這篇文章來自MITRE公司（TCAS和ADS-B技術(shù)的主要開發(fā)者）的網(wǎng)站，2009年6月發(fā)布的文章，原標(biāo)題是“TCAS: A SECOND SET OF EYES FOR PILOTS”（TCAS：飛行員的第二雙眼睛）。

TCAS：飛行員的第二雙眼睛

自1990年以來，TCAS，交通警報和防撞系統(tǒng)，一直幫助保持商業(yè)和軍事航空的安全。

美國商用飛機(jī)的安全性是大多數(shù)旅行者認(rèn)為理所當(dāng)然的。自上次飛機(jī)在美國上空相撞以來已經(jīng)過去了23年，這要歸功于基于若干互補系統(tǒng)的一個網(wǎng)絡(luò)，這些系統(tǒng)增強(qiáng)了飛行員對周圍空域的情境感知能力（situational awareness）。

但隨著這些系統(tǒng)老化和新技術(shù)的出現(xiàn)，MITRE正在以我們50年的空中交通管理研究和35年的防撞技術(shù)研究為基礎(chǔ)，幫助它們更有效地發(fā)揮作用。

飛行員武器庫中最重要的安全工具之一是交通警報和防撞系統(tǒng)（TCAS）。現(xiàn)在是商用飛機(jī)的世界標(biāo)準(zhǔn)防撞系統(tǒng)TCAS，最初由MITRE和許多其他組織在20世紀(jì)70年代中期開發(fā)，這些組織包括聯(lián)邦航空管理局（FAA）技術(shù)中心和麻省理工學(xué)院林肯實驗室。它獨立于地面空中交通管制系統(tǒng)工作。它使用來自飛機(jī)雷達(dá)應(yīng)答器的距離，方位和高度數(shù)據(jù)來預(yù)測飛機(jī)何時威脅彼此靠近，并提示飛行員進(jìn)行規(guī)避機(jī)動。

在TCAS出現(xiàn)之前，航空業(yè)一直在努力應(yīng)對如何將防撞功能添加到現(xiàn)有空中交通管制程序的挑戰(zhàn)，MITRE的高級首席仿真建模工程師Andy Zeitlin解釋說。由于沒有這種能力，乘飛機(jī)旅行比今天更危險。TCAS是眾多空中交通管理系統(tǒng)增強(qiáng)功能之一，隨著時間的推移，它有助于使航空旅行更加安全。

20世紀(jì)50年代商用飛機(jī)之間的幾次空中碰撞是美國聯(lián)邦航空局成立的一部分動力，促進(jìn)了導(dǎo)致TCAS發(fā)展的研究。與此同時，一種相關(guān)技術(shù)的工作正在進(jìn)行中，該技術(shù)稱為自動相關(guān)監(jiān)視廣播（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）或ADS-B。

01

尋找具有成本效益的解決方案

MITRE對TCAS發(fā)展的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)涉及使用飛機(jī)現(xiàn)有的空中交通管制雷達(dá)應(yīng)答機(jī)來實現(xiàn)基于飛機(jī)的防撞能力。TCAS原型是在MITRE開發(fā)的，從那時起，我們的工程師一直與美國聯(lián)邦航空局，商業(yè)公司，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，其他聯(lián)邦政府資助的研發(fā)中心以及國際組織合作，以進(jìn)一步完善該系統(tǒng)。

TCAS充當(dāng)飛行員的“電子眼睛”，為他們提供附近航班交通的增強(qiáng)視圖。它由與駕駛艙內(nèi)其他系統(tǒng)集成的硬件和軟件組成，包括一個顯示屏，顯示40英里外飛機(jī)的相對位置和高度。當(dāng)飛機(jī)彼此進(jìn)入一定范圍內(nèi)時，TCAS會發(fā)出警報并發(fā)出沖突咨詢和解決指示，作為地面空中交通管制系統(tǒng)分離過程（separation processes）的備份。

最初的TCAS原型花了很多年時間才開發(fā)出來，因為我們的工程師創(chuàng)建了算法來檢測碰撞威脅并為飛行員提供建議。

“MITRE專注于開發(fā)防撞邏輯，”Zeitlin說?！半S著我們繼續(xù)致力于此，業(yè)界加緊了更新的應(yīng)答器設(shè)備的開發(fā)。美國聯(lián)邦航空局，主要商業(yè)航空公司，麻省理工學(xué)院林肯實驗室和其他公司都參與了TCAS的持續(xù)發(fā)展。

02

TCAS和ADS-B：入門讀物

MITRE工程師在開發(fā)兩種關(guān)鍵航空安全技術(shù)方面發(fā)揮了重要作用：TCAS和ADS-B。這兩個系統(tǒng)都是為應(yīng)對致命的空中災(zāi)難而開發(fā)的。

“人們指出，惡名昭著的1956年大峽谷碰撞是開發(fā)空中防撞解決方案的最初動力，”MITRE的Andy Zeitlin說，他自1970年代中期以來一直參與TCAS的開發(fā)。1956年的事件中，兩架商用飛機(jī)在大峽谷上空相撞，造成100多人死亡，而在1950年至1955年間已發(fā)生過許多類似的墜機(jī)事件。

“1950年代末和1960年代初提出的解決方案將需要飛機(jī)攜帶特殊設(shè)備，這在當(dāng)時開發(fā)起來非常昂貴和耗時，”Zeitlin解釋說。

自20世紀(jì)90年代初開發(fā)以來，ADS-B已由MITRE以及幾個政府和行業(yè)合作伙伴進(jìn)一步完善。它使用全球定位系統(tǒng)技術(shù)來確定飛機(jī)的確切位置，以及它是在爬升，下降還是轉(zhuǎn)彎，實時廣播這些數(shù)據(jù)。有了這些信息，飛行員可以保持對周圍其他飛機(jī)的情境感知，從而實現(xiàn)更安全，更高效的飛行。從2001年開始，ADS-B也被空中交通管制員用于為裝備好的飛機(jī)提供分離服務(wù)。

MITRE的研究一直在尋求這些系統(tǒng)相互補充的最佳方式，因此它們今天開始一起使用。通過集成系統(tǒng)，TCAS提供防撞功能，而ADS-B提高情境感知能力，他們既為飛行員提供更好的交通視圖，也支持分隔運行（spacing operations）。通過利用ADS-B提供的增強(qiáng)信息，MITRE致力于提高ADS-B防撞功能對飛行機(jī)動的感知，既提高防撞能力，也達(dá)到新的運營效率。

03

從BCAS到TCAS

MITRE的“基于信標(biāo)的防撞系統(tǒng)”（BCAS）早于今天的TCAS。這個版本的系統(tǒng)向附近的飛機(jī)發(fā)出詢問信號，而飛機(jī)應(yīng)答器發(fā)回回復(fù)。該系統(tǒng)解讀信號以確定每架飛機(jī)的位置，速度和航向，就像今天的TCAS一樣。1986年，美國聯(lián)邦航空局決定進(jìn)一步發(fā)展BCAS的機(jī)載設(shè)計，而不是當(dāng)時同樣也在考慮的地面系統(tǒng)，BCAS更名為TCAS。

該系統(tǒng)的一個版本稱為TCAS I（主要由小型通勤飛機(jī)使用，主要是渦輪螺旋槳飛機(jī)），給出選定范圍內(nèi)所有飛機(jī)的方位和相對高度。此版本包括“交通咨詢”（Traffic Advisory）功能。當(dāng)飛行員收到交通咨詢時，他們可以選擇改變飛機(jī)的高度。TCAS I提供數(shù)據(jù)，使飛行員能夠確定最佳解決方案。在所有大型飛機(jī)上使用的更全面的TCAS II還為飛行員提供“決斷咨詢”（Resolution Advisories），其中提供了有關(guān)如何執(zhí)行規(guī)避機(jī)動的詳細(xì)說明，如果兩架飛機(jī)都配備了TCAS，則這些機(jī)動是協(xié)調(diào)的。

作為我們改進(jìn)TCAS II工作的核心，MITRE執(zhí)行了蒙特卡洛計算機(jī)模擬，生成了碰撞場景的多種變化，使系統(tǒng)邏輯能夠得到徹底的測試。這些數(shù)據(jù)，以及其他旨在評估TCAS有效性和與飛機(jī)操作兼容性的測試模擬，支持了國會授權(quán)在商用飛機(jī)上使用TCAS。該授權(quán)是在1986年兩架飛機(jī)在加利福尼亞州Cerritos上空發(fā)生致命空中碰撞之后進(jìn)行的。第一架TCAS于1990年安裝在商用飛機(jī)上，根據(jù)國會授權(quán)，所有美國商用飛機(jī)的實施于1993年完成。

04

“我們的算法存在于每架飛機(jī)上”

盡管在開發(fā)的早期階段存在一些成長的痛苦，那時候系統(tǒng)有時會發(fā)出不必要的警報，但是TCAS多年來通過幾次升級繼續(xù)成功運行。

“今天，我們的算法存在于每架飛機(jī)上，”Zeitlin指出?！耙坏┪覀儼鸭夹g(shù)推廣出去，我們就更清楚飛行員有多么想要使用它。

根據(jù)Zeitlin的說法，1997年，MITRE工程師完成了他們所認(rèn)為的TCAS最終版本。到第二年，國際民用航空組織（ICAO）將該系統(tǒng)作為國際標(biāo)準(zhǔn)，要求將其安裝在所有商用飛機(jī)上。同年，美國聯(lián)邦航空局解散了其TCAS項目辦公室。但是隨著該系統(tǒng)在歐洲飛機(jī)上的持續(xù)安裝，發(fā)現(xiàn)了新的安全問題，因此升級工作再次開始，在MITRE的幫助下，TCAS邏輯的7.1版本于2008年完成。

Zeitlin和其他MITRE專家繼續(xù)與國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)密切合作，如ICAO和RTCA組織（這是一個咨詢委員會，負(fù)責(zé)為FAA制定基于共識的關(guān)于空中交通管理系統(tǒng)議題的建議）。

05

為NextGEN做好準(zhǔn)備

MITRE工程師專注于幫助FAA推進(jìn)其在下一代航空運輸系統(tǒng)（NextGen）方面的工作，研究隨著NextGen所需要的基于性能的導(dǎo)航（PBN）程序和ADS-B應(yīng)用程序的投入使用，TCAS技術(shù)應(yīng)如何發(fā)展。

雖然今天的國家空域系統(tǒng)依賴于與數(shù)千個地面導(dǎo)航輔助設(shè)備相連的固定結(jié)構(gòu)，但NextGen將使飛行員能夠承擔(dān)現(xiàn)在由空中交通管制員處理的一些任務(wù)，這要歸功于新的駕駛艙工具為飛行員提供更好的信息。

NextGen系統(tǒng)將確保軍用和民用航空能夠在國家和國際空域無縫運行?；谝跃W(wǎng)絡(luò)為中心的運營，NextGen將使用企業(yè)范圍的網(wǎng)絡(luò)快速共享航空運輸系統(tǒng)信息，以大幅提高情境感知能力并縮短決策周期。

“NextGen將改變空中交通管理的基本方式，”Zeitlin說?！癟CAS面臨的挑戰(zhàn)是繼續(xù)為系統(tǒng)增加安全性，同時不干擾飛行員和管制員的工作方式。這將要求防撞系統(tǒng)使用新的信息元素。因此，隨著NextGen開發(fā)的進(jìn)展，現(xiàn)有TCAS設(shè)計的許多方面都需要更新，他解釋說。

一個關(guān)鍵問題是如何識別和解決TCAS與未來計劃的空中交通管制程序和機(jī)載應(yīng)用之間潛在的不兼容問題。另一個問題是，是否可以利用ADS-B功能來提高防撞探測能力。ADS-B使飛機(jī)能夠?qū)⑽恢茫俣群透叨鹊男畔鬏數(shù)礁浇钠渌w機(jī)以及與空中交通管制中心相連的地面站。它與TCAS的不同之處在于，相對于TCAS僅有垂直機(jī)動，它增加了水平機(jī)動的選項。

MITRE的首席多學(xué)科系統(tǒng)工程師Roxaneh Chamlou開始分析未來TCAS技術(shù)在整個NextGen防撞架構(gòu)中的作用。Chamlou的工作使用新的指標(biāo)來評估探測和防撞算法，為今天環(huán)境里的TCAS建立了性能基線。到2020年，將為NextGen防撞系統(tǒng)開發(fā)出基于ADS-B信息的新探測和防撞算法。

MITRE研究人員最近還完成了對計劃中的機(jī)載監(jiān)視應(yīng)用的分析，這些應(yīng)用可能與當(dāng)前的TCAS設(shè)計不兼容。正在進(jìn)行的研究包括為升級防撞概念和原型而開發(fā)性能指標(biāo)。