ADS—B對(duì)于TCAS性能影響的技術(shù)研究

孟繁棟++胡應(yīng)東

摘 要：隨著航空業(yè)在我國的迅猛發(fā)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(tǒng)（TCAS）由于可以為機(jī)組提供決斷咨詢（RA）而提高了航空運(yùn)營的安全性水平。TCAS使用二次雷達(dá)數(shù)據(jù)，因此理論上來講廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）可以通過提供更精確的位置數(shù)據(jù)來提高TCAS的性能。該文分析了ADS-B對(duì)于改善TCAS性能的可行性，同時(shí)對(duì)所述方案進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明ADS-B對(duì)于改善TCAS性能具有優(yōu)化作用，可為后續(xù)TCAS性能優(yōu)化工作提供支持。

關(guān)鍵詞：交通告警和防撞系統(tǒng) 廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視 性能影響 仿真分析

中圖分類號(hào)：V355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0041-02

安全是航空工業(yè)的生命，盡管現(xiàn)代空中交通管理已經(jīng)顯著提高了航空工業(yè)的安全水平，然而空中沖突的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在并需要全面關(guān)注和解決。隨著空中流量的顯著增加，美國民航局（FAA）預(yù)測(cè)未來20年內(nèi)空中沖突的風(fēng)險(xiǎn)將增加300%，該預(yù)測(cè)是推動(dòng)防撞系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

在1993年之前，民航飛機(jī)上沒有機(jī)載設(shè)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(fā)生，尤其是1978年圣地亞哥空難發(fā)生之后，F(xiàn)AA開始強(qiáng)烈關(guān)注TCAS的發(fā)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(jī)載設(shè)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(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，而管制員依靠地面二次雷達(dá)接收應(yīng)答機(jī)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(dá)無法覆蓋的區(qū)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(dú)立有效的方法以維持充足的空中間隔顯得至關(guān)重要，這種實(shí)際的需求直接促進(jìn)了TCAS的發(fā)展。

1 TCAS和ADS-B簡介

1.1 交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS）

目前，TCAS是獨(dú)立運(yùn)行的交通防撞和告警系統(tǒng)[1]，它為裝備了應(yīng)答機(jī)以及TCAS的飛機(jī)提供空中防撞的保護(hù)。TCAS主動(dòng)詢問周圍裝備了應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)并跟蹤收到的應(yīng)答信息，通過應(yīng)答信息判斷附近飛機(jī)的方位和高度，如果TCAS運(yùn)算法則確定飛機(jī)即將入侵，TCAS將發(fā)出交通咨詢信息（TA），如果入侵飛機(jī)繼續(xù)接近，TCAS將發(fā)出決斷咨詢信息（RA）。TCAS提供的保護(hù)等級(jí)由對(duì)方飛機(jī)所帶應(yīng)答機(jī)的類型來確定，如果入侵飛機(jī)沒有報(bào)告高度（模式A），TCAS僅發(fā)出交通警告信息，如果入侵飛機(jī)報(bào)告了高度（模式C或S），TCAS將發(fā)出交通咨詢和決斷咨詢。如果入侵飛機(jī)也裝備了TCAS，那么這兩個(gè)TCAS將通過S模式應(yīng)答交換信息對(duì)沖突進(jìn)行協(xié)調(diào)解決，并為飛行員提供機(jī)動(dòng)指令。

1.2 廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B），是一種基于飛機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)[2]，它將飛機(jī)安裝的全球定位系統(tǒng)提供的經(jīng)度、緯度、時(shí)間和大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供的高度以及應(yīng)答機(jī)提供的識(shí)別信息等數(shù)據(jù)以廣播的方式向外發(fā)送，提供給周圍的飛機(jī)和地面用戶接收和顯示。這種監(jiān)視系統(tǒng)可以減小地面二次雷達(dá)無法覆蓋區(qū)域的限制，增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面監(jiān)視能力，進(jìn)而可以提高飛行安全。

ADS-B系統(tǒng)包括多個(gè)地面站和機(jī)載站，以網(wǎng)狀、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式完成無線電視距范圍內(nèi)的雙向數(shù)據(jù)通信。ADS-B不僅可以實(shí)現(xiàn)地面空管對(duì)飛機(jī)的監(jiān)視，也可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與飛機(jī)之間的自動(dòng)相關(guān)監(jiān)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(qiáng)，中國民航總局已發(fā)布了ADS-B管制運(yùn)行的規(guī)程[3]，已促進(jìn)ADS-B在我國的應(yīng)用。

在ADS-B系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)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(shí)際的TCAS軟件是非常復(fù)雜的，在TCAS軟件開發(fā)之前必須通過嚴(yán)格的安全法則的確認(rèn)，該文的研究中參考霍尼韋爾2011年發(fā)布的升級(jí)版TCAS[4]以及FAA發(fā)布了TCAS II手冊(cè)[5]（7.0版），對(duì)其性能進(jìn)行簡化建模，如圖1所示。模型輸出的為飛機(jī)機(jī)動(dòng)的安全間隔和所需時(shí)間，影響輸出的主要因素包括飛行員反映模型、飛機(jī)氣動(dòng)模型和TCAS外部輸入的數(shù)據(jù)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(tǒng)給出交通資訊（TA）或決斷咨詢（RA）之后，飛行員做出反映的時(shí)間，一般假定為5s，考慮到出現(xiàn)TA后飛行員一般不做出操作，僅在RA出現(xiàn)后操縱飛機(jī)機(jī)動(dòng)，本文中使用時(shí)間為9s[6]。飛機(jī)氣動(dòng)模型是指飛行員在操縱飛機(jī)執(zhí)行決斷咨詢機(jī)動(dòng)指令時(shí)飛機(jī)的氣動(dòng)特性，該文中以高平尾下單翼民航客機(jī)為對(duì)象，其運(yùn)動(dòng)方程參見文獻(xiàn)7。TCAS外部輸入的數(shù)據(jù)誤差模型包含數(shù)據(jù)處理誤差和設(shè)備誤差。其中數(shù)據(jù)處理誤差可以忽略，設(shè)備誤差來自于入侵飛機(jī)位置的估計(jì)誤差，對(duì)于目前使用的多數(shù)TCAS系統(tǒng)來說，其使用的二次雷達(dá)數(shù)據(jù)誤差在4°至5°以內(nèi)，對(duì)于安裝了ADS-B的系統(tǒng)來說，其位置誤差如表1所示。

3 系統(tǒng)仿真研究與性能分析

3.1 仿真條件設(shè)定

仿真中假定載機(jī)處于連續(xù)下降起始階段，載機(jī)高度20000ft-40000ft，入侵飛機(jī)高度22000ft-42000ft，兩機(jī)航向偏差分別為45、90和135，并且假定入侵飛機(jī)僅安裝應(yīng)答機(jī)，未安裝TCAS一直保持平飛狀態(tài)，以便考察載機(jī)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(jī)動(dòng)指令最大為1500ft/min。

3.2 仿真結(jié)果與分析

整個(gè)仿真以不同高度共進(jìn)行5次，安裝與未安裝ADS-B的情況下，TCAS引導(dǎo)飛行員機(jī)動(dòng)至安全間隔的時(shí)間差如圖2所示，對(duì)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(duì)于TCAS引導(dǎo)飛行員機(jī)動(dòng)至安全間隔的時(shí)間的影響非常小，幾乎可以忽略，可以看出影響機(jī)動(dòng)時(shí)間的主要因素是飛行員反應(yīng)時(shí)間和飛機(jī)氣動(dòng)特性。但是從表2中可以看出，安裝ADS-B之后對(duì)于安全間隔存在一定的改善作用，這主要是由于相對(duì)于使用傳統(tǒng)應(yīng)答機(jī)確定方位和距離的TCAS來說，ADS-B提高了位置數(shù)據(jù)的精度，可以使空管系統(tǒng)可以更加準(zhǔn)備的確定飛機(jī)之間的間隔。

4 結(jié)語

交通告警與防撞系統(tǒng)已成為運(yùn)輸類民航客機(jī)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(dú)立的為飛行員提供安全間隔的告警和機(jī)動(dòng)指令，是飛機(jī)安全運(yùn)行的可靠保障，因此對(duì)于交通告警和防撞系統(tǒng)性能的改善具有重要的應(yīng)用價(jià)值。該文開展了ADS-B對(duì)于TCAS性能影響的仿真研究工作，結(jié)果表明ADS-B對(duì)于改善TCAS性能，在保證安全的前提減小飛機(jī)之間的間隔，增加空中交通的密度存在一定作用。

參考文獻(xiàn)

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