TCAS在直升机上的应用

文/王秋云 孟浩

1 概述

据美国联邦航空局（FAA）统计，2009—2013年直升机致命性事故的原因中，撞击排名第二，且占比逐年增加，其中包括直升机之间、直升机与固定翼飞机之间等。

和固定翼飞行器相比，直升机面临的飞行安全威胁更加严重。直升机的飞行区域和作业特点，使得直升机比固定翼面临更频繁的危险接近和碰撞危险；直升机多数飞行区域是地面空管的盲区，无法获取空中交通信息；直升机多机飞行时受安全管理水平影响大，当缺乏安全管理经验或多单位协同时，易引发安全事故。因而，直升机对空中交通防撞技术有着强烈的需求。在常规的地面空管系统因其覆盖范围有限且存在雷达盲区，已难以满足所有飞行环境要求。为了使得飞行器间更好的相互通信、相互监视，航空界致力多年发展了机载防撞系统，能有效的降低碰撞风险。

目前，固定翼飞机上广泛采用的是空中交通告警防撞系统（Traff i c Collision Avoidance System，简称TCAS）。该设备基于二次雷达原理，能够主动探测和跟踪临近的飞行器，预测潜在的碰撞危险，并给飞行员发出警告及符合空中交通管制规则的防撞操作指令。截止目前，各国民航组织尚未对直升机（涡轴动力飞行器）安装TCASⅡ提出明确的要求。

鉴于TCAS在固定翼飞行器防碰撞领域取得的出色效果，直升机领域逐步在探索TCAS是否能够在直升机防撞方面发挥出同样的作用。2008年Collins将固定翼飞机TCAS直接移植到一架Super Puma直升机上，实现了TCAS安装在直升机上的突破。但是，学界目前对于TCAS是否能够给直升机提供可靠地告警和防碰撞指示依然有很多争议。

国内目前尚无直升机配装TCASⅡ的应用与研究。为满足重型直升机和未来民用直升机的使用需求，本文在分析TCAS原理的基础上，研究了TCAS在直升机上装机可行性和有效性，对适应直升机特点的TCAS发展方向进行了讨论。

2 TCAS原理

TCAS系统可不依赖于地面系统，作为传统ATC系统的一种备份，使本机与其他飞行器保持安全的空中间距。目前，按照各国民航局的要求，民航飞机主要安装的空中交通防撞系统以TCASⅡ为主，TCASⅡ的产品是高度标准化的。航空无线电委员会（RTCA）在1997年颁布了DO185A，规定了TCASⅡ的最小操作性能标准。随着大批量的设备装机使用，RTCA又在2008年颁布了DO185B，在DO185A的基础上对防碰撞算法作了改进提升。

TCASⅡ主要是完成针对附近空域内安装有ATCRBS应答机或S模式应答机的飞机防碰撞功能，具体可以归纳为监视、跟踪、潜在威胁评估、交通咨询（TA）、决断告警（RA）和避撞协调。

3 TCAS在直升机上应用

3.1 装机可行性

目前通用的TCASⅡ的最小操作性能标准DO185B默认是参考固定翼飞机的特征及飞行特性规定的。因而各国民航组织，都只规定起飞重量达到一定数来能够或乘客数量超过某一数值的固定翼飞机必须配装TCASⅡ。而并没有对直升机提出要求。国内目前尚无直升机配装TCASⅡ的研究，国外虽然有少量直升机加装了TCASⅡ，但也无法就此而完全确认证实直升机加装TCASⅡ的可行性。TCAS在直升机上安装的可行性需进一步分析。

基于TCAS的功能可知，将TCAS安装在直升机上的主要希望其能够起到几个方面的作用。首先，希望通过在两机距离非常靠近的时候执行TCASⅡ提供的RA（决断告警）以避免空中相撞；其次，TCASⅡ的TA（交通咨询）功能可以显示本机所在空域的飞行器方位信息，希望借此提升飞行员对周边环境的了解，预防空中撞机。下面结合TCASⅡ实现上述功能的具体设计，及直升机和固定翼飞机的差异，考虑其是否可以在直升机上使用。

（1）RA功能的实现。TCASⅡ的RA要求飞行器以7.6m/s的速度向上爬升，而部分直升机是达不到这个性能要求的。因此，直升机安装TCASⅡ时需确认本机的爬升速度要大于TCASⅡ的TA指标要求，否则不能安装TCASⅡ。不然的话，在两机距离靠近且TCASⅡ发出RA指令时，直升机无法按预期完成该指令将会导致两机相撞。

（2）TCASⅡ防碰撞逻辑的有效性主要是通过固定翼飞机之间的碰撞数据验证的，因此当其中的一架或两架均为安装了TCASⅡ的飞行器时，该碰撞逻辑是否有效则值得怀疑。理论上，TCASⅡ的防碰撞逻辑是基于可观测到的其他飞行器的轨迹的延续性。然而相对于固定翼而言，直升机的可操作性更强，可以在空中盘旋，也可以突然启动。因此上述的假设对于直升机是不成立的。针对该问题，ΕUROCONTROL（欧洲航管组织）TCAS项目组，建立了TCASⅡ模型、直升机飞行包线的模型及空中碰撞的模型，并在仿真试验中验证了TCASⅡ的防碰撞逻辑对直升机空中飞行避撞同样有效。究其原因在于，防碰撞逻辑对飞行器的姿态和距离测量误差有很强的鲁棒性，足以保证其对直升机特殊的飞行姿态和轨迹的跟踪预测。

（3）TA功能能否按照期望在直升机上实现。由于在TCASⅡ的天线的正上方和正下方是有盲区的，因而其安装平台的正上方和正下方的监控功能是不完善的。这对于固定翼飞机来说通常不构成问题，因为其向前的速度都会大幅超过其向上飞行的速度。可是直升机是可以直接向上拉升进入这些监控盲区的。所以，相对于固定翼飞机来讲，直升机监控的盲区的存在有更大概率导致其与入侵飞行器的碰撞。相比固定翼飞行器，直升机的机体不平整、还有旋翼桨叶的遮挡等问题，导致天线安装使用环境更加恶劣，天线监控性能也不可避免的要受到损失。现在装机的成品也只是在重量限制、动力学要求和监控性能之间做一个折中的选择

目前，中国民航大学等机构对固定翼飞机上的ADS-B（基于卫星定位和地/空数据链通信的航空器运行监视技术）和TCASⅡ数据融合算法开展了一些研究。ADS-B技术已日渐成熟，可自动广播由机载导航设备和GPS定位系统生成的精确定位信息。该设备可使载机的位置信息发送到其所在的空域内，安装有ADS-B设备的飞行器均可自动接收信息。因此，针对存在于本机TCASⅡ的监控盲区内的飞行器，可通过本机安装的ADS-B设备接收其位置信息。通过TCASⅡ和ADS-B数据的信息融合，将会有效弥补TCASⅡ的通信盲区。这是解决TCASⅡ监控盲区的有益探索方向。

3.2 装机有效性

美国MIT的林肯试验室在1987年即对TCAS在直升机上的安装进行了试验，随后对驾驶安装TCAS的直升机的飞行员进行调查，结论是对TCAS显示周边飞行器的功能表示认可，比没有安装TCAS的直升机更容易驾驶。然而该项研究没有给出定量结论。

考虑到直升机上安装TCASⅡ存在上述分析中提到的一些尚未完全解决的问题，因此TCASⅡ能在多大程度上提高直升的飞行安全性依然是不确定的。因此为了测试TCASⅡ在降低直升机空中碰撞风险方面的性能，ΕUROCONTROL开展了一项基于英国民用直升机的调查仿真研究。

TCAS项目组对直升机遭遇的18次空中相遇做了记录。另外，又对直升机可能会面临的22次比较典型的空中相遇做了记录。结合季节不同可能导致的差异，上述观测数据折合成0.32年的记录。对该数据进行整理后得出安装TCASⅡ前直升机撞机的概率约为每年0.076次。结合实际来看，本次研究开始前发生的一次英国空直升机空中撞机事件在1993年，下一次则是在2004年，与概率是基本相合的。在英国空域内，对于一架直升机在每个航时发生空中碰撞的概率是2.87×10-7，这略大于商用飞行器每航时7.8×10-8的概率，考虑到商用飞行器始终在RAS的保护下执行任务，比常规飞机多了一重保护，这个数值也是比较正常的了。

随后，基于RTCA在此前的研究建立起的碰撞模型，将其中一方的飞行包线进行调整以适用于直升机。先将直升机保持初始状态，进行飞行仿真，然后模拟直升机上安装TCASⅡ的参数状态进行飞行仿真，结果发现每年直升机空中撞机的概率降低到0.065次，两次事故的平均间隔时间由13年增加到15年。每航时发生空中碰撞的概率也降低到1.15×10-7。安装TCASⅡ明显的提升了直升机的安全性，直升机在条件允许的情况下均建议安装。

4 总结与展望

作为针对固定翼飞行器性能设计的机载空中防撞设备，大量实践证实TCAS能够有效提升固定翼飞机的飞行安全性。通过分析TCASⅡ的设计原理，对直升机与固定翼飞机在飞行性能和飞行包线等方面存在的差异进行研究后，确认安装TCAS可以有效减少直升机空中相撞概率，提升直升机的飞行安全性。但现有的TCAS技术尚不能完全满足直升机需求，其监控盲区的问题仍待解决，基于直升机动力学特性的防碰撞算法研究仍不够深入。今后将着重于TCASⅡ和ADS-B的数据融合方法及相关防碰撞算法的研究，进一步提高直升机复杂空域下的飞行安全性。