TCAS在直升機上的應(yīng)用

文/王秋云 孟浩

1 概述

據(jù)美國聯(lián)邦航空局（FAA）統(tǒng)計，2009—2013年直升機致命性事故的原因中，撞擊排名第二，且占比逐年增加，其中包括直升機之間、直升機與固定翼飛機之間等。

和固定翼飛行器相比，直升機面臨的飛行安全威脅更加嚴重。直升機的飛行區(qū)域和作業(yè)特點，使得直升機比固定翼面臨更頻繁的危險接近和碰撞危險；直升機多數(shù)飛行區(qū)域是地面空管的盲區(qū)，無法獲取空中交通信息；直升機多機飛行時受安全管理水平影響大，當(dāng)缺乏安全管理經(jīng)驗或多單位協(xié)同時，易引發(fā)安全事故。因而，直升機對空中交通防撞技術(shù)有著強烈的需求。在常規(guī)的地面空管系統(tǒng)因其覆蓋范圍有限且存在雷達盲區(qū)，已難以滿足所有飛行環(huán)境要求。為了使得飛行器間更好的相互通信、相互監(jiān)視，航空界致力多年發(fā)展了機載防撞系統(tǒng)，能有效的降低碰撞風(fēng)險。

目前，固定翼飛機上廣泛采用的是空中交通告警防撞系統(tǒng)（Traff i c Collision Avoidance System，簡稱TCAS）。該設(shè)備基于二次雷達原理，能夠主動探測和跟蹤臨近的飛行器，預(yù)測潛在的碰撞危險，并給飛行員發(fā)出警告及符合空中交通管制規(guī)則的防撞操作指令。截止目前，各國民航組織尚未對直升機（渦軸動力飛行器）安裝TCASⅡ提出明確的要求。

鑒于TCAS在固定翼飛行器防碰撞領(lǐng)域取得的出色效果，直升機領(lǐng)域逐步在探索TCAS是否能夠在直升機防撞方面發(fā)揮出同樣的作用。2008年Collins將固定翼飛機TCAS直接移植到一架Super Puma直升機上，實現(xiàn)了TCAS安裝在直升機上的突破。但是，學(xué)界目前對于TCAS是否能夠給直升機提供可靠地告警和防碰撞指示依然有很多爭議。

國內(nèi)目前尚無直升機配裝TCASⅡ的應(yīng)用與研究。為滿足重型直升機和未來民用直升機的使用需求，本文在分析TCAS原理的基礎(chǔ)上，研究了TCAS在直升機上裝機可行性和有效性，對適應(yīng)直升機特點的TCAS發(fā)展方向進行了討論。

2 TCAS原理

TCAS系統(tǒng)可不依賴于地面系統(tǒng)，作為傳統(tǒng)ATC系統(tǒng)的一種備份，使本機與其他飛行器保持安全的空中間距。目前，按照各國民航局的要求，民航飛機主要安裝的空中交通防撞系統(tǒng)以TCASⅡ為主，TCASⅡ的產(chǎn)品是高度標準化的。航空無線電委員會（RTCA）在1997年頒布了DO185A，規(guī)定了TCASⅡ的最小操作性能標準。隨著大批量的設(shè)備裝機使用，RTCA又在2008年頒布了DO185B，在DO185A的基礎(chǔ)上對防碰撞算法作了改進提升。

TCASⅡ主要是完成針對附近空域內(nèi)安裝有ATCRBS應(yīng)答機或S模式應(yīng)答機的飛機防碰撞功能，具體可以歸納為監(jiān)視、跟蹤、潛在威脅評估、交通咨詢（TA）、決斷告警（RA）和避撞協(xié)調(diào)。

3 TCAS在直升機上應(yīng)用

3.1 裝機可行性

目前通用的TCASⅡ的最小操作性能標準DO185B默認是參考固定翼飛機的特征及飛行特性規(guī)定的。因而各國民航組織，都只規(guī)定起飛重量達到一定數(shù)來能夠或乘客數(shù)量超過某一數(shù)值的固定翼飛機必須配裝TCASⅡ。而并沒有對直升機提出要求。國內(nèi)目前尚無直升機配裝TCASⅡ的研究，國外雖然有少量直升機加裝了TCASⅡ，但也無法就此而完全確認證實直升機加裝TCASⅡ的可行性。TCAS在直升機上安裝的可行性需進一步分析。

基于TCAS的功能可知，將TCAS安裝在直升機上的主要希望其能夠起到幾個方面的作用。首先，希望通過在兩機距離非常靠近的時候執(zhí)行TCASⅡ提供的RA（決斷告警）以避免空中相撞；其次，TCASⅡ的TA（交通咨詢）功能可以顯示本機所在空域的飛行器方位信息，希望借此提升飛行員對周邊環(huán)境的了解，預(yù)防空中撞機。下面結(jié)合TCASⅡ?qū)崿F(xiàn)上述功能的具體設(shè)計，及直升機和固定翼飛機的差異，考慮其是否可以在直升機上使用。

（1）RA功能的實現(xiàn)。TCASⅡ的RA要求飛行器以7.6m/s的速度向上爬升，而部分直升機是達不到這個性能要求的。因此，直升機安裝TCASⅡ時需確認本機的爬升速度要大于TCASⅡ的TA指標要求，否則不能安裝TCASⅡ。不然的話，在兩機距離靠近且TCASⅡ發(fā)出RA指令時，直升機無法按預(yù)期完成該指令將會導(dǎo)致兩機相撞。

（2）TCASⅡ防碰撞邏輯的有效性主要是通過固定翼飛機之間的碰撞數(shù)據(jù)驗證的，因此當(dāng)其中的一架或兩架均為安裝了TCASⅡ的飛行器時，該碰撞邏輯是否有效則值得懷疑。理論上，TCASⅡ的防碰撞邏輯是基于可觀測到的其他飛行器的軌跡的延續(xù)性。然而相對于固定翼而言，直升機的可操作性更強，可以在空中盤旋，也可以突然啟動。因此上述的假設(shè)對于直升機是不成立的。針對該問題，ΕUROCONTROL（歐洲航管組織）TCAS項目組，建立了TCASⅡ模型、直升機飛行包線的模型及空中碰撞的模型，并在仿真試驗中驗證了TCASⅡ的防碰撞邏輯對直升機空中飛行避撞同樣有效。究其原因在于，防碰撞邏輯對飛行器的姿態(tài)和距離測量誤差有很強的魯棒性，足以保證其對直升機特殊的飛行姿態(tài)和軌跡的跟蹤預(yù)測。

（3）TA功能能否按照期望在直升機上實現(xiàn)。由于在TCASⅡ的天線的正上方和正下方是有盲區(qū)的，因而其安裝平臺的正上方和正下方的監(jiān)控功能是不完善的。這對于固定翼飛機來說通常不構(gòu)成問題，因為其向前的速度都會大幅超過其向上飛行的速度?？墒侵鄙龣C是可以直接向上拉升進入這些監(jiān)控盲區(qū)的。所以，相對于固定翼飛機來講，直升機監(jiān)控的盲區(qū)的存在有更大概率導(dǎo)致其與入侵飛行器的碰撞。相比固定翼飛行器，直升機的機體不平整、還有旋翼槳葉的遮擋等問題，導(dǎo)致天線安裝使用環(huán)境更加惡劣，天線監(jiān)控性能也不可避免的要受到損失?，F(xiàn)在裝機的成品也只是在重量限制、動力學(xué)要求和監(jiān)控性能之間做一個折中的選擇

目前，中國民航大學(xué)等機構(gòu)對固定翼飛機上的ADS-B（基于衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視技術(shù)）和TCASⅡ數(shù)據(jù)融合算法開展了一些研究。ADS-B技術(shù)已日漸成熟，可自動廣播由機載導(dǎo)航設(shè)備和GPS定位系統(tǒng)生成的精確定位信息。該設(shè)備可使載機的位置信息發(fā)送到其所在的空域內(nèi)，安裝有ADS-B設(shè)備的飛行器均可自動接收信息。因此，針對存在于本機TCASⅡ的監(jiān)控盲區(qū)內(nèi)的飛行器，可通過本機安裝的ADS-B設(shè)備接收其位置信息。通過TCASⅡ和ADS-B數(shù)據(jù)的信息融合，將會有效彌補TCASⅡ的通信盲區(qū)。這是解決TCASⅡ監(jiān)控盲區(qū)的有益探索方向。

3.2 裝機有效性

美國MIT的林肯試驗室在1987年即對TCAS在直升機上的安裝進行了試驗，隨后對駕駛安裝TCAS的直升機的飛行員進行調(diào)查，結(jié)論是對TCAS顯示周邊飛行器的功能表示認可，比沒有安裝TCAS的直升機更容易駕駛。然而該項研究沒有給出定量結(jié)論。

考慮到直升機上安裝TCASⅡ存在上述分析中提到的一些尚未完全解決的問題，因此TCASⅡ能在多大程度上提高直升的飛行安全性依然是不確定的。因此為了測試TCASⅡ在降低直升機空中碰撞風(fēng)險方面的性能，ΕUROCONTROL開展了一項基于英國民用直升機的調(diào)查仿真研究。

TCAS項目組對直升機遭遇的18次空中相遇做了記錄。另外，又對直升機可能會面臨的22次比較典型的空中相遇做了記錄。結(jié)合季節(jié)不同可能導(dǎo)致的差異，上述觀測數(shù)據(jù)折合成0.32年的記錄。對該數(shù)據(jù)進行整理后得出安裝TCASⅡ前直升機撞機的概率約為每年0.076次。結(jié)合實際來看，本次研究開始前發(fā)生的一次英國空直升機空中撞機事件在1993年，下一次則是在2004年，與概率是基本相合的。在英國空域內(nèi)，對于一架直升機在每個航時發(fā)生空中碰撞的概率是2.87×10-7，這略大于商用飛行器每航時7.8×10-8的概率，考慮到商用飛行器始終在RAS的保護下執(zhí)行任務(wù)，比常規(guī)飛機多了一重保護，這個數(shù)值也是比較正常的了。

隨后，基于RTCA在此前的研究建立起的碰撞模型，將其中一方的飛行包線進行調(diào)整以適用于直升機。先將直升機保持初始狀態(tài)，進行飛行仿真，然后模擬直升機上安裝TCASⅡ的參數(shù)狀態(tài)進行飛行仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每年直升機空中撞機的概率降低到0.065次，兩次事故的平均間隔時間由13年增加到15年。每航時發(fā)生空中碰撞的概率也降低到1.15×10-7。安裝TCASⅡ明顯的提升了直升機的安全性，直升機在條件允許的情況下均建議安裝。

4 總結(jié)與展望

作為針對固定翼飛行器性能設(shè)計的機載空中防撞設(shè)備，大量實踐證實TCAS能夠有效提升固定翼飛機的飛行安全性。通過分析TCASⅡ的設(shè)計原理，對直升機與固定翼飛機在飛行性能和飛行包線等方面存在的差異進行研究后，確認安裝TCAS可以有效減少直升機空中相撞概率，提升直升機的飛行安全性。但現(xiàn)有的TCAS技術(shù)尚不能完全滿足直升機需求，其監(jiān)控盲區(qū)的問題仍待解決，基于直升機動力學(xué)特性的防碰撞算法研究仍不夠深入。今后將著重于TCASⅡ和ADS-B的數(shù)據(jù)融合方法及相關(guān)防碰撞算法的研究，進一步提高直升機復(fù)雜空域下的飛行安全性。