地形提示和警告系统模式2试飞地形选择

谢梦涛

摘 要：该文首先介绍了地形提示和警告系统的发展历史，并描述了地形提示和警告系统的基本原理，并着重介绍了模式2过大接近地形速率告警的原理。从地下提示和警告系统模式2告警的告警包线展开探寻了TAWS模式2试飞地形选择的几个关键要素，如地形的斜率、地形的相对高度，地形周边的环境等等。并借助地图软件的相关信息展示了几种典型的地形（如四川盆地、秦岭、贺兰山等等），分析这些地形的优缺点，并找出了适合模式2试飞的地形。同时对地形的实地确认工作做了相关说明。

关键词：TAWS 模式2 地形 试飞

中图分类号：V217 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0018-03

1975年以前，世界范围内的商用喷气式飞机平均每年大约发生8次可控飞行撞地（CFIT）事故，CFIT事故成为了当时导致商用喷气式飞机机毁人亡事故的主要原因之一。

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。GPWS通过计算机监控飞机自身参数（如气压变化率、飞机构型、空速等参数）和无线电高度，判断飞机是否存在 CFIT危险，并发出告警。但是GPWS的设计也存在一定的局限性，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，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。

随后出现的EGPWS，在GPWS的基础上进行了改进，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。

中国民航局适航司颁发的适航指令要求，从2005年1月1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。而美国联邦航空管理局（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GPWS、EGPWS）。GPWS（Ground Proximity Warning System普通型近地警告系统）

1 近地告警系统模式2简介

TAWS使用飞机当前的航迹信息，并参考地形高度数据、障碍物数据和机场数据信息，从而提供预测型和反应型的地形告警。飞机的航迹信息包括飞机当前位置、气压高度、地速和航迹角等。如果出现危险情况，TAWS将给出视频和语音的告警来警告飞行员。

TAWS包含以下基本功能：

* 模式1——过大的下降率

* 模式2——过大的地形接近率

* 模式3——起飞或复飞后掉高度太多

* 模式4——不在着陆形态时的不安全越障高度

* 模式5——进近时低于下滑道太多

* 模式6——高度呼叫

* 模式7——风切变警告

* 前视地形警戒

* 地形显示

该文着重介绍模式2过大地形接近率告警功能，当飞机飞过一段上升地形时，TAWS系统给出目视和音箱告警，DO-161附录A中给出了模式2的告警包线，具体如图1所示。

2 模式2试飞试验简介

联邦航空委员会（FAA）咨询通告AC25-23中提供了TAWS不同模式试飞的相关方法，现有相关法规中并没有明确指出TAWS系统的每一个子模式都需要试飞。对于TAWS系统的试飞程度，AC25-23 提出了是否进行试飞验证的参考建议：任何与首次安装或新设计的传感器有交联的TAWS 模式都应该进行试飞验证。AC25-23对模式2试飞试验做了以下建议：这个试验必须在一个已知的上升地形中进行。推荐在地形高度500ft-1000ft以上进行试验。

3 试飞地形的选择

根据图1的告警包线可知，要达到告警包线有两个条件，一个是离地高度，另一个为地形接近速率，并且离地高度越高，所要达到的地形接近速率越大。考虑到模式2飞行在上升地形处进行试验，试验存在一定的撞地风险，所以离地形高度不宜过低，另外飞行速度也不宜过快，以最高地形以上500ft飞行为例。考虑到需要观察到飞机从平坦地形到上升地形并且发生模式2告警的整个过程，告警应持续一段时间，因此需要在在达到地形最高点前一段时间应该触发模式2告警，该文以离地1500ft处进入告警包线为例，根据图1模式2告警包线图，1500ft离地高度时告警所需达到的地形接近速率为3900ft/m。考虑到试飞安全性，地速以210kts左右为宜，在210节地速下，地形上升斜率计算结果如下：

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

210kts=210/60=3.5nm/m

0.642/3.5=18.3%

由以上计算可得，所需地形斜率为18.3%左右。为了保证试飞的安全使飞行员容易在试飞任务完成后易于改出，试飞地形的后面不宜有高于试飞目标点的地形，总而言之需要寻找一座相对孤立的陡峭程度达到18.3%的山峰。

根据以上几点要求笔者首先想到了两个试飞地点：一个是四川盆地，从盆地地势低洼地区往盆地周围山地飞行。另一个是秦岭，从西安平坦地形区域飞往秦岭。在google earth软件中详细查看了这两个区域，具体见图2。

通过google earth软件的高程测量，发现成都平原周边山地和秦岭的地形的斜率可以满足要求，但是这两个地区的地形比较复杂，目标高点后往往有更高地形，在进行模式2试飞时不易改出，所以不适合用于模式2的试飞。

笔者又在google earth软件中找到了一个相对孤立的小山峰，具体见图3。

该地形处于西安市东北区域。在地图上显示该地形相对孤立，前后左右都无复杂地形易于飞行员改出。但是通过测量该地形高程发现，该山与附近平底见的高度间隔较小，虽然山坡斜率可以满足模式2试验的要求，但是在此处进行试验时，飞机飞行的高度过于接近地面，容易出发TAWS的其他一下告警，并且低空不利于试飞安全，所以此地形也不宜用作模式2的试飞地形。

通过 google earth软件地形图的搜寻，笔者找到了处于宁夏回族自治区和内蒙古自治区的贺兰山。贺兰山北起巴彦敖包，南至毛土坑敖包及青铜峡。山势雄伟，若群马奔腾。蒙古语称骏马为“贺兰”，故名贺兰山。见图4，为贺兰山地形图。

从贺兰山的整体地形来看，该山脉较为孤立，东南侧银川区域，西北侧为内蒙古区域，均为较平坦地形，另外贺兰山的绝对高度较高，比较适合作为模式2的试飞地形。

笔者选取了贺兰山南段的一处高峰作为我们试飞目标高点（图4中A点），该目标点经纬度为北纬38°37'57.81" 东经105°50'50.16"，高程为10450ft。其东侧一地形点B高程为6886ft。A和B点距离为3km。由此可得A点东侧地形的斜率为35%，满足斜率大于18.3的要求。再观察A点东侧C点位平坦区域，海拔为4000ft左右，A点西侧D点位置附近也为平坦地形高度在5000-6000ft左右。A点周围没有超过A高度的地形，所以在A点区域进行模式2试飞是比较容易改出的。以A点为例，如果进行模式2试飞那么试飞高度在10950ft左右（10450+500），那么试飞时与C点的间隔高度为10950-4000=6950ft，飞行高度较高，不会有其他近地告警触发干扰试验，另外离地高度较高也比较有利与飞行安全。

综上所述图4中贺兰山区域A点作为模式2试飞目标高点是比较合适的，从图4中C点区域开始以一定高度朝着A点飞行执行模式2告警试飞将有比较好的试验效果，同时试飞的安全也能得到比较好的保证。

4 地形的确认

在地图软件中寻找到合适的模式2试验的目标地形后，应该实地考察该地形，通过实地考察确定试飞中的准确目标高点以及试飞路径和改出路径。如果有相应的器材和条件的话，应准测量试验地形点的准确高程，以防止高度误差造成试飞失败和影响试飞安全。另外，试飞时应提供地形所属地的修正海压，保证以正确高度试飞。

5 结语

该文主要介绍了一种选择地形提示和警告系统模式2（过大地形接近速率告警）试飞地形的方法。通过模式2的告警包线得出模式2告警试飞所需的地形斜率。结合试飞时的一些实际情况得出了模式2试飞地形选择的几大要点：地形斜率，地形是否孤立，地形的相对高度是否足够，试飞地形周边无复杂地形，目标点为周边地形最高点。根据以上几个要点，通过地形软件搜索相关符合的地形，选出合适的目标地形后进行实地考察，最后确定具体的试验目标地形点和飞行路径。通过文中可知，贺兰山区域是较为合适的模式2试飞地点。当然只要满足上文中提及的几个要点的地形，再经过实地勘察确认后都可以作为模式2试飞地形。

参考文献

[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] 苏翼，蔡俊.地形提示与告警系统试飞研究[J].民用飞机设计与研究，2014（4）：38-42.