地形提示和警告系統模式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的發展歷史，并描述了地形提示和警告系統的基本原理，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鍵要素，如地形的斜率、地形的相對高度，地形周邊的環境等等。并借助地圖軟件的相關信息展示了幾種典型的地形（如四川盆地、秦嶺、賀蘭山等等），分析這些地形的優缺點，并找出了適合模式2試飛的地形。同時對地形的實地確認工作做了相關說明。

關鍵詞：TAWS 模式2 地形 試飛

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

1975年以前，世界范圍內的商用噴氣式飛機平均每年大約發生8次可控飛行撞地（CFIT）事故，CFIT事故成為了當時導致商用噴氣式飛機機毀人亡事故的主要原因之一。

1974年，美國聯邦航空管理局（FAA）開始對在美國空域飛行的航班上的GPWS進行強制安裝。1979年，國際民航組織（IATA）推薦全球航空公司安裝該設備，此后CFIT事故急劇減少。GPWS通過計算機監控飛機自身參數（如氣壓變化率、飛機構型、空速等參數）和無線電高度，判斷飛機是否存在 CFIT危險，并發出告警。但是GPWS的設計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前方的地形情況，如果前方出現突然上升的地形，垂直的峭壁或陡峭的懸崖，則無法及時發出告警信號，導致延緩改出機會。

隨后出現的EGPWS，在GPWS的基礎上進行了改進，EGPWS包括了傳統GPWS的相關功能，警告方式與傳統GPWS幾乎一樣。EGPWS裝入了全球機場位置數據庫和地形數據庫，并利用飛機位置、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，全世界已經安裝EGPWS設備的飛機沒有發生過一起可控撞地（CFIT）事故。

中國民航局適航司頒發的適航指令要求，從2005年1月1日起，所有最大審定起飛重量超過15噸或批準的旅客座位數超過30人的渦輪發動機飛機應安裝經批準的增強型近地警告系統（EGPWS），也就是說我們目前所乘坐的正在進行商業運行的國內民航客機均安裝有EGPWS系統以防可控飛行撞地。而美國聯邦航空管理局（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（GPWS），改裝增強型近地警告系統（EGPWS）。目前全球至少97%的民用飛機安裝有近地警告系統（包含GPWS、EGPWS）。GPWS（Ground Proximity Warning System普通型近地警告系統）

1 近地告警系統模式2簡介

TAWS使用飛機當前的航跡信息，并參考地形高度數據、障礙物數據和機場數據信息，從而提供預測型和反應型的地形告警。飛機的航跡信息包括飛機當前位置、氣壓高度、地速和航跡角等。如果出現危險情況，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——起飛或復飛后掉高度太多

* 模式4——不在著陸形態時的不安全越障高度

* 模式5——進近時低于下滑道太多

* 模式6——高度呼叫

* 模式7——風切變警告

* 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，當飛機飛過一段上升地形時，TAWS系統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試飛試驗簡介

聯邦航空委員會（FAA）咨詢通告AC25-23中提供了TAWS不同模式試飛的相關方法，現有相關法規中并沒有明確指出TAWS系統的每一個子模式都需要試飛。對于TAWS系統的試飛程度，AC25-23 提出了是否進行試飛驗證的參考建議：任何與首次安裝或新設計的傳感器有交聯的TAWS 模式都應該進行試飛驗證。AC25-23對模式2試飛試驗做了以下建議：這個試驗必須在一個已知的上升地形中進行。推薦在地形高度500ft-1000ft以上進行試驗。

3 試飛地形的選擇

根據圖1的告警包線可知，要達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，所要達到的地形接近速率越大。考慮到模式2飛行在上升地形處進行試驗，試驗存在一定的撞地風險，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。考慮到需要觀察到飛機從平坦地形到上升地形并且發生模式2告警的整個過程，告警應持續一段時間，因此需要在在達到地形最高點前一段時間應該觸發模式2告警，該文以離地1500ft處進入告警包線為例，根據圖1模式2告警包線圖，1500ft離地高度時告警所需達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節地速下，地形上升斜率計算結果如下：

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完成后易于改出，試飛地形的后面不宜有高于試飛目標點的地形，總而言之需要尋找一座相對孤立的陡峭程度達到18.3%的山峰。

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

通過google earth軟件的高程測量，發現成都平原周邊山地和秦嶺的地形的斜率可以滿足要求，但是這兩個地區的地形比較復雜，目標高點后往往有更高地形，在進行模式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域。在地圖上顯示該地形相對孤立，前后左右都無復雜地形易于飛行員改出。但是通過測量該地形高程發現，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試驗的要求，但是在此處進行試驗時，飛機飛行的高度過于接近地面，容易出發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和內蒙古自治區的賀蘭山。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，東南側銀川區域，西北側為內蒙古區域，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高點（圖4中A點），該目標點經緯度為北緯38°37'57.81" 東經105°50'50.16"，高程為10450ft。其東側一地形點B高程為6886ft。A和B點距離為3km。由此可得A點東側地形的斜率為35%，滿足斜率大于18.3的要求。再觀察A點東側C點位平坦區域，海拔為4000ft左右，A點西側D點位置附近也為平坦地形高度在5000-6000ft左右。A點周圍沒有超過A高度的地形，所以在A點區域進行模式2試飛是比較容易改出的。以A點為例，如果進行模式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干擾試驗，另外離地高度較高也比較有利與飛行安全。

綜上所述圖4中賀蘭山區域A點作為模式2試飛目標高點是比較合適的，從圖4中C點區域開始以一定高度朝著A點飛行執行模式2告警試飛將有比較好的試驗效果，同時試飛的安全也能得到比較好的保證。

4 地形的確認

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

5 結語

該文主要介紹了一種選擇地形提示和警告系統模式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。結合試飛時的一些實際情況得出了模式2試飛地形選擇的幾大要點：地形斜率，地形是否孤立，地形的相對高度是否足夠，試飛地形周邊無復雜地形，目標點為周邊地形最高點。根據以上幾個要點，通過地形軟件搜索相關符合的地形，選出合適的目標地形后進行實地考察，最后確定具體的試驗目標地形點和飛行路徑。通過文中可知，賀蘭山區域是較為合適的模式2試飛地點。當然只要滿足上文中提及的幾個要點的地形，再經過實地勘察確認后都可以作為模式2試飛地形。

參考文獻

[1] Donald L，Riggin.AC25-23 Airworthiness Criteria for the Installation Approval of a Terrain Awareness and Warning System （TAWS）for Part 25 Airplanes. U.S.Department of Transportation Federal Aviation Administration，2000.

[2] TSO-C151b TERRAIN AWARENESS AND WARNING SYSTEM.

[3] RTCA DO-161A MINIMUM PERFORMANCE STANDARDS-AIRBORNE GROUND PROXIMITY WARNING EQUIPMENT.

[4] 蘇翼，蔡俊.地形提示與告警系統試飛研究[J].民用飛機設計與研究，2014（4）：38-42.