本架飞机将会与目标飞机建立一个机动协调数据链路，确保两机间的决断告警是协调和兼容的，实现飞机间的协调避让。如果系统检测到入侵飞机不具有高度报告的能力，则提供交通告警。如果入侵飞机没有装备任何类型的航管应答机，系统无法获得这类飞机的信息，进而产生不了咨询建议。

前向交通预警系统判断目标飞机是否对本机构成潜在碰撞危险，确定在最接近点的空中间隔是否存在潜在的冲突威胁，通过防撞解算、评估目标机威胁级别，输出交通告警（TA）、决断告警（RA）。当输出决断告警（RA）时，前向交通预警系统向飞行员输出避让建议（最适宜的垂直方向上的机动），两机之间的避让意图通过S模式数据链进行交互，实现协同避撞。

3 结束语

前向交通预警系统是防止空中飞机危险接近和相撞事故发生的设备，独立于地面交通管制系统的进行工作。前向交通预警系统采用数字相控阵天线进行C模式、S模式询问，接收并解析目标飞机的应答信号和ADS-B信号，获得目标飞机相对本机的距离、高度、方位，实现对目标飞机的监视和跟踪。同时，前向交通预警系统通过防撞逻辑计算判断目标飞机对本机的碰撞威胁程度，为飞机提供空中安全分隔保证，提醒飞行员采取规避措施，实现空中交通预警。