SYSTEM ANTYKOLIZYJNY - TCAS - Borys KULCZYCKI - PRz, LOTNICTWO, Inżynieria Lotnicza
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
im. Ignacego Łukasiewicza
Katedra Awioniki i Sterowania
SYSTEM ANTYKOLIZYJNY - TCAS
Borys KULCZYCKI
Seminarium Dyplomowe 2001/2002
LOTNICTWO - PILOTAŻ
Streszczenie
Niniejszy referat dotyczy metody działania oraz sposobu wskazań sytemu antykolizyjnego TCAS (Traffic
Collision Avoidance System). Jego zadaniem jest ograniczenie możliwości kolizji w powietrzu poprzez
ostrzeganie pilota o zbliżaniu się innych samolotów i, gdy odległość zmaleje poniżej wartości progowej,
zalecenie właściwego postępowania. Pierwsze prace nad TCAS podjęto w Stanach Zjednoczonych jeszcze w
latach pięćdziesiątych z inicjatywy FAA. Działanie TCAS jest uzależnione od transponderów radaru wtórnego
innych samolotów. System pracuje jak uproszczony radar wtórny. Wysyła zapytania i odbiera odpowiedzi
transponderów innych samolotów za pomocą zestawu anten kierunkowych .
Referat przedstawia trzy typy TCAS wyodrębnione w rozwoju tego systemu. W niniejszej pracy rozważa się
problem orientacyjnego położenia wykrytych przez TCAS statków powietrznych i ewentualne zobrazowanie na
małym wyświetlaczu ciekłokrystalicznym. Niezależnie od wskaźników, TA i RA są sygnalizowane głosem.
Modelując manewr ucieczki procesor urządzenia antykolizyjnego zakłada , że „własny” samolot będzie
reagował na zagrożenie (wykona manewr) dość energicznie jednak bez paniki. W referacie podane są założone
przez algorytm urządzenia wartości opóźnienia reakcji pilota oraz przeciążenia.
1. Wstęp
System ostrzegawczy TCAS właściwie nie jest systemem nawigacyjnym. Sam TCAS nie umożliwia
określenia pozycji statku powietrznego - jego zadaniem jest ograniczenie możliwości kolizji w powietrzu
poprzez ostrzeganie pilota o zbliżaniu się innych samolotów i, gdy odległość zmaleje poniżej wartości progowej,
zalecenie właściwego postępowania. TCAS jest to nazwa stosowana przez amerykańską FAA. Oficjalnie TCAS
nazywa się
Traffic Collision Avoidance System
. Jednak często spotyka się w literaturze dawniejszą wykładnię
Terminal Alert/Collision Avoidance System
, biorącą się z tego, że TCAS działając w bezpośrednim otoczeniu
statku powietrznego jest ostatnią instancją chroniącą przed kolizją. Zresztą zawsze można się wykpić,
przechodząc na nazwę ACAS (
Airborne Collision Avoidance System
), pod którą system ten został
standaryzowany przez ICAO.
Pierwsze prace nad TCAS podjęto w Stanach Zjednoczonych jeszcze w latach pięćdziesiątych z
inicjatywy FAA. Działanie TCAS jest uzależnione od transponderów radaru wtórnego innych samolotów.
System pracuje jak uproszczony radar wtórny. Wysyła zapytania i odbiera odpowiedzi transponderów innych
samolotów za pomocą zestawu anten kierunkowych, po czym określa sektor przestrzeni i kierunek
przemieszczania się źródeł sygnałów. Na tej podstawie wyznacza czas do ewentualnej kolizji [2]. Wynika stąd,
że tylko samoloty wyposażone w działający transponder są wykrywane przez TCAS-a i fakt posiadania
urządzenia antykolizyjnego nie uchroni „naszego” samolotu przed „kontaktem” z samolotem bez transpondera
[1].
Odbierając sygnały transpondera TCAS może śledzić pozycję samolotów będących w pobliżu ale jego
pojemność jest ograniczona – może efektywnie śledzić do 30 samolotów. Jeżeli w pobliżu znajdzie się większa
ilość samolotów, TCAS wybierze do „obróbki” te samoloty , które stanowią największe zagrożenie. Procesor
urządzenia TCAS sprawdza sygnały kolejnych odpowiedzi transpondera i oblicza odległość do zbliżającego się
samolotu. Dzieląc odległość przez prędkość zmiany odległości otrzymuje czas ( w sekundach ) do punktu
największego zbliżenia ( Closest Point of Approach ) CPA .Ten parametr CPA jest podstawą działania
urządzenia aż do osiągnięcia momentu maksymalnego zbliżenia [1].
B.Kulczycki
System antykolizyjny -TCAS
BK - 1
Sygnał transpondera zawiera zakodowaną informację o wysokości barycznej zbliżającego się samolotu.
Procesor TCAS-a ekstrapolując kolejne informacje wylicza różnicę wysokości jaka będzie dzieliła samoloty w
punkcie największego zbliżenia (CPA). Jeżeli wyliczona wartość różnicy wysokości będzie za mała wówczas
TCAS wyemituje ostrzeżenie ruchowe TA ( Traffic Advisory) lub zalecany manewr uniknięcia kolizji RA
(Resolution Advisory) [1].
2. Rodzaje systemów TCAS
2.1. TCAS I
TCAS I, najprostszy, był zaprojektowany dla lotnictwa ogólnego. Nadajnik TCAS I wysyła zapytania
modu C (takie same, jakie są wysyłane przez radar wtórny). Odpowiedzi transponderów są odbierane przez
odbiornik TCAS i kierowane do prostego mikroprocesorowego przelicznika określającego odległość.
Kierunkowa charakterystyka zespołu anten odbiorczych pozwala na określenie położenia odpowiadającego
samolotu w poziomie (prawo, lewo, przód, tył ).
TCAS I mógł jedynie określić który z pobliskich samolotów podejrzanie się zbliża. Było to
sygnalizowane podświetleniem odpowiedniego sektora na prostym wskaźniku i ostrzeżeniem głosowym (
Traffic,
traffic
). Taka informacja nazywa się
Traffic Advisory
(TA). Pilot po odebraniu TA musi wizualnie zlokalizować
źródło zagrożenia, zmienić kurs lub wysokość lotu i powiadomić kontrolę. Urządzenia TCAS I są nadal
używane, głównie na starszych samolotach dyspozycyjnych, chociaż nie były nigdy objęte międzynarodowym
standardem [2].
2.2. TCAS II
TCAS II wysyła zapytania modami A/C i S. Od TCAS I różni się przede wszystkim tym, że jest w stanie
dokładnie określić ruch w płaszczyźnie pionowej zbliżającego się samolotu. Dzięki temu może udzielić tzw.
Resolution Advisory
(RA), czyli określić manewr, niezbędny dla uniknięcia kolizji.
Istnieją dwa poziomy RA: zapobiegawczy (
preventive
) i wykonawczy (
positive
). Zapobiegawczy RA informuje
pilota, że zmiana wysokości lub kursu może spowodować konflikt, natomiast wykonawczy RA doradza manewr
pionowy dla uniknięcia kolizji. W przypadku współpracy z transponderami lub radarem wtórnym z modem S
poziomu drugiego i wyższych inne samoloty i/lub kontrola ruchu lotniczego są powiadamiane o RA i
wykonywanym manewrze.
11 listopada 1993 TCAS II został uznany przez ICAO jako międzynarodowy standard pod nazwą ACAS
II (dokładne specyfikacje są w
Aneksie 10
ICAO). W Stanach Zjednoczonych od 30 grudnia 1993 każdy samolot
zabierający powyżej 30 pasażerów musi być wyposażony w TCAS II [2].
2.3. TCAS III
TCAS III jest nadal w fazie prób. Zasadniczo jest ulepszonym TCAS II, dodatkowe wykorzystanie
systemu nawigacji satelitarnej oraz wymiana informacji pomiędzy samolotami i naziemnym ośrodkiem
obliczeniowym pozwoli na pełną analizę trajektorii samolotów i wykonywanie skoordynowanych pionowych i
poziomych manewrów antykolizyjnych. Ulepszony zespół anten ma zwiększyć dokładność systemu i zmniejszyć
liczbę fałszywych alarmów. Przewiduje się że TCAS III będzie wykorzystywał poziom trzeci (lub wyższe) modu
S dla sygnalizowania własnej pozycji samolotu określanej według GPS [2].
3.Obszar obserwacji i sygnalizacji TCAS
Rysunek poniżej przedstawia obszar obserwacji systemu zarówno w poziomie jak i w pionie. Zasięg
poszczególnych obszarów ostrzegania Traffic Advisory (TA) oraz
Resolution Advisory
(RA) określony jest
poprzez czas i odległość w [NM]. Kryteria wysokości obszarów TA i RA zobrazowane są jedynie poprzez
odległość wyrażoną w stopach.
B.Kulczycki
System antykolizyjny -TCAS
BK - 2
Rys 3. Zasięg i kryteria wysokości systemu antykolizyjnego.
Threat detection concepts of the TCAS system
4. Zobrazowanie i sygnalizacja
3.1 Wskazania
Orientacyjne położenie wykrytych przez TCAS II statków powietrznych i ewentualne RA jest
zobrazowane na małym wyświetlaczu ciekłokrystalicznym. Zapobiegawcze lub wykonawcze RA może być
także sygnalizowane na ekranach EHSI i EADI, jakkolwiek sam TCAS II i jego wyświetlacz są niezależne od
systemu zarządzania lotem i mogą pracować poprawnie gdy jest on wyłączony. Niezależnie od wskaźników, TA
i RA są sygnalizowane głosem.
Wyświetlacz TCAS II zawiera zasadniczo dwa instrumenty: symboliczny plan sytuacji w zasięgu wykrywania
(od 4 do 30 mil, na rys.1-10 mil) i wariometr IVSI (
Instantaneous Vertical Speed Indicator
) z paskowym
wskaźnikiem RA .
B.Kulczycki
System antykolizyjny -TCAS
BK - 3
Wyświetlacz TCAS na rysunku sygnalizuje RA zalecające
wznoszenie od 1500 do 2000 stóp na minutę. Zielony sektor oznacza
zalecany zakres prędkści pionowej. Symbole samolotów oznaczają:
- niebieski lub biały obrys rombu - niekolizyjne,
- niebieski lub biały romb - bliski ale niekolizyjny,
- żółte kółko -
traffic advisory
,
- czerwony kwadrat - zagrożenie (RA). Przy symbolu jest podana
wysokość w setkach stóp (względem własnej) i strzałka oznaczająca
wchodzenie lub schodzenie.
Rys 1. Wyświetlacz ACAS II.
Display of the ACAS II
Wokół symbolu własnego samolotu jest zaznaczony dwumilowy okrąg, ale należy pamietać że ma on
znaczenie tylko orientacyjne. RA jest generowane na podstawie wyliczonego czasu do spotkania. W przypadku
gdy jest więcej źródeł zagrożenia, system stara się załatwić je pojedyńczym RA, albo udzielać osobnych
niesprzecznych RA dla poszczególnych zagrożeń z osobna [2].
3.2 Komunikaty głosowe
Lista komunikatów głosowych nie jest zamknięta - ta tutaj dotyczy TCAS II wersji 7.0. Skądinąd
wiadomo że jak pojawia się pierwsza nowa wersja czegoś, to wszystkie następne wersje zachowują się zgodnie z
prawami Parkinsona (patrz Microsoft).
Warto zwrócić uwagę na ładną konstrukcję komunikatów: są krótkie, jednoznaczne i łatwe do rozróżnienia
nawet gdy się ich wyraźnie nie słyszy z powodu hałasu albo korespondencji radiowej [3].
Komunikat
Wskazanie schodzenia
Wskazanie wznoszenia
TA
Traffic, traffic
Traffic, traffic
Initial preventive RA
Monitor vertical speed
Monitor vertical speed
Corrective RA
Descend, descend
Climb, climb
Strengthening RA
Increase descent
Increase climb
Weakening RA
Adjust vertical speed, adjust
Adjust vertical speed, adjust
Reversing sense RA
Descend, descend NOW
Climb, climb NOW
RA with altitude crossing
Descend, crossing descend
Climb, crossing climb
RA to maintain vertical speed
Maintain vertical speed,
maintain
Maintain vertical speed,
maintain
RA to maintain vertical speed with
altitude crossing
Maintain vertical speed, crossing
maintain
Maintain vertical speed, crossing
maintain
RA to reduce vertical speed
Adjust vertical speed, adjust
Adjust vertical speed, adjust
RA termination message
Clear of conflict
Clear of conflict
5. Technika wykonania manewru.
Wykonanie manewru RA jest „ostatnią deską ratunku” dla załogi. Jest to swoiste „wotum nieufności”
wobec organów kontroli ruchu lotniczego. Jako manewr ostatniej szansy powinien on być wykonany bardzo
precyzyjnie, we właściwym czasie i zgodnie z nakazem wypracowanym na ADI. Równocześnie nie można
wykonywać manewru w sposób zbyt gwałtowny z narażeniem życia i zdrowia pasażerów [1].
Jeżeli układ logiczny urządzenia TCAS uzna któryś ze śledzonych przez niego samolotów za zagrożenie
kolizyjne, emituje wobec niego RA (Resolution Advisory) . Proces ten ma dwa stopnie . Początkowo system
określa sposób manewru (góra –dół ). Następnie bazując na dotychczasowych danych ze „śledzenia” samolotów
modeluje prawdopodobną trajektorię zagrażającego samolotu . Jeżeli przewidywana różnica wysokości w
B.Kulczycki
System antykolizyjny -TCAS
BK - 4
punkcie największego zbliżenia (CPA) będzie za mała (od 300-700 ft), układ nakaże zmianę trajektorii własnego
samolotu. Na wskaźniku ADI zostanie zasłonięty zakres kąta pochylenia , którego utrzymywanie może
doprowadzić do kolizji.
Modelując manewr ucieczki (RA) procesor urządzenia antykolizyjnego zakłada , że „własny” samolot
będzie reagował na zagrożenie (wykona manewr) dość energicznie jednak bez paniki. Poniżej podane są
założone przez algorytm urządzenia wartości opóźnienia reakcji pilota oraz przeciążenia:
1. dla korygującego RA założone jest 5 sekund opóźnienia reakcji pilota (na rozpoznanie sytuacji), a
następnie wykonanie manewru w płaszczyźnie pionowej z przeciążeniem 0,25g
2. modyfikacja wcześniej wyemitowanego RA zakłada:
• dla wzmacniającego RA (Increase Rate RA) opóźnienie reakcji pilota 2,5 sek. i przeciążenie
0,33g
• dla odwrotnego RA (Reversal RA) opóźnienie reakcji 2,5 sek. i zmian predkości pionowej z
przeciążeniem 0,33g
• dla słabnącego RA (Weakning RA) opóźnienie reakcji pilota 2,5 sek. i zmiana prędkości
pionowej z przeciążeniem 0,25g
Podane wyżej parametry wykonania manewru przy zadziałaniu TCAS są wartościami modelowymi i nie
oznacza to , że odstępstwo od nich jest równoznaczne z kolizją. Przestrzeganie tych parametrów pozwoli
wykonać manewr wypracowany przez TCAS bezpiecznie i w miarę komfortowo dla pasażerów [1].
6. Błędy
TCAS II jest rozwijany od 1981 roku. W czasie prac konstrukcyjnych i testów powstało kilka wersji.
Pierwszą wersją na tyle dopracowaną, aby można było w praktyce ocenić TCAS II była wersja 6 (rok 1989). W
trakcie eksploatacji system dawał zbyt dużo fałszywych alarmów, powodowanych głównie przez samoloty na
podejściach lub na lotniskach. Dla ograniczenia tego zjawiska, w wersji 6.04 wprowadzono uwzględnianie
wysokości bezwzględnej z radiowysokościomierza. Aktualna wysokość barometryczna jest porównywana ze
wskazaniami radiowysokościomierza dla otrzymania elewacji powierzchni ziemi. Samoloty, których wysokość
wychodzi w granicach 380 stóp ponad poziomem gruntu są uważane za "wylądowane".
Rys 2. Schemat połączenia systemu w kabinie samolotu.
Diagram of connection TCAS II in cabin.
Obecnie wszystkie nowe urządzenia ACAS muszą spełniać wymagania wersji 7.0, charakteryzującej się
większymi możliwościami współpracy z systemem kontroli ruchu lotniczego [2] .
7. ADS-B
Technika ADS polega na wypracowaniu dokładnej informacji pozycyjnej statku powietrznego przy użyciu
wszystkich dostępnych na pokładzie środków (głównie GPS ). Informacja ta jest wysyłana do naziemnej kontroli
ruchu lotniczego. Z powrotem system odbiera informacje potrzebne załodze.
Jej odmianą jest ADS-B (
Automatic Dependent Surveillance - Broadcast
), przy której informacja nawigacyjna
jest wysyłana do naziemnego centrum kontroli oraz do innych statków powietrznych w sąsiedztwie. W ten
sposób ich układy zarządzania lotem (FMS) komunikują się ze sobą [4].
B.Kulczycki
System antykolizyjny -TCAS
BK - 5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]