TCAS：空中防撞的最后一道防线

ryn_82 · 发表于 2019-9-17 22:44:32

分享即成长。大家好，欢迎关注阮工频道

体形庞大的飞机为何能在天空中自由翱翔而不会相撞？一方面是因为他们有各自不同的航线和空管员精准的指挥；另一方面，飞机自身的空中防撞系统TCAS也发挥着巨大作用。如果说地面空管提供了飞机安全间隔的基本保证，机载防撞系统就构成了防止灾难的最后一道防线。
震惊新兴民航业的空中撞机
上世纪50年代，精密的雷达仪器还没有用于空管指挥系统；广阔的天空上，也没有那么多飞机；为招揽更多的人坐飞机，飞行员会尽可能地让旅程成为愉快的体验，他们常常会在飞行途中稍微偏离既定航线，以便为乘客展示难得一见的空中景观。
1956年，商用航空运输业已进入快速发展时期，但坐飞机还是一件奢华的事。在这一年的6月30日，联合航空718号航班准备从洛杉矶国际机场出发前往芝加哥，这趟航班的机型为美国当时最新而且速度最快的飞机DC-7。
联合航空718号航班的机组等待滑行时，塔台向他们前面的飞机下达指示，批准一架前往堪萨斯城的环球航空2号航班从洛杉矶国际机场的25号右跑道起飞。接着，联合航空准时从洛杉矶国际机场25号左跑道起飞。
当天执飞联合航空718号航班的机长是48岁的鲍勃•夏利，拥有17000小时的飞行时数，他已经执飞这条航线将近1年。36岁的副驾驶罗伯特•哈尔姆斯是一名退伍的二战老兵，曾任飞行教官。驾驶舱内的第三名机组成员是飞行工程师杰拉尔德•菲奥。
联合航空718号航班前往芝加哥的旅程大约需要6小时，在洛杉矶空域，夏利机长必须沿指定的空中走廊飞行，在那之后，他就可以任意飞行。只要在前往芝加哥的航程中，经过一系列路点时汇报即可。
起飞后54分钟，这架DC-7到达第二个路点，并将于10点31分到达下一个路点，即画布沙漠线。在6400米高度巡航时，机组发现前方有雷暴云。在那个没有雷达的年代，飞行途中遇到雷暴云时，机组惯常的操作是让飞机绕过云层。
机组稍微偏离了既定航线以绕过云层，当绕开遮挡视线的雷暴云后，机组成员却发现在相同的高度有另一架飞机！客舱内，正在座位上欣赏窗外美景的乘客感受到飞机突然急速下降，驾驶舱内的机长则操纵着方向希望飞机躲开前方的另一架飞机。
在联合航空调度台前，因为718号航班没有准点登机，调度台以每分钟两次的频率呼叫着：“联航调度台呼叫联航718号，听到请回答。”但并未得到回应。
在盐城空管总部，这里的空管员通常不会直接和机组人员联系，他们靠打电话给航空公司调度台取得飞行资料，只有调度台通过无线电和飞行员保持联系。10点51分，联合航空调度台打来一个让人不安的电话，718号航班未到达画布沙漠线，已超时20分。
不久之后，另一名调度员来电：“盐湖城，这里是环航，我没有收到2号航班的回应。”空管员现在知道两架从洛杉矶起飞的飞机，联合航空718号航班和前往堪萨斯城的环球航空2号航班，都应该在10点31分同时到达该路点画布沙漠线，但都未按时登记。
第二天早上，两架飞机的残骸都在亚利桑那州的大峡谷里找到了。联合航空718号航班扭曲的残骸散落在岩壁210米高的地方，在两公里外的谷底，另一架环球航空2号航班也被发现。2架飞机，128人，无一幸存。
航空界传奇人物杰克•帕歇尔受命负责调查此次事故。帕歇尔发现环球航空2号航班的残骸上有着明显的猛烈撞击痕迹，还在上面发现了一点蓝色油漆。
在大峡谷底部，另一块来自DC-7翼梢的碎片上则有红漆的痕迹，而且距离飞机其他部分很远，说明它也是在飞行中脱落的。一架没有任何红色涂装的飞机上有红漆的痕迹，这项证据指向一件极为罕见、几乎闻所未闻的情况：并非恶劣的天气让美国两大航空公司的飞机坠毁，而是空中撞机。
调查推测，绕过云层后的DC-7从右后方撞掉了环球航空的星座式飞机，星座式飞机一头向5181米之下的大峡谷坠去，机上人员可能到死都不知道是什么撞上了他们。而没了半个左翼的联合航空718号航班部分引擎还在运作，机组人员奋力挽救，但最终也未能避免厄运。
大峡谷空难及杰克•帕歇尔的报告令公众对乘坐飞机出行的权利和需求的关注达到了一个全新的水平，由此诞生了许多应用于当今民航业的创新设计。这场空难也让美国民航当局下定决心，开始考虑研制能使飞机主动防范空中相撞的设备系统，这个设备即现在的空中防撞系统，TCAS。
民航领域的“鱼群探测器”
在空中交通管制部门因特殊情况不能正常提供飞行间隔服务或管制服务而出现人为工作差错时，TCAS能有效降低航空器相撞的可能性。因此，它被看成是对空中交通管制工作的有益补充和监督，是保证飞机空中飞行安全的得力助手。
TCAS（全称Traffic Collision Avoidance System）是安装于中大型飞机上的一组计算机系统，用以防止飞机在空中互撞。有些飞行员亲切地称其为“鱼群探测器”，因为用途类似。如果说飞机的地面指挥是飞机的“第一道保险”，那么，一旦地面控制失效，TCAS就成了阻止灾难发生、保证飞行安全的第二道防线。从一定意义上说，这相当于给航空器上了“双保险”。
TCAS的开发过程并非一蹴而就。最初，许多公司提出了形形色色的设计方案，但这些方案大都成本太高，推广起来难度很大。1974年，美国麻省理工学院林肯实验室的航空系统预研发展中心向美国联邦航空局（FAA）提出了一个解决方案。其核心思路是利用飞机上已经安装的空中交通管制应答机来防止飞机相撞。
应答机是军用敌我识别器技术在运输飞机上的应用，它与地面空中交通管制雷达信标系统协同工作，自动回答地面询问，把本机基本飞行参数传回地面空管中心。如果飞行机组能够及时获得邻近飞机的飞行信息，就可以有效地避免空中相撞。
FAA认为，这一方案的优势在于充分利用了飞机上的现有设备，研制成本较低，在技术上也不存在很大障碍，决定支持这一想法。
根据这一方案，美国首先成功研制出空中交通预警与防撞系统TCAS。这一独立于地面空中交通管制系统的机载设备，可以显示飞机周围的情况，在面临空中交通冲突危险时提供语音告警，并帮助飞行员以适当机动方式躲避危险，从而避免灾难性事故的发生。
TCAS主要由两个部分构成，分别为TCAS I和TCAS II。TCAS I能够显示选定量程内所有飞机的方位和高度，表明本机与此范围内其他飞机的相对位置，如有危险则进行提示。这就是当今TCAS系统中的“空中交通状况咨询”（TA）部分的技术基础。机组发现提示后，必须自己目视确定具有潜在威胁的飞机。因此，TCAS I主要负责提供告警信息，如何规避则取决于机组的判断。
TCAS的另外一个部分，即TCAS II则能够向机组提供飞行操作参考建议（RA）。它可以自动判别飞机的即刻飞行状态，来机是在爬升、下降还是平飞等等,并据此向机组提供操作建议。如果两架飞机都装备了TCAS II，计算机之间会进行彼此协调，确保发出的RA不会导致飞机相撞。而TCAS II的核心技术在于建立防撞控制逻辑以及编制相应的软件，这也是其研制过程中的难点所在。
上世纪九十年代初，FAA规定美国30座以上的运输飞机必须安装TCAS II，10-30座运输飞机必须安装TCAS I。TCAS系统大规模投入使用后，还是出现了一些问题，典型的是在最终进近阶段误警率太高。因为这个阶段的空域流量越来越大，飞机之间的距离越来越小，尽管机组知道附近的飞机很多，大家也各自保持着正确的航道，但系统仍然频繁发出TA和RA。
时间一长，机组开始对TCAS失去信任感，对提示信号产生了麻痹思想。这是一种危险的趋势。为此，在美国无线电技术委员会和FAA的主导下，相关企业对软件进行了升级，确保TCAS更加高效。
经过数十年的发展与改进，TCAS以其探测范围大、探测精度高、反应速度快、显示清晰、易辨读等卓越的性能，越来越受到航空公司的欢迎，并受到飞行员和空管员的喜爱。
冲突的指令酿成惨剧
TCAS虽然在技术上不断升级，但也面临着一个老问题：地面空管部门无法及时获知空中TCAS到底给机组发出什么指令，很容易造成人机指令之间的矛盾，当出现这种情况，机组应该听谁的？相关组织并未为飞行员定下明确有效的规则。
2002年7月1日晚快11点时，巴希克利安航空2937号航班离开莫斯科，搭载的是俄罗斯乌法市选出的一批青少年，前往西班牙参加联合国教科文组织举办的活动。和大多数现代飞机一样，这架图-154飞机也配备了TCAS系统。
与此同时，在数百公里外的意大利，一架DHL的货机正要起飞，这架波音757将要飞往位于比利时布鲁塞尔。而俄罗斯图-154飞机将在德国南部穿过它的航线。这架波音飞机上只有两个人，英国籍的正驾驶保罗•菲利普斯和加拿大籍的副驾驶布兰特•坎皮欧尼，这架货机在当晚11点6分起飞。
瑞士苏黎世空管中心，值班的空管员是已有8年从业经验的彼得•尼尔森，当晚他要通过面前的两块雷达屏幕，负责管理德国南部和瑞士北部的空中交通，而俄罗斯航班和DHL货机都将飞过此片区域。
起飞后的DHL货机越过阿尔卑斯山脉，要进入瑞士的空域，并获准爬升，最终与俄罗斯飞机的高度一致。两架飞机正位于碰撞的航线上，但还相距好几公里，暂无危险。空管员尼尔森批准DHL客机爬升后便开始处理另一架飞机的降落问题。而俄罗斯客机和DHL货机正朝对方，以时速1300千米的速度接近中。
不一会儿，图-154的TCAS警告俄罗斯飞行员有架飞机太接近。紧接着，DHL货机的TCAS也发现了俄罗斯飞机。两机飞行员都尝试呼叫苏黎世空管中心。
由于设备维修，正忙着指挥第三架飞机降落的尼尔森并未收到两架飞机的呼叫，但通过雷达屏幕发现了事态严重的他立即指挥俄罗斯飞机下降。虽然TCAS在发出爬升的指令，俄罗斯飞行员还是决定听从空管员的指挥。尼尔森则以为让俄罗斯飞机下降就不致发生碰撞，便再次将精力转移到第三架飞机上。但DHL的飞行员想要告诉尼尔森他们收到TCAS下降的指示并按此操作，但始终未联系成功。
黑暗中，两架飞机朝着对方俯冲，当俄罗斯飞行员发现DHL的航班立即爬升，但为时已晚。DHL货机的机尾切过图-154飞机的机腹，把机身撕成两半，图-154飞机的飞行员立刻失去知觉，DHL货机挣扎着飞行了2分钟，最终在7公里外坠毁。两架飞机的残骸掉落在德瑞边境的小城乌柏林根近郊，当地警方出动6000多人，花了1星期才将尸体收集完整。
调查员展开调查时发现在引进TCAS时，有项重要因素被遗漏了：没有人考虑过空管员和TCAS的命令出现冲突的后果。事实上，重大意外的症候早已出现，在这起空难一年半前，两架载了667人的大型客机在日本上空擦身而过，猛烈的回避动作造成100人受伤，飞行员反应若慢几秒就可能造成史上最严重的空难。当时也是一方飞行员听从空管员而非TCAS的指示，这个事件本该让航空界引以为戒，但并未引起足够重视。此前，欧洲也发生过4起异常接近事件，都是因为一方的飞行员遵守空管员而非TCAS的指示。
德国空难调查机构花了22个月最终于2004年5月提交了调查报告。报告指出，造成这起空难有两个主要原因：一是空管员尼尔森太晚察觉撞机的威胁；二是俄罗斯机员不该听他的指示下降，不听TCAS的指示爬升。为避免此类现象发生，国际民航组织作出规定：在防撞系统已经发出飞行操作参考建议的情况下，机组人员务必执行计算机的指令，而不是地面人员的指挥。
类似的惨剧在全球民航界并不多见，在我国更是从未发生过。鉴于TCAS系统对于减少和防止空中相撞的重要作用，我国民航规定，飞行机组必须对TCAS信息作出及时和正确的响应。同时，机长在对机载防撞系统的警告做出反应而偏离空中管制许可或指令时，也必须尽快将偏离情况和采取的行动通知空中交通管制部门。
延伸阅读>>>
● TCAS工作起来的样子
TCAS可以为飞机形成一个保护区，在这个保护区内，它会向邻近的飞机发出询问信号，以获得入侵飞机的代码、高度、航向和其他数据，并在驾驶舱内的显示器上以不同颜色的图形显示出来。
如果有其他飞机闯入飞机的保护区并有相撞危险时，TCAS就会用颜色变化的TA来向飞行员发出咨询提示，或发出垂直机动指示，以指导驾驶员避免与入侵飞机发生冲突。
如果驾驶员没有采取措施而入侵飞机还在持续接近，TCAS就不是用颜色变化来提醒飞行员了，而是会用语音来指示避撞动作，如“爬升（Climb）！爬升（Climb）！爬升（Climb）！”“下降（Descend）！下降（Descend）！下降（Descend）！”这就是RA。对方飞机若安装有TCAS，也会发出同样的警告。这时，只要飞行员按照指示操作，飞机就会轻而易举地规避与其他飞机相撞的危险。
● TCAS 7.1与7.0的区别
自2000年在欧洲推出TCAS II 7.0版以来，一直在监控这套系统。在分析记录和报告事件的过程中，发现许多情况下飞行员对“Adjust vertical speed, adjust”RA没有正确响应——垂直速度增加而不是减少。
此外，在一些情况下，TCAS II 7.0版在两架飞机接近到100英尺范围内时未能逆转RA。当一架飞机没有遵循RA或没有配备TCAS II，而是遵循ATC指令或基于目视执行规避操纵时，就会出现这种情况。
所以在2016年，强制升级到了TCAS II 7.1版。TCAS 7.1与7.0有两个区别：
第一个区别是TCAS7.1 用一个LEVEL OFF替代“Adjust vertical speed, adjust”RA（即AVSA RA）。

首先我们来看看什么是AVSA RA。AVSA RA是一个语音提示，也可以算是一个警告，告诉飞行员要调整升降速率，它有四个值2000ft/min, 1000ft/min, 500ft/min, 0ft/min。

触发这个警告的时候：

飞机可能在上升也可能在下降，计算机如果发现升降率过高就会触发这个警告让飞行员注意，把飞机控制在TCAS的绿区当中。
飞机的姿态变化很大了，但是计算机探测到不需要这么大的升降率，为了让飞机姿态更加稳定，也会生成这个警告。
计算机探测到以现有的的升降率可能会撞上，也会生成这个警告以提高升降率，避免相撞。

在实际情况中，AVSA RA的声音信息比较模糊，而且飞行员在大多数时候都是增大其升降率，这可能会导致情况更加恶化。用一个“LEVEL OFF”代替几个AVSA RA是一种有效的解决办法。因为相关声音直接明了，而且简化了RA列表（2000,1000,500/min就不用显示了），降低引起误会的机会。
第二个区别是TCAS7.1具备了反转逻辑（reversal）。如果有这个功能，本文中第二起空难就可以避免。
反转逻辑就是当一方的飞行员不服从RA给出的避让措施飞行，或者是地面管制员指示飞机不按TCAS给出的避让措施飞行时（第二起的空难就是这样造成的），造成飞机比预先设定的门限更加接近时，对于垂直距离小于100英尺的飞机，发送反转指令。
例如：当本机发送下降RA后(这时对方飞机TCAS应该产生爬升的RA)，但本机发现对方还在持续下降，那么本机将建立目标不服从RA的信息，这时本机产生反转，将原来的下降指令变为爬升指令。如下图所示：

● 未来趋势
第三代空中防撞系统（TCAS III），最初被设想为TCAS II的增强型，包括水平RA能力。TCAS III对TCAS II系统进行技术升级，能够向飞行员提供交通咨询，并使用水平和垂直操纵指令解决交通冲突。
例如，在迎面飞行的情况下，一架飞机可能被指令“右转，爬升”，而另一架飞机被指令“右转，下降”。这将进一步增加飞机在水平和垂直方向上的总间距。在靠近地面的两架飞机之间的冲突中，如果垂直机动空间很小的话，水平指令会很有用。
TCAS III试图使用TCAS定向天线将方位发送给其他飞机，从而能够产生水平机动（例如左转或右转）。然而，由于TCAS定向天线精度的限制，业界认为这是不可行的。定向天线被证实不够精确，无法产生准确的水平位置，从而产生准确的水平方向RA。
到1995年，经过多年的测试和分析，确定使用现有的监视技术（由于水平位置信息不足），这一概念是行不通的，并且水平RA不太可能在大多数遇到的场景中被调用。因此，TCAS III的所有工作都被暂停，没有实施计划。这一概念后来被TCAS IV所取代。
TCAS IV使用目标飞机在应答机S应答模式下编码的附加信息（即目标将其自身位置编码到应答机信号中）确定RA的水平机动。此外，为了对目标飞机进行编码，还需要一些可靠的位置源（如惯性导航系统或GPS）。TCAS IV使用在应答机数据链路上的附加位置信息来生成方位信息，因此定向天线的精度将不是一个因素。
TCAS IV的发展持续了几年，但数据链路出现了新的趋势，如ADS-B（广播式自动相关监视）。随着ADS-B的开发，TCAS IV概念也被抛弃了。

推荐阅读：

完