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[34导航] TCAS:关于飞机为什么要被其他飞机看见

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实名认证在线王

发表于 2022-8-4 14:51:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

TCAS,traffic collision avoidance system,交通防撞系统。


我们通过一系列文章,找到一些帮助快速认识 TCAS 的词汇,比如空中防撞技术演进简史》里讲到的“飞行员的第二双眼睛”,本文讲到的“防撞灯的继承者”、“空中二次雷达”…… 然而如果只是记住了这些类比,恐怕还不足以真正理解它。因此,本文除了普及系统知识,也尝试横向对比多种机载系统,并加入关于技术演进的一些历史事实,希望能帮助到读者。



01

“目视防撞系统”


如果提问:和民航客机相比,军用飞机最不想要的部件或者系统有哪些?我自己抢答一个简单的:防撞灯。这是因为:防撞灯让民用客机很容易被看见,但军用飞机可就不那么想被看见。


主流民航客机安装有一对高亮度的、频繁闪烁的红色防撞灯。



顾名思义,防撞灯为了避免空中碰撞而存在。醒目且闪烁的红色灯光穿透大气,让客机被看见,从而提醒其他飞机注意避让。红色防撞灯作用于肉眼,在物理上,红光属于可见光波段的电磁波。


据考证,美国工程师 George W. Whelen 在1952年发明了旋转式防撞灯。而到了1962年 ICAO 附件6 才第一次写入了关于防撞灯的规定。然而,几乎在同一时期,民航飞机已经实现了非常快的飞行速度,试图仅仅依靠肉眼在视距范围内规避空中碰撞,已远远不够了。


但是,无论如何,对于民航客机而言,在被管制以前,被看见就已经先成为美德。只有被看见,才能被避让。因此,远在在为交通管制量身定制的“交通防撞系统”诞生之前,先有了防撞灯这样简单的“目视防撞系统”。



02

空难推动防撞新技术


1950年代,发生在美国的多起商用飞机空中撞机事件,特别是1956年大峡谷空难,很快推动了基于地面设备的雷达管制技术的广泛运用,也促使民航当局开始研发真正有效的空中防撞系统。此后,在一系列空难事件的持续推动下,到了20世纪80年代,最终确立了一种全球性的规范,即我们今天所知道的TCAS(交通防撞系统)。



雷达管制,最通俗的理解就是:利用大量的地面雷达,让地面上的管制员在肉眼所不能及的范围内也尽可能地“看见”飞机,从而指挥空中交通。雷达管制最初的目标,正是防止空中碰撞。


想要实现雷达管制,现有航空器需要做出的配合首先是:不拒绝(事实上也无法拒绝)…… 也就是说什么都不用改变。通过从飞机上反射回来的雷达波,配合当时已存在的无线电话音通信手段,就足以建立起最初的雷达管制系统,即所谓“一次雷达”。而用于直接识别飞机身份的ATC应答机,尽管理论上可以实现并且是个好东西,但是在飞机数量还不多的那个年代,却并非是那么迫切的需求。


正是由于在技术改进方面更为方便,雷达管制技术的运用和推广,就自然而然地领先于交通防撞系统。


与雷达管制相比,交通防撞系统不需要地面的直接参与,但是这要在新设备的支持下才能实现。它所要实现的新目标,通俗地讲,是让飞行员在新的机载设备的帮助下,“独立地”并且“在更大范围内”看见、从而及时避让其他飞机。


“独立地”,意味着不需要地面人员和设备的参与。在没有地面雷达、没有管制员参与的条件下,飞行员应当能看见和避让其他飞机。


“在更大范围内”则是相对于早前用于空中避让的其他简单技术而言的,最容易让人想起的,显然就是前述的“目视防撞系统”——防撞灯。事实上,在这样的理念之下而发展出来的新式防撞系统,可以认为这个“目视防撞系统”存在着继承关系。至少,我们可以来做个理论上的对比。


红光是可见光,而TCAS依赖于不可见波段的电磁波更通俗的说法是“无线电波,具体的频率是1030 MHz 和 1090 MHz。读者无须记住数值,只需要知道这个事实:防撞灯和TCAS都是依赖于电磁波的技术,区别在于肉眼是否可见。防撞灯的电磁波,肉眼可见;TCAS的电磁波,肉眼不可见。


防撞灯所发射的电磁波,很明显来自……防撞灯;这些电磁波为地面人员或飞行员的肉眼所接收。而TCAS发射的电磁波,则来自专门的若干天线(TCAS天线发射问询信号,TCAS天线发射应答信号);这些电磁波同样为其他飞机的TCAS天线或ATC天线所接收。天线继承了肉眼的功能,大概正是在这个意义上,连TCAS的研发者也说TCAS是飞行员的第二双眼睛(参见《空中防撞技术演进简史》)。


但是,TCAS的T字(Traffic)提示我们,它不仅仅是防撞灯那样只用于确保局部的空中安全,更与全局性的交通管制有关。它使一系列固定的程序动作变得自动化、规范化、可视化,因此可以极大地释放管制员和飞行员的精力,有助于提高空域的利用率和运行效率。关于这一点,今后我们可以另行探讨。



03

陆基防撞:被地面看见


ATC 是“空中交通管制”(Air Traffice Control)的缩略语。对于大众读者而言,如果用“ATC”这个缩略语去搜索视听资料,大部分结果会是一些与飞机进近和着陆有关的空地对话,发生在飞行员和管制员之间,“叽叽喳喳”但是还蛮好玩的。而维修工程师和飞行员在日常工作中经常接触到的“ATC应答机”、“ATC天线”则鲜为人知。


早期的飞机上没有“ATC应答机”,地面可以使用类似于军用雷达的“一次雷达”直接实现雷达管制,飞机的身份则通过其他手段(例如话音通信)来获取。如果飞机上安装有“ATC应答机”,地面可以使用“二次雷达”(通过1030 MHz)来询问飞机的身份,机载的“ATC应答机”则(通过1090 MHz)作出“应答”。



显然,无论雷达还是飞机,都既发送也接受无线电信号。常识告诉我们:要实现无线电波的接收和发射,就要借助于粗犷的雷达(如果功率大)或精致的天线(如果功率小)。因此,在无线电波“眉来眼去”的过程中,和地面雷达直接呼应的机载设备,必须是某种天线。这就是“ATC天线”,稍后我们会讲到它除了最初被运用于雷达管制,还在后来被开发出新的用途,也就是空中防撞。


“ATC天线”是直接接收和发射信号的那个部件,那么前面反复提到的“ATC应答机”又起到了什么作用呢?起到了处理信号的作用,ATC天线接收到的1030 MHz问询信号以及发射出去1090 MHz应答信号,都是由应答机负责处理的。形象地理解,它是受命于机组、和管制员对接的一个“ATC信号专员”。根据问询-应答“模式”的不同,它可以处理不同内容的信号。


天线、应答机,再加上控制面板,就构成了机载设备这个意义上的ATC系统。有了可靠的ATC系统,飞机就能被总是被地面看见,由地面指挥来避免碰撞。




04

机载防撞:被其他飞机看见


如前所述,一次雷达管制技术在20世纪五六十年代是现成的,雷达管制技术的最初阶段通过在地面堆积更多的传统雷达而完成。二次雷达管制技术则要伴随着新式雷达和机载ATC应答机的运用才得以推广,这已是七十年代的事情。到了八十年代,ATC应答机已经广泛使用,则为实施TCAS这一新的技术标准做好了准备。


完成了技术改进的飞机,安装有以专用计算机为核心部件的TCAS系统。这个系统复制了地面上“二次雷达”的功能,它通过专门的“TCAS天线“,在本机周围空域做两件事:扫描(发送无特定对象的问询信号)、识别(接受所有ATC应答机的应答信号)。而这正是二次雷达在地面上做的事情。


凡是无线电信号都要先经过处理,才能变成飞行员能够直接理解的信息,为此就有一个专用计算机,这就是“TCAS计算机”。“TCAS计算机”、“TCAS天线”,再加上驾驶舱里的输入和输出设备,就相当于把地面上的二次雷达站搬到了飞机上。


但是,一架民航客机的机载TCAS系统,如果只是像地面上的二次雷达那样单方面地探测其他飞机,而不主动被其他飞机看见,那就意味着它只承担了主动避让其他飞机的责任,却放弃了被避让的权利。而这个系统也就不是完整的TCAS系统,充其量只能叫做“空中交通主动避让系统”。


然而,防撞必须是主动避让和被避让的结合。因此,前述的缘于二次雷达技术的、用于“看见”的几个部件,必须与早期已普及在飞机上的、用于“被看见”的ATC系统结合起来,才构成现在成为全球标准的完整的TCAS系统。




05

被看见,只是一种美德吗?


被看见最初只是一种美德,后来逐渐成为民用航空器的行为规范。因此ATC应答机先成为适航必须设备,以便地面管制员总能看见进近的飞机;主流客机安装有2个ATC系统,至少要有1个可用才可以被放行。



相对而言,一架飞机是否必须被其他飞机所看见,从目前的适航法规和制造商的最低设备清单来看,仍然没有成为强制要求。但是,航司却可以通过客户化要求来强化这种要求。在国内的大多数航司,只有在非基地站放行时,才可以豁免保留仅有的1个TCAS系统。这就造成一个事实:在我们的天空里,飞机被地面看见早已经是规范,而被附近的其他飞机看见也日益成为规范,而不仅是美德了。



参阅文章:《TCAS故障,到底能不能飞RVSM?》(公众号:容定斋 2022-03-21)



往期推荐



空管入门课:理解通信、导航与监视

空中防撞技术演进简史

什么是“空中管制”?(大英百科全书词条双语版)





最后,一点儿小小的互动。请问以下哪些飞行物可以被TCAS探测到,为什么?

  1. 孔明灯

  2. 孙悟空

  3. 大疆无人机

  4. F22

  5. 外星飞行器



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发表于 2022-8-4 21:28:21 来自手机 | 显示全部楼层
必须是猴哥。
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发表于 2022-8-4 21:38:34 来自手机 | 显示全部楼层
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发表于 2022-8-4 21:53:19 来自手机 | 显示全部楼层
TCAS探测到,则有ATC才可以被探测的到
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发表于 2022-8-5 05:54:50 来自手机 | 显示全部楼层
选外星飞行器,我在TCAS上见过,真的,显示的是UFO
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发表于 2022-8-7 19:54:42 | 显示全部楼层
C,因为它装有ADS-B,具有out功能。F22不知道。
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