06/07/2022
#26【TCAS - (上) 歷史成因】
TCAS,全名 Traffic Collision Avoidance System,中文可以叫做空中防撞系統,好似舊年第二十三輯 #航空小教室 有講過嘅 GWPS 一樣都係防止撞機,不過呢個 TCAS 系統嘅目的係預警並避免空中相撞嘅意外。我哋關於呢個題材將會分開兩輯嚟講,今次就先同大家分享一下 TCAS 出現嘅歷史成因啦。
二戰後民用航空一直發展,但雷達導航技術仍然應用有限而且空中航道規管尚未成熟,大部分航空管制員實在無辦法徹底掌握天上嘅飛機嘅當向,只有約莫嘅資訊。就係咁,大部分當年嘅航空交通都喺冇航空管制空域,係靠目視飛行下機師肉眼辨認其他飛機而避免碰撞,亦即 see and be seen 嘅方式飛行。不過人嘅視野角度有限,飛機駕駛艙嘅佈局亦代表機師無可能 360 度注意到接近嘅飛機,更莫論揸飛機唔淨係望出面嘅嘢,仲要處理駕駛艙入面嘅儀器。就係咁,單靠人類嘅缺陷逐漸浮現,引致以下幾次嘅意外。
1956 年 6 月 30 日,聯合航空 (United Airlines) UAL 718 航班,一架道格拉斯 (Douglas) DC-7 與另一架環球航空 (Trans World Airlines) TWA 2 航班嘅洛克希德超級星座式 (Lockheed L-1049 Super Constellation) 喺美國亞利桑那州大峽谷 (Great Canyon) 附近上空約 21000 呎相撞,造成兩架機上共 128 人喪生。當年嘅美國民航委員會 (Civil Aeronautics Board, CAB) 調查報告指出除咗有限嘅航空管制之外,當時嘅雲層亦有機會導致雙方機師未能及時留意到對方嘅飛機並採取迴避措施,繼而相撞。(註:CAB 意外調查職能後來被新成立嘅國家運輸安全委員會 (NTSB) 取代,原 CAB 於 1985 年被廢除)
事實上,為咗應對當時距離覆蓋度有限嘅航管,以及單靠機師 see and be seen 以保持飛機之間安全距離嘅局限,早喺五十年代就已經萌生研發出一個獨立於地面監控 (例如雷達) 嘅防撞系統嘅諗法。喺呢次大俠谷意外發生之前,一位叫做 Dr John S. Morrel 嘅美國科學家啱啱先喺一篇名為 “Fundamental Physics of the Aircraft Collision Problem” 嘅論文入面提出用最近交匯點 (Closest Point of Approach, CPA) 作為防撞系統嘅程式設計原則嘅建議,可見當時的確已經有相關嘅研究。可惜,即使因為呢次空難加快咗有關系統嘅研發,就算去到六十年代嘅時候基於技術限制嘅關係,有關系統仍然停留喺初步概念嘅階段。再去到六十年代末、七十年代初,有一啲建基於應答器 (transponder) 嘅防撞系統雛形投入測試,但係因為實際應用上會受到終端管制空域極為繁忙嘅航班動向影響,產生大量虛報警報嘅情形,削弱呢啲系統嘅可靠性。
去到 1978 年 9 月 25 日,當時一架太平洋西南航空 (Pacific Southwest Airlines) PSA 182 航班,嘅波音 727-214 喺加州聖地牙哥國際機場 (SAN/KSAN) (前稱林白機場,Lindbergh Field) 附近與一架西斯納 (Cessna) C-172 小型飛機相撞,共有 144 人 (機上 137 人,地面 7 人) 罹難。當時波音 727 正下降中,從後面同上述嗰架爬升緊嘅 C-172 相撞。呢次意外嘅成因被認定為有二,包括:(一) PSA 182 航班上嘅機組人員疏忽,未能準確目視確認 C-172 嘅位置以免相撞;及 (二) C-172 上嘅機師冇準確按照航管指定嘅航向飛行。呢一次嘅意外就正正係導致美國聯邦航空總署喺幾年之後研製出 TCAS 呢個系統嘅契機啦。
最終,TCAS 嘅技術係利用於七十年代中旬研發,利用航管應答器 (Air Traffic Control Radar Beacon System, ATCRBS) 資訊運作嘅信標防撞系統 (Beacon Collision Avoidance System, BCAS),沿用當時查問與追蹤 (interrogation and tracking) 設計,並加上一啲額外嘅功能。與此同時,國際民航組織 (ICAO) 喺八十年代開始亦都制定咗一套叫做 Airborne Collision Avoidance Systems (ACAS) 嘅準則,現今發展至第二代嘅 ACAS II。雖然好多時候 ACAS 會同 TCAS 呢個字有互相共用,但係兩者其實係有分別嘅,ACAS 講緊嘅喺個準則同埋技術規格,而 TCAS (仔細啲嘅話係 TCAS II version 7.1,之前曾經有過 version 6.04a 同埋 7.0,以及低一級嘅 TCAS I) 係其中暫時唯一一個可以符合最新 ACAS II 標準嘅一套系統。
今次就寫到呢度先,我哋下次 TCAS (下) 篇再同大家講下 TCAS 嘅運作應用同埋背後嘅一啲原理啦。
撰文、製圖:6C 彭皓
註:有部分中文名稱為非官方或非正式譯法,請以英語註釋為準
資料來源:美國聯邦航空總署 (FAA)、歐洲空中航行安全組織 (European Organisation for the Safety of Air Navigation/Eurocontrol)、香港民航處 (CAD)、Aviation Safety Network 等
延伸閱讀/參考文獻:
(1) 王 立楨. (2017). 飛航解密:美國航太專家關於飛航安全、訓練與管理的大解. 遠流.
(2) Eurocontrol. (2022, March 25). Airborne collision avoidance system (ACAS) guide. Retrieved July 1, 2022, from https://www.eurocontrol.int/publication/airborne-collision-avoidance-system-acas-guide
(3) FAA. (2011, February 28). Introduction to TCAS II Version 7.1. Federal Aviation Administration, U.S. Department of Transportation. Retrieved July 1, 2022, fromhttps://www.faa.gov/documentLibrary/media/Advisory_Circular/TCAS%20II%20V7.1%20Intro%20booklet.pdf
(4) Cineflix. (2013). Air Crash Investigation Season 12 Episode 6 - Grand Canyon Disaster. Canada.
(5) Investigation Report AX001-1-2/02. Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung/German Federal Bureau of Aircraft Accident Investigation. (2004, May 2). Retrieved July 1, 2022, from https://www.bfu-web.de/EN/Publications/Investigation%20Report/2002/Report_02_AX001-1-2_Ueberlingen_Report.html
(6) Civil Aeronautics Board. (1957, April 17). Accident Investigation Report - Trans World Airlines, Inc., Lockheed 1049A, N69020, and United Air Lines, Inc., Douglas DC-7, N63240, Grand Canyon, Arizona, June 30, 1956. Retrieved July 2, 2022, fromhttps://lessonslearned.faa.gov/UAL718/CAB_accident_report.pdf