飞机交通咨询和防撞系统介绍与排故.doc

飞机交通咨询和防撞系统介绍与排故飞机交通警戒和防撞系统（Traffic AlertandCollisionAvoidanceSystem），一般简称其为飞机防撞系统（TCAS）。此系统可显示飞机周围的情况，并在需要时提供语音警告，同时帮助驾驶员以适当的方式躲避危险。TCAS常与电子水平状态指示器（EHSI）配合使用，由于EHSI是飞机航迹的基准和参考，对冲突飞机的位置能够非常直观地反映出来，所以有利于飞行员在第一时间内做出与TCAS的要求一致的本能反应动作，从而避免碰撞的灾难性事故发生。 TCAS 系统对装有信标应答机的飞机进行位置确定和航迹跟踪。TCAS监视范围一般为前方35英里，上、下方为3000米，在侧面和后方的监视距离较小。（为了减少无线电干扰，管制条例对TCAS 的功率有所限制。它把TCAS的前向作用距离限定在45英里左右，侧向和后向作用距离则更小。）TCAS的询问机发出脉冲信号，这种无线电信号称为询问信号，与地面发射的空中雷达交通管制（ATC）信号类似。当其他飞机的应答机接收到询问信号时，会发射应答信号。 TCAS的计算机根据发射信号和应答信号间的时间间隔来计算距离。 同时根据方向天线确定方位，为驾驶员提供信息和警告，这些信息显示在驾驶员的导航显示器上。TCAS 可以提供语言建议警告，计算机可以计算出监视区内30架以内飞机的动向和可能的危险接近，使驾驶员有2540秒的时间采取措施。当前，正在研发或使用的TCAS系统有三种类型：TCAS I、TCAS II 。下面重点介绍TCAS II。 TCAS II是一种比TCAS I更全面的系统。TCAS II 通常由TCAS计算机单元、S 模式应答机、S模式/TCAS控制面板、TCAS上下天线、驾驶舱显示组件等组成。它不但向飞行员提供TA，而且将发出决断咨询(RA，Resolution Advisory)，即当入侵目标被标绘，系统会告诉飞机是否爬升、下降、直飞或平飞。系统一旦探测到RA，将建议飞行员执行规避的机动飞行以解除来自入侵飞机的威胁。有两类型的RA：即预防性RA 和确定性RA。预防性RA 指示飞行员在避免潜在冲突时不必改变高度或航向；确定性RA 指示飞行员以预先确定的2500英尺/分钟的升降率爬升或下降，以避免冲突。当采用RA 方式时，TCAS可发出诸如“Climb，Climb”或“Descend，Descent”之类的机动指令，或者会告诉驾驶员无需采取机动动作。具体为：当其他飞机进近的最近点小于48秒时，则会发布交通咨询TA。进近的最近点是指两架飞机相距最近的空间点，是根据飞机目前的航迹和速度预测出来的。发布TA 后，如果两架飞机继续沿着有危险的航迹飞行，则在离最近点大约35秒处， 系统会发布决断咨询RA。代表入侵飞机的符号会变为固定的红色方块，同时伴有诸如 “Climb，Climb”之类的躲避机动语音提示。系统还会在垂直速度指示器（VSI）上用一绿条显示所需的机动速度。这些机动动作幅度不大，一般不会引起乘客的注意。同时，两架飞机上的TCAS II也会进行协调以避免两架飞机同时爬升之类的机动。只有TCAS II和ACAS II系统具有这种功能。在TCAS I系统中没有RA 方式。TCASII具有询问C模式和S模式的能力。当两架飞机都具有S 模式询问能力时，TCASII系统将相互通信并给出解除冲突的RA。 TCAS II 系统的工作原理： TCAS II 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。 TCAS II系统的组成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。 TCAS II系统和其他系统部件之间的接口为： 1、ATC应答机（2 个） 2、起落架手柄3、接近电门电子组件（PSEU） 4、通用显示系统（CDS）显示电子组件（DEU）2 个 5、远距电子组件（DEU） 6、无线电高度表（2 个） 7、近地警告计算机（GPWC） 8、气象雷达9、左大气数据惯性基准组件（ADIRU）1 0、抑制同轴三通11、飞行数据获取组件（FDAU）。 驾驶舱显示控制组件：左电子飞行仪表系统（EFIS）控制板 、左外侧显示组件、左内侧显示组件、右电子飞行仪表系统（EFIS）控制板、右外侧显示组件、右内侧显示组件、ATC/TCAS 控制板 TCAS 系统常见故障分析： 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。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，由于造成上述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。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