空中交通提醒与防撞系统浅谈

杨红梅

摘 要：20世纪中后叶，随着空中交通的迅速发展，一些中心机场的终端区和其他繁忙空域中的飞机密度不断增大，飞机之间的水平间隔和垂直间隔也随之减小。飞机之间出现危险接近的情况时有发生，甚至空中相撞而机毁人亡。这种情况下，为防止飞机之间危险接近，保障空中交通安全，航空界做出了不懈的努力。机载防撞系统的基本设想是研制一种装备在飞机上的电子系统，通过询问和监听周围飞机的应答机，设法监视本架飞机周围空域中其它飞机的存在、位置及运动状况，以使飞行员在明了本机邻近空域交通状况的情况下主动的采取回避措施，防止与其它飞机危险接近。该文主要讲述了这一机载电子设备——空中交通提醒与避撞系统，即TCAS（Traffic Alert and Collision Avoidance System）。基本工作原理及在飞机上的应用。

关键词：空中交通提醒与避撞系统 交通咨询信息 决策信息 原理及应用

中图分类号：TN958.56 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0241-02

飞机上的防撞系统，美国航空体系称为空中交通提醒和避撞系统（TCAS：Traffic Alert and Collision Avoidance System），欧洲航空体系称为机载防撞系统（ACAS：Airborne Collision Avoidance System），两者实际上的含义、功能是一致的。TCAS的历史可追溯到1956年在科罗拉多大峡谷上空两架客机相撞，受这一事件的刺激，航空界开始防撞概念的研究。20世纪60年代末70年代初，若干厂家开发了航空防撞系统，但是这款初期防撞系统在繁忙机场区域的正常运营中容易产生高的虚警告，此外，它要求其他飞机也必须装备该类设备。70年代中期，开发了信标防撞系统，该系统利用空中交通管制雷达信标系统ATCRBS应答机发回的数据来决定对方飞机的距离和高度。所有的航线飞机、军用飞机和大多数通用航空飞机上都安装有ATCRBS应答机，任何装备信标防撞系统的飞机都能够避开大多数其他飞机而得到保护。直至1980年，FAA决定发展并装备TCAS系统。

TCAS作为机载电子设备的一部分，占的分量并不大，系统的本身，在日新月异的信息科技时代，虽只有几年的历史，但也已不再是什么新鲜的技术。改革开放以来，我国的民航事业取得了空前的发展，大量地引进了现代化的飞机，但由于地面配套设备技术的后滞，对民航事业的发展，民航生存的关键——飞行安全，起到了一定的负面影响，所以，从功能上来讲，TCAS的引进，对保证飞行安全，起到了积极的作用。可以说它是一个独立的空中交通安全最后的保障，同时也增加了飞行员的安全意识和警觉性，提高了飞行员的安全感。

1 空中交通提醒与防撞系统介绍

1.1 交通提醒与防撞系统的概念

空中交通提醒与防撞系统（Traffic Alert and Collision Avoidance System），简称TCAS，是一种较为新型的航空电子系统，是完全不依赖地面系统的机载设备。目前已普遍装备于各种民用系统。

1.2 TCAS的分类及发展

根据发展和功能的不同，TCAS分为四类：TCAS1、TCAS2、TCAS3、TCASI4。

TCAS1——仅仅提供接近警告，用以帮助飞行员目视搜寻对方飞机，该类设备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，同时推荐在垂直方向的避让措施（决策信息），以避开冲突的交通目标。目前最为广泛使用。

TCAS3——由于技术原因，已停止发展。

TCAS4——还在开发之中，为避开冲突飞机，将提供交通警戒信息，并推荐在垂直方向和水平方向的避让措施。

随着空中交通流量的不断增大，机载防撞系统的必要性日益明显。80年代前后，多次出现了空中危险接近的情况，加速了研究机载防撞系统的步伐。1980年，本迪克斯公司获得了FAA研制TCAS 2的合同。罗克韦尔柯林斯公司、霍尼威尔等公司为争取机载防撞系统广阔的潜在市场，积极展开了对TCAS 2的开发和研究，终于在90年代研制成功TCAS 2。

2 TCAS的组成

TCAS系统组成组件有：TCAS计算机；S模式应答机；TCAS天线；ATC/TCAS控制面板；显示器以及音响警告组件。

2.1 TCAS计算机

TCAS计算机是TCAS系统的核心，是一个单独组件。

TCAS计算机送出信号告诉驾驶员保持当前飞行状态或进行机动操纵，防止与此区域内飞行的其他飞机相撞。它发射1030 MHz的询问信号，接收装有ATC应答机的入侵飞机的1090 MHz的应答机信号。

2.2 S模式应答机

S模式应答机执行A模式和C模式应答机的正常ATC功能以及用于装有TCAS飞机之间的空中数据交换，以保证提供协调、互补的决策咨询。共用一个ATC/TCAS控制盒，它位于中央操纵台。工作方式开关一共有5个位置，用于选择ATC和TCAS的工作方式与功能。

2.3 TCAS天线

TCAS天线的作用是实现与相遇飞机的询问—应答，并获得目标的方位信息。TCAS系统共有两部这样的天线，一部安装在飞机背部；另一部在飞机腹部中心线上。

2.4 显示器以及音响警告组件

显示器用于交通咨询TA和TCAS发出的决策信息RA。音响语音警告信息是用来补充加强提醒飞行员注意交通咨询信息和决策信息。

2.5 TCAS与其他机载系统交联

TCAS为实现避撞功能，一方面需获取相遇飞机的信息，以评估其飞行轨迹，另一方面还需计算本机的飞行趋势。因此，TCAS计算机需由其它导航系统输入各种导航数据，其交连关系较为复杂。

TCAS计算机与S模式应答机之间的信号交连。

TCAS计算机与水平状态指示器之间的信号交连。

TCAS计算机与其它导航系统的信号交连。

3 TCAS显示信息

现在比较常用的方式是利用EFSI来显示TCAS视觉信息。本文即以此为例来说明。

3.1 电子水平状态指示器（EHSI）上的TCAS视觉信息

显示在EHSI的TCAS信息主要是入侵飞机的相对位置、威胁等级等。

TCAS根据所获得的邻近飞机的距离和相对方位数据，将其显示在以本机为中心的地图型画面上。飞行员可一目了然地了解监视空域中的交通状况。

为了区别各架入侵飞机的威胁等级，分别以4种不同的符号来表示对本机威胁等级不同的飞机。

（1）蓝色或白色空心菱形。

蓝色或白色空心菱形代表相对高度>1200 FT，<2700 FT，或距离在6海里以上的飞机。完全不构成威胁，称为其他交通目标。

（2）蓝色或白色实心菱形。

显示为实心的菱形，仍为蓝色或白色。相对高度等于或小于1200 FT，且距离在6海里以内。称为接近交通目标，不构成威胁。但在某种情况下，它可能变成TA或RA目标。此显示的作用是可以增强处境意识。

（3）橙色或黄色实心圆。

此实心圆代表进入警戒区的飞机，显示为橙色或黄色，称为交通咨询。交通咨询伴有语音提醒信息“TRAFFIC TRAFFIC”（交通，交通）。

（4）红色矩形。

显示红色矩形代表进入警告区的飞机，称为决策咨询，同时，在电子姿态指示器（或主飞行显示器）上会同时显示TCAS计算出的垂直俯仰机动咨询信息。TCAS还会发出相应的决策信息语音信息。

TCAS计算机根据所获得的相遇飞机所报告的高度信息和本机的高度计算出入侵飞机的相对高度，显示在该机图像的上方或下方，当对方高于本机时，相对高度数前方为“+”号，显示于图像上方；当对方低于本机时，相对高度数前方为“-”号，显示于图像的下方。如相遇飞机与本机的相对升降速度等于或大于500FT/分，则TCAS在该飞机的旁边显示一个向上或向下的箭头，向上表示该机正在爬升，向下则表示下降。

为提醒飞行员注意观察显示器上的TCAS信息，在出现交通咨询或决策信息的情况时，显示器上出现“TRAFFIC”字符。要使TCAS信息显示在EHSI上，只有按下EHSI上控制盒上的TFC按扭，此时，EHSI上显示绿色的TFC。

由于某种原因一时无法获得入侵飞机的方位信息时，TCAS 仍然跟踪入侵飞机，并在必要时发出TA或RA。发出TA时，字符为黄色，发出RA时，字符为红色。

3.2 音频信息

TCAS除了可以给各种视觉信息发出交通咨询或决策咨询信息外，同时还可以发出预先录制的声音：“TRAFFIC，TRAFFIC”。

4 TCAS的基本原理及应用

TCAS监视范围一般为前方30海里，上、下方为3000 m，在侧面和后方的监视距离较小（为了减少无线电干扰，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则更小）。

TCAS的询问器发出脉冲信号，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，会发射应答信号。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，为驾驶员提供信息和警告，这些信息显示在驾驶员的导航信息显示器上。

TCAS可以提供语言建议警告，计算机可以计算出监视区内30架以内飞机的动向和可能的危险接近，使驾驶员有25～40 s的时间采取措施（TCAS可跟踪45架飞机，根据选定目标的优先级，最多显示30架飞机）。

TCAS显示邻近飞机与自己飞机的间距与航向，显示范围可以由飞行员决定（从2.5浬至30浬），若是与别架飞机的距离或航向有相撞的危险时，TCAS会用声音及显示警告飞行员，即决策信息（RA）。并且会用语音指示避撞的动作，例如：“爬升！爬升！”“下降！下降！”别架飞机若有装TCAS，也会有同样的警告发出来。

在美国联邦航空管理局（FAA）或其它民航管理单位，都会规范TCAS与ATC（Air Traffic Control：航空管制）的指示冲突时的优先次序，因为若是一架飞机遵从TCAS，但另一架遵从ATC，这样子仍有互撞的危险。最明显的实际案例，在2002年，两架飞机在德国南部的乌柏林根上空发生空中接近，两机都收到了TCAS的警告，但有一架飞机未遵从TCAS的指示，而另一架飞机反而听从ATC的指示，导致两机在空中相撞造成重大死伤。

TCAS的采用提高了飞行的安全性，目前新生产的大、中型客机上TCAS都已成为标准装备，随着科学技术的日益发展，TCAS系统将会日臻完善，必将成为现代航空安全保障必不可少的技术支撑。并对航空维修带来更严峻的考验。最后，谈谈对航空维修的几点思考。飞行安全是航空维修工作永恒的主题。而要保证航空维修的安全可靠性，必须要求航空维修人员熟悉掌握飞机各部附件的基本原理和工作要求，学习大量的技术知识并不断更新适应航空业迅猛的发展。机务维修工作就是要保障各部附件的正常无故障，所以，掌握了设备基本工作原理才能更准确的分析故障的发生机理。对故障开展微观研究，是提高机务人员技术水平的重要途径，从根本上减少故障。保证飞行安全的根本出路是提高装备的固有可靠性，减少故障就必须注重维修质量。航空维修工作现代化建设问题发展就是硬道理，对航空维修部门来说就是如此。一要思想观念现代化。应该树立强烈的现代化意识、发展意识和改革创新意识。飞机维修工作曾经被视为简单的技艺，但现代航空维修已经成为一门科学，更被尊为其它武器装备维修和工业维修的前驱。二要掌握应用先进科技手段。实现航空维修现代化，关键在先进科学技术的应用。随着航空维修技术进入信息时代，将先进维修技术用于老旧飞机大有潜力可挖。三要学习民航的先进维修经验。国内民航维修保障工作已完全与国际接轨，其法规体系、管理制度、维修技术与西方先进国家相比已无很大差距。认真学习民航维修管理经验和技术，将起到事半功倍的效果的工作性能。尤其是现如今随着电子技术的飞速发展，故障是多种多样的，故障的现象更加复杂多变、不容易从现象中马上判断出故障根源、往往造成重复性故障。排除电子设备故障通常的模式都是更换电子控制组件、收发机、控制面板、显示器等模块化部件一般都能够将故障彻底排除。但是最终我们还是不能了解故障的真正始作俑者，如果故障再次出现，我们还是不能准确，迅捷的找到根源并排除掉。只有不断的学习掌握飞机系统的理论知识，任何一个常识问题就会给我们的排故工作理顺思想，也不拘泥于排故经验及手册，熟知了各系统的理论结构，并结合实际进行排故分析。根据故障线索，分析原因，抓主要矛盾，去查找、解决问题，快速排除故障。了解系统工作情况，分清哪些因素可能会引起故障，进而判断哪些因素是造成故障的根本原因。工作中我们能够大胆而细致的设想排故思路并加以实施。因此，不断的学习和考究新型设备系统，提高每一位维修人员的认知，识知是适应航空业发展的。TCAS系统作为一个发展中的新型的机载设备，它是航空业发展的必然产物，更需要我们去学习和探索。

参考文献

[1] 魏刑顺，张欲敏.无线电导航原理[M].南京：东南大学出版社，1989.

[2] 民用航空器维修人员执照基础培训教材[Z].中国民航学院教务处，2002.

[3] 刘汉辉，王长升.空中交通警戒与防撞系统TCASII[M].北京：中国民航出版社，1996.