TCAS

“TCAS”是英文“TRAFFICALERTANDCOLLISIONAVOIDANCESYSTEM”的缩写。中文通常译为“交通警戒及防撞系统”，或简称为“防撞系统”。随着现代飞机数量的日益增加，空域中飞机的密度增大，使飞机非安全接近的可能性大大增加。为了避免飞机之间危险接近或碰撞的情况发生，现在的各型民用客机都安装了TCAS系统。TCAS系统的功用是，向邻近的飞机发出询问信号，通过入侵飞机的机载应答机系统（ATC）对询问信号的应答，获得入侵飞机的代码、高度、航向和其他数据。TCAS计算机通过数据分析，判断出入侵飞机相对本机的威胁等级。如果存在潜在的威胁，TCAS系统将向驾驶员发出咨询提示，或发出垂直机动指示，指导驾驶员，避免与入侵飞机发生冲突。如果不存在威胁，TCAS系统将显示入侵飞机的相对位置和轨迹。TCAS系统作为现代飞机的重要机载电子设备，具有探测范围大，探测精度高，反映速度快以及显示清晰易辩读等特点。它的突出表现和卓越性能，越来越受到广大飞行人员和地面交通管制人员的喜爱和依赖。是飞机安全飞行的重要帮手。但是与TCAS系统的卓越表现相对应的，是其复杂的系统交联和内部构造，对系统维护和故障排除提出的更高要求。TCAS系统对信号的灵敏度和精度有很高的要求，大量的数据计算是其提供高精度电子识别的基础，再加上机上复杂恶劣的电磁环境，造成了各型飞机上TCAS系统故障率相对较高的情况。作为系统维护工程师，在对TCAS系统进行维护过程中，应该采取什么措施，避免这种高故障率的发生呢？在故障发生后，应如何采取排故方案，使故障在最短时间内得到处理呢？现在，让我们以737-300型飞机为例，对TCAS系统的概况进行阐述。一、系统组成：TCAS系统的主要由以下部件构成：1、TCAS处理器（或计算机）；是TCAS系统的核心部件，其主要功能是发出询问信号、接收入侵飞机的应答信号、接收本机其他系统的数字和离散信号、基于本机数据和接收的数据进行计算、产生交通咨询和决断咨询。2、天线；装有上下两部天线，天线为四单元相控阵天线，使用四根同轴电缆与TCAS处理器（或计算机）相连。用来发射TCAS处理器（或计算机）的询问信号，和接收入侵飞机发射产生的应答信号并送到TCAS处理器（或计算机）。3、TCAS/ATC控制盒；用于驾驶舱人机接口。主要有TCAS方式选择和应答机编码选择等功能。4、EFIS系统；用于显示TCAS系统的目视信息。5、音响警告系统；用于产生TCAS系统的音频信息。二、输入信号及作用：TCAS系统向飞行人员提供的是入侵飞机与本机位置的相对信息，在TCAS计算机获得入侵飞机的高度、距离、航向、方位等信息后，还需要知道本机的具体位置、高度、航向、高度变化率等信息，才能计算出入侵飞机的运动轨迹是否与本机的运动轨迹相冲突，进而确定发出何种警报类型。所以为了完成计算，TCAS计算机需要本机的其他系统提供许多信息。下面具体说明：1、IRS：提供航向、俯仰角、横滚角和气压高度数据。用来确定本机的位置、高度和飞行路径。2、RA：提供无线电高度信号。用来设定产生交通咨询和决断咨询的灵敏度等级。3、EFIS控制板：提供显示控制。4、TCAS/ATC控制板：用来设定TCAS计算机的工作方式。5、S模式应答机：提供本机的24位识别码。用来与入侵飞机之间建立防撞避让程序，既可产生与入侵飞机协调好的垂直机动程序。6、最大空速数据；在决断咨询的计算中，用来进行两架飞机能够相撞的最大速率预测。7、空地逻辑信号；告诉TCAS计算机，飞机是在空中还是地面。在地面时，TCAS系统将不产生询问或应答信号；在空中时，将抑制TCAS系统自测试。8、起落架手柄信号；提供起落架手柄放下信号。当手柄在放下位时，TCAS下天线将工作在全向方式。9、如果风切变或近地警告信号发生时，TCAS计算机将被设定在交通咨询方式，并且所有音响警告均被抑制。10、一条抑制线将TCAS计算机、两部S模式应答机和两部测距机连接在一起。这是因为这五套设备都是工作在L波段的无线电设备，为了避免在工作时相互之间产生干扰，使用一条抑制线将它们彼此相连。这样当一台设备工作时，另外四台设备既不发射也不接收，从而避免了相互干扰以及设备的损坏。三、TCAS系统的工作原理：TCAS系统要正常工作，需要S模式应答机的配合，因此，装备TCAS系统的飞机，必定装备了S模式应答机。装备了TCAS的飞机，可以对装备有S模式应答机的飞机或A、C模式应答机的飞机作出TA（交通咨询）或RA（决断咨询）响应。TCAS计算机内部同时具有S模式译码器和A、C模式译码器。因此，TCAS计算机可以对装备有以上几种模式应答机的飞机的应答信号作出判断。具体工作过程如下：首先，TCAS系统会自动监听本机附近空域中装备有S模式应答机的飞机的发射信号。不论是否收到询问信号，S模式应答机都会每隔一秒，向外发射S模式编码信号，该信号包括本机的24位地址码等信息。当TCAS系统收到S模式编码信号后，将该机的24位地址码加入到询问列表中，稍后TCAS会逐个地询问列表中的飞机。此外TCAS还使用耳语-大喊方案，对周围空域中没有装备S模式应答机的飞机进行询问，TCAS会主动询问周围空域中装有A或C模式应答机的入侵飞机，因为A、C模式应答机必须在收到询问信号后才能进行应答，并且它们的应答信号中没有24位地址码，只有飞机编码或飞行高度等信息。对于S模式信息和A、C模式信息，TCAS计算机会使用与各模式相应的译码器进行译码，获得计算所需的入侵飞机高度、高度变化率等信息。通过测量询问信号发出到接收到应答信号的时间间隔，计算出入侵飞机的距离。通过方向性天线的定向性，获得入侵飞机的方位信息。这样就获得了计算入侵飞机飞行轨迹的全部所需信息，为进一步的计算做好准备。其次，本机的其他机栽系统会连续地向TCAS计算机提供本机的飞行参数，如位置、俯仰角、横滚角、飞行高度、最大空速等信息。TCAS计算机在对入侵飞机的参数和本机的参数进行综合计算后，得到本机与入侵飞机的相对高度和速度。进一步通过计算判断出本机与入侵飞机的飞行轨迹是否具有相互冲突的可能。根据入侵飞机对本机的威胁状况，将入侵飞机分别归类为无威胁等级组、接近威胁等级组、TA（交通咨询）威胁等级组和RA（决断咨询）威胁等级组，四个威胁级别组。TCAS的最大监视能力为30架飞机。最后，TCAS向驾驶员适时地发出目视警告和音响警告。四个威胁等级组内的飞机是以不同符号显示在EHSI上的，无威胁等级组是以白色空心菱形表示；接近威胁等级组是以白色实心菱形表示；TA（交通咨询）威胁等级组是以黄色实心圆形表示；RA（决断咨询）威胁等级组是以红色方块表示。只有当出现TA（交通咨询）威胁等级或RA（决断咨询）威胁等级时，TCAS才会发出对应的音响警告信息。TA和RA等级的判定是以TAU来决定的。TAU表示入侵飞机到达与本机相遇点的时间。TAU不是固定不变的，根据飞机高度，TAU在20秒至45秒之间变化。当入侵飞机处于RA（决断咨询）威胁等级时，并且入侵飞机也装备有TCAS系统时，两架飞机的TCAS系统在语音警告的同时，会在EADI或TA/VSI上发出非常直观的垂直避让指令，该指令与入侵飞机的指令是协调好，互补的，按照指令操作可以避免飞机相撞。以上，就是TCAS系统的基本工作原理。在日常维护和排故过程中，了解工作原理是开展一切工作的基础。下面，我们将一些TCAS系统的多发故障进行简单的总结，希望同行补充。四、常见故障分析：TCAS系统的故障在表现形式上，比较简单，以737-300为例，只有在EHSI上显示“TCASFAIL”信息产生。但是通过我们前面的叙述，我们知道TCAS系统是十分复杂的，交联系统较多。而在装备有ECAM或EICAS的机型上，TCAS系统的故障信息种类也并不多。因此，这样简单的故障信息对排故所起的帮助作用是十分有限的。怎么在这些简单的故障信息里找到故障的根源呢？通过维护手册，我们可以知道到，造成出现“TCASFAIL”信息的主要原因有：1、从应答机、无线电高度表和EFIS显示系统输入的信号故障。2、TCAS天线或天线馈线持续故障。3、从S模式应答机到TCAS计算机的ARINC429数据总线中数据失效或数据丢失。4、TCAS计算机内部故障或内部电源故障。5、从磁航向或无线电高度表来的错误数据。6、围绕TCAS和应答机的射频环路测试故障。根据这些故障原因再结合工作中遇到的实际情况，我们总结了一些常见的故障源来分析它们的特点。1、TCAS计算机故障；TCAS计算机是TCAS系统的核心，不仅要完成大量的计算任务，而且也要具备发射机和接收机的功能，其精度要求较高。同时在飞机上由于空气气流、颠簸、高空辐射、电磁干扰等客观因素，决定了其工作环境的恶劣。在这些情况下，也使TCAS计算机的故障率特别高。也是我们外场排故中，更换频率最高的部件。根据多年的外场排故经验，我们发现TCAS计算机的故障可分为真故障和假故障两类。其中真故障分为硬件故障和软件故障两种。硬件故障的判断比较容易，在空中和地面都会发生，借助计算机内部的自检软件可以明确测试出计算机故障。而软件故障具有其隐蔽性，表现形式为使用中时好使坏，并且在地面测试时多数可以正常通过。这是因为一条软件指令在它不执行时，是不会造成系统故障的，只有当执行该指令时，才会表现出故障现象来，而计算机内部的自检程序是不能完全检测内存中的所有程序的。所以此类故障要通过对故障件进行隔离才能判断出来，一般采用对调TCAS计算机的方法可以有效隔离此类故障。其次是假故障，大家都知道，由于飞行需要，TCAS计算机是一个精度要求非常高的设备，任何频率的偏差、数据的错误都可能使其发生故障。特别是对S模式应答信号的编码及译码电路，使用的是DPSK和DDM调制方式，这两种调制方式是直接对载波相位进行的调制，所以对震荡频率精度的要求非常高，如果TCAS计算机的输入电源品质下降或电源出现相位偏差，都会影响计算机的调制精度。所以我们所说的假故障，就是指由电源或其他无线电设备干扰而产生的故障。处理这类故障时，应重点分析故障发生的时间和频度，找到共同特点，有针对性地排故。2、应答机故障；TCAS系统的功能只有与应答机系统紧密联系，才能正常工作。两套系统共用控制盒也说明了这一点。由应答机的故障也可以引起TCAS系统故障，通常机载应答机装有两部，这两部功能完全相同，所以应答机故障相对比较容易判别。排故重点是在故障发生后询问机组，TCAS故障时是否转换过1、2部应答机，转换后故障是否存在；如机组没有注意，也可在地面在分别选择1、2部应答机的情况下进行TCAS自测试和ATC自测试。一般都能判断出来。3、无线电高度表故障；无线电高度表故障对TCAS系统的影响主要表现在语音信号的抑制功能上，主要在飞机起飞或进近过程中发生作用，正常情况下在高于无线电高度表的工作范围之后，对TCAS系统的影响就没有了，但如果在高空中发生不应产生的音响警告，那么也应考虑无线电高度表故障的可能。如果在起飞、进近阶段音响警告系统发出本该抑制掉的音响警告信号，那么要首先考虑无线电高度表故障的可能。4、惯导故障；第一部惯导向TCAS计算机提供本机的俯仰角、横滚角、磁航向等信息。如果惯导输入信号故障，将使TCAS计算机失去本机的飞行基准信号，无法计算出本机的飞行轨迹，就无法进行正常的避撞探测，所以，TCAS会显示“TCASFAIL”信息。如果在地面进行测试，TCAS计算机会显示出PITCH、ROLL、HEAD等信息，这样就可以确定为惯导故障，或者通过本机对调惯导的方法进行故障隔离。5、天线及馈线故障；包括TCAS系统的上下天线和应答机系统的上下天线。天线故障在TCAS系统的故障中是比较多见的。原因是，这两套系统都是工作在L波段的设备，在电子设备中，频率越高，对天线及馈线的要求越高，天线的特性阻抗、馈线的输入电阻以及屏蔽性能都有很高的要求。因此，两套系统的馈线长度、天线安装工艺都有严格的要求。但在实际施工中，由于馈线所留的余量很少，为了良好接触，接头选用螺纹结构的连接，这都造成在天线安装