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Jan 5, 2013 - 1 minute read - Comments

关于民用航空上禁止使用电子设备的分析

适用对象

本文论述的电子设备,包括以下几类:

  • 不显式使用无线信号通讯,仅在工作时被动发出噪声的电子设备
  • 使用2.4GHz频段和5GHz频段的wifi类和蓝牙类短距离通信设备
  • 使用800MHz和1800MHz频段的长距离通信设备

本文论述的设备,不包括非法无绳电话等设备。尤其是不要把非法无绳电话当作普通的无绳电话,那玩意使用伞状天线,覆盖范围最高可以达30公里,根本就是私人设的无线电基台。使用频率又和飞机一致,飞机从上面过,通信马上就被干扰了。

飞机无线系统的工作状态

飞机自身也是大型机电设备,也会显式的使用无线进行通讯和导航,或者做系统控制(但是下面某个事故案例表明,使用无线作为系统控制是不可能的,飞行中的系统控制必然使用有线)。

飞机主要会使用的无线用途包括两大类,通讯和导航。

根据我在这里找到的资料,飞机常规的通讯频率为118.000~135.975MHZ。同时,中国民用航空总局无线电管理委员会办公室的某份文件佐证了这一说法。因此,常规飞机的主要通讯频率为121.5MHz、243MHz两大频率段。

而导航则比较复杂。如果是GPS导航,一般的L1频率段是1575.42MHz,L2的频率为1228MHz。而近距离的多普勒雷达和机载天气雷达工作范围都在1-10cm波长下(这个受限于天气因素),频率大约是3GHz-30GHz。CAAC的文件规定,中国范围内的多普勒天气雷达的X波段为9300-9700MHz,C波段为5300-5700MHz,S波段为2700-2900MHz。

飞机对无线信号的耐受性

首先,如果飞机的通讯频率被大功率干扰,可能引发地面引导失效,造成严重后果。因此,飞机的通讯频率(121.5MHz、243MHz),GPS频率,都不允许同频率信号。

另外,如果干扰设备功率足够大,频率又处于比较高的位置。那么可能引发混叠现象,干扰低频设备的工作(不知道我有没有理解错误)。因此,在飞机上应当禁用任何高频率的大功率设备。

航飞安全禁令的来由

目前在各种航班上实行的安全禁令,是由FCC在1991年所规定的,并得到FAA的支持。然而,这一禁令最初针对的是上个世代的水壶型大哥大设备等,而且当时的飞行设备并没有经过专门考量,对民用的广泛分布的无线信号做出抵抗。由于当时基台密度比现在远低,因此这些设备的发射功率比目前的手机要大上很多,1-2W属于常态功率。因此FCC顾虑到,在飞机上使用手机可能对飞机的通信造成安全,从而影响顾客人身安全。因此,尽管没有明显而直接的证据,但是FCC仍旧颁布禁令,禁止在飞机上使用手机。

一点直接的佐证即是,飞机上并没有配置无线信号定位系统。如果手机真的对飞行安全形成了直接的威胁,那么飞机上必然会配置手持式无线信号定位装置,借助三角定位法找出未关闭的手机。从无线技术原理上说,这是做的到的。这种做法可以有效补强空乘人员寻找手机的漏洞。正是由于手机的威胁仅仅是间接证据推测,因此飞机上始终未曾配备这些设备。

这里体现的是一种谨慎原则,当某个新鲜事务可能对人类产生威胁时,如果没有明确证据表明“没有威胁”,则默认断言“存在威胁”。在面对未知的,新生的事务中,谨慎原则不止一次的拯救过人类。当然,与此相对的,也不止一次的由于过度谨慎而坑过爹。然而在综合双方带来的影响后,人类仍然坚持了谨慎原则。这本质上是对有利可图的商家,国家,或者其他掌握力量的个人或组织的警惕。

但是,在经过长时间的接触后,谨慎原则是否适用,可能会需要重新评估。如果坚守谨慎原则,第一件应当被禁止的事情不是飞机上的手机,而是汽车。全球每年死于车祸的人高达几十万,只要禁用掉汽车就没这个问题了。可是谁也不曾提出过禁止汽车上路(中国某些部门的新交通法规是个例外)。正是因为人们感受到,汽车对人类带来的好处远远大于造成的问题。

同样,电子设备是否可以用于飞机上,这个问题也需要随着电子工程的发展和电子产品深入人们的生活而重新评估。在这里可以毫不客气的说,由于电子产品已经深入了人们的日常生活,成为生活的一部分。如果无原则的坚持禁令,就是反人类。在这种情况下,需要考量的不是坚持还是不坚持禁令的问题,而是需要重新审视和设计,制造飞行器,使其可以满足人类随时进行通讯的基本需求。

对于不显式发出无线信号的设备

这类设备没什么好禁用的。不过这句话要说的比较严密,应当是加上限制,在设备本身辐射不大的情况下。显然,微波炉本身也不显式的发出无线信号,可是那玩意的电磁泄漏明显不适合在飞机上使用。

但是话说回来,有几个SB会把微波炉带上飞机的!

而且很大程度上,这类设备并不能真的“禁用”,因为不少人类生活严重依赖于电子设备,例如人工心脏起搏器,或者是电动轮椅,助听器。固然,航飞部门可以发布警告,提醒使用以上设备的人乘坐飞机的风险。但是不能在没有明显理由的情况下拒绝乘客,因为他们使用了助听器。

对于使用2.4G和5G频段的短距离通信设备

2.4G是国际规定的无线保留频段,使用这个频段不需要特殊的申请或者执照。因此,如果在2.4G引发了干扰,干扰源又是按照标准(<100mW)的,那么被干扰者只有自己摸摸鼻子认倒霉。例如深圳某地铁使用2.4G频段作为闭塞用,结果被干扰导致列车老停车,这就明显是设计者考虑不周。

频段上没问题了,我们再说说功率。常规的wifi设备功率都在50mW以下,而且一般功率只小不大。因为发射功率的增加是以增加耗电量为代价的,便携设备哪里来那么多电给你消耗。真正功率比较大的,常见的是用于蹭别人家网用的特制无线网卡,俗称“卡皇”。其功率从200mW到数瓦不等。部分设备甚至可以截听公里级别的wifi信号,功率超过手机。这部分违规设备应当严禁携带上飞机。

对于100mW以下的合法设备,不应当处于飞机无线管制的范围内。预计在可见的将来,针对近距离通讯设备的禁令就可能会解除。即飞机上的广播中,应当会去掉“请关闭手机的无线功能”等。作为作证,可以参考这条新闻,云南三架飞机将提供WIFI服务。如果不取消禁令,又自行提供wifi信号,岂不是自打嘴巴?当然,安全起见,在飞机的起飞和降落期间还是应当关闭wifi热点。

使用800M和1800M频段的通信设备

这个又要分的比较严密了。这类的设备主要分为两种,GSM和CMDA2000。严格来说,GSM的信道才是900MHz,1800MHz和1900MHz,CDMA2000的信道是上行1920~1980MHz,下行2110~2170MHz。功率都是1-2W左右。

然而GSM方式造成的干扰比CDMA方式严重的多。因为CDMA基于码分多址,而GSM基于时分复用。由于是时分复用,因此设备只能在许可时隙内发射信号,信号呈脉冲型。脉冲型的信号调制就坑爹了,因为脉冲信号的开始和结束时会对其他频率造成影响。关于这点我不知道怎么向没有高等数学基础的读者表达,大致理论是一个方波可以被变换为一系列正弦波的加成。

由于这一特性,因此FCC才会顾虑GSM对飞机通讯系统的干扰。

因此,我觉得航飞系统未来可能考虑解除CDMA的禁令,或者更进一步,在机内部署低功率CDMA基站。因为CDMA对其他信道的干扰小,而基站在附近产生的干扰更加小。在机内建立基站有几个好处。

  1. 降低手机辐射。非常悖论的,当手机无法接收信号的时候,其功率最大。因此一旦在飞机内建立基站,手机的发射功率就会受到控制。
  2. 将CDMA转为飞机可以容耐的地-空通讯,提供飞机上拨打电话的功能。当然,这个特性可以作为飞机服务加以运营。

至于GSM,貌似在可见的未来并不会纳入考量。

飞行模式

鉴于飞机上不允许使用手机,而智能机又迅速普及,很多厂家推出了“飞行模式”功能。飞行模式的原理,在于手机可以通过软件关闭GSM通讯模块和wifi/蓝牙通讯模块,从而使得设备从普通通讯设备变成不显式发出无线信号的设备。从原理上说,这确实是可行的。

然而很多航空并不买账,其机上禁令仍然包括“飞行模式”。

我不知道这基于一个什么样的理由,至少不是纯技术层面的理由。因为从技术上说,飞行模式的手机产生的干扰远比电脑低。根据某些报道,这可能是由于山寨手机厂出品的手机,并没有真的实现“飞行模式”,而是仍旧发射无线电,只是软件上禁止了接入和拨出。

不得不说,很多事情就坏在这些SB身上了。

关于飞机上的手机信号

即使在飞机上完全没有手机的情况下,也无法隔绝手机信号对飞机的影响。大功率基站在没有干扰的情况下,覆盖范围可达10公里,而飞机一般的飞行高度都在3公里-10公里之间。因此如果飞机围绕着一部基站盘旋,从飞机上完全可以进行手机通话。当然,如果飞机沿着径向行驶,那么会引起很强的多普勒效应(比火车速度快很多),从而造成拨打困难。所以说,运气好的情况下在空中开机居然还有信号,就是这个道理。作为例子,在911事件中,有部分乘客可以通过手机向外部传递信息。

鉴于此,也许在10年后,由于飞机的更新换代,老机型的淘汰。上飞机就不需要关闭手机了。

关于1991年某飞机因为手机反推装置打开的说明

网络上多半是流传1991年某英国航空,我找了一下空难列表,1991年反推事故的貌似只有劳达航空004号班机号空难(也称奥地利航空,不过好像被收购过,所以具体不明),具体可以看wikipedia页面

根据下面给出的劳达航空004号班机的事故调查报告,我通篇找不到手机(mobile),或者干扰(intrusion)之类的字眼。事故原因分析貌似是说,因此由于某些照明电路的电路故障,导致反推装置启动。在系统改进中,也没有要求飞机上关闭手机的建议,只是建议飞机上的电子设备增加屏蔽装置,屏蔽电磁干扰。注意,这里屏蔽的目标不是无线通讯干扰,而是电路故障造成的电火花(hot short)。

同时,飞机也会频繁穿越积雨云之类的电磁异常区域。由于飞机上的控制系统异常重要,而飞机本身的电磁环境不稳定,因此使用无线控制飞机是不可行的。

关于在医院使用手机的问题

医院使用手机,电脑是一个需要慎重考虑的问题,因为确实有很多医疗设备使用了2.4G频段。甚至由于人体器官尺寸等原因,有很多医疗设备并不能自己选择工作频率。例如在深圳的地铁干扰问题上,医院的B超亦是干扰源之一,见这里。可以想见,如果将卡皇带到医院去使用,也可能对B超设备产生干扰。

但是,对上述新闻,我抱持怀疑态度。借助声波工作的B超为什么会发射如此强烈的电磁信号,而且信号频率居然高达2.4G。这本身就是件很奇怪的事。由于报道并没有列出关联信息,因此无从查起,姑且信之。