文/王秋云 孟浩

1 概述

據(jù)美國聯(lián)邦航空局（FAA）統(tǒng)計，2009—2013年直升機致命性事故的原因中，撞擊排名第二，且占比逐年增加，其中包括直升機之間、直升機與固定翼飛機之間等。

和固定翼飛行器相比，直升機面臨的飛行安全威脅更加嚴(yán)重。直升機的飛行區(qū)域和作業(yè)特點，使得直升機比固定翼面臨更頻繁的危險接近和碰撞危險；直升機多數(shù)飛行區(qū)域是地面空管的盲區(qū)，無法獲取空中交通信息；直升機多機飛行時受安全管理水平影響大，當(dāng)缺乏安全管理經(jīng)驗或多單位協(xié)同時，易引發(fā)安全事故。因而，直升機對空中交通防撞技術(shù)有著強烈的需求。在常規(guī)的地面空管系統(tǒng)因其覆蓋范圍有限且存在雷達(dá)盲區(qū)，已難以滿足所有飛行環(huán)境要求。為了使得飛行器間更好的相互通信、相互監(jiān)視，航空界致力多年發(fā)展了機載防撞系統(tǒng)，能有效的降低碰撞風(fēng)險。

目前，固定翼飛機上廣泛采用的是空中交通告警防撞系統(tǒng)（Traff i c Collision Avoidance System，簡稱TCAS）。該設(shè)備基于二次雷達(dá)原理，能夠主動探測和跟蹤臨近的飛行器，預(yù)測潛在的碰撞危險，并給飛行員發(fā)出警告及符合空中交通管制規(guī)則的防撞操作指令。截止目前，各國民航組織尚未對直升機（渦軸動力飛行器）安裝TCASⅡ提出明確的要求。

鑒于TCAS在固定翼飛行器防碰撞領(lǐng)域取得的出色效果，直升機領(lǐng)域逐步在探索TCAS是否能夠在直升機防撞方面發(fā)揮出同樣的作用。2008年Collins將固定翼飛機TCAS直接移植到一架Super Puma直升機上，實現(xiàn)了TCAS安裝在直升機上的突破。但是，學(xué)界目前對于TCAS是否能夠給直升機提供可靠地告警和防碰撞指示依然有很多爭議。

國內(nèi)目前尚無直升機配裝TCASⅡ的應(yīng)用與研究。為滿足重型直升機和未來民用直升機的使用需求，本文在分析TCAS原理的基礎(chǔ)上，研究了TCAS在直升機上裝機可行性和有效性，對適應(yīng)直升機特點的TCAS發(fā)展方向進(jìn)行了討論。

2 TCAS原理

TCAS系統(tǒng)可不依賴于地面系統(tǒng)，作為傳統(tǒng)ATC系統(tǒng)的一種備份，使本機與其他飛行器保持安全的空中間距。目前，按照各國民航局的要求，民航飛機主要安裝的空中交通防撞系統(tǒng)以TCASⅡ為主，TCASⅡ的產(chǎn)品是高度標(biāo)準(zhǔn)化的。航空無線電委員會（RTCA）在1997年頒布了DO185A，規(guī)定了TCASⅡ的最小操作性能標(biāo)準(zhǔn)。隨著大批量的設(shè)備裝機使用，RTCA又在2008年頒布了DO185B，在DO185A的基礎(chǔ)上對防碰撞算法作了改進(jìn)提升。

TCASⅡ主要是完成針對附近空域內(nèi)安裝有ATCRBS應(yīng)答機或S模式應(yīng)答機的飛機防碰撞功能，具體可以歸納為監(jiān)視、跟蹤、潛在威脅評估、交通咨詢（TA）、決斷告警（RA）和避撞協(xié)調(diào)。

3 TCAS在直升機上應(yīng)用

3.1 裝機可行性

目前通用的TCASⅡ的最小操作性能標(biāo)準(zhǔn)DO185B默認(rèn)是參考固定翼飛機的特征及飛行特性規(guī)定的。因而各國民航組織，都只規(guī)定起飛重量達(dá)到一定數(shù)來能夠或乘客數(shù)量超過某一數(shù)值的固定翼飛機必須配裝TCASⅡ。而并沒有對直升機提出要求。國內(nèi)目前尚無直升機配裝TCASⅡ的研究，國外雖然有少量直升機加裝了TCASⅡ，但也無法就此而完全確認(rèn)證實直升機加裝TCASⅡ的可行性。TCAS在直升機上安裝的可行性需進(jìn)一步分析。

基于TCAS的功能可知，將TCAS安裝在直升機上的主要希望其能夠起到幾個方面的作用。首先，希望通過在兩機距離非?？拷臅r候執(zhí)行TCASⅡ提供的RA（決斷告警）以避免空中相撞；其次，TCASⅡ的TA（交通咨詢）功能可以顯示本機所在空域的飛行器方位信息，希望借此提升飛行員對周邊環(huán)境的了解，預(yù)防空中撞機。下面結(jié)合TCASⅡ?qū)崿F(xiàn)上述功能的具體設(shè)計，及直升機和固定翼飛機的差異，考慮其是否可以在直升機上使用。

（1）RA功能的實現(xiàn)。TCASⅡ的RA要求飛行器以7.6m/s的速度向上爬升，而部分直升機是達(dá)不到這個性能要求的。因此，直升機安裝TCASⅡ時需確認(rèn)本機的爬升速度要大于TCASⅡ的TA指標(biāo)要求，否則不能安裝TCASⅡ。不然的話，在兩機距離靠近且TCASⅡ發(fā)出RA指令時，直升機無法按預(yù)期完成該指令將會導(dǎo)致兩機相撞。

（2）TCASⅡ防碰撞邏輯的有效性主要是通過固定翼飛機之間的碰撞數(shù)據(jù)驗證的，因此當(dāng)其中的一架或兩架均為安裝了TCASⅡ的飛行器時，該碰撞邏輯是否有效則值得懷疑。理論上，TCASⅡ的防碰撞邏輯是基于可觀測到的其他飛行器的軌跡的延續(xù)性。然而相對于固定翼而言，直升機的可操作性更強，可以在空中盤旋，也可以突然啟動。因此上述的假設(shè)對于直升機是不成立的。針對該問題，ΕUROCONTROL（歐洲航管組織）TCAS項目組，建立了TCASⅡ模型、直升機飛行包線的模型及空中碰撞的模型，并在仿真試驗中驗證了TCASⅡ的防碰撞邏輯對直升機空中飛行避撞同樣有效。究其原因在于，防碰撞邏輯對飛行器的姿態(tài)和距離測量誤差有很強的魯棒性，足以保證其對直升機特殊的飛行姿態(tài)和軌跡的跟蹤預(yù)測。

（3）TA功能能否按照期望在直升機上實現(xiàn)。由于在TCASⅡ的天線的正上方和正下方是有盲區(qū)的，因而其安裝平臺的正上方和正下方的監(jiān)控功能是不完善的。這對于固定翼飛機來說通常不構(gòu)成問題，因為其向前的速度都會大幅超過其向上飛行的速度?？墒侵鄙龣C是可以直接向上拉升進(jìn)入這些監(jiān)控盲區(qū)的。所以，相對于固定翼飛機來講，直升機監(jiān)控的盲區(qū)的存在有更大概率導(dǎo)致其與入侵飛行器的碰撞。相比固定翼飛行器，直升機的機體不平整、還有旋翼槳葉的遮擋等問題，導(dǎo)致天線安裝使用環(huán)境更加惡劣，天線監(jiān)控性能也不可避免的要受到損失。現(xiàn)在裝機的成品也只是在重量限制、動力學(xué)要求和監(jiān)控性能之間做一個折中的選擇

目前，中國民航大學(xué)等機構(gòu)對固定翼飛機上的ADS-B（基于衛(wèi)星定位和地/空數(shù)據(jù)鏈通信的航空器運行監(jiān)視技術(shù)）和TCASⅡ數(shù)據(jù)融合算法開展了一些研究。ADS-B技術(shù)已日漸成熟，可自動廣播由機載導(dǎo)航設(shè)備和GPS定位系統(tǒng)生成的精確定位信息。該設(shè)備可使載機的位置信息發(fā)送到其所在的空域內(nèi)，安裝有ADS-B設(shè)備的飛行器均可自動接收信息。因此，針對存在于本機TCASⅡ的監(jiān)控盲區(qū)內(nèi)的飛行器，可通過本機安裝的ADS-B設(shè)備接收其位置信息。通過TCASⅡ和ADS-B數(shù)據(jù)的信息融合，將會有效彌補TCASⅡ的通信盲區(qū)。這是解決TCASⅡ監(jiān)控盲區(qū)的有益探索方向。

3.2 裝機有效性

美國MIT的林肯試驗室在1987年即對TCAS在直升機上的安裝進(jìn)行了試驗，隨后對駕駛安裝TCAS的直升機的飛行員進(jìn)行調(diào)查，結(jié)論是對TCAS顯示周邊飛行器的功能表示認(rèn)可，比沒有安裝TCAS的直升機更容易駕駛。然而該項研究沒有給出定量結(jié)論。

考慮到直升機上安裝TCASⅡ存在上述分析中提到的一些尚未完全解決的問題，因此TCASⅡ能在多大程度上提高直升的飛行安全性依然是不確定的。因此為了測試TCASⅡ在降低直升機空中碰撞風(fēng)險方面的性能，ΕUROCONTROL開展了一項基于英國民用直升機的調(diào)查仿真研究。

TCAS項目組對直升機遭遇的18次空中相遇做了記錄。另外，又對直升機可能會面臨的22次比較典型的空中相遇做了記錄。結(jié)合季節(jié)不同可能導(dǎo)致的差異，上述觀測數(shù)據(jù)折合成0.32年的記錄。對該數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后得出安裝TCASⅡ前直升機撞機的概率約為每年0.076次。結(jié)合實際來看，本次研究開始前發(fā)生的一次英國空直升機空中撞機事件在1993年，下一次則是在2004年，與概率是基本相合的。在英國空域內(nèi)，對于一架直升機在每個航時發(fā)生空中碰撞的概率是2.87×10-7，這略大于商用飛行器每航時7.8×10-8的概率，考慮到商用飛行器始終在RAS的保護下執(zhí)行任務(wù)，比常規(guī)飛機多了一重保護，這個數(shù)值也是比較正常的了。

隨后，基于RTCA在此前的研究建立起的碰撞模型，將其中一方的飛行包線進(jìn)行調(diào)整以適用于直升機。先將直升機保持初始狀態(tài)，進(jìn)行飛行仿真，然后模擬直升機上安裝TCASⅡ的參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行飛行仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每年直升機空中撞機的概率降低到0.065次，兩次事故的平均間隔時間由13年增加到15年。每航時發(fā)生空中碰撞的概率也降低到1.15×10-7。安裝TCASⅡ明顯的提升了直升機的安全性，直升機在條件允許的情況下均建議安裝。

4 總結(jié)與展望

作為針對固定翼飛行器性能設(shè)計的機載空中防撞設(shè)備，大量實踐證實TCAS能夠有效提升固定翼飛機的飛行安全性。通過分析TCASⅡ的設(shè)計原理，對直升機與固定翼飛機在飛行性能和飛行包線等方面存在的差異進(jìn)行研究后，確認(rèn)安裝TCAS可以有效減少直升機空中相撞概率，提升直升機的飛行安全性。但現(xiàn)有的TCAS技術(shù)尚不能完全滿足直升機需求，其監(jiān)控盲區(qū)的問題仍待解決，基于直升機動力學(xué)特性的防碰撞算法研究仍不夠深入。今后將著重于TCASⅡ和ADS-B的數(shù)據(jù)融合方法及相關(guān)防碰撞算法的研究，進(jìn)一步提高直升機復(fù)雜空域下的飛行安全性。