世界上第一架直升机是由德国科学家福克于1937年设计制造的FW-61横列式双旋翼直升机。该机首次由女飞行员莱西驾驶,以68公里/小时的速度由柏林飞到伦敦,震动了整个航空界。

地面迫近警告系统

地面迫近警告系统


 

地面迫近警告系统,又称近地警告系统,英文为Ground Proximity Warning SystemGPWS),主要用于避免飞机与地面相撞目前民航飞机广泛使用的是增强型近地警告系统(EGPWS),而普通型近地警告系统(GPWS)是其前身。

 

EGPWS概述

增强型近地警告系统(Enhanced Ground Proximity Warning System, EGPWS)的主要功用是避免飞机与地面相撞,当飞机与地面危险接近时给机组提供相应的警告提示,增加飞机安全性。为此,大部分民航客机上都安装有近地警告系统,该系统主要由近地警告计算机、警告灯和控制板组成。它的核心是近地警告计算机,计算机中存储了各种警告方式的极限数据,这些数据与其它系统输送来的飞机实际状态数据进行比较,如来自无线电高度表的高度信号;来自大气数据计算机的气压高度和变化率;来自惯导的惯性垂直速度等等,如果这些数据超出了某一种警告方式的极限值,近地警告计算机就输出相应的语音和灯光警告信号,警告飞行员目前飞机存在危险状态,直到采取了适当的措施而脱离了不安全状态后灯光和语音警告信号才被终止。 
为什么需要近地警告系统呢?这要从CFIT可控飞行撞地)说起。CFIT就是在飞行中并不是由于飞机本身的故障,或发动机失效等原因发生的事故,而是由于机组在毫无觉察危险的情况下,操纵飞机撞山、撞地或飞入水中,而造成飞机坠毁或严重损坏和人员伤亡的事故。1970年代GPWS开始普及前,可控飞行撞地已经成为导致商用喷气飞机机体损毁事故和人员死亡事故的元凶。

 

警告方式

方式1:下降率过大 
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"WHOOP WHOOP, PULL UP, PULL UP"的警告语音,红色"PULL UP"灯燃亮。 
方式2:过大的地形接近率 
方式2A:飞机并非处于着陆状态下的过度地障接近率。也就是襟翼并未放至30度或以上,并且下滑道偏移超过2度以上,就发出"TERRAIN ,TERRAIN"的警告语音,近地灯燃亮。当飞机持续处于Mode 2A状态,地形高度并未下降或是飞行员并未操纵航机爬升,在PFD仍会显示PULL UP警告讯息,直到高度增加300尺以上或是45秒过后。在这之后如果Mode 2A状态持续存在,将重复发出语音警告。在高度增加300英尺以上或是放下起落架,将会解除语音警告以及PFDPULL UP警告讯息。 
方式2B:飞机襟翼放出至30度或以上,处于着陆状态下发生的过度地障接近率。EGPWC以襟翼位置以及高度下降速率来计算决定最低的限制。达到限制极限后发出语音警告:"TERRAIN TERRAIN",如果在1.6秒钟内未离开警戒区域,将发出"WHOOP WHOOP, PULL UP, PULL UP"的警告语音,红色"PULL UP"灯燃亮。 
方式3:起飞或复飞时过度掉高度 
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。方式4A:速度较大时,警告语音为"TOO LOW TERRAIN"。方式4B: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" 
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"语音警告,近地灯燃亮。 
方式6:无线电高度和决断高度的报告 
在着陆过程中,EGPWS代替人来报告决断高度和无线电高度。 
Minimums minimumsThree hundredTwo hundredOne hundredFiftyFortyThirtyTwentyTen 
在着陆过程中,无线电高度高于130英尺,飞机水平翻滚倾斜角大于35度;或无线电高度在30-130英尺,飞机水平翻滚倾斜角大于10度时,发出语音警告"BANK ANGLEBANK ANGLE" 
方式7:风切变警告 
在低于1500英尺无线电高度的起飞或进近过程中,如果飞机进入风切变警告范围时,就发出风切变语言警告"Windshear, Windshear"

 

优先顺序

EGPWS将根据不同的警告方式发出不同的语音,除开着陆过程报告的具体无线电高度,EGPWS报警语音归纳起来有17种。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警告,其优先排列顺序如下。

近地警告

近地警告方式一告警示意图
 

优先顺序

语音警告音内容

触发方式

1

WINDSHEAR, WINDSHEAR

7

2

WHOOP WHOOP, PULL UP!

1

3

WHOOP WHOOP, PULL UP!

2

4

TERRAIN TERRAIN, PULL UP! 
OBSTACLE AHEAD, PULL UP!

2

5

TERRAIN TERRAIN

2

6

MINIMUMS

6

7

TERRAIN TERRAIN 
OBSTACLE AHEAD OBSTACLE AHEAD

2

8

TOO LOW, TERRAIN

4

9

TCF TOW LOW TERRAIN 
(TCF=TERRAIN CLEARANCE FLOOR)

4

10

ALTITUDE CALLOUT(无线电高度报告)

6

11

TOW LOW GEAR

4

12

TOW LOW FLAPS

4

13

SINK RATE

1

14

DON'T SINK, DON'T SINK!

3

15

GLIDE SLOPE

5

16

BANK ANGLE, BANK ANGLE

6

17

WINDSHEAR PREALERT

7

警告级别

为了简化机组对新一代EGPWS警戒功能之间的适应过程,前视警戒或警告和TCF警戒的驾驶舱音响和目视效应与先前的GPWS警戒或警告几乎是一致的。 
1.警戒级警告(Caution Alert) 
琥珀色的近地警告灯亮与先前的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 
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灯亮与先前的GPWS的警告信息是一样。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/B737) 
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。

 

触发EGPWS告警的处理程序

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) 
PULL UP警告是所有EGPWS告警中最为危险的,机组必须立即执行避开地形机动程序直到EGPWS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 P警告和先前的GPWS依据无线电高度所提供的PULL P警告是一样的。

 

EGPWS特点与原理

EGPWS包括了传统GPWS的相关功能,警告方式与传统GPWS几乎一样。EGPWS装入了全球机场位置数据库和地形数据库,并利用飞机位置、无线电高度和飞行轨迹信息来确定潜在的撞地危险。所以至今,全世界已经安装EGPWS设备的飞机没有发生过一起可控撞地(CFIT)事故。 
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2万余条铺筑面为3500英尺(1067)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,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。因地形数据库的存在,GPWS的缺陷一和缺陷二迎刃而解,飞机在飞行过程中,增强型近地警告计算机沿着飞机的预定航迹连续搜索数据库,这样可使系统具有虚拟的前视能力。EGPWS 将所探测到的周围环境的数据不断的与现存的数据进行对比,如果EGPWS认为飞机的航迹在某处与地形太近,它会提前发出音频和视频警告信号给飞行员,即使在雨雾等恶劣天气中,EGPWS也能有效控制撞地或撞山的事故的发生。 


1)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)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。

近地警告

近地警告方式二告警示意图
 

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)。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(023千米),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EHSIND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:位于飞机下方2000英尺以外的地形不予显示;飞机下方1000英尺至2000英尺之间的地形显示为浅绿色;飞机下方500英尺至1000英尺之间的地形显示为中等绿色;飞机下方500英尺至飞机上方1000英尺之间的地形显示为中等黄色;飞机上方1000英尺至2000英尺之间的地形显示为深黄色;飞机上方2000英尺以上的地形显示为深红色。 
(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)。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)到高于飞机现行高度2000英尺(610)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)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。 
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。 
3)地形越障高度下限功能(TCF 
针对于大部份的机场(硬跑道,跑道长1067以上),EGPWS也会参考比较飞机与跑道相对位置,发现可能存在的危险状况,这个功能称为Terrain Clearance Floor, TCF

 

强制安装EGPWS

中国民航局适航司颁发的适航指令要求,从200511日起,所有最大审定起飞重量超过15吨或批准的旅客座位数超过30人的涡轮发动机飞机应安装经批准的增强型近地警告系统(EGPWS),也就是说我们目前所乘坐的正在进行商业运行的国内民航客机均安装有EGPWS系统以防可控飞行撞地。EGPWS的供应商为美国霍尼韦尔(Honeywell)公司,此次改装共耗资2100万美元。而美国联邦航空管理局(FAA)亦要求全美在200511日起停止使用普通型近地警告系统(GPWS),改装增强型近地警告系统(EGPWS)。目前全球至少97%的民用飞机安装有近地警告系统(包含GPWSEGPWS)。GPWS(Ground Proximity Warning System 普通型近地警告系统) GPWS是目前广泛使用的EGPWS的前身,GPWS在起飞开始到降落地面为止,持续监视飞机离地高度,利用无线电高度计获得离地高度,并且以电脑计算出飞机的飞行趋势,若有危险时会以视觉与语音警告驾驶员采取避险措施。它于1970年代被广泛使用后就大幅减少了可控飞行撞地事故(CFITControlled flight into terrain)的发生,但亦因其本身缺陷而在21世纪之初遭到淘汰。

GPWS历史

1974年,美国联邦航空管理局(FAA)开始对在美国空域飞行的航班上的GPWS进行强制安装。 
1979年,国际民航组织(IATA)推荐全球航空公司安装该设备,此后CFIT事故急剧减少。 
1985年后,CFIT事故每年仅发生12次,而强制要求安装前每年发生78次。 
1990年代,全球几乎所有的商用喷气飞机均装备GPWSEGPWS

GPWS启用状态下发生的CFIT事故

19931113中国北方航空公司一架MD-82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, GLIDE SLOPE"的语音警告。但机组没有采取任何措施。在14:52:15又出现了"WHOOP WHOOP, PULL UP! WHOOP WHOOP, 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",可见当时无人听懂GPWS警告是什么意思,他们丧失了最后一次避免事故的机会。 
19951220,美国航空公司AA965航班坠毁在哥伦比亚的卡利。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高的山上,离山顶60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秒前提醒飞行员“TERRAIN TERRAIN”34秒前发出“TERRAIN TERRAIN PULL UP”的警告,则驾驶员就不会在转弯时撞山了。 
199643,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。

 

GPWS缺陷

1.不能了解前方的情况。它只有下视功能,依赖于无线电高度,而无线电高度不能反映飞机前方的地形情况。 
2.如果前方出现突然上升的地形,垂直的峭壁或陡峭的悬崖,则无法及时发出告警信号,导致延缓改出机会。 
3.存在无警告的因素限制:当机组抑制警告忘记恢复;或,当飞机起落架和襟翼均在着陆形态,并以正常速率下降时,无法提供地形警告。因为此时GPWS认为飞机将降落在机场,为避免干扰,需要抑制警告。事实表明,不少CFIT事故就是在降落阶段发生。 
幸运的是,以上缺陷在最新应用的EGPWS系统中均已得到克服,飞行员可以提早几十秒获得警告以及时改出,并且对前方障碍物能够进行预判。

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