地形提示和警告系統(tǒng)模式2試飛地形選擇

謝夢濤

摘 要：該文首先介紹了地形提示和警告系統(tǒng)的發(fā)展歷史，并描述了地形提示和警告系統(tǒng)的基本原理，并著重介紹了模式2過大接近地形速率告警的原理。從地下提示和警告系統(tǒng)模式2告警的告警包線展開探尋了TAWS模式2試飛地形選擇的幾個關(guān)鍵要素，如地形的斜率、地形的相對高度，地形周邊的環(huán)境等等。并借助地圖軟件的相關(guān)信息展示了幾種典型的地形（如四川盆地、秦嶺、賀蘭山等等），分析這些地形的優(yōu)缺點(diǎn)，并找出了適合模式2試飛的地形。同時對地形的實(shí)地確認(rèn)工作做了相關(guān)說明。

關(guān)鍵詞：TAWS 模式2 地形 試飛

中圖分類號：V217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0018-03

1975年以前，世界范圍內(nèi)的商用噴氣式飛機(jī)平均每年大約發(fā)生8次可控飛行撞地（CFIT）事故，CFIT事故成為了當(dāng)時導(dǎo)致商用噴氣式飛機(jī)機(jī)毀人亡事故的主要原因之一。

1974年，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）開始對在美國空域飛行的航班上的GPWS進(jìn)行強(qiáng)制安裝。1979年，國際民航組織（IATA）推薦全球航空公司安裝該設(shè)備，此后CFIT事故急劇減少。GPWS通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控飛機(jī)自身參數(shù)（如氣壓變化率、飛機(jī)構(gòu)型、空速等參數(shù)）和無線電高度，判斷飛機(jī)是否存在 CFIT危險，并發(fā)出告警。但是GPWS的設(shè)計(jì)也存在一定的局限性，它只有“下視”功能，依賴于無線電高度，而無線電高度不能反映飛機(jī)前方的地形情況，如果前方出現(xiàn)突然上升的地形，垂直的峭壁或陡峭的懸崖，則無法及時發(fā)出告警信號，導(dǎo)致延緩改出機(jī)會。

隨后出現(xiàn)的EGPWS，在GPWS的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，EGPWS包括了傳統(tǒng)GPWS的相關(guān)功能，警告方式與傳統(tǒng)GPWS幾乎一樣。EGPWS裝入了全球機(jī)場位置數(shù)據(jù)庫和地形數(shù)據(jù)庫，并利用飛機(jī)位置、無線電高度和飛行軌跡信息來確定潛在的撞地危險。所以至今，全世界已經(jīng)安裝EGPWS設(shè)備的飛機(jī)沒有發(fā)生過一起可控撞地（CFIT）事故。

中國民航局適航司頒發(fā)的適航指令要求，從2005年1月1日起，所有最大審定起飛重量超過15噸或批準(zhǔn)的旅客座位數(shù)超過30人的渦輪發(fā)動機(jī)飛機(jī)應(yīng)安裝經(jīng)批準(zhǔn)的增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)（EGPWS），也就是說我們目前所乘坐的正在進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行的國內(nèi)民航客機(jī)均安裝有EGPWS系統(tǒng)以防可控飛行撞地。而美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）亦要求全美在2005年1月1日起停止使用普通型近地警告系統(tǒng)（GPWS），改裝增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)（EGPWS）。目前全球至少97%的民用飛機(jī)安裝有近地警告系統(tǒng)（包含GPWS、EGPWS）。GPWS（Ground Proximity Warning System普通型近地警告系統(tǒng)）

1 近地告警系統(tǒng)模式2簡介

TAWS使用飛機(jī)當(dāng)前的航跡信息，并參考地形高度數(shù)據(jù)、障礙物數(shù)據(jù)和機(jī)場數(shù)據(jù)信息，從而提供預(yù)測型和反應(yīng)型的地形告警。飛機(jī)的航跡信息包括飛機(jī)當(dāng)前位置、氣壓高度、地速和航跡角等。如果出現(xiàn)危險情況，TAWS將給出視頻和語音的告警來警告飛行員。

TAWS包含以下基本功能：

* 模式1——過大的下降率

* 模式2——過大的地形接近率

* 模式3——起飛或復(fù)飛后掉高度太多

* 模式4——不在著陸形態(tài)時的不安全越障高度

* 模式5——進(jìn)近時低于下滑道太多

* 模式6——高度呼叫

* 模式7——風(fēng)切變警告

* 前視地形警戒

* 地形顯示

該文著重介紹模式2過大地形接近率告警功能，當(dāng)飛機(jī)飛過一段上升地形時，TAWS系統(tǒng)給出目視和音箱告警，DO-161附錄A中給出了模式2的告警包線，具體如圖1所示。

2 模式2試飛試驗(yàn)簡介

聯(lián)邦航空委員會（FAA）咨詢通告AC25-23中提供了TAWS不同模式試飛的相關(guān)方法，現(xiàn)有相關(guān)法規(guī)中并沒有明確指出TAWS系統(tǒng)的每一個子模式都需要試飛。對于TAWS系統(tǒng)的試飛程度，AC25-23 提出了是否進(jìn)行試飛驗(yàn)證的參考建議：任何與首次安裝或新設(shè)計(jì)的傳感器有交聯(lián)的TAWS 模式都應(yīng)該進(jìn)行試飛驗(yàn)證。AC25-23對模式2試飛試驗(yàn)做了以下建議：這個試驗(yàn)必須在一個已知的上升地形中進(jìn)行。推薦在地形高度500ft-1000ft以上進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試飛地形的選擇

根據(jù)圖1的告警包線可知，要達(dá)到告警包線有兩個條件，一個是離地高度，另一個為地形接近速率，并且離地高度越高，所要達(dá)到的地形接近速率越大?？紤]到模式2飛行在上升地形處進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)存在一定的撞地風(fēng)險，所以離地形高度不宜過低，另外飛行速度也不宜過快，以最高地形以上500ft飛行為例?？紤]到需要觀察到飛機(jī)從平坦地形到上升地形并且發(fā)生模式2告警的整個過程，告警應(yīng)持續(xù)一段時間，因此需要在在達(dá)到地形最高點(diǎn)前一段時間應(yīng)該觸發(fā)模式2告警，該文以離地1500ft處進(jìn)入告警包線為例，根據(jù)圖1模式2告警包線圖，1500ft離地高度時告警所需達(dá)到的地形接近速率為3900ft/m。考慮到試飛安全性，地速以210kts左右為宜，在210節(jié)地速下，地形上升斜率計(jì)算結(jié)果如下：

3900ft/m=3900*0.000164578=0.642nm/m

210kts=210/60=3.5nm/m

0.642/3.5=18.3%

由以上計(jì)算可得，所需地形斜率為18.3%左右。為了保證試飛的安全使飛行員容易在試飛任務(wù)完成后易于改出，試飛地形的后面不宜有高于試飛目標(biāo)點(diǎn)的地形，總而言之需要尋找一座相對孤立的陡峭程度達(dá)到18.3%的山峰。

根據(jù)以上幾點(diǎn)要求筆者首先想到了兩個試飛地點(diǎn)：一個是四川盆地，從盆地地勢低洼地區(qū)往盆地周圍山地飛行。另一個是秦嶺，從西安平坦地形區(qū)域飛往秦嶺。在google earth軟件中詳細(xì)查看了這兩個區(qū)域，具體見圖2。

通過google earth軟件的高程測量，發(fā)現(xiàn)成都平原周邊山地和秦嶺的地形的斜率可以滿足要求，但是這兩個地區(qū)的地形比較復(fù)雜，目標(biāo)高點(diǎn)后往往有更高地形，在進(jìn)行模式2試飛時不易改出，所以不適合用于模式2的試飛。

筆者又在google earth軟件中找到了一個相對孤立的小山峰，具體見圖3。

該地形處于西安市東北區(qū)域。在地圖上顯示該地形相對孤立，前后左右都無復(fù)雜地形易于飛行員改出。但是通過測量該地形高程發(fā)現(xiàn)，該山與附近平底見的高度間隔較小，雖然山坡斜率可以滿足模式2試驗(yàn)的要求，但是在此處進(jìn)行試驗(yàn)時，飛機(jī)飛行的高度過于接近地面，容易出發(fā)TAWS的其他一下告警，并且低空不利于試飛安全，所以此地形也不宜用作模式2的試飛地形。

通過 google earth軟件地形圖的搜尋，筆者找到了處于寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)的賀蘭山。賀蘭山北起巴彥敖包，南至毛土坑敖包及青銅峽。山勢雄偉，若群馬奔騰。蒙古語稱駿馬為“賀蘭”，故名賀蘭山。見圖4，為賀蘭山地形圖。

從賀蘭山的整體地形來看，該山脈較為孤立，東南側(cè)銀川區(qū)域，西北側(cè)為內(nèi)蒙古區(qū)域，均為較平坦地形，另外賀蘭山的絕對高度較高，比較適合作為模式2的試飛地形。

筆者選取了賀蘭山南段的一處高峰作為我們試飛目標(biāo)高點(diǎn)（圖4中A點(diǎn)），該目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度為北緯38°37'57.81" 東經(jīng)105°50'50.16"，高程為10450ft。其東側(cè)一地形點(diǎn)B高程為6886ft。A和B點(diǎn)距離為3km。由此可得A點(diǎn)東側(cè)地形的斜率為35%，滿足斜率大于18.3的要求。再觀察A點(diǎn)東側(cè)C點(diǎn)位平坦區(qū)域，海拔為4000ft左右，A點(diǎn)西側(cè)D點(diǎn)位置附近也為平坦地形高度在5000-6000ft左右。A點(diǎn)周圍沒有超過A高度的地形，所以在A點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行模式2試飛是比較容易改出的。以A點(diǎn)為例，如果進(jìn)行模式2試飛那么試飛高度在10950ft左右（10450+500），那么試飛時與C點(diǎn)的間隔高度為10950-4000=6950ft，飛行高度較高，不會有其他近地告警觸發(fā)干擾試驗(yàn)，另外離地高度較高也比較有利與飛行安全。

綜上所述圖4中賀蘭山區(qū)域A點(diǎn)作為模式2試飛目標(biāo)高點(diǎn)是比較合適的，從圖4中C點(diǎn)區(qū)域開始以一定高度朝著A點(diǎn)飛行執(zhí)行模式2告警試飛將有比較好的試驗(yàn)效果，同時試飛的安全也能得到比較好的保證。

4 地形的確認(rèn)

在地圖軟件中尋找到合適的模式2試驗(yàn)的目標(biāo)地形后，應(yīng)該實(shí)地考察該地形，通過實(shí)地考察確定試飛中的準(zhǔn)確目標(biāo)高點(diǎn)以及試飛路徑和改出路徑。如果有相應(yīng)的器材和條件的話，應(yīng)準(zhǔn)測量試驗(yàn)地形點(diǎn)的準(zhǔn)確高程，以防止高度誤差造成試飛失敗和影響試飛安全。另外，試飛時應(yīng)提供地形所屬地的修正海壓，保證以正確高度試飛。

5 結(jié)語

該文主要介紹了一種選擇地形提示和警告系統(tǒng)模式2（過大地形接近速率告警）試飛地形的方法。通過模式2的告警包線得出模式2告警試飛所需的地形斜率。結(jié)合試飛時的一些實(shí)際情況得出了模式2試飛地形選擇的幾大要點(diǎn)：地形斜率，地形是否孤立，地形的相對高度是否足夠，試飛地形周邊無復(fù)雜地形，目標(biāo)點(diǎn)為周邊地形最高點(diǎn)。根據(jù)以上幾個要點(diǎn)，通過地形軟件搜索相關(guān)符合的地形，選出合適的目標(biāo)地形后進(jìn)行實(shí)地考察，最后確定具體的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)地形點(diǎn)和飛行路徑。通過文中可知，賀蘭山區(qū)域是較為合適的模式2試飛地點(diǎn)。當(dāng)然只要滿足上文中提及的幾個要點(diǎn)的地形，再經(jīng)過實(shí)地勘察確認(rèn)后都可以作為模式2試飛地形。

參考文獻(xiàn)

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[4] 蘇翼，蔡俊.地形提示與告警系統(tǒng)試飛研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2014（4）：38-42.