朱安，劉慶玲，哈迪

哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

空中防撞系統(tǒng) (traffic collision avoidance system, TCAS) 是一種自動(dòng)空中交通監(jiān)控系統(tǒng)，旨在檢測(cè)航空運(yùn)輸系統(tǒng)中空域用戶之間的潛在沖突，并向飛行員發(fā)布決議咨詢建議。TCAS 監(jiān)視設(shè)備的工作方式與二次監(jiān)視雷達(dá)相同，可為其他空域用戶提供可靠的距離測(cè)量。TCAS 包括一個(gè)計(jì)算機(jī)處理單元，它以1 030 MHz 的頻率生成詢問信號(hào)，并通過天線系統(tǒng)傳輸該信號(hào)。

在頻率1 090 MHz，飛機(jī)應(yīng)答器接收詢問并自動(dòng)生成響應(yīng)[1]。來自飛機(jī)應(yīng)答器的響應(yīng)信號(hào)包含航班號(hào)、通話信號(hào)和氣壓高度信息，ACAS 程序算法使用這些信息來檢測(cè)空中碰撞。由于缺乏精確的飛機(jī)相互位置關(guān)系，因此幾乎不可能使用協(xié)調(diào)的水平面機(jī)動(dòng)方式來解決沖突，這對(duì)ACAS III 的改進(jìn)來說是一個(gè)重大挑戰(zhàn)[2]。當(dāng) TCAS 檢測(cè)到一架飛機(jī)并確定它是潛在威脅時(shí)，會(huì)向飛行員發(fā)出交通咨詢。 如果威脅迫在眉睫，TCAS 建議飛行員進(jìn)行垂直回避機(jī)動(dòng)，這被稱為決議咨詢 (resolution advisory, RA)。本文的目的是提供一種可靠的解決算法，以減少當(dāng)前 TCAS 的一些弱點(diǎn)，例如不必要的警報(bào)率高，這會(huì)誤導(dǎo)飛行員并導(dǎo)致他們執(zhí)行不必要的機(jī)動(dòng)。TCAS 的缺點(diǎn)、空域容量的不斷增加，以及將無人機(jī)集成到受控空中交通中的困難，促使研究人員尋找改進(jìn)TCAS 要求的解決方案。

1 空域表示方法

假設(shè)空域顯示為三維(3-D)笛卡爾坐標(biāo)系，本機(jī)S的位置和速度分別為 (L,G,Alt) 和 (Vox,Voy,Voz)，入侵飛機(jī)的位置和速度分別為 (Li,Gi,Alti) 和 (Vix,Viy,Viz)[3]。以上參數(shù)都是時(shí)變的；從圖1 可以看出，圓柱中的保護(hù)區(qū)域半徑為R，高度為H。當(dāng)入侵飛機(jī)進(jìn)入本機(jī)的保護(hù)區(qū)時(shí)，表明存在潛在的沖突威脅。為了防止空中碰撞，必須在檢測(cè)到?jīng)_突后達(dá)成解決方案。如果飛行員可以看到周圍的飛機(jī)，假設(shè)視覺符號(hào)在沖突交通達(dá)到±381 m 時(shí)開始，而聽覺警報(bào)從±290 m 而不是±381 m 開始，這也將大大減少警報(bào)并消除不必要的警報(bào)，特別是在持有模式。本系統(tǒng)中的聽覺警報(bào)開始于大約3.2 nm。如圖1 所示，假設(shè)在R=3.2 nm 處檢測(cè)到水平?jīng)_突作為視覺通知，并且在R=2.2 nm 處開始聽覺警報(bào)。下面的數(shù)學(xué)模型給出了減少空域?yàn)?/p>

圖1 垂直和水平空域的可視化

式中：Sr為減少的警告空域或決議咨詢，SR為初始警告空域或交通咨詢(traffic advisory，TA)，H為垂直高度。

如果將聽覺警報(bào)率降低為1 nm 和相應(yīng)的290 m，則空間將減少 54.4% 以上，這意味著不必要的聽覺警報(bào)數(shù)量將減少P=0.55[4]。國(guó)際民用航空組織(International Civil Aviation Organization, ICAO) 定義了3 個(gè)級(jí)別的 ACAS[5]：

1) ACAS I 提供信息以幫助飛行員“看到并避免”行動(dòng)（僅限 TA），但不能生成決議咨詢。

2) ACAS II 除了交通咨詢（TA + RA）外，還提供垂直決議咨詢。

3) ACAS III 除了交通咨詢（TA + RA + HRA）外，還提供垂直和水平?jīng)Q議咨詢。

4) ACAS X 代表了交通咨詢邏輯生成方式最重要的轉(zhuǎn)變[6]。

2 歷史上的空中碰撞

一系列空中墜機(jī)事故促使航空公司和政府開發(fā)機(jī)載設(shè)備，用于警報(bào)和避免碰撞，該設(shè)備獨(dú)立于空中交通管制 (air traffic control, ATC) 運(yùn)行。到1950 年，航空運(yùn)輸已成為公共空域，天空變得越來越擁擠。1956 年在大峽谷上空發(fā)生的空中碰撞造成 128 人死亡，是當(dāng)時(shí)歷史上最嚴(yán)重的商業(yè)空難悲劇。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局 (Federal Aviation Administration, FAA) 的成立在空域設(shè)計(jì)和空中交通管制 (ATC) 方面取得了重大進(jìn)展。然而，仍然發(fā)生了一系列的空中災(zāi)難。1978 年，一架商用客機(jī)在加利福尼亞州圣地亞哥上空墜毀，造成 144人死亡（見圖2），另一架商用客機(jī)于 1986 年在加利福尼亞州喜瑞都上空墜毀，造成 82 人死亡。這2 起墜機(jī)事故，促使國(guó)會(huì)增加一層碰撞標(biāo)準(zhǔn)來保護(hù)車載系統(tǒng)。

圖2 PSA F-182 和 Cessna 172 之間的空中碰撞

TCAS 是為應(yīng)對(duì)圣地亞哥上空的碰撞而開發(fā)的，如圖3 所示。開發(fā)跨越了幾十年，林肯實(shí)驗(yàn)室是這2 個(gè)系統(tǒng)制造的主要領(lǐng)導(dǎo)者。在加利福尼亞州喜瑞上空發(fā)生碰撞后，國(guó)會(huì)授權(quán)在美國(guó)使用TCAS，目前全球所有大型貨運(yùn)和客機(jī)都必須使用TCAS[7]。如表1 所示為歷史上的空中碰撞總結(jié)。

表1 歷史上空中碰撞的總結(jié)

圖3 空中防撞系統(tǒng)

2002 年 7 月 1 日晚上，一架 DHL 波音 B-757貨機(jī)在德國(guó)überlingen 上空34 950 feet 處與一架俄羅斯 Tupolev-154 客機(jī)相撞（圖4）。2 架飛機(jī)都在墜機(jī)事故中被摧毀，機(jī)上 71 人全部遇難，包括機(jī)組人員和乘客[8]。2 架飛機(jī)都有 TCAS 的事實(shí)尤其令人擔(dān)憂。正如之前的事件所證明的那樣，墜機(jī)前發(fā)生了一系列事件。首先，由于監(jiān)控2 架飛機(jī)的空中交通管制設(shè)施出現(xiàn)問題和錯(cuò)誤，2 架飛機(jī)之間的標(biāo)稱間隔要求丟失了。結(jié)果兩架飛機(jī)在36 000 feet 處比平時(shí)靠得更近了。DHL 飛行員按照他們的決議咨詢 (RA) 下降，而俄羅斯機(jī)組人員按照空中交通管制 (ATC) 指令下降。不久之后，2 架飛機(jī)上的決議咨詢得到加強(qiáng)，以“增加”俄羅斯飛機(jī)的“爬升”和“增加下降”的 DHL 飛機(jī)。在TCAS 決議咨詢發(fā)布后約35 s 飛機(jī)相撞[9]。

圖4 德國(guó)überlingen 空中碰撞（德國(guó)委員會(huì)事故調(diào)查報(bào)告）

根據(jù)德國(guó)事故調(diào)查報(bào)告，事故的直接原因之一是俄羅斯飛行機(jī)組決定遵守空中交通管制(ATC) 許可下降，而不是遵守 TCAS 決議建議(RA) 爬升。俄羅斯決定按照與決議建議相反的方向進(jìn)行機(jī)動(dòng)，破壞了 TCAS 的協(xié)調(diào)邏輯。如果飛行員不遵循系統(tǒng)的建議，TCAS 就無法防止事故發(fā)生。另一方面，DHL 機(jī)組人員確實(shí)遵循了TCAS 決議建議并與圖波列夫 (Tupolev) 飛機(jī)相撞。事發(fā)當(dāng)晚飛行雷達(dá)提供的圖形分析如圖5 所示。

圖5 überlingen 空中碰撞技術(shù)分析

3 防撞系統(tǒng)概述

空中防撞系統(tǒng)（TCAS）的主要思想是基于時(shí)間接近單位區(qū)域（time approach unit, TAU）的概念，如圖6 為TAU 原理，它取決于到最近接近點(diǎn)（closest point of approach, CPA）的時(shí)間，而不是距離[10]。交通咨詢 (TA) 和決議咨詢 (RA) 在其周圍生成2 個(gè)保護(hù)區(qū)，指示何時(shí)到達(dá)最近接近點(diǎn)[11]。有效的 TCAS 邏輯分離需要通過控制時(shí)間接近單位區(qū)域的靈敏度等水平 (sensitivity level , SL)在必要的保護(hù)和不必要的警告之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖6 時(shí)間接近單位區(qū)域原理

每架飛機(jī)都有自己的隔離氣泡，m定義為保護(hù)半徑的最小距離。表2 顯示了低海拔地區(qū)的TCAS 靈敏度水平和時(shí)間接近單位區(qū)域值[12]。

表2 低海拔飛行的相對(duì)靈敏度水平(SL)和TAU 值

TCAS 工作性能由3 個(gè)主要部分決定：防撞安全邏輯、決斷告警和飛行員界面[13]。

3.1 防撞安全邏輯

當(dāng)另一架飛機(jī)被視為嚴(yán)重威脅時(shí)，TCAS 會(huì)發(fā)出交通咨詢信息，其中包括“交通、交通”的語音通知，并在交通顯示屏上突出顯示入侵飛機(jī)。當(dāng)需要機(jī)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出決議咨詢，并指示飛行員上升或下降以保持安全間隔。所需的垂直機(jī)動(dòng)以聲音方式發(fā)布，垂直速度指示器顯示可接受的垂直速度范圍。如果入侵飛機(jī)沒有報(bào)告其真實(shí)高度，TCAS 可以將相對(duì)高度設(shè)置為小于308 m。

安全邏輯使用確定性和啟發(fā)式規(guī)則，根據(jù)最近接近點(diǎn)的時(shí)間和預(yù)期距離發(fā)出有關(guān)潛在威脅的警告。如圖7 所示為安全邏輯操作。

圖7 安全邏輯操作

3.2 決斷警告

當(dāng)2 架飛機(jī)在500 feet 水平和100 feet 垂直距離內(nèi)時(shí)會(huì)發(fā)生近半空中碰撞[14]。然后，有2 種類型的建議可以幫助飛行員避免碰撞：1) 交通咨詢，它提醒飛行員注意附近的交通；2) 決議咨詢，它指導(dǎo)飛行員進(jìn)行特定的機(jī)動(dòng)以避免碰撞。交通咨詢和決議咨詢 在飛行駕駛艙顯示屏上向飛行員發(fā)出視覺和聽覺警報(bào)。決議咨詢?nèi)鐖D8 所示。在決議咨詢中，TCAS 將要求飛行員遵守以下指示：1)上升或下降；2) 平整度；3) 保持當(dāng)前的上升或下降；4) 限制爬升或下降；5) 加強(qiáng)爬升或下降。

圖8 決議咨詢

3.3 駕駛艙系統(tǒng)

TCAS 通過詢問周圍飛機(jī)的空中交通管制(ATC) 轉(zhuǎn)發(fā)器，使用計(jì)算機(jī)處理來識(shí)別和顯示碰撞危險(xiǎn)。當(dāng)計(jì)算機(jī)分析入侵飛機(jī)應(yīng)答器的響應(yīng)，預(yù)測(cè)到受保護(hù)空域的突破時(shí)，系統(tǒng)將向機(jī)組成員發(fā)出相關(guān)的聽覺和視覺警告，采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)以確保安全分離[15]。圖9 顯示了 TCAS 駕駛艙系統(tǒng)框圖。

圖9 駕駛艙系統(tǒng)

TCAS 安裝中包含以下組件：

1) 一組電腦系統(tǒng)，它執(zhí)行以下功能:

① 對(duì)監(jiān)視和跟蹤入侵飛機(jī)進(jìn)行例行計(jì)算；

② 產(chǎn)生相關(guān)的警告信號(hào)；

③ 確定規(guī)避機(jī)動(dòng)。

2) 控制面板，它是轉(zhuǎn)發(fā)器的一部分，有各種功能模塊：

① STBY：TCAS 未激活（將靈敏度級(jí)別設(shè)置為1）；

② TA ONLY：它只給我們交通咨詢（靈敏度級(jí)別調(diào)整為 2）；

③ TA / RA：提供交通咨詢和決議咨詢，（根據(jù) ACFT 的高度自動(dòng)調(diào)整靈敏度級(jí)別）。

3) 2 個(gè)天線（一個(gè)在機(jī)身上方，一個(gè)在機(jī)身下方）。

4) 設(shè)置與無線電高度計(jì)的連接有2 個(gè)原因：

① ACFT 和 TCAS 在地面上；

② 靠近地面。

4 決議警告算法

生成的回避機(jī)動(dòng)是推薦的決策系統(tǒng)(decision making system, DMS)的最后一步。當(dāng)檢測(cè)到威脅時(shí)，TCAS 會(huì)通過視覺和聽覺交通咨詢通知飛行員，該信息旨在通知飛行員有關(guān)威脅并支持他們定位入侵飛機(jī)。如果沖突沒有解決并且達(dá)到某個(gè)閾值，TCAS 將啟動(dòng)決議咨詢，建議飛行員防止沖突[16]。共有3 種沖突場(chǎng)景：飛機(jī)面對(duì)面、交叉路徑和超車。一旦沖突得到有效解決，TCAS 將通過清除沖突(clear conflict)的聲音通知飛行員。如圖10所示為Next-CAS II 算法的基本流程。

圖10 Next-CAS II 算法的基本流程

以下4 點(diǎn)為Next-CAS II 算法的作用：

1) 該算法考慮了本機(jī)和入侵飛機(jī)狀態(tài)向量的異步時(shí)序，報(bào)告由于同信道干擾而丟失的 ADS-B入侵機(jī)更新；

2) 該算法監(jiān)控預(yù)測(cè)的最接近點(diǎn) (CPA) 的變化，以識(shí)別本機(jī)或入侵飛機(jī)機(jī)動(dòng)；

3) 該算法根據(jù)檢測(cè)到的收斂機(jī)動(dòng)的嚴(yán)重程度，有目的地修改保護(hù)區(qū)（protected area，PZ）的體積；

4) 該算法旨在將6 個(gè)潛在決議最小化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)決議，引導(dǎo)飛行員選擇3 個(gè)基本操作。

4.1 交通咨詢測(cè)試

TCAS 使用來自過濾器的距離估計(jì)來計(jì)算到附近飛機(jī)的距離。如果航程估計(jì)符合某些標(biāo)準(zhǔn)，TCAS 會(huì)發(fā)布交通咨詢，以提醒飛行員飛機(jī)正在接近。

4.1.1 交通咨詢范圍測(cè)試

此外，如果距離測(cè)試超過水平未命中閾值，則距離測(cè)試是肯定的。如表3 所示為交通咨詢的警報(bào)閾值。

表3 交通咨詢范圍測(cè)試的警報(bào)閾值

4.1.2 交通咨詢海拔測(cè)試

當(dāng)飛機(jī)之間的海拔間隔很小時(shí)，海拔測(cè)試定義為布爾Bt,AT,TA為真。

如果 Bt,AT,CA結(jié)果很小，那么海拔測(cè)試定義為

速率 > 183 m/min， 對(duì)于所有其他情況，如果τv

1) 時(shí)間共同海拔 τA|t小于閾值Tv，并且本機(jī)的海拔速度小于183 m/min；

2) 所有其他相遇時(shí)間共同海拔 τA|t小于閾值ΔRA。

根據(jù)上述描述，BAT,CA表示為

到達(dá)共同海拔的預(yù)期時(shí)間 τA|t計(jì)算為

閾值參數(shù)zthr,TA、ΔTA、ΔRA和Tv是當(dāng)前高度的函數(shù)，如表4 所示。

表4 交通咨詢海拔測(cè)試的警報(bào)閾值

如果范圍和海拔測(cè)試已獲批準(zhǔn)，則會(huì)發(fā)布交通咨詢。

4.2 威脅演變監(jiān)測(cè)

威脅演變監(jiān)測(cè)模塊確定是否應(yīng)修改或刪除以清除沖突消息形式的給定決議咨詢 (RA)。一旦決定發(fā)布初始決議咨詢，發(fā)送的協(xié)調(diào)消息的參數(shù)將用于促進(jìn)數(shù)值計(jì)算mt,sent，并將最初選擇的Dt復(fù)制到參數(shù)和。此外，計(jì)時(shí)器tt,RA固定為8 s，因?yàn)樵谡{(diào)整決議咨詢之前必須給飛行員足夠的時(shí)間。

對(duì)于時(shí)間間隔Δ>0,tt,RA演變?yōu)?/p>

4.3 決議咨詢調(diào)整

TCAS 確定其他飛機(jī)是否不再被視為威脅。如果獲得垂直分離，正面的決議咨詢可能會(huì)降低為“請(qǐng)勿攀爬升”或“請(qǐng)勿下降”。 這由以下算法表示，該算法將在每個(gè)評(píng)估周期結(jié)束時(shí)執(zhí)行。

如果本機(jī)平飛，則當(dāng)前相對(duì)海拔rt,A和最近點(diǎn)進(jìn)場(chǎng) (CPA) 的相對(duì)海拔預(yù)測(cè)為與強(qiáng)制海拔未命中距離alim。幾何情況的另一種評(píng)估用于對(duì)上述情況進(jìn)行建模。

因?yàn)轱w行員需要足夠的時(shí)間對(duì)決議咨詢做出反應(yīng)，所以在每個(gè)新的范圍和預(yù)測(cè)速率之后執(zhí)行此測(cè)試，但測(cè)試僅當(dāng)計(jì)時(shí)器tt|RA達(dá)到零時(shí)進(jìn)行。

如果當(dāng)前預(yù)測(cè)的垂直未命中距離不足并且飛行員有足夠的時(shí)間對(duì)決議咨詢做出反應(yīng)，則布爾Bt,RA,EVO被認(rèn)為是正確的。

4.4 清除沖突消息

威脅演變監(jiān)測(cè)模塊還測(cè)試威脅情況是否已在每個(gè)步驟中得到解決，通過清除沖突消息得到確認(rèn)。 當(dāng)要傳達(dá)清除沖突消息時(shí)，表示為

聲明清除沖突消息后，所有參數(shù)和變量都將重置為其默認(rèn)值。

5 仿真結(jié)果與討論

基于決議咨詢算法的優(yōu)先級(jí)，可以建立3 個(gè)基本規(guī)則：

規(guī)則1“飛機(jī)面對(duì)面”是指2 架飛機(jī)在相遇的情況下沒有優(yōu)先權(quán)，必須讓路并右轉(zhuǎn)以避免沖突。 當(dāng)路徑差異在130°~175°時(shí)，必須使用此選項(xiàng)。

規(guī)則2如果2 架飛機(jī)有“交叉路”，從右邊接近的飛機(jī)應(yīng)該左轉(zhuǎn)，從左邊接近的飛機(jī)應(yīng)該右轉(zhuǎn)，避免在交叉路口發(fā)生沖突。當(dāng)路徑差異在14°~130°時(shí)，必須使用此選項(xiàng)。

規(guī)則3“飛機(jī)超車”時(shí)，前方飛機(jī)必須右轉(zhuǎn)14°才能超車。這將在路徑差異為0°~14°時(shí)使用。

2 架飛機(jī)在赤道幾內(nèi)亞領(lǐng)空以相反方向在同一軌道上飛行，目標(biāo)是否與雷達(dá)接觸尚不清楚。第1 架飛機(jī)以FL 115 m 的飛行高度飛行，地面速度為 530 kn，正在爬升，而第2 架飛機(jī)以 FL380 feet 飛行高度飛行，地面速度為 430 kn，正在保持其飛行高度。仿真結(jié)果表明，10 時(shí)12 分17 秒，2 個(gè)目標(biāo)相距不到0.20 nm，橫向閉合速率約為920 kn。圖11 為 飛機(jī)面對(duì)面，(近半空中碰撞前25 s 的相對(duì)位置，圖12 為赤道幾內(nèi)亞空域的決議咨詢。

圖11 飛機(jī)面對(duì)面 (近半空中碰撞前25 s)

圖12 赤道幾內(nèi)亞空域的決議咨詢(糾正行動(dòng)之前)

10 時(shí)50 分30 秒，飛機(jī)收到第1 架飛機(jī)（藍(lán)色）的 ADS-B 決議咨詢廣播報(bào)告。作為對(duì)決議咨詢的回應(yīng)，入侵飛機(jī)以 FL 111 m/min 的速度下降，而本機(jī)以 FL 120 m/min 的速度爬升以避免沖突。圖13 顯示了另一個(gè)模擬遭遇情況，其中 Next-CAS II 使用規(guī)則（1 和 2）防止近半空中碰撞(NMAC)。入侵機(jī)以大約 FL 120 m/min 的速度爬升 26 s。相遇 20 s 后，當(dāng)入侵機(jī)仍在爬升時(shí)，決議咨詢算法邏輯建議本機(jī)以FL 111 m/min 的速度下降以避免沖突。

圖13 糾正操作后清除沖突 (圖11 發(fā)生25 s 后)

隨著2 架飛機(jī)的靠近，決議咨詢被加強(qiáng)以增加下降高度，允許飛機(jī)安全通過。圖14 糾正操作后清除沖突的示意圖。

圖14 糾正操作后清除沖突 (圖12 發(fā)生25 s 后)

6 結(jié)論

近年來，對(duì)無人機(jī) (UAV) 的需求不斷增長(zhǎng)促使對(duì)防撞系統(tǒng)的研究需要傾注更多的努力。Next-CAS II 算法已被證明可以有效提高空中安全，仿真結(jié)果表明，其在任何情況下都顯示出更好的結(jié)果，同時(shí)展現(xiàn)出了更好的性能。Next-CAS II 包括以下安全建議：

1) 任何在合法空域運(yùn)行的無人機(jī)都必須配備空中防撞系統(tǒng)。

2) 無人機(jī)和民用飛機(jī)應(yīng)配備決策系統(tǒng)如果一架飛機(jī)發(fā)布決議咨詢，另一架飛機(jī)應(yīng)啟動(dòng)協(xié)調(diào)決議咨詢以避免沖突。

3) Next-CAS II 的實(shí)施提高了空中安全并降低了空中碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。然而，飛行員和管制員必須接受足夠的 Next-CAS II 培訓(xùn)。