TCAS在直升機上的應用

文/王秋云 孟浩

1 概述

據美國聯邦航空局（FAA）統計，2009—2013年直升機致命性事故的原因中，撞擊排名第二，且占比逐年增加，其中包括直升機之間、直升機與固定翼飛機之間等。

和固定翼飛行器相比，直升機面臨的飛行安全威脅更加嚴重。直升機的飛行區域和作業特點，使得直升機比固定翼面臨更頻繁的危險接近和碰撞危險；直升機多數飛行區域是地面空管的盲區，無法獲取空中交通信息；直升機多機飛行時受安全管理水平影響大，當缺乏安全管理經驗或多單位協同時，易引發安全事故。因而，直升機對空中交通防撞技術有著強烈的需求。在常規的地面空管系統因其覆蓋范圍有限且存在雷達盲區，已難以滿足所有飛行環境要求。為了使得飛行器間更好的相互通信、相互監視，航空界致力多年發展了機載防撞系統，能有效的降低碰撞風險。

目前，固定翼飛機上廣泛采用的是空中交通告警防撞系統（Traff i c Collision Avoidance System，簡稱TCAS）。該設備基于二次雷達原理，能夠主動探測和跟蹤臨近的飛行器，預測潛在的碰撞危險，并給飛行員發出警告及符合空中交通管制規則的防撞操作指令。截止目前，各國民航組織尚未對直升機（渦軸動力飛行器）安裝TCASⅡ提出明確的要求。

鑒于TCAS在固定翼飛行器防碰撞領域取得的出色效果，直升機領域逐步在探索TCAS是否能夠在直升機防撞方面發揮出同樣的作用。2008年Collins將固定翼飛機TCAS直接移植到一架Super Puma直升機上，實現了TCAS安裝在直升機上的突破。但是，學界目前對于TCAS是否能夠給直升機提供可靠地告警和防碰撞指示依然有很多爭議。

國內目前尚無直升機配裝TCASⅡ的應用與研究。為滿足重型直升機和未來民用直升機的使用需求，本文在分析TCAS原理的基礎上，研究了TCAS在直升機上裝機可行性和有效性，對適應直升機特點的TCAS發展方向進行了討論。

2 TCAS原理

TCAS系統可不依賴于地面系統，作為傳統ATC系統的一種備份，使本機與其他飛行器保持安全的空中間距。目前，按照各國民航局的要求，民航飛機主要安裝的空中交通防撞系統以TCASⅡ為主，TCASⅡ的產品是高度標準化的。航空無線電委員會（RTCA）在1997年頒布了DO185A，規定了TCASⅡ的最小操作性能標準。隨著大批量的設備裝機使用，RTCA又在2008年頒布了DO185B，在DO185A的基礎上對防碰撞算法作了改進提升。

TCASⅡ主要是完成針對附近空域內安裝有ATCRBS應答機或S模式應答機的飛機防碰撞功能，具體可以歸納為監視、跟蹤、潛在威脅評估、交通咨詢（TA）、決斷告警（RA）和避撞協調。

3 TCAS在直升機上應用

3.1 裝機可行性

目前通用的TCASⅡ的最小操作性能標準DO185B默認是參考固定翼飛機的特征及飛行特性規定的。因而各國民航組織，都只規定起飛重量達到一定數來能夠或乘客數量超過某一數值的固定翼飛機必須配裝TCASⅡ。而并沒有對直升機提出要求。國內目前尚無直升機配裝TCASⅡ的研究，國外雖然有少量直升機加裝了TCASⅡ，但也無法就此而完全確認證實直升機加裝TCASⅡ的可行性。TCAS在直升機上安裝的可行性需進一步分析。

基于TCAS的功能可知，將TCAS安裝在直升機上的主要希望其能夠起到幾個方面的作用。首先，希望通過在兩機距離非常靠近的時候執行TCASⅡ提供的RA（決斷告警）以避免空中相撞；其次，TCASⅡ的TA（交通咨詢）功能可以顯示本機所在空域的飛行器方位信息，希望借此提升飛行員對周邊環境的了解，預防空中撞機。下面結合TCASⅡ實現上述功能的具體設計，及直升機和固定翼飛機的差異，考慮其是否可以在直升機上使用。

（1）RA功能的實現。TCASⅡ的RA要求飛行器以7.6m/s的速度向上爬升，而部分直升機是達不到這個性能要求的。因此，直升機安裝TCASⅡ時需確認本機的爬升速度要大于TCASⅡ的TA指標要求，否則不能安裝TCASⅡ。不然的話，在兩機距離靠近且TCASⅡ發出RA指令時，直升機無法按預期完成該指令將會導致兩機相撞。

（2）TCASⅡ防碰撞邏輯的有效性主要是通過固定翼飛機之間的碰撞數據驗證的，因此當其中的一架或兩架均為安裝了TCASⅡ的飛行器時，該碰撞邏輯是否有效則值得懷疑。理論上，TCASⅡ的防碰撞邏輯是基于可觀測到的其他飛行器的軌跡的延續性。然而相對于固定翼而言，直升機的可操作性更強，可以在空中盤旋，也可以突然啟動。因此上述的假設對于直升機是不成立的。針對該問題，ΕUROCONTROL（歐洲航管組織）TCAS項目組，建立了TCASⅡ模型、直升機飛行包線的模型及空中碰撞的模型，并在仿真試驗中驗證了TCASⅡ的防碰撞邏輯對直升機空中飛行避撞同樣有效。究其原因在于，防碰撞邏輯對飛行器的姿態和距離測量誤差有很強的魯棒性，足以保證其對直升機特殊的飛行姿態和軌跡的跟蹤預測。

（3）TA功能能否按照期望在直升機上實現。由于在TCASⅡ的天線的正上方和正下方是有盲區的，因而其安裝平臺的正上方和正下方的監控功能是不完善的。這對于固定翼飛機來說通常不構成問題，因為其向前的速度都會大幅超過其向上飛行的速度。可是直升機是可以直接向上拉升進入這些監控盲區的。所以，相對于固定翼飛機來講，直升機監控的盲區的存在有更大概率導致其與入侵飛行器的碰撞。相比固定翼飛行器，直升機的機體不平整、還有旋翼槳葉的遮擋等問題，導致天線安裝使用環境更加惡劣，天線監控性能也不可避免的要受到損失。現在裝機的成品也只是在重量限制、動力學要求和監控性能之間做一個折中的選擇

目前，中國民航大學等機構對固定翼飛機上的ADS-B（基于衛星定位和地/空數據鏈通信的航空器運行監視技術）和TCASⅡ數據融合算法開展了一些研究。ADS-B技術已日漸成熟，可自動廣播由機載導航設備和GPS定位系統生成的精確定位信息。該設備可使載機的位置信息發送到其所在的空域內，安裝有ADS-B設備的飛行器均可自動接收信息。因此，針對存在于本機TCASⅡ的監控盲區內的飛行器，可通過本機安裝的ADS-B設備接收其位置信息。通過TCASⅡ和ADS-B數據的信息融合，將會有效彌補TCASⅡ的通信盲區。這是解決TCASⅡ監控盲區的有益探索方向。

3.2 裝機有效性

美國MIT的林肯試驗室在1987年即對TCAS在直升機上的安裝進行了試驗，隨后對駕駛安裝TCAS的直升機的飛行員進行調查，結論是對TCAS顯示周邊飛行器的功能表示認可，比沒有安裝TCAS的直升機更容易駕駛。然而該項研究沒有給出定量結論。

考慮到直升機上安裝TCASⅡ存在上述分析中提到的一些尚未完全解決的問題，因此TCASⅡ能在多大程度上提高直升的飛行安全性依然是不確定的。因此為了測試TCASⅡ在降低直升機空中碰撞風險方面的性能，ΕUROCONTROL開展了一項基于英國民用直升機的調查仿真研究。

TCAS項目組對直升機遭遇的18次空中相遇做了記錄。另外，又對直升機可能會面臨的22次比較典型的空中相遇做了記錄。結合季節不同可能導致的差異，上述觀測數據折合成0.32年的記錄。對該數據進行整理后得出安裝TCASⅡ前直升機撞機的概率約為每年0.076次。結合實際來看，本次研究開始前發生的一次英國空直升機空中撞機事件在1993年，下一次則是在2004年，與概率是基本相合的。在英國空域內，對于一架直升機在每個航時發生空中碰撞的概率是2.87×10-7，這略大于商用飛行器每航時7.8×10-8的概率，考慮到商用飛行器始終在RAS的保護下執行任務，比常規飛機多了一重保護，這個數值也是比較正常的了。

隨后，基于RTCA在此前的研究建立起的碰撞模型，將其中一方的飛行包線進行調整以適用于直升機。先將直升機保持初始狀態，進行飛行仿真，然后模擬直升機上安裝TCASⅡ的參數狀態進行飛行仿真，結果發現每年直升機空中撞機的概率降低到0.065次，兩次事故的平均間隔時間由13年增加到15年。每航時發生空中碰撞的概率也降低到1.15×10-7。安裝TCASⅡ明顯的提升了直升機的安全性，直升機在條件允許的情況下均建議安裝。

4 總結與展望

作為針對固定翼飛行器性能設計的機載空中防撞設備，大量實踐證實TCAS能夠有效提升固定翼飛機的飛行安全性。通過分析TCASⅡ的設計原理，對直升機與固定翼飛機在飛行性能和飛行包線等方面存在的差異進行研究后，確認安裝TCAS可以有效減少直升機空中相撞概率，提升直升機的飛行安全性。但現有的TCAS技術尚不能完全滿足直升機需求，其監控盲區的問題仍待解決，基于直升機動力學特性的防碰撞算法研究仍不夠深入。今后將著重于TCASⅡ和ADS-B的數據融合方法及相關防碰撞算法的研究，進一步提高直升機復雜空域下的飛行安全性。