直升機(jī)防撞線主動預(yù)警系統(tǒng)

孫偉 賈若

摘要

直升機(jī)撞高壓線一直是直升機(jī)超低空飛行中面臨的一大難題與電線相碰撞可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，最近幾年在國內(nèi)發(fā)生了多起直升機(jī)撞線事故，造成人員傷亡。直升機(jī)超低空作業(yè)時需要在不同的能見度下進(jìn)行近地飛行，因此無法完全消除由于線纜及其他障礙物而帶來的危害。

【關(guān)鍵詞】直升機(jī)防撞線 主動預(yù)警 系統(tǒng)

1 直升機(jī)防撞線主動預(yù)警系統(tǒng)總體框架

位于航管中心的計算機(jī)組或位于直升機(jī)上的單片機(jī)芯片，主要完成數(shù)據(jù)處理，參數(shù)預(yù)設(shè)與存儲，算法運(yùn)行，產(chǎn)生各種控制信號。位于直升機(jī)端的GPS或北斗衛(wèi)星天線用于產(chǎn)生直升機(jī)實(shí)時經(jīng)緯度信息，高度表用于產(chǎn)生直升機(jī)實(shí)時的高度信息，接收終端用于接收航管中心的計算機(jī)組或單片機(jī)發(fā)送的告警信號。

2 工作原理及實(shí)現(xiàn)方法

2.1 防撞線系統(tǒng)的原理

以經(jīng)度緯度和高度構(gòu)建三維坐標(biāo)系，將高壓線纜或登山索道的端點(diǎn)A、B坐標(biāo)值（x₁y₁z₁，x₂y₂z₂）輸入計算機(jī)組，那么直線AB方向向量為1，m，n;1=x₁-x₂，m=y₁-y₂，n=z₁-z₂三維直線方程可以表示為假設(shè)直升機(jī)實(shí)時坐標(biāo)為P（x₀y₀z₀）這樣直升機(jī)距離直線AB的距離就可以用公式計算出來另外計算點(diǎn)PA、PB之間的距離如果p點(diǎn)在地面的投影位于矩形（x₁，y₁）（x₁，y₂）（x₂，y₂）（x₂，y₁）內(nèi)，點(diǎn)到線段AB的最短距離d=d₀。否則最短距離為d_A、d_B中最小值。當(dāng)d小于預(yù)警距離D時，計算機(jī)組產(chǎn)生射頻信號發(fā)送給目標(biāo)直升機(jī)起到告警作用。

2.2 算法優(yōu)化

因為實(shí)際生活中，不只有一條線纜或一架直升機(jī)，一條線纜在高度或經(jīng)緯度發(fā)生變化時就會變成多段直線相連成的折線。假如有十架直升機(jī)飛行，有三條高壓線，每條高壓線分為十段，則計算機(jī)組需要同時計算300組公式，得出結(jié)果（d₁、d₂、d₃…d₃₀₀）分別與安全距離D比較。一條高壓線纜與一架直升機(jī)最近的點(diǎn)只有一個，距離最近的直線段也只有一個，用全部的線段計算距離是沒必要的。下面區(qū)分兩種情況進(jìn)行描述。

（1）首先假設(shè)有一架直升機(jī)和一條線纜，直升機(jī)實(shí)時坐標(biāo)為P（x₀y₀z₀），電纜分為十段：L₁、L₂、L₃…L₁₀。軟件初始運(yùn)行時計算所有十條線段與點(diǎn)P的距離（d₁、d₂、d₃…d₁₀），數(shù)值最短代表直升機(jī)與相應(yīng)段線纜距離最近。假設(shè)d₂最小，保留L₂的持續(xù)計算，這里面又分三種情況：P點(diǎn)接近L₂、P點(diǎn)遠(yuǎn)離L₂、P點(diǎn)與L₂平行運(yùn)動。對應(yīng)上述數(shù)學(xué)模型分別設(shè)t₁、t₂，t₁表示上一時間值、t₂表示當(dāng)前時間值。用d_2t1與d_2t2比較，d_2t1>d_2t2說明點(diǎn)P在靠近線段L₂、d_2t12t2說明點(diǎn)P在遠(yuǎn)離線段L₂、d_wt1=d_2t2說明點(diǎn)P在與線段L₂平行運(yùn)動。當(dāng)點(diǎn)靠近線段時，只需計算該線段與點(diǎn)之間的距離，其他兩種情況則須計算整條高壓線所有線段與點(diǎn)的距離。用同樣的方法計算出點(diǎn)P在向哪條線段靠近，從而簡化計算量。

（2）假設(shè)有三條高壓線，每條線分為十條線段。初始計算時同時計算出這30條線段與點(diǎn)P（x₀y₀z₀）的距離，分別取出三個最小值其中表示第3條電纜的第7段。同樣道理直升機(jī)飛行中沒必要與這3條電纜實(shí)時進(jìn)行計算，可以預(yù)設(shè)一安全計算距離例如為告警距離的三倍即3D，則當(dāng)時，每2秒計算一次第三條電纜十段線段與點(diǎn)P（x₀y₀vz₀）的距離，直至第三條電纜與點(diǎn)的最短距離小于3D，則轉(zhuǎn)入第一種情形進(jìn)行計算。

出于對飛行安全性能的考慮，如果兩段線纜（1₁、1₃）在地面投影相交，則將兩段線段編為一組，即1₁處于計算狀態(tài)，1₃也處于計算狀態(tài)，這樣可以避免直升機(jī)在上下兩條線纜之間穿過時預(yù)警時間過短的弊端。

3 計算機(jī)組系統(tǒng)與機(jī)載單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)劣分析

（1）計算機(jī)組運(yùn)行速度快，可以滿足整個通航機(jī)場所有直升機(jī)運(yùn)行的防撞預(yù)警需求，集成化程度高，可以免去對直升機(jī)過多的改裝，直升機(jī)端只需加裝機(jī)載型或手持性接收終端，其余設(shè)備集中在航空管制中心。計算機(jī)組的缺點(diǎn)也是比較明顯的，比如成本較高、大數(shù)據(jù)量長時間運(yùn)行對計算機(jī)組硬件的要求較高，計算機(jī)可能受網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒影響、電力供應(yīng)、周期維護(hù)等因素影響引起計算意外中斷，進(jìn)而造成所有的直升機(jī)防撞安全出現(xiàn)空檔期。比較穩(wěn)妥的解決辦法是在航管中心設(shè)置兩套或更多的相互獨(dú)立的計算機(jī)組，并行運(yùn)算，只要有一組計算機(jī)計算結(jié)果符合告警要求并發(fā)射射頻信號，位于直升機(jī)端的接受設(shè)備就認(rèn)定直升機(jī)危險接近高壓線纜或索道，從而發(fā)出告警信號提醒飛行人員。

（2）直升機(jī)載型單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，成本低，不會受到操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)病毒的影響，運(yùn)行穩(wěn)定。供電方面采用直升機(jī)電源直接供電，只要直升機(jī)電力系統(tǒng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)就不會影響系統(tǒng)運(yùn)行。直升機(jī)載型單片機(jī)系統(tǒng)采用機(jī)上電源供電還有一個優(yōu)點(diǎn)就是該單片機(jī)只為本架直升機(jī)服務(wù)，只在本機(jī)飛行時工作，可以利用空閑時間檢修。單片機(jī)系統(tǒng)在算法上只需計算本機(jī)防撞情況，運(yùn)行負(fù)荷相對較小。由于單片機(jī)系統(tǒng)所有設(shè)備均為機(jī)載型，信號傳輸為有限方式傳輸，信號傳遞穩(wěn)定，不因山體、高大建筑物遮擋而受影響。單片機(jī)系統(tǒng)也有不足之處，一是單片機(jī)發(fā)生運(yùn)算死循環(huán)或其他錯誤時，本機(jī)防撞線安全預(yù)警功能將完全喪失。二是在直升機(jī)上加裝設(shè)備的申請程序復(fù)雜，需要考慮系統(tǒng)重量、對重心的影響、對電能負(fù)荷的增加、與機(jī)上其他設(shè)備的交聯(lián)關(guān)系、電磁干擾對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。針對上述缺點(diǎn)可以在單片機(jī)上加裝看門狗防止死機(jī)，加裝自檢測和周期檢測功能增強(qiáng)單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。至于對直升機(jī)整體性能和相關(guān)航電設(shè)備的影響，可以充分論證的基礎(chǔ)上集中報批。

4 結(jié)論

經(jīng)過優(yōu)化，直升機(jī)防撞線主動預(yù)警系統(tǒng)可以為低空飛行器尤其是直升機(jī)安全飛行提供主動預(yù)警功能，預(yù)警時間可達(dá)5-10秒，能夠有效降低直升機(jī)撞擊高壓線、高空纜車線和其他不易探測的固定線纜的事故率。而且各機(jī)場可以根據(jù)自身條件、需求選擇計算機(jī)組型系統(tǒng)或直升機(jī)載型單片機(jī)系統(tǒng)。