飞机交通警戒和防撞系统基础与排故案例

飞机交通警戒和防撞系统基础与排故案例发布日期：2011-09-13来源：汕航飞机维修厂作者：李翔字体缩放：我要投稿飞机交通警戒和防撞系统（TrafficAlertandCollisionAvoidanceSystem），一般简称其为飞机防撞系统（TCAS）。此系统可显示飞机周围的情况，并在需要时提供语音警告，同时帮助驾驶员以适当的方式躲避危险。TCAS常与电子水平状态指示器（EHSI）配合使用，由于EHSI是飞机航迹的基准和参考，对冲突飞机的位置能够非常直观地反映出来，所以有利于飞行员在第一时间内做出与TCAS的要求一致的本能反应动作，从而避免碰撞的灾难性事故发生。TCAS系统的发展：开发有效的机载防撞系统是航空工业界多年来的目标。TCAS研究的历史可追溯到上世纪50年代，1956年，美国民航管理技术发展中心报告指出：“在过去四年间实施的测试结果表明：仅仅一般地使用接近警告设备就会稳定地减少中空相撞的威胁”。此后，空中交通流量的持续增长导致了对此类设备的极大兴趣。同时，发生在美国的一系列中空相撞事件，对机载防撞系统的研究和开发起到了重要的推动作用：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，民航当局随后启动了对有效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）启动对空中交通警戒和防撞系统（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日在加利福尼亚洲靠近洛杉矶国际机场的塞里图斯空域内，一架墨西哥航空（Aeromexico）的DC-9和一架私人飞机中空相撞。美国联邦航空局（FAA）决定在1981年开始实施TCAS计划。TCAS系统对装有信标应答机的飞机进行位置确定和航迹跟踪。TCAS监视范围一般为前方35英里，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，管制条例对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的询问机发出脉冲信号，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（ATC）信号类似。当其他飞机的应答机接收到询问信号时，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）。当前，正在研发或使用的TCAS系统有三种类型：TCASI、TCASII和TCASIII。TCASI，最简单的系统，主要由TCAS处理器、TCAS天线和一个A/C模式应答机组成，主要供通用航空使用。TCASI发射机发射询问信号询问C模式应答机。TCASI接收和显示在量程范围内所有飞机的大致方位和相对高度，通常范围约为40英里。系统使用彩色编码点来表明某区域内存在潜在威胁的飞机，称作交通咨询（TA，TrafficAdvisory）。当飞行员收到一个TA时，他视线内可见入侵飞机并且被允许垂直偏离最多+300英尺；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会改变形状和颜色。该系统不允许作横向偏离，在仪表飞行条件下，飞行员需将情况通报给空中交通管制中心，以协助解决冲突。TCASII是一种比TCASI更全面的系统。该系统被要求在1993年12月31日前安装在所有运营的美国商用飞机上。TCASII通常由TCAS计算机单元、S模式应答机、S模式/TCAS控制面板、TCAS上下天线、驾驶舱显示组件等组成。它不但向飞行员提供TA，而且将发出决断咨询(RA，ResolutionAdvisory)，即当入侵目标被标绘，系统会告诉飞机是否爬升、下降、直飞或平飞。系统一旦探测到RA，将建议飞行员执行规避的机动飞行以解除来自入侵飞机的威胁。有两类型的RA：即预防性RA和确定性RA。预防性RA指示飞行员在避免潜在冲突时不必改变高度或航向；确定性RA指示飞行员以预先确定的2500英尺/分钟的升降率爬升或下降，以避免冲突。当采用RA方式时，TCAS可发出诸如“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，则会发布交通咨询TA。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。发布TA后，如果两架飞机继续沿着有危险的航迹飞行，则在离最近点大约35秒处，系统会发布决断咨询RA。代表入侵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（VSI）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。同时，两架飞机上的TCASII也会进行协调以避免两架飞机同时爬升之类的机动。只有TCASII和ACASII系统具有这种功能。在TCASI系统中没有RA方式。TCASII具有询问C模式和S模式的能力。当两架飞机都具有S模式询问能力时，TCASII系统将相互通信并给出解除冲突的RA。因TCASII的费用较高，制造商已在升级的基础上生产出TCASIII。TCASIII允许飞行员收到RA时，除了执行垂直机动外，还可执行横向偏离以躲避入侵飞机，这将大大减少飞机危险接近或中空相撞的可能性。TCASIII的定向天线更精确且具有较小的方位误差，能更精确地确定入侵飞机的位置，因此误警率也降低了。TCASIII的另一个升级是使用S模式数据链，通过该数据链，系统有能力把飞机的GPS位置和速度矢量传送到其他装有TCAS设备的飞机，因此可提供更多更精确的协调信息。美国于1993年12月31日开始执行，30座以上的客机必须配备TCASII，10-30座的客机必须配备TCASI。通用航空营运人应与航空公司一样，提供同一水平的防撞保护，自愿安装TCASI或TCASII。负责向欧洲各国推荐航空管制条例的欧洲空中导航安全机构（Eurocontrol，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。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。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。TCAS系统的组成：（见图一）图一1、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。TCAS系统和其他系统部件之间的接口为：（见图一）1、ATC应答机（2个）2、起落架手柄3、接近电门电子组件（PSEU）4、通用显示系统（CDS）显示电子组件（DEU）2个5、远距电子组件（DEU）6、无线电高度表（2个）7、近地警告计算机（GPWC）8、气象雷达9、左大气数据惯性基准组件（ADIRU）10、抑制同轴三通11、飞行数据获取组件（FDAU）TCAS系统的部件位置：（见图二）图二电子设备舱部件：TCAS计算机装在电子设备舱内E1-1架驾驶舱显示控制组件：1、左电子飞行仪表系统（EFIS）控制板2、左外侧显示组件3、左内侧显示组件4、右电子飞行仪表系统（EFIS）控制板5、右外侧显示组件6、右内侧显示组件7、ATC/TCAS控制板TCAS系统的方向性天线概述及位置：（见图三、图四）图三图四天线位置：顶部TCAS方向性天线装在机身顶部第385站位，底部TCAS方向性天线装在机身底部第305站位。天线概述：TCAS使用顶部和底部方向性天线，两个天线相同可互换