机载防撞系统（TCAS）分析及典型故障

leon1417 · 发表于 2009-12-2 19:23:36

机载防撞系统（TCAS）分析及典型故障

作者：史雪松国航股份工程技术分公司呼和浩特维修基地

   “TCAS” 是英文“ TRAFFIC ALERT AND COLLISION AVOIDANCE SYSTEM ”的缩写。中文通常译为“交通警戒及防撞系统”，或简称为“防撞系统”。

   随着现代飞机数量的日益增加，空域中飞机的密度增大，使飞机非安全接近的可能性大大增加。为了避免飞机之间危险接近或碰撞的情况发生，现在的各型民用客机都安装了 TCAS系统。

   TCAS 系统的功用是，向邻近的飞机发出询问信号，通过入侵飞机的机载应答机系统（ ATC）对询问信号的应答，获得入侵飞机的代码、高度、航向和其他数据。 TCAS计算机通过数据分析，判断出入侵飞机相对本机的威胁等级。如果存在潜在的威胁， TCAS系统将向驾驶员发出咨询提示，或发出垂直机动指示，指导驾驶员，避免与入侵飞机发生冲突。如果不存在威胁， TCAS系统将显示入侵飞机的相对位置和轨迹。

   TCAS 系统作为现代飞机的重要机载电子设备，具有探测范围大，探测精度高，反映速度快以及显示清晰易辩读等特点。它的突出表现和卓越性能，越来越受到广大飞行人员和地面交通管制人员的喜爱和依赖。是飞机安全飞行的重要帮手。但是与 TCAS系统的卓越表现相对应的，是其复杂的系统交联和内部构造，对系统维护和故障排除提出的更高要求。 TCAS系统对信号的灵敏度和精度有很高的要求，大量的数据计算是其提供高精度电子识别的基础，再加上机上复杂恶劣的电磁环境，造成了各型飞机上 TCAS系统故障率相对较高的情况。作为系统维护工程师，在对 TCAS系统进行维护过程中，应该采取什么措施，避免这种高故障率的发生呢？在故障发生后，应如何采取排故方案，使故障在最短时间内得到处理呢？现在，让我们以 737-300型飞机为例，对 TCAS系统的概况进行阐述。

一、系统组成：

   TCAS 系统的主要由以下部件构成：

1、 TCAS 处理器（或计算机）；是 TCAS系统的核心部件，其主要功能是发出询问信号、接收入侵飞机的应答信号、接收本机其他系统的数字和离散信号、基于本机数据和接收的数据进行计算、产生交通咨询和决断咨询。

2、天线；装有上下两部天线，天线为四单元相控阵天线，使用四根同轴电缆与 TCAS处理器（或计算机）相连。用来发射 TCAS处理器（或计算机）的询问信号，和接收入侵飞机发射产生的应答信号并送到 TCAS处理器（或计算机）。

3、 TCAS/ATC 控制盒；用于驾驶舱人机接口。主要有 TCAS方式选择和应答机编码选择等功能。

4、 EFIS 系统；用于显示 TCAS系统的目视信息。

5、音响警告系统；用于产生 TCAS系统的音频信息。

二、输入信号及作用：

   TCAS 系统向飞行人员提供的是入侵飞机与本机位置的相对信息，在 TCAS计算机获得入侵飞机的高度、距离、航向、方位等信息后，还需要知道本机的具体位置、高度、航向、高度变化率等信息，才能计算出入侵飞机的运动轨迹是否与本机的运动轨迹相冲突，进而确定发出何种警报类型。所以为了完成计算， TCAS计算机需要本机的其他系统提供许多信息。下面具体说明：

1、 IRS ：提供航向、俯仰角、横滚角和气压高度数据。用来确定本机的位置、高度和飞行路径。

2、 RA ：提供无线电高度信号。用来设定产生交通咨询和决断咨询的灵敏度等级。

3、 EFIS 控制板：提供显示控制。

4、 TCAS/ATC 控制板：用来设定 TCAS计算机的工作方式。

5、 S 模式应答机：提供本机的 24位识别码。用来与入侵飞机之间建立防撞避让程序，既可产生与入侵飞机协调好的垂直机动程序。

6、最大空速数据；在决断咨询的计算中，用来进行两架飞机能够相撞的最大速率预测。

7、空地逻辑信号；告诉 TCAS计算机，飞机是在空中还是地面。在地面时， TCAS系统将不产生询问或应答信号；在空中时，将抑制 TCAS系统自测试。

8、起落架手柄信号；提供起落架手柄放下信号。当手柄在放下位时， TCAS下天线将工作在全向方式。

9、如果风切变或近地警告信号发生时， TCAS计算机将被设定在交通咨询方式，并且所有音响警告均被抑制。

10、一条抑制线将 TCAS计算机、两部 S模式应答机和两部测距机连接在一起。这是因为这五套设备都是工作在 L波段的无线电设备，为了避免在工作时相互之间产生干扰，使用一条抑制线将它们彼此相连。这样当一台设备工作时，另外四台设备既不发射也不接收，从而避免了相互干扰以及设备的损坏。

三、 TCAS 系统的工作原理：

   TCAS 系统要正常工作，需要 S模式应答机的配合，因此，装备 TCAS系统的飞机，必定装备了 S模式应答机。装备了 TCAS的飞机，可以对装备有 S模式应答机的飞机或 A、 C模式应答机的飞机作出 TA（交通咨询）或 RA（决断咨询）响应。 TCAS计算机内部同时具有 S模式译码器和 A、 C模式译码器。因此， TCAS计算机可以对装备有以上几种模式应答机的飞机的应答信号作出判断。

   具体工作过程如下：

   首先， TCAS系统会自动监听本机附近空域中装备有 S模式应答机的飞机的发射信号。不论是否收到询问信号， S模式应答机都会每隔一秒，向外发射 S模式编码信号，该信号包括本机的 24位地址码等信息。当 TCAS系统收到 S模式编码信号后，将该机的 24位地址码加入到询问列表中，稍后 TCAS会逐个地询问列表中的飞机。此外 TCAS还使用耳语 -大喊方案，对周围空域中没有装备 S模式应答机的飞机进行询问， TCAS会主动询问周围空域中装有 A或 C模式应答机的入侵飞机，因为 A、 C模式应答机必须在收到询问信号后才能进行应答，并且它们的应答信号中没有 24位地址码，只有飞机编码或飞行高度等信息。对于 S模式信息和 A、 C模式信息， TCAS计算机会使用与各模式相应的译码器进行译码，获得计算所需的入侵飞机高度、高度变化率等信息。通过测量询问信号发出到接收到应答信号的时间间隔，计算出入侵飞机的距离。通过方向性天线的定向性，获得入侵飞机的方位信息。这样就获得了计算入侵飞机飞行轨迹的全部所需信息，为进一步的计算做好准备。

   其次，本机的其他机栽系统会连续地向 TCAS计算机提供本机的飞行参数，如位置、俯仰角、横滚角、飞行高度、最大空速等信息。 TCAS计算机在对入侵飞机的参数和本机的参数进行综合计算后，得到本机与入侵飞机的相对高度和速度。进一步通过计算判断出本机与入侵飞机的飞行轨迹是否具有相互冲突的可能。根据入侵飞机对本机的威胁状况，将入侵飞机分别归类为无威胁等级组、接近威胁等级组、 TA（交通咨询）威胁等级组和 RA（决断咨询）威胁等级组，四个威胁级别组。 TCAS的最大监视能力为 30架飞机。

   最后， TCAS向驾驶员适时地发出目视警告和音响警告。四个威胁等级组内的飞机是以不同符号显示在 EHSI上的，无威胁等级组是以白色空心菱形表示；接近威胁等级组是以白色实心菱形表示； TA（交通咨询）威胁等级组是以黄色实心圆形表示； RA（决断咨询）威胁等级组是以红色方块表示。只有当出现 TA（交通咨询）威胁等级或 RA（决断咨询）威胁等级时， TCAS才会发出对应的音响警告信息。 TA和 RA等级的判定是以 TAU来决定的。 TAU表示入侵飞机到达与本机相遇点的时间。 TAU不是固定不变的，根据飞机高度， TAU在 20秒至 45秒之间变化。当入侵飞机处于 RA（决断咨询）威胁等级时，并且入侵飞机也装备有 TCAS系统时，两架飞机的 TCAS系统在语音警告的同时，会在 EADI或 TA/VSI上发出非常直观的垂直避让指令，该指令与入侵飞机的指令是协调好，互补的，按照指令操作可以避免飞机相撞。

   以上，就是 TCAS系统的基本工作原理。在日常维护和排故过程中，了解工作原理是开展一切工作的基础。下面，我们将一些 TCAS系统的多发故障进行简单的总结，希望同行补充。

四、常见故障分析：

   TCAS 系统的故障在表现形式上，比较简单，以 737-300为例，只有在 EHSI上显示“ TCAS FAIL”信息产生。但是通过我们前面的叙述，我们知道 TCAS系统是十分复杂的，交联系统较多。而在装备有 ECAM或 EICAS的机型上， TCAS系统的故障信息种类也并不多。因此，这样简单的故障信息对排故所起的帮助作用是十分有限的。怎么在这些简单的故障信息里找到故障的根源呢？

   通过维护手册，我们可以知道到，造成出现“ TCAS FAIL”信息的主要原因有：

1、从应答机、无线电高度表和 EFIS显示系统输入的信号故障。

2、 TCAS 天线或天线馈线持续故障。

3、从 S模式应答机到 TCAS计算机的 ARINC 429数据总线中数据失效或数据丢失。

4、 TCAS 计算机内部故障或内部电源故障。

5、从磁航向或无线电高度表来的错误数据。

6、围绕 TCAS和应答机的射频环路测试故障。

   根据这些故障原因再结合工作中遇到的实际情况，我们总结了一些常见的故障源来分析它们的特点。

1、 TCAS 计算机故障；

   TCAS 计算机是 TCAS系统的核心，不仅要完成大量的计算任务，而且也要具备发射机和接收机的功能，其精度要求较高。同时在飞机上由于空气气流、颠簸、高空辐射、电磁干扰等客观因素，决定了其工作环境的恶劣。在这些情况下，也使 TCAS计算机的故障率特别高。也是我们外场排故中，更换频率最高的部件。根据多年的外场排故经验，我们发现 TCAS计算机的故障可分为真故障和假故障两类。其中真故障分为硬件故障和软件故障两种。硬件故障的判断比较容易，在空中和地面都会发生，借助计算机内部的自检软件可以明确测试出计算机故障。而软件故障具有其隐蔽性，表现形式为使用中时好使坏，并且在地面测试时多数可以正常通过。这是因为一条软件指令在它不执行时，是不会造成系统故障的，只有当执行该指令时，才会表现出故障现象来，而计算机内部的自检程序是不能完全检测内存中的所有程序的。所以此类故障要通过对故障件进行隔离才能判断出来，一般采用对调 TCAS计算机的方法可以有效隔离此类故障。其次是假故障，大家都知道，由于飞行需要， TCAS计算机是一个精度要求非常高的设备，任何频率的偏差、数据的错误都可能使其发生故障。特别是对 S模式应答信号的编码及译码电路，使用的是 DPSK和 DDM调制方式，这两种调制方式是直接对载波相位进行的调制，所以对震荡频率精度的要求非常高，如果 TCAS计算机的输入电源品质下降或电源出现相位偏差，都会影响计算机的调制精度。所以我们所说的假故障，就是指由电源或其他无线电设备干扰而产生的故障。处理这类故障时，应重点分析故障发生的时间和频度，找到共同特点，有针对性地排故。

2、应答机故障；

   TCAS 系统的功能只有与应答机系统紧密联系，才能正常工作。两套系统共用控制盒也说明了这一点。由应答机的故障也可以引起 TCAS系统故障，通常机载应答机装有两部，这两部功能完全相同，所以应答机故障相对比较容易判别。排故重点是在故障发生后询问机组， TCAS故障时是否转换过 1、 2部应答机，转换后故障是否存在；如机组没有注意，也可在地面在分别选择 1、 2部应答机的情况下进行 TCAS自测试和 ATC自测试。一般都能判断出来。

3、无线电高度表故障；

   无线电高度表故障对 TCAS系统的影响主要表现在语音信号的抑制功能上，主要在飞机起飞或进近过程中发生作用，正常情况下在高于无线电高度表的工作范围之后，对 TCAS系统的影响就没有了，但如果在高空中发生不应产生的音响警告，那么也应考虑无线电高度表故障的可能。如果在起飞、进近阶段音响警告系统发出本该抑制掉的音响警告信号，那么要首先考虑无线电高度表故障的可能。

4、惯导故障；

   第一部惯导向 TCAS计算机提供本机的俯仰角、横滚角、磁航向等信息。如果惯导输入信号故障，将使 TCAS计算机失去本机的飞行基准信号，无法计算出本机的飞行轨迹，就无法进行正常的避撞探测，所以， TCAS会显示“ TCAS FAIL”信息。如果在地面进行测试， TCAS计算机会显示出 PITCH、 ROLL、 HEAD等信息，这样就可以确定为惯导故障，或者通过本机对调惯导的方法进行故障隔离。

5、天线及馈线故障；

   包括 TCAS系统的上下天线和应答机系统的上下天线。天线故障在 TCAS系统的故障中是比较多见的。原因是，这两套系统都是工作在 L波段的设备，在电子设备中，频率越高，对天线及馈线的要求越高，天线的特性阻抗、馈线的输入电阻以及屏蔽性能都有很高的要求。因此，两套系统的馈线长度、天线安装工艺都有严格的要求。但在实际施工中，由于馈线所留的余量很少，为了良好接触，接头选用螺纹结构的连接，这都造成在天线安装过程中的困难。安装的困难，就有可能造成对天线及馈线的部分损伤，随着使用时间的延长，损伤逐步扩大，就会造成系统出现故障。所以 TCAS计算机和 ATC应答机的自检程序中都包括了天线系统的测试程序，可见天线系统对这两套设备的重要性。

   天线系统发生故障时，有时在地面很难通过自测试发现，这是因为，有些天线系统的故障是与飞机结构变形密切联系的。在空中，由于受飞机增压及温度变化的影响，机体结构或蒙皮会产生轻微的变形，有些天线受这种变形的影响，其特性阻抗或馈线绝缘电阻值发生轻微变化，这足以造成 TCAS系统的故障。而在地面，由于造成上诉现象的外界因素不存在，故障不再出现。对维护人员的判断造成了影响。尽管如此，但有一些类型的天线故障是可以发现的，如 TCAS下天线有水或被水腐蚀，造成接触不良或阻抗变化；馈线与天线之间的接头老化松动等；馈线固定卡不合适、过度弯折，造成阻抗变化等，这些都可以通过细心的检查或测量发现。减少这类故障的发生一定要从基本的维护工艺上严格要求，连接馈线时，不能生拉硬拽、天线与机腹接触面保持清洁、天线上的密封圈状态良好、按工艺要求降低接触电阻、天线固定时均衡拧紧螺栓、固定螺栓力矩满足手册要求、均匀涂抹合适的封严胶并且要有足够的干燥时间等。

   v有一个简单的经验可以参考，当 TCAS系统天线发生故障时， TCAS系统会出现故障指示，但 ATC应答机系统通常会工作正常，这可以通过与地面管制中心联系，了解本机发送到管制中心的数据是否正常来验证。一般情况， ATC应答机会正常工作；当 ATC系统天线故障时， ATC系统和 TCAS系统都会出现故障、 TCAS/ATC控制盒上不论选择那一部 ATC，琥珀色警告灯都会亮、并且地面管制中心很可能会看到该机的 ATC应答机数据不正常。通过这个办法，也可以有效区别是 ATC系统故障还是 TCAS系统故障。

6、线路故障；

   线路故障在一些老龄飞机上出现的情况较多，并且线路故障造成的故障现象是多种多样的，所以只能通过对故障线路的认真检查才能发现。对于线路故障没有统一的排故方法可以借鉴，所以在这里我们举一个实例来说明线路故障对 TCAS系统的影响。我公司执管的一架 737-300型飞机，一段时间连续反映空中出现“ TCAS FAIL”信息。但地面测试 TCAS系统和 ATC应答机系统均正常。并先后与其他飞机对调了 TCAS计算机和 ATC应答机，但故障依然存在。之后我们将排故的重点放到了线路上，果然，在检查到 TCAS计算机与 ATC应答机之间连接的抑制线时，发现线路不通，分段检查发现断点出现在 TCAS计算机与 DME测距机之间，重新对断点进行处理后，线路恢复连通，故障也得到了彻底排除。我们前面说过，这条抑制线是连接 TCAS计算机、 ATC应答机和 DME测距机这五套设备的，其作用就是当其中一台设备工作时，通过抑制线控制另外四台设备暂时停止工作，避免相互之间的无线电信号干扰。这条线路的中断，造成 TCAS计算机与另外四台设备失去联系，使 TCAS与另外四台中的一台同时工作，这就造成了互相干扰。 TCAS计算机是十分敏感的设备，受到干扰后无法正常工作，系统自检程序将这种情况辩识为故障，所以就发出了故障信息。而在地面进行自测试时，并不涉及到对抑制线的测试程序，因此 TCAS系统和 ATC系统都可以正常测试通过。

   以上就是在 TCAS系统中常见的几种故障类型。由于设备之间的密切交联，所以使这些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。需要我们在具体的排故过程中认真分析研究。

五、总结：

   前面，我们对 TCAS系统的组成、交联设备及信号、系统的工作原理和常见故障的特点进行了简单的描述，希望能够对业内人士的排故工作有所帮助。为了能够快速准确地排除 TCAS系统故障，我们既要全面深刻了解系统工作原理，也要对各个部件故障对 TCAS系统造成的影响进行分析，只有了解这些不同的故障原因引起的故障现象之间的差别，才能快速准确的发现并排除故障。我们总结了以下几条排故经验：

1、全面了解故障现象；通过询问机组、查看故障历史记录、自测试等方法，了解故障的来龙去脉和故障变化情况。

2、认真分析故障现象，推断故障的成因，缩小排故范围，制定有效的故障隔离方案。

3、排故工作要细致，严格按照手册要求施工，根据排故方案逐步确定故障。

4、由于 TCAS系统故障不符合 MEL的故障放行标准，因此在处理中，对可能的故障部件，应立即更换，以争取最快的速度隔离故障和排除故障。减少航班延误的情况发生。

5、由于 TCAS系统与飞机其他系统交联信号较多，所以故障排除之后，不仅进行自测试，还要将 TCAS选择到 TA或 TA/RA工作模式，让设备工作一段时间，检查与其他系统交联是否正常。

6、对 TCAS计算机进行拆装时，一定要佩带防静电腕带，避免计算机内敏感元件被静电击伤。还要定期对 TCAS计算机的冷却空气量进行检查，保证有足够的冷却空气对 TCAS计算机进行冷却。防止计算机超温工作，影响计算机使用寿命。

小丛 · 发表于 2010-1-13 15:45:58

TCAS天线故障率也是很高的，需要用摇表摇天线到计算机之间的信号线和芯线之间的电阻。另外天线插头也是因为太短，每次更换的时候用力扯则会造成插头损坏。

yangshibin · 发表于 2010-1-14 14:30:45

分析的很透彻，谢谢楼主！！

caucsky · 发表于 2010-1-14 14:56:56

3楼，顶你一下
楼主见解很到位，谢谢分享

注册程式 · 发表于 2010-1-14 15:04:28

引用第2楼小丛于2010-01-13 15:45发表的回 1楼(roy116) 的帖子 :
TCAS天线故障率也是很高的，需要用摇表摇天线到计算机之间的信号线和芯线之间的电阻。另外天线插头也是因为太短，每次更换的时候用力扯则会造成插头损坏。

馈线坏的情况倒是没有碰到，馈线头损坏基本都是人为的，就像你所言的，因为馈线头受野蛮施工而损坏。
天线本体的损坏也是不多见的，可以通过测量四个端口与天线壳体地的电阻来确认天线是否故障。

wander2004 · 发表于 2010-1-22 15:33:04

分析的很全面，很到位，一看就是知道楼主长时间从事电子工作。
目前来说，TCAS FAIL这条信息的出现，也存在虚假情况，这是由于系统本身设计的原因，而TCAS处理器固有品质造成的虚警率高。目前为止，我了解的几家TCAS生产厂家的TCAS处理器性能如下：THALES公司的性能最好，但是由于它不能升级，将来肯定不能满足适航当局的要求。COLLINS公司和HONEYWELL公司的各有千秋，但是都有一定的有虚警造成的TCAS FAIL故障，目前正极力推出改装，以求解决这面的问题。

wenqian · 发表于 2010-1-22 15:56:21

好好的学习一下啊

liqease · 发表于 2010-2-2 21:10:47

BUDUO已阅呵呵

alexxx · 发表于 2010-2-3 14:57:29

此类排故经验建议长期置顶

alexxx · 发表于 2010-2-3 14:58:52

THALES公司，COLLINS公司和HONEYWELL公司的各有千秋-----------谁能详细介绍一下这三家公司

可乐加冰的 · 发表于 2010-2-22 11:37:51

没有工作经验，进来向前辈学习的

yjc1010 · 发表于 2010-2-26 13:46:54

赞一个！！！！！

lirock · 发表于 2010-3-1 10:08:16

哇，好有用啊

wush · 发表于 2012-1-28 16:53:01

虚心求教

koufei · 发表于 2012-2-2 20:00:53

很详细啊！

henren123456 · 发表于 2012-2-2 20:27:54

很好.谢谢.非常!

新手 · 发表于 2012-2-15 13:35:34

很好.谢谢.

erew5 · 发表于 2012-2-16 17:15:56

讲的很好，谢谢了

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