SYSTEM ANTYKOLIZYJNY - TCAS - Borys KULCZYCKI - PRz.pdf - Inżynieria Lotnicza - pilot1216

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

Traffic, traffic

Initial preventive RA

Monitor vertical speed

Corrective RA

Descend, descend

Climb, climb

Strengthening RA

Increase descent

Increase climb

Weakening RA

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

RA termination message

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

SYSTEM ANTYKOLIZYJNY - TCAS - Borys KULCZYCKI - PRz.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: