TCAS的工作原理

TCAS的工作原理TCAS的工作原理飞机上的防撞系统，美国航空体系称为空中交通预警和防撞系统（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。防撞系统可显示飞机周围的情况，并在需要时提供语音告警，同时帮助驾驶员以适当机动方式躲避危险，这些都有助于避免灾难性事故的发生。下面以TCAS为例。TCAS的历史可追溯到1955年，当时本迪克斯航空电子公司（目前并入霍尼韦尔公司）的J．S．Morrell博士发表了“碰撞物理”一文。其中包括确定进近飞机间接近速率的计算机算法，这也是研究所有防撞系统的基础。在20世纪60年代和七十年代，该公司为美国陆军和美国联邦航空管理局（FAA）研制了数架原理样机，并在80年代后期获得了FAA对TCAS的首次鉴定。TCAS设备外型原理：在二次雷达用应答机确定飞机的编号、航向和高度的原理上，把询问装置装在飞机上，使飞机之间可以显示相互之间的距离间隔，从而使驾驶员知道在一定范围内飞行的航空器之间的相互间隔及时采取措施，避免碰撞。和二次雷达一样，TCAS系统需要飞机上都装有应答机才有作用。关于二次雷达可参考航空管制雷达的类型组成和功能：TCAS主要由询问器、应答机、收发机和计算机组成。监视范围一般为前方30海里，上、下方为3000米，在侧面和后方的监视距离较小。（为了减少无线电干扰，管理条例对TCAS的功率有所限制。它把TCAS的前向作用距离限定在45英里左右，侧向和后向作用距离则更小。）TCAS的询问器发出脉冲信号，这种无线电信号称为询问信号，与地面发射的空中雷达交通管制信号类似。当其他飞机的应答器接收到询问信号时，会发射应答信号。TCAS的计算机根据发射信号和应答信号间的时间间隔来计算距离。同时根据方向天线确定方位，为驾驶员提供信息和警告，这些信息显示在驾驶员的导航信息显示器上。TCAS可以提供语言建议警告，计算机可以计算出监视区内30架以内飞机的动向和可能的危险接近，使驾驶员有25－40秒的时间采取措施。（TCAS可跟踪45架飞机，根据选定目标的优先级，最多显示30架飞机。）TCAS的采用提高了飞行的安全性，目前新生产的大、中型客机上TCAS都已成为标准装备。TCAS的分类与区别：TCAS分为两类：TCASI和TCASII。两类系统都可显示与地图类似的空中交通情况。当其他飞机接近时，两类系统都可提供“空中交通报告（或咨询、建议）”（TA）。采用TA方式时，预先录制的声音会播报“Traffic，Traffic”，而表示其他飞机的符号则可改变形状和颜色。TCASII是更先进的TCAS，具有被称作“处理建议”（RA）的附加功能。当采用RA方式时，TCAS可发出类似“Climb，Climb”或“Descend，Descent”之类的机动指令，或者会告诉驾驶员无需采取机动动作，具体为：当其他飞机进近的最近点小于48秒时，则会发布空中交通咨询TA（TrafficAdvisory）。进近的最近点是指两架飞机相距最近的空间点，是根据飞机目前的航迹和速度预测出来的。空中交通咨询（建议）后，如果两架飞机继续沿着可能有危险的航迹飞行，则在离最近点大约35秒处，系统会提供处理建议RA（ResolutionAdvisory）。代表其他飞机的符号会变为固定的红色方块，同时伴有诸如“Climb，Climb”之类的躲避机动语音提示。系统还会在垂直速度指示器上用一绿条显示所需的机动速度。这些机动动作幅度不大，一般不会引起乘客的注意。这两架飞机上的TCASII也会进行协调以避免像两架飞机同时爬升之类的机动。当然只有TCASII和ACASII系统具有这种功能。在TCASI系统中没有RA方式。下面以图例对TCASII工作情况作简要说明（模拟图，非真实状况）左图为空中交通咨询TA（建议）阶段事例：显示在本机正前方12点钟方位有飞机接近，以黄色实心圆表示该接近飞机，同时伴有“Traffic，Traffic”的警告音，黄色实心圆下面数字代表两机高度差，例图中“-02”表示接近飞机在本机下方200英尺，黄色实心圆右侧箭头表示该机正在爬升，且爬升速度超过500英尺/分钟。左图为处理建议RA（决断）阶段事例：续上图，两机继续接近中，代表飞机的符号会变为固定的红色方块，同时伴有更为急促的“Climb，Climb”之类的提示机组作躲避机动语音提示。民航飞机防撞系统现状：美国在1993年12月31日开始规定，30座以上的客机必须配备TCASII。负责向欧洲各国推荐航空管理条例的欧洲空中导航安全机构（也叫欧洲空管）已经建议采用与最新的TCASII相同的系统。在欧洲，该系统称为机载防撞系统（ACASII）。ACASII是采用7．0版软件的TCASII。这是FAA批准的最新的软件版本。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。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。从2002年中为进一步加强安全，也开始对其他未安装防撞系统的客机进行强制安装，这一工作预计于2002年底完成，2003年起，未安装防撞系统的民航客机将不得飞行，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。值得一提的是：TCAS并不是雷达，若没有与之兼容的应答器，则无法探测到飞机。在美国，10000英尺以上高度飞行的飞机或在大型机场30英里范围内飞行的飞机必须配备应答器，有些应答器，例如老式的苏制系统，由于与TCAS不兼容，所以无法探测。TCAS的管理条例只允许产生垂直机动指令，不允许产生转弯指令。霍尼韦尔公司是惟一一家生产所有类型TCAS的制造商，目前使用的TCAS系统，半数以上出自该公司。二次雷达、应答机：是机载设备与地面航空管制雷达配合使用的设备。地面的管制雷达要求有能力辨别飞机的识别代码和气压高度，这种管制雷达称为二次雷达。二次雷达向飞机发出询问信号，机上的应答机就被触发，应答机根据地面询问的模式自动产生应答脉冲信号，向地面雷达报告飞机的编码或飞行高度，这样在雷达屏幕上的飞机光点就会显示出飞机的编码和高度，这使航行管制工作的准确性大为提高，管制方式也由程序管制改变为雷达管制。成答抓了作频率为1090MHz。也谈TCAS不久前,FAREAST的飞机在韩国CJU上空,和一架TAILAND的飞机对头而过,因飞机上TCAS发出警告,指示机长作出了下降的避让动作,避免了一场后果令人不敢想像的对撞空难!TCAS(念作踢卡斯)是TrafficAlert/CollisionAvoidanceSystem的缩写,traffic在此指的是附近的其他飞机,因而顾名思义,这是一套能对机组提供临近其他飞机的资讯,以避免空中接近或碰撞的告警系統.这套系統的构想起源最早在50年代,随着日益繁忙的空中交通,以及陆续发生的飞机空中互撞的事故,遂使得这套系统发展成形,并在80年代后期陆续安裝在各式航空器上.而且不只是航空器,船舶在海上有时能见度很差,也需要这套系统来避免碰撞.(甚至有些桥梁,因其位置对航行船只构成障碍,也会装置此类的发报器,提供自身的位置供航船参考.)原理其实很简单,就是每架飞机都发出本身位置的讯息,同時也搜集附近航机的信号,把其他飞机的位置和高度显示在仪表上,让飞行员有所警戒.电脑計算并研判其他飞机的飞行路径,在有接近或碰撞危险时,则发出警告提醒飞行员作闪避的动作.飞行在空中,其实很多時候眼睛是不管用的,尤其身处云雾或者夜间時候.导航不用说当然是靠仪器,那么飞机间的次序和距离呢?靠的就是地面航管人员的交通管制咯!航管人员有每架飞机的飞行计划,用以协调并隔离每架飞机,责任相当重大,也很有挑战性,因为飞机飞在一个三度空间里,纵横交错,而且是动态的喔!(这有点像吓跑一群停在电线杆上的麻雀,然后数他们的数量一样)所以啦...就避免出错,而TCAS扮演的则是飞机本身对于避免碰撞的最后一道防线.TCAS依危险的程度,发出两种告警,TA和RA,在有接近的可能,时间约25秒到45秒前,发出TA(TrafficAdvisory),这时候屏幕上会有黄色的圆圈,显示对方飞机的位置高度和上升下降率等讯息,并且有人声(依系统厂家的不同,有的是男声有的是女声)(据研究,飞行员对女生的声音反应会敏感一些,会喔)(小弟我飞的这款A320就是男生发音,不過好像也沒什麼好叹气的,最好永远也听不到^_^),用沉着慎重且坚定的口气,连喊两声TRAFFIC!TRAFFIC!这时飞行员可试图用目视寻找该目标,同时也应该向航管报告这样的状况.接下來,如果还是持续接近,在约20~30秒前,TCAS就会发出RA(ResolutionAdvisory),目标飞机的显示转为红色方块,仪器并同时显示避让动作的引导,指示飞行员做出上升下降或平飞的动作,人声也同时大喊(此时口气转为稍有急促和紧张)CLIMB!CLIMB!DESCEND!DESCEND!或MAINTAINVERTICALSPEED!MAINTAIN!...等,同步于仪器显示的声音告警(我则是把这段想成:听仪表的话准没错).飞行员这时候的动作就是不管三七二十一,解开自动驾驶改手飞,依照RA的指示做动作.同时马上报告(应该是咒骂)地面的管制员,所遭遇的狀況和飞机随后的动向.通常RA的指示,上升或下降率应该不会超过每分钟2500尺,而这次FAREAST的事件资料却显示,在刚开始的十秒钟,高度就掉了1600尺,相当于每分钟一万多尺的下降率,且机头下俯的角度达17.8度,动作稍显粗鲁,不过当时机长据说已经清楚看到对头来机,在那钟情況下,人的求生本能激发肾上腺素,恐怕动作也不会文雅到哪去吧?^_^即使造成了旅客的受伤,但在避免互撞这个基本前提之下,我想也不能太苛责这位机长(应该说做动作的人,飞机也可能是副驾驶飞的,又或者两人都出于本能而出手,推了一把再加一把,叠加起來所造成的)我个人也遇过TA,其中几次是在SOUL,收到船舶的误信号所引发的,也有的是因为军机,因为发报系统的不同,沒有高度的资料,所以其实相聚很远,电脑却无从判別所引起.,尤其是我对军老大的做法很不理解,同样是飞行,为什么他们就不能遵循严格地高度呢?也有几次是真的,但是距离其实还算OK,后来就自动解除的狀況.至于比较惊险的RA笔者也就遇见过一次在YNT,后来证实其实是地面的军机在地面测试时打开了TCAS没关掉,导致我们空中探测到它们的高度,还好经过塔台证实和我们自己目视观察是假信号.针对前面提到的语音警戒，我们对与决策咨询有关的喊话。以及在各种情况下，建议飞行员应作出的垂直机动操作简述如下：1、MONITORVERTICALSPEED监视垂直速度：意即要求飞行员注意监控垂直速度的变化，避免现在的垂直速度产生进一步的不安全偏离。2、CLIMBCLIMBCLIMB爬升：按要求的俯仰姿态爬升。3、DESCENDDESCENDDESCEND下降：按要求的俯仰姿态下降。4、REDUCECLIMB减小爬升率：要求减小爬升姿态。5、REDUCEDESCENT减小下降率：要求减小下降姿态。6、CLIMB、CROSSINGCLIMB爬升、爬升穿越：指令一个爬升，告知飞行员，爬高穿越冲突飞机的高度，获得安全的垂直间隔。7、DESCEND、CROSSINGDESCEND下降、下降穿越：指令一个下降，告知飞行员，下降穿越冲突飞机的高度，获得安全的垂直间隔。8、INCREASECLIMB增加上升率：在初次的CLIMB（爬升）决策咨询收到后，增加上升率。9、INCREASEDESCENT增加下降率：在初次的DESCEND（下降）决策咨询收到后，增加下降率。10、CLIMB、CLIMBNOW爬升、现在爬升：在初次的DESCEND（下降）决策咨询收到后，反向操作。11、DESCEND、DESCENDNOW下降、现在下降：在初次的CLIMB（爬升