机载防撞系统介绍

机载防撞系统飞机上的防撞系统，美国航空体系称为空中交通预警和防撞系统（TCAS:Traffic Alert and Collision Avoidance System）欧洲航空体系称为机载防撞系统（ACAS：Airborne Collision Avoidance System）），两者实际上的含义、功能是一致的。

防撞系统可显示飞机周围的情况，并在需要时提供语音告警，同时帮助驾驶员以适当机动方式躲避危险，这些都有助于避免灾难性事故的发生。

下面以TCAS为例讲述。

TCAS 的历史可追溯到1955年，当时本迪克斯航空电子公司（目前并入霍尼韦尔公司）的J．S．Morrell博士发表了“碰撞物理”一文。

其中包括确定进近飞机间接近速率的计算机算法，这也是研究所有防撞系统的基础。

在20世纪60年代和七十年代，该公司为美国陆军和美国联邦航空管理局（FAA）研制了数架原理样机，并在80年代后期获得了FAA对TCAS的首次鉴定。

原理：在二次雷达用应答机确定飞机的编号、航向和高度的原理上，把询问装置装在飞机上，使飞机之间可以显示相互之间的距离间隔，从而使驾驶员知道在一定范围内飞行的航空器之间的相互间隔及时采取措施，避免碰撞。

和二次雷达一样，TCAS系统需要飞机上都装有应答机才有作用。

关于二次雷达可参考航空管制雷达的类型组成和功能：TCAS主要由询问器、应答机、收发机和计算机组成。

监视范围一般为前方30海里，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，管理条例对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的询问器发出脉冲信号，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信号类似。

当其他飞机的应答器接收到询问信号时，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信息显示器上。

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25－40秒的时间采取措施。

（TCAS可跟踪45架飞机，根据选定目标的优先级，最多显示30架飞机。

TCAS的采用提高了飞行的安全性，目前新生产的大、中型客机上TCAS都已成为标准装备。

TCAS的分类与区别：TCAS分为两类：TCAS I和TCAS II。

两类系统都可显示与地图类似的空中交通情况。

当其他飞机接近时，两类系统都可提供“空中交通报告（或咨询、建议）”（TA）。

采用TA 方式时，预先录制的声音会播报“Traffic，Traffic”，而表示其他飞机的符号则可改变形状和颜色。

TCAS II是更先进的TCAS，具有被称作“处理建议”（RA）的附加功能。

当采用RA方式时，TCAS可发出类似“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，则会发布空中交通咨询TA（Traffic Advisory）。

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。

空中交通咨询（建议）后，如果两架飞机继续沿着可能有危险的航迹飞行，则在离最近点大约35秒处，系统会提供处理建议RA（Resolution Advisory）。

代表其他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。

这两架飞机上的TCASII也会进行协调以避免像两架飞机同时爬升之类的机动。

当然只有TCAS II和ACAS II系统具有这种功能。

在TCAS I系统中没有RA方式。

下面以右图为例，对TCAS II工作情况作简要说明（模拟图，非真实状况）图为空中交通咨询TA（建议）阶段事例：显示在本机正前方12点钟方位有飞机接近，以黄色实心圆表示该接近飞机，同时伴有“Traffic，Traffic”的警告音，黄色实心圆下面数字代表两机高度差，例图中“-02”表示接近飞机在本机下方200英尺，黄色实心圆右侧箭头表示该机正在爬升，且爬升速度超过500英尺/分钟。

左图为处理建议RA（决断）阶段事例：两机继续接近中，代表飞机的符号会变为固定的红色方块，同时伴有更为急促的“Climb，Climb”之类的提示机组作躲避机动语音提示。

民航飞机防撞系统现状：美国在1993年12月31日开始规定，30座以上的客机必须配备TCAS II。

负责向欧洲各国推荐航空管理条例的欧洲空中导航安全机构（也叫欧洲空管）已经建议采用与最新的TCAS II相同的系统。

在欧洲，该系统称为机载防撞系统（ACAS II）。

ACAS II是采用7．0版软件的TCAS II。

这是FAA批准的最新的软件版本。

欧洲空管建议，2000年1月1日后在30座以上的客机或最大起飞重量超过15000千克的飞机上配备ACAS II。

我国民航使用的客机比较先进，绝大部分已预先安装了最新版本的防撞系统。

从2002年中为进一步加强安全，也开始对其他未安装防撞系统的客机进行强制安装，这一工作预计于2002年底完成，2003年起，未安装防撞系统的民航客机将不得飞行，其他小型飞机由于飞机结构、技术原因等无法安装的将被严格限制飞行时段、飞行高度和范围，并逐步退出商业运营。

值得一提的是：TCAS并不是雷达，若没有与之兼容的应答器，则无法探测到飞机。

在美国，10000英尺以上高度飞行的飞机或在大型机场30英里范围内飞行的飞机必须配备应答器，有些应答器，例如老式的苏制系统，由于与TCAS不兼容，所以无法探测。

TCAS的管理条例只允许产生垂直机动指令，不允许产生转弯指令。

霍尼韦尔公司是惟一一家生产所有类型TCAS的制造商，目前使用的TCAS系统，半数以上出自该公司。

二次雷达、应答机：是机载设备与地面航空管制雷达配合使用的设备。

地面的管制雷达要求有能力辨别飞机的识别代码和气压高度，这种管制雷达称为二次雷达。

二次雷达向飞机发出询问信号，机上的应答机就被触发，应答机根据地面询问的模式自动产生应答脉冲信号，向地面雷达报告飞机的编码或飞行高度，这样在雷达屏幕上的飞机光点就会显示出飞机的编码和高度，这使航行管制工作的准确性大为提高，管制方式也由程序管制改变为雷达管制。

成答抓了作频率为1090MHz。

EFIS电子综合显示仪（EFIS）指以数字、符号、图形等形式在电子显示器上综合显示所需信息的仪表。

一般都以大屏幕的形式安装在仪表板上。

20世纪70年代，随着电子技术、计算机技术的不断发展，电子综合显示仪开始在飞机上使用。

电子综合显示仪的原始信息均来自其它记载设备，经过信息处理后，由字符图形发生器产生符合要求的信息画面。

所以综合显示器实质上是一个机载计算机的终端数据图形显示设备。

与传统机械显示器相比，电子综合显示仪具有很多优点。

首先，它实现了综合显示，减少了仪表数量，使仪表板布局简洁，便于观察。

其次，显示精度比较高，不增加附加误差。

同时，电子综合显示仪还具有很好的自检、故障监控和故障报警能力，一旦出现异常，能及时发出报警信息，提高飞机的安全性和可靠性。

电子综合显示仪反映了机载设备数字化的发展方向。

电子综合显示仪主要包括飞行参数综合显示仪、导航参数综合显示仪、地图显示仪，多功能显示仪、雷达显示仪等。

飞行参数综合显示仪与导航参数综合显示仪经常配套使用，用来显示姿态指引信息、航向信息、高度、速度信息等。

地图显示仪是一种直观的导航仪表，显示飞机的即时地理位置、航迹等信息。

多功能显示仪可以显示不同飞行阶段空勤人员所需要的各种信息。

EFIS也不是没有缺点，比如价格高，故障维修难度加大，费用增加。

装电子综合显示仪的飞机基本都有2套仪表系统，传统的+电子的（电子的就需要各种各样的传感器或输入信号），对只有一套仪表系统的轻型、超轻型飞机而言增加了采购成本和使用成本。

惯性导航惯性导航是指通过测量飞行器的加速度，自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。

组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。

惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。

3个自由度陀螺仪测量飞行器的三个转动运动，3个加速度计测量飞行器的3个平移运动的加速度；计算机根据测量的各种信息，计算出飞机的速度和位置数据；显示器显示各种导航参数。

按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，可以分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。

前者安装在惯性平台的台体上，计算量小、精度高，但结构复杂、占用面积大；后者直接安装在飞行器上，结构简单、体积小，但由于工作条件不佳，仪表的精度会有所降低。

牛顿力学是惯性导航的理论基础。

1942年，德国在V-2火箭上首先应用了惯性导航原理。

1954年，惯性导航系统在飞机上试飞成功。

1958年，“舡鱼”号潜艇依靠惯性导航穿越北极在冰下航行长达21天。

我国从1956年开始研制惯性导航系统，1970年以来卫星、火箭以及国产飞机上，普遍采用了本国的惯性导航系统。

惯性导航初始化设定以后，飞行中还是很准的，与GPS相似，在你输入了预达转弯点的经纬度后，与自动驾驶仪配合，可以自动修正偏流、空速，保持预达时刻不变。

但理论上它是有积累误差的。

空地指挥在民航的大型机场，飞机的指挥调度系统是通过二次雷达来实现，即飞机上装有应答机，机场安装二次雷达，二次雷达将接收到的应答机信号进行解算，解算出飞机的位置和高度，在二次雷达的显示屏上显示飞机的位置、高度以及飞机的编号，管制员通过每一架飞机在屏幕的位置和高度进行指挥调度。

但二次雷达的价格昂贵，安装一部二次雷达需要花费几千万元人民币，并且飞机上必须配备二次应答机。

这些对中小型机场和通用飞机更是不可能的。

目前在一些通用机场的做法是通过“摆棋子”来指挥调度。

即每一个棋子写有飞机的编号，管制员与飞行员不断地通话，由飞行员来回答飞机的位置，管制员将写有该飞机编号的棋子放在图纸的相应位置上，管制员通过“棋子”在图纸的不同位置来进行指挥调度。

这种做法使管制员与飞行员工作量大大增大，而且易于出错。

通用飞机空地指挥系统利用GPS（卫星定位系统）与GIS（地理信息系统）结合来确定飞机在空中的位置。

其原理是飞机上的GPS将飞机的位置（经度、纬度、GPS时间）传给飞机上的机载计算机，机载计算机将接收到的GPS信息通过机载数传电台向地面发送。

地面计算机的屏幕上绘有机场的空域范围及飞机应该飞行的路径，地面计算机将接收到的信息通过坐标转换（WGS84-beijing1954），在地面计算机屏幕的相应位置显示出来，这样，就可以在地面计算机的屏幕上清楚地看出飞机偏离航线的情况及几架飞机的相互位置。