空中交通警戒与防撞系统TCAS2的原理简介

巫彩玉

为了保障飞行安全，防止空中威胁或相撞的类似事故发生，目前的航空器上都普遍安装了空中交通警戒与防撞系统。它能够为飞行机组提供空中交通警戒和空中避让的决策信息，提高了飞行员空中的警觉和自主脱险的能力。本文主要讲述了空中交通警戒与防撞系统，即TCAS2（Traffic Alert and Collision

Avoidance SystemⅡ）。首先简要介绍了TCAS2的功用和发展概况，随后根据对方飞机安装TCAS2、S模式应答机、A/C模式应答机等几种不同情况较为详细地阐述了它的基本工作原理。

一、TCAS的概述

（一）TCAS的起源。开发有效的机载防撞系统曾经是航空界多年来追求的目标。受1956年在科罗拉多大峡谷上空两架客机相撞的刺激，航空公司开始了防撞概念的研究。20世纪60年代末至70年代初，若干厂家开发了航空器防撞系统ACAS

（Airborne Collision Avoidance System），但该设备在繁忙机场区域的正常运营中将产生高的虚警告，此外，它要求其他飞机也必须安装该类设备。20世纪70年代中期，开发了信标防撞系统BCAS（Beacon Collision Avoidance System），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。所有的航线运输飞机、军用飞机和大多数通用航空飞机上都安装有ATCRBS应答机。因此，任何装备BCAS的飞机能够避开大多数其他飞机而得到保护。此外，正在发展的S模式应答机使用的离散选址通信技术，使两架冲突的BCAS飞机能高度可靠地完成协调的避让机动。1981年，FAA决定发展并装备空中交通警戒与防撞系统TCAS（Traffic Alert

and Collision Avoidance System）。TCAS用的是BCAS的设计，但增加了新的功能，特别是TCAS2能提供垂直方向的避让措施，能在交通密度高达每平方nmile0.3架飞机的空域正常运行。因此，TCAS系统是完全不依赖地面系统的机载设备。它通过ATC应答机相互对话，自行完成探测和跟踪邻近空域的飞机。根据接近程度，向机组提供不同级别的音响和目视警告，必要时推荐避让措施。

（二）TCAS的功用和分类。交通咨询与避撞系统（TCAS）是一种新型航空电子系统，可简称为避撞系统或防撞系统。国际民航组织定名为飞机避撞系统（ACAS）。它是一种独立于地面设备的机载设备，它通过应答机相互通话，探测和跟踪邻近空域，根据接近程度，向机组提供警告和推荐避让措施。

根据功能的不同，TCAS分为四类：TCAS1、TCAS2、TCAS3、TCAS4。

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。该类设备主要用于航线运输飞机、较大的通勤飞机和公务飞机。

TCAS3——由于技术原因，已停止发展。

TCAS4——目前还在开发之中，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。

（三） TCAS对飞行安全的影响。美国联邦航空局于1989年1月发出指令，要求各航空公司于1993年12月30日以前将旅客座位超过30座以上的所有飞机安装TCAS系统和S模式应答机，1995年2月9日以前将旅客座位10～30座的所有飞机安装TCAS系统，经过几年的实践证明，TCAS系统确实是一种防止和避免空中相撞事故的有效设备，美国在未装备TCAS的1989年共发生危险接近（距离小于30米）事件23起，而装备后的4年里（1993～1996）总共出现了18起。我们身边的事实同样证明了TCAS为保障安全做出的积极贡献。1996年9月8日，国航一架B747SP飞机执飞香港的航班任务，进入武汉区域后，副驾驶在TCAS显示器上发现有接近的飞机，虽然地面管制认为是TCAS出错，但是机组通过目视观察飞机外部情况，证实了TCAS显示的正确性。TCAS发出“TRAFFIC”和“DESCENT”的音响警告，机组立即根据TCAS指令措施下降避免了一场可能发生的事故。

TCAS为飞行人员提供了一种安全可靠的探测空中交通环境手段。飞行人员在空中飞行时，不仅有交通控制系统为他们提供间隔距离，还可以方便的使用TCAS去发现附近的飞机，主动的避让可能出现的危险，TCAS起着一道避免相撞危险的屏障作用，极大地增强了飞行人员的安全可靠感。

（四）TCAS的发展趋势。TCAS在今后的使用中，其逻辑和标准将被不断升级和提高，以便使其决策信息更趋于合理化，可靠性更强、准确性更高。例如，在按RA实施爬升和下降中达到超过红区指示的垂直速度变化率时的声音警报从过去的“Monitor Vertical Speed”（“监控垂直速度”）变为“Adjust Verti

cal Speed”（“校准垂直速度”），显示也是用绿色飞行轨迹弧显示出合理的高度变化率，以此抑制不必要的高度偏离。与此同时，TCAS4也在加紧研制，它直接从对方飞机或通过地面台中介来接收对方飞机的GPS Position？（全球定位系统的位置）DA

TA（资料），进而与对方飞机的FMS（飞行管理系统）直接交换自动飞行的资料，发出向垂直和水平方向最合适的回避指示。

TCAS在可预见的未来仍是飞机监视与防撞的重要组成部分，而且还将在未来新的自由飞行环境中担当关键的角色。如果借助ADS—B（广播式自动相关监视系统）的远程被动式监视技术，TCAS的功能将得到进一步的扩展。目前TCAS的监视范围为40海里，借助ADS—B被动监视技术后TCAS的预警范围可提高到200海里以上。并且ADS—B能够周期性接收空域内每架飞机的重要信息，其包括航空器识别、位置、速度方向、高度等。TCAS飞机可以利用这些信息扩展其安全探查范围，从而为机组提供更大的空中交通定向能力。

二、TCAS2的组成及原理

（一）TCAS2系统的组成。TCAS机载电子设备必须和S模式应答机联合工作，因而一架飞机上必须有一至二套S模式应答机再加上一套TCAS机载电子设备才能工作。全套组成机件如下：

（二）TCAS2的基本工作原理。TCAS2应答机探测的范围是前方40海里，后方20海里，两侧各20海里，上下8700英尺称为保护区。如果有飞机闯入保护区，TCAS2系统通过应答机与该机对话，计算双方之间距离，对方的相对方位，对方的高度和垂直速度（如果对方报告高度），对方的接近速率，通过这些数据TCAS2计算两架飞机对CPA的时间。因此，对方飞机所带应答机的类型不同，TCAS2的探测原理也有一定的差异。

（1） 对方飞机带有S模式应答机或TCAS2系统。S模式应答机具有选择地址的特性，它以每秒约1次的速率在1030MHz断续发送间歇振荡信号，该信号中含有发射者的S模式地址，装有TCAS2的飞机将在1090MHz上主动接收这些信号，并对装有S模式应答机的飞机在1030MHz上发出S模式询问。根据回答信号可以确定该飞机的距离，方位和高度；根据对方飞机的几次应答可以确定对方的高度变化率和距离变化率；根据询问应答之间的来回时间可以确定它是否接近或离开探测范围。因此，TCAS计算机可以计算出对方飞机的轮廓线和飞行轨迹是否将导致与自己相撞或接近相撞。然后TCAS2在自身飞机轮廓线的基础上，给出合理的避撞措施RA。如果对方飞机带有TCAS2系统，每架飞机都通过S模式应答机向对方发出询问以保证互补决策的选择。如图2所示某架飞机正发出一个

RA，其它飞机就会向那架飞机每秒发一个协调询问，协调询问中包含有飞机打算作的垂直机动等信息，这种信息为互补形式。

（2）对方飞机带有A/C模式应答机。TCAS2采用一种修改的C模式询问，即全呼叫C模式询问，如图3所示，它以每秒一次的正常速率询问A/C模式应答机。若对方飞机应答机工作在C模式，其回答信号中包括有高度信息，TCAS2可以发布决策信息RA；若工作在A模式，回答信号中没有高度信息，TCAS2不能发布决策信息RA，只能发布交通警戒信息TA。

（3）对方无应答机或应答机不工作。对方无应答机或应答机不工作，它对TCAS2的询问无法做出响应，因此，TCAS2无法探测该类飞机。

综上所述，TCAS2提供的保护等级由对方飞机所带的应答机的类型来决定，若对方飞机带有A模式应答机，TCAS2只提供交通警戒信息TA；若对方飞机带有C模式或S模式应答机，TCAS2既提供交通警戒信息TA，还提供决策信息RA；若两架飞机都带有TCAS2设备，则通过S模式应答机交换数据以对冲突进行协调解决；若对方飞机没有应答机或应答机没有工作，则TCAS2无法探测。

三、对航空维修工作的几点思考

飞行安全是航空维修工作永恒的主题。一要掌握故障的宏观规律。从宏观上准确认识故障，是正确指导航空维修工作的基础和前提。二是掌握故障的发生机理。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。随着装备复杂度的提高，许多故障需要跨专业联合攻关。这就需要建立新的故障研究机制，实现远程诊断故障。三要从根本上减少故障。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也是如此。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。

小结：随着民航事业的发展，空中交通日益繁忙，飞行安全也日益成为人们关注的焦点。维护过程中由于设备之间密切交联，使故障现象之间的差别较难区分，有时是多种故障的综合表现，有时是一条故障的多方影响，为机务人员排故带来很大困难。为适应当前以可靠性为中心的维修思想，对TCAS2的维护不仅要求机务人员深刻了解该系统的基本工作原理以及它与其他机载系统的联系，还要认真分析总结各种型号上TCAS系统的不同维修特点。这不仅对保障航空安全有重要意义，同时在减少维修费用，减少备件等方面具有重大的经济意义。