民用飛機乘客使用PED的適航要求分析

陸 曦 / LU Xi

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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民用飛機乘客使用PED的適航要求分析

陸 曦 / LU Xi

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

2013年歐美適航當局陸續宣布允許乘客在全飛行階段使用便攜式電子設備(Portable Electronic Device,簡稱PED)，包括處于飛行模式的手機、平板電腦、筆記本電腦等。與PED使用有關的適航條款經過半個多世紀的不斷發展已日趨成熟。為了表明飛機在PED輻射的環境下仍然是適航的，飛機制造商需要向局方表明飛機對PED前門耦合和后門耦合干擾的符合性。

便攜式電子設備；適航；前門耦合；后門耦合

0 引言

眾所周知，乘客在乘坐國內的民航班機時只有在巡航階段可以使用不具備射頻發射功能的便攜式電子設備(Portable Electronic Device,簡稱PED)，而手機必須全程關閉。其實在歐美，適航當局已經放寬了這一限制。2013年10月31日，美國聯邦航空局(FAA)發布通告N8900.240，宣布美航空公司可允許旅客在整個飛行過程中安全使用處于“飛行模式”下的便攜式電子設備[1]。隨后的11月26日，歐洲航空安全局(EASA)也發出指南，在原有非關鍵飛行階段允許乘客使用PED的基礎上，進一步擴展到在滑行、起飛和著陸階段也允許乘客使用處于“飛行模式”的PED[2]。鑒于國內對民用飛機上乘客使用PED的相關適航要求研究才剛開始，本文試圖對乘客在民用飛機上使用PED的適航要求以及相對應的對飛機設計的影響進行初步分析和探究。

1 機上使用PED的背景

隨著電子和通信技術的快速發展，PED在人們的日常生活中得到了廣泛應用。美國航空政策制定委員會(Aviation Rulemaking Committee，簡稱ARC)對PED的定義是：輕便的、用電的設備，特指用于通信、數據處理的消費類電子設備；而帶有射頻發射裝置的PED又稱作T-PED(Transmitting PED)。由于擔心PED的電磁輻射對民用航空器產生的潛在安全威脅，在很長一段時間內各國民航當局都不允許乘客在飛行過程中使用PED。但是，乘客對于在飛行中使用PED的需求卻與日俱增。根據APEX和CEA進行的一項調查[3]顯示，有超過6成的個人旅客和超過4成的商務旅客認為在飛行中使用PED是必要的，如圖1所示。

圖1 飛行中使用PED重要性調查

調查顯示，盡管有94%的被調查者知道在飛行過程中禁止使用PED，但其中仍有7%的乘客不會關閉PED電源，有21%的乘客習慣將PED設置為飛行模式，如圖2所示。也就是說，無論政策法規如何對機上PED的使用進行限制，現代民用飛機都必將面對來自乘客PED電磁輻射的影響。因此，在飛機的前期設計中就將PED的影響納入適航要求中至關重要，也直接影響到民用飛機的安全性。

圖2 飛行中使用PED比例調查

2 民航機上使用PED適航要求的演變

2.1 FAA適航要求

早在1961年，FAA就發布了關于機上使用PED的第一條適航規章條款91.19，該條款隨后被91.21、121.306、125.204和135.144代替。在二十世紀五六十年代，美國就有研究表明晶體管調頻收音機中本地振蕩器的輻射泄漏會對機載VOR導航系統造成干擾[4]。因此人們也一直相信PED的使用會對機載通信導航系統造成潛在干擾。當電傳飛控和數字顯示技術成為民用飛機的主流配置后，PED對這類設備的潛在影響也成為了人們的擔心。

1991年，美國聯邦通信委員會(Federal Communication Committee，簡稱FCC)發布規章條款22.925，禁止乘客在民航班機上使用800MHz的手機，原因是懷疑機上的手機會因接入地面的移動蜂窩網絡而對地面電信網絡造成影響。2007年，FCC又因缺乏充分的證據而撤銷了這一禁令。

2006年8月25日，FAA發布咨詢通告AC91.21.1B，向航空公司和飛機制造商就開放使用PED提出了操作建議和先決條件[5]。2010年3月15日，FAA發布咨詢通告AC20-164，認可DO-307作為局方可接受的證明民用飛機PED干擾耦合符合性的標準方法之一[6]。2013年10月31日，FAA發布通告N8900.240，在所有飛行階段有條件解禁PED的使用。2015年7月5日，FAA更新咨詢通告AC91.21.1C，正式發布了所有飛行階段解禁PED使用的條件[7]。

2.2 EASA適航要求

2013年11月26日，EASA發布決定宣布在所有飛行階段均可以使用處于“飛行模式”的PED。

2.3 CAAC適航要求

中國民用航空局對在中國境內民航班機上使用PED的適航要求比歐美局方更為嚴格，目前尚還沒有解禁PED使用的計劃。與FAR 91.21、121.306、125.204和135.144相對應的條款分別是：

1)91.23 便攜式電子設備[8]

(a)除本條(b)款規定外，在中華人民共和國國籍登記的下列民用航空器上，所有乘員不得開啟和使用，該航空器的運營人或機長也不得允許其開啟和使用便攜式電子設備：

(1)正在實施公共航空運輸運行的航空器；

(2)正在按照儀表飛行規則運行的航空器。

(b)在民用航空器上可以使用下列便攜式電子設備：

(1)便攜式錄音機；

(2)助聽器；

(3)心臟起博器；

(4)電動剃須刀；

(5)由該航空器的運營人確定，認為不會干擾航空器的航行或通信系統的其他便攜式電子設備。

(c)按照公共航空運輸運行規章實施運行的航空器應當滿足相應的規定，本條(b)(5)項所要求的決定必須由航空器的運營人作出；對于其他航空器，該決定也可以由航空器的機長作出。

2)121.573 便攜式電子設備的禁用和限制[9]

(a)從飛機為開始飛行而關閉艙門時刻起，至結束飛行打開艙門時刻止，飛機上的乘員不得開啟和使用，合格證持有人也不得允許其開啟和使用與航空器正常飛行無關的主動發射無線電信號的便攜式電子設備，這些電子設備包括：

(1)移動電話；

(2)對講機；

(3)遙控玩具和其他帶遙控裝置的電子設備；

(4)局方或者合格證持有人認定干擾飛機安全運行的其他無線電發射裝置。

(b)飛機上的乘員可以使用CCAR-91 部第91.23 條(b)款規定的便攜式電子設備。但是，在起飛、爬升、下降、進近、著陸等飛行關鍵階段，合格證持有人應當限制旅客使用便攜式計算機、收音機、CD 播放機、電子游戲機、視頻錄放機等便攜式電子設備。

(c)在飛行期間，當機長發現存在電子干擾并懷疑該干擾來自機上乘員使用的便攜式電子設備時，機長和機長授權人員應當要求其關閉這些便攜式電子設備；情節嚴重的應當在飛機降落后移交地面公安機關依法處置，并在事后向局方報告。

此外，對于民用飛機設計人員所關心的CCAR-25部《運輸類飛機適航標準》，雖沒有直接限定PED使用的條款，但也有間接影響的條款，分別是25.1309和25.1431[10]。

3 PED對航電系統的安全性影響分析

根據AC91.21.1C，如果某型民用飛機沒有進行PED相關的EMI測試，那么須按照航電系統(主要是無線電收發機)對PED電磁輻射不同的敏感性進行安全性分析。根據安全性分析的要求，將可能引發的失效模式分為三類，分別是：

a)拒絕服務(Denial of Service)，即完全喪失某項功能；

b)服務降級(Degradation of Service)，即部分喪失某項功能或性能發生下降；

c)誤導信息(Misleading Information)，即系統向機組人員提供引起誤導的信息。

3.1 不受PED電磁輻射影響的系統

不受PED電磁輻射影響的系統分為三類，第一類是工作在30MHz以下頻段的收發機，如自動定向儀ADF(200～600kHz)、高頻通信和高頻數據鏈(3～30MHz)。因為要使PED發射30MHz以下的無線電信號，那么PED需要數米長的發射天線，這在現實中是不可行的。第二類是靈敏度閾值遠高于PED的平均發射水平的機載收發機，如ILS中的指點信標。第三類是工作在4GHz以上的收發機，包括4GHz無線電高度表、5GHz或9GHz氣象雷達。這些系統都使用了定向天線，限制了PED發射與接收機間的耦合。而且，雖然PED發射增加了接收機內的本地噪聲，但只在非常有限的范圍內影響接收機的輸出，對接收機的正常工作影響非常小。一些系統的關鍵功能，如風切變探測或確定高度，只會在接收信號遠大于PED引起的本地噪聲的情況下進行。

3.2 儀表著陸系統ILS

ILS是一種用于飛機進近和著陸的輔助裝置，包含提供橫向引導的航向信標(Localizer)、提供垂直引導的下滑信標(Glide Slope)和提供距離引導的指點信標(Marker Beacon)。其中指點信標不受PED電磁輻射影響。航向信標天線工作在108MHz～112MHz內的40個工作通道。下滑信標天線工作在329MHz～335MHz內的40個工作通道。

受PED影響可能會導致ILS拒絕服務、服務降級或誤導信息。特別當飛機在進行CAT II或III類進近而ILS又提供了誤導的導引信息時，可能會使飛行員以錯誤的飛行姿態進行進近著陸，直至能夠目視跑道。而此時飛行員只有有限的時間進行復飛，因此機組工作量極大增加，飛機安全裕度極大減少，會導致災難性的影響。

3.3 甚高頻全向信標VOR

VOR的工作頻率是108MHz～117.95MHz。地面站以30r/min的速度發射心形方向圖，在飛機接收機上產生一個30Hz的調制。地面站同時也發射一個用30Hz基準信號進行頻率調制的全向信號。通過兩個信號的相位差為飛機提供方位導引。

受PED影響可能會導致VOR拒絕服務、服務降級或誤導信息。飛行員將無法獲得來自VOR的飛機位置和路徑信息。若VOR不作為飛機的主要導航方式，則PED對VOR的安全影響可以控制在嚴重(Major)或以下。

3.4 甚高頻語音通信VHF和甚高頻數據鏈VDL

甚高頻通信VHF和VDL是民用航空領域最常見的語音和數據通信方式。VHF和VDL頻段工作于118MHz～135.975MHz之間，通道間隔25kHz，或更窄的8.33kHz。

受PED影響可能會導致VHF和VDL拒絕服務或服務降級，但不太可能導致誤導信息。因為VHF和VDL傳輸的是聲音信息和數字信息，原有信號很難在受到PED輻射信號的干擾后又恰好被解碼成另一個有效的聲音或數字信號。假設最嚴重的失效狀態，即所有甚高頻通信功能全部喪失，飛行員雖然工作量較大增加，但仍可以遵循一定的程序進行著陸，因此PED對VHF和VDL的安全影響可以控制在嚴重(Major)或以下。

3.5 測距儀DME

DME是工作在960MHz～1215MHz、以脈沖測距的方法向飛機提供距離信息的設備。機載設備首先向地面站發送一個詢問脈沖對，地面站在接收到詢問脈沖對后間隔固定的時間再發送一個應答脈沖對。飛機通過計算兩個脈沖對的時間差得到飛機距地面站的距離。由于來自PED的輻射信號疊加原有信號產生另一個相同波形、頻率和間隔的脈沖對的概率極低，因此受PED影響可能會導致DME拒絕服務或服務降級，但不可能導致誤導信息，安全影響為輕微(Minor)。

3.6 空中交通管制ATC應答機

ATC應答機通過與二次雷達監視在1 030MHz和1 090MHz進行應答，向空管員提供飛機的標識和飛行高度信息。ATC應答機又從A/C模式發展到S模式以及ADS-B。由于應答機也是通過脈沖序列進行應答，而來自PED的輻射信號疊加原有信號產生另一個相同波形、頻率和間隔的脈沖對的概率極低，因此受PED影響可能會導致ATC應答機拒絕服務或服務降級，但不可能導致誤導信息。也就是說，PED的干擾所產生的最嚴重情況是ATC應答機完全喪失功能，此時空管員將無法得到飛機的標識、高度及其他相關信息。在這種情況下，飛機可能無法在A類、B類、C類空域中飛行，機組的工作負荷將較大地增加，飛機安全裕度將較大地降低。

3.7 空中交通告警和防撞系統TCAS

TCAS是基于ATC應答機和TCAS收發機的監視和防撞系統，用于幫助飛機避免空中相撞。TCAS的無線電發射部分工作原理與ATC應答機類似。因此受PED影響可能會導致TCAS拒絕服務或服務降級，但不太可能導致誤導信息。由于TCAS并不能完全代替飛行員來確保空中交通的安全，且TCAS本身也無法識別其他不具備應答機功能的飛機，因此若TCAS功能完全喪失，飛行員將依據目視飛行規則或儀表飛行規則操縱飛機，工作負荷有輕微的增加。

3.8 全球導航衛星系統GNSS

GNSS是指通過衛星在全球范圍內向用戶提供連續、高精度的位置、速度及時間信息。美國的衛星導航系統即眾所周知的全球定位系統GPS。除此之外，還有歐洲的伽利略系統GALLILEO、俄羅斯的格洛納斯系統GLONASS和中國的北斗系統。目前在民用飛機上廣泛使用的是美國的GPS。GPS工作在1 559MHz～1 610MHz的L1頻段和1 164MHz～1 215MHz的L5頻段。由于GPS信號采用二進制編碼信號，因此PED的輻射信號不太可能同時干擾來自不同衛星的多路信號并產生另一個相同的信號，因此可認為受PED影響可能會導致GNSS系統拒絕服務或服務降級，但不可能導致誤導信息。在這種情況下，飛行員將無法獲取GNSS提供的導航信息，飛行負擔將較大地增加。

3.9 衛星通信系統SATCOM

SATCOM是通過衛星向機組提供語音和數據信息。常見的衛星通信頻段有L波段、KU波段、KA波段。機組一般在飛機巡航階段使用SATCOM，并非關鍵的飛行階段，因此無需分析PED輻射信號對SATCOM的影響。

4 民用飛機PED適航符合性分析

機上PED信號的傳播主要依靠空間中的輻射，因此電磁輻射可能會通過設備上的孔隙耦合進入機載系統，或是引起傳輸導線上非正常的電流，或直接通過機載天線進入無線電接收機，從而對機載設備產生電磁干擾。在EUROCAE(歐洲民用航空設備組織)ED-118規范中，對耦合路徑進行了如下分類：

1)后門耦合(Back door coupling)，即PED的輻射能量耦合進入機載電子電氣設備，或進入與設備相連的電線中。

2)前門耦合(Front door coupling)，即PED的輻射能量耦合進入機載無線電接收機天線。

結合PED輻射的耦合路徑和發射類型(有意發射或雜散發射)，機上PED可能產生電磁干擾的原因主要有以下幾方面：

1)雜散發射的前門耦合

無線電接收機為了能在其調諧頻段內能夠檢測到信號，因此即便是對非常低幅度的信號也非常敏感。如果在接收機的調諧頻段內恰恰有PED雜散發射的信號，那么這些無用的信號有可能被接收機認為是有用的信號而導致錯誤的響應。而且，一般PED的雜散信號與白噪聲類似，具有非常寬的頻譜，這也大大增加了雜散發射信號進入接收機調諧頻段的可能性。

2)有意發射的前門耦合

乘客攜帶的PED的工作頻段和機載無線電設備(如CNS系統等)的工作頻段一般都已通過法律法規進行了嚴格的限定和區分，目的就是為了使乘客所攜帶的電子設備工作頻段不會與飛機無線電工作頻段產生重疊而發生干擾。因此，這種情況的電磁干擾可以不被重點關注。

前門耦合的情況如圖3所示。

圖3 前門耦合情況

3)有意發射的后門耦合

機上PED的有意發射可能會通過耦合進入電線或進入電子電氣系統。當耦合進入的有意發射信號高于機載系統或設備本身可接受的信號強度閾值時，就有可能產生干擾。因為在靠近PED的區域，電場強度可能達到幾十V/m，因此該后門耦合干擾必須在評估飛機PED容限時加以考慮。

4)雜散發射的后門耦合

PED雜散發射產生非常低的輻射場，一般在距PED1m處場強為0.1V/m。來自手機的雜散發射的強度比手機建立通信的發射信號強度要低一千多倍。因此來自PED雜散輻射發射的后門耦合干擾可能性不大，不需要作為飛機PED容限問題加以解決。

5)傳導發射的干擾

由于飛機數據安全網絡本身具備隔離功能，且具有濾波器能夠濾除可能來自PED的傳導發射，因此可以認為和飛機電源或數據線纜物理連接的PED產生傳導雜散信號干擾的可能性不大。這種情況的干擾也不是本文所關注的重點。

對于后門耦合的情況，主要考慮PED有意的發射。一般來說，通過后門耦合對機載設備或系統產生干擾的因素有：

1)PED的發射功率；

2)PED與潛在受干擾系統間的路徑損耗；

3)潛在受干擾系統對PED輻射的敏感性。

也就是說，從理論上來講通過控制以上三個方面能夠有效抑制PED的后門耦合。但是，從工程實現上來說，以上三個方面卻具有不同的可行性。首先，通過控制PED的發射功率來限制后門耦合干擾就非常難實現。因為乘客攜帶的電子設備來自不同的通信設備廠商，按照不同的工業標準，這已經超出了航空業能夠控制的范圍。其次，控制PED與潛在受干擾系統間的路徑損耗看似在飛機主制造商的控制范圍內，但必須考慮到乘客攜帶的PED在飛機內的分布可能非常廣泛，可能在客艙內，也可能在貨艙(托運的行李中)，有些部位可能離飛機的機載系統或線束非常近。在這種情況下，路徑損耗將非常小，也難有提高的空間。第三種選擇是增加系統的RF敏感性閾值。如果系統提供了合適的RF敏感性閾值，那么系統的安裝就能適應周圍的T-PED。這是飛機主制造商能夠直接控制的方面。因此對于機上PED后門耦合，通常采用提高機載設備RF敏感性閾值來控制。

為了滿足后門耦合符合性的要求[11]，根據DO-307第3章的要求，機載設備根據不同的功能危險性分析(FHA)結果，滿足DO-160第20章射頻敏感性試驗的不同試驗電平的要求，如表1所示。同時，根據不同地區適航當局的要求，還可能需要進行全機級的機上T-PED試驗，即在機上設置模擬不同T-PED的干擾源，測試機載關鍵設備是否能夠正常工作。通過上述設備級和飛機級的試驗，可以保證后門耦合適航符合性要求的滿足。

表1 后門耦合符合性要求

對于雜散發射前門耦合的情況，也有三條路徑可以加以控制。一是降低機載接收機的靈敏度。這樣做的弊端是降低了接收機的性能，因此不建議采納。二是降低PED的雜散發射水平。但是民用電子設備廠商繁多，不同國家之間的標準也有所差異，因此控制PED的發射水平缺乏可行性。三是控制飛機內部PED到飛機無線電接收機的路徑損耗。飛機制造商可以設計并測試飛機使其PED經過接收機天線到接收機的路徑損耗足夠大。如果路徑損耗足夠大，那么機載接收機就可以適應PED的雜散發射。這也是作為飛機制造商唯一能夠控制的方法。

圖4 機上IPL測試示意圖

實際的干擾路徑損耗(Interference Path Loss，以下簡稱IPL)通過機上IPL測試獲得。根據DO-307的要求，簡單來說，就是在飛機內部架設天線發射一定量的射頻信號來模擬PED的發射，同時測量機載接收機端接收到的信號水平，兩者相減從而獲得實際的IPL值，如圖4所示。若飛機實際的IPL值滿足或超過DO-294B表6-2[12]或DO-307表4-7[11]中定義的IPL目標值，則可以認為機載接收機滿足前門耦合符合性的要求。

5 結論

隨著美國、歐盟的適航當局陸續開放民用航空對PED使用的限制，在該領域我國民航界也勢必逐步與國際接軌。因此，國產的民用飛機在設計研發的過程中就應將與PED相關的適航要求納入考慮，并明晰相應的符合性驗證方法。在我國現行的民用客機適航規章體系下，25部、91部、121部均對PED的使用提出了直接或間接的適航要求。同時，對于由PED產生的雜散發射產生的前門耦合和有意發射產生的后門耦合干擾，通過進行飛機級的IPL/T-PED試驗和機載設備射頻敏感性試驗可以驗證其符合性。

[1] FAA. N8900.240 Expanded Use of Passenger Portable Electronic Devices (PED) [S]. U.S.A: FAA, 2013.

[2] EASA. Explanatory Note to Decision 2013/028/R [S]. Europe: EASA, 2013.

[3] APEX&CEA. Portable Electronic Devices on Aircraft Study [Z]. U.S.A: APEX&CEA, 2013.

[4] RTCA. DO-199 Potential Interference to Aircraft Electronic Equipment From Devices Carried Aboard [S]. U.S.A: RTCA, 1988.

[5] FAA. AC91.21.1B Use of Portable Electronic Devices Aboard Aircraft [S]. U.S.A: FAA, 2006.[6] FAA. AC20-164 Designing and Demonstrating Aircraft Tolerance to Portable Electronic Devices [S]. U.S.A: FAA, 2010.

[7] FAA. AC91.21.1C Use of Portable Electronic Devices Aboard Aircraft [S]. U.S.A: FAA, 2015.

[8] 中國民用航空局. CCAR-91 一般運行和飛行規則[S]. 中國: 中國民用航空局, 2007.

[9] 中國民用航空局. CCAR-121 大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則[S]. 中國: 中國民用航空局, 2010.

[10] 中國民用航空局. CCAR-25-R4 運輸類飛機適航標準[S]. 中國: 中國民用航空局, 2011.

[11] RTCA. DO-307 Aircraft Design and Certification for Portable Electronic Device (PED) Tolerance [S]. U.S.A: RTCA, 2007.

[12] RTCA.DO-294B Guidance on Allowing Transmitting Portable Electronic Devices (T-PEDs) on Aircraft [S]. U.S.A: RTCA, 2006.

Analysis of the Airworthiness Requirements for the Passenger PED Usage on the Commercial Aircraft

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

In 2013, the airworthiness authorities of US and Europe announced to allow passengers to use portable electronic devices (PED) including cell phones in flight mode, tablets, laptops and etc during all flight phases. The airworthiness requirements relevant to PED usage tends to be mature over more than 50 years. The aircraft manufacture is required to demonstrate the aircraft compliance to PED front door and back door coupling to the airworthiness authorities so as to prove the aircraft airworthiness in the circumstances of PED radiation.

portable electronic device; airworthiness; front door coupling; back door coupling

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.009

V221+.91

A