機載TCAS地面激勵技術研究

摘 要：本文首先闡述了機載TCAS的基本功能，據此提煉出了機載TCAS的地面激勵需求，包括模擬入侵飛機距離、高度和方位。其中對入侵飛機方位的模擬既是一個重點也是一個難點。由于目前機載TCAS測量入侵飛機方位的方法有兩種，一種是幅度法，一種是相位法，所以本文對這兩種方法的原理做了深入細致的研究，得出了實現地面方位激勵的方法。通過建立天線模型，仿真計算出了兩種激勵所需的數據。

關鍵詞：TCAS 幅度式 相位式 方位激勵

中圖分類號：V243文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0012-03

伴隨著航空事業的迅速發展，空中交通日漸繁忙，這就需要為駕駛員提供一種可靠的交通信息來避免碰撞，以提高空中交通的安全性。20世紀80年代，在傳統ATC系統基礎上，空中交通防撞系統（TCAS：Traffic Alert and Collision Avoidance system）逐漸發展成熟并被廣泛應用。它獨立于地面ATC系統，可根據自身周圍的情況進行機動避讓，增加了航空器運行的安全性。

和雷達相比，TCAS有顯著的不同，它需要在能與之兼容的應答機的配合下完成空中預警和避讓。目前常用的TCAS有兩種類型：TCASI和TCASII。這兩種系統都可顯示平面的空中交通情況。在有其他飛行器接近時，都能提供交通咨詢（TA：Traffic Advisory）。和TCASⅠ相比，TCASⅡ多了決策咨詢（RA：Result Advisory）的功能，利用入侵飛機參數和自身飛機參數對危險進行預測，并根據情況向駕駛員發出“爬升”或“下降”的指令，以避免潛在的碰撞。TCASⅡ能提供的決策咨詢僅在垂直面上，還不能提供“左轉”或“右轉”以及“向左爬升”或“向右下降”等涉及水平方向的建議。目前各國航空界正在加緊研制的TCASⅢ就能做到這一點。[1]

1 TCAS系統組成及工作原理

TCAS系統組成如（圖1）所示，包括詢問編碼模塊、應答解碼模塊、中央處理單元以及S模式應答機。[2][3][4]

中央處理單元主要負責TCAS咨詢、啟動詢問模式、接收應答解碼上報的目標信息以及協調控制模式S應答機。要實現這些功能，中央處理單元需要完成對目標的航跡計算、高度跟蹤、距離跟蹤等大量的計算。

詢問編碼模塊主要負責發出詢問信息，包括模式C和模式S的詢問。同時將一些控制信息通過航空總線傳送給應答譯碼模塊，供應答譯碼模塊進行應答距離計算、模式匹配等。

應答譯碼模塊主要負責對所接收到的S模式、C模式應答信號進行譯碼，并生成報表信息（包括所檢測到目標的距離、方位、高度信息等）上傳給中央處理模塊。

S模式應答機主要負責接收S模式和A/C模式的詢問信號，以及發送S模式應答信號。

假設本機裝有TCASII，根據入侵飛機裝備的不同情況，本機TCAS可提供不同的功能：

1）入侵飛機裝有A模式應答機：可提供TA；

2）入侵飛機裝有C模式應答機：可提供RA；

3）入侵飛機裝有S模式應答機：可提供RA；

4）入侵飛機裝有TCASII：可提供RA以及相互配合的RA。

2 TCAS地面激勵總體方案

根據前面介紹的TCAS組成及工作原理，TCAS地面激勵要達到的目標就是為機載TCAS提供足夠的信息來模擬飛機空中的情況，激勵TCAS工作。要實現對機載TCAS的激勵，至少需要向機載TCAS提供三個信息：距離、高度以及方位。通過控制應答延時可實現距離信息的激勵；高度信息被編碼在應答信號中傳遞給機載TCAS；方位信息通過則是通過控制四路應答信號的幅度或相位關系來傳遞給機載TCAS。機載TCAS地面激勵的總體方案如圖2所示：

如（圖2）所示，整個地面激勵系統在核心處理與控制模塊的協調下工作，由發射單元和接收單元組成。接收單元包括射頻接收通道和解碼模塊兩部分，作用是接收TCAS的詢問信號，并將詢問信息傳遞給核心處理與控制模塊；發射單元主要由應答脈沖形成模塊、四路功分器和幅/相模塊組成，核心處理與控制模塊根據從解碼模塊得到的詢問信息、設置的距離信息以及延時信息來控制應答脈沖模塊產生相應的應答信號，同時控制射頻幅/相模塊，完成方位激勵。在應答時，核心處理與控制模塊控制收發開關處于發射狀態。

3 TCAS方位激勵天線建模與仿真計算

目前機載TCAS用于檢測入侵飛機方位的方法有兩種，一種是幅度法，一種是相位法。不論是幅度法還是相位法，都要利用機載TCAS天線系統。該天線系統由四個垂直的單極子天線組成，這四個振子均勻地分布在特定半徑的圓上組成天線陣列。下面分別論述對幅度法和相位法的激勵原理和仿真建模。[1][5][6][7]

1）幅度法

在幅度法定向機TCAS中，其圓陣天線分別向0°、90°、180°和270°四個方向發射波束，發射頻率為1030MHz。同時四個波束也接收應答信號，接收頻率為1090MHz。四個波束接的信號分別送到四個不同的接收機，選取幅度最大的兩個接收信號，并計算其差異，將該差異與校準曲線相比較進而估算出入侵飛機的方位。下面結合四個方向的波束圖來進一步闡述問題。四路波束如（圖3）所示。

如（圖3）所示，若0°和90°方向兩路波束接收到的信號較強，則入侵飛機在第Ⅰ象限，進一步比較兩信號的強度關系，結合波束方向圖函數關系可判定出具體的方位。要實現入侵飛機方位的地面激勵就需要產生特定幅度差異的兩路信號，下面就通過天線方向圖模型來計算幅度差異和入侵飛機方位的關系。

根據方向圖的對稱性，僅需對一個象限進行計算既可，現以第Ⅰ象限為例進行計算。在實際中，波束寬度比較寬，副瓣較低，故可近似為圓形。入侵飛機方位θ定義為從0°方向向90°方向旋轉的角度，如圖3所示，則0°方向波束在平面內的方向圖函數為：，90°方向波束的方向圖函數為，則在θ方位，兩路信號功率差異函數為，由于在θ為0°和90°處為功率函數的奇異（實際中不存在），故在上計算功率差異，計算出的方位θ與功率差異對應表如（表1）所示：

2）相位法

在相位法定向TCAS中，四個單極子天線的方向圖在平面內是全向的，所以四個振子接收到的信號的幅度是一樣的，由于應答信號到達各天線所經過的距離不一樣所以四個振子接收信號的相位是不一樣的，如（圖4）所示。

如（圖4）所示，入侵飛機到TCAS天線的距離為R，設1號、3號振子間的間隔為d，2號、4號振子間間隔也為d，入侵飛機的方位角為θ，則入侵飛機坐標為，四個振子坐標分別為：、、、。再利用兩點間距離公式可計算出入侵飛機到四個振子的距離、、、。則1、3振子接收信號的距離差為；2、4振子接收信號的距離差為；令、分別為1、3振子和2、4振子接收到的信號間的相位差，則，為接收信號波長。要實現對相位式TCAS入侵飛機方位的激勵就需要產生相應相差的信號。

假定TCAS天線中對角振子間間隔，入侵飛機到TCAS的距離千米，按上文思路，計算出的方位θ與1、3天線間和2、4天線間相位差的關系如圖5所示：

由圖5可見，1、3路天線間和2、4路天線間相位差與入侵飛機方位的關系分別為倒余弦和倒正弦，最大相位偏差均為120°，這是由設置的振子間間隔決定的。

4 結語

本文分析了機載TCAS工作原理，為實現對機載TCAS的地面激勵提供了方案。特別對入侵飛機方位激勵問題做了深入的研究，針對目前使用的幅度式、相位式兩種TCAS分別提出了激勵的方法，并通過建立天線，仿真計算出了這兩種激勵方法所需的數據。對與幅度式TCAS，需要實現不同幅度的兩路信號，具體幅度差在表1中有表述；對于相位式TCAS，需實現不同相位的信號，1、3路與2、4路信號相差關系如圖5所示。

參考文獻

[1]陳瑩.TCAS系統的相關研究與設計.成都：電子科技大學，2008.

[2]Thomas Williamson，Ned A.Spencer. Development and Operation of the Traffic Alert and Collision Avoidance System. IEEE.

[3]Bassam Abdul-Baki， Jonathan Baldwin， Marc-Philippe Rudel.Independent Validation and Verification of the TCASⅡ Collision Avoidance Subsystem. IEEE AES System Magazine，August 2000.

[4]Hyeon-Cheol Lee.Implementation of Collision Avoidance System Using TCASⅡ To UAVS.Smart UAV Development Center Korea AeroSpace Research Institude，Daejeon， Korea.IEEE.

[5]Joan J.Britt，Applying Formal Methods to the Traffic Alert and Collision Avoidance System（TCAS）Ⅱ.The MITRE Corporation，Center for Advanced Aviation System Development.

[6]K.S.Sampath，R.G.Rojas.Analysis and simulation of collision avoidance TCAS antenna mounted on aircrafe. The Ohio State University ElectroScience Laboratory，Columbus，Ohio.

[7]R.G.Rojas，P.H.Law，W.D.Burnside. Simulation Of the Enhanced Traffic Alert And Collision Avoidance System （TCAS Ⅱ）.