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地形提示和警告系统研究Research of Terrain Awareness and Warning System吴 琛 /Wu Chen（上海飞机设计研究院，上海 200232）（ Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 200232, China）摘 要 :地 形 提 示 和 警 告 系 统 （ TAWS） 能 够 有 效 地 避 免 可 控 撞 地 事 故 （ CFIT） 的 发 生 ， 极 大 地 提 高 了 民 用 飞 机 飞 行 的 安 全 性 目前，国外对 TAWS的研究和应用比较成熟，而国内仍处于起步阶段结合作者在设计中积累的经验，首先介绍了近地警告系 统 （ GPWS） 的 功 能 特 点 ， 通 过 分 析 GPWS的 应 用 局 限 性 ， 给 出 了 TAWS系 统 的 发 展 历 程 对 TAWS的 主 要 功 能 和 应 用 进 行 了 深 入 研 究 ， 重 点 分 析 了 TAWS的 前 视 功 能 并 在 此 基 础 上 ， 给 出 了 TAWS系 统 在 实 际 应 用 过 程 中 的 优 点 和 尚 待 解 决 的 问 题 。
最 后 ， 提 出 了 适 应 民 航 系 统 未 来 发 展 的 新 一 代 TAWS系 统 的 发 展 趋 势 关键词： 可控飞行撞地；前视地形告警；地形显示；过早下降告警；近地警告系统[Abstract] Terrain Awareness and Warning System (TAWS) is effectively for preventing a Controlled Flight Into Terrain(CFIT) accident, and this makes the civil air much more safe. Years ago, the TAWS technology became mature in the world,but is just started in China recently. With the experience of aircraft system design, this paper here covers the functions and disadvantages of Ground Proximity Warning System (GPWS), and focus on the new functions of TAWS. Special for the forward looking functions of TAWS, this paper research and analysis on TAWS and tell the advantages and some disadvantages that exist with TAWS now. In the end, this paper predicts the development of TAWS for future civil air.[Keywords] Controlled Flight Into Terrain; Forward Looking Terrain Avoidance; Terrain Display; Premature Descent Alert; Ground Proximity Warning System0 引言民 用 航 空 规 章 中 的 每 一 项 要 求 都 凝 聚 着 人 类 用 生命 和 鲜 血 换 来 的 经 验 和 教 训 ， 而 地 形 提 示 和 警 告 系 统（ TAWS） 正 是 人 类 付 出 了 生 命 和 血 的 巨 大 代 价 换 来 的 经验和教训的结晶。
在 现 代 商 用 航 空 的 很 多 飞 行 事 故 中 ， 并 不 是 由 于 发 动 机 失 效 等 飞 机 本 身 原 因 造 成 的 ， 而 是 在 可 控 的 情 况 下 ， 由 于 缺 少 对 地 形 的 感 知 而 发 生 撞 地 或 坠 海 事 故 对 于 此 类 事 故 ， 业 内 通 常 称 为 可 控 飞 行 撞 地 （ CFIT） 事 故 据 国 际 民 航 组 织 （ ICAO） 统 计 ， CFIT已 经 成 为 导 致商用喷气飞机发生机毁人亡事故的主要原因之一1974年 ， 美 国 联 邦 航 空 局 （ FAA） 开 始 对 在 美 国 空 域 飞 行 的 航 班 发 布 强 制 安 装 近 地 警 告 系 统 （ GPWS） 的 要 求 ， 1979年 ， 国 际 民 航 组 织 推 荐 运 营 人 安 装 该 设 备 ， 此 后 CFIT事 故 明 显 减 少 1985年 后 ， CFIT事 故 每 年 仅 发 生 1到 2次 ， 而 强 制 安 装 前 每 年 发 生 7到 8次 目 前 ， 全 球几乎所有的商用喷气飞机均装备 GPWS。
但 即 便 如 此 ， 可 控 飞 行 撞 地 事 故 依 然 是 导 致 商 用 喷 气 机 人 员 死 伤 的 主 要 原 因 之 一 据 统 计 ， 1988－ 1995年 全 球 发 生 的 空 难 事 故 中 因 CFIT事 故 死 亡 的 人 数 ， 几 乎 占空 难 事 故 死 亡 总 人 数 的 一 半 数 据 显 示 GPWS系 统 仍 然存在需要改进的地方为 了 解 决 这 一 问 题 ， 克 服 GPWS的 局 限 性 ， 1998 年 工 业 界 推 出 了 TAWS， 即 增 强 型 近 地 警 告 系 统 （ EGPWS） TAWS是 在 GPWS的 基 础 上 ， 增 加 了 前 视 地 形 功 能 此 功 能 大 大 提 前 了 系 统 的 预 警 时 间 ， 给 飞 行 员 以 更 多 的 反 应 时 间 裕 度 ， 从 而 在 更 大 程 度 上 避 免 CFIT 事 故 的 发 生 有 资 料 显 示 ， 自 1998年 推 出 TAWS之 后 ， 到 2004年 ， 安 装 TAWS的 飞 机 无 一 发 生 CFIT事 故 ， 证 明 了 TAWS确 实 能 有 效 地 预 防 CFIT事 故 的 发 生 。
因 此 ， FAA要 求 在 2005年 1月 1日 以 后 终 止 使 用 GPWS， 而 安 装 TAWS 目 前 ， 国 外 对 TAWS的 研 究 已 经 比 较 成 熟 ， 而 国 内 对 于 TAWS研 究 还 处 于 起 步 阶 段 ， 本 文 主 要 结 合 在 日 常 设 计 工 作 中 积 累 的 经 验 对 TAWS的 功 能 和 系 统 设 计 进 行 研 究 和 分 析 ， 阐 述 了 TAWS的 发 展 历 程 和 现 状 ， 并 对 TAWS在 这 一 领 域 可 能 的 发 展 趋 势 进 行 了 展 望 在 介 绍 TAWS原 有 功 能 的 基 础 上 ， 重 点 探 讨 了 对 比 GPWS的 新 增 功 能 ， 研 究 分 析 了 TAWS的 各 种 功 能 的 设 计 和 实 际 应 用中的局限性32分 析 报 道Analysis Report1 近地警告系统1.1 GPWS 功能介绍传 统 的 GPWS 包 括 6个 功 能 模 式 ， 图 1为 典 型 的 GPWS告 警 示 意 图 这 6个 功 能 模 式 主 要 是 通 过 无 线 电 高 度 和 空 速 信 息 来 给 出 近 地 的 告 警 ， 主 要 的 告 警 功 能 模 式 为：(1) 过大下降速率 过 大 下 降 速 率 是 根 据 飞 机 的 无 线 电 高 度 （ 或 大 气 高度）和垂直速度来判断飞机是否出现非预期的近地。
(2) 过大接近速率 过 大 接 近 速 率 首 先 分 析 飞 机 的 起 落 架 和 襟 翼 构 型 ，判 断 飞 机 是 否 处 于 着 陆 状 态 ， 然 后 通 过 无 线 电 高 度 表 和 计算空速来判断飞机是否处于非预期的近地3) 起飞后掉高度起 飞 后 掉 高 度 是 飞 机 在 起 飞 和 复 飞 过 程 中 ， 出 现 高 度 损 失 ， 并 且 高 度 损 失 达 到 飞 机 设 置 的 门 限 值 时 ， GPWS将产生一个戒备级的告警4) 非着陆构型近地 非 着 陆 构 型 着 陆 是 通 过 分 析 飞 机 的 高 度 和 计 算 空 速来 判 断 飞 机 是 否 处 于 进 近 着 陆 阶 段 ， 提 醒 飞 行 员 进 行 襟 翼和起落架的设置5) 下滑道偏离过大 当 飞 机 近 进 着 陆 时 ， 下 滑 道 偏 离 过 大 首 先 需 要 分 析飞 机 LOC偏 移 量 ， 如 果 偏 移 量 超 过 飞 机 设 置 的 门 限 值 ， GPWS将 触 发 一 个 告 警 来 提 醒 飞 行 员 调 整 飞 机 的 高 度 ， 从 而 使 飞 机 按 照 安 全 的 下 滑 道 来 进 行 进 近 着 陆 的 一 种 告 警方式。
6) 高度报告 /倾角过大 高 度 报 告 是 飞 机 在 固 定 的 高 度 向 驾 驶 员 报 告 高 度 ，来 提 醒 飞 行 员 当 前 高 度 的 一 种 功 能 ； 倾 角 过 大 是 当 飞 机 倾 角 超 过 飞 机 设 置 的 最 大 倾 角 时 ， 提 醒 飞 行 员 进 行 操 作，避免出现危险情况的告警功能赖 于 无 线 电 高 度 ， 而 无 线 电 高 度 无 法 及 时 反 映 突 兀 的 地形 情 况 如 果 前 方 出 现 突 然 上 升 的 地 形 ， 比 如 垂 直 的 峭 壁或陡峭的悬崖， GPWS则无法及时发出告警信号2) GPWS 不是一个全时的报警系统它只在飞机起 飞 和 进 近 着 陆 阶 段 且 无 线 电 高 度 低 于 2 500ft时 发 挥 告 警 作用3) GPWS属 于 反 应 型 系 统 ， 没 有 前 视 功 能 只 有 当 飞 机 已 经 进 入 了 对 飞 行 构 成 威 胁 的 环 境 中 时 才 发 出 警 告 ， 因 此 GPWS提 供 警 告 的 时 间 较 晚 ， 使 飞 行 员 没 有 足 够 时 间 作 出 正 确 反 应 。
据 统 计 1988年 至 1995年 期 间 ， 这 个原因引发的 CFIT事故几乎占空难总数的一半由 于 GPWS存 在 着 以 上 不 足 ， CFIT事 故 较 之 前 虽 有 明 显 减 少 ， 但 仍 有 发 生 CFIT事 故 依 然 严 重 威 胁 着 飞 机 的飞行安全，所以工业界在 1998年推出了 TAWS2 地形提示和警告系统2.1 TAWS的功能及其关键作用针 对 传 统 GPWS在 实 际 应 用 过 程 中 存 在 的 问 题 ， 工 程 人 员 在 保 留 传 统 GPWS安 全 特 性 的 基 础 上 研 发 了 TAWS 相 对 于 GPWS， TAWS增 加 了 前 视 地 形 功 能 ， 使 飞 行 机 组 能 够 了 解 飞 机 周 边 的 地 形 ， 进 一 步 降 低 CFIT 发生的概率要实现这个新增功能，需要得到三类数据：(1) 飞 机 相 对 地 球 表 面 的 当 前 位 置 信 息 ， 即 飞 机 经 纬 度 此 数 据 由 机 载 飞 行 管 理 系 统 采 用 多 传 感 器 融 合 技 术 ， 对 惯 导 系 统 、 无 线 电 导 航 系 统 和 全 球 定。
