空中交通告警与防撞系统的发展和应用

摘要：阐述了空中交通告警与防撞系统的发展，重点论述了TCASII的工作原理，并总结了TCAS在客机和军用运输机上的应用情况，说明其是避免飞机空中相撞的最后一道防线。
　　关键词：TCASII,客机,军用运输机
　　 Abstract:ThispaperdescribesthedevelopmentoftheTrafficAlertandCollisionAvoidanceSystem,providestheprincipalofTCASII,summarizestheapplicationofTCASIIinairlinerandmilitaryaerotransport,showsthatTCASIIisthelastlineofaircraftavoidance.
　　keywords:TCASII,airline,rmilitaryaerotransport
　　引言
　　开发有效的防撞系统是航空工业界多年来的目标。美国航空体系称其为空中交通告警与防撞系统（TCAS：TrafficAlertandCollisionAvoidanceSystem），欧洲航空体系称为机载防撞系统（ACAS：AirborneCollisionAvoidanceSystem），两者实际上的含义、功能是一致的。尽管可以利用空中交通管制系统（ATC）在一定程度上维持飞行的安全，但随着空中交通的日益繁忙，飞机空中相撞的危险依然存在。这也就是为什么早在上世纪五十年代人们就开始考虑机载防撞系统的概念，并把它作为避免空中相撞的最后一道防线。
　　发生在美国一系列的飞机空中相撞事故极大的推动了机载防撞系统的开发和不断改进。1956年6月30日在科罗拉多大峡谷上空6500米处，两架民航班机相撞造成128人死亡，随后美国启动了对飞机防撞系统的研发工作。1978年，一架轻型飞机在圣地亚哥上空与一架民航班机相撞，导致了美国联邦航空局（FAA）启动对TCAS的研究。最终导致国会立法要求实施TCAS的事件是1986年8月31日在靠近洛杉矶国际机场的空域内，一架墨西哥飞机和一架私人飞机空中相撞。
　　1TCAS的发展
　　在防撞设备方面，50年代曾利用电波的多普勒效应原理研制了空中防撞设备，但因误报很多，终未实用。1955年，Honeywell公司的J.S.Morrell博士提出了根据两架飞机到达最接近点所需时间的主动防撞概念，得到业界的认可。60年代末70年代初，若干厂家开发了飞机防撞系统，但发现该设备在繁忙机场区域的运营中有较高的虚假警告，此外它要求其它飞机也必须装备该类设备。70年代中期，开发了信标防撞系统BCAS。该系统利用空中交通管制雷达信标系统ATCRBS应答机发回的数据来决定对方飞机的距离和高度，鉴于当时所有的航线运输飞机、军用飞机和大多数通用飞机上都安装有ATCRBS应答机。因此任何装备BCAS的飞机能够避开大多数其它飞机而得到保护。此外，正在发展的S模式应答机使用的离散选址通信技术，使两架冲突的BCAS飞机能发出互补的两机垂直机动协调指令。1981年，FAA决定发展并装备空中交通告警及防撞系统，该系统的工作完全不依赖地面设备，它通过ATC应答机相互对话，自行完成探测和跟踪邻近空域飞机的任务，并根据接近程度，向机组提供不同级别的告警，必要时推荐避让措施。
　　当前，正在研发或使用的TCAS系统有三种类型：TCASI、TCASII和TCASIII。
　　TCASI型为基本型。它是一种低功率、短距离系统，可向飞机驾驶员提供本机周围一定空域的交通情况，并发出相应的咨询和警告，但不能提供垂直和水平避让指令。能同时提供垂直和水平规避指令的TCASIII型还处于开发阶段。目前，国内外主要装备的均为TCASⅡ系统。研制开发TCASII设备的厂家主要有Honeywell公司、RockwellCollins公司和ACSS公司等。
　　在设备厂商大力开发TCAS设备的同时，FAA早在上世纪八十年代就开始了相关标准的制订，目前最新的版本为TCASⅡVersion7。
　　2TCASII
　　2.1系统组成及主要功能

　　图1是TCASⅡ的组成框图。
　　TCASⅡ型系统主要由TCAS收发主机、S模式应答机、天线（包括定向天线和全向天线）、控制盒和显示装置（根据座舱配置的可选项）组成。
　　TCAS收发主机用于获取空中交通信息、跟踪接近飞机、检测威胁、推算并产生交通告警（TA）或决断告警（RA）报告。TCAS处理器利用飞机本身的气压高度、无线电高度和飞机离散量来控制防撞逻辑参数，这些参数决定了飞机周围的保护量。如果被追踪的飞机存在碰撞威胁，TCAS收发主机会选择合适的避撞机动，使之与入侵飞机保持足够的垂直避让距离，同时使偏离航道值最小。如果入侵飞机同样安装了TCASⅡ，那么防撞系统会在两架飞机中协调避让机动。
　　TCASⅡ工作必须安装和使用S模式应答机。如果S模式应答机出错，TCAS会自动发现这个错误并将TCAS置于等待状态。S模式应答机支持地面的ATC系统，能和一个ATCRBS或一个S模式地面雷达一起工作。S模式应答机同样也可以用来在都安装有TCAS的飞机间提供空对空数据交换，因此在需要的时候可以进行RA的协调和互补。
　　控制盒用来选择和控制所有的TCAS设备，包括TCAS收发主机，S模式应答机，甚至包括TCAS显示。一个典型的控制盒提供以下四种基本的控制状态：等待状态、仅应答机工作状态、只有TA的TCAS状态和TA/RA状态。
　　交通/决断显示器是日光下可视的高清晰全彩液晶显示器，显示空中交通、交通告警、决断告警和垂直速度等信息，并要求显示无闪烁、无视差。
　　TCAS中用到的天线包括一个装在飞机顶部的定向天线，一个装在飞机底部的全向或定向天线（大多在飞机底部安装定向天线）。这些天线可以在1030MHz上用不同功率在4个90度的方位上发送询问信息，也可以在1090MHz上接收周围飞机上应答机的应答信息，然后将这些信息传送给TCAS收发主机。另外，S模式应答机同样需要两个天线，分别安装在飞机的顶部和底部。这些天线使应答机在1030MHz接收询问信号，在1090MHz发送应答信号。
　　2.2基本工作原理
　　2.2.1对方飞机装有S模式应答机或TCASⅡ系统的防撞原理
　　由于S模式应答机具有选择地址进行通信的特性，对装有S模式应答机的飞机，TCAS的监视功能相对简单。S模式应答机以每秒约1次的速率发送间隙发射信号（Squitter）。该信号中含有发射者的S模式地址。装有TCASⅡ的飞机在监视范围内将接收这些间隙发射信号并对装有S模式应答机的飞机发出S模式询问。根据回答信号可确定该飞机的距离、方位和高度。根据对方飞机的几次应答可确定对方的高度变化率和距离变化率。换句话说，根据对方报告的高度可确定对方爬升或下降有多快，根据询问和应答之间的来回时间可确定它是否接近或离开监视范围，根据对方的方位变化可确定对方大概的航迹。由此，TCAS收发主机可计算出对方飞机的轮廓线和飞行航路是否将会与本机相撞或接近相撞，并在本机飞行轮廓线的基础上，给出合理的防撞措施RA。
　　如果对方飞机带有TCASⅡ系统，本机的TCAS收发主机可与该机建立基于S模式数据链的空—空协调关系。空—空协调关系建立后，双方的TCAS收发主机即可确定由哪一方来控制回避机动，作为“主机”，而另一方作为“从机”，这种设定是随机和互补的。例如，某一架飞机针对某一威胁选择了“爬升”RA，在其协调询问中它将向对方发出通知，限制对方的RA只能是“下降”。机组确认RA指令是安全正确的，将执行这些指令。
　　2.2.2对方飞机带有A/C模式应答机的防撞原理
　　TCAS使用一种修改的C模式询问，即所谓全呼叫C模式询问。以每秒一次的正常速率询问周围飞机的A/C模式应答机。若应答机工作在C模式，其回答信号中包括有高度信息，因此TCAS可发布决断告警信息。若工作在A模式，回答信号中没有高度信息，此时TCAS不能发布决断告警信息，只能产生交通告警信息。
　　2.2.3对方飞机无应答机或应答机不工作的防撞原理
　　对方飞机无应答机或应答机不工作，它们对TCAS的询问无法作出响应，因此TCAS无法探测该类飞机，只能借助其它手段或地面交通管理进行防撞。
　　2.2.4冲突解除
　　一旦飞机脱离危险，TCAS将发布语音信息“CLEAROFCONFLICT”（冲突解除），以肯定这次威胁结束，并且撤销对应的决断告警，即显示器上决断告警消失（红、绿色的升降指示区消失），此时机组应将飞机返回冲突发生前的许可剖面。
　　2.2.5防撞处理逻辑
　　图2简单描述了防撞处理的逻辑。根据监视报告，防撞处理逻辑跟踪每一个目标的斜距和接近速度，推算到达最近接近点（CPA：ClosestPointofApproach）的时间，TCASⅡ报告受保护空域图见图3。如果入侵飞机装备的应答机报告高度，则防撞处理逻辑能将目标的高度投射到最近接近点上。

TCASⅡ报告受保护空域图
　　当一架入侵飞机报告高度，且其距离和其与最近接近点的垂直高度达到一定的指标时，该入侵飞机就会被认为具有潜在威胁而生成交通告警。如果入侵飞机不报告高度，则威胁的判断仅仅依靠距离测试完成。
　　当威胁确认后，决断告警将通过两步来确定。第一步防撞处理逻辑选择决断告警的方向，用以确定本机的避让方向是向上还是向下。在对具有威胁的飞机的距离和高度进行跟踪的基础上，防撞处理逻辑将建立威胁飞机到达最近接近点的路径模型，并选择能够提供更大垂直间距的决断告警的方向。第二步防撞处理逻辑选择决断告警的强度，该强度能使本机获得安全间距且对垂直速率的破坏最小。
　　在入侵飞机也装备了TCAS的情况下，每架飞机都向对方飞机发送S模式的协调询问以确保选择互补的决断告警。

　　3TCAS的使用情况
　　美国于1993年12月31日开始要求30座以上的客机必须配备TCASII。欧洲空管建议，2000年1月1日后在30座以上的客机或最大起飞重量超过15000千克的飞机上配备ACASII，2005年1月1日后在19座以上的客机或最大起飞重量超过5700千克的飞机上配备ACASII。我国民航使用的客机比较先进，绝大部分已预先安装了最新版本的防撞系统。为进一步加强航空安全，从2002年中期起也开始对其他未安装防撞系统的客机进行强制安装，这一工作于2002年底完成。2003年起，未安装防撞系统的民航客机将不准飞行，其他小型飞机由于飞机结构、技术原因等无法安装的将被严格限制飞行时段、飞行高度和范围，并逐步退出商业运营。
　　军用运输机担负着军事装备、作战人员的运输任务，与直接担负作战训练任务的飞机不同，其飞行航线与民航有很多交叉，发生空中危险接近的几率远远大于其它类型的作战飞机。所以，一些发达国家的军用运输机，特别是大型和主要的运输机都加装配备了TCAS系统，如美国在2002年由洛克希德•马丁公司完成了为所有美国空军C-5飞机（124架）加装TCAS设备的工作；2005年，美国波音公司为美国空军、海军和海军陆战队的500架C-130运输机加装了Honeywell公司的TCAS机载设备。在欧洲，法国空军的空客军用型，以及已经推出的军用空客A-400飞机，都装备TCAS设备。俄罗斯也为其军用的伊尔-76、图-154、雅克-42、安-124等飞机装备了Honeywell公司的TCAS系统。
　　美国的其它军用飞机也先后加装了TCAS系统，如F-18、F-22就直接装备了ETCAS（增强型机载防撞系统）。另据报道，美国与瑞典合作，在F-16飞机上试飞与飞机自动驾驶仪交联的机载防撞系统，以验证将来在无人机上应用的可行性。
　　4结论
　　TCAS是避免飞机空中相撞的最后一道防线。多年的使用实践已经证明了它的有效性。TCASVersion7正在全世界推广，国际民航组织建议2003年前全球范围内的民航飞机全部安装满足TCASVersion7标准的TCASII。
　　[参考文献]
　　[1]THOMASWILLIAMSON,NEDA.SPENCER.DevelopmentandOperationoftheTrafficAlertandCollisionAvoidanceSystem[J].ProceedingsofTheIEEE.November1989:1735-1744.
　　[2]何晓薇.空中交通警戒与防撞系统的主要技术特点[J].中国民航学院学报,2001,12（3）：40-42.
　　