基于IMA的綜合監(jiān)視集成解決方案

吳琛

摘 要：綜合監(jiān)視系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)告警系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)、個(gè)性化設(shè)置的需求，以及天線和收發(fā)機(jī)的存在，使其區(qū)別于一般的告警系統(tǒng)。而基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成方案則很好地將天線和收發(fā)機(jī)獨(dú)立出來(lái)，并且使用全機(jī)共享的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決數(shù)據(jù)庫(kù)和個(gè)性化設(shè)置的需求。這樣，綜合監(jiān)視的處理軟件就可以看作CAS告警的一個(gè)基本處理算法單元，而圖形處理軟件同樣也可以看作是顯示系統(tǒng)圖形處理模塊的一個(gè)基本算法單元。在這里，采用一種基于IMA的集成方案來(lái)對(duì)綜合監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理軟件集成于IMA中的CAS模塊中，將綜合監(jiān)視圖形顯示的處理軟件集成于顯示系統(tǒng)的圖形處理模塊中。所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)可以存儲(chǔ)于IMA的存儲(chǔ)器中。另外，采用集成式的交通監(jiān)視天線，將收發(fā)機(jī)集成于頂部天線（TOP ANT）和底部天線（BOT ANT）。

關(guān)鍵詞：綜合監(jiān)視系統(tǒng) 集成式交通天線 IMA 顯示系統(tǒng) CAS

中圖分類(lèi)號(hào)：V243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0013-03

1 系統(tǒng)概述

綜合監(jiān)視系統(tǒng)（ISS）是由傳統(tǒng)的氣象雷達(dá)（WXR）、地形提示和警告系統(tǒng)（TAWS）、交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS），以及S模式應(yīng)答機(jī)（XPDR）四個(gè)子系統(tǒng)集成而形成的集成式系統(tǒng)。從功能對(duì)象上分為氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視三大監(jiān)視功能。綜合監(jiān)視系統(tǒng)通常采用航線可更換設(shè)備（LRU）集成方式見(jiàn)表1。

氣象監(jiān)視和傳統(tǒng)的氣象雷達(dá)類(lèi)似，主要由氣象雷達(dá)收發(fā)機(jī)（WXR RTM）、氣象處理模塊，氣象雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)（WXR DRV）以及氣象雷達(dá)天線（WXR ANT）組成，通過(guò)發(fā)射和接收雷達(dá)波來(lái)探測(cè)氣象，并通過(guò)顯示器顯示出氣象圖形數(shù)據(jù)，并通過(guò)音響和目視告警將危險(xiǎn)信息傳送給飛行機(jī)組。目前使用的氣象雷達(dá)功能主要包括傳統(tǒng)的氣象探測(cè)功能、紊流探測(cè)功能、輔助地形掃描功能、預(yù)測(cè)型風(fēng)切變（PWS）功能，目前正在推廣的垂直氣象剖面顯示和垂直氣象分析功能，未來(lái)可能會(huì)發(fā)展基于網(wǎng)絡(luò)的氣象信息共享功能。

地形監(jiān)視主要是由地形提示和警告系統(tǒng)由地形數(shù)據(jù)庫(kù)（包括地形數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)、機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)、跑道數(shù)據(jù)等）、告警包線、運(yùn)算處理單元組成。地形提示和警告系統(tǒng)主要是利用全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)（IRS）、無(wú)線電高度表（RA）、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ADS）等系統(tǒng)的輸入信息計(jì)算飛機(jī)的位置、高度信息，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的地形進(jìn)行比對(duì)，測(cè)算出危險(xiǎn)的地形，通過(guò)目視和音響系統(tǒng)將危險(xiǎn)信息傳送給飛行機(jī)組。地形提示和警告系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)的近地警告系統(tǒng)功能、基于地形數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)測(cè)型地形功能，以及反應(yīng)型風(fēng)切變（RWS）功能，當(dāng)前工業(yè)界正在推廣垂直地形剖面顯示功能。

交通監(jiān)視功能集成了傳統(tǒng)的交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS）和S模式應(yīng)答機(jī)（XPDR）。主要是通過(guò)詢(xún)問(wèn)和應(yīng)答機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)周?chē)沼蛑懈黠w機(jī)的位置和高度，并通過(guò)目視和音響系統(tǒng)來(lái)為飛行機(jī)組提供危險(xiǎn)的信息。當(dāng)前，航空工業(yè)界正在推廣一種基于廣播式通信機(jī)制的協(xié)調(diào)機(jī)制——廣播式自相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）。交通監(jiān)視功能已廣泛集成了ADS-B功能，并已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，ADS-B功能已應(yīng)用于民用航空運(yùn)營(yíng)。未來(lái)ADS-B功能的擴(kuò)展應(yīng)用還將繼續(xù)發(fā)展和擴(kuò)充。

2 綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成架構(gòu)簡(jiǎn)介

通常根據(jù)系統(tǒng)安全性需求來(lái)初步確定系統(tǒng)的集成方式，明確系統(tǒng)的架構(gòu)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的最低安全性要求，通常：TAWS為D級(jí)設(shè)備；TCAS為C級(jí)設(shè)備；XPDR為C級(jí)設(shè)備；WXR為C級(jí)設(shè)備。綜合派遣率的要求，以及目前廣泛應(yīng)用產(chǎn)品的屬性，經(jīng)典的傳統(tǒng)架構(gòu)選用一套TAWS、一套雷達(dá)、一套TCAS和兩套XPDR，如圖1所示架構(gòu)。而采用集成式的綜合監(jiān)視LRU則可以通過(guò)圖2的方式進(jìn)行集成。

注：TOP ANT為頂部天線；BOT ANT為底部天線。

考慮到不同的運(yùn)行條件下，如航空公司派遣要求、特殊的運(yùn)營(yíng)環(huán)境等因素，運(yùn)營(yíng)商可能會(huì)選擇安裝兩套TAWS，和/或兩套氣象雷達(dá)，和/或兩套TCAS。這樣就產(chǎn)生了不同的集成方式，這些不同的集成方式需要根據(jù)客戶(hù)的需求來(lái)選擇，傳統(tǒng)的獨(dú)立式設(shè)備需要增加不同的飛機(jī)構(gòu)型，進(jìn)行大量的改裝工作?，F(xiàn)在，使用綜合監(jiān)視系統(tǒng)可以考慮采用一種可以選擇的配置架構(gòu)，見(jiàn)圖3。其中ISS-2作為可配置的設(shè)備，可根據(jù)客戶(hù)需求選擇加裝TAWS和/或WXR和/或TCAS。這樣的設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足不同特殊需求的客戶(hù)。

使用集成式ISS的優(yōu)勢(shì)主要是簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的集成架構(gòu)。由于氣象監(jiān)視、地形監(jiān)視和交通監(jiān)視的輸入和輸出高度類(lèi)似，所以合并這些輸入輸出對(duì)簡(jiǎn)化線路、提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率是非常有效的；在交通天線的使用上，綜合監(jiān)視系統(tǒng)可以減少天線，以及由安裝天線帶來(lái)的同軸電纜、連接器等等，可以有效減少重量；另外，綜合監(jiān)視相關(guān)功能輸出數(shù)據(jù)中包含圖形數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)量大，綜合在一起有利于優(yōu)化數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸，簡(jiǎn)化綜合監(jiān)視系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)的集成。而從使用和維護(hù)上來(lái)看，使用綜合監(jiān)視系統(tǒng)，減少了航空備件，簡(jiǎn)化了維護(hù)和維修的程序，可以降低飛機(jī)的維護(hù)成本和運(yùn)營(yíng)成本。

然而使用這種集成的系統(tǒng)，還是存在一些問(wèn)題：笨重的同軸電纜似乎與交通監(jiān)視如影隨形；龐大的圖形數(shù)據(jù)傳輸給整個(gè)飛機(jī)的網(wǎng)絡(luò)帶寬帶來(lái)了沉重的壓力；與顯示系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制似乎總是存在浪費(fèi)；與CAS之間的告警協(xié)調(diào)、管理總是你中有我，我中有你，顯得重復(fù)和多余。

該文主要是通過(guò)一種基于模塊化航電系統(tǒng)（IMA）的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成方案，來(lái)分析和探討解決綜合監(jiān)視系統(tǒng)的使用帶來(lái)的不利因素，以及一些優(yōu)化的措施。

3 TAWS作為獨(dú)立設(shè)備的必要性探討

目前民用航空中運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)所安裝的TAWS基本上都是獨(dú)立的TAWS設(shè)備，或者作為綜合監(jiān)視計(jì)算機(jī)的獨(dú)立模塊來(lái)使用。然而，TAWS本身作為一個(gè)純軟件的告警系統(tǒng)，沒(méi)有獨(dú)立的傳感器，也不提供其它系統(tǒng)需要的重要參數(shù)。它主要用來(lái)運(yùn)算和處理其它傳感器的數(shù)據(jù)，分析和比對(duì)地形數(shù)據(jù)庫(kù)，提供危險(xiǎn)地形的告警，此外它也能夠通過(guò)其它系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)識(shí)別反應(yīng)型風(fēng)切變。本質(zhì)上，TAWS就是一個(gè)告警系統(tǒng)，而且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義，它只是一個(gè)D級(jí)設(shè)備。筆者認(rèn)為，完全可以集成到機(jī)組告警系統(tǒng)中或者集成到IMA中。

IMA中的存儲(chǔ)器，完全可以存儲(chǔ)供全機(jī)共享的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括地形數(shù)據(jù)庫(kù)、高清機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)等。以及飛機(jī)的構(gòu)型參數(shù)，包括機(jī)尾號(hào)、ICAO（國(guó)際民航組織）地址、飛機(jī)序列號(hào)、型號(hào)等等。

如果將TAWS的運(yùn)算模塊和告警包線集成在IMA中，采用IMA存儲(chǔ)器中的地形數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，這樣不僅減少了設(shè)備，而且有利于與顯示系統(tǒng)的集成。如果與機(jī)組告警系統(tǒng)（CAS）集成在一起，更會(huì)簡(jiǎn)化其與CAS的集成。

4 應(yīng)用集成式交通天線的探討

交通監(jiān)視功能由于需要進(jìn)行飛機(jī)與飛機(jī)以及飛機(jī)與管制臺(tái)之間的協(xié)調(diào)，因此需要天線進(jìn)行接收和發(fā)射信號(hào)。而收發(fā)機(jī)與天線之間通過(guò)同軸電纜連接，通常這些同軸電纜的重量和安裝會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)煩惱。

可以考慮將收發(fā)機(jī)和天線進(jìn)行集成，通過(guò)一般的A429數(shù)據(jù)線或者光纖與處理器連接。這樣可以減少同軸電纜，減輕重量。更可以使共用天線變得簡(jiǎn)單可行。理論上一部頂部天線和一部底部天線即可滿(mǎn)足兩套TCAS和兩套XPDR對(duì)天線的需求。

使用集成式的天線后，也可以將TCAS和XPDR集成到IMA或者CAS。

5 顯示數(shù)據(jù)處理流程的探討

綜合監(jiān)視各功能模塊的顯示數(shù)據(jù)，包括將雷達(dá)收發(fā)機(jī)以及交通監(jiān)視收發(fā)機(jī)輸出的數(shù)據(jù)讀取之后轉(zhuǎn)換為顯示格式的數(shù)據(jù)，另外就是TAWS將地形數(shù)據(jù)庫(kù)中的地形數(shù)據(jù)根據(jù)位置信息調(diào)用出來(lái)，并采用標(biāo)準(zhǔn)的格式發(fā)送給顯示器。這樣會(huì)很自然地考慮到：為什么不將這些處理集成到顯示器的處理器中呢？傳統(tǒng)的通信方式，往往雷達(dá)讀取收發(fā)機(jī)信號(hào)后需要根據(jù)顯示器的需要，發(fā)送多路相互獨(dú)立的圖形信息給不同的顯示器，TAWS和TCAS也有同樣的問(wèn)題。這種方式非常浪費(fèi)資源。如果將圖形處理軟件集成到顯示系統(tǒng)，那么顯示系統(tǒng)處理器可以直接根據(jù)需要讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，直接顯示在顯示器上，而不需要中途重復(fù)轉(zhuǎn)送。

6 基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成解決方案

通過(guò)上面的探討，為了解決這些問(wèn)題，該研究者采用一種基于IMA的集成方案來(lái)對(duì)綜合監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，如圖4基于IMA的監(jiān)視系統(tǒng)集成方案所示。首先假設(shè)機(jī)組告警系統(tǒng)和顯示的圖形處理器集成于IMA中，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理軟件集成于IMA中的CAS模塊中，將圖形顯示的處理軟件集成于顯示系統(tǒng)的圖形處理模塊中。所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)可以存儲(chǔ)于IMA的存儲(chǔ)器中。另外，采用集成式的交通監(jiān)視天線，將收發(fā)機(jī)集成于頂部天線（TOP ANT）和底部天線（BOT ANT）。這樣，我們可以大量減少同軸電纜，并且可以通過(guò)A429總線或者光纖實(shí)現(xiàn)與處理器之間的通信。這樣可以方便地實(shí)現(xiàn)TCAS和XPDR，以及左右處理器的天線共用，理論上兩部天線可以滿(mǎn)足兩套TCAS和兩套XPDR的需求，甚至更多其它系統(tǒng)的需求。

7 結(jié)語(yǔ)

綜合監(jiān)視系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)告警系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)、個(gè)性化設(shè)置的需求，以及天線和收發(fā)機(jī)的存在，使其區(qū)別于一般的告警系統(tǒng)。基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成方案可以將天線和收發(fā)機(jī)獨(dú)立出來(lái)，并且通過(guò)使用全機(jī)共享的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)器來(lái)解決數(shù)據(jù)庫(kù)和個(gè)性化設(shè)置的需求。這樣，綜合監(jiān)視的處理軟件就可以看作CAS告警的一個(gè)基本處理算法單元，而圖形處理軟件同樣也可以看作是顯示系統(tǒng)圖形處理模塊的一個(gè)基本算法單元。

當(dāng)前普遍的解決方案采用集成式的綜合監(jiān)視系統(tǒng)LRU，而處理器之間缺少系統(tǒng)內(nèi)協(xié)調(diào)機(jī)制的設(shè)計(jì)，需要CAS和顯示系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)ISS系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)和告警信息。部分信號(hào)需要請(qǐng)求、確認(rèn)協(xié)議，往返的確認(rèn)機(jī)制不僅增加了延時(shí)，而且占用了有限的網(wǎng)絡(luò)資源。

在交通天線的使用方面，共用天線一直困擾著設(shè)計(jì)者。如何在保證可用性和完整性的情況下，減少同軸電纜數(shù)量，以及天線數(shù)量是當(dāng)前綜合監(jiān)視領(lǐng)域里的一個(gè)難題。

而TAWS和WXR的圖形數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源配置設(shè)置了重重障礙。

采用基于IMA的綜合監(jiān)視系統(tǒng)集成方案優(yōu)勢(shì)非常明顯：首先，將TAWS、WXR、TCAS和XPDR的告警處理算法集成于IMA中的CAS模塊，直觀上減少了綜合監(jiān)視系統(tǒng)與CAS的集成工作；并且大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸，以及請(qǐng)求和確認(rèn)機(jī)制，減少了傳輸?shù)难訒r(shí)，提高了告警的及時(shí)性；另外，CAS直接控制揚(yáng)聲器和顯示器上告警信息，比CAS管理綜合監(jiān)視系統(tǒng)傳送的告警信息的效率高，且減少了傳輸錯(cuò)誤的可能性。其次，將綜合監(jiān)視的顯示處理算法軟件集成于顯示的圖形處理模塊中，顯示系統(tǒng)就可以直接讀取雷達(dá)收發(fā)機(jī)、交通監(jiān)視收發(fā)機(jī)和地形數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同顯示器的需求，直接疊加相應(yīng)的圖層。這樣不僅減少了綜合監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)送重復(fù)性的數(shù)據(jù)，而且在時(shí)效性上更好；此外，采用集成了收發(fā)機(jī)的交通監(jiān)視天線，可以徹底解決笨重的同軸電纜帶來(lái)的煩惱，并且使多系統(tǒng)共用交通天線成為一件容易的事情。

參考文獻(xiàn)

[1] Donald L. Riggin. AC25-23 Airworthiness Criteria for the Installation Approval of a Terrain Awareness and Warning System （TAWS） for Part 25 Airplanes. U.S.Department of Transportation Federal Aviation Administration 5/22/00.

[2] TSO-C151a-TERRAIN AWARENESS AND WARNING SYSTEM U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration Aircraft Certification Service Washington， DC 11/29/99.

[3] TSO-C63d - AIRBORNE WEATHER RADAR EQUIPMENT Department of Transportation Federal Aviation Administration Aircraft Certification Service Washington， DC 02/28/12.