提问人：王梓
问题：飞机TCAS的工作原理是什么？
一、TCAS的起源与发展
TCAS的起源可追溯至20世纪50年代，当时本迪克斯航空电子公司（现隶属于霍尼韦尔公司）的J.S.Morrell博士发表了一篇关于碰撞物理的论文，提出了用于计算接近飞行器间相对速度的计算机算法，为防撞系统的研究奠定了基础。然而，由于技术限制，该论文的应用并未立即普及。直至上世纪六七十年代，随着空中相撞事件频发，相关理论逐渐受到政府关注，并进入实用阶段。最终促使美国国会立法要求实施TCAS的事件是1986年8月31日，在加利福尼亚州靠近洛杉矶国际机场的塞里图斯空域内，一架墨西哥航空的DC-9飞机与一架私人飞机在进近过程中相撞，导致DC-9航班上64人、小型私人飞机上3人全部罹难，并波及地面15人。不久后，本迪克斯航空电子公司获得了FAA对TCAS的首次认证。随后，第一代空中防撞系统（TCAS I）被成功研发。TCAS的作用自那时起得到了认可，并逐渐在全球民航界得到应用和推广。
该防撞系统在不同区域有不同的命名，美国航空体系称之为空中交通预警和防撞系统（TCAS：Traffic Alert and Collision Avoidance System），而欧洲航空体系则称之为机载防撞系统（ACAS：Airborne Collision Avoidance System），两者在含义和功能上基本相同。
目前，正在研发或使用的TCAS系统有三种类型：TCAS I、TCAS II和TCAS III。TCAS I作为基础系统，主要由TCAS处理器、TCAS天线和一个A/C模式应答机组成，该系统不允许进行横向和纵向偏离，在仪表飞行条件下，飞行机组需将情况通报给空中交通管制员，以协助解决冲突。TCAS II则具备自动协调纵向避撞机动的能力，可根据实际情况自动向有冲突危险的飞机发出爬升或下降指令，飞行员根据指令执行机动，从而避免交通事故的发生。TCAS III则在TCAS II的基础上，增加了横向机动避撞协调方式。本文将基于运用最为广泛的TCAS II进行讨论。
二、TCAS的系统组成
（一）TCAS计算机
一个单通道的TCAS计算机。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。见图1
（二）应答机
2个S模式的ATC应答机，一个工作，另一个备份。
（三）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处理器相连。用来发射处理器的询问信号，和接收入侵飞机发射产生的应答信号并送到处理器。
（四）控制面板
驾驶舱的人机接口。主要有TCAS方式选择和应答机编码选择等功能。如图2
（五）飞行仪表系统
飞行仪表系统，用于显示TCAS系统的目视信息。如图3、图4
三、TCAS的工作原理
（一）工作原理
在二次雷达应答机的应用原理中，通过在飞机上安装询问装置，可以实现飞机间距离间隔的显示，使驾驶员能够了解在特定空域内其他航空器的位置，并采取相应措施以避免碰撞。与二次雷达相似，TCAS系统亦需在飞机上配备应答机以发挥其功能。TCAS系统利用特定无线频率进行飞机间的通信，以确保信息传输的准确性。TCAS的询问器发射脉冲信号，即询问信号（频率为1030MHz），与地面空中交通管制雷达信号类似。当其他飞机的应答器接收到此询问信号时，会发射应答信号（频率为1090MHz）。TCAS的计算机依据发射信号与应答信号之间的时间差来计算距离，并通过方向天线确定方位，向驾驶员提供必要的信息和警告，这些信息将显示在驾驶员的导航信息显示器上。
TCAS系统获取附近飞机应答机所发射的数据，并利用这些数据评估潜在的冲突威胁。TCAS系统确定威胁所需数据包括：
①入侵飞机相对于本机的方位；
②本机与入侵飞机之间的距离，以及相对接近速率或间隔速率；
③若入侵飞机通过C模式或S模式应答机报告高度，则包括入侵飞机的相对高度；
TCAS系统的触发主要依赖于两个核心因素：CPA（Closest Point of Approach，最近接近点）和TAU（Time to Intercept，拦截时间，即飞机到达CPA的时间）。当两架飞机的CPA距离过近，且TAU时间过短时，TCAS系统将判断存在潜在的碰撞风险。
TCAS系统根据所获取的数据计算入侵飞机的航迹，最近的接近点（CPA），以及到达CPA之前的估算时间（TAU）。若TCAS系统检测到某架入侵飞机的航迹可能构成碰撞威胁，它将触发音频和视觉警告信息以及垂直速度指令，以确保足够的航迹间隔和最小的垂直速度变化。如图5
（二）冲突飞机探测
TCAS把飞机周围的空域根据TAU的阀值进行了相应的划分,按照评估和对可能的相撞威胁进行分类,距离由远及近、威胁由小及大，分为了四个区并以相应的图像显示在ND上。分别为：
①其他入侵飞机
②接近的入侵飞机
③交通咨询 Traffic Advisory（TA）
④决断咨询 Resolution Advisory（RA）
（三）显示信息
白色空心菱形符号：其他入侵飞机，与本机无碰撞危险。
白色实心菱形符号：最接近的入侵飞机，与本机接近，但尚无碰撞可能。
黄色实心圆形：交通咨询，与本机已相当接近，有碰撞可能，但不须作闪避动作。
红色实心方块：决断咨询，两机有碰撞的危险，须立即闪避，空中防撞系统会
提供闪避方向的指示。
①相对高度: 根据入侵飞机的位置，在符号的上面或下面以100英尺为单位指示。
②垂直速度箭头:只有当入侵飞机的垂直速度 ≥ 500英尺/分钟才显示;相对高度和垂直速度箭头与相关入侵飞机符号以相同颜色显示;当一架入侵飞机没有报告其高度，不会显示相对高度和垂直运动。
③没有方位的入侵飞机:如果不能获得入侵飞机的TA(交通通告)或RA(决断通告)的方位，在导航显示器下部以数字形式显示距离以及相对高度和垂直速度箭头并根据威胁等级，显示琥珀色或红色。
④距离圈：当选择10或20海⾥的距离圈时，显示一个2.5海⾥的白色距离环。
根据高度和TAU的不同，TA/RA临界值被划分成如下：
（四）TCAS探测范围和能力
TCAS的探测范围广泛，覆盖纵向30NM至80NM（取决于飞机构型及外部环境），左右两侧30NM以内，高度范围在+9900ft至-9900ft以内，在侧面和后方的监视距离较小。在探测范围内，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。（为了减少无线电干扰，管理条例对TCAS的功率有所限制。不同的机型或者TCAS的型号探测范围会有不同。）
TCAS II 给予机组提供两种不同的咨询，TA和RA：
交通咨询（TA）：当TCAS检测到有飞机进入监视包线内，但尚未达到碰撞威胁级别时，会向飞行员发出TA警告，帮助机组建立入侵航空器的目视信息，同时为可能的解决方案做好准备；
决断咨询（RA）：若TCAS检测到潜在的碰撞威胁，会向飞行员发出RA警告，并提供具体的垂直避让建议，如“爬升”或“下降”，以确保安全距离。RA的发布不是只可以应对单一的威胁，它可以同时应对多个航空器的威胁。
四、冲突处置及风险防控
交通警告和防撞系统（TCAS）的运用显著降低了空中相撞的风险，然而，由于目前大多数飞机型号的TCAS冲突解决机制要求机组人员依据系统指示进行手动操作，因此并非总是最佳解决方案。由于涉及人为操作，不可避免地会引入机组飞行技术和飞行态度方面的风险。航空史上记录了众多因TCAS警报决策和执行不当导致的不安全事件甚至事故。为了减少人为因素带来的风险，各航空公司遵循中国民用航空局提出的“加强基层建设、打牢基础工作、苦练基本技能”的指导原则，以“敬畏生命、敬畏规章、敬畏职责”为核心，持续提升飞行岗位的核心能力及飞行人员的专业素质，为飞行安全奠定坚实基础。
2019年8月，某公司B737-800飞机执行青岛至大阪的航班，管制员指挥机组上目标高度6600米（21700英尺），机组使用高度层改变方式爬升，在21076英尺高度截获。当时在6900米（22600英尺）有其他对向飞机，本机高度截获后在21438英尺，此时上升率1920英尺/分钟触发RA警告“Don’t Climb”，警告产生后2秒机组断开自动驾驶，按RA指令操作减小上升率，飞机最高上升至压力高度21547英尺后又下降至21276英尺，后续警告消失后继续爬升到6600米（22600英尺）。根据两架飞机的目标高度和自动驾驶的工作状态，两架飞机不会相撞，但是TCAS警告的逻辑基于飞机当前的运动轨迹而非目标高度来预测碰撞威胁的，当飞机即将完成爬升，达到其预期的飞行高度层时，TCAS不能预测到飞机即将到达预期的水平面（改平），所以触发了RA警告。（当前TCAS广泛使用的版本为7.1及更高版本，已不再使用“Don’t Climb”或“Don’t Descend”等否定性指令，而是通过更明确的Resolution Advisory（RA）指令指导飞行员采取具体行动，比如 “MORNITOR VERTICAL SPEED”或“LEVEL OFF,LEVEL OFF”）
为了规避这种运行风险，管制员和飞行机组都采取了相对应的措施。在航班运行中，我们会经常听到管制员提醒爬升或下降的飞机注意高高度/低高度有相对飞机，从而提醒机组在快要达到目标高度时控制上升率/下降率。作为机组，在爬升或下降时，要注意观察TCAS的显示，在目标高度附近有高度相邻的飞机时，要主动控制上升率或下降率避免危险接近。很多航司为了规避这种运行风险在机组标准操作手册里进行了明确的规定，比如：除非 ATC 有另外的指令，否则当机组察觉到有其他飞机正处于或接近管制指令目标高度的相邻高度时，在爬升或下降至目标高度的最后 1000 英尺垂直范围内，爬升或下降率应不大于 1500 英尺/分钟。
针对TCAS的两种不同咨询，机组人员应遵循以下原则对TCAS信息作出响应：
当出现TA（Traffic Alert交通警戒）信息时，机组人员应依据TCAS的指示，努力通过目视发现引发TA的航空器，并对其进行监视，确保目视保持安全距离。在未目视发现该航空器之前，不应仅凭TA信息执行机动飞行。
当出现RA信息时，驾驶员应立即依照RA的指示操作飞机，除非此操作会直接威胁飞行安全，或者机组人员已明确看到引发RA的航空器。操作驾驶员应根据RA指示的方向和量值，迅速且谨慎地采取正确的操作动作，以满足RA的要求（通常为1500英尺/分的上升率或下降率）。应确保垂直速度指针或俯仰引导标志刚好位于红色区域之外，若显示绿色区域，则应准确地飞至该区域。
在首个RA出现时，操作驾驶员应在5秒内作出初始垂直速度响应。对于“增加”或“反向”RA信息，应在2.5秒内作出垂直速度响应。[ 关于TCAS使用的暂行规定［民航飞发〔1998〕188号］] 在正确响应RA信息时，偏离原定高度通常不超过300至500英尺即可解决冲突。
实时状态逻辑
TCAS警告的逻辑基于飞机当前的轨迹而非目标高度来预测碰撞威胁。当飞机即将完成爬升或下降，即将达到其预期的飞行高度层时，TCAS可能未能预测到飞机即将到达预期的水平面（改平），这仍可能引发RA警告。若另一架飞机在相邻的飞行高度层接近，它可能触发“level off”RA，或“level off”以及相应的“climb”或“descend”RA。这种情况在拥挤的空域中更为常见。
在Eurocontrol的研究中[ Eurocontrol ACAS II Annual Safety Report（2014-2015）]，“level off”RA占所有观察到的RA的65%。国际民航组织建议机组人员在接近目标飞行高度层时，手动选择较低的垂直速度，以预防触发“level off”RA。（空客公司某些机型已更新升级了TCAS警报预防（TCAP）功能）
五、TCAS告警及抑制逻辑
（一）TCAS告警
（二）TCAS警告抑制逻辑
①无线电高度约 1,500 英尺以下，增加下降率决断提示（INCREASE DESCENT RA）被抑制。
②无线电高度约 1,100 英尺以下，下降决断提示（DESCEND RA）被抑制。
③无线电高度约 1,000 英尺以下，RA 被抑制，仅 TA 方式工作，并且在导航显示（ND）上显示 TA（TA ONLY）。
④无线电高度约 500 英尺以下，所有 TCAS 语音信号被抑制。
⑤GPWS 和风切变警告抑制所有的 TCAS 报警。
六、TCAS的应用及未来的趋势与挑战
交通警告和防撞系统（TCAS）在航空安全领域扮演着至关重要的角色。它不仅提升了飞行员对空中交通状况的感知能力，而且增强了飞行的安全性和效率。尤其在复杂和高风险的飞行环境中，例如跨洋航线和复杂空域管理，TCAS的作用已超越了单一的防撞功能，成为优化空中交通的关键工具。国际民航组织（ICAO）对TCAS的安装提出了明确的要求，例如：根据ICAO的规定，所有30座以上的航空器必须在全球范围内安装TCAS II。中国民航局规定，自2004年1月1日起，所有最大审定起飞重量超过5700公斤或批准载客数超过19座的涡轮发动机飞机，必须配备TCAS II。[ 《一般运行和飞行规则》第91.207条(g)款] 美国联邦航空局（FAA）和欧盟航空安全局（EASA）也有类似的规定，要求所有最大审定起飞重量超过15000磅或批准载客数超过19座的涡轮发动机飞机，必须安装TCAS II。[ 《联邦航空条例》121.354和135.152] 此外，随着技术的持续进步，TCAS系统正在逐步整合其他先进的航空电子技术，例如ADS-B（广播式自动相关监视），以提高探测的精确度和可靠性。
TCAS作为现代航空安全的关键组成部分，其发展历程从理论探索到广泛应用。通过实时监测和评估周围航空器的位置和速度，预测潜在的碰撞风险，并向飞行员提供及时的警告和避让建议，TCAS显著降低了空中相撞事故的风险。展望未来，TCAS系统将面临新的发展机遇和挑战。一方面，随着航空技术的不断进步和空中交通量的持续增长，TCAS系统有望实现更加智能化的碰撞风险评估和避让建议生成。另一方面，这些发展也带来了新的挑战，例如如何确保系统的兼容性和操作性、如何保护系统的安全性和稳定性等。因此，在未来的发展过程中，需要不断加强技术研发和标准化建设，以推动TCAS系统的持续改进和优化。随着技术的不断进步和应用领域的拓展，我们可以预见TCAS系统将在航空安全领域继续发挥更加重要的作用。
参考文献：
Boeing next-generation 737，flight crew operations manual。
Boeing 737 NG/MAX flight crew training manual。
Boeing aircraft maintenance manual（AMM）
关于TCAS使用的暂行规定［民航飞发〔1998〕188号］
ICAO《附件10》
《波音737NG飞机TCAS导航系统及常见故障分析》（掌桥科研，2018年1月1日）
出品：培训部
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