ADS—B對于TCAS性能影響的技術研究

孟繁棟++胡應東

摘 要：隨著航空業在我國的迅猛發展，空中交通的密度越來越大，空域安全的問題越來越突出，交通告警和防撞系統（TCAS）由于可以為機組提供決斷咨詢（RA）而提高了航空運營的安全性水平。TCAS使用二次雷達數據，因此理論上來講廣播式自動相關監視（ADS-B）可以通過提供更精確的位置數據來提高TCAS的性能。該文分析了ADS-B對于改善TCAS性能的可行性，同時對所述方案進行了仿真研究，結果表明ADS-B對于改善TCAS性能具有優化作用，可為后續TCAS性能優化工作提供支持。

關鍵詞：交通告警和防撞系統 廣播式自動相關監視 性能影響 仿真分析

中圖分類號：V355 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0041-02

安全是航空工業的生命，盡管現代空中交通管理已經顯著提高了航空工業的安全水平，然而空中沖突的風險仍然存在并需要全面關注和解決。隨著空中流量的顯著增加，美國民航局（FAA）預測未來20年內空中沖突的風險將增加300%，該預測是推動防撞系統發展的主要動力。

在1993年之前，民航飛機上沒有機載設備用于指引飛行員避免潛在的空中沖突事件。在一系列空中沖突發生，尤其是1978年圣地亞哥空難發生之后，FAA開始強烈關注TCAS的發展。總的來說，TCAS用于輔助飛行員在正常的空中管理程序失效之后仍可維持充足空中安全間隔的機載設備。在TCAS之前，飛行員依靠管制員來提醒附近可能存在沖突飛機的風險，而管制員依靠地面二次雷達接收應答機提供的位置、高度信息來管理交通。這種方式的巨大問題是在二次雷達無法覆蓋的區域，管制員無法獲得有效的信息。這種情況下，為飛行員提供獨立有效的方法以維持充足的空中間隔顯得至關重要，這種實際的需求直接促進了TCAS的發展。

1 TCAS和ADS-B簡介

1.1 交通告警和防撞系統（TCAS）

目前，TCAS是獨立運行的交通防撞和告警系統[1]，它為裝備了應答機以及TCAS的飛機提供空中防撞的保護。TCAS主動詢問周圍裝備了應答機的飛機并跟蹤收到的應答信息，通過應答信息判斷附近飛機的方位和高度，如果TCAS運算法則確定飛機即將入侵，TCAS將發出交通咨詢信息（TA），如果入侵飛機繼續接近，TCAS將發出決斷咨詢信息（RA）。TCAS提供的保護等級由對方飛機所帶應答機的類型來確定，如果入侵飛機沒有報告高度（模式A），TCAS僅發出交通警告信息，如果入侵飛機報告了高度（模式C或S），TCAS將發出交通咨詢和決斷咨詢。如果入侵飛機也裝備了TCAS，那么這兩個TCAS將通過S模式應答交換信息對沖突進行協調解決，并為飛行員提供機動指令。

1.2 廣播式自動相關監視（ADS-B）

廣播式自動相關監視（ADS-B），是一種基于飛機的監視系統[2]，它將飛機安裝的全球定位系統提供的經度、緯度、時間和大氣數據系統提供的高度以及應答機提供的識別信息等數據以廣播的方式向外發送，提供給周圍的飛機和地面用戶接收和顯示。這種監視系統可以減小地面二次雷達無法覆蓋區域的限制，增強機場的場面監視能力，進而可以提高飛行安全。

ADS-B系統包括多個地面站和機載站，以網狀、多點對多點的方式完成無線電視距范圍內的雙向數據通信。ADS-B不僅可以實現地面空管對飛機的監視，也可以實現飛機與飛機之間的自動相關監視，這使得飛行員在防止空中交通沖突方面的能力大大增強，中國民航總局已發布了ADS-B管制運行的規程[3]，已促進ADS-B在我國的應用。

在ADS-B系統的實際運行中，可以分為ADS-B IN和ADS-B OUT兩種工作方式，該文中僅討論ADS-B OUT的方式。

2 TCAS性能影響模型

2.1 TCAS性能的影響因素

實際的TCAS軟件是非常復雜的，在TCAS軟件開發之前必須通過嚴格的安全法則的確認，該文的研究中參考霍尼韋爾2011年發布的升級版TCAS[4]以及FAA發布了TCAS II手冊[5]（7.0版），對其性能進行簡化建模，如圖1所示。模型輸出的為飛機機動的安全間隔和所需時間，影響輸出的主要因素包括飛行員反映模型、飛機氣動模型和TCAS外部輸入的數據誤差模型。

2.2 影響因素分析

飛行員反映模型是指在TCAS系統給出交通資訊（TA）或決斷咨詢（RA）之后，飛行員做出反映的時間，一般假定為5s，考慮到出現TA后飛行員一般不做出操作，僅在RA出現后操縱飛機機動，本文中使用時間為9s[6]。飛機氣動模型是指飛行員在操縱飛機執行決斷咨詢機動指令時飛機的氣動特性，該文中以高平尾下單翼民航客機為對象，其運動方程參見文獻7。TCAS外部輸入的數據誤差模型包含數據處理誤差和設備誤差。其中數據處理誤差可以忽略，設備誤差來自于入侵飛機位置的估計誤差，對于目前使用的多數TCAS系統來說，其使用的二次雷達數據誤差在4°至5°以內，對于安裝了ADS-B的系統來說，其位置誤差如表1所示。

3 系統仿真研究與性能分析

3.1 仿真條件設定

仿真中假定載機處于連續下降起始階段，載機高度20000ft-40000ft，入侵飛機高度22000ft-42000ft，兩機航向偏差分別為45、90和135，并且假定入侵飛機僅安裝應答機，未安裝TCAS一直保持平飛狀態，以便考察載機TCAS的性能。出于保守和安全的角度考慮，假定TCAS給飛行員的縱向機動指令最大為1500ft/min。

3.2 仿真結果與分析

整個仿真以不同高度共進行5次，安裝與未安裝ADS-B的情況下，TCAS引導飛行員機動至安全間隔的時間差如圖2所示，對于安全間隔大小的影響如表2所示。

從圖2可以看出，在不同高度和航向偏差的情況下，ADS-B的安裝對于TCAS引導飛行員機動至安全間隔的時間的影響非常小，幾乎可以忽略，可以看出影響機動時間的主要因素是飛行員反應時間和飛機氣動特性。但是從表2中可以看出，安裝ADS-B之后對于安全間隔存在一定的改善作用，這主要是由于相對于使用傳統應答機確定方位和距離的TCAS來說，ADS-B提高了位置數據的精度，可以使空管系統可以更加準備的確定飛機之間的間隔。

4 結語

交通告警與防撞系統已成為運輸類民航客機飛行中不可缺少的重要組成部分，其可以在空中交通管制程序失效的情況下，獨立的為飛行員提供安全間隔的告警和機動指令，是飛機安全運行的可靠保障，因此對于交通告警和防撞系統性能的改善具有重要的應用價值。該文開展了ADS-B對于TCAS性能影響的仿真研究工作，結果表明ADS-B對于改善TCAS性能，在保證安全的前提減小飛機之間的間隔，增加空中交通的密度存在一定作用。

參考文獻

[1] 何桂萍，徐亞軍.基于TCAS II和ADS-B的組合監視防撞系統研究[J].電光與控制，2011（4）：61-64.

[2] 劉國峰.簡述ADS-BIN技術在中國的應用前景[J].電腦知識與技術，2012（3）：704-706.

[3] 中國民用航空空中交通管理局.關于下發《廣播式自動相關監視（ADS-B）管制運行規程》的通知[S].2011.

[4] 尚金龍，吳勇.飛機電子系統中避撞設備的發展和技術探討[J].科技創新導報，2012（21）：33-36.

[5] U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration. Introduction to TCAS II Version 7.0[S]. 2000.

[6] ACAS Program.ACAS Safety Study： Safety Benefit of ACAS II Phase 1 and Phase II in the New European Airspace Environment，2002.

[7] Anderson，J.D.Aircraft Performance and Design[J].McGraw-Hill International Edition，Singapore，1999.