论文部分内容阅读
[摘 要]机载防撞系统简称TCAS。它是一种能够完全独立于地面电台工作的最新机载电子设备。本文首先介绍了机载防撞系统的概念、组成和分类。然后阐述了机载防撞系统的工作原理和功能。最后对机载防撞系统在空管中的应用进行了浅析，揭示了在应用中逐渐暴露出的一些问题，提出TCAS作为避撞的最后防线，
[关键词]机载防撞系统 空管 应用
中图分类号：F562.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0320-01
1.1 机载防撞系统的基本概念
机载防撞系统，全称为空中交通预警和防撞系统（TCAS），是一种基于机载二次监视雷达应答机的应答信号，在空中飞机之间具有潜在冲突时向飞机驾驶员提供警告信息的装置。TCAS可显示飞机周围的情况，并在需要时提供语音告警，同时帮助驾驶员以适当机动方式躲避危险，这些都有助于避免灾难性事故的发生。
TCAS作为一种不依赖于地面空中交通管制系统的机载设备，对于减少和防止航空器相撞、保证飞行安全具有重要作用。它在航空器飞行过程中能够接收到与自己距离较近并安装了SSR应答机的航空器的基本信息，包括航空器的位置、高度、运动方向和速度等信息。TCAS通过对这些基本信息进行处理，能够对两机（或多机）之间的安全性进行分析和评估，然后针对得出的安全性结论做出相应的反应，提醒航空器驾驶员采取相应的措施进行监视或避让，以达到防止航空器空中相撞的目的。
1.2 机载防撞系统的组成
TCAS由无线电发射机和接收机、方向天线、计算机以及座舱显示器组成。TCAS发射的无线电信号称为询问信号，与地面发射的空中雷达交通管制信号类似。当其他飞机的应答器接收到询问信号时，會发射应答信号。TCAS的计算机根据发射信号和应答信号间的时间间隔来计算距离。同时根据方向天线确定方位。
如果其他飞机的应答器可提供高度数据，则TCAS可显示该飞机的相应高度以及该飞机是在爬升还是在下降。要是飞机正在以超过500英尺/分的速率爬升的话，则符号的旁边会出现向上的箭头；要是正在下降的话，箭头方向朝下。
1.3 机载防撞系统的分类
TCAS分为四类：TCASⅠ、TCASⅡ、TCASⅢ。四类系统都可显示与地图类似的空中交通情况。当其他飞机接近时，四类系统都可提供“空中交通报告”（TA）。采用TA方式时，预先录制的声音会播报“Traffic，Traffic”，而表示其他飞机的符号则可改变形状和颜色。
TCASⅡ是更先进的TCAS，具有被称作“处理建议”（RA）的附加功能。当采用RA方式时，代表其他飞机的符号会变为固定的红色方块，TCAS可发出类似“Climb，Climb”或“Descend，Descent”之类的机动指令，或者会告诉驾驶员无需采取机动动作。系统还会在垂直速度指示器上用一绿条显示所需的机动速度。这些机动动作幅度不大，一般不会引起乘客的注意。TCASⅡ还减少虚假告警，改善电磁环境，即对SSR频率的电磁干扰加以控制，并且提供了缩小最小垂直间隔（RVSM）的应用环境。TCASⅡ可以明显的减少冲突风险，但是不能全部消除。ICAO已经将其标准文件列入附件十的第七十三次修订版中。TCASⅢ是在提供的交通咨询（TA）信息中增加提供垂直和水平解脱咨询（RA）信息，它由ICAO的二次监视雷达改进和避撞系统（SICAS）专家组在2000年末完成。
1.4 机载防撞系统的原理和功能分析
TCAS是能独立于地面电台工作的机载交通警戒及空中防撞系统。它依据本机ATC的C模式或S模式询问临近飞机所得的应答信号来探测本机附近区域是否有别的飞机。一旦探测到临近飞机的应答信号，TCAS就开始跟踪连续评估临近飞机相对于本机的威胁性大小，并在EFIS上显示TA、RA信息。
TCAS具有与地面站ATC/S模式相似的收发特性，它以1030MHz发射询问信号并以1090MHz接收应答信号。如果TCAS计算机能从上、下天线收到经询问的应答信号，那么在本机的TCAS区域内就有别的飞机。就是说，TCAS通过判别有无本机询问后的应答信号来完成对临近飞机的监测。
2.1 TCAS在空管中的应用
空中交通冲突时的避让行动有两种方法：即升降（改变航径的垂直避让）或转向（改变航迹的水平避让）。垂直避让不影响导航任务，但需改变发动机推力和改变指配高度层；水平避让保持高度层，但脱离指配航路影响导航任务，两者利弊相当。
避让方向上的协调非常重要，逆向遭遇时，两机不能同时上升或同时下降。因而机载设备上必须考虑双方在解脱冲突上的协调行动。利用S模式链路的数据通信能力向对方报告自己的行动意向（上升或下降），收到此信息的对方务必与之协调行动以利解脱。也就是先发现先避让的一方作为主动方向对方示意，收到示意的对方将成为被动方，对示意默契下实施与对方协调的被动规避。
2.2 国内TCAS虚假告警分析
在国内实行RVSM后，在12500米以下，除几个特殊高度层外，相向高度层的差减为300米。在管制员的正常指挥时，飞机上升、下降率过大，两飞机有足够的间隔，TCAS也会发生告警，一般称之为虚假告警。两对头飞机，保持300米平飞也常常发生虚假告警。
根据TCAS的工作原理，我们知道，TCAS询问脉冲的速率是依两机间距离、接近速率而变化的。当询问速率增加到1次/秒时，TCAS就认为临近飞机对本机有威胁。实行RVSM后，高度层变小，再加上飞机的上升下降率过大，就容易产生告警。改变TCAS的参数就可以减小TCAS虚假告警的概率，但相应的安全系数也会降低。因此在保证安全的情况下，采取以下措施，减少TCAS产生虚警：
a）在改变高度爬升或者下降时，爬升或下降率保持在500至1000英尺/分钟，且不得大于1500英尺/分钟；
b）在爬升或下降至管制许可高度前的最后300米垂直范围内，爬升或下降率保持在500至1000英尺/分钟，且不得大于1500英尺/分钟；
c）当航空器爬升或下降率小于500英尺/分钟时，航空器驾驶员应当报告管制员，以便管制员合理预测航空器抵达管制许可高度的时间。
3 改善TCAS的设想
为了减少无限电干扰，管理条例对TCAS的功率有所限制。它把TCAS的前向作用距离限定在45英里左右，侧向和后向作用距离更小。B757巡航速度为956公里/小时，它的前向探测时间约4.5分钟，而侧向和后向探测时间更短。
目前，有的飞机已经开始采用ADS-B（广播式自动相关监视）技术的TCAS，它利用S模式数据链广播GPS确定的飞机位置，使探测距离增加到160-200海里，这就可能避免前述弊病，进一步提高安全性。这种新型TCAS应尽快装备飞机。当前TCAS的报警显示是平面二维形式，而要求的避让操作是俯仰垂直运动，但飞行员不能从显示器上直观的观察到航线上下的情况。新型TCAS的显示和报警技术应该具有三维显示，应该显示按当前运动规律可能在何处发生碰撞；如果飞行员选择了错误的操作方向，驾驶盘可以给出抖杆警告，或其它强烈的警告，甚至可以考虑锁定驾驶盘不能进行反向操作。
参考文献
[1] 石云侠，机载防撞系统的发展及应用，飞机工程，2007（6）.
[2] 黎峰，空中交通警戒和防撞系统的发展历程，中国民用航空，2004（10）.
[3] TCAS系统的功能分析，民航经济与技术，1994（7）.
[关键词]机载防撞系统 空管 应用
中图分类号：F562.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0320-01
1.1 机载防撞系统的基本概念
机载防撞系统，全称为空中交通预警和防撞系统（TCAS），是一种基于机载二次监视雷达应答机的应答信号，在空中飞机之间具有潜在冲突时向飞机驾驶员提供警告信息的装置。TCAS可显示飞机周围的情况，并在需要时提供语音告警，同时帮助驾驶员以适当机动方式躲避危险，这些都有助于避免灾难性事故的发生。
TCAS作为一种不依赖于地面空中交通管制系统的机载设备，对于减少和防止航空器相撞、保证飞行安全具有重要作用。它在航空器飞行过程中能够接收到与自己距离较近并安装了SSR应答机的航空器的基本信息，包括航空器的位置、高度、运动方向和速度等信息。TCAS通过对这些基本信息进行处理，能够对两机（或多机）之间的安全性进行分析和评估，然后针对得出的安全性结论做出相应的反应，提醒航空器驾驶员采取相应的措施进行监视或避让，以达到防止航空器空中相撞的目的。
1.2 机载防撞系统的组成
TCAS由无线电发射机和接收机、方向天线、计算机以及座舱显示器组成。TCAS发射的无线电信号称为询问信号，与地面发射的空中雷达交通管制信号类似。当其他飞机的应答器接收到询问信号时，會发射应答信号。TCAS的计算机根据发射信号和应答信号间的时间间隔来计算距离。同时根据方向天线确定方位。
如果其他飞机的应答器可提供高度数据，则TCAS可显示该飞机的相应高度以及该飞机是在爬升还是在下降。要是飞机正在以超过500英尺/分的速率爬升的话，则符号的旁边会出现向上的箭头；要是正在下降的话，箭头方向朝下。
1.3 机载防撞系统的分类
TCAS分为四类：TCASⅠ、TCASⅡ、TCASⅢ。四类系统都可显示与地图类似的空中交通情况。当其他飞机接近时，四类系统都可提供“空中交通报告”（TA）。采用TA方式时，预先录制的声音会播报“Traffic，Traffic”，而表示其他飞机的符号则可改变形状和颜色。
TCASⅡ是更先进的TCAS，具有被称作“处理建议”（RA）的附加功能。当采用RA方式时，代表其他飞机的符号会变为固定的红色方块，TCAS可发出类似“Climb，Climb”或“Descend，Descent”之类的机动指令，或者会告诉驾驶员无需采取机动动作。系统还会在垂直速度指示器上用一绿条显示所需的机动速度。这些机动动作幅度不大，一般不会引起乘客的注意。TCASⅡ还减少虚假告警，改善电磁环境，即对SSR频率的电磁干扰加以控制，并且提供了缩小最小垂直间隔（RVSM）的应用环境。TCASⅡ可以明显的减少冲突风险，但是不能全部消除。ICAO已经将其标准文件列入附件十的第七十三次修订版中。TCASⅢ是在提供的交通咨询（TA）信息中增加提供垂直和水平解脱咨询（RA）信息，它由ICAO的二次监视雷达改进和避撞系统（SICAS）专家组在2000年末完成。
1.4 机载防撞系统的原理和功能分析
TCAS是能独立于地面电台工作的机载交通警戒及空中防撞系统。它依据本机ATC的C模式或S模式询问临近飞机所得的应答信号来探测本机附近区域是否有别的飞机。一旦探测到临近飞机的应答信号，TCAS就开始跟踪连续评估临近飞机相对于本机的威胁性大小，并在EFIS上显示TA、RA信息。
TCAS具有与地面站ATC/S模式相似的收发特性，它以1030MHz发射询问信号并以1090MHz接收应答信号。如果TCAS计算机能从上、下天线收到经询问的应答信号，那么在本机的TCAS区域内就有别的飞机。就是说，TCAS通过判别有无本机询问后的应答信号来完成对临近飞机的监测。
2.1 TCAS在空管中的应用
空中交通冲突时的避让行动有两种方法：即升降（改变航径的垂直避让）或转向（改变航迹的水平避让）。垂直避让不影响导航任务，但需改变发动机推力和改变指配高度层；水平避让保持高度层，但脱离指配航路影响导航任务，两者利弊相当。
避让方向上的协调非常重要，逆向遭遇时，两机不能同时上升或同时下降。因而机载设备上必须考虑双方在解脱冲突上的协调行动。利用S模式链路的数据通信能力向对方报告自己的行动意向（上升或下降），收到此信息的对方务必与之协调行动以利解脱。也就是先发现先避让的一方作为主动方向对方示意，收到示意的对方将成为被动方，对示意默契下实施与对方协调的被动规避。
2.2 国内TCAS虚假告警分析
在国内实行RVSM后，在12500米以下，除几个特殊高度层外，相向高度层的差减为300米。在管制员的正常指挥时，飞机上升、下降率过大，两飞机有足够的间隔，TCAS也会发生告警，一般称之为虚假告警。两对头飞机，保持300米平飞也常常发生虚假告警。
根据TCAS的工作原理，我们知道，TCAS询问脉冲的速率是依两机间距离、接近速率而变化的。当询问速率增加到1次/秒时，TCAS就认为临近飞机对本机有威胁。实行RVSM后，高度层变小，再加上飞机的上升下降率过大，就容易产生告警。改变TCAS的参数就可以减小TCAS虚假告警的概率，但相应的安全系数也会降低。因此在保证安全的情况下，采取以下措施，减少TCAS产生虚警：
a）在改变高度爬升或者下降时，爬升或下降率保持在500至1000英尺/分钟，且不得大于1500英尺/分钟；
b）在爬升或下降至管制许可高度前的最后300米垂直范围内，爬升或下降率保持在500至1000英尺/分钟，且不得大于1500英尺/分钟；
c）当航空器爬升或下降率小于500英尺/分钟时，航空器驾驶员应当报告管制员，以便管制员合理预测航空器抵达管制许可高度的时间。
3 改善TCAS的设想
为了减少无限电干扰，管理条例对TCAS的功率有所限制。它把TCAS的前向作用距离限定在45英里左右，侧向和后向作用距离更小。B757巡航速度为956公里/小时，它的前向探测时间约4.5分钟，而侧向和后向探测时间更短。
目前，有的飞机已经开始采用ADS-B（广播式自动相关监视）技术的TCAS，它利用S模式数据链广播GPS确定的飞机位置，使探测距离增加到160-200海里，这就可能避免前述弊病，进一步提高安全性。这种新型TCAS应尽快装备飞机。当前TCAS的报警显示是平面二维形式，而要求的避让操作是俯仰垂直运动，但飞行员不能从显示器上直观的观察到航线上下的情况。新型TCAS的显示和报警技术应该具有三维显示，应该显示按当前运动规律可能在何处发生碰撞；如果飞行员选择了错误的操作方向，驾驶盘可以给出抖杆警告，或其它强烈的警告，甚至可以考虑锁定驾驶盘不能进行反向操作。
参考文献
[1] 石云侠，机载防撞系统的发展及应用，飞机工程，2007（6）.
[2] 黎峰，空中交通警戒和防撞系统的发展历程，中国民用航空，2004（10）.
[3] TCAS系统的功能分析，民航经济与技术，1994（7）.