空中交通提醒與防撞系統淺談

楊紅梅

摘 要：20世紀中后葉，隨著空中交通的迅速發展，一些中心機場的終端區和其他繁忙空域中的飛機密度不斷增大，飛機之間的水平間隔和垂直間隔也隨之減小。飛機之間出現危險接近的情況時有發生，甚至空中相撞而機毀人亡。這種情況下，為防止飛機之間危險接近，保障空中交通安全，航空界做出了不懈的努力。機載防撞系統的基本設想是研制一種裝備在飛機上的電子系統，通過詢問和監聽周圍飛機的應答機，設法監視本架飛機周圍空域中其它飛機的存在、位置及運動狀況，以使飛行員在明了本機鄰近空域交通狀況的情況下主動的采取回避措施，防止與其它飛機危險接近。該文主要講述了這一機載電子設備——空中交通提醒與避撞系統，即TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System）。基本工作原理及在飛機上的應用。

關鍵詞：空中交通提醒與避撞系統 交通咨詢信息 決策信息 原理及應用

中圖分類號：TN958.56 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0241-02

飛機上的防撞系統，美國航空體系稱為空中交通提醒和避撞系統（TCAS：Traffic Alert and Collision Avoidance System），歐洲航空體系稱為機載防撞系統（ACAS：Airborne Collision Avoidance System），兩者實際上的含義、功能是一致的。TCAS的歷史可追溯到1956年在科羅拉多大峽谷上空兩架客機相撞，受這一事件的刺激，航空界開始防撞概念的研究。20世紀60年代末70年代初，若干廠家開發了航空防撞系統，但是這款初期防撞系統在繁忙機場區域的正常運營中容易產生高的虛警告，此外，它要求其他飛機也必須裝備該類設備。70年代中期，開發了信標防撞系統，該系統利用空中交通管制雷達信標系統ATCRBS應答機發回的數據來決定對方飛機的距離和高度。所有的航線飛機、軍用飛機和大多數通用航空飛機上都安裝有ATCRBS應答機，任何裝備信標防撞系統的飛機都能夠避開大多數其他飛機而得到保護。直至1980年，FAA決定發展并裝備TCAS系統。

TCAS作為機載電子設備的一部分，占的分量并不大，系統的本身，在日新月異的信息科技時代，雖只有幾年的歷史，但也已不再是什么新鮮的技術。改革開放以來，我國的民航事業取得了空前的發展，大量地引進了現代化的飛機，但由于地面配套設備技術的后滯，對民航事業的發展，民航生存的關鍵——飛行安全，起到了一定的負面影響，所以，從功能上來講，TCAS的引進，對保證飛行安全，起到了積極的作用。可以說它是一個獨立的空中交通安全最后的保障，同時也增加了飛行員的安全意識和警覺性，提高了飛行員的安全感。

1 空中交通提醒與防撞系統介紹

1.1 交通提醒與防撞系統的概念

空中交通提醒與防撞系統（Traffic Alert and Collision Avoidance System），簡稱TCAS，是一種較為新型的航空電子系統，是完全不依賴地面系統的機載設備。目前已普遍裝備于各種民用系統。

1.2 TCAS的分類及發展

根據發展和功能的不同，TCAS分為四類：TCAS1、TCAS2、TCAS3、TCASI4。

TCAS1——僅僅提供接近警告，用以幫助飛行員目視搜尋對方飛機，該類設備主要用于通勤航空器和通用航空器上。

TCAS2——既提供交通警戒信息，同時推薦在垂直方向的避讓措施（決策信息），以避開沖突的交通目標。目前最為廣泛使用。

TCAS3——由于技術原因，已停止發展。

TCAS4——還在開發之中，為避開沖突飛機，將提供交通警戒信息，并推薦在垂直方向和水平方向的避讓措施。

隨著空中交通流量的不斷增大，機載防撞系統的必要性日益明顯。80年代前后，多次出現了空中危險接近的情況，加速了研究機載防撞系統的步伐。1980年，本迪克斯公司獲得了FAA研制TCAS 2的合同。羅克韋爾柯林斯公司、霍尼威爾等公司為爭取機載防撞系統廣闊的潛在市場，積極展開了對TCAS 2的開發和研究，終于在90年代研制成功TCAS 2。

2 TCAS的組成

TCAS系統組成組件有：TCAS計算機；S模式應答機；TCAS天線；ATC/TCAS控制面板；顯示器以及音響警告組件。

2.1 TCAS計算機

TCAS計算機是TCAS系統的核心，是一個單獨組件。

TCAS計算機送出信號告訴駕駛員保持當前飛行狀態或進行機動操縱，防止與此區域內飛行的其他飛機相撞。它發射1030 MHz的詢問信號，接收裝有ATC應答機的入侵飛機的1090 MHz的應答機信號。

2.2 S模式應答機

S模式應答機執行A模式和C模式應答機的正常ATC功能以及用于裝有TCAS飛機之間的空中數據交換，以保證提供協調、互補的決策咨詢。共用一個ATC/TCAS控制盒，它位于中央操縱臺。工作方式開關一共有5個位置，用于選擇ATC和TCAS的工作方式與功能。

2.3 TCAS天線

TCAS天線的作用是實現與相遇飛機的詢問—應答，并獲得目標的方位信息。TCAS系統共有兩部這樣的天線，一部安裝在飛機背部；另一部在飛機腹部中心線上。

2.4 顯示器以及音響警告組件

顯示器用于交通咨詢TA和TCAS發出的決策信息RA。音響語音警告信息是用來補充加強提醒飛行員注意交通咨詢信息和決策信息。

2.5 TCAS與其他機載系統交聯

TCAS為實現避撞功能，一方面需獲取相遇飛機的信息，以評估其飛行軌跡，另一方面還需計算本機的飛行趨勢。因此，TCAS計算機需由其它導航系統輸入各種導航數據，其交連關系較為復雜。

TCAS計算機與S模式應答機之間的信號交連。

TCAS計算機與水平狀態指示器之間的信號交連。

TCAS計算機與其它導航系統的信號交連。

3 TCAS顯示信息

現在比較常用的方式是利用EFSI來顯示TCAS視覺信息。本文即以此為例來說明。

3.1 電子水平狀態指示器（EHSI）上的TCAS視覺信息

顯示在EHSI的TCAS信息主要是入侵飛機的相對位置、威脅等級等。

TCAS根據所獲得的鄰近飛機的距離和相對方位數據，將其顯示在以本機為中心的地圖型畫面上。飛行員可一目了然地了解監視空域中的交通狀況。

為了區別各架入侵飛機的威脅等級，分別以4種不同的符號來表示對本機威脅等級不同的飛機。

（1）藍色或白色空心菱形。

藍色或白色空心菱形代表相對高度>1200 FT，<2700 FT，或距離在6海里以上的飛機。完全不構成威脅，稱為其他交通目標。

（2）藍色或白色實心菱形。

顯示為實心的菱形，仍為藍色或白色。相對高度等于或小于1200 FT，且距離在6海里以內。稱為接近交通目標，不構成威脅。但在某種情況下，它可能變成TA或RA目標。此顯示的作用是可以增強處境意識。

（3）橙色或黃色實心圓。

此實心圓代表進入警戒區的飛機，顯示為橙色或黃色，稱為交通咨詢。交通咨詢伴有語音提醒信息“TRAFFIC TRAFFIC”（交通，交通）。

（4）紅色矩形。

顯示紅色矩形代表進入警告區的飛機，稱為決策咨詢，同時，在電子姿態指示器（或主飛行顯示器）上會同時顯示TCAS計算出的垂直俯仰機動咨詢信息。TCAS還會發出相應的決策信息語音信息。

TCAS計算機根據所獲得的相遇飛機所報告的高度信息和本機的高度計算出入侵飛機的相對高度，顯示在該機圖像的上方或下方，當對方高于本機時，相對高度數前方為“+”號，顯示于圖像上方；當對方低于本機時，相對高度數前方為“-”號，顯示于圖像的下方。如相遇飛機與本機的相對升降速度等于或大于500FT/分，則TCAS在該飛機的旁邊顯示一個向上或向下的箭頭，向上表示該機正在爬升，向下則表示下降。

為提醒飛行員注意觀察顯示器上的TCAS信息，在出現交通咨詢或決策信息的情況時，顯示器上出現“TRAFFIC”字符。要使TCAS信息顯示在EHSI上，只有按下EHSI上控制盒上的TFC按扭，此時，EHSI上顯示綠色的TFC。

由于某種原因一時無法獲得入侵飛機的方位信息時，TCAS 仍然跟蹤入侵飛機，并在必要時發出TA或RA。發出TA時，字符為黃色，發出RA時，字符為紅色。

3.2 音頻信息

TCAS除了可以給各種視覺信息發出交通咨詢或決策咨詢信息外，同時還可以發出預先錄制的聲音：“TRAFFIC，TRAFFIC”。

4 TCAS的基本原理及應用

TCAS監視范圍一般為前方30海里，上、下方為3000 m，在側面和后方的監視距離較小（為了減少無線電干擾，管理條例對TCAS的功率有所限制。它把TCAS的前向作用距離限定在45英里左右，側向和后向作用距離則更小）。

TCAS的詢問器發出脈沖信號，稱為詢問信號，與地面發射的空中雷達交通管制信號類似。當其他飛機的應答器接收到詢問信號時，會發射應答信號。TCAS的計算機根據發射信號和應答信號間的時間間隔來計算距離。同時根據方向天線確定方位，為駕駛員提供信息和警告，這些信息顯示在駕駛員的導航信息顯示器上。

TCAS可以提供語言建議警告，計算機可以計算出監視區內30架以內飛機的動向和可能的危險接近，使駕駛員有25～40 s的時間采取措施（TCAS可跟蹤45架飛機，根據選定目標的優先級，最多顯示30架飛機）。

TCAS顯示鄰近飛機與自己飛機的間距與航向，顯示范圍可以由飛行員決定（從2.5浬至30浬），若是與別架飛機的距離或航向有相撞的危險時，TCAS會用聲音及顯示警告飛行員，即決策信息（RA）。并且會用語音指示避撞的動作，例如：“爬升！爬升！”“下降！下降！”別架飛機若有裝TCAS，也會有同樣的警告發出來。

在美國聯邦航空管理局（FAA）或其它民航管理單位，都會規范TCAS與ATC（Air Traffic Control：航空管制）的指示沖突時的優先次序，因為若是一架飛機遵從TCAS，但另一架遵從ATC，這樣子仍有互撞的危險。最明顯的實際案例，在2002年，兩架飛機在德國南部的烏柏林根上空發生空中接近，兩機都收到了TCAS的警告，但有一架飛機未遵從TCAS的指示，而另一架飛機反而聽從ATC的指示，導致兩機在空中相撞造成重大死傷。

TCAS的采用提高了飛行的安全性，目前新生產的大、中型客機上TCAS都已成為標準裝備，隨著科學技術的日益發展，TCAS系統將會日臻完善，必將成為現代航空安全保障必不可少的技術支撐。并對航空維修帶來更嚴峻的考驗。最后，談談對航空維修的幾點思考。飛行安全是航空維修工作永恒的主題。而要保證航空維修的安全可靠性，必須要求航空維修人員熟悉掌握飛機各部附件的基本原理和工作要求，學習大量的技術知識并不斷更新適應航空業迅猛的發展。機務維修工作就是要保障各部附件的正常無故障，所以，掌握了設備基本工作原理才能更準確的分析故障的發生機理。對故障開展微觀研究，是提高機務人員技術水平的重要途徑，從根本上減少故障。保證飛行安全的根本出路是提高裝備的固有可靠性，減少故障就必須注重維修質量。航空維修工作現代化建設問題發展就是硬道理，對航空維修部門來說就是如此。一要思想觀念現代化。應該樹立強烈的現代化意識、發展意識和改革創新意識。飛機維修工作曾經被視為簡單的技藝，但現代航空維修已經成為一門科學，更被尊為其它武器裝備維修和工業維修的前驅。二要掌握應用先進科技手段。實現航空維修現代化，關鍵在先進科學技術的應用。隨著航空維修技術進入信息時代，將先進維修技術用于老舊飛機大有潛力可挖。三要學習民航的先進維修經驗。國內民航維修保障工作已完全與國際接軌，其法規體系、管理制度、維修技術與西方先進國家相比已無很大差距。認真學習民航維修管理經驗和技術，將起到事半功倍的效果的工作性能。尤其是現如今隨著電子技術的飛速發展，故障是多種多樣的，故障的現象更加復雜多變、不容易從現象中馬上判斷出故障根源、往往造成重復性故障。排除電子設備故障通常的模式都是更換電子控制組件、收發機、控制面板、顯示器等模塊化部件一般都能夠將故障徹底排除。但是最終我們還是不能了解故障的真正始作俑者，如果故障再次出現，我們還是不能準確，迅捷的找到根源并排除掉。只有不斷的學習掌握飛機系統的理論知識，任何一個常識問題就會給我們的排故工作理順思想，也不拘泥于排故經驗及手冊，熟知了各系統的理論結構，并結合實際進行排故分析。根據故障線索，分析原因，抓主要矛盾，去查找、解決問題，快速排除故障。了解系統工作情況，分清哪些因素可能會引起故障，進而判斷哪些因素是造成故障的根本原因。工作中我們能夠大膽而細致的設想排故思路并加以實施。因此，不斷的學習和考究新型設備系統，提高每一位維修人員的認知，識知是適應航空業發展的。TCAS系統作為一個發展中的新型的機載設備，它是航空業發展的必然產物，更需要我們去學習和探索。

參考文獻

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