TCAS演进过程

这篇文章来自MITRE公司（TCAS和ADS-B技术的主要开发者）的网站，2009年6月发布的文章，原标题是“TCAS: A SECOND SET OF EYES FOR PILOTS”（TCAS：飞行员的第二双眼睛）。

TCAS：飞行员的第二双眼睛

自1990年以来，TCAS，交通警报和防撞系统，一直帮助保持商业和军事航空的安全。

美国商用飞机的安全性是大多数旅行者认为理所当然的。自上次飞机在美国上空相撞以来已经过去了23年，这要归功于基于若干互补系统的一个网络，这些系统增强了飞行员对周围空域的情境感知能力（situational awareness）。

但随着这些系统老化和新技术的出现，MITRE正在以我们50年的空中交通管理研究和35年的防撞技术研究为基础，帮助它们更有效地发挥作用。

飞行员武器库中最重要的安全工具之一是交通警报和防撞系统（TCAS）。现在是商用飞机的世界标准防撞系统TCAS，最初由MITRE和许多其他组织在20世纪70年代中期开发，这些组织包括联邦航空管理局（FAA）技术中心和麻省理工学院林肯实验室。它独立于地面空中交通管制系统工作。它使用来自飞机雷达应答器的距离，方位和高度数据来预测飞机何时威胁彼此靠近，并提示飞行员进行规避机动。

在TCAS出现之前，航空业一直在努力应对如何将防撞功能添加到现有空中交通管制程序的挑战，MITRE的高级首席仿真建模工程师Andy Zeitlin解释说。由于没有这种能力，乘飞机旅行比今天更危险。TCAS是众多空中交通管理系统增强功能之一，随着时间的推移，它有助于使航空旅行更加安全。

20世纪50年代商用飞机之间的几次空中碰撞是美国联邦航空局成立的一部分动力，促进了导致TCAS发展的研究。与此同时，一种相关技术的工作正在进行中，该技术称为自动相关监视广播（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）或ADS-B。

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寻找具有成本效益的解决方案

MITRE对TCAS发展的开创性贡献涉及使用飞机现有的空中交通管制雷达应答机来实现基于飞机的防撞能力。TCAS原型是在MITRE开发的，从那时起，我们的工程师一直与美国联邦航空局，商业公司，学术机构，其他联邦政府资助的研发中心以及国际组织合作，以进一步完善该系统。

TCAS充当飞行员的“电子眼睛”，为他们提供附近航班交通的增强视图。它由与驾驶舱内其他系统集成的硬件和软件组成，包括一个显示屏，显示40英里外飞机的相对位置和高度。当飞机彼此进入一定范围内时，TCAS会发出警报并发出冲突咨询和解决指示，作为地面空中交通管制系统分离过程（separation processes）的备份。

最初的TCAS原型花了很多年时间才开发出来，因为我们的工程师创建了算法来检测碰撞威胁并为飞行员提供建议。

“MITRE专注于开发防撞逻辑，”Zeitlin说。“随着我们继续致力于此，业界加紧了更新的应答器设备的开发。美国联邦航空局，主要商业航空公司，麻省理工学院林肯实验室和其他公司都参与了TCAS的持续发展。

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TCAS和ADS-B：入门读物

MITRE工程师在开发两种关键航空安全技术方面发挥了重要作用：TCAS和ADS-B。这两个系统都是为应对致命的空中灾难而开发的。

“人们指出，恶名昭著的1956年大峡谷碰撞是开发空中防撞解决方案的最初动力，”MITRE的Andy Zeitlin说，他自1970年代中期以来一直参与TCAS的开发。1956年的事件中，两架商用飞机在大峡谷上空相撞，造成100多人死亡，而在1950年至1955年间已发生过许多类似的坠机事件。

“1950年代末和1960年代初提出的解决方案将需要飞机携带特殊设备，这在当时开发起来非常昂贵和耗时，”Zeitlin解释说。

自20世纪90年代初开发以来，ADS-B已由MITRE以及几个政府和行业合作伙伴进一步完善。它使用全球定位系统技术来确定飞机的确切位置，以及它是在爬升，下降还是转弯，实时广播这些数据。有了这些信息，飞行员可以保持对周围其他飞机的情境感知，从而实现更安全，更高效的飞行。从2001年开始，ADS-B也被空中交通管制员用于为装备好的飞机提供分离服务。

MITRE的研究一直在寻求这些系统相互补充的最佳方式，因此它们今天开始一起使用。通过集成系统，TCAS提供防撞功能，而ADS-B提高情境感知能力，他们既为飞行员提供更好的交通视图，也支持分隔运行（spacing operations）。通过利用ADS-B提供的增强信息，MITRE致力于提高ADS-B防撞功能对飞行机动的感知，既提高防撞能力，也达到新的运营效率。

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从BCAS到TCAS

MITRE的“基于信标的防撞系统”（BCAS）早于今天的TCAS。这个版本的系统向附近的飞机发出询问信号，而飞机应答器发回回复。该系统解读信号以确定每架飞机的位置，速度和航向，就像今天的TCAS一样。1986年，美国联邦航空局决定进一步发展BCAS的机载设计，而不是当时同样也在考虑的地面系统，BCAS更名为TCAS。

该系统的一个版本称为TCAS I（主要由小型通勤飞机使用，主要是涡轮螺旋桨飞机），给出选定范围内所有飞机的方位和相对高度。此版本包括“交通咨询”（Traffic Advisory）功能。当飞行员收到交通咨询时，他们可以选择改变飞机的高度。TCAS I提供数据，使飞行员能够确定最佳解决方案。在所有大型飞机上使用的更全面的TCAS II还为飞行员提供“决断咨询”（Resolution Advisories），其中提供了有关如何执行规避机动的详细说明，如果两架飞机都配备了TCAS，则这些机动是协调的。

作为我们改进TCAS II工作的核心，MITRE执行了蒙特卡洛计算机模拟，生成了碰撞场景的多种变化，使系统逻辑能够得到彻底的测试。这些数据，以及其他旨在评估TCAS有效性和与飞机操作兼容性的测试模拟，支持了国会授权在商用飞机上使用TCAS。该授权是在1986年两架飞机在加利福尼亚州Cerritos上空发生致命空中碰撞之后进行的。第一架TCAS于1990年安装在商用飞机上，根据国会授权，所有美国商用飞机的实施于1993年完成。

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“我们的算法存在于每架飞机上”

尽管在开发的早期阶段存在一些成长的痛苦，那时候系统有时会发出不必要的警报，但是TCAS多年来通过几次升级继续成功运行。

“今天，我们的算法存在于每架飞机上，”Zeitlin指出。“一旦我们把技术推广出去，我们就更清楚飞行员有多么想要使用它。

根据Zeitlin的说法，1997年，MITRE工程师完成了他们所认为的TCAS最终版本。到第二年，国际民用航空组织（ICAO）将该系统作为国际标准，要求将其安装在所有商用飞机上。同年，美国联邦航空局解散了其TCAS项目办公室。但是随着该系统在欧洲飞机上的持续安装，发现了新的安全问题，因此升级工作再次开始，在MITRE的帮助下，TCAS逻辑的7.1版本于2008年完成。

Zeitlin和其他MITRE专家继续与国际和国内标准制定机构密切合作，如ICAO和RTCA组织（这是一个咨询委员会，负责为FAA制定基于共识的关于空中交通管理系统议题的建议）。

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为NextGEN做好准备

MITRE工程师专注于帮助FAA推进其在下一代航空运输系统（NextGen）方面的工作，研究随着NextGen所需要的基于性能的导航（PBN）程序和ADS-B应用程序的投入使用，TCAS技术应如何发展。

虽然今天的国家空域系统依赖于与数千个地面导航辅助设备相连的固定结构，但NextGen将使飞行员能够承担现在由空中交通管制员处理的一些任务，这要归功于新的驾驶舱工具为飞行员提供更好的信息。

NextGen系统将确保军用和民用航空能够在国家和国际空域无缝运行。基于以网络为中心的运营，NextGen将使用企业范围的网络快速共享航空运输系统信息，以大幅提高情境感知能力并缩短决策周期。

“NextGen将改变空中交通管理的基本方式，”Zeitlin说。“TCAS面临的挑战是继续为系统增加安全性，同时不干扰飞行员和管制员的工作方式。这将要求防撞系统使用新的信息元素。因此，随着NextGen开发的进展，现有TCAS设计的许多方面都需要更新，他解释说。

一个关键问题是如何识别和解决TCAS与未来计划的空中交通管制程序和机载应用之间潜在的不兼容问题。另一个问题是，是否可以利用ADS-B功能来提高防撞探测能力。ADS-B使飞机能够将位置，速度和高度的信息传输到附近的其他飞机以及与空中交通管制中心相连的地面站。它与TCAS的不同之处在于，相对于TCAS仅有垂直机动，它增加了水平机动的选项。

MITRE的首席多学科系统工程师Roxaneh Chamlou开始分析未来TCAS技术在整个NextGen防撞架构中的作用。Chamlou的工作使用新的指标来评估探测和防撞算法，为今天环境里的TCAS建立了性能基线。到2020年，将为NextGen防撞系统开发出基于ADS-B信息的新探测和防撞算法。

MITRE研究人员最近还完成了对计划中的机载监视应用的分析，这些应用可能与当前的TCAS设计不兼容。正在进行的研究包括为升级防撞概念和原型而开发性能指标。