Letecký antikolizní systém TCAS / ACAS

Letecké palubní proti-srážkové systémy jsou jedním ze zásadních bezpečnostních prvků v letecké technice a ukázkou vývoje nejmodernější radiové i počítačové techniky, která může zachránit spoustu lidských životů. Vraťme se ale na začátek…

Je 30. června 1956 a po deváté hodině z letiště v Los Angeles odstartovaly v několikaminutovém intervalu dva stroje. První, United Airlines N6902C (DC-7) na lince 718 do Chicaga. Druhý stroj TWA N6324C Lockheed L1049A Super Constellation měl namířeno do New Yorku s mezipřistáním v Kansas City. Do Kansas City ani Chicaga žádný ze strojů nikdy nedorazí. Za hodinu a půl po startu se ve FL210 nad Grand Canyon v Arizoně letouny srazily… Právě když TWA stoupalo do stejné hladiny 210. Zbytky letadel se řítí z výšky cca 7km do kaňonu u soutoku řeky Colorado s Little Colorado River. Umírá 128 lidí.

Svědci z arizonské Winony a řidiči na dálnici Route 66 vidí na vzdálenost 100km záblesk, kouř a následný pád. Trosky TWA nalézají záchranáři druhý den na úpatí hory Temple Butte, 2 míle od sebe na sever leží poblíž Chuar Butte trosky DC-7 (GPS 36.193875N, 111.825438W).

Tato katastrofa (Mid-air collision) se stala v USA impulzem pro vývoj anti-kolizního systému, dnes známého jako TCAS (Traffic Collision Avoidance System), který by dokázal včas upozornit piloty na hrozící nebezpečí ve vzduchu. Systém nezávislý na pozemním řízení letového provozu.

Píší se šedesátá léta minulého století, vývoj jede na plné obrátky a kde jinde, než v Massachusetts Institute of Technology’s Lincoln Laboratory. Ano, ten „M.I.T.“, kde se za války vyvíjela a zdokonalovala RL technika, navigační systém Omega, přesné časové normály pro pozdější systém GPS atd.

V roce 1974 se začíná ve vyvíjeném anti-kolizním systému využívat již instalovaných odpovídačů, (tehdy pouze Mode – A/C tedy Identifikace Alfa + barometrický tlak). Zařízení zprvu dostává pracovní název „air-to-air surveillance“, později „Beacon Based Collision Avoidance Systém“. Následuje nespočet testů, kdy po zemi pojíždí vozidlo s anténou, zabudovávají se první „skříňky“ do letadel a opět se testuje. Vývoj zařízení TCAS v USA vždy kupředu „postrčila“ některá z tragických leteckých nehod (například v roce 1978 u San Diega).

Systém TCAS schvaluje FAA až v roce 1981. Zařízení se pomalu začíná instalovat do dopravních letadel Delta Airlines. Do toho přichází tragický rok 1986 a u Los Angeles se sráží DC-9 s vrtulovým Piperem. FAA a Kongresu Spojených států dochází trpělivost a je nařízena zástavba zařízení TCAS do všech dopravních letadel. ICAO přichází s obdobným projektem s označením ACAS (Airborne Collision Avoidance Systém) na začátku roku1980 a schvaluje ho v roce 1993.

Do roku 1994 se pracovalo se softwarovou verzí 6, která měla své mouchy (problém byl například v nutnosti neustálého sledování zařízení piloty). Od roku 1997 byla zavedena verze software 7, tato verze již harmonizovala americký systém TCAS II s evropský ACAS, zařízení tedy byla spolu kompatibilní.

Na vývoji se podílely (mimo jiné) organizace a firmy: MITRE, The Analytical Sciences Corporation, Coleman Research Corporation, a Rannoch Corporation. (pozn. Poslední jmenovanou firmu dobře známe z oboru pasivních systémů, a ještě více zaměstnanci ERA Pardubice).

Dnes jsou anti-kolizním systémem vybavena dopravní, ale samozřejmě i vojenská letadla (tzv. „Military TCAS“). Povinnost montáže tohoto systému do dopravních letadel jsou podmíněna například MTOW, pro kolik pasažérů je letadlo určeno, zda se bude pohybovat prostoru v Eurocontrolu (Evropa) nebo FAA (USA) apod.

Základní funkce

Anti-kolizní systém vytváří kolem letadla jakési virtuální pole, ve kterém sleduje pohyby všech letadel. Toto pole je definováno jak vzdáleností, tak časem. V praxi to znamená, že počítač TCAS sleduje letadla ve stejné letové hladině (nebo současnou hladinu míjející) ve vzdálenosti 20 mil (cca 36 km). Hlídané pole TCASu se dělí na tři základní sektory a podle toho, kde se okolní případné ohrožující letadlo nachází, jsou vydány příslušné příkazy:

•Surveillance range – sledovaná oblast, je definovaná horizontální vzdáleností mezi 20 a 3,5 námořními mílemi před letadlem (popřípadě dle rychlosti letadla až 4 minuty letu). V této oblasti zkoumá TCAS pohyb okolního provozu (rychlost, směr, stoupání/klesání), navazuje komunikaci s okolními jednotkami. Na displeji EFIS jsou letadla v těchto vzdálenostech označena jako HOLLOW DIAMOND (která se navíc vzdalují z oblasti) a WHITE DIAMOND (která ji křižují či se dokonce přibližují)
Traffic Advisory (TA) – jedná se o oblast, která je definovaná nejen vzdáleností cca 3 míle před letadlem, ale také časem 40 sekund (dle rychlosti letadla) a je definovaná i ve vertikální rovině (1200 stop neboli 12 letových hladin FL nad a pod letadlem). Pokud se ohrožující letadlo dostane do této oblasti, vyhlašuje TCAS jakýsi první stupeň nebezpečí a upozorňuje osádku na blízko se pohybující letadlo. Tato oblast je již pod hranicí běžných bezpečných rozestupů letadel a řídící letového provozu by neměli dovolit, aby se letadla dostala za běžných podmínek tak blízko, že by TCAS vyhlašoval toto upozornění. Při vyhlášení tohoto upozornění, již jednotky TCAS na palubách obou letadel hlásí stejný problém, komunikují spolu vzájemně a upozorňují osádku, aby se podívala na displej VSI nebo EFIS, kde je nebezpečné letadlo zobrazeno. Tento stupeň nebezpečí se může občas objevit při velmi hustém letovém provozu blízko letišť nebo za nepříznivých povětrnostních podmínek, kdy jsou letoví dispečeři nuceni koordinovat více letadel v jednom sektoru, než bývá obvyklé. Na vyhlášení tohoto upozornění, pilot reaguje tak, že tuto skutečnost nahlásí řídícímu letového provozu a ten by měl rozhodnout, jak tuto skutečnost odvrátit. Na displeji EFIS jsou tato letadla označena jako YELLOW CIRCLE
Resolution Advisory (RA) –Je oblast přímého ohrožení letadla. Pokud zařízení TCAS zjistí, že se okolní letadlo přibližuje nebo dokonce vstoupilo do oblasti cca 2 námořní míle (25 sekund letu dle současné rychlosti letadla) nebo se přiblížilo na vzdálenost pod 8 letových hladin (850 stop). Je vyhlášen jakýsi druhý stupeň nebezpečí a piloti musí okamžitě reagovat. V tento moment již jednotky TCAS rozhodují dle vlastní vzájemné komunikace, které letadlo bude stoupat a které klesat a podle toho upozorňují osádku, jak má reagovat. V tento moment již nerozhodují pozemní řídící letového provozu, ale osádka musí poslechnout TCAS a reagovat dle jeho příkazů. Mezitím TCAS sleduje, jak se chová ohrožující letadlo. Pokud by nezačalo klesat nebo stoupat dle instrukcíjejich palubního TCASu, může posádce ohroženého letadla zařízení přikázat, aby zvýšila „rate“ klesání nebo stoupání. Na displeji EFIS jsou přímo-ohrožující letadla označena jako RED SQUARE.

Technická stránka

Po několika měřeních přijímaných signálů odpovídačů okolních letadel TCAS zná jejich rychlost. Fázovým interferometrem si dopočítá i směr (polohu), na které „hodině“ a ve kterém z kvadrantů se „vetřelec“ nachází. Systém má tedy kompletní 3D informaci o okolí letadla. Pro určení pozic okolních letadel v jednotlivých kvadrantech se antény přepínají a pro určení směru využívá Sin a Cosinus funkcí (různé fáze přicházejících signálů). Antény TCAS jsou na horní i spodní části trupu letadla.

Standardní TCAS zařízení má dvě antény ANT-81A. Každá anténa obsahuje „four elementpassivearray“. Kombinací (přepínáním) čtyř elementů pomocí SPDT přepínače se dociluje různých směrových charakteristik pro 4 sledované kvadranty.

TCAS monitoruje v ochranné zóně letadla, zvládá až 30 cílů v Mode-S do vzdálenosti 30nm před letadlem, při rychlostech (součet) až do 1200 uzlů. Zařízení vysílá dotaz na výšku, kurz, vzdušnou rychlost, vertikální rychlost a z toho vypočítává, která letadla by se mohla dostat do nějaké ze sledovaných zón. Šikmou vzdálenost cílů v pomyslných kruzích si TCAS zjišťuje na principu dotaz/odpověď a časových prodlev obdobně jako měří sekundární radary MSSR.

Anti-kolizní systém zpracovává informace každou sekundu a zobrazuje situaci na VSI indikátoru nebo na EFIS.

Pokud se letadlo nachází na zemi TCAS je neaktivní, při pojezdech se nepoužívá. Ke zjištění polohy je pro tento účel „pojezdový“ radar, umístěný zpravidla na TWR nebo systémy A-SMGCS.

Vypočtené úhybné manévry jsou pouze ve vertikální rovině(Climb / Descend), TCAS pokyny pilotovi k provedení zatáčky (tj. horizontální pohyb) nevydává.

Základní podmínkou pro to, aby fungoval palubní anti-kolizní systém, je samotná aktivace TCASu na palubě alespoň jednoho letadla (na kontrolním panelu přepínač XPDR/TCAS v poloze TA/RA). Druhé letadlo musí mít minimálně funkční odpovídač. V tomto případě se nevysílá„intent message“ a úhybný manévr provádí pouze jeden pilot. Veškerá data, která TCAS zachytil a vypočítal, jsou zaznamenávána do FLASH pamětí pro pozdější analýzu nehody, případně v servisních opravnách.

V případě neštěstí, musí mít vyšetřovatelé štěstí a funkční CPU blok s nepoškozenými paměťmi najít. Při nehodě 1. června 2002 severně u městečka Überlingen (Bodamské jezero) oba TCAS systémy v letadlech pracovaly bezchybně. TCAS z TU-154M se podařilo nalézt. V letadle DHL bohužel shořel.

TCAS, záznam dat do non volatile paměti UC 2854 každé 2 sekundy až do katastrofy. Data zůstávají uchována i při přerušení napájení pro další analýzu.

TCAS pracuje v komplexu dynamického prostředí. Má matematické algoritmy, logické funkce. Neříkám, že neomylné, ale po roce 1990 a zavedení první verze TCAS rapidně klesla „nehodovost“. Pro komunikaci s ostatními letadly s TCAS musí stačit v každé vteřině jen 20 milisekund (20 tisícin vteřiny) na přenos svých zpráv. Nesmí překážet dotazům ATCRBS / Mode-S, to má prioritu.

TCAS I. generace

TCAS I (první generace) pouze informoval pilota o existenci okolních letadel, dotazy byly vysílány přes palubní transpondér v Mode-A / C. Modulace PAM / DPSK, výkon vysílače (pulzní) 100Wattů (na útlum v kabelu pro anténu se počítá se ztrátou -6dB), pásmový filtr s útlumem 0,5 dB. Citlivost přijímače v dynamickém (nastavitelném) rozsahu -72 až – 40 dBm po 2dB krocích. Mezifrekvence 60MHz Bessel filtr (10MHz šíře pásma). Sledovaný prostor 8,7 námořních mil a maximální počet 5 okolních sledovaných letadel.

Volba procesoru, který bude vypočítávat trasy a případné možnosti kolizí padá na 16bitový mikroprocesor firmy ZILOG Z8002. Na trhu je sice ještě jiný typ, od firmy Intel 8086, ale ten je jen osmibitový. Zilog 8002 sice nevyniká velkou možností adresování paměťového prostoru (64kB), zde se využívalo jen 31kB RAM, ale zato má těch důležitých šestnáct registrů po 16ti bitech.

Program byl nahrán do tehdy „obrovské“ 160kB paměti PROM složené z jednotlivých integrovaných obvodů AM27S181 (taková mini obdoba dnešních SSD disků, z paměti šlo ale tehdy jen číst). Program využíval software RSX-11S (ver.4) a pracoval v reálném čase. Vyvinula ho firma DEC. Paměťový prostor pro výpočet CRA byl 1024×2 bity. Z dnešního pohledu tedy neskutečně malý. Z8002 měl „pomocníky“ v podobě dalších integrovaných obvodů jako řadič přerušení, časovače, SIO, PIO obvody, obousměrné budiče sběrnice, Latch registry, prostě architektura 80. let. Jako paměti byly použity dynamické RAM firmy AMD – AM864016.

Firmu Zilog a její mikroprocesor si mnozí z nás vybaví z doby, kdy byly velice rozšířené počítače ZX Spectrum, které se daly koupit v Tuzexu. Uvnitř byl jeho méně výkonný 8bitový kolega Z80A taktovaný na 3,5MHz. Ve své době byl Z80A tak úspěšný, že se ho rozhodla vyrábět i Německá demokratická republika. Ne pod původním kapitalistickým označením, ale jako U880 technologií NMOS s komplikovaným napájením což se odvíjelo od tehdy dostupné výrobní technologii v RVHP a osazovala ho do kancelářských počítačů. Firma Zilog dodnes procesory s jádrem Z800x vyrábí technologií CMOS.

TCAS II. Generace

TCAS II spolupracuje s palubním odpovídačem, vysílá a přijímá odezvy od odpovídačů v Módu A/C nebo módu S. Samotná Alfa systému nestačí, protože potřebuje znát i výšku. V módu A/C je přesnost poskytované výšky horší (25m). U Mode-S je výška s přesností na 7m je spolu s unikátní adresou stroje součástí vysílané zprávy.S vysíláním zprávy ADS-B není TCAS kompatibilní, zachycená vysílaná GPS data od okolních letadel nevyhodnocuje, i když jsou vysílána na frekvenci, kde TCAS „poslouchá“. Implementace i těchto dat se plánuje u TCASu třetí generace.Nejnovější používaná verze je TCAS II sw 7, jsou to ve skutečnosti dva systémy – systém zjišťování a systém anti-kolizní.

Jsou-li oba letouny vybaveny TCAS II (verze 7), zprávy pro pilota o prováděném manévru jsou předávány i pilotovi v druhém stroji, aby oba nezačali stoupat nebo klesat / provádět stejný úkon. Proto si TCAS v jednotlivých letadlech „mezi sebou povídají“ (intent message) právě na frekvencích 1030/1090MHz. Při komunikaci obou zařízení se jeden z anti-kolizních systémů stává „master“ a druhý „slave“. U předešlých verzí sw (6.04) kdo bude „Master“ rozhodovala Mode-S 24bitová adresa. Stroj s nižší adresou byl „slave“. U verze 7 se toto pravidlo změnilo a i stroj s nižší Mode-S adresou může jako „Master“ oslovit TCAS II ve stroji s vyšší adresou (vyšší Mode-S adresy: A – USA, C-Kanada, E-Lat. Amerika. Nízké adresy – africké státy, Rusko a evropské státy). Nerozhoduje již jen adresa, ale i aktuální verze software nahraná v TCAS II.

SW ver. 7 není konečný. Do verze 7.1 / Changeproposal 112E byla zakomponována detekce, kdy letadla stoupají / klesají současně, detekce kdo první (z pilotů) zareagoval na RA a také, kdy ani po určité době pilot na RA nezareagoval. Přidána byla také předpověď pro výškový rozestup podle aktuálních vertikálních rychlostí k odvrácení RA.

Závěr

TCAS je certifikovaný na práci jako „advisorysystem“. Poradí, ale nakonec je to stejně na odpovědnosti pilota a jeho správném rozhodnutí. Systém pouze poskytuje „poslední záchrannou síť“ a nutno uznat, že je v tom neobyčejně úspěšný. Nemůže za případnou protichůdnou zprávu ze země, kdy dispečer dává pokyn ke klesání a TCAS řve „Climbing, Climbing“. Jako v případě letu Tu-154.

Každý kdo rozhoduje (ŘLP, pilot, TCAS) si berou informace ze „svých“ zdrojů a hlavně, mají různé cíle. Mezitím co TCAS by chtěl mít okolo sebe prázdno, na ATC se zase snaží o co nejlepší propustnost a pilot, aby se stihl namáčknout do stávajícího provozu a byl co nejdříve s cestujícími na zemi a nepoletoval u ETATU jako na kolotoči půl hodiny.

Zkratky:
ACAS – Airborne Collision Avoidance Systém
TCAS – Traffic alert& collision avoidance systém
FAA – FederalAviationAdministration – Federální letecký úřad v USA
DEC – Digital Equipment Corporation – v polovině sedmdesátých let společnost dala základ vzniku programovacímu jazyku VAX-11 (VirtualAddresseXtension) a sálovým počítačům VAX -11/750 které pracovaly například v Los Alamos… RSX-11S byl pak určen pro standalone aplikace (mikroprocesory)
PAM – Pulse AmplitudeModulation
DPSK – DiferentialPhase-Shift keyed
MTOW – Maximum Take-OffWeight – Maximální vzletová hmotnost
VSI – Vertical speed indicator

EFIS – ElectronicFlight Instrument System (Displeje EADI / EHSI) – Elektronický Letový Systém (CPU AMD / SW REAL TIME LINUX)
A-SMGCS – AdvancedSurfaceMovementGuidance&Control System
TWA – Trans World Airlines
SSD – solid state disk – složen z integrovaných obvodů, žádné mechanické části
MITRE – v čevnu 1958 založena původně jako nezisková organizace, přechází vývojáři z M.I.T a pro Air Force vyvíjí systém SAGE – Semi-AutomaticGroundEnvironment
ZX Spectrum – vyráběla anglická firma Sinclair Research inc.

(text + foto Milan_LKKV)