SYSTEM ANTYKOLIZYJNY - TCAS

Transkrypt

1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa 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

2 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] 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] 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

3 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

4 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 vertical speed RA to vertical speed with altitude crossing Maintain vertical speed, Maintain vertical speed, crossing Maintain vertical speed, Maintain vertical speed, crossing 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

5 punkcie największego zbliżenia (CPA) będzie za mała (od 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

6 Rys 4. Automatic Dependent Surveillance Zarówno ADS i ADS-B wykorzystują technikę nazywaną GPS squitter. Polega ona na samoczynnym wysyłaniu przez transponder co sekundę 56-bitowej informacji modu S. Modyfikacja dla TCAS 3 i ADS polega na dodaniu dwóch 112-bitowych depesz. Pierwsza, nadawana co pół sekundy zawiera w fazie lotu pozycję wg. GPS i wysokość barometryczną, a w naziemnym centrum kontroli informację o pozycji, kursie, prędkości i stanie samolotu. Druga, nadawana co 5 sekund, zawiera numer lotu (dla samolotów komunikacyjnych) lub znaki rejestracyjne [4]. W europejskiej przestrzeni powietrznej ACAS II jest obowiązkowy dla samolotów o masie startowej powyżej 15 ton masy startowej lub powyżej 30 miejsc pasażerskich od 1 stycznia 2000 roku. Do 31 marca 2001 roku wszystkie istniejące instalacje ACAS powinny być zmodernizowane do standardu wersji 7. Od 1 stycznia 2005 roku obowiązek ten ma dotyczyć także samolotów o masie startowej powyżej 5700 kg lub powyżej 19 miejsc pasażerskich [2]. 8. Podsumowanie TCAS był rozwijany by zmniejszyć możliwość kolizji w powietrzu. Jednakże może nadejść czas, kiedy system właściwie pomoże w zmniejszeniu ograniczeń ruchowych i przyspieszy ten ruch. Pozwoli również samolotom lecącym na niższych poziomach lotu, podczas wznoszenia, na przecinanie poziomów, na których znajdują się samoloty używające system TCAS jako pomocny dla utrzymania separacji. Inną perspektywą dla TCAS-a jest zmniejszenie separacji podczas lotów transoceanicznych, zmniejszenie odstępów podczas podejścia w warunkach IMC oraz pozwoli samolotom na stabilizację i utrzymywanie odstępów podczas końcowej fazy podejścia (final approache). Literatura. 1. Polskie Linie Lotnicze LOT.: Zasada działania TCAS, Poradnik pilota B 767, Dział programowania i standaryzacji Doc.LOT-LLM-1/702/99 2. April April April April April B.Kulczycki System antykolizyjny -TCAS BK - 6

7 Anti-Collision System-TCAS Borys Kulczycki The Traffic Alert and Collision Avoidance System, or TCAS, is an instrument integrated into other systems in an aircraft cockpit. It consists of hardware and software that together provide a set of electronic eyes so the pilot can "see" the traffic situation in the vicinity of the aircraft. Part of the TCAS capability is a display showing the pilot the relative positions and velocities of aircraft up to 30 miles away. The instrument sounds an alarm when it determines that another aircraft will pass too closely to the subject aircraft. Range and altitude criteria shows the horizontal and vertical distances at which TCAS I and TCAS II monitor traffic and issue advisories to safe separation of aircraft. B.Kulczycki System antykolizyjny -TCAS BK - 7