摘要：闡述了空中交通告警與防撞系統(tǒng)的發(fā)展，重點(diǎn)論述了TCASII的工作原理，并總結(jié)了TCAS在客機(jī)和軍用運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用情況，說(shuō)明其是避免飛機(jī)空中相撞的最后一道防線。
　　關(guān)鍵詞：TCASII,客機(jī),軍用運(yùn)輸機(jī)
　　      Abstract:ThispaperdescribesthedevelopmentoftheTrafficAlertandCollisionAvoidanceSystem,providestheprincipalofTCASII,summarizestheapplicationofTCASIIinairlinerandmilitaryaerotransport,showsthatTCASIIisthelastlineofaircraftavoidance.
　　keywords:TCASII,airline,rmilitaryaerotransport
　　引言
　　開發(fā)有效的防撞系統(tǒng)是航空工業(yè)界多年來(lái)的目標(biāo)。美國(guó)航空體系稱其為空中交通告警與防撞系統(tǒng)（TCAS：TrafficAlertandCollisionAvoidanceSystem），歐洲航空體系稱為機(jī)載防撞系統(tǒng)（ACAS：AirborneCollisionAvoidanceSystem），兩者實(shí)際上的含義、功能是一致的。盡管可以利用空中交通管制系統(tǒng)（ATC）在一定程度上維持飛行的安全，但隨著空中交通的日益繁忙，飛機(jī)空中相撞的危險(xiǎn)依然存在。這也就是為什么早在上世紀(jì)五十年代人們就開始考慮機(jī)載防撞系統(tǒng)的概念，并把它作為避免空中相撞的最后一道防線。
　　發(fā)生在美國(guó)一系列的飛機(jī)空中相撞事故極大的推動(dòng)了機(jī)載防撞系統(tǒng)的開發(fā)和不斷改進(jìn)。1956年6月30日在科羅拉多大峽谷上空6500米處，兩架民航班機(jī)相撞造成128人死亡，隨后美國(guó)啟動(dòng)了對(duì)飛機(jī)防撞系統(tǒng)的研發(fā)工作。1978年，一架輕型飛機(jī)在圣地亞哥上空與一架民航班機(jī)相撞，導(dǎo)致了美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）啟動(dòng)對(duì)TCAS的研究。最終導(dǎo)致國(guó)會(huì)立法要求實(shí)施TCAS的事件是1986年8月31日在靠近洛杉磯國(guó)際機(jī)場(chǎng)的空域內(nèi)，一架墨西哥飛機(jī)和一架私人飛機(jī)空中相撞。
　　1TCAS的發(fā)展
　　在防撞設(shè)備方面，50年代曾利用電波的多普勒效應(yīng)原理研制了空中防撞設(shè)備，但因誤報(bào)很多，終未實(shí)用。1955年，Honeywell公司的J.S.Morrell博士提出了根據(jù)兩架飛機(jī)到達(dá)最接近點(diǎn)所需時(shí)間的主動(dòng)防撞概念，得到業(yè)界的認(rèn)可。60年代末70年代初，若干廠家開發(fā)了飛機(jī)防撞系統(tǒng)，但發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在繁忙機(jī)場(chǎng)區(qū)域的運(yùn)營(yíng)中有較高的虛假警告，此外它要求其它飛機(jī)也必須裝備該類設(shè)備。70年代中期，開發(fā)了信標(biāo)防撞系統(tǒng)BCAS。該系統(tǒng)利用空中交通管制雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)ATCRBS應(yīng)答機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)來(lái)決定對(duì)方飛機(jī)的距離和高度，鑒于當(dāng)時(shí)所有的航線運(yùn)輸飛機(jī)、軍用飛機(jī)和大多數(shù)通用飛機(jī)上都安裝有ATCRBS應(yīng)答機(jī)。因此任何裝備BCAS的飛機(jī)能夠避開大多數(shù)其它飛機(jī)而得到保護(hù)。此外，正在發(fā)展的S模式應(yīng)答機(jī)使用的離散選址通信技術(shù)，使兩架沖突的BCAS飛機(jī)能發(fā)出互補(bǔ)的兩機(jī)垂直機(jī)動(dòng)協(xié)調(diào)指令。1981年，F(xiàn)AA決定發(fā)展并裝備空中交通告警及防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作完全不依賴地面設(shè)備，它通過(guò)ATC應(yīng)答機(jī)相互對(duì)話，自行完成探測(cè)和跟蹤?quán)徑�空域飛機(jī)的任務(wù)，并根據(jù)接近程度，向機(jī)組提供不同級(jí)別的告警，必要時(shí)推薦避讓措施。
　　當(dāng)前，正在研發(fā)或使用的TCAS系統(tǒng)有三種類型：TCASI、TCASII和TCASIII。
　　TCASI型為基本型。它是一種低功率、短距離系統(tǒng)，可向飛機(jī)駕駛員提供本機(jī)周圍一定空域的交通情況，并發(fā)出相應(yīng)的咨詢和警告，但不能提供垂直和水平避讓指令。能同時(shí)提供垂直和水平規(guī)避指令的TCASIII型還處于開發(fā)階段。目前，國(guó)內(nèi)外主要裝備的均為TCASⅡ系統(tǒng)。研制開發(fā)TCASII設(shè)備的廠家主要有Honeywell公司、RockwellCollins公司和ACSS公司等。
　　在設(shè)備廠商大力開發(fā)TCAS設(shè)備的同時(shí)，F(xiàn)AA早在上世紀(jì)八十年代就開始了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂，目前最新的版本為TCASⅡVersion7。
　　2TCASII
　　2.1系統(tǒng)組成及主要功能

　　圖1是TCASⅡ的組成框圖。
　　TCASⅡ型系統(tǒng)主要由TCAS收發(fā)主機(jī)、S模式應(yīng)答機(jī)、天線（包括定向天線和全向天線）、控制盒和顯示裝置（根據(jù)座艙配置的可選項(xiàng)）組成。
　　TCAS收發(fā)主機(jī)用于獲取空中交通信息、跟蹤接近飛機(jī)、檢測(cè)威脅、推算并產(chǎn)生交通告警（TA）或決斷告警（RA）報(bào)告。TCAS處理器利用飛機(jī)本身的氣壓高度、無(wú)線電高度和飛機(jī)離散量來(lái)控制防撞邏輯參數(shù)，這些參數(shù)決定了飛機(jī)周圍的保護(hù)量。如果被追蹤的飛機(jī)存在碰撞威脅，TCAS收發(fā)主機(jī)會(huì)選擇合適的避撞機(jī)動(dòng)，使之與入侵飛機(jī)保持足夠的垂直避讓距離，同時(shí)使偏離航道值最小。如果入侵飛機(jī)同樣安裝了TCASⅡ，那么防撞系統(tǒng)會(huì)在兩架飛機(jī)中協(xié)調(diào)避讓機(jī)動(dòng)。
　　TCASⅡ工作必須安裝和使用S模式應(yīng)答機(jī)。如果S模式應(yīng)答機(jī)出錯(cuò)，TCAS會(huì)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)錯(cuò)誤并將TCAS置于等待狀態(tài)。S模式應(yīng)答機(jī)支持地面的ATC系統(tǒng)，能和一個(gè)ATCRBS或一個(gè)S模式地面雷達(dá)一起工作。S模式應(yīng)答機(jī)同樣也可以用來(lái)在都安裝有TCAS的飛機(jī)間提供空對(duì)空數(shù)據(jù)交換，因此在需要的時(shí)候可以進(jìn)行RA的協(xié)調(diào)和互補(bǔ)。
　　控制盒用來(lái)選擇和控制所有的TCAS設(shè)備，包括TCAS收發(fā)主機(jī)，S模式應(yīng)答機(jī)，甚至包括TCAS顯示。一個(gè)典型的控制盒提供以下四種基本的控制狀態(tài)：等待狀態(tài)、僅應(yīng)答機(jī)工作狀態(tài)、只有TA的TCAS狀態(tài)和TA/RA狀態(tài)。
　　交通/決斷顯示器是日光下可視的高清晰全彩液晶顯示器，顯示空中交通、交通告警、決斷告警和垂直速度等信息，并要求顯示無(wú)閃爍、無(wú)視差。
　　TCAS中用到的天線包括一個(gè)裝在飛機(jī)頂部的定向天線，一個(gè)裝在飛機(jī)底部的全向或定向天線（大多在飛機(jī)底部安裝定向天線）。這些天線可以在1030MHz上用不同功率在4個(gè)90度的方位上發(fā)送詢問信息，也可以在1090MHz上接收周圍飛機(jī)上應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答信息，然后將這些信息傳送給TCAS收發(fā)主機(jī)。另外，S模式應(yīng)答機(jī)同樣需要兩個(gè)天線，分別安裝在飛機(jī)的頂部和底部。這些天線使應(yīng)答機(jī)在1030MHz接收詢問信號(hào)，在1090MHz發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。
　　2.2基本工作原理
　　2.2.1對(duì)方飛機(jī)裝有S模式應(yīng)答機(jī)或TCASⅡ系統(tǒng)的防撞原理
　　由于S模式應(yīng)答機(jī)具有選擇地址進(jìn)行通信的特性，對(duì)裝有S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)，TCAS的監(jiān)視功能相對(duì)簡(jiǎn)單。S模式應(yīng)答機(jī)以每秒約1次的速率發(fā)送間隙發(fā)射信號(hào)（Squitter）。該信號(hào)中含有發(fā)射者的S模式地址。裝有TCASⅡ的飛機(jī)在監(jiān)視范圍內(nèi)將接收這些間隙發(fā)射信號(hào)并對(duì)裝有S模式應(yīng)答機(jī)的飛機(jī)發(fā)出S模式詢問。根據(jù)回答信號(hào)可確定該飛機(jī)的距離、方位和高度。根據(jù)對(duì)方飛機(jī)的幾次應(yīng)答可確定對(duì)方的高度變化率和距離變化率。換句話說(shuō)，根據(jù)對(duì)方報(bào)告的高度可確定對(duì)方爬升或下降有多快，根據(jù)詢問和應(yīng)答之間的來(lái)回時(shí)間可確定它是否接近或離開監(jiān)視范圍，根據(jù)對(duì)方的方位變化可確定對(duì)方大概的航跡。由此，TCAS收發(fā)主機(jī)可計(jì)算出對(duì)方飛機(jī)的輪廓線和飛行航路是否將會(huì)與本機(jī)相撞或接近相撞，并在本機(jī)飛行輪廓線的基礎(chǔ)上，給出合理的防撞措施RA。
　　如果對(duì)方飛機(jī)帶有TCASⅡ系統(tǒng)，本機(jī)的TCAS收發(fā)主機(jī)可與該機(jī)建立基于S模式數(shù)據(jù)鏈的空—空協(xié)調(diào)關(guān)系�？�—空協(xié)調(diào)關(guān)系建立后，雙方的TCAS收發(fā)主機(jī)即可確定由哪一方來(lái)控制回避機(jī)動(dòng)，作為“主機(jī)”，而另一方作為“從機(jī)”，這種設(shè)定是隨機(jī)和互補(bǔ)的。例如，某一架飛機(jī)針對(duì)某一威脅選擇了“爬升”RA，在其協(xié)調(diào)詢問中它將向?qū)Ψ桨l(fā)出通知，限制對(duì)方的RA只能是“下降”。機(jī)組確認(rèn)RA指令是安全正確的，將執(zhí)行這些指令。
　　2.2.2對(duì)方飛機(jī)帶有A/C模式應(yīng)答機(jī)的防撞原理
　　TCAS使用一種修改的C模式詢問，即所謂全呼叫C模式詢問。以每秒一次的正常速率詢問周圍飛機(jī)的A/C模式應(yīng)答機(jī)。若應(yīng)答機(jī)工作在C模式，其回答信號(hào)中包括有高度信息，因此TCAS可發(fā)布決斷告警信息。若工作在A模式，回答信號(hào)中沒有高度信息，此時(shí)TCAS不能發(fā)布決斷告警信息，只能產(chǎn)生交通告警信息。
　　2.2.3對(duì)方飛機(jī)無(wú)應(yīng)答機(jī)或應(yīng)答機(jī)不工作的防撞原理
　　對(duì)方飛機(jī)無(wú)應(yīng)答機(jī)或應(yīng)答機(jī)不工作，它們對(duì)TCAS的詢問無(wú)法作出響應(yīng)，因此TCAS無(wú)法探測(cè)該類飛機(jī)，只能借助其它手段或地面交通管理進(jìn)行防撞。
　　2.2.4沖突解除
　　一旦飛機(jī)脫離危險(xiǎn)，TCAS將發(fā)布語(yǔ)音信息“CLEAROFCONFLICT”（沖突解除），以肯定這次威脅結(jié)束，并且撤銷對(duì)應(yīng)的決斷告警，即顯示器上決斷告警消失（紅、綠色的升降指示區(qū)消失），此時(shí)機(jī)組應(yīng)將飛機(jī)返回沖突發(fā)生前的許可剖面。
　　2.2.5防撞處理邏輯
　　圖2簡(jiǎn)單描述了防撞處理的邏輯。根據(jù)監(jiān)視報(bào)告，防撞處理邏輯跟蹤每一個(gè)目標(biāo)的斜距和接近速度，推算到達(dá)最近接近點(diǎn)（CPA：ClosestPointofApproach）的時(shí)間，TCASⅡ報(bào)告受保護(hù)空域圖見圖3。如果入侵飛機(jī)裝備的應(yīng)答機(jī)報(bào)告高度，則防撞處理邏輯能將目標(biāo)的高度投射到最近接近點(diǎn)上。

　　當(dāng)一架入侵飛機(jī)報(bào)告高度，且其距離和其與最近接近點(diǎn)的垂直高度達(dá)到一定的指標(biāo)時(shí)，該入侵飛機(jī)就會(huì)被認(rèn)為具有潛在威脅而生成交通告警。如果入侵飛機(jī)不報(bào)告高度，則威脅的判斷僅僅依靠距離測(cè)試完成。
　　當(dāng)威脅確認(rèn)后，決斷告警將通過(guò)兩步來(lái)確定。第一步防撞處理邏輯選擇決斷告警的方向，用以確定本機(jī)的避讓方向是向上還是向下。在對(duì)具有威脅的飛機(jī)的距離和高度進(jìn)行跟蹤的基礎(chǔ)上，防撞處理邏輯將建立威脅飛機(jī)到達(dá)最近接近點(diǎn)的路徑模型，并選擇能夠提供更大垂直間距的決斷告警的方向。第二步防撞處理邏輯選擇決斷告警的強(qiáng)度，該強(qiáng)度能使本機(jī)獲得安全間距且對(duì)垂直速率的破壞最小。
　　在入侵飛機(jī)也裝備了TCAS的情況下，每架飛機(jī)都向?qū)Ψ斤w機(jī)發(fā)送S模式的協(xié)調(diào)詢問以確保選擇互補(bǔ)的決斷告警。

　　3TCAS的使用情況
　　美國(guó)于1993年12月31日開始要求30座以上的客機(jī)必須配備TCASII。歐洲空管建議，2000年1月1日后在30座以上的客機(jī)或最大起飛重量超過(guò)15000千克的飛機(jī)上配備ACASII，2005年1月1日后在19座以上的客機(jī)或最大起飛重量超過(guò)5700千克的飛機(jī)上配備ACASII。我國(guó)民航使用的客機(jī)比較先進(jìn)，絕大部分已預(yù)先安裝了最新版本的防撞系統(tǒng)。為進(jìn)一步加強(qiáng)航空安全，從2002年中期起也開始對(duì)其他未安裝防撞系統(tǒng)的客機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制安裝，這一工作于2002年底完成。2003年起，未安裝防撞系統(tǒng)的民航客機(jī)將不準(zhǔn)飛行，其他小型飛機(jī)由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)、技術(shù)原因等無(wú)法安裝的將被嚴(yán)格限制飛行時(shí)段、飛行高度和范圍，并逐步退出商業(yè)運(yùn)營(yíng)。
　　軍用運(yùn)輸機(jī)擔(dān)負(fù)著軍事裝備、作戰(zhàn)人員的運(yùn)輸任務(wù)，與直接擔(dān)負(fù)作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)的飛機(jī)不同，其飛行航線與民航有很多交叉，發(fā)生空中危險(xiǎn)接近的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它類型的作戰(zhàn)飛機(jī)。所以，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的軍用運(yùn)輸機(jī)，特別是大型和主要的運(yùn)輸機(jī)都加裝配備了TCAS系統(tǒng)，如美國(guó)在2002年由洛克希德•馬丁公司完成了為所有美國(guó)空軍C-5飛機(jī)（124架）加裝TCAS設(shè)備的工作；2005年，美國(guó)波音公司為美國(guó)空軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的500架C-130運(yùn)輸機(jī)加裝了Honeywell公司的TCAS機(jī)載設(shè)備。在歐洲，法國(guó)空軍的空客軍用型，以及已經(jīng)推出的軍用空客A-400飛機(jī)，都裝備TCAS設(shè)備。俄羅斯也為其軍用的伊爾-76、圖-154、雅克-42、安-124等飛機(jī)裝備了Honeywell公司的TCAS系統(tǒng)。
　　美國(guó)的其它軍用飛機(jī)也先后加裝了TCAS系統(tǒng)，如F-18、F-22就直接裝備了ETCAS（增強(qiáng)型機(jī)載防撞系統(tǒng)）。另?yè)?jù)報(bào)道，美國(guó)與瑞典合作，在F-16飛機(jī)上試飛與飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀交聯(lián)的機(jī)載防撞系統(tǒng)，以驗(yàn)證將來(lái)在無(wú)人機(jī)上應(yīng)用的可行性。
　　4結(jié)論
　　TCAS是避免飛機(jī)空中相撞的最后一道防線。多年的使用實(shí)踐已經(jīng)證明了它的有效性。TCASVersion7正在全世界推廣，國(guó)際民航組織建議2003年前全球范圍內(nèi)的民航飛機(jī)全部安裝滿足TCASVersion7標(biāo)準(zhǔn)的TCASII。
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