TCAS防撞系統空中故障分析

廉 佳

（海軍裝備部，陜西 西安 710089）

1 引言

空中交通告警和防撞系統（TCAS，Traffic A－lert and Collision Avoidance System），它是一種不依賴于地面空中交通管制系統而為飛機提供防撞保護的機載設備，可以提醒機組對附近飛行的飛機實施警告，發出咨詢信息，以便引導機組目視觀察或根據“行動咨詢”指引或飛行員自主采用“高度差”方式進行垂直飛機機動以避免潛在的碰撞。TCAS是提高飛機飛行安全的重要機載設備之一。

在某型飛機上新加裝的TCAS防撞系統屬于ACASII機載防撞系統，在進行功能試飛的過程中，飛行員反應TCAS防撞系統在空中工作不穩定，交通／決斷顯示器上顯示“TCAS OFF”的故障。本文簡要敘述了設備的工作原理，重點對產生故障的原因進行了分析，并就如何排除故障進行了介紹。

2 TCAS防撞系統基本原理

TCAS防撞系統的ACAS收發主機通過控制天線波束指向，對飛機前、后、左、右4各區域進行掃描詢問，探測在信號覆蓋范圍內的飛機，如被探測到的飛機（目標機）裝有S模式或A／C模式空中交通管制雷達信標系統應答機，則目標機就會作出應答，ACAS收發主機根據收到的應答信號，獲得目標機的高度、高度變化率、相對距離、相對距離變化率、方位等目標信息，同時監視、跟蹤目標，建立、更新和維護目標系統航跡，以判斷這些飛機是否存在于本機發生碰撞的可能，如果存在，系統就向飛行員輸出警告信息，并向飛行員提供操縱的決斷命令，能夠實現飛機空中垂直避讓的功能。

TCAS防撞系統將監視和跟蹤的目標航跡與本機信息綜合，評估出目標機的威脅等級（NOPA：無威脅；PA：接近威脅；TA：交通告警；RA：決斷告警），并將目標信息以圖形的方式顯示。當目標機的威脅等級為TA時，系統顯示目標機信息的同時伴有語音告警。如果目標機的威脅等級為RA時，系統顯示目標機信息的同時伴有語音提示。在產生RA的過程中，如果目標機也裝有ACASII設備，兩架飛機就會利用S模式數據鏈，進行決斷意圖的溝通，實現飛機間的協調避讓；否則，機載防撞系統將輸出決斷告警建議，由飛行員操縱飛機完成避讓。該系統的主要工作原理如圖1所示。

3 TCAS系統功能介紹

TCAS系統的主要功能，一是空中交通管制應答，二是交通告警和防撞。

圖1 TCAS系統原理方框圖

3.1 空管應答

防撞系統的S模式應答機與地面空管二次雷達配合，向ATCRBS的地面雷達站提供飛機編碼和飛行高度，在雷達站要求的情況下，提供單機識別信息，以利于地面空管人員進行空中交通管理。

3.2 防撞

防撞系統探測其監視范圍內出現的裝有S模式或A／C模式應答機的飛機，對接近飛機進行跟蹤，對出現碰撞危險的接近飛機，確定出本機合適的垂直機動飛行建議，并通過聲音和圖像通知駕駛員，以便及時采取措施，避免碰撞。防撞系統的主要功能包括：

（1）監視功能。探測在系統監視范圍內出現的裝有S模式或A／C模式應答機的飛機，建立航跡，比較并更新現存航跡。

（2）跟蹤功能。對接近飛機進行跟蹤，獲得包括距離范圍、相對方位和相對高度等信息，并計算接近飛機的相對位置、接近范圍和高度變化率。

（3）潛在威脅評估功能。利用跟蹤數據，通過沖突探測和解決處理邏輯，與告警參數進行比較，確定接近飛機的潛在威脅，當出現碰撞危險時，根據危險的程度發出交通告警和決斷告警。

（4）交通告警（TA）顯示功能。通過顯示器目標符號的顯示畫面位置、形狀、顏色和數據標牌，提供周圍空域出現的接近飛機的交通態勢和交通告警。

（5）防撞計算和決斷計算告警（RA）顯示功能。對出現碰撞危險的接近飛機，確定出本機合適的垂直機動飛行建議，通過顯示器目標符號的顯示畫面位置、形狀、顏色和數據標牌，以及組合的VSI垂直速度／高度指示儀表畫面，給出決斷告警顯示，以便本機與接近飛機間達到或保持安全間隔距離。

（6）音響告警功能。通過模擬語音輸出給座艙音頻系統提供交通告警、決斷告警的音響信號告警。

（7）空對空協調功能。對接近的存在碰撞危險并裝有ACASII系統的飛機，本機將會與接近飛機建立一個機動協調數據聯系，確保兩機間的決斷告警是協調和兼容的。

4 一例空中故障的分析與排除

4.1 故障現象

在進行飛機試飛的過程中，飛行員反應TCAS防撞系統在空中工作不穩定，當飛機飛行高度達到6000m左右高度時，在防撞系統顯示器上間斷性出現“TCAS OFF”字符，顯示器上的目標也隨之消失。此時飛行員觀察不到飛機周圍的目標，如果在與其他飛機相遇時，沒有目標顯示，也沒有告警提示，將會造成飛行員無法了解飛機周圍空域的飛行情況，可能會導致飛行員對飛機的飛行操作做出錯誤的判斷。

4.2 故障分析和排除

TCAS防撞系統與大氣數據計算機和無線電高度表交聯，當飛機在空中飛行時，通過獲取無線電高度來控制防撞系統的防撞功能開關和工作模式的轉換。在飛機無線電高度低于60ft左右時，防撞系統ACASII主機不工作，即顯示器上顯示“TCAS OFF”字符；當無線電高度到達60ft左右時，防撞系統ACASII主機轉入正常工作狀態，即顯示器上的“TCAS OFF”字符變換為“TCAS STBY”字符，隨后消失；當飛機無線電高度在1，200ft以下時，防撞系統ACASII主機處于“TA”交通告警模式，即顯示器上顯示“TA ONLY”字符；當飛機無線電高度在1200ft以上時，防撞系統ACASII主機處于“RA”決斷告警模式，即顯示器上的“TA ONLY”字符消失。分析后認為TCAS防撞系統的ACASII主機工作模式是受無線電高度表收發機輸出的高度信號控制，飛行員反映飛機飛行高度達到6000m左右高度時，在顯示器上間斷性出現“TCAS OFF”字符，很有可能是由于無線電高度表間斷性給了ACASII主機一個60ft以下的信號，從而引起防撞系統ACASII主機間斷性停止工作。

通過進一步的分析，發現與防撞系統交聯的無線電高度表信號是由接口適配器進行轉換處理的，而在轉換前的無線電高度信號是模擬信號，轉換后的高度信號是數字信號。在查閱該型號的無線電高度表的相關成品資料后發現，其指示高度最大為750m范圍以內，當飛機高度高于高度表的測量范圍飛行時，高度表指示器的刻度盤上出現紅色的故障信號牌，指示器的指針在高高度一側的暗區內，以示此時無線電高度指示不準確，而當飛機飛行高度越來越高時，回波信號不正常（變弱）或“測量間隔”脈沖丟失時，高度表由跟蹤狀態轉換為搜索狀態，當存在的偏差信號過大時，高度表內部參量狀態分析器也會有負極性的電壓信號輸出，此時高度表是不穩定的，也是不可信的。因此初步懷疑是不是這里出現了問題，當適配器將接收到的高度信號進行轉換后傳輸給ACASII主機時，由于高度信號不穩定造成主機判定工作狀態不準確，而輸出顯示不正常的。所以，工程人員進行了空中飛行狀態模擬試驗，使TCAS防撞系統工作在正常狀態下，將氣壓高度調定到6000m高度，并將無線電高度表用模擬器調定到閉塞狀態，此時，在長時間工作狀態下觀察TCAS防撞系統顯示器，發現顯示器上的目標瞬間消失，并顯示“TCAS OFF”字符這一現象，故障復現。

隨后，工程人員在實驗室進行了進一步的驗證，發現當給定高度超過無線電高度表測量范圍時，適配器采樣的模擬信號會出現不穩定毛刺，此時顯示器就會顯示“TCAS OFF”。最后，成品廠通過更改TCAS防撞系統內部軟件，對采樣的模擬信號出現毛刺時進行平滑處理，使這一故障得以消除。

5 結語

通過以上對TCAS防撞系統故障的分析和排除，對防撞系統工作原理有了更深的認識和理解。在改裝試驗及試飛檢查中，經過多方努力和改進完善，試驗后，此系統在飛機上的工作已較為穩定可靠。由此可總結出，在排除過程中應該認真地分析故障原因，并對故障進行分類，然后進行迅速有效的故障排除，確保飛行安全以及飛行任務的順利完成。

［1］陳瑩.TCAS系統的相關研究與設計［D］.成都：電子科技大學，2008.

［2］沈佳峰.民機TCAS機動策略與仿真研究［D］.上海：上海交通大學，2011.

［3］周其煥.交通警戒和避撞系統的技術特點和發展現狀［J］.航空電子技術，1999（1）：78－81.

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