從馬航空難談飛行管制原理 @ Hic et ubique :: 隨意窩 Xuite日誌
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  • 201403250312從馬航空難談飛行管制原理

    ※本文修剪版刊登於昨天(1030324)聯合報「新聞中的科學」版,當天晚間馬來西亞政府宣布,證實MH370班機墜落於澳洲西方的南印度洋水域。。

    3月8日,馬來西亞航空MH370班機從吉隆坡飛往北京途中,卻在南海上空失聯。經歷各國一星期搜尋後,馬國政府又出面表示,根據軍用雷達的資訊,其實MH370與地面切斷聯絡後,卻轉向再度穿越馬來半島,向西飛往安達曼海,甚至到失聯七小時之後,仍然接到衛星訊號。

    多數民眾對此應該已經一頭霧水:到底對於飛在空中的民航機 ,地面航管是如何掌握它們的位置?

     

    初級雷達與次級雷達

    科學家在二次大戰前,就已了解利用電波探測空中飛機的原理。英國最先將技術實用化,並根據「無線電探向測距」(Radio Detection And Ranging)的縮寫,將這套系統稱為RADAR,中文譯為「雷達」。雷達的發明正好趕上1940年德國大舉空襲英國的不列顛之戰,英方可以提前預警敵機來襲,並且有效調度攔截兵力,在空戰中占盡上風。


    英國二戰期間的雷達。

    雷達工作模式是由地面天線發射出電波,電波觸及飛機後反彈回來,被雷達天線接收到,便可以得知目標的方位與距離。在航空管制上, 這種「真正的」雷達稱為初級雷達(Primary Radar)。

    在大戰中各國發現,雷達雖然可看到空中目標,但是飛機多了之後,根本難以辨別,因此「敵我識別器」(IFF,Identify Friend or Foe)就應運而生。敵我識別器的道理類似軍中「口令」,會對目標發出一個詢問電波,如果目標發出符合事先約定的回應電波,就可確定是友機。

    1950年代,敵我識別技術轉用到民航管制上,稱為次級雷達(Secondary Radar)。次級雷達雖然也發出無線電波,但並非接收目標反射回波,而是在飛機上裝有「詢答器」(transponder),接收到次級雷達的「詢問」訊號後,就會發射出一個「回答」訊號。地面接收到回答訊號,同樣可計算出飛機的方位與距離。

    初期雷達與次級雷達相較,前者接收從目標表面反彈回來的電波,因此發射功率必須很強;後者只要目標接得到詢問訊號即可,因此遠較輕巧、廉價。但是次級雷達是一種「被動」系統,必須仰賴目標的配合才能運作,如果對方飛機上沒有詢答器,則什麼也「看」不到。


    民航局位於三貂角的航路雷達。

     

    詢答器

    初期的詢答器可以發出兩種資訊給次級雷達,其一是四位數的識別代 碼,其二是飛機的高度。

    詢答器識別碼共有四位數,每位數從0到7,代表共有4096種組合。在航班起飛前擬定飛行計畫時,航管單位就會先規定一個代碼。因此只 要次級雷達接收到這個數字代碼,航管就可根據電腦中儲存的資料, 得知這架飛機正在執行的航班。

    詢答器使用1030與1090兆赫(MHz)的頻率,與一般航管無線電波段 不同,因此也可以用於特殊緊急狀況的報告,例如代碼「7500」代表 遭劫持,「7600」代表無線電故障,「7700」代表遭遇緊急狀況等。一旦雷達幕上某架飛機的代碼突然變成這些數字,航管便可採取反應 。

    另外,一般對空搜索(初級)雷達只能探測目標的方位、距離,無法得知高度。因此航空界發明詢答器時,就讓它可將飛機的高度回傳給地面,以利調度。

    因此在當今民航界,凡是初級雷達,必定將次級雷達的功能整合進來,才能得知各架飛機的航班資訊與高度資訊。至於次級雷達,反而可能獨立存在,以因應一些「比較不必花錢」的使用場合。但是次級雷達仰賴空中飛機回報資訊,無法看到沒有詢答器的飛機,對於過度複雜擁擠的空域,分辨與管制的能力也比較不足。

     

    ADS-B

    隨著科技進步,詢答器能夠發送的資訊愈來愈多,因此ADS-B(廣播式自動回報監視,Automatic Dependent Surveillance-Broadcast )系統也應運而生。

    ADS-B可說是詢答器的進化版,仍然使用次級雷達的收發頻率,但是發送的資訊量大為增加。包括飛機的經緯度(根據機上GPS衛星定位系統資訊)、機身序號、航班號、航向、速度、高度、爬升(下降) 速率等。而且不再是被動「應答」,而是主動向外廣播這些資訊。

    由於ADS-B可以提供大量而準確的資訊,大幅降低航管人員的工作負擔,因此各國逐漸將其規定為標準配備。例如我國於民國101年宣布,從103年12月31日起,在臺北飛航情報區飛行的航空器,如果沒有裝設ADS-B,就只允許飛行在28000呎以下的空域。由於高空飛行比較省油,噴射客機的巡航高度經常超過30000呎,因此這項規定形同要求,所有在我國起降或通過的國際航班,都必須裝有ADS-B。

    ADS-B系統也意外提供另一種便利,就是一般人也可查詢飛機在空中的動態。目前市面上有多個「追飛機」的商業網站,他們與世界各地的發燒友合作,在家中裝設ADS-B的接收天線。因此只要進入網站,就可以看到全球民航機(至少是裝設了ADS-B的飛機)飛行動態。民眾如果要到機場迎接親友,可藉網站追蹤對方所搭飛機,得知航班是 否準時。

    因此2006年陳水扁總統出訪大演「迷航之旅」,完全不對外透露目的地,這種障眼法在如今科技之下,已經無法奏效。只要一部上網電腦,就可得知專機目前位置與飛行路徑。例如今年初馬英九總統出訪,專機從日本海飛入俄國領空,除了飛在公海或西伯利亞等過份偏僻、沒有ADS-B接收器的地區外,幾乎可以全程追蹤其航跡。

     


    馬英九總統出訪時,華航專機的航跡。

    ACARS

    另外一個在近日新聞上經常出現的名詞,是飛機上的ACARS,它是「 通信定址與報告系統」(Aircraft Communications Addressing and Reporting System)的縮寫。ACARS是一種在航空器與地面間的通訊系統,主要客戶不是航管單位,而是各航空公司。ACARS傳遞的不是語音,而是類似電報或手機 簡訊的文字訊息。

    飛行員可以利用ACARS系統主動「發簡訊」給地面 ,也可以設定讓飛機自動發報,包括飛航途中定時通報,或在遭遇特殊狀況(例如機械故障)時,通報機上各種資訊。ACARS的訊息傳播,如果在地面站臺的通訊範圍內,就使用一般VHF無線電波段;如果飛到大洋中間,就靠機上的衛星通信系統(SATCOM)發送。

    以此次失事的馬航班機而言,因為波音777屬於雙引擎長程機種,必須裝設「發動機狀況監視」功能,定期將發動機運轉的狀況,利用ACARS傳到地面。此外如法航2009年在大西洋失事,在飛機墜海之前 ,ACARS就曾回傳機上系統故障的訊息。另外如中央氣象局也曾跟國籍航空業者合作,將飛機在空中遭遇的天氣狀況,例如風向、風速、溫度、氣壓等資訊,即時傳回地面。

     

    馬航出了什麼事?

    對於馬航MH370在事故當天表現的狀況,資深民航機師閻駿認為,由於機上的詢答器被關閉,ADS-B不再對外廣播訊號,因此在民間的「追飛機」網站上,飛機就在地圖上消失。但是馬國軍方或民航單位仍 可在初級雷達上看到,MH370掉頭飛回(此時在雷達上是一個沒有航班資訊的「不明機光點」),隨即向西飛往安達曼海。面對如此怪異的狀況,為何馬國空軍並未派戰機起飛攔截,現場判斷狀況?這點殊不可解。

    至於為何馬國政府宣稱,馬航班機在關閉詢答器之後與ACARS之後,卻又「根據衛星信號,還飛了七小時」?對此閻駿認為,要將對外通訊系統全部關閉,並非機師平日會練習的正常動作,有可能ACARS系統被關閉,但機上的SATCOM衛星通訊系統並未整個關掉,因此通訊衛星仍會與飛機維持信號連通。「道理類似行動電話,基地台會定期發出詢問訊號,只要沒有關機,話機就會發出應答訊號;即使並未通話 ,電信公司仍可知道你在哪個基地台範圍內。」

    以本次事件而言,馬航使用的是英國「國際海事衛星組織」(Inmarsat)的衛星,Inmarsat位於印度洋上空的衛星,在馬國當地時間上午8時11分,還接到MH370的應答訊號,根據訊號的角度,可以推論出訊號發送範圍。但是每顆衛星的涵蓋範圍廣達三分之一地球表面 ,即使畫出訊號來源的範圍,也還是極為遼闊,形同大海撈針。


    衛星在馬航班機失聯七小時後仍收到其應答訊號,根據角度估計其可能位置。根據24日馬國宣布消息,飛機墜毀於南印度洋。

    不過閻駿強調,由於目前所知資訊非常有限,媒體報導又可能不夠了 解專業知識,而在撰稿時產生誤會,因此外人要推測馬航MH370到底發生了什麼狀況,都還言之過早。

     

    ************************************

    只要一發生空難,「找到黑盒子」就成為外界最關心的議題。黑盒子在1953年由澳洲人發明,1950年代後期逐漸被國際航空界採用,包括「飛行資料記錄器」(FDR,Flight Data Recorder)與「座艙通話錄音器」(CVR,Cockpit Voice Recorder)兩部分。

    FDR會記載飛機的速度、高度、航向、姿態、升降率、發動機油門等資料,CVR則錄下駕駛艙內的聲音。調查人員可以藉此回溯,失事前兩小時的飛航狀況。早期的黑盒子是將資訊記載在金屬帶上,後來進化為磁帶,再演進至使用硬碟;隨著科技的進步,如今黑盒子能夠記 下的資訊,已經遠比早期多得多。

    行政院飛安會執行長王興中指出,黑盒子的設計就是在飛機失事後能被尋回並判讀,因此外殼漆成鮮豔的橘紅色;安裝位置位於機尾,是根據統計歷次空難中,毀損相對較小的區域;另外黑盒子具有鋼或鈦材質的堅固外殼,可以抵抗劇烈撞擊或火燒,以求在空難後還能儘量完整,讓調查人員可以判讀。


     

    為了讓調查人員能從空難現場尋回黑盒子,黑盒子設計有「緊急位置傳送裝置」(ELT,Emergency Locator Transmitter),如果遭遇一定G力以上的撞擊,或是落入水中,黑盒子就會認定飛機已經墜毀,開始發出訊號。

    如果失事地點在陸地上,會向衛星傳出座標資訊;如果飛機落在水中,由於無線電波在水中難以傳播,因此是發出聲音訊號,本身的電力足以維持一個月。王興中指出,黑盒子的聲音的頻率是37.5赫,屬於人耳可以聽到的範圍,一般軍艦上的被動聲納(水下聽音器),只要將搜索範圍鎖定這個頻率,在1海里(1.85公里)內就可以聽到。

    不過王興中說,對海上空難而言,調查人員仍須要先掌握飛機墜毀的大概位置,才能在重點海域進行聽音探測。以2002年5月25日的華航澎湖CI611空難而言,因為殘骸主要分布位置很快被確認,當地的海水深度又只有60公尺左右,因此很快就聽到訊號,進而撈獲黑盒子。相較之下,如果無法確定飛機墜落地點,就很難靠「聽ELT」來找到 黑盒子。例如2009年6月1日的法航AF447空難,飛機從巴西里約飛往巴黎途中,在大西洋上失蹤,由於已超出地面雷達追蹤範圍,也找不到水下殘骸的位置,因此只能根據航線與最後通聯去預測墜機的大致位置,進行「海底撈針」的工作,利用主動聲納去掃描海床,再派出深海小潛艇,對疑似殘骸的目標進行確認。最後花了兩年,才在將近 4000公尺深的海底找到主要殘骸,並且尋回黑盒子。由此看來,目前MH370連飛行路徑都無法確定,如果它真的墜落海中,要尋找黑盒子將極為困難。

     

     

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