空中交通提醒與防撞系統(tǒng)淺談

楊紅梅

摘 要：20世紀(jì)中后葉，隨著空中交通的迅速發(fā)展，一些中心機(jī)場(chǎng)的終端區(qū)和其他繁忙空域中的飛機(jī)密度不斷增大，飛機(jī)之間的水平間隔和垂直間隔也隨之減小。飛機(jī)之間出現(xiàn)危險(xiǎn)接近的情況時(shí)有發(fā)生，甚至空中相撞而機(jī)毀人亡。這種情況下，為防止飛機(jī)之間危險(xiǎn)接近，保障空中交通安全，航空界做出了不懈的努力。機(jī)載防撞系統(tǒng)的基本設(shè)想是研制一種裝備在飛機(jī)上的電子系統(tǒng)，通過(guò)詢(xún)問(wèn)和監(jiān)聽(tīng)周?chē)w機(jī)的應(yīng)答機(jī)，設(shè)法監(jiān)視本架飛機(jī)周?chē)沼蛑衅渌w機(jī)的存在、位置及運(yùn)動(dòng)狀況，以使飛行員在明了本機(jī)鄰近空域交通狀況的情況下主動(dòng)的采取回避措施，防止與其它飛機(jī)危險(xiǎn)接近。該文主要講述了這一機(jī)載電子設(shè)備——空中交通提醒與避撞系統(tǒng)，即TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System）?；竟ぷ髟砑霸陲w機(jī)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：空中交通提醒與避撞系統(tǒng) 交通咨詢(xún)信息 決策信息 原理及應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TN958.56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0241-02

飛機(jī)上的防撞系統(tǒng)，美國(guó)航空體系稱(chēng)為空中交通提醒和避撞系統(tǒng)（TCAS：Traffic Alert and Collision Avoidance System），歐洲航空體系稱(chēng)為機(jī)載防撞系統(tǒng)（ACAS：Airborne Collision Avoidance System），兩者實(shí)際上的含義、功能是一致的。TCAS的歷史可追溯到1956年在科羅拉多大峽谷上空兩架客機(jī)相撞，受這一事件的刺激，航空界開(kāi)始防撞概念的研究。20世紀(jì)60年代末70年代初，若干廠家開(kāi)發(fā)了航空防撞系統(tǒng)，但是這款初期防撞系統(tǒng)在繁忙機(jī)場(chǎng)區(qū)域的正常運(yùn)營(yíng)中容易產(chǎn)生高的虛警告，此外，它要求其他飛機(jī)也必須裝備該類(lèi)設(shè)備。70年代中期，開(kāi)發(fā)了信標(biāo)防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)ATCRBS應(yīng)答機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)來(lái)決定對(duì)方飛機(jī)的距離和高度。所有的航線(xiàn)飛機(jī)、軍用飛機(jī)和大多數(shù)通用航空飛機(jī)上都安裝有ATCRBS應(yīng)答機(jī)，任何裝備信標(biāo)防撞系統(tǒng)的飛機(jī)都能夠避開(kāi)大多數(shù)其他飛機(jī)而得到保護(hù)。直至1980年，F(xiàn)AA決定發(fā)展并裝備TCAS系統(tǒng)。

TCAS作為機(jī)載電子設(shè)備的一部分，占的分量并不大，系統(tǒng)的本身，在日新月異的信息科技時(shí)代，雖只有幾年的歷史，但也已不再是什么新鮮的技術(shù)。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的民航事業(yè)取得了空前的發(fā)展，大量地引進(jìn)了現(xiàn)代化的飛機(jī)，但由于地面配套設(shè)備技術(shù)的后滯，對(duì)民航事業(yè)的發(fā)展，民航生存的關(guān)鍵——飛行安全，起到了一定的負(fù)面影響，所以，從功能上來(lái)講，TCAS的引進(jìn)，對(duì)保證飛行安全，起到了積極的作用?？梢哉f(shuō)它是一個(gè)獨(dú)立的空中交通安全最后的保障，同時(shí)也增加了飛行員的安全意識(shí)和警覺(jué)性，提高了飛行員的安全感。

1 空中交通提醒與防撞系統(tǒng)介紹

1.1 交通提醒與防撞系統(tǒng)的概念

空中交通提醒與防撞系統(tǒng)（Traffic Alert and Collision Avoidance System），簡(jiǎn)稱(chēng)TCAS，是一種較為新型的航空電子系統(tǒng)，是完全不依賴(lài)地面系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備。目前已普遍裝備于各種民用系統(tǒng)。

1.2 TCAS的分類(lèi)及發(fā)展

根據(jù)發(fā)展和功能的不同，TCAS分為四類(lèi)：TCAS1、TCAS2、TCAS3、TCASI4。

TCAS1——僅僅提供接近警告，用以幫助飛行員目視搜尋對(duì)方飛機(jī)，該類(lèi)設(shè)備主要用于通勤航空器和通用航空器上。

TCAS2——既提供交通警戒信息，同時(shí)推薦在垂直方向的避讓措施（決策信息），以避開(kāi)沖突的交通目標(biāo)。目前最為廣泛使用。

TCAS3——由于技術(shù)原因，已停止發(fā)展。

TCAS4——還在開(kāi)發(fā)之中，為避開(kāi)沖突飛機(jī)，將提供交通警戒信息，并推薦在垂直方向和水平方向的避讓措施。

隨著空中交通流量的不斷增大，機(jī)載防撞系統(tǒng)的必要性日益明顯。80年代前后，多次出現(xiàn)了空中危險(xiǎn)接近的情況，加速了研究機(jī)載防撞系統(tǒng)的步伐。1980年，本迪克斯公司獲得了FAA研制TCAS 2的合同。羅克韋爾柯林斯公司、霍尼威爾等公司為爭(zhēng)取機(jī)載防撞系統(tǒng)廣闊的潛在市場(chǎng)，積極展開(kāi)了對(duì)TCAS 2的開(kāi)發(fā)和研究，終于在90年代研制成功TCAS 2。

2 TCAS的組成

TCAS系統(tǒng)組成組件有：TCAS計(jì)算機(jī)；S模式應(yīng)答機(jī)；TCAS天線(xiàn)；ATC/TCAS控制面板；顯示器以及音響警告組件。

2.1 TCAS計(jì)算機(jī)

TCAS計(jì)算機(jī)是TCAS系統(tǒng)的核心，是一個(gè)單獨(dú)組件。

TCAS計(jì)算機(jī)送出信號(hào)告訴駕駛員保持當(dāng)前飛行狀態(tài)或進(jìn)行機(jī)動(dòng)操縱，防止與此區(qū)域內(nèi)飛行的其他飛機(jī)相撞。它發(fā)射1030 MHz的詢(xún)問(wèn)信號(hào)，接收裝有ATC應(yīng)答機(jī)的入侵飛機(jī)的1090 MHz的應(yīng)答機(jī)信號(hào)。

2.2 S模式應(yīng)答機(jī)

S模式應(yīng)答機(jī)執(zhí)行A模式和C模式應(yīng)答機(jī)的正常ATC功能以及用于裝有TCAS飛機(jī)之間的空中數(shù)據(jù)交換，以保證提供協(xié)調(diào)、互補(bǔ)的決策咨詢(xún)。共用一個(gè)ATC/TCAS控制盒，它位于中央操縱臺(tái)。工作方式開(kāi)關(guān)一共有5個(gè)位置，用于選擇ATC和TCAS的工作方式與功能。

2.3 TCAS天線(xiàn)

TCAS天線(xiàn)的作用是實(shí)現(xiàn)與相遇飛機(jī)的詢(xún)問(wèn)—應(yīng)答，并獲得目標(biāo)的方位信息。TCAS系統(tǒng)共有兩部這樣的天線(xiàn)，一部安裝在飛機(jī)背部；另一部在飛機(jī)腹部中心線(xiàn)上。

2.4 顯示器以及音響警告組件

顯示器用于交通咨詢(xún)TA和TCAS發(fā)出的決策信息RA。音響語(yǔ)音警告信息是用來(lái)補(bǔ)充加強(qiáng)提醒飛行員注意交通咨詢(xún)信息和決策信息。

2.5 TCAS與其他機(jī)載系統(tǒng)交聯(lián)

TCAS為實(shí)現(xiàn)避撞功能，一方面需獲取相遇飛機(jī)的信息，以評(píng)估其飛行軌跡，另一方面還需計(jì)算本機(jī)的飛行趨勢(shì)。因此，TCAS計(jì)算機(jī)需由其它導(dǎo)航系統(tǒng)輸入各種導(dǎo)航數(shù)據(jù)，其交連關(guān)系較為復(fù)雜。

TCAS計(jì)算機(jī)與S模式應(yīng)答機(jī)之間的信號(hào)交連。

TCAS計(jì)算機(jī)與水平狀態(tài)指示器之間的信號(hào)交連。

TCAS計(jì)算機(jī)與其它導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)交連。

3 TCAS顯示信息

現(xiàn)在比較常用的方式是利用EFSI來(lái)顯示TCAS視覺(jué)信息。本文即以此為例來(lái)說(shuō)明。

3.1 電子水平狀態(tài)指示器（EHSI）上的TCAS視覺(jué)信息

顯示在EHSI的TCAS信息主要是入侵飛機(jī)的相對(duì)位置、威脅等級(jí)等。

TCAS根據(jù)所獲得的鄰近飛機(jī)的距離和相對(duì)方位數(shù)據(jù)，將其顯示在以本機(jī)為中心的地圖型畫(huà)面上。飛行員可一目了然地了解監(jiān)視空域中的交通狀況。

為了區(qū)別各架入侵飛機(jī)的威脅等級(jí)，分別以4種不同的符號(hào)來(lái)表示對(duì)本機(jī)威脅等級(jí)不同的飛機(jī)。

（1）藍(lán)色或白色空心菱形。

藍(lán)色或白色空心菱形代表相對(duì)高度>1200 FT，<2700 FT，或距離在6海里以上的飛機(jī)。完全不構(gòu)成威脅，稱(chēng)為其他交通目標(biāo)。

（2）藍(lán)色或白色實(shí)心菱形。

顯示為實(shí)心的菱形，仍為藍(lán)色或白色。相對(duì)高度等于或小于1200 FT，且距離在6海里以?xún)?nèi)。稱(chēng)為接近交通目標(biāo)，不構(gòu)成威脅。但在某種情況下，它可能變成TA或RA目標(biāo)。此顯示的作用是可以增強(qiáng)處境意識(shí)。

（3）橙色或黃色實(shí)心圓。

此實(shí)心圓代表進(jìn)入警戒區(qū)的飛機(jī)，顯示為橙色或黃色，稱(chēng)為交通咨詢(xún)。交通咨詢(xún)伴有語(yǔ)音提醒信息“TRAFFIC TRAFFIC”（交通，交通）。

（4）紅色矩形。

顯示紅色矩形代表進(jìn)入警告區(qū)的飛機(jī)，稱(chēng)為決策咨詢(xún)，同時(shí)，在電子姿態(tài)指示器（或主飛行顯示器）上會(huì)同時(shí)顯示TCAS計(jì)算出的垂直俯仰機(jī)動(dòng)咨詢(xún)信息。TCAS還會(huì)發(fā)出相應(yīng)的決策信息語(yǔ)音信息。

TCAS計(jì)算機(jī)根據(jù)所獲得的相遇飛機(jī)所報(bào)告的高度信息和本機(jī)的高度計(jì)算出入侵飛機(jī)的相對(duì)高度，顯示在該機(jī)圖像的上方或下方，當(dāng)對(duì)方高于本機(jī)時(shí)，相對(duì)高度數(shù)前方為“+”號(hào)，顯示于圖像上方；當(dāng)對(duì)方低于本機(jī)時(shí)，相對(duì)高度數(shù)前方為“-”號(hào)，顯示于圖像的下方。如相遇飛機(jī)與本機(jī)的相對(duì)升降速度等于或大于500FT/分，則TCAS在該飛機(jī)的旁邊顯示一個(gè)向上或向下的箭頭，向上表示該機(jī)正在爬升，向下則表示下降。

為提醒飛行員注意觀察顯示器上的TCAS信息，在出現(xiàn)交通咨詢(xún)或決策信息的情況時(shí)，顯示器上出現(xiàn)“TRAFFIC”字符。要使TCAS信息顯示在EHSI上，只有按下EHSI上控制盒上的TFC按扭，此時(shí)，EHSI上顯示綠色的TFC。

由于某種原因一時(shí)無(wú)法獲得入侵飛機(jī)的方位信息時(shí)，TCAS 仍然跟蹤入侵飛機(jī)，并在必要時(shí)發(fā)出TA或RA。發(fā)出TA時(shí)，字符為黃色，發(fā)出RA時(shí)，字符為紅色。

3.2 音頻信息

TCAS除了可以給各種視覺(jué)信息發(fā)出交通咨詢(xún)或決策咨詢(xún)信息外，同時(shí)還可以發(fā)出預(yù)先錄制的聲音：“TRAFFIC，TRAFFIC”。

4 TCAS的基本原理及應(yīng)用

TCAS監(jiān)視范圍一般為前方30海里，上、下方為3000 m，在側(cè)面和后方的監(jiān)視距離較?。榱藴p少無(wú)線(xiàn)電干擾，管理?xiàng)l例對(duì)TCAS的功率有所限制。它把TCAS的前向作用距離限定在45英里左右，側(cè)向和后向作用距離則更?。?/p>

TCAS的詢(xún)問(wèn)器發(fā)出脈沖信號(hào)，稱(chēng)為詢(xún)問(wèn)信號(hào)，與地面發(fā)射的空中雷達(dá)交通管制信號(hào)類(lèi)似。當(dāng)其他飛機(jī)的應(yīng)答器接收到詢(xún)問(wèn)信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。TCAS的計(jì)算機(jī)根據(jù)發(fā)射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算距離。同時(shí)根據(jù)方向天線(xiàn)確定方位，為駕駛員提供信息和警告，這些信息顯示在駕駛員的導(dǎo)航信息顯示器上。

TCAS可以提供語(yǔ)言建議警告，計(jì)算機(jī)可以計(jì)算出監(jiān)視區(qū)內(nèi)30架以?xún)?nèi)飛機(jī)的動(dòng)向和可能的危險(xiǎn)接近，使駕駛員有25～40 s的時(shí)間采取措施（TCAS可跟蹤45架飛機(jī)，根據(jù)選定目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)，最多顯示30架飛機(jī)）。

TCAS顯示鄰近飛機(jī)與自己飛機(jī)的間距與航向，顯示范圍可以由飛行員決定（從2.5浬至30浬），若是與別架飛機(jī)的距離或航向有相撞的危險(xiǎn)時(shí)，TCAS會(huì)用聲音及顯示警告飛行員，即決策信息（RA）。并且會(huì)用語(yǔ)音指示避撞的動(dòng)作，例如：“爬升！爬升！”“下降！下降！”別架飛機(jī)若有裝TCAS，也會(huì)有同樣的警告發(fā)出來(lái)。

在美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）或其它民航管理單位，都會(huì)規(guī)范TCAS與ATC（Air Traffic Control：航空管制）的指示沖突時(shí)的優(yōu)先次序，因?yàn)槿羰且患茱w機(jī)遵從TCAS，但另一架遵從ATC，這樣子仍有互撞的危險(xiǎn)。最明顯的實(shí)際案例，在2002年，兩架飛機(jī)在德國(guó)南部的烏柏林根上空發(fā)生空中接近，兩機(jī)都收到了TCAS的警告，但有一架飛機(jī)未遵從TCAS的指示，而另一架飛機(jī)反而聽(tīng)從ATC的指示，導(dǎo)致兩機(jī)在空中相撞造成重大死傷。

TCAS的采用提高了飛行的安全性，目前新生產(chǎn)的大、中型客機(jī)上TCAS都已成為標(biāo)準(zhǔn)裝備，隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，TCAS系統(tǒng)將會(huì)日臻完善，必將成為現(xiàn)代航空安全保障必不可少的技術(shù)支撐。并對(duì)航空維修帶來(lái)更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。最后，談?wù)剬?duì)航空維修的幾點(diǎn)思考。飛行安全是航空維修工作永恒的主題。而要保證航空維修的安全可靠性，必須要求航空維修人員熟悉掌握飛機(jī)各部附件的基本原理和工作要求，學(xué)習(xí)大量的技術(shù)知識(shí)并不斷更新適應(yīng)航空業(yè)迅猛的發(fā)展。機(jī)務(wù)維修工作就是要保障各部附件的正常無(wú)故障，所以，掌握了設(shè)備基本工作原理才能更準(zhǔn)確的分析故障的發(fā)生機(jī)理。對(duì)故障開(kāi)展微觀研究，是提高機(jī)務(wù)人員技術(shù)水平的重要途徑，從根本上減少故障。保證飛行安全的根本出路是提高裝備的固有可靠性，減少故障就必須注重維修質(zhì)量。航空維修工作現(xiàn)代化建設(shè)問(wèn)題發(fā)展就是硬道理，對(duì)航空維修部門(mén)來(lái)說(shuō)就是如此。一要思想觀念現(xiàn)代化。應(yīng)該樹(shù)立強(qiáng)烈的現(xiàn)代化意識(shí)、發(fā)展意識(shí)和改革創(chuàng)新意識(shí)。飛機(jī)維修工作曾經(jīng)被視為簡(jiǎn)單的技藝，但現(xiàn)代航空維修已經(jīng)成為一門(mén)科學(xué)，更被尊為其它武器裝備維修和工業(yè)維修的前驅(qū)。二要掌握應(yīng)用先進(jìn)科技手段。實(shí)現(xiàn)航空維修現(xiàn)代化，關(guān)鍵在先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。隨著航空維修技術(shù)進(jìn)入信息時(shí)代，將先進(jìn)維修技術(shù)用于老舊飛機(jī)大有潛力可挖。三要學(xué)習(xí)民航的先進(jìn)維修經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)民航維修保障工作已完全與國(guó)際接軌，其法規(guī)體系、管理制度、維修技術(shù)與西方先進(jìn)國(guó)家相比已無(wú)很大差距。認(rèn)真學(xué)習(xí)民航維修管理經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，將起到事半功倍的效果的工作性能。尤其是現(xiàn)如今隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，故障是多種多樣的，故障的現(xiàn)象更加復(fù)雜多變、不容易從現(xiàn)象中馬上判斷出故障根源、往往造成重復(fù)性故障。排除電子設(shè)備故障通常的模式都是更換電子控制組件、收發(fā)機(jī)、控制面板、顯示器等模塊化部件一般都能夠?qū)⒐收蠌氐着懦５亲罱K我們還是不能了解故障的真正始作俑者，如果故障再次出現(xiàn)，我們還是不能準(zhǔn)確，迅捷的找到根源并排除掉。只有不斷的學(xué)習(xí)掌握飛機(jī)系統(tǒng)的理論知識(shí)，任何一個(gè)常識(shí)問(wèn)題就會(huì)給我們的排故工作理順?biāo)枷耄膊痪心嘤谂殴式?jīng)驗(yàn)及手冊(cè)，熟知了各系統(tǒng)的理論結(jié)構(gòu)，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行排故分析。根據(jù)故障線(xiàn)索，分析原因，抓主要矛盾，去查找、解決問(wèn)題，快速排除故障。了解系統(tǒng)工作情況，分清哪些因素可能會(huì)引起故障，進(jìn)而判斷哪些因素是造成故障的根本原因。工作中我們能夠大膽而細(xì)致的設(shè)想排故思路并加以實(shí)施。因此，不斷的學(xué)習(xí)和考究新型設(shè)備系統(tǒng)，提高每一位維修人員的認(rèn)知，識(shí)知是適應(yīng)航空業(yè)發(fā)展的。TCAS系統(tǒng)作為一個(gè)發(fā)展中的新型的機(jī)載設(shè)備，它是航空業(yè)發(fā)展的必然產(chǎn)物，更需要我們?nèi)W(xué)習(xí)和探索。

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