应急救生定位系统在直升机上的应用研究

张 伟

（中国直升机设计研究所，景德镇 333001）

应急救生定位系统或应急定位发射机（ELT）是载人航空器的必需设备。应急救生定位系统或ELT在航空器遇险时，通过卫星、超短波等信道及时向地面人员发送遇险信号，并持续发送信标信号。

1 概述

当前，已经有多款产品应用于直升机平台，在国产直升机上配装的应急救生定位系统既有基于全球卫星搜救系统（COSPAS-SARSAT）的EBC-406HM、KANNAD-406AF等进口设备，也有基于北斗卫星导航系统的某型应急救生信标机，极大提高了国产直升机应急救援的独立自主性。

本文从工作原理、安装要求、自检维护等方面介绍了应急救生定位系统在国产直升机上的应用。针对应急救生定位系统过载触发的方式，本文详细讨论了其触发条件的定义及阈值设定原则，提出了一种采集试飞过载数据并进行线下分析的过载阈值标定方法。

2 工作原理

应急救生定位系统通常处于待机模式，监控直升机的过载情况；直升机应急触发后，即刻向全球卫星搜救系统（COSPAS-SARSAT）发送信息；或者通过北斗卫星导航系统发送定位信息。

应急救生定位系统还将持续广播AM121.5MHz或AM243MHz的信标信号，救援人员或直升机可通过超短波定向仪等设备对遇险直升机进行定向搜索。

应急救生定位系统的触发方式为手动触发或过载触发。部分设备还配备了浸水传感器，具有浸水触发功能，在直升机落水后传感器将被自动触发，随后释放内置了卫星通信和信标发射装置的漂浮设备。

3 安装要求

应急救生定位系统EBC-406HM为便携式一体机，自带天线并内置过载传感器、电池和GPS系统，飞行员可随身携带，实时发送自身位置。通常，设备以快卸方式安装在托架上，托架通过螺钉紧固在直升机结构骨架上或直升机蒙皮内侧上。EBC-406HM的安装位置要求尽可能接近飞行员，其内置的过载传感器采集直升机航向、横向及纵向的过载值，该过载值与机上位置紧密相关，距离飞行员越近，越能真实反映飞行员所受的冲击过载值。EBC-406HM为货架产品，现配装在某型国产民用直升机上。

应急救生定位系统KANNAD-406AF为分立式系统，包括主机、控制盒、天线。主机内置了过载传感器和电池，并向控制盒供电，预留的接口可以接入机上惯导系统，并获取直升机的实时位置信息。控制盒一般安装在仪表板上，便于飞行员操作；主机安装在全机重心附近；天线安装在直升机驾驶舱顶部或发动机舱外蒙皮上。与EBC-406HM相比，KANNAD-406AF不具有便携性，飞行员如果要离开直升机，还需再配备便携式的ELT；KANNAD-406AF的优点是其发射功率和天线增益较大，提高了搜索的效率，缩短了救援搜索时间。KANNAD-406AF也为货架产品，现配装在另外一型民用特种直升机上。但是，由于其分立式的系统架构，降低了系统维护的便利性，特别是由于直升机机身较小，维护操作空间有限，实际使用中存在维护不便的问题。

文献[1]提到的北斗信标机也是一种分立式系统，包括北斗天线、信标天线、主机和控制盒。考虑到直升机遇险时，主要向上发送信号，北斗天线安装于某型国产直升机尾梁上部，信标天线安装于座舱顶棚上部。

4 自检维护

应急救生定位系统或ELT在紧急情况下工作，需要自带电池。目前应用最广泛的是锂锰电池，寿命为6年。电池到期或者应急发射工作以后，就需要替换电池。

EBC-406HM和KANNAD-406AF是基于全球卫星搜救系统（COSPAS-SARSAT），首次使用需要注册直升机平台信息，每次注册的有效期为2年。国产的救生信标机是基于北斗卫星导航系统，需要申领北斗用户卡，并向地面救援部门（或指挥所）上报备案。

文献[2]和[3]提到了过载启动传感器的检测，检测时需要短接设备上的针脚，使得过载检测系统进入检测模式，降低其触发阈值，快速甩动设备即可触发警告。国产救生信标机的过载传感器检测还需要外场检测设备，与国外产品相比尚有差距。

应急救生定位系统需要进行周期性发射检测，依据相关民航规定，其检测时间为整点后5min以内进行。

5 触发条件

5.1 过载阈值的定义

直升机的过载触发阈值Q为一矢量值，以载机航向为X轴，侧向为Y轴，垂向为Z轴，可将Q值分解为Qx、Qy、Qz3个标量值。通常应急救生定位系统内置3个相互垂直的过载传感器，分别检测X向、Y向、Z向的过载值。

图1为直升机过载阈值的触发条件，T1为过载值q上升阶段达到Q值的时刻，T2为过载值q下降阶段达到Q值的时刻。T= T2-T1，为过载脉冲宽度值。

过载触发条件中还应给定一个最小脉冲宽度Tmin，当T≥Tmin时，即满足过载触发条件。

图1 直升机过载阈值的触发条件

5.2 直升机的过载触发阈值条件

文献[2]中KANNAD-406AF的过载触发条件符合ED62标准要求，其设置的过载触发阈值由专门的碰撞研究机构（Crash Research Institute）分析大量撞击数据后提出，为一固定值。文献[3]中EBC-406HM的过载阈值为5g～7g，也为固定值。

5.3 过载传感器的位置选择

过载传感器的安装位置不同，其采集到的载机过载值也会有很大的差异，依据对过载条件的判断和处置方法的不同，可以有两种安装位置。

普遍采用的方法为将过载传感器的安装位置选在尽可能靠近飞行员的位置，该位置所检测的过载值能真实反映飞行员所受的过载值。当过载传感器采集到的过载值大于5g～7g时，即可过载触发，这一条件的确定应是基于人体所耐受的过载极限，与载机平台并不相关。当过载值超过5g～7g时，飞行员就可能出现昏迷等无法手动触发的情况。此时，就需要应急救生定位系统自动触发启动。反之，当过载值小于5g～7g时，可以认为飞行员尚具有手动触发启动应急救生定位系统的能力。

另一种过载传感器的安装位置为尽可能靠近直升机重心的位置，使其尽可能真实反映载机所受的过载值，不会由于直升机高速机动而误触发启动。对于军用直升机而言，直升机在高速机动过程中，很可能在局部产生大的过载值，此时将载机本身的过载极限作为判断依据则更加合理。

5.4 一种基于试飞数据的阈值标定方法

前文提到的两款国外产品的过载阈值均不会随直升机平台的变化而更改，而在实际应用过程中，不仅不同的平台其振动过载不同，甚至在不同的安装位置，过载值都有很大不同。而不同的产品，选用的过载传感器也存在差异，若采用统一的过载阈值，就会存在误触发或者过载触发失效的情况。

为减少上述误差，可在过载传感器中内置过载数据记录单元，并在设备上预留数据卸载接口，每次飞行后，由地面维护人员将本次飞行的过载数据全部下载，通过数据分析软件，得出直升机一次正常飞行的过载峰值及其脉宽值。通过多次飞行数据的积累，特别是多种环境条件下的试飞数据的积累，得出直升机平台的正常过载峰值及其脉宽值，将这个值作为该型平台的过载触发阈值。

这种通过采集试飞数据在线下进行分析的方式，可以最大限度减小误触发的概率，并保证过载触发的有效性。其不足之处是在试飞阶段无法采用过载触发的方式，考虑到直升机平台试飞过程中受到严密监控，实时位置和飞行状态信息可以通过其他方式传输到地面指挥台，此不足的影响可以忽略。

6 试飞考核

不同于其他航电设备，应急救生定位系统的试飞考核因为无法设置直升机遇险产生大过载的考核条件，因而无法全面检测其指标的有效性，实际在试飞验证中仅能通过飞行员手动触发的方式，考核其卫星定位及信标发射的有效性。对于过载触发功能的测试，目前还只能通过在试验室设置触发阈值进行考核。所以，通过采集试飞数据并进行线下分析的过载阈值标定方法，也最大限度地满足了产品功能指标的试飞要求。

7 结束语

直升机载应急救生定位系统是直升机遇险时顺利开展救援的重要保障。过载触发条件的确定是系统设计的难点。本文给出了过载阈值的定义，并结合国内外产品，分析了过载阈值的设置条件及不同设置条件下选取过载传感器安装位置的方法。在此基础上，本文提出了一种结合直升机平台试飞，采集过载数据并进行线下分析的过载阈值标定方法。

未来应急救生定位系统将日益融入航电系统的总体设计中，在分析积累数据的基础上，可以进一步研究自适应的过载阈值设置算法，以便提高系统的通用性，降低研发成本。