空中交通警戒與防撞系統TCAS2的原理簡介

巫彩玉

為了保障飛行安全，防止空中威脅或相撞的類似事故發生，目前的航空器上都普遍安裝了空中交通警戒與防撞系統。它能夠為飛行機組提供空中交通警戒和空中避讓的決策信息，提高了飛行員空中的警覺和自主脫險的能力。本文主要講述了空中交通警戒與防撞系統，即TCAS2（Traffic Alert and Collision

Avoidance SystemⅡ）。首先簡要介紹了TCAS2的功用和發展概況，隨后根據對方飛機安裝TCAS2、S模式應答機、A/C模式應答機等幾種不同情況較為詳細地闡述了它的基本工作原理。

一、TCAS的概述

（一）TCAS的起源。開發有效的機載防撞系統曾經是航空界多年來追求的目標。受1956年在科羅拉多大峽谷上空兩架客機相撞的刺激，航空公司開始了防撞概念的研究。20世紀60年代末至70年代初，若干廠家開發了航空器防撞系統ACAS

（Airborne Collision Avoidance System），但該設備在繁忙機場區域的正常運營中將產生高的虛警告，此外，它要求其他飛機也必須安裝該類設備。20世紀70年代中期，開發了信標防撞系統BCAS（Beacon Collision Avoidance System），該系統利用空中交通管制雷達信標系統ATCRBS應答機發回的數據來決定對方飛機的距離和高度。所有的航線運輸飛機、軍用飛機和大多數通用航空飛機上都安裝有ATCRBS應答機。因此，任何裝備BCAS的飛機能夠避開大多數其他飛機而得到保護。此外，正在發展的S模式應答機使用的離散選址通信技術，使兩架沖突的BCAS飛機能高度可靠地完成協調的避讓機動。1981年，FAA決定發展并裝備空中交通警戒與防撞系統TCAS（Traffic Alert

and Collision Avoidance System）。TCAS用的是BCAS的設計，但增加了新的功能，特別是TCAS2能提供垂直方向的避讓措施，能在交通密度高達每平方nmile0.3架飛機的空域正常運行。因此，TCAS系統是完全不依賴地面系統的機載設備。它通過ATC應答機相互對話，自行完成探測和跟蹤鄰近空域的飛機。根據接近程度，向機組提供不同級別的音響和目視警告，必要時推薦避讓措施。

（二）TCAS的功用和分類。交通咨詢與避撞系統（TCAS）是一種新型航空電子系統，可簡稱為避撞系統或防撞系統。國際民航組織定名為飛機避撞系統（ACAS）。它是一種獨立于地面設備的機載設備，它通過應答機相互通話，探測和跟蹤鄰近空域，根據接近程度，向機組提供警告和推薦避讓措施。

根據功能的不同，TCAS分為四類：TCAS1、TCAS2、TCAS3、TCAS4。

TCAS1——僅僅提供接近警告，用以幫助飛行員目視搜尋對方飛機，該類設備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，同時推薦在垂直方向的避讓措施（決策信息），以避開沖突的交通目標。該類設備主要用于航線運輸飛機、較大的通勤飛機和公務飛機。

TCAS3——由于技術原因，已停止發展。

TCAS4——目前還在開發之中，為避開沖突飛機，將提供交通警戒信息，并推薦在垂直方向和水平方向的避讓措施。

（三） TCAS對飛行安全的影響。美國聯邦航空局于1989年1月發出指令，要求各航空公司于1993年12月30日以前將旅客座位超過30座以上的所有飛機安裝TCAS系統和S模式應答機，1995年2月9日以前將旅客座位10～30座的所有飛機安裝TCAS系統，經過幾年的實踐證明，TCAS系統確實是一種防止和避免空中相撞事故的有效設備，美國在未裝備TCAS的1989年共發生危險接近（距離小于30米）事件23起，而裝備后的4年里（1993～1996）總共出現了18起。我們身邊的事實同樣證明了TCAS為保障安全做出的積極貢獻。1996年9月8日，國航一架B747SP飛機執飛香港的航班任務，進入武漢區域后，副駕駛在TCAS顯示器上發現有接近的飛機，雖然地面管制認為是TCAS出錯，但是機組通過目視觀察飛機外部情況，證實了TCAS顯示的正確性。TCAS發出“TRAFFIC”和“DESCENT”的音響警告，機組立即根據TCAS指令措施下降避免了一場可能發生的事故。

TCAS為飛行人員提供了一種安全可靠的探測空中交通環境手段。飛行人員在空中飛行時，不僅有交通控制系統為他們提供間隔距離，還可以方便的使用TCAS去發現附近的飛機，主動的避讓可能出現的危險，TCAS起著一道避免相撞危險的屏障作用，極大地增強了飛行人員的安全可靠感。

（四）TCAS的發展趨勢。TCAS在今后的使用中，其邏輯和標準將被不斷升級和提高，以便使其決策信息更趨于合理化，可靠性更強、準確性更高。例如，在按RA實施爬升和下降中達到超過紅區指示的垂直速度變化率時的聲音警報從過去的“Monitor Vertical Speed”（“監控垂直速度”）變為“Adjust Verti

cal Speed”（“校準垂直速度”），顯示也是用綠色飛行軌跡弧顯示出合理的高度變化率，以此抑制不必要的高度偏離。與此同時，TCAS4也在加緊研制，它直接從對方飛機或通過地面臺中介來接收對方飛機的GPS Position？（全球定位系統的位置）DA

TA（資料），進而與對方飛機的FMS（飛行管理系統）直接交換自動飛行的資料，發出向垂直和水平方向最合適的回避指示。

TCAS在可預見的未來仍是飛機監視與防撞的重要組成部分，而且還將在未來新的自由飛行環境中擔當關鍵的角色。如果借助ADS—B（廣播式自動相關監視系統）的遠程被動式監視技術，TCAS的功能將得到進一步的擴展。目前TCAS的監視范圍為40海里，借助ADS—B被動監視技術后TCAS的預警范圍可提高到200海里以上。并且ADS—B能夠周期性接收空域內每架飛機的重要信息，其包括航空器識別、位置、速度方向、高度等。TCAS飛機可以利用這些信息擴展其安全探查范圍，從而為機組提供更大的空中交通定向能力。

二、TCAS2的組成及原理

（一）TCAS2系統的組成。TCAS機載電子設備必須和S模式應答機聯合工作，因而一架飛機上必須有一至二套S模式應答機再加上一套TCAS機載電子設備才能工作。全套組成機件如下：

（二）TCAS2的基本工作原理。TCAS2應答機探測的范圍是前方40海里，后方20海里，兩側各20海里，上下8700英尺稱為保護區。如果有飛機闖入保護區，TCAS2系統通過應答機與該機對話，計算雙方之間距離，對方的相對方位，對方的高度和垂直速度（如果對方報告高度），對方的接近速率，通過這些數據TCAS2計算兩架飛機對CPA的時間。因此，對方飛機所帶應答機的類型不同，TCAS2的探測原理也有一定的差異。

（1） 對方飛機帶有S模式應答機或TCAS2系統。S模式應答機具有選擇地址的特性，它以每秒約1次的速率在1030MHz斷續發送間歇振蕩信號，該信號中含有發射者的S模式地址，裝有TCAS2的飛機將在1090MHz上主動接收這些信號，并對裝有S模式應答機的飛機在1030MHz上發出S模式詢問。根據回答信號可以確定該飛機的距離，方位和高度；根據對方飛機的幾次應答可以確定對方的高度變化率和距離變化率；根據詢問應答之間的來回時間可以確定它是否接近或離開探測范圍。因此，TCAS計算機可以計算出對方飛機的輪廓線和飛行軌跡是否將導致與自己相撞或接近相撞。然后TCAS2在自身飛機輪廓線的基礎上，給出合理的避撞措施RA。如果對方飛機帶有TCAS2系統，每架飛機都通過S模式應答機向對方發出詢問以保證互補決策的選擇。如圖2所示某架飛機正發出一個

RA，其它飛機就會向那架飛機每秒發一個協調詢問，協調詢問中包含有飛機打算作的垂直機動等信息，這種信息為互補形式。

（2）對方飛機帶有A/C模式應答機。TCAS2采用一種修改的C模式詢問，即全呼叫C模式詢問，如圖3所示，它以每秒一次的正常速率詢問A/C模式應答機。若對方飛機應答機工作在C模式，其回答信號中包括有高度信息，TCAS2可以發布決策信息RA；若工作在A模式，回答信號中沒有高度信息，TCAS2不能發布決策信息RA，只能發布交通警戒信息TA。

（3）對方無應答機或應答機不工作。對方無應答機或應答機不工作，它對TCAS2的詢問無法做出響應，因此，TCAS2無法探測該類飛機。

綜上所述，TCAS2提供的保護等級由對方飛機所帶的應答機的類型來決定，若對方飛機帶有A模式應答機，TCAS2只提供交通警戒信息TA；若對方飛機帶有C模式或S模式應答機，TCAS2既提供交通警戒信息TA，還提供決策信息RA；若兩架飛機都帶有TCAS2設備，則通過S模式應答機交換數據以對沖突進行協調解決；若對方飛機沒有應答機或應答機沒有工作，則TCAS2無法探測。

三、對航空維修工作的幾點思考

飛行安全是航空維修工作永恒的主題。一要掌握故障的宏觀規律。從宏觀上準確認識故障，是正確指導航空維修工作的基礎和前提。二是掌握故障的發生機理。對故障開展微觀研究，是提高機務人員技術水平的重要途徑。隨著裝備復雜度的提高，許多故障需要跨專業聯合攻關。這就需要建立新的故障研究機制，實現遠程診斷故障。三要從根本上減少故障。保證飛行安全的根本出路是提高裝備的固有可靠性，減少故障就必須注重維修質量。航空維修工作現代化建設問題

發展就是硬道理，對航空維修部門來說也是如此。一要思想觀念現代化。應該樹立強烈的現代化意識、發展意識和改革創新意識。飛機維修工作曾經被視為簡單的技藝，但現代航空維修已經成為一門科學，更被尊為其它武器裝備維修和工業維修的前驅。二要掌握應用先進科技手段。實現航空維修現代化，關鍵在先進科學技術的應用。隨著航空維修技術進入信息時代，將先進維修技術用于老舊飛機大有潛力可挖。三要學習民航的先進維修經驗。國內民航維修保障工作已完全與國際接軌，其法規體系、管理制度、維修技術與西方先進國家相比已無很大差距。認真學習民航維修管理經驗和技術，將起到事半功倍的效果。

小結：隨著民航事業的發展，空中交通日益繁忙，飛行安全也日益成為人們關注的焦點。維護過程中由于設備之間密切交聯，使故障現象之間的差別較難區分，有時是多種故障的綜合表現，有時是一條故障的多方影響，為機務人員排故帶來很大困難。為適應當前以可靠性為中心的維修思想，對TCAS2的維護不僅要求機務人員深刻了解該系統的基本工作原理以及它與其他機載系統的聯系，還要認真分析總結各種型號上TCAS系統的不同維修特點。這不僅對保障航空安全有重要意義，同時在減少維修費用，減少備件等方面具有重大的經濟意義。