AP/FD TCAS 模式及其工程改装方案

绯雨剑心

上世纪九十年代，空中交通和防撞系统（TCAS）的出现是使得飞行安全取得重大进步的举措之一。

如今，这一安全目标已经在全球得以实现。然而，这个系统的使用反馈也揭示出另一问题：突然出现的 TCAS 决断咨询（Resolution Advisories——RA）会给飞行员造成一定压力，使其无法做出最优反应，导致过度的高度变化，危及飞机以及旅客的安全。在现如今空中交通流量持续增加的大背景下，为进一步加强飞行安全，空客提出了 AP/FD TCAS 模式这个新概念。作为对现有 TCAS 系统的补充，AP/FD TCAS 模式允许飞行员在按照防撞轨迹飞行时使用自动驾驶（AP）或者飞行指引（FD），优化避让轨迹，使飞行员能够更连贯地进行 TCAS 避让飞行。

TCAS 系统是用于扫描、探测并应答邻近空域其他飞机询问的系统。当 TCAS探测到邻近飞机与本机的距离或接近率处于危急时刻时，它向飞行员发出音响和目视警告。自 2000 年起，安装 TCAS 系统成为 30 座以上所有飞机的强制要求。

当 TCAS 判断出邻近飞机存在潜在威胁时，它生成一个一级警告——交通咨询（Traffic Advisories——TA）。TA 告知飞行员入侵飞机的位置。

TA 给出的指示包括：

Ø      一个音响信息:“Traffic, Traffic”；

Ø     导航显示器 ND 上出现特殊的琥珀色标记，显示入侵飞机的位置。

TA 不需要飞行员采取特别行动。

当碰撞风险持续增大时，TCAS 触发一个高级别的警告——决断咨询(RA)。

RA 给出垂直避让机动飞行的建议（在大多数情况下，TA 早于 RA 被触发），要求飞行员采取行动。

RA 给出的指示包括：

Ø     一个音响信息，指定了需执行的垂直机动飞行的类型（如 Climb, Descent, Maintain, Adjust, Monitor 等）；

Ø     垂直速度指示器（VSI）上的绿色和红色区域形象地标示出“飞往”和“禁止”垂直速度区域；

Ø     导航显示器 ND 上出现特殊的红色标记，具体标示入侵飞机。

为了按照 RA 所要求的避让路线飞行，飞行员必须同时断开自动驾驶（AP）和飞行指引（FD），并且调整飞机的俯仰姿态以达到 VSI 所指示的适当的垂直速度（V/S）。在任何时候，飞行员都要保持注意力来脱开 AP 和 FD，并根据传统的 TCAS 程序对 RA 人为地做出反应（如参照垂直速度刻度上的 TCAS 指示，人工控制垂直速度）。这种不常用的飞行技术更加剧了已经由触发决断咨询引起的精神压力。

AP/FD TCAS 模式这个概念的产生源于对航空公司飞行员需求的深度分析，与 TCAS 系统相关的人为因素的研究，以及强调采用新方法来协助飞行员进行TCAS RA 避让轨迹飞行的适航当局的建议。

新的 AP/FD TCAS 模式通过将 TCAS 垂直制导功能整合进自动飞行计算机中来完全实现现有 TCAS 的功能。这种新模式将飞机的垂直速度控制在垂直速度目标上，适用于每个 RA。

l     AP 衔接时，允许自动按照 TCAS RA 机动路线飞行。

l     AP 断开时，飞行员跟随 FD 俯仰杆的指引人工飞行 TCAS RA 路线。

AP/FD TCAS 模式是对现有 TCAS 功能（ND 上的交通信息，音响警告，垂直速度指示器上的绿区/红区指示）的扩展。一旦出现 TCAS RA，AP/FD TCAS 模式将被自动触发：

l     如果 AP 和 FD 都已衔接，AP/FD 垂直模式恢复到 TCAS 模式，对 AP 提供必要指引以自动飞行 TCAS 机动路线。

l     如果 AP 断开而 FD 衔接，TCAS 模式自动衔接作为新的 FD 指引。FD 俯仰杆向飞行员提供清晰的指令，飞行员只需以俯仰杆为中心，将飞机的 V/S 控制在V/S 目标（绿区）上。

l     如果 AP 和 FD 都关断，FD 指引杆自动重新出现，TCAS 模式指引如上所述。根据 TCAS 触发的警告类型，AP/FD TCAS 模式有以下几种表现形式：

Ø     在出现 TA 的情况下，AP/FD TCAS 模式自动待命，让飞行员注意到如果 TA 转为 RA 时衔接的 TCAS 模式。

Ø     在修正性 RA 时（出现 CLIMB, DESCEND, ADJUST 等音响警告），起初飞机垂直速度处于 VSI 红色区域，然后要求飞出红色区域到达红/绿区域的边界。

结果：

-      TCAS 垂直模式衔接。它确保垂直指引达到垂直速度目标，相当于在绿色垂直速度区域内 VSI（将高度偏离最小化）±200 英尺/分钟的红/绿边界值，且俯仰效能增加到 0.3g 载荷系数；

-      当符合 RA 的高度捕获时，除了高度捕获模式（ALT*），所有之前已待命的垂直模式都自动解除待命。此时若 TCAS 模式下满足高度捕获条件，就可以安全捕获目标飞行高度层；

-      自动推力衔接在速度控制模式（SPEED/MACH），以确保机动飞行中的安全速度；

-     保持当前横向航迹。

Ø     在预防性 RA 时（如 MONITOR V/S 音响警告），起初飞机垂直速度处在 VSI红色区域之外，然后要求保持在当前垂直速度。

结果：

-      TCAS 垂直模式衔接以保持安全的当前飞机垂直速度目标；

-      除了高度捕获模式（ALT*），所有之前已待命的垂直模式都自动解除待命。事实上，预防性 RA 期间的改平总能保持垂直速度处在 VSI 红色区域之外。因此，当 TCAS 模式下满足了高度捕获条件，就能够安全地捕获目标高度层，以此来防止过度的高度偏移；

-      机动飞行期间，自动推力衔接在速度控制模式（SPEED/MACH），以确保安全速度；

-      保持当前横向航迹。

Ø     一旦冲突消除，垂直导航恢复如下：

-      AP/FD 垂直模式恢复到垂直速度（V/S）模式，且以平滑的垂直速度目标靠近飞行控制组件（FCU）的目标高度。ALT 模式待命，以到达 FCU 目标高度（塔台给出的高度）；

-      如果在 TCAS RA 时高度捕获，一旦需要消除冲突，AP/FD 垂直模式恢复到高度捕获模式（ALT*）或者恢复到高度保持模式（ALT）；

-      保持当前横向航迹。

AP/FD TCAS 模式给运行带来的好处很多。如:

l     它给飞行员提供清晰的飞行指令；

l     飞行指令根据 RA 的严重性进行调整，以此减少飞行员过度反应的风险，使航迹偏离最小化，防止由另一架飞机触发新的 RA，并且适应机动飞行的载荷系数；

l     当符合 RA 的高度捕获时，防止过度的高度穿越；

l     AP/FD TCAS 模式的可用性给飞行员提供了简易的操作程序，当出现 RA时不会中断飞行操作。事实上，在执行 TCAS 机动飞行前，飞行员不再需要断开自动驾驶或者飞行指引。

当 TCAS 模式衔接时，程序仅要求自动驾驶执行避让机动飞行（若自动驾驶已衔接），或者在人工飞行时，FD 指引杆在适当的垂直速度目标上平滑引导。

在这两种情况下，VSI 都成为了一种“监控”装置，它允许检查所推荐的 TCAS指引是否引导适当或保持飞机的垂直速度处在 VSI 红色区域外。

通过减少飞行员的工作量和工作压力，AP/FD TCAS 模式可以显著减少：

l     遇到 RA 时不恰当的反应（延迟的、过度的，甚至相反的反应）

l     解除冲突时的不当操作

l     与塔台缺乏足够的沟通

为评估 AP/FD TCAS 模式带来的安全效益，空客要求负责空中防撞系统（ACAS）安全性能分析的专家使用与之前进行 ACAS 分析研究的相同方法和工具对 AP/FD TCAS 模式进行安全性能研究。该研究的目的是同时从全球空域的角度和从单架飞机的角度来评估在欧洲空域引入 AP/FD TCAS 模式功能会带来的影响。

研究结果表明，AP/FD TCAS 模式将显著提升欧洲空域的安全性：从全球空域角度来说，假如仅在 7%的飞机上安装 AP/FD TCAS 功能，其预期的好处就已相当于在欧洲空域的每架飞机都安装了 TCAS II 7.1 版本；从单架飞机的角度来说，装有 AP/FD TCAS 模式飞机的碰撞风险将大为降低。

AP/FD TCAS 模式将飞行安全提高到了一个新的台阶。通过提供对 TCAS 警告的及时以及精准的反应，也借助于自动驾驶或飞行指引，这套新系统给飞机以及旅客带来了显著的安全效益。在研发阶段，许多飞行员参与测试了这项新功能，它被认为是一个非常简单和直观的解决方案，与空客驾驶舱以及自动飞行系统的理念完全一致，而且确实对安全飞行有了重大改进。

飞机要启用 AP/FD TCAS 功能，有一些前提条件必须满足，尤其是对以下 3个电子系统：飞行管理制导计算机（FMGC），飞行控制组件（FCU）和电子仪表系统（EIS）。

A320 系列飞机：启用 AP/FD TCAS 功能的前提条件是：FMGC 达到 FMS2 R1A标准，FCU 的 EMM 达到标准 4。对 EIS 有两种解决方案：EIS1 V70（适用 CRT 技术），或者 EIS2 S9 标准（适用 LCD 技术）。FWC 达到 H2F5 标准。TCAS 达到 TCAS7.0 版本。

A330/A340 系列飞机：启用 AP/FD TCAS 功能的前提条件是：FMGEC 达到 FMS2R1A 标准，FCU 的 EMM 达到标准 3。对 EIS 有两种解决方案：EIS1 V113/V514（适用 CRT 技术），或者 EIS2 L7 标准（适用 LCD 技术）。FWC 达到 L12 或 L13 标准。TCAS 达到 TCAS 7.0 版本。

完成这些前提条件的改装，也有益于机队获得以下一些最新功能：

l     ADS-B OUT（广播式自动相关监视系统-发送）

l     ROPS（冲出跑道防御系统）

l     RNP AR（授权的所需导航性能）

l     BUSS（备用速度刻度）

为了使这项改装在老旧飞机上实施起来更加简便，AP/FD TCAS 升级工程改装方案是以打包形式提供，包括了对电子设备的前期改装，使全机队保持统一。

这种统一是将 FMGC/FMGEC 和 FCU 的标准提升到最新取证标准。上述前提条件都满足后，即可开始进行 TCAS 改装项目，具体工作包括：

l     安装预留线路

l     通过程序插钉来激活 AP/FD TCAS 功能

在空客最新的飞机上，AP/FD TCAS 功能已经证明了它的功效，它也将成为A350 XWB 上的标准配置。目前，已经有超过 95%的在役 A380 飞机安装了这套系统。