近地警告系统(GPWS)和飞行安全

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近地警告系统(GPWS)和飞行安全
摘要: 近地警告系统通过语音和灯光信号向飞行员提供警告,在预防可控飞行撞地(CFIT)事故方面起着重要的作用.GPWS正是针对CFIT研制和发展的电子设备
系统.它利用飞机上各种已有的传感器所提供的信号,监控飞机的状态和相对地
形的位置,在出现危及飞行安全的情况时向飞行员发出警告.但是近地警告系统
也存在着缺陷,使CFIT仍时有发生.针对近地警告系统存在的缺陷,发展了增强
型近地警告系统EGPWS.本文将对GPWS以及EGPWS与飞行安全这一问题进行阐述. 关键词 :GPWS 近地警告系统
EGPWS 增强型警告系统
CFIT 可控飞行撞地
可控飞行撞地CFIT已经成为商用喷气飞机机毁人亡的主要原因,当飞机无意中
撞地或坠海时就发生了一次可控飞行撞地(CFIT)事故.
例如:一架BeC99飞机机组被允许进行白天的航向道的进近.目的地天气是700
英尺散云,400英尺多云,3英里能见度,有雾和雨,天气听起来不算太好,但对于
近进来说是足够了.开始进近时,不知道什么原因飞机飞错了方向,飞到航向道边界外而不是对准机场,机组没有注意到增加的距离,进近到一半的时候,机长意识到发生错误了,从舱音记录器听到"让我们复飞",副驾驶回答到"下降到1100英尺",然后就没有对话了.
两分钟后,飞机撞地,撞地点高度1800英尺,距机场7英里,机上6人有3人死于事故中.如果飞机上装有GPWS,它会发出"PULL UP"的警告语音,这次事故就可能
会避免.
1988年1月19日,一架SA227在科罗拉多,向Durango机场进近中坠毁.飞机上9人遇难,8人生还.NTSB认为"如果飞机上有GPWS,就可以警告飞行员飞机正在接
近地面,从而避免事故.警告系统可以提前大约20秒发出警告."
1990年1月15日,一架SA227在向内华达Elko机场进近中坠毁.机上13人遇难.NTSB指出,如果飞机上安装了GPWS将提供大约25秒的警告.
1975年以前,世界范围内的商用喷气机群平均每年发生八次可控飞行撞地事故.近地警告系统(GPWS)在70年代中期首次出现,它有效地减少了可控飞行撞地(CFIT)事故发生.如图1所示
下面我们就来简单的介绍一下GPWS.
工作原理
如图2所示,近地警告系统的核心部件是近地警告计算机(GPWS),该计算机中存储了各种警告方式的极限数据.计算机将其他系统输送来的飞机实际状态的数据,(来自无线电高度表收发机的无线电高度;来自大气数据计算机ADC的气压高度和气压高度变化率;来自惯性导航系统的惯性垂直速度;来自ILS的下滑道偏离信号及选择的航向,跑道方位;襟翼位置,起落架位置;设定的报告高度;迎角,姿态角,俯仰角速率等信号.)在存储的极限数据相比较:若实际状态超越了某一种警告方式的极限,就输出相应的音响和目视控制信号,加给驾驶舱中的警告喇叭,使之发出与方式相关的语音,并加给相应的信号灯,使相应的灯亮,有的还在发动机指示和机组报警系统(EICAS)的显示器上显示有关信息.
近地警告不同的方式发出不同的语音,归纳起来有11种语音.如果同时出现多种近地警告报警方式,只能有一种最优先的信号发生音响.其优先排列顺序如下:
(1)WINDSHEAR(注意风切变) 方式7
(2)WHOOP WHOOP PULL UP(喂!喂!拉起来) 方式1和2
(3)TERRAIN(注意地形) 方式2
(4)TOO LOW TERRAIN(飞机太低,注意地形)方式4
(5)TOO LOW GEAR(太低,起落架未放下) 方式4A和4B
(6)TOO LOW FLAPS(太低,襟翼未放下) 方式4B
(7)MINMUMS MINMUMS(飞机已下降至决断高度) 方式6
(8)SINK RATE(下降率过大) 方式1
(9)DON'T SINK(不要下降) 方式3
(10)GLIDE SLOPE(飞机低于滑道) 方式5
ONE HUNDRED(100英尺)
(11)FIFTY (50英尺) 方式6
THIRTY (30英尺)
近地警告系统的警告方式及其设计缺陷
近地警告系统的警告方式共有七种,每一种都以灯光和语音信号向机组提供警告,其具体警告方式如下:
方式1—过大的下降率:在一定的无线电高度以下,飞机的下降率超过了允许的
极限值时就发出SINK RATE 的警戒语音,近地灯燃亮.如果下降率进一步增大,将发出PULL UP的警告语音,红色PULL UP灯燃亮.
例如:1989年12月26日,英国航空的一架喷气流3101在向华盛顿帕斯哥机场的五边进近中坠地.事故的原因是飞机进入五边的高度太高,飞机在以陡峭的梯度下降中撞地.机上6人无人生还.NTSB指出在低高度上大下降率会触发GPWS,就会有SINK RATE和PULL UP的语音警告出现,如果飞机上安装GPWS将可以避免这次事故.
方式2—过大的接近地形率:当飞机在上升地形的上空飞行时,如果飞机接近地
面的速率过大,就发出TERRAIN TERRAIN的警戒语音,近地灯燃亮,如果在1.6秒钟内未离开警戒区域,将发出PULL UP的警告语音,红色PULL UP灯燃亮.
例如:1989年10月28日,一架 DHC-6在夏威夷坠毁,机上20人全部遇难.NTSB 在其1990年9月25日公布的事故调查报告中强调"一套GPWS即可以提供TERRAIN 和PULL UP警告,让飞行员拉起飞机并且越过地形,从而避免这次事故." 方式3—起飞或复飞掉高度太多:在起飞或复飞过程中,由于飞机掉高度影响到
安全时,发出TOO LOW TERRAIN的警告语音,近地灯燃亮.
方式4—不在着陆形态时的不安全越障高度:当飞机不在着陆形态,由于下降或
地形变化,飞机的越障高度不安全时,发出报警信号.速度较大时,警告语音为TOO LOW TERRAIN,如果是襟翼未处于着陆位,低速时的语音警告为TOO LOW FLAPS,如果是起落架未处于着陆位,低速时的语音警告为TOO LOW GEAR,目视警告都是近地灯燃亮.可用襟翼超控电门和起落架超控电门抑制或取消有关警告.
方式5—低于下滑道太多:在正航道进近时,飞机在下滑道下方偏离较大时发出GLIDE SLOPE的语音警告,近地灯燃亮.可用下滑道抑制电门抑制或取消该方式的警告.
方式6—无线电高度和决断高度(DH)的报告:在着陆过程中,代替人来报告无线电高度和决断高度.
方式7—风切变:是近地警告系统的选装特性,在起飞或最后进近低于1500英尺无线电高度,飞机进入风切变警告范围时,就发出风切变警告.
分析近地警告系统的报警方式可知,近地警告系统在防止可控飞行撞地事故方面存在着以下的问题:
第一近地警告系统的功能是基于无线电高度的,所以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,近地警告系统不能提供警告. 第二近地警告系统在襟翼和起落架都处于着陆形态时不提供警告,其中包括由于某些原因机组将警告抑制后忘了将其恢复.
第三近地警告系统不能够在反航道进近或下滑道信号失效时提供警告.例如洛阳机场只有26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26号跑道落地,当他飞到归航台时塔台通知它由于风向原因改为使用08号跑道,这时飞行员所做的只须过归航台左转飞航向291°然后飞航向170°去切反航道,机长只需按自动驾驶仪的B/C按钮,在08号跑道进近时,方式5将不会提供警告,飞行员全凭着高距比来控制下滑道,这样很容易下滑道低,造成CFIT.还有另外一种情况方式5若在下滑道信号失效时,也不会提供警告.由于这三个原因,引发的事故占38%.如图3所示
第四近地警告的功能是基于无线电高度的,所以它提供警告的时间较晚,飞行员作出正确反应受到限制.这个原因引发的事故占32%.如图3所示
由于GPWS有着以上的不足,它严重威胁着飞行安全,所以联信公司设计了新一代的增强型近地警告系统(EGPWS).EGPWS不仅有现在GPWS的功能,而且还能提供更多情况下的地形警告.
例如:美利坚航空公司965航班于1995年12月坠毁在哥伦比亚的卡里,在撞地前11秒钟机上GPWS虽然发出了警告,但是飞机还是撞于机场北侧38海里的3600米高的山上,离山顶60米处.此事故虽然包含了驾驶员在FMC上误选航路点和减速板在放出位置而延缓了改出机会,但认为如果机上装了EGPWS,则可以在显示器上发现危险地形,并将在57秒前提醒驾驶员"注意地形",34秒前发出"地形,拉起来"的警告,则驾驶员就不会在转弯时撞山了.
1996年4月美国空军运输机CT—43A坠毁于克罗地亚的杜布罗芙尼克,包括美国商务部长布朗在内的35人遇难,事故处于和起落架都已经放下的正常进近中,已使GPWS解除了工作,如果装有EGPWS,则地形显示仍然有效,进近中地形净空边界上升后,威胁地形将由绿色变为黄色而提醒驾驶员,也可避免事故.
专家分析认为,以上两次CFIT事故,如果飞机上装有EGPWS,则完全可以避免.
下面将分三个部分介绍新一代EGPWS.
一,EGPWS的功能
除了保留现行的GPWS的警戒功能外,EGPWS还能提供以下两个新的主要功能如图4所示.
(1)前视地形警戒(Look-ahead terrain al erting );
(2)地形的显示(Terrain display).
新的EGPWS前视地形警戒功能主要是针对现行的GPWS"警告迟缓或不适当的驾驶员反应导致的CFIT事故,同时也提供在着陆形态时"不警告"类型的警戒功能.新的EGPWS功能使用自身的全球机场位置数据库和地形数据库,并且使用飞机位置,气压高度和飞行轨迹信息确定潜在的撞地危险.机场位置数据库包括所有铺筑面为3500英尺(1067米)或更长的跑道.目前的地形数据库包含全球95%的地形情况,针对每个机场周围的地面区域它可以提供高分辨率的地形数据,对于各机场它能提供低分辨率的地形数据.只有5%的地形数据是不能用的,这5%不能使用地形数据的区域是在南美洲的亚马逊河流域的机场,北非和中非的部分地区以及北格蓝陵岛地区.
联信公司每隔6—12个月更新一次地形数据库,一旦地形数据库完成,联信公司预计每隔18个月到两年对地形进行增加和修改.数据库使用光电存储卡(flash memory card)来更新,它不需要从飞机上卸下EGPWS的航线可更换组件(LRU)就可进行.
前视地形警戒功能(Look-ahead Terrain Alerting)
新一代的EGPWS可以向机组提供警戒等级或警告等级信息,提醒机组存在潜在触地危险的时间要比现行GPWS要早得多.警戒信息主要是根据飞机的位置和气压高度信息而得到的.飞行管理系统(FMS)或全球定位系统(GPS)可以向EGPWS提供飞机位置的经纬度.
气压高度是基于平均海平面(QNH)由大气数据计算机(ADC)提供的,EGPWS使用附加的大气数据输入确定飞机的飞行轨迹和定位合适的警戒包线.地形警戒是连续计算飞机前方的地形间隔包线,其垂直方向与飞行轨迹进行比较,横向方向与飞机的地面航迹进行比较.如果这些确定的包丝与地形数据库的数据相冲突,就启动警戒信号.它可以计算两个警戒包线,一个是警戒等级的警告(caution-level alert),另一个是警告等级的警告(warning-level alert ).前视警戒级的警告大约在距潜在的危险地形40-60秒之前提供警告信息.前视警告级的警告大约在距危险地形20-30秒之前提供触地警告信息.
警戒包线是根据飞机前方的前视距离和飞机下方的高度偏离以及飞机两侧的横向距离而确定的(如图5所示).前视距离主要随着地速的变化而变化,地速增加警戒距离就增加,以便对所有速度提供大致相等的警戒时间.前视距离主要以沿着飞机飞行的轨迹(爬升,下降或平飞)为基点.一个附加组件可以向上搜寻6°
范围以便对非常的地形进行保护.这个附加组件实际的前视距离是正常的两倍.高度偏离范围是飞机下方700英尺(213米).偏移的目的是为了提供当飞机低于正常的地形间隔时的地形警戒.横侧距离是相对飞机地面航迹每一侧1/8海里(0.23千米),为了着陆时没有恼人的警戒信息,前视距离和高度偏移随着飞机接近机场而减小.
除了前视警戒包线之外,EGPWS还有一个附加的保护组件—最小地形间隔
TCF(Terrain Clearance Floor).它是针对一旦气压高度表有误差时而起作用的.TCF是一种机场周围的警戒包线,这个包线是依据飞机的无线电高度而确定(如图6).按照正常的3度下滑轨迹直到跑道上,飞机将保留完美的TCF警戒包线.如果飞机穿越TCF包线,同时也就穿越了以气压高度表为基准的EGPWS的前视警戒包线,因此就启动前视警戒功能.但是如果气压高度有误差,TCF也可以提供基于无线电高度的警戒.,此功能也可以弥补GPWS在反航道进近或下滑道信号失效时不能够提供警告的缺陷.
2. 地形显示功能(Terrain Display)
EGPWS的地形显示功能加强了机组对周围地形的了解并能安全地避免潜在的触
地危险.地形显示可以由机组人工选择或者当前视警戒或警告启动时自动显示.地形在EHSI,ND或特定的气象雷达显示器上显示,所有的EGPWS警戒功能可以单
独工作也可以与所选择的地形显示一起工作.
地形在显示器上是以星罗棋布的红,琥珀,绿色等光点图形来显示的,同时还以颜色来指示地形高度与飞机高度之间的关系(如图7所示).
(1)红色光点
红色光点图形指示相当高的地形,这个地形比飞机的现行高度要高2000英尺(610米).如果在飞机的前方显示这个地形就表明存在潜在的威胁.
(2)琥珀色光点
如果在飞机前方显示琥珀色光点图形也表明存在潜在的威胁.它表明从飞机现行高度以下500英尺(152米)到高于飞机现行高度2000英尺(610米)之间存在地形扩展.
(3)绿色光点
绿色光点图形指示以飞机目前的高度在500英尺(152米)或更高的范围之间有足够的地形间隔.但是这个地形可能很接近,机组应该意识到它的存在.
琥珀色和绿色两种不同光点密度的混合增加了地形显示的效果.
为了减小显示的混乱,任何低于飞机现行高度2000英尺的地形不在显示器上显示,只用黑色背景代替,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—30秒显示.
在EGPWS地形数据库不包括的地形或区域用洋红色的光点图形来显示. EGPWS使用ARING 453气象雷达数据总线将地形数据传送到飞机显示系统.地形和气象雷达数据不能同时在一个显示器上显示,但是机长和副驾驶的地图显示是独立的.所以气象雷达的显示可以选择一个显示器而地形显示则可使用另一个.地形的光点图形显示与气象雷达显示不同以便帮助驾驶员区别.另外,由于地形数据是通过ARING 453气象雷达数据总线传送的,雷达显示优先于地形显示.显示的地形数据随着飞机的运动不断更新(类似于其他导航数据的显示).
当前视警戒或警告被启动,地形是用整体实心的琥珀色或红色图形来增强显示的.这些整体实心的显示器强调危险地形并且意味着紧急冲突.对于警戒级的警告,飞机前方地形所引起的危险是用整体实心的琥珀色来显示.在警戒级警告之前的红色光点所显示的地形强调地形的足够高度,对于警告级的警告,飞机前方地形
所引起的危险是用整体实心的红色来显示.如图8所示.TCF警戒或任何基本的GPWS警戒发生时不会显示地形.
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,当前视警戒发生时,系统会自动显示地形.如果当前视警戒或警告启动后,机长或副驾驶的地图显示没有选择显示地形的话,地形就会自动在两个图显示器上显示.当警戒启动时,如果一个地图上已经显示地形的话,它将不会在另一个地图上自动显示.
二.EGPWS警告,驾驶舱效应
为了简化机组与新一代的EGPWS警戒功能之间的联系,前视警戒或警告和TCF警戒的驾驶舱音响和目视效应与现行的GPWS警戒或警告几乎是一致的,因此驾驶员的反应是一样的.
1.警戒级警告(Caution Alert)
琥珀色的近地警告灯亮与现行的GPWS警戒信息一样.
地形显示和特定的地图通告显示是新一代EGPWS特有的,音响警告为CAUTION TERRAIN.如图9所示.
2.警告级警告(Waring Alert)
音响警告,红色的主警告灯亮和红色的PULL—UP灯亮与现行的GPWS的警告信息是一样.如图10所示.
地形显示和特定的地图通告显示是新一代EGPWS特有的.
3.TCF警告(TCF Alert)
对于TCF警告驾驶舱的反应是听到TOO LOW TERRAIN 语音警告和琥珀色的近地警告灯亮(红色的PULL—UP灯亮/仅B737).这些指示与现行的GPWS警戒级警告是一样的.
三.机组程序
如果警告发生在白天飞行,能见气象条件(VMC)并且机组能够通过目视判断没有危险存在,可以不考虑这种警告,只作为警戒,否则按照提供的警戒,TCF或警告程序来做.
1.警戒或TCF警告
检查飞行轨迹并按需修正轨迹.如果地形条件受到怀疑,机组应执行避开地形
(Terrain Avoidance)的机动程序.
2.警告级警告(Warning Alert)
立即执行避开地形机动程序直到驾驶舱指示飞机已经离开地形.
避开地形机动程序所使用的前视PULL-UP警告和现在的GPWS依据无线电高度所提供的PULL-UO警告是一样的.
CFIT事故是导致商用喷气飞机人员伤亡从数最多的事故.希望新一代EGPWS能像70年代中期的GPWS一样有效地减小事故的发生.
EGPWS的前视警戒级和警告级警告可以比GPWS系统更早地提供警告.另外,它的地形显示功能可以帮助驾驶员了解周围的地形环境,有效地避免触地的危险. EGPWS将成为波音飞机的标准设备,它是驾驶舱的新技术,它能为回避地形发出预警,地形显示提供给驾驶员更好的形势意识,同时现有的GPWS方式仍然有效. 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也有几点缺陷.
(一)方式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.但是存在某种情况方式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,它的方式5就有可能出现警告,这时机组会抑制方式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),方式5的抑制就不能重新得到预位.它再次做目测低着陆时,方式5不能提供警告.假如这时天气条件比较恶劣,很可能出现CFIT.
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,我的建议是方式5重新预位的条件应该有一时间限制,例如为4分钟,以上所述的那种情况就不会再发生.那么方式5就应该在起落架收起或再次放下,爬升至1000英尺以上或者抑制超过4分钟,满足以上任意一种条件时都应被重新预位,这样就会弥补这一不足,以免造成CFIT .
(二)警告语音的语言和人的交流障碍也是一大缺陷.例如:1993年11月13日,中国北方航空公司MD-82型B-2141号飞机执行沈阳-北京-乌鲁木齐航班任务,在乌鲁木齐机场进近中坠毁.这次事故的直接原因是左座调错了高度表,盲目下降高
度所至;但机组听不懂GPWS警告也是重要原因.该机于14:51:28建立了盲降,进入自动飞行.由于左座误认为高度高,继续下降,使飞机低于下滑道.14:51:56由于低于下滑道过多,GPWS给出了"GLIDE SLOPE"(下滑道)语音警告.但机组没有采取任何措施.在14:52:15又出现了"PULL UP"语音警告.驾驶舱里的四名机组成员听到警告后,有人问"啥玩意儿";左座问"PULL UP 怎么回事",机械员说"小心点".可见当时都没听懂是什么意思.他丧失了最后一次避免事故的机会.虽然这次事故的主要原因是机组的飞行理论不扎实,但是假如警告出现的是"请拉起来,请拉起来"我想机组可以得到充分注意的,这次事故是可以避免的.不同的文化背景不同的语言本身就是一种不安全的因素,现在国内的大部分航空公司的警告语音是英语,但是我国的民航飞行员的英语水平不是很高,英语的警告语音很可能成为一种不安全的因素,上面的例子可以得到证实,我建议把警告语音改成飞行员的母语,这样可以除掉语言障碍这一不安全因素.同时提高飞行员的英语水平也尤为重要.
随着GPWS的完善,CFIT的发生越来越少,希望GPWS进一步的完善,发挥GPWS对保障飞行安全所起到的积极和重要的作用,来提高飞行安全裕度减少飞行事故. 小结
本文介绍了GPWS的原理和警告方式以及它的缺陷,还有针对它的缺陷而设计的EGPWS的一些新功能及原理.我希望大家通过本文对GPWS和EGPWS有更进一步的了解,在飞行实践中发现它的不足,使它进一步完善尽可能减少CFIT,确保飞行
安全.
本文在写作过程中得到了徐亚军老师的细心指导,在此特别感谢!
参考文献
《近地警告系统》张进德编国防工业出版社 1992年
《飞行安全文选》(十四)飞行安全与人为因素专辑 1998年
《地形辅助导航技术》刘徐德主编电子工业出版社 1994年
《民用航空飞行事故汇编》(五)中国民用航空总局编印 1996年
《AIRLINER》1997(APRIL-JUNE) 1997(JULY-SEPTEMBER)
《CUSTOMER SERVICES DIVESION》
《BOEING 737 OPERATION MANUAL》
《AIRLINER》1997年第三期《Enhanced Ground Proximity Warning System》《国际航空》1998年第3期,《预防可控飞行撞地事故的有效方法—增强型近地警告系统》
《民航经济与技术》1998年第6期,《增强型近地警告系统》
图2
毕业论文近地警告系统(GPWS)和飞行安全
月，民航总局正式颁发了TAWS安装政策。

根据民航总局2002年9月颁发的文件，国内航空公司将于2004年底前在30座以上的客机上全部安装增强型近地警告系统。

毕业论文近地警告系统(GPWS)和飞行安全
EGPWS还有一个附加的保护组件—最小地形间隔TCF(Terrain Clearance Floor).它是针对一旦气压高度表有误差时而起作用的.TCF是一种机场周围的警戒包线,这个包线是依据飞机的无线电高度而确定(如图6).按照正常的3度下滑轨迹直到跑道上,飞机将保留完美的TCF警戒包线.如果飞机穿越TCF包线,同时也就穿越了以气压高度表为基准的EGPWS的前视警戒包线,因此就启动前视警戒功能.但是如果气压高度有误差,TCF也可以提供基于无线电高度的警戒.,此功能也可以弥补GPWS在反航道进近或下滑道信号失效时不能够提供警告的缺陷.
方式1—过大的下降率:在一定的无线电高度以下,飞机的下降率超过了允许的极限值时就发出SINK RATE 的警戒语音,近地灯燃亮.如果下降率进一步增大,将发出PULL UP的警告语音,红色PULL UP灯燃亮.
例如:1989年12月26日,英国航空的一架喷气流3101在向华盛顿帕斯哥机场的五边进近中坠地.事故的原因是飞机进入五边的高度太高,飞机在以陡峭的梯度下降中撞地.机上6人无人生还.NTSB指出在低高度上大下降率会触发GPWS,就会有SINK RATE和PULL UP的语音警告出现,如果飞机上安装GPWS将可以避免这次事故.
方式2—过大的接近地形率:当飞机在上升地形的上空飞行时,如果飞机接近地。