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1、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（Traffic AlertandCollisionAvoidanceSystem），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。TCA
2、S 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
3、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
4、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 2540 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
5、发或使用的 TCAS 系统有三种类型：TCAS I、TCAS II 和 TCAS III。TCAS I，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。TCAS I 发射机发射询问信号询问 C 模式应答机。TCAS I 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， Traffic Advisory）。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“Tra
6、ffic，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。TCAS II 是一种比 TCAS I 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。TCAS II 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，Resolution Advisory)，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
7、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
8、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 TCAS II 也会进行协调以避免两架飞机同时爬升之类的机动。只有 TCAS II 和ACAS II 系统具有这种功能。在 TCAS I 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
9、给出解除冲突的 RA。因 TCAS II 的费用较高， 制造商已在升级的基础上生产出 TCAS III。TCAS III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。TCAS III 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。TCAS III 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
10、必须配备 TCAS II，10-30 座的客机必须配备 TCAS I。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 TCAS I 或 TCAS II。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 TCAS II 相同的系统。在欧洲，该系统称为机载防撞系统（ACAS II）。ACAS II 是采用 7.0 版软件的 TCAS II,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 ACAS II。2005 年
11、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 ACAS II。 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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
