导航课件--Lecture-10-TCAS

中国民航飞行学院CivilAviationFlightUniversityofChinaACAS—AutomaticCollisionAvoidanceSystemTCAS—TrafficalertandCollisionAvoidanceSystem第9章空中交通警戒与防撞系统（TCAS/ACAS）2013/4/161TCAS简史1956年在科罗拉多大峡谷上空两架客机相撞－－航空界开始防撞研究。60年代末ACAS－－航空器防撞系统70年代BCAS－－信标防撞系统80年代TCAS－－空中交通警戒与防撞系统1986年洛杉矶一架麦道飞机和一架小型机相撞，82人死亡，包括15名地面人员。该事件导致美国国会和其它国际标准组织最终将TCAS列为强制安装设备。2013/4/162TCAS的功用TCAS利用应答机（TCAS2还利用了机载询问机）获取周围运行飞机的相对位置和相对运行速度来预测可能存在的空中相撞，并对飞行员提供警告和避让方案建议。2013/4/163TCAS分类TCAS1－－仅提供接近警告。TCAS2－－既提供接近警告，又推荐在垂直方向的避让措施。（本章内容）TCAS3－－既提供接近警告，又推荐在垂直方向和水平方向的避让措施，由于技术原因，停止发展。TCAS4－－采用新的技术手段取代TCAS3，既提供接近警告，又推荐在垂直方向和水平方向的避让措施，但又被ADS-B系统取代2013/4/164TCASII的工作概况TCAS2利用和ATC系统中SSR一样的方式来探测飞机周围空域的飞机分布情况，包括方位信息和距离信息（设备允许的情况下包括高度信息），通过对各个飞机连续监视，可以计算出飞机的相对运动情况，根据飞机相对于本机的接近率和距离情况，在潜在的危险到来的时刻发出交通咨询TA（TrafficAdvisory）以提醒和报告危险，和决策咨询RA（ResolutionAdvisory）。2013/4/165TCASIIfunctionsSurveillanceofadjacenttransponders(nominalrange=14NM)Mustbeabletoprocessatleast30aircraftDisplayofinformationonInstantaneousVerticalSpeedIndicators(IVSI)oronEFIS(ND+PFD)Co-ordinationbetweentwoTCASunits(throughtheModeSdata-link)Processingcycle=1second2013/4/166SurveillanceofintruderwithModeSXPDRModeStransponder(onintruder)willbroadcastModeSaddressoftheintruderoncepersecondTCASlistensforthesquitter,andthen,addsittoalistofaircrafttheTCASaircraftwillinterrogate.TCASsendsinterrogationtotheModeStransponderwithitsaddress.Fromreply,TCAScandeterminetherangeandthealtitudeofthataircraft2013/4/167SurveillanceofintruderwithModeA/CXPDRTCASusestheModeConlyall-callmessagetointerrogatethesetypesofModeA/CXPDRsoncepersecond(nominally)ModeCXPDRreplywithaltitudedataModeAXPDRreplywithnodatainthealtitudefield2013/4/168基本术语TCAS2发出TA还是发出RA根据同预测的危险发生时间上的时间间隔大小决定。飞机预计要发生碰撞的时间点称为CPA（ClosestPointofApproach-最接近点），根据距离CPA的时间可以在飞机周围设定3个区域，碰撞区、警戒区和警告区。该区域的大小由飞机和飞机间的接近速度决定。TCAS2的设计目标就是避免飞机进入碰撞区。2013/4/169碰撞区、警告区和警戒区的垂直投影图2013/4/1610SensitivitylevelsTA和RA的预警距离范围随本机的飞行高度的不同也有不同，用参数SensitivityLevel区分2013/4/1611TCASoperationmodesThepilotcanselectthreemodesofTCASoperation:STANDBY,TA-ONLY,andAUTOMATIC.STANDBY:Nointerrogationtransmit,normallyusedonground.TA-ONLY:ProvidesTAsbutnoRAs,usedtoavoidunnecessarydistractionswhileatlowaltitudesandonfinalapproachtoanairportAUTOMATIC:TAsandRAs2013/4/1612TAUwithRangeandRangeRate两机距离和接近率是决定入侵飞机威胁程度的依据，还要考虑当在距离较近时，即使接近率比较低，危险程度也相对较高，用TAU表示计算出来的威胁程度（potentialthreatlevel）TAU的计算公式如下，SMOD为距离因素调整参数，rdot为接近率2013/4/1613TA/RATauvaluesforsensitivitylevel52013/4/1614曲线变化是由参数SMOD引起的系统报警方式交通警戒信息TA：当对方飞机进入警戒区时发布：该飞机用一橙色实心圆表示，发布声音信息：TRAFFIC－－TRAFFIC决策信息RA：当对方飞机进入警告区时发布：对方飞机用一红色实心方块表示，出现目视和音响措施通告。2013/4/1615咨询类型TCAS根据接近飞机相对于本机的距离和接近速度把它们分为四类：其它交通目标（OthersTraffic，OT）：无威胁，相对高度大于1200ft、小于2700ft，或距离在6nm以上。接近交通目标（ProximityTraffic，PT）：接近威胁，相对高度等于或小于1200ft，且距离在6nm以内。交通咨询目标（TrafficAdvisory，TA）：交通咨询，系统判明的与本机存在潜在危险接近的飞机（或称为“入侵飞机”），TCAS2会提前一定时间（20～48s）发出交通咨询。决策咨询目标（ResolutionAdvisory，RA）：决策咨询，在对已判明为交通咨询的入侵飞机被连续监视约15s后，如果该机与本机危险接近的状况仍然存在，则TCAS会发出决策咨询。2013/4/1616TCAS2工作原理1TCAS2需要测量周围飞机的距离和方位信息，其工作原理类似于地面SSR，也采用方向性天线，发射1030MHz的A/C模式或S模式询问信号。TCAS2通过持续的跟踪飞机来评估对本机的威胁程度，并发出不同的咨询警告信号。TCAS2根据询问与应答的延迟时间来计算飞机间的距离，所以TCAS2只能探测安装了A/C模式或S模式应答机的飞机。2013/4/1617TCAS2的工作原理2若入侵飞机不能报告高度，则TCAS2只能发出TA，而不能发RA，此时TCAS2将其视为同本机在同一高度上。在TCAS2系统中，S模式应答机大约每秒1次发射24位地址码信息，TCAS2监听到该间歇发射信号后，或监听到其对S模式全呼叫询问信号的应答，将该飞机24位地址码加入自己的滚动询问呼叫菜单，定期循环询问该菜单中所有飞机来评估跟踪它们。若入侵飞机只有A/C模式应答机，则采用全呼叫询问格式，Whisper/Shout（耳语/大喊）方案分段分区进行呼叫。Whisper/Shout方案在ATCRBS系统中也有采用。2013/4/1618Whisper/Shout（耳语/大喊）方案Whisper/Shout方案询问信号由四个脉冲组成，与S模式中全呼叫询问信号格式相似。在P1脉冲之前2μs增加一个S1脉冲，且S1脉冲的幅度略低于P1的幅度。整个脉冲串的重复周期为2ms，它由衰减器控制功率逐渐增大，顺序地由近及远分区域询问探测周围的飞机。2013/4/1619LimitationsTCASIIwillautomaticallyfailiftheinputfromtheaircraft’sbarometricaltimeter,radioaltimeterortransponderislostNoRAsorTAsagainstanythreatswithaclosurerateofover1200knotsorverticalratesover10,000ft/min.RAscanbegeneratedbeforeATCseparationminimaareviolatedandevenwhenATCseparationminimawillnotbeviolated.2013/4/1620Currentdevelopments1/22000EuropemandatesTCASIIversion7.02002Mid-aircollisionoverÜberlingen,followedbychangesinICAOACASproceduresandprovision2003ICAOworldwidemandateforTCASIIversion7.0(above30passengersseats)2013/4/1621Currentdevelopments2/22005ExtensionofEuropeanmandatetosmalleraircraft(above19seats)2008TCASIIversion7.1designcompletedtoimprovesafetyperformance2011TCASIIversion7.1Europeanmandateannounced2013/4/1622TCAS2可探测入侵飞机的分类TCAS2根据入侵飞机的装备情况将其分为3类无高度报告的入侵飞机应答机只具备A模式，TCAS2可以获取其距离和方位信息，只提供TA，无RA有高度报告的入侵飞机有A/C模式应答机的飞机和有S模式应答机，可以获取距离、方位、高度信息，提供TA和RA装有TCAS2的入侵飞机装有TCAS2设备的两架飞机，可以建立基于S模式数据链的空空协调关系，进行避让协调，若一架飞机已经选择“爬升”RA，则发出通知限制对方只能选择“下降”RA。2013/4/1623Levelsofprotections2013/4/1624Equipmentschematicdiagram2013/4/1625TCAS2系统交联2013/4/1626TCAS2系统组成TCAS2系统的组成组件有：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。CAS计算机是TCAS的主要部件，它具有监视邻近空域中的飞机、获取所跟踪飞机的数据、进行威胁评估计算、产生交通咨询或决策咨询等以实现空-空机动操纵协调功能。2013/4/1627方向性天线TCAS2的方向性天线为外形扁平的流线形天线，TCAS计算机可以控制四部天线轮流辐射，也可以四部天线同时辐射，这时相当于全向辐射。2013/4/1628方向性天线的辩向精度TCASII使用的方向性天线的辩向能力并不很高，RTCADO-185B中规定的辩向精度，在上下10度范围内为9度（均方根），上下10度到20度的范围内为10度（均方根）不高的辩向精度，使得TCASII不能采用