近地告警系统国内外现状与发展概述

近地告警系统国内外现状与发展概述

摘要: 近地告警系统是提高飞机飞行安全，减少可控飞行撞地事故的主要设备。经过近40年的发展，以Honeywell

公司为主的国外厂家技术已比较成熟;国内最近几年才开始自主研制，还存在较大的差距。本文以时间顺序从近地告警

系统的应用背景、功能完善及相关规范的发布等梳理了近地告警系统的发展历程，综述了国内外主要近地告警系统厂家

的产品及其技术特点，最后探讨了国内外的差距及发展趋势。 关键词: 近地告警系统;可控飞行撞地;综述;航电系统;飞行安全 中图分类号:TP391文献标识码:A

可控飞行撞地(Controlled Flight Into Ter-rain, CFIT)是指在飞机不存在任何机械故障，由机组正常操作飞行的情况下，由于不知地形，或遇到不可测气象，或其它失误，造成飞机撞到了地面、障碍物或水面等复杂地形而发生的事故。可控飞行撞地是航空运输中最主要的危害因素之一。用于预防可控飞行撞地事故的设备即近地告警系统。近地告警系统(Ground Proximity WarningSystem, GPWS)的工作原理是通过接收地理位置、飞行高度、姿态、航向和航速等多种飞行状态参数，并利用内置地形数据库、障碍物数据库等，按照预先定义的近地告警算法要求，对飞机是否处于危险区域作出判断，及时为飞行员提供语音、事故发生，保障飞行安全。经过近40年的发展，以Honeywell公司为主的国外近地告警系统厂家技术已比较成熟占据了所有民机市场;国内最近几年才开始自主研制并在部分军用运输机上配装，还存在较大的差距。系统地研究近地告警系统的发展背

景、发展过程及其技术现状，对国内近地告警系统的研制与发展具有重要指导意义。本文以时间顺序从近地告警系统的应用背景、功能完善及相关规范的发布等梳理了近地告警系统的发展历程，并综述了国内外主要近地告警系统厂家的产品及其技术特点，最后探讨了国内外的差距及发展趋势。 1近地告警系统的发展历程

20世纪60年代末，无线电高度表引人大型商用飞机后使GPWS概念成为可能。197。年，瑞典SAS航空公司率先提出了GPWS的概念，旨在当飞机接近地形时，提醒飞行员及时避让仁’〕。197。年，借助已有的无线电高度表和大气数据计算机，美国SOUNDSTRAND公司率先研制了近地告警装置并在部分大型喷气机上投入使用仁2口。1974年底，一架波音727飞机在华盛顿杜勒斯机场进近途中撞山失事，机上90多人无一生还。从此，美国联邦航空局(Federal AviationAdministration, FAA)开始强制要求在美国空域飞行的所有大型喷气机和涡轮螺旋桨飞机都必须在1995年底以前安装GPWS系统。此项措施使得CFIT事故率持续下降。1976年J月，美国航空无线电技术委员会(RTCA)批准发布了由其128特委会编制的D()-161A《近地告警设备最低性能要求户〕，规范了GPWS的设计与认证要求，促进了GPWS的发展。1978年，FAA将GPWS的配装要求扩大到10座及以上的客机都必须配装GPWS。 1979年，国际民航组织(International Civil AviationOrganization, ICAO)推荐各国航空公司安装近地告警设备}'} 0 1994年.发生了一起CFIT事故。美国国家航运安全组织NTSB进一步更改了GPWS的配装要求，要求在美国注册的所有6座及以上的涡轮喷气飞机都必须配装GPWS}'} o199。年1月，FAA发布了机载近地告警设备技术规范TSO-C92，在DO-161A的基础上，进一步规范了GPWS认证的技术要求。

1996年3月，经过两次修订，在TS()-C92的基础上，FAA又发布了机载近地告警设备技术规范TSO-C92c}'}。经过不断发展，GPWS在防止CFIT事故方面起了显著作用，要求配装以来，CFIT事故大大减少，但是CFIT事故仍然是导致商用喷气飞机事故的主要原因困。早期的近地告警系统.又称为基本近地告警系统，属于现状型或反应式系统，存在着不能对陡峭上升的地形(如悬崖)提供及时的告警，或不能提供转弯航径等不足，迫使航空界对其进行不断改善。随着各种技术的进步，特别是数字地图技术、地形回避以及GPS定位和导航等技术的发展，在军用飞机超低空贴地飞行中利用地形数据库配合工作的地形匹配导航和地形回避技术所积累的经验上发展出了增强型近地警告系统(Enhanced Ground Proximity WarningSystem, EGPWS)。在保持原有GPWS系统优点的同时，增加了前视地形警戒和地形显示等新功能，使飞行机组更全面地了解飞机周边的地形态势。EGPWS又称为地形提示与警告系统(Ter-rain Awareness and Warning System，TAWS)。EGPWS的出现，大大降低了CFIT事故的发生率。据统计，迄今为止，全世界已经安装EGPWS设备的飞机没有发生过一起可控飞行撞地事故[}'} 0 1998年，FAA要求在美国注册的所有6座以上飞机都必须配装EGPWS系统，在2005年1月1日起停止使用普通型近地告警系统，改装增强型近地告警系统川。

1998年10月，FAA为增强型近地告警系统能，使飞行机组更全面地了解飞机周边的地形态势。EGPWS又称为地形提示与警告系统(Ter-rain Awareness andWarning System，TAWS)。EGPWS的出现，大大降低了CFIT事故的发生率。据统计，迄今为止，全世界已经安装EGPWS设备的飞机没有发生过一起可控飞行撞地事故[}'} 0 1998年，FAA要求在美国注册的所有6座以上飞机都

必须配装EGPWS系统，在2005年1月1日起停止使用普通型近地告警系统，改装增强型近地告警系统川。1998年10月，FAA为增强型近地告警系统发布了新的技术标准‘I}S( )-C'151，规定了地形提示和警告系统TAWS的最低性能标准和安装在飞机上进行飞行试验的条件。1999年11月，FAA又发布了TS()-C151ao 2002年12月，FAA进一步完善了TS()-(' 151 a，发布了TS()-C151b-\，针对小型通用飞机的TAWS的配装认证要求，增加了Class的技术规范。2008年12月，针对直升机的近地告警.FA八又发布了TS()-0194。规定了直升机地形提示与告警系统的最低性能标准和飞行试验条件。目前，E(sPWS已成为波音、空客等公司生产的运输机的标准配置。国外许多武装直升机、空中预警机等也安装了此类设备.如军用运输机、直升机、空中预警机、空中加油机、电子对抗机、海上搜救机等。

我国民航界早在1997年起就开始关注国际上关于近地告警系统的要求，并一直跟踪GPWS系统安装政策的进展，部分民航飞机安装了(i P-WSo 1999年，对我国现有机队600多架飞机的安装情况进行了普查和具体的安装可行性调查研究，同时分析了FA.}1, J.4A和『.A()的政策要求，认为我国有安装这一系统的可行性和必要性。2002年6月.民航总局适航司在制定了政策草案;2002年9月，民航总局正式颁发了EGPWS安装政策。据此，国内航空公司于200年底前在30座以上的客机上全部安装增强型近地警告系统。从2005年1月1日起.民航总局要求我国所有最大审定起飞重量超过15 OOOkg或客座数超过30的涡轮发动机飞机，都要强制安装EGPWS系统，9座以上的飞机推荐安装了EGPWS系统。 2.国内外技术现状

国外对于近地告警的研究起步较早。目前，研制近地告警系统产品的公司主要有Honey-well.ACSS，Universal和Sanclel。Honeywell公司‘，]是国际航电系统产品的重要生产商，是国际上最大的近地告警系统产品供应商，其研制的增强型近地警告系统在全球民用飞机上已得到广泛使用。Honeywell公司的近地 告警系统部分的前身即20世纪70年代最早研制出近地告警系统的SOUNDSTRAND公司。历经近40多年的发展，Honeywell公司开发了9大系列3。多个品种规的产品，如用于涡轮喷气飞机的MKV ^- MKVIII，用于直升机MKXXI ,MKXXII，用于轻型B类飞机的KGP560,KGP860等。其产品分为GPS内置/外置，按地形数据库(DB)范围分为全球/局部，按电源种类分为直流/交流，按信号接口分为模数混合/数字，按发动机种类分为涡扇/涡桨等。Honeywell的EGPWS产品及显示画面如图1所示。图1 Honeywell的GPWS产品及显示画面ACSS公司}'0} ( Aviation Communicationsand Surveillance Systems)为L-3通信公司与泰雷斯公司(Thales)的合资公司，专业研制安全性航电系统产品。我国的支线飞机ARJ21采用的近地告警系统即是该公司产品TW-950 o ACSS公司产品外观及显示画面见图2所示。ACSS公司的专利特点是具有地形告警线(Terrain Advi-sory Line)，基于爬升性能预测的飞机航迹，可直观判断是否有撞地危险。目前ACSS公司近地告警系统产品型号包括:基于标准爬升性能的TW- 950,TW-951，基于飞机特性数据的TWP-950,TWP-951。Universal Avionics公司L117是航空电子界重要的原始设备生产厂商，其生产的通讯与导航设备广泛应用于各类直升机、喷气式飞机及商用飞机。Universal近地告警系统的特点是可以通过三种观察视角动态显示飞机周围地形的实时绘图显示，向飞行提出危险警告。Map View从上往下看，Profile View从侧面看，另外一个是独特的3-D

Perspective View，如图3所示。该公司的进度告警系统型号主要有用于A类飞机的TAWS-A和用于B类飞机的TAWS-B. Sandel Avionics公司〔‘，〕是一家为直升机、喷气式飞机及商用飞机提供显示系统的航空电子设备生产商。该公司的GPWS产品集中显示了航路点、TCAS及磁罗盘信息，另一个显著特点是体积小，可安装在高度表的位置，兼顾高度表与GP-WS的功能，非常有利于飞机改装(见图4)。目前该公司GPWSS产品有两个型号:用于固定翼飞机的ST3400和用于旋翼飞行器的ST3400H oandel Avionics公司〔‘，〕是一家为直升机、喷气式飞机及商用飞机提供显示系统的航空电子设备生产商。该公司的GPWS产品集中显示了航路点、TCAS及磁罗盘信息，另一个显著特点是体积小，可安装在高度表的位置，兼顾高度表与GP-WS的功能，非常有利于飞机改装(见图4)。目前该公司GPWSS产品有两个型号:用于固定翼飞机的ST3400和用于旋翼飞行器的ST3400H 2. 2国内现状

目前，国内从事近地告警系统研制的单位主要有上海航空电器有限公司与陕西宝成航空仪表有限公司。此外，空军装备研究院航空装备研究所、中国航空无线电电子研究所、南京航空航天大学、上海交通大学、西北工业大学等部分学者在近地告警算法及仿真方面开展了理论研究。上海航空电器有限公司(SAE)从2003年开目前，国内从事近地告警系统研制的单位主要有上海航空电器有限公司与陕西宝成航空仪表有限公司。此外，空军装备研究院航空装备研究所、中国航空无线电电子研究所、南京航空航天大学、上海交通大学、西北工业大学等部分学者在近地告警算法及仿真方面开展了理论研究。

上海航空电器有限公司(SAE)从2003年开始研制增强型近地告警系统，是

国内首家研制增强型近地告警系统并成功装机使用的单位。目前，针对国内多种机型，已先后研制并定型了4个型号的E(UPWS，为近百架飞机配装，累计飞行时

间过1万小时。经过大量的试用与使用，在研制、生产、试飞、鉴定等方面积累了大量宝贵的经验。图5为该公司研制的近地告警计算机及其显示器与显示画面，内置全国地形/障碍物/机场数据库，其地形显示有3种方式:航图模式、二维模式、三维模式。陕西宝成航空仪表有限公司也较早地开展了对EGPWS的预先研究工作，成立了项目组，建立了系统仿真与测试实验室，开展了项目立项、关键技术攻关、方案论证、工程研制等工作。立足多年的研究，宝成已经完成了产品工程样机XJD-2的研制，其外观见图6mo。目前，陕西宝成正为国内某型运输机配套研制基本型近地告警产品。较大差距。近地告警系统经过40多年的发展，以Honeywell为主的国外厂家技术已比较成熟，国内最近几年才开始发展，主要是对国外产品的模仿与消化吸收，主要差距包括:①对近地告警技术的机理与仿真还缺乏深人系统的研究;②为了减少虚警率，在很多特殊情境需要进行包线调制，国内缺乏相关研究与经验积累;③国外在地形与障碍物数据库的建立与更新方面已形成产业链，已建立较完整准确的地形与障碍物数据库;国内相关技术与制度都相对落后;④在民机领域尚无国产近地告警系统，国外在如何通过复杂严格的适航认证方面积累了丰富的经验，国内在这方面尚处于摸索阶段z)增加告警功能与增强视景功能。近地告系统的目的是使飞机在所有飞行阶段避免发生

CFIT事故，从基本告警功能发展出前视告警功能。为了更全面地保障飞行安全，随着经验的积累和技术的进步，近地告警系统还将进一步增加各种新功能，如防

止飞机的硬着陆和飞机向末端或两旁驶出跑道的跑道告警功能，与自动驾驶系 统融合紧急情况下的辅助改出功能等;近地告警系统的另一个发展趋势是进一步增强其视景显示功能，如增强三维视景功能、垂直姿态显示功能等，增强飞行员的情景意识，让其更直观地了解飞机周围垂直与水平的情形。

3)集成化与专业化。为了减少设备体积与重量、降低成本，随着综合模块化航电系统技术的迅速发展，多功能系统集成将是航电设备发展的必然趋势，如将空中交通警戒与防撞系统(TCAS) , S模式应答机、EGPWS和机载气象雷达WXR等集成为一个综合的飞机环境监视系统(AESS)。集成化的同时，专业化的分工也将是航电技术发展的必然方向。当今世界处于科技高速发展的时期，一方面，技术需要不断深入的研究与发展，另一方面，产品交货周期要求越来越短，这都要求每个子系统更加专业化的发展。GPWS作为一个功能复杂、多技术综合的子系统，尤其在国内研究处于起步阶段，有大量的工作需要做，专业化发展是必然的选择。此外，由于大量老机型也需要配装GPWS，在未来较长一段时间内，独立的EGPWS仍有很大的市场。

空中防撞与近地告警综合系统研究 第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

20世纪初，美国的莱特兄弟制造出了第一架依靠自身动力进行载人时示的匕机，并目获得试句戊功，自此世界上第一架实用匕机诞生。然而以无数生命为

代价换来的不断完善的航空安全要求，成为各界人士共同关心的问题。哪L使用初期，人们更关心匕机本身的安全问题，随着科学技术的发展、新材料新技术的 使用，匕机获得了新的发展，而匕机的设计制造技术也己基本成熟。就匕机自身来看，从匕机的设计制造到匕机的使用退役直至匕机寿命终结，千仁何一架出厂使用的匕机都有非常严格的安

全约束。从理论上讲，匕机制造商的生产水平提高，匕机自身己没有很大的安全性问题，同时，全球匕机制造商和各大航空公司之间展开合作，使用了一些安全制度保障匕机始终在最安全状

态，在上世纪七八十年代航空公司安全系数有了很大提高。尽竹如此，空难事故仍然存在，还是无法完全避免。国际民航组织(Icao }钟给出过这样一组数据:全球民用航空重大死亡事故，由上世纪so年代的370起增至上世纪90年代的480起，增长了28%，事故造成的死亡人数由10600人增加到11950人，增长了12.5%

统计数字表明，近儿年匕机空中飞行的安全性越来越高0 2010年的匕机失事事故率比2006年之前的最低水平低6%左右，比10年前低42%。在大约230家航空公司中，严重事故率均有所下降。例如在美国，2008年每起匕100万次发生恶性事故的次数为0.2次，而1989年为1.4次，从这些年的统计数字看，总体呈现减少的趋势。事故减少的原因有很多，而目千差万别，其中包括加强对机组人员的培)i1，空中交通控制系统更加完善。其中重要的是，“实际上有些事故整体被杜绝”，其中包括空中相撞事故，这得益于空中交通防撞系统的安装。安装近地告警系统后，CFIT C可控时示撞地)事故的发生率有了明显下降，在1985年后，每年发生的CFIT事故由强制安装以前每年的七到八起降低到每年一到两起。

自从商用匕机投入运营以来，空难就从未间断过，如匕机空中相撞及匕机撞地等。为了确保匕机安全匕行，1974年美国联邦航空局(FAA)规定在大型客机上安装近地告警系统(GroundProximity Warning System } GP W S)]功止口J控匕机撞地(CFIT ) }2} 0 1981年，美国联邦航空竹理局CFAA)提出了对空中防撞系统的功能需求和技术定义，并制定和实施了TCAS C Traffic Alertand Collision Avoidance System)研制计划[}l随着对匕机运营的要求越来越高，我们希望哪L空中防撞和近地告警系统的成本越来越低，性能越来越好，因此，我们需要考虑研究可靠性高、重量轻、成本低的综合防撞产品。

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