Wie funktioniert TCAS?

TCAS funktioniert, indem es Abfragen an die Transponder anderer Flugzeuge sendet. Der Transponder antwortet auf die Abfrage in ähnlicher Weise wie er auf Radar reagiert. Aus der Zeitdifferenz zwischen Abfrage und Antwort wird die Entfernung zum anderen Flugzeug berechnet. Die Antwort selbst enthält die Höhe des anderen Flugzeugs.

Die folgende Erläuterung gibt einen Einblick in die grundlegende Arbeitsweise des TCAS-Algorithmus. In der Realität ist es komplexer, mit allen Arten von Ausnahmesituationen umzugehen.

Der Abstand und der Höhenunterschied zu den anderen Flugzeugen wird verfolgt, um einen Trend zu erkennen. Aus aufeinanderfolgenden Abstandsmessungen wird die Schließrate bestimmt. Mit der Annäherungsrate und der aktuellen Entfernung (Slant Range) wird eine Annäherung an die Zeit bis zum nächsten Punkt der Annäherung (CPA) vorgenommen. Dazu wird einfach die Reichweite durch die Schließrate dividiert, das Ergebnis wird „Range Tau“ genannt. Dasselbe geschieht in der vertikalen Ebene. Die Division der Höhendifferenz durch die vertikale Geschwindigkeitsdifferenz führt zum vertikalen Tau.

Wenn beide Taus kleiner als ein bestimmter Schwellenwert sind, wird ein Verkehrsalarm (TA) ausgegeben. Wenn die Taus kleiner als eine andere (untere) Schwelle sind, wird eine Auflösungsempfehlung gegeben. Der TA ist eine „Heads Up“-Anzeige, der RA ist eine Anweisung, die vom Piloten befolgt werden muss, um das Kollisionsrisiko zu verringern. Die Schwellenzeiten hängen von der Höhe ab und reichen von 20 Sekunden (< 1000 ft AGL) bis 48 Sekunden (> FL200) für TAs und von 15 Sekunden (< 2350 ft) bis 35 Sekunden (> FL200) für RAs. Unterhalb von 1000 Fuß AGL sind RAs gesperrt.

Ursprünglich gab TCAS Traffic Advisories nur in Form einer „Traffic, traffic“-Meldung aus. Es wurden keine Ausweichmaßnahmen angezeigt.

Mit der Einführung von TCAS II in der zweiten Hälfte der 80er Jahre hielt das Resolution Advisory Einzug.

RA-Auswahl

Bei der Auswahl einer Abwicklungsberatung gibt es zwei grundsätzlich zwei Schritte. Der erste Schritt besteht darin, eine Richtung auszuwählen, entweder nach oben oder nach unten. Dies basiert auf einer Berechnung, wie viel Höhenunterschied am CPA erreicht werden kann, indem entweder mit einem Steig- oder Sinkflug begonnen wird, vorausgesetzt, dass das Ziel seine vertikale Rate beibehält. Bei der Berechnung wird die Reaktionszeit der Besatzung und die Beschleunigung und Steig-/Sinkgeschwindigkeit des Flugzeugs angenommen (5 Sekunden, 0,25 g, 1500 fpm).

Der zweite Schritt besteht darin, eine Größe auszuwählen. Der Algorithmus ist so konzipiert, dass er die Flugbahn am wenigsten stört und dennoch einen minimalen vertikalen Abstand erreicht.

RA-Koordination

Wenn eine RA ausgewählt wird, wird sie an das andere Flugzeug übertragen. Wenn das andere Flugzeug diese Nachricht empfängt, verwendet es nur den entgegengesetzten Sinn für seine eigene RA. In dem seltenen Fall, dass beide Flugzeuge gleichzeitig ihre RA-Absicht übertragen, gibt das Flugzeug mit der höheren Modus-S-Adresse nach und kehrt seine RA-Absicht um, wenn es mit dem anderen in Konflikt steht.

Algorithmus-Versionen

Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Verbesserungen an TCAS II vorgenommen. Die anfänglichen TCAS II-Systeme hatten Version 6.0 des Algorithmus, der später Mitte der 90er Jahre durch 6.04a ersetzt wurde. Weitere Systembewertungen führten zur Entwicklung der Version 7.0, die ab 1999 implementiert wurde. Nach einer Kollision in der Nähe von Japan im Jahr 2001 und einer Kollision in der Luft über Überlingen, Deutschland, wurden weitere Änderungen vorgenommen, die zu Version 7.1 führten.

Zu den vorgenommenen Änderungen gehören:

• den Wortlaut der RAs
• Logik zur Begrenzung der vertikalen Bahnabweichungen
• Logik, um Fehlalarme im RVSM-Luftraum und auf eng beieinander liegenden parallelen Start- und Landebahnen zu verhindern
• Logik, um die Nichteinhaltung einer RA zu erkennen
• verbesserte Umkehrlogik der RA-Erfassung

TCAS & ATC

TCAS RAs haben Vorrang vor ATC-Anweisungen. Die Tatsache, dass eines der beiden Flugzeuge den Anweisungen von ATC folgte, und die anderen TCAS RAs trugen zum Unfall von Überlingen bei. Falls ein Pilot eine TCAS RA erhält, sollte er ATC benachrichtigen.

==========

Die FAA hat eine Einführung in TCAS II v7.1 erstellt , die interessante Lektüre zu diesem Thema bietet.

Der TCAS-Standard verwendet den Standardtransponder , wobei der Interrogator zusätzlich zum Transponder selbst an Bord ist .

Das Flugzeug sendet periodisch das Abfragesignal. Die Leistung ist geringer als die vom Bodenradar, aber ausreichend, um eine Reaktion von Flugzeugen auszulösen, die möglicherweise weniger als eine Flugminute dauert.

Die Entfernung zum anderen Flugzeug wird aus der zeitlichen Abstimmung des Signals bestimmt, die Annäherungsrate aus zwei aufeinanderfolgenden Messungen der Entfernung und der Druckhöhe ist Teil der Antwort des Transponders. Die Position kann nur ungefähr durch die Verwendung einer Richtantenne bestimmt werden, daher wird sie nur zum Anzeigen des anderen Flugzeugs auf dem Nav-Display verwendet, nicht jedoch zum Bestimmen der Auflösung.

Das System wird aktiviert, wenn die Annäherungsrate so ist, dass es möglicherweise zu einer bestimmten Zeit zu einer Kollision kommen könnte. Das bedeutet nicht, dass sich die Flugzeuge tatsächlich auf kollidierenden Kursen befinden; Das TCAS-System wertet keine Kurse oder Positionen aus. Es ist nur so, dass die momentane Schließungsrate hoch genug ist.

Wenn das Flugzeug in 40 Sekunden kollidieren könnte, gibt das System einen "Traffic Advisory" aus. Dies ist nur eine Warnung, dass in der Nähe ein Verkehr herrscht und möglicherweise bald Maßnahmen ergriffen werden müssen.

Verringert sich der Abstand so, dass das Kollisionsrisiko auf 25 Sekunden ansteigt, wird ein „Resolution Advisory“ gegeben. Dies ist eine Anweisung zum Steigen, Sinken, schnelleren Steigen/Sinken oder zum Ausrichten. Der Pilot muss innerhalb von 6 Sekunden nachkommen, die Anweisung hat Vorrang vor ATC-Anweisungen.

Welcher Hinweis zu geben ist, wird durch ein Regelwerk aus Höhe und Steiggeschwindigkeit dieses und des anderen Flugzeugs abgeleitet. Da die Höhe in der Antwort des Transponders gesendet wird und die Steigrate einfach die Differenz aufeinanderfolgender Höhenmessungen ist, haben beide TCAS die gleichen Informationen und werden daher immer zu dem gleichen Ergebnis kommen. Im Grunde sagt es, welches Flugzeug höher steigt, schneller steigt oder nicht sinkt, und das niedrigere Flugzeug sinkt, schneller sinkt oder nicht steigt, wenn es steigt.

Es gibt auch ein ähnliches System für Leichtflugzeuge namens FLARM . Das Prinzip ist ähnlich. Es verwendet Funkgeräte mit geringerer Leistung, da Segelflugzeuge und Ultraleichtflugzeuge nicht genug Leistung für den Standard-Transponder haben. Die Meldungen enthalten auch Position und Richtung, sodass auch seitliche Anweisungen (links/rechts abbiegen) gegeben werden können. Es ist jedoch nicht mit TCAS kompatibel.

TCAS I: benötigt nur Mode-A Transponder, liefert nur "Traffic Traffic". TCAS II: benötigt Mode-C-Transponder, bietet "Climb Climb" etc. TCAS III: benötigt größere Rechner, bietet "Climb Left" etc.

TCAS III wurde noch nie produziert - TCAS II ist gut genug, um den Job zu erledigen, und noch hat niemand einen guten Algorithmus dafür ausgearbeitet!