空中交通警戒與防撞系統(tǒng)TCAS2的原理簡(jiǎn)介

巫彩玉

為了保障飛行安全，防止空中威脅或相撞的類似事故發(fā)生，目前的航空器上都普遍安裝了空中交通警戒與防撞系統(tǒng)。它能夠?yàn)轱w行機(jī)組提供空中交通警戒和空中避讓的決策信息，提高了飛行員空中的警覺(jué)和自主脫險(xiǎn)的能力。本文主要講述了空中交通警戒與防撞系統(tǒng)，即TCAS2（Traffic Alert and Collision

Avoidance SystemⅡ）。首先簡(jiǎn)要介紹了TCAS2的功用和發(fā)展概況，隨后根據(jù)對(duì)方飛機(jī)安裝TCAS2、S模式應(yīng)答機(jī)、A/C模式應(yīng)答機(jī)等幾種不同情況較為詳細(xì)地闡述了它的基本工作原理。

一、TCAS的概述

（一）TCAS的起源。開(kāi)發(fā)有效的機(jī)載防撞系統(tǒng)曾經(jīng)是航空界多年來(lái)追求的目標(biāo)。受1956年在科羅拉多大峽谷上空兩架客機(jī)相撞的刺激，航空公司開(kāi)始了防撞概念的研究。20世紀(jì)60年代末至70年代初，若干廠家開(kāi)發(fā)了航空器防撞系統(tǒng)ACAS

（Airborne Collision Avoidance System），但該設(shè)備在繁忙機(jī)場(chǎng)區(qū)域的正常運(yùn)營(yíng)中將產(chǎn)生高的虛警告，此外，它要求其他飛機(jī)也必須安裝該類設(shè)備。20世紀(jì)70年代中期，開(kāi)發(fā)了信標(biāo)防撞系統(tǒng)BCAS（Beacon Collision Avoidance System），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。所有的航線運(yùn)輸飛機(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)。因此，任何裝備BCAS的飛機(jī)能夠避開(kāi)大多數(shù)其他飛機(jī)而得到保護(hù)。此外，正在發(fā)展的S模式應(yīng)答機(jī)使用的離散選址通信技術(shù)，使兩架沖突的BCAS飛機(jī)能高度可靠地完成協(xié)調(diào)的避讓機(jī)動(dòng)。1981年，F(xiàn)AA決定發(fā)展并裝備空中交通警戒與防撞系統(tǒng)TCAS（Traffic Alert

and Collision Avoidance System）。TCAS用的是BCAS的設(shè)計(jì)，但增加了新的功能，特別是TCAS2能提供垂直方向的避讓措施，能在交通密度高達(dá)每平方nmile0.3架飛機(jī)的空域正常運(yùn)行。因此，TCAS系統(tǒng)是完全不依賴地面系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備。它通過(guò)ATC應(yīng)答機(jī)相互對(duì)話，自行完成探測(cè)和跟蹤?quán)徑沼虻娘w機(jī)。根據(jù)接近程度，向機(jī)組提供不同級(jí)別的音響和目視警告，必要時(shí)推薦避讓措施。

（二）TCAS的功用和分類。交通咨詢與避撞系統(tǒng)（TCAS）是一種新型航空電子系統(tǒng)，可簡(jiǎn)稱為避撞系統(tǒng)或防撞系統(tǒng)。國(guó)際民航組織定名為飛機(jī)避撞系統(tǒng)（ACAS）。它是一種獨(dú)立于地面設(shè)備的機(jī)載設(shè)備，它通過(guò)應(yīng)答機(jī)相互通話，探測(cè)和跟蹤?quán)徑沼颍鶕?jù)接近程度，向機(jī)組提供警告和推薦避讓措施。

根據(jù)功能的不同，TCAS分為四類：TCAS1、TCAS2、TCAS3、TCAS4。

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)。該類設(shè)備主要用于航線運(yùn)輸飛機(jī)、較大的通勤飛機(jī)和公務(wù)飛機(jī)。

TCAS3——由于技術(shù)原因，已停止發(fā)展。

TCAS4——目前還在開(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。

（三） TCAS對(duì)飛行安全的影響。美國(guó)聯(lián)邦航空局于1989年1月發(fā)出指令，要求各航空公司于1993年12月30日以前將旅客座位超過(guò)30座以上的所有飛機(jī)安裝TCAS系統(tǒng)和S模式應(yīng)答機(jī)，1995年2月9日以前將旅客座位10～30座的所有飛機(jī)安裝TCAS系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐證明，TCAS系統(tǒng)確實(shí)是一種防止和避免空中相撞事故的有效設(shè)備，美國(guó)在未裝備TCAS的1989年共發(fā)生危險(xiǎn)接近（距離小于30米）事件23起，而裝備后的4年里（1993～1996）總共出現(xiàn)了18起。我們身邊的事實(shí)同樣證明了TCAS為保障安全做出的積極貢獻(xiàn)。1996年9月8日，國(guó)航一架B747SP飛機(jī)執(zhí)飛香港的航班任務(wù)，進(jìn)入武漢區(qū)域后，副駕駛在TCAS顯示器上發(fā)現(xiàn)有接近的飛機(jī)，雖然地面管制認(rèn)為是TCAS出錯(cuò)，但是機(jī)組通過(guò)目視觀察飛機(jī)外部情況，證實(shí)了TCAS顯示的正確性。TCAS發(fā)出“TRAFFIC”和“DESCENT”的音響警告，機(jī)組立即根據(jù)TCAS指令措施下降避免了一場(chǎng)可能發(fā)生的事故。

TCAS為飛行人員提供了一種安全可靠的探測(cè)空中交通環(huán)境手段。飛行人員在空中飛行時(shí)，不僅有交通控制系統(tǒng)為他們提供間隔距離，還可以方便的使用TCAS去發(fā)現(xiàn)附近的飛機(jī)，主動(dòng)的避讓可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，TCAS起著一道避免相撞危險(xiǎn)的屏障作用，極大地增強(qiáng)了飛行人員的安全可靠感。

（四）TCAS的發(fā)展趨勢(shì)。TCAS在今后的使用中，其邏輯和標(biāo)準(zhǔn)將被不斷升級(jí)和提高，以便使其決策信息更趨于合理化，可靠性更強(qiáng)、準(zhǔn)確性更高。例如，在按RA實(shí)施爬升和下降中達(dá)到超過(guò)紅區(qū)指示的垂直速度變化率時(shí)的聲音警報(bào)從過(guò)去的“Monitor Vertical Speed”（“監(jiān)控垂直速度”）變?yōu)椤癆djust Verti

cal Speed”（“校準(zhǔn)垂直速度”），顯示也是用綠色飛行軌跡弧顯示出合理的高度變化率，以此抑制不必要的高度偏離。與此同時(shí)，TCAS4也在加緊研制，它直接從對(duì)方飛機(jī)或通過(guò)地面臺(tái)中介來(lái)接收對(duì)方飛機(jī)的GPS Position？（全球定位系統(tǒng)的位置）DA

TA（資料），進(jìn)而與對(duì)方飛機(jī)的FMS（飛行管理系統(tǒng)）直接交換自動(dòng)飛行的資料，發(fā)出向垂直和水平方向最合適的回避指示。

TCAS在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)仍是飛機(jī)監(jiān)視與防撞的重要組成部分，而且還將在未來(lái)新的自由飛行環(huán)境中擔(dān)當(dāng)關(guān)鍵的角色。如果借助ADS—B（廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)）的遠(yuǎn)程被動(dòng)式監(jiān)視技術(shù)，TCAS的功能將得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。目前TCAS的監(jiān)視范圍為40海里，借助ADS—B被動(dòng)監(jiān)視技術(shù)后TCAS的預(yù)警范圍可提高到200海里以上。并且ADS—B能夠周期性接收空域內(nèi)每架飛機(jī)的重要信息，其包括航空器識(shí)別、位置、速度方向、高度等。TCAS飛機(jī)可以利用這些信息擴(kuò)展其安全探查范圍，從而為機(jī)組提供更大的空中交通定向能力。

二、TCAS2的組成及原理

（一）TCAS2系統(tǒng)的組成。TCAS機(jī)載電子設(shè)備必須和S模式應(yīng)答機(jī)聯(lián)合工作，因而一架飛機(jī)上必須有一至二套S模式應(yīng)答機(jī)再加上一套TCAS機(jī)載電子設(shè)備才能工作。全套組成機(jī)件如下：

（二）TCAS2的基本工作原理。TCAS2應(yīng)答機(jī)探測(cè)的范圍是前方40海里，后方20海里，兩側(cè)各20海里，上下8700英尺稱為保護(hù)區(qū)。如果有飛機(jī)闖入保護(hù)區(qū)，TCAS2系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)答機(jī)與該機(jī)對(duì)話，計(jì)算雙方之間距離，對(duì)方的相對(duì)方位，對(duì)方的高度和垂直速度（如果對(duì)方報(bào)告高度），對(duì)方的接近速率，通過(guò)這些數(shù)據(jù)TCAS2計(jì)算兩架飛機(jī)對(duì)CPA的時(shí)間。因此，對(duì)方飛機(jī)所帶應(yīng)答機(jī)的類型不同，TCAS2的探測(cè)原理也有一定的差異。

（1） 對(duì)方飛機(jī)帶有S模式應(yīng)答機(jī)或TCAS2系統(tǒng)。S模式應(yīng)答機(jī)具有選擇地址的特性，它以每秒約1次的速率在1030MHz斷續(xù)發(fā)送間歇振蕩信號(hào)，該信號(hào)中含有發(fā)射者的S模式地址，裝有TCAS2的飛機(jī)將在1090MHz上主動(dòng)接收這些信號(hào)，并對(duì)裝有S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)在1030MHz上發(fā)出S模式詢問(wèn)。根據(jù)回答信號(hào)可以確定該飛機(jī)的距離，方位和高度；根據(jù)對(duì)方飛機(jī)的幾次應(yīng)答可以確定對(duì)方的高度變化率和距離變化率；根據(jù)詢問(wèn)應(yīng)答之間的來(lái)回時(shí)間可以確定它是否接近或離開(kāi)探測(cè)范圍。因此，TCAS計(jì)算機(jī)可以計(jì)算出對(duì)方飛機(jī)的輪廓線和飛行軌跡是否將導(dǎo)致與自己相撞或接近相撞。然后TCAS2在自身飛機(jī)輪廓線的基礎(chǔ)上，給出合理的避撞措施RA。如果對(duì)方飛機(jī)帶有TCAS2系統(tǒng)，每架飛機(jī)都通過(guò)S模式應(yīng)答機(jī)向?qū)Ψ桨l(fā)出詢問(wèn)以保證互補(bǔ)決策的選擇。如圖2所示某架飛機(jī)正發(fā)出一個(gè)

RA，其它飛機(jī)就會(huì)向那架飛機(jī)每秒發(fā)一個(gè)協(xié)調(diào)詢問(wèn)，協(xié)調(diào)詢問(wèn)中包含有飛機(jī)打算作的垂直機(jī)動(dòng)等信息，這種信息為互補(bǔ)形式。

（2）對(duì)方飛機(jī)帶有A/C模式應(yīng)答機(jī)。TCAS2采用一種修改的C模式詢問(wèn)，即全呼叫C模式詢問(wèn)，如圖3所示，它以每秒一次的正常速率詢問(wèn)A/C模式應(yīng)答機(jī)。若對(duì)方飛機(jī)應(yīng)答機(jī)工作在C模式，其回答信號(hào)中包括有高度信息，TCAS2可以發(fā)布決策信息RA；若工作在A模式，回答信號(hào)中沒(méi)有高度信息，TCAS2不能發(fā)布決策信息RA，只能發(fā)布交通警戒信息TA。

（3）對(duì)方無(wú)應(yīng)答機(jī)或應(yīng)答機(jī)不工作。對(duì)方無(wú)應(yīng)答機(jī)或應(yīng)答機(jī)不工作，它對(duì)TCAS2的詢問(wèn)無(wú)法做出響應(yīng)，因此，TCAS2無(wú)法探測(cè)該類飛機(jī)。

綜上所述，TCAS2提供的保護(hù)等級(jí)由對(duì)方飛機(jī)所帶的應(yīng)答機(jī)的類型來(lái)決定，若對(duì)方飛機(jī)帶有A模式應(yīng)答機(jī)，TCAS2只提供交通警戒信息TA；若對(duì)方飛機(jī)帶有C模式或S模式應(yīng)答機(jī)，TCAS2既提供交通警戒信息TA，還提供決策信息RA；若兩架飛機(jī)都帶有TCAS2設(shè)備，則通過(guò)S模式應(yīng)答機(jī)交換數(shù)據(jù)以對(duì)沖突進(jìn)行協(xié)調(diào)解決；若對(duì)方飛機(jī)沒(méi)有應(yīng)答機(jī)或應(yīng)答機(jī)沒(méi)有工作，則TCAS2無(wú)法探測(cè)。

三、對(duì)航空維修工作的幾點(diǎn)思考

飛行安全是航空維修工作永恒的主題。一要掌握故障的宏觀規(guī)律。從宏觀上準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)故障，是正確指導(dǎo)航空維修工作的基礎(chǔ)和前提。二是掌握故障的發(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。隨著裝備復(fù)雜度的提高，許多故障需要跨專業(yè)聯(lián)合攻關(guān)。這就需要建立新的故障研究機(jī)制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷故障。三要從根本上減少故障。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)航空維修部門來(lái)說(shuō)也是如此。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。

小結(jié)：隨著民航事業(yè)的發(fā)展，空中交通日益繁忙，飛行安全也日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。維護(hù)過(guò)程中由于設(shè)備之間密切交聯(lián)，使故障現(xiàn)象之間的差別較難區(qū)分，有時(shí)是多種故障的綜合表現(xiàn)，有時(shí)是一條故障的多方影響，為機(jī)務(wù)人員排故帶來(lái)很大困難。為適應(yīng)當(dāng)前以可靠性為中心的維修思想，對(duì)TCAS2的維護(hù)不僅要求機(jī)務(wù)人員深刻了解該系統(tǒng)的基本工作原理以及它與其他機(jī)載系統(tǒng)的聯(lián)系，還要認(rèn)真分析總結(jié)各種型號(hào)上TCAS系統(tǒng)的不同維修特點(diǎn)。這不僅對(duì)保障航空安全有重要意義，同時(shí)在減少維修費(fèi)用，減少備件等方面具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。