地面迫近警告系統(GPWS):警告系統概述,運作原理,模式,效果,缺陷與改良,警告

地面迫近警告系統（Ground Proximity Warning System，GPWS）是飛機上的一種警告系統，又稱近地警告系統。民航飛機廣泛使用的是增強型近地警告系統（EGPWS），而普通型近地警告系統是其前身。

基本介紹

中文名：地面迫近警告系統
外文名：Ground Proximity Warning System
別稱：近地警告系統
簡稱：GPWS

警告系統概述,運作原理,模式,效果,缺陷與改良,警告方式,特點與原理,強制安裝,歷史,CFIT事故,GPWS缺陷,

警告系統概述

增強型近地警告系統（EGPWS）的主要功用是避免飛機與地面相撞，當飛機與地面危險接近時給機組提供相應的警告提示，增加飛機安全性。為此，大部分民航客機上都安裝有近地警告系統，該系統主要由近地警告計算機、警告燈和控制板組成。它的核心是近地警告計算機，計算機中存儲了各種警告方式的極限數據，這些數據與其它系統輸送來的飛機實際狀態數據進行比較，如來自無線電高度表的高度信號；來自大氣數據計算機的氣壓高度和變化率；來自慣導的慣性垂直速度等等，如果這些數據超出了某一種警告方式的極限值，近地警告計算機就輸出相應的語音和燈光警告信號，警告飛行員飛機存在危險狀態，直到採取了適當的措施而脫離了不安全狀態後燈光和語音警告信號才被終止。

為什麼需要近地警告系統呢？這要從CFIT（可控飛行撞地）說起。CFIT就是在飛行中並不是由於飛機本身的故障，或發動機失效等原因發生的事故，而是由於機組在毫無覺察危險的情況下，操縱飛機撞山、撞地或飛入水中，而造成飛機墜毀或嚴重損壞和人員傷亡的事故。1970年代GPWS開始普及前，可控飛行撞地已經成為導致商用噴氣飛機機體損毀事故和人員死亡事故的元兇。

運作原理

地面迫近警告系統自起飛開始到降落地面為止，將持續監視飛機的離地高度，它利用無線電高度表獲得離地高度，並以電腦計算出飛機的飛行趨勢，當發現存在危險時將以視覺與語音警告飛行員採取避險措施。

模式

地面迫近警告系統有以下幾種模式（不同機種的GPWS存在一些差異，但這些模式基本共通。引號內的大寫英文為語音警告內容）：

過度的下降速率："SINK RATE" "PULL UP"。
過度的地障接近率："TERRAIN...TERRAIN" "PULL UP"。
在航機起飛或復飛爬升時航機高度值過度下降（Altitude loss）："DON'T SINK"。
與地障的間距不足（未放下起落架或襟翼小於30度等）："TOO LOW - TERRAIN" "TOO LOW - GEAR" "TOO LOW - FLAPS"。
儀器降落時與下滑道（Glide slope）的誤差過大："GLIDE SLOPE"。
飛機遭受風切時警報：“Caution, Windshear” “Windshear, Windshear, Windshear”。
飛機側傾角過大時警報：“Bank Angle”。
正常下降時的提醒：“Five Hundred” “Minimums” 。

效果

自1972年起，美國聯邦航空總署規定大型飛機都須安裝使用此系統。此後可控飛行撞地事故大幅減少。因此從2000年起進一步規定，小型商用飛機也需要採用此系統。

缺陷與改良

傳統的地面迫近警告系統存在盲點，它只能取得飛機下方的離地高度資料，因此在地形劇烈變化（例如陡坡及懸崖）的情況下，GPWS無法及時察覺來警告駕駛員，並因此導致例如2010年波蘭空軍圖-154墜機事件之類的航空事故。

在此之後，改良版的地面迫近警告系統——EGPWS（Enhanced GPWS，增強型GPWS）針對此盲點作出了改良。EGPWS內建了全球的數位地形資料庫，且搭配了長距離導航系統（例如全球定位系統）、慣性導航系統和無線電助航系統。EGPWS藉由比對內建的數位地形資料庫，可更早警告駕駛員，使其有充足的時間作出反應。

警告方式

方式1：下降率過大

在一定的無線電高度以下，飛機的下降率超過了允許的極限值時就發出"SINK RATE"的警戒語音，近地燈燃亮。如果下降率進一步增大，將發出"WHOOP WHOOP,PULL UP,PULL UP"的警告語音，紅色"PULL UP"燈燃亮。

方式2：過大的地形接近率

方式2A：飛機並非處於著陸狀態下的過度地障接近率。也就是襟翼並未放至30度或以上，並且下滑道偏移超過2度以上，就發出"TERRAIN,TERRAIN"的警告語音，近地燈燃亮。當飛機持續處於Mode 2A狀態，地形高度並未下降或是飛行員並未操縱航機爬升，在PFD仍會顯示PULL UP警告訊息，直到高度增加300尺以上或是45秒過後。在這之後如果Mode 2A狀態持續存在，將重複發出語音警告。在高度增加300英尺以上或是放下起落架，將會解除語音警告以及PFD的PULL UP警告訊息。

方式2B：飛機襟翼放出至30度或以上，處於著陸狀態下發生的過度地障接近率。EGPWC以襟翼位置以及高度下降速率來計算決定最低的限制。達到限制極限後發出語音警告："TERRAIN TERRAIN"，如果在1.6秒鐘內未離開警戒區域，將發出"WHOOP WHOOP,PULL UP,PULL UP"的警告語音，紅色"PULL UP"燈燃亮。

方式3：起飛或復飛時過度掉高度

在起飛或復飛過程中，由於飛機掉高度影響到安全時，發出"TOO LOW TERRAIN"的警告語音，近地燈燃亮。

方式4：不在著陸形態時的不安全越障高度

當飛機不在著陸形態，由於下降或地形變化，飛機的越障高度不安全時，發出報警信號。方式4A：速度較大時，警告語音為"TOO LOW TERRAIN"。方式4B：如果是襟翼未處於著陸位，低速時的語音警告為"TOO LOW FLAPS"，如果是起落架未處於著陸位，低速時的語音警告為"TOO LOW GEAR"。

方式5：低於下滑道太多

在正航道進近時，飛機在下滑道下方偏離較大時，發出"GLIDE SLOPE"語音警告，近地燈燃亮。

方式6：無線電高度和決斷高度的報告

在著陸過程中，EGPWS代替人來報告決斷高度和無線電高度。

Minimums minimums、Three hundred、Two hundred、One hundred、Fifty、Forty、Thirty、Twenty、Ten

在著陸過程中，無線電高度高於130英尺，飛機水平翻滾傾斜角大於35度；或無線電高度在30-130英尺，飛機水平翻滾傾斜角大於10度時，發出語音警告"BANK ANGLE，BANK ANGLE"。

方式7：風切變警告

在低於1500英尺無線電高度的起飛或進近過程中，如果飛機進入風切變警告範圍時，就發出風切變語言警告"Windshear,Windshear"。

優先順序

EGPWS將根據不同的警告方式發出不同的語音，除開著陸過程報告的具體無線電高度，EGPWS報警語音歸納起來有17種。如果同時出現多種近地警告報警方式，只能有一種最優先的信號發生音響警告，其優先排列順序如下。

優先順序	語音警告音內容	觸發方式
1	WINDSHEAR,WINDSHEAR	7
2	WHOOP WHOOP,PULL UP!	1
3	WHOOP WHOOP,PULL UP!	2
4	TERRAIN TERRAIN,PULL UP! OBSTACLE AHEAD,PULL UP!	2
5	TERRAIN TERRAIN	2
6	MINIMUMS	6
7	TERRAIN TERRAIN OBSTACLE AHEAD OBSTACLE AHEAD	2
8	TOO LOW,TERRAIN	4
9	TCF TOW LOW TERRAIN (TCF=TERRAIN CLEARANCE FLOOR)	4
10	ALTITUDE CALLOUT（無線電高度報告）	6
11	TOW LOW GEAR	4
12	TOW LOW FLAPS	4
13	SINK RATE	1
14	DON'T SINK,DON'T SINK!	3
15	GLIDE SLOPE	5
16	BANK ANGLE,BANK ANGLE	6
17	WINDSHEAR PREALERT	7

警告級別

為了簡化機組對新一代EGPWS警戒功能之間的適應過程，前視警戒或警告和TCF警戒的駕駛艙音響和目視效應與先前的GPWS警戒或警告幾乎是一致的。

⒈警戒級警告(Caution Alert)

琥珀色的近地警告燈亮與先前的GPWS警戒信息一樣。地形顯示和特定的地圖通告顯示是新一代EGPWS特有的，音響警告為CAUTION TERRAIN。

⒉警告級警告（Waring Alert)

音響警告，紅色的主警告燈亮和紅色的PULL—UP燈亮與先前的GPWS的警告信息是一樣。地形顯示和特定的地圖通告顯示是新一代EGPWS特有的。

⒊TCF警告（TCF Alert)

對於TCF警告駕駛艙的反應是聽到TOO LOW TERRAIN 語音警告和琥珀色的近地警告燈亮（紅色的PULL—UP燈亮/僅B737）。

如果警告發生在白天飛行，能見氣象條件（VMC）並且機組能夠通過目視判斷沒有危險存在，可以不考慮這種警告，只作為警戒；否則按照提供的警戒、TCF或警告程式來做。

觸發EGPWS告警的處理程式

⒈警戒或TCF警告

檢查飛行軌跡並按需修正軌跡。如果地形條件受到懷疑，機組應執行避開地形（Terrain Avoidance）的機動程式。

⒉警告級警告（Warning Alert)

PULL UP警告是所有EGPWS告警中最為危險的，機組必須立即執行避開地形機動程式直到EGPWS指示飛機已經離開地形。避開地形機動程式所使用的前視PULL P警告和先前的GPWS依據無線電高度所提供的PULL P警告是一樣的。

特點與原理

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資料庫和地形資料庫，並利用飛機位置、無線電高度和飛行軌跡信息來確定潛在的撞地危險。所以，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。

新的EGPWS前視地形警戒功能主要是針對現行的GPWS警告遲緩或不適當的駕駛員反應導致的CFIT事故，同時也提供在著陸形態時“不警告”類型的警戒功能。新的EGPWS功能使用自身的全球機場位置資料庫和地形資料庫，並且使用飛機位置，氣壓高度和飛行軌跡信息確定潛在的撞地危險。機場位置資料庫包括所有2萬餘條鋪築面為3500英尺（1067米）或更長的跑道。地形資料庫包含全球95%的地形情況，針對每個機場周圍的地面區域它可以提供高解析度的地形數據，對於各機場它能提供低解析度的地形數據。只有5%的地形數據是不能用的，這5%不能使用地形數據的區域是在南美洲的亞馬遜河流域的機場，北非和中非的部分地區以及北格藍陵島地區。

聯信公司每隔6—12個月更新一次地形資料庫，資料庫使用光電存儲卡（flash memory card）來更新，它不需要從飛機上卸下EGPWS的航線可更換組件（LRU）就可進行。因地形資料庫的存在，GPWS的缺陷一和缺陷二迎刃而解，飛機在飛行過程中，增強型近地警告計算機沿著飛機的預定航跡連續搜尋資料庫，這樣可使系統具有虛擬的前視能力。EGPWS 將所探測到的周圍環境的數據不斷的與現存的數據進行對比，如果EGPWS認為飛機的航跡在某處與地形太近，它會提前發出音頻和視頻警告信號給飛行員，即使在雨霧等惡劣天氣中，EGPWS也能有效控制撞地或撞山的事故的發生。

⑴前視地形警戒功能（Look-ahead Terrain Alerting)

新一代的EGPWS可以向機組提供警戒等級或警告等級信息，提醒機組存在潛在觸地危險的時間要比現行GPWS要早得多。警戒信息主要是根據飛機的位置和氣壓高度信息而得到的。飛行管理系統（FMS）或全球定位系統（GPS）可以向EGPWS提供飛機位置的經緯度。

氣壓高度是基於平均海平面（QNH）由大氣數據計算機（ADC）提供的，EGPWS使用附加的大氣數據輸入確定飛機的飛行軌跡和定位合適的警戒包線。地形警戒是連續計算飛機前方的地形間隔包線，其垂直方向與飛行軌跡進行比較，橫向方向與飛機的地面航跡進行比較。如果這些確定的包絲與地形資料庫的數據相衝突，就啟動警戒信號。它可以計算兩個警戒包線，一個是警戒等級的警告（caution-level alert），另一個是警告等級的警告（warning-level alert）。前視警戒級的警告大約在距潛在的危險地形40-60秒之前提供警告信息。前視警告級的警告大約在距危險地形20-30秒之前提供觸地警告信息。警戒包線是根據飛機前方的前視距離和飛機下方的高度偏離以及飛機兩側的橫向距離而確定的（如圖5所示）。前視距離主要隨著地速的變化而變化，地速增加警戒距離就增加，以便對所有速度提供大致相等的警戒時間。前視距離主要以沿著飛機飛行的軌跡（爬升，下降或平飛）為基點。一個附加組件可以向上搜尋6°範圍以便對非常的地形進行保護。這個附加組件實際的前視距離是正常的兩倍。高度偏離範圍是飛機下方700英尺（213米）。偏移的目的是為了提供當飛機低於正常的地形間隔時的地形警戒。橫側距離是相對飛機地面航跡每一側1/8海里（0。23千米），為了著陸時沒有惱人的警戒信息，前視距離和高度偏移隨著飛機接近機場而減小。

除了前視警戒包線之外，EGPWS還有一個附加的保護組件—最小地形間隔TCF(Terrain Clearance Floor）。它是針對一旦氣壓高度表有誤差時而起作用的。TCF是一種機場周圍的警戒包線，這個包線是依據飛機的無線電高度而確定（如圖6）。按照正常的3度下滑軌跡直到跑道上，飛機將保留完美的TCF警戒包線。如果飛機穿越TCF包線，同時也就穿越了以氣壓高度表為基準的EGPWS的前視警戒包線，因此就啟動前視警戒功能。但是如果氣壓高度有誤差，TCF也可以提供基於無線電高度的警戒。，此功能也可以彌補GPWS在反航道進近或下滑道信號失效時不能夠提供警告的缺陷。

⑵地形顯示功能（Terrain Display)

EGPWS的地形顯示功能加強了機組對周圍地形的了解並能安全地避免潛在的觸地危險。地形顯示可以由機組人工選擇或者當前視警戒或警告啟動時自動顯示。地形在EHSI，ND或特定的氣象雷達顯示器上顯示，所有的EGPWS警戒功能可以單獨工作也可以與所選擇的地形顯示一起工作。

地形在顯示器上是以星羅棋布的紅，琥珀，綠色等光點圖形來顯示的，同時還以顏色來指示地形高度與飛機高度之間的關係：位於飛機下方2000英尺以外的地形不予顯示；飛機下方1000英尺至2000英尺之間的地形顯示為淺綠色；飛機下方500英尺至1000英尺之間的地形顯示為中等綠色；飛機下方500英尺至飛機上方1000英尺之間的地形顯示為中等黃色；飛機上方1000英尺至2000英尺之間的地形顯示為深黃色；飛機上方2000英尺以上的地形顯示為深紅色。

⑴紅色光點

紅色光點圖形指示相當高的地形，這個地形比飛機的現行高度要高2000英尺（610米）。如果在飛機的前方顯示這個地形就表明存在潛在的威脅。

⑵琥珀色光點

如果在飛機前方顯示琥珀色光點圖形也表明存在潛在的威脅。它表明從飛機現行高度以下500英尺（152米）到高于飛機現行高度2000英尺（610米）之間存在地形擴展。

⑶綠色光點

綠色光點圖形指示以飛機的高度在500英尺（152米）或更高的範圍之間有足夠的地形間隔。但是這個地形可能很接近，機組應該意識到它的存在。

琥珀色和綠色兩種不同光點密度的混合增加了地形顯示的效果。

為了減小顯示的混亂，任何低于飛機現行高度2000英尺的地形不在顯示器上顯示，只用黑色背景代替，由於地形的顏色是參照飛機的現行高度而顯示的，顏色將隨著飛機的爬升或下降而改變，顯示色帶的轉換將依據飛機/地形的關係提前15—30秒顯示。

在EGPWS地形資料庫不包括的地形或區域用洋紅色的光點圖形來顯示。

EGPWS使用ARING 453氣象雷達數據匯流排將地形數據傳送到飛機顯示系統。地形和氣象雷達數據不能同時在一個顯示器上顯示，但是機長和副駕駛的地圖顯示是獨立的。所以氣象雷達的顯示可以選擇一個顯示器而地形顯示則可使用另一個。地形的光點圖形顯示與氣象雷達顯示不同以便幫助駕駛員區別。另外，由於地形數據是通過ARING 453氣象雷達數據匯流排傳送的，雷達顯示優先於地形顯示。顯示的地形數據隨著飛機的運動不斷更新（類似於其他導航數據的顯示）。

當前視警戒或警告被啟動，地形是用整體實心的琥珀色或紅色圖形來增強顯示的。這些整體實心的顯示器強調危險地形並且意味著緊急衝突。對於警戒級的警告，飛機前方地形所引起的危險是用整體實心的琥珀色來顯示。在警戒級警告之前的紅色光點所顯示的地形強調地形的足夠高度，對於警告級的警告，飛機前方地形所引起的危險是用整體實心的紅色來顯示。如圖8所示。TCF警戒或任何基本的GPWS警戒發生時不會顯示地形。

機長和副駕駛可以人工選擇地形顯示，以便在離場或進近時監視地形。為了確保地形信息可用，當前視警戒發生時，系統會自動顯示地形。如果當前視警戒或警告啟動後，機長或副駕駛的地圖顯示沒有選擇顯示地形的話，地形就會自動在兩個圖顯示器上顯示。當警戒啟動時，如果一個地圖上已經顯示地形的話，它將不會在另一個地圖上自動顯示。

⑶地形越障高度下限功能（TCF）

針對於大部份的機場（硬跑道，跑道長1067米以上），EGPWS也會參考比較飛機與跑道相對位置，發現可能存在的危險狀況，這個功能稱為Terrain Clearance Floor,TCF。

強制安裝

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噸或批准的旅客座位數超過30人的渦輪發動機飛機應安裝經批准的增強型近地警告系統（EGPWS），也就是說我們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。EGPWS的供應商為美國霍尼韋爾（Honeywell）公司，此次改裝共耗資2100萬美元。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）。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）　GPWS是廣泛使用的EGPWS的前身，GPWS在起飛開始到降落地面為止，持續監視飛機離地高度，利用無線電高度計獲得離地高度，並且以電腦計算出飛機的飛行趨勢，若有危險時會以視覺與語音警告駕駛員採取避險措施。它於1970年代被廣泛使用後就大幅減少了可控飛行撞地事故（CFIT，Controlled flight into terrain）的發生，但亦因其本身缺陷而在21世紀之初遭到淘汰。

歷史

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，此後CFIT事故急劇減少。

1985年後，CFIT事故每年僅發生1到2次，而強制要求安裝前每年發生7到8次。

1990年代，全球幾乎所有的商用噴氣飛機均裝備GPWS或EGPWS。

CFIT事故

1993年11月13日，中國北方航空公司一架MD-82飛機執行瀋陽-北京-烏魯木齊航班任務，在烏魯木齊機場進近中墜毀。這次事故的直接原因是左座調錯高度表盲目下降高度所至；但機組聽不懂GPWS警告也是重要原因。該機於14:51:28建立了盲降，進入自動飛行。由於左座誤認為高度高，繼續下降，使飛機低於下滑道。14:51:56由於低於下滑道過多，GPWS給出了"GLIDE SLOPE,GLIDE SLOPE"的語音警告。但機組沒有採取任何措施。在14:52:15又出現了"WHOOP WHOOP,PULL UP! WHOOP WHOOP,PULL UP!"語音警告。駕駛艙里的四名機組成員聽到警告後，有人問"啥玩意兒";左座問"PULL UP 怎么回事"，機械員說"小心點"，可見當時無人聽懂GPWS警告是什麼意思，他們喪失了最後一次避免事故的機會。

1995年12月20日，美國航空公司AA965航班墜毀在哥倫比亞的卡利。在撞地前11秒鐘機上GPWS雖然發出了警告，但是飛機還是撞於機場北側38海里的3600米高的山上，離山頂60米處。此事故雖然包含了駕駛員在FMC上誤選航路點和減速板在放出位置而延緩了改出機會，但認為如果機上裝了EGPWS則可以在顯示器上發現危險地形，並將在57秒前提醒飛行員“TERRAIN TERRAIN”，34秒前發出“TERRAIN TERRAIN， PULL UP”的警告，則駕駛員就不會在轉彎時撞山了。

1996年4月3日，美國空軍運輸機CT—43A墜毀於克羅地亞的杜布羅芙尼克，包括美國商務部長布朗在內的35人遇難，事故處於和起落架都已經放下的正常進近中，已使GPWS解除了工作，如果裝有EGPWS，則地形顯示仍然有效，進近中地形淨空邊界上升後，威脅地形將由綠色變為黃色而提醒駕駛員，也可避免事故。

GPWS缺陷

⒈不能了解前方的情況。它只有“下視”功能，依賴於無線電高度，而無線電高度不能反映飛機前方的地形情況。

⒉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。

⒊存在“無警告”的因素限制：當機組抑制警告忘記恢復；或，當飛機起落架和襟翼均在著陸形態，並以正常速率下降時，無法提供地形警告。因為此時GPWS認為飛機將降落在機場，為避免干擾，需要抑制警告。事實表明，不少CFIT事故就是在降落階段發生。

幸運的是，以上缺陷在最新套用的EGPWS系統中均已得到克服，飛行員可以提早幾十秒獲得警告以及時改出，並且對前方障礙物能夠進行預判。

地面迫近警告系統