增强型近地警告系统研究

增强型近地警告系统研究
摘要:本文在介绍近地警告系统原有功能的基础上,重点探讨了EGPWS的新增功能,并对其原理和实现过程进行了分析研究。

通过GPWS、EGPWS和TAWS之间的比较,阐述了近地警告系统的发展历程,并对EGPWS在这一领域可能的发展趋势进行了展望。

关键词:可控飞行撞地前视地形警戒地形显示增强型近地警告系统地形提示和告警系统
1 引言
在飞行中并不是由于飞机本身故障或发动机失效等原因造成的飞机无意中的撞地或坠海事故就称为可控飞行撞地(CFIT)事故。

据国际民航组织统计(ICAO),可控飞行撞地已经成为商用喷气飞机机毁人亡的主要原因。

1975年以前,世界范围内的商用喷气机群平均每年发生8次可控飞行撞地事故。

为此有关部门研制了近地警告系统(GPWS),为飞行员提供飞机以不安全形态危险接近地面的警告信号,提高机组的处境意识。

近地警告系统的广泛安装,大大减少了可控飞行撞地事故。

因此,1974年美国联邦航空局(FAA)对运输机机载近地警告系统的安装作出明确规定,国际民航组织也于1979年将机载近地警告系统的安装纳入国际标准和建议措施。

在这10年期间,可控飞行撞地事故
减少至每年4次左右,到1985年以后,可控飞行撞地事故每年仅发生1～2起。

为了解决这一问题,克服GPWS的局限性,1998年霍尼韦尔公司推出了增强型近地警告系统(EGPWS)。

EGPWS是在GPWS的基础上,增加了“前视地形警戒”和“地形显示”两大主要功能。

此系统大大提高了系统提示的预警时间,给飞行员以更多的反应裕度,从而在更大程度上避免CFIT事故的发生。

有资料显示,自1998年霍尼韦尔公司推出EGPWS到2004年,安装EGPWS系统的飞机无一发生CFIT事故,证明了EGPWS确实能有效地预防CFIT事故的发生。

因此,FAA要求在2005年1月1日以后终止使用GPWS,而安装EGPWS。

本文主要介绍了近地警告系统的发展历程,分析了GPWS、EGPWS以及TAWS的特点和局限性,并对其原理和实现过程进行了分析研究。

2 传统近地警告系统的特点和局限性
近地警告系统(GPWS)是一种机载警告系统,它是在飞机接近地面(2500英尺以下)遇有不安全地形或风切变时,提醒机组飞机正处于不安全的状态,并向驾驶员发出语音和视觉警告,直至驾驶员修正险情为止。

GPWS主要由近地警告计算机(GPWC)、近地警告控制组件和近地警告组件等组成。

其中,GPWC是GPWS的核心部件,其存储了各种警告模式的极限数据。

GPWS将其他系统输送来的飞机实际状态数据(无线电高度、气压高度、气压高度变化率、惯性垂直速度、下滑道偏离信号、选择的航向、跑道方位、襟翼和起落架位置等信号)与存储的飞机不安全状态的临界值相比较,若超出临界值的范围,则发出相应的语音和视觉警告。

GPWS按飞机不同的飞行状态,可分为以下几种警告模式:
模式1——过大的下降率;
模式2——过大的地形接近率;
模式3——起飞或复飞后掉高度太多;
模式4——不在着陆形态时的不安全越障高度(地形净空高度不够);
模式5——进近时低于下滑道太多;
模式6——飞机下降通过无线电高度表上预定高度时的语音报数;
模式7——风切变警告(选装特性)。

GPWS的局限性
经长期使用和分析总结,GPWS在防止CFIT事故方面仍然存在着以下的问题有待改进:
(1)GPWS不是一个全时的报警系统,它只在起飞和进近着陆阶段、且无线电高度低于2500英尺时发生作用。

它主要依赖无线电高度工作,但无线电高度不能反映飞机前方地形情况,当飞机飞向垂直陡峭的地形或建筑物以及慢慢下降到未经平整过的地面时不能提供警告;同时,GPWS属于现状型或反应式系统,没有前视功能,即只有当飞机已经进入了对飞行构成威胁的环境中时才发出警告,因此GPWS提供警告的时间较晚,使飞行员没有足够时间作出正确反应。

据统计1988年至1995年期间,这个原因引发的CFIT事故占总空难数的41%。

(2)GPWS在襟翼和起落架均在着陆构形,飞机以正常下降率进近时不提供警告,其中包括由于某些原因机组将警告抑制后忘了将其恢复。

这种情况如果是发生在恶劣天气条件下,飞行员很容易发生错误判断而发生CFIT事故。

据统计1988年至1995年期间,这个原因引发的CFIT事故占总空难数的28%。

(3)GPWS不能够在反航道进近或下滑道信号失效时提供警告。

例如某机场只有1号跑道有盲降设备,如果一架飞机在进近时得到的进场许可是号跑道落地,当它飞到归航台时塔台通知它由于风向原因改为使用2号跑道,这时飞行员所做的只须过归航台,再改变航向去切反航道,机长只需按自动驾驶仪的B/C按钮,但此时飞机在2号跑道进近时,模式5将不会提供警告,飞行员只能全凭着高距比来控制下滑道,
这样很容易使下滑道过低,造成CFIT。

由于GPWS存在着以上不足,CFIT事故较之前虽有明显减少,但仍有发生。

CFIT事故依然严重威胁着飞行安全,所以霍尼韦尔公司在1998年推出了增强型近地警告系统(EGPWS)。

3 增强型近地警告系统的特点及其功能实现
针对GPWS以上几个缺点,增强型近地警报系统(EGPWS)在保留传统GPWS安全特性的基础上,增加了“前视地形警戒”(Look-ahead Terrain Alerting或者Forward Looking Terrain Alert)和“地形显示”(Terrain Display)两大功能(如图1所示),使飞行机组了解飞机周边的地形,进一步降低CFIT发生的几率。

3.1 前视地形警戒功能
“前视地形警戒”,就是EGPWS与其他航电系统交联后,利用飞机导航系统提供的飞机所处位置,根据飞机其他相应系统给出的当前飞行状态,计算出未来的飞行轨迹,并将其与自身地形数据库中的相应数据进行比较,判断是否会有危险发生,若有,则给出相应的提示或警报。

前视地形警戒有两种告警等级:
一、警戒级,大约在距潜在的危险地形40～60s之前提供警告信息;
二、警告级,大约在距潜在的危险地形20～30s之前提供警告信息。

3.2 地形显示功能
“地形显示”功能,就是EGPWS采用前瞻计算法,利用飞机所处的位置和飞行状态等信息,参照地形数据库中的数据,对飞机的航迹及安全高度面进行连续性比较,在飞机显示系统上以红、黄、绿三种颜色、不同密度的点阵表示飞机与地形的高度差,从而给飞行员提供直观的地形显示。

EGPWS通过ARING 453数据总线将地形数据传送到飞机显示系统。

由于地形的颜色是参照飞机的现行高度而显示的,颜色将随着飞机的爬升或下降而改变,显示色带的转换将依据飞机/地形的关系提前15～30s显示。

机长和副驾驶可以人工选择地形显示,以便在离场或进近时监视地形。

为了确保地形信息可用,当前视警戒或警告发生时系统会自动显示地形,这就是所谓的“Pop-Up”功能。

另外,TCF警戒或其他GPWS 警戒发生时都不会显示地形。

3.3 增强型近地警告系统的缺点
虽然EGPWS在GPWS基础上有了很大的改进而且在飞行中也有了非常显著的效果,但是EGPWS也存在一定的缺陷。

例如:模式5被抑制后只有飞机下降到30英尺以下或再次爬升到1000英尺以上或者起落架再次收起放下,才能重新预位。

但是存在某种情况模式5不能重新预位,例如:一架飞机的机组被要求目测低着陆,它进近时就处在下滑道以下,它的模式5就有可能出现警告,这时机组会抑制模式5的警告。

当飞机在30英尺以上不能对正跑道,机组会复飞,它会再一次做进近,如果它复飞起来的高度不超过1000英尺(尤其是机动性较好的小型飞机),模式5的抑制就不能重新得到预位。

它再次做目测低着陆时,模式5不能提供警告。

假如这时天气条件比较恶劣,就很可能发生CFIT事故。

飞机在进行一次进近时,在1000英尺至30英尺的高度中飞机只需要2至3分钟。

为了弥补上述不足,需要EGPWS满足以下任意一种条件时就应该被重新预位:起落架收起或再次放下;爬升至1000英尺以上;抑制时间超过3min时。

4 结语
近地警告系统的出现和发展,大大减少了可控飞行撞地事故的发生,为世界航空界的发展作出了巨大贡献。

不久的将来,随着智能跑道(Smart Runway)、智能着陆(Smart Landing)、合成视景、地形剖面和三维地形显示等新型近地警告功能的发展,近地警告系统定将在航空界开辟新的天地。

另外,为减轻重量、降低成本,将近地警告系统与其他监视系统综合在同一平台上已经成为一种趋势,空中交通警戒防撞与地形预警系统(T2CAS)和综合监视系统(ISS)的快速发展,让我们对未来充满期待。