飛機如何防止空中相撞？

在智能手機和全球定位系統高度普及的今天 想實時定位你的快遞,你的滴滴 甚至你的另一半都一如反掌 但在十餘年前 航空業的愛好者們就實現了居家在線追蹤全球上萬個航班 包括但不限於飛機的航向、速度、高度以及整段飛行軌跡 時至今日 不管是馬航370的離奇失蹤 還是東航騰線空難 我們總能在新聞上看到這些追蹤軟件的影子 當然 也包括近300萬人實時圍觀的 那架呼號爲SPAR-19的737在臺北降落 爲什麼它們能追蹤到飛機的實時軌跡 而飛機又爲何要不停地向外界發送自己的位置信息呢 時間回到1956年6月30日 美國西部亞利桑那州的大峽谷上 美聯航的DC-7和浣熊航空的超級星座相撞 機上128人全部遇難 當日天氣不佳是導致該空難的直接原因 兩架飛機在從不同方向穿越同一雲層時 因能念度降低 均未能發現正在接近的對方 但究其本質 還是因爲飛機之間缺少一套有效的自動溝通機制 能主動對接近的航空器進行預警 而不是隻能依靠目視識別 這是商業航空首次發生空中相撞 並打破了當時空難的遇難人數記錄 國際民航組織和飛機制造商 因此決定開發一套能安裝在飛機上 主動實現空中仿撞的系統 想要實現這一目標 任意兩架飛機需要擁有相互識別 並感知對方位置和運動趨勢的能力 可事實上 當時的空管部門對於空域內飛機的數據掌握 都算不上可靠 傳統的雷達利用電磁波的反射原理 可以很好地探測空中目標 並根據反射信號的時間計算距離和相對角度 但雷達反射波無法體現飛機的具體型號 空管只能知道那裏有飛機 再不停地通過喊話確認 此外 雷達計算的距離是與飛機的直線數據 並不包含精準的高度信息 這一數據其實對飛機的仿撞尤爲關鍵 因爲只要不在同一高度 飛機是無論如何也不會發生衝突的 FAA聯合麻省理工 研製了一套名爲二次雷達的監視系統 在原有的雷達上 加裝了一個能主動發射問訊信號的裝置 同時在飛機上安裝一套應答機 飛機在接收到問訊信號後 會立即主動發射一組 包含飛機數據的應答信號 通過將飛機機身反射信號 和主動應答信號的擬合 實現了對飛機信息的識別 和精準位置的感知 管制員得以通過地面協調 來減少空中撞擊事件的發生 但這仍不是解決問題的根本辦法 除了管制的控制區域本身有限外 軍機等不受控目標 同樣會對飛機構成威脅 1971年 休斯航空的一架DC-9客機 與美國海軍陸戰隊的F-4戰機相撞 造成50人遇難 同樣的 天氣不佳是造成空難的首要因素 但不可否認的是 能完全獨立於地面的防撞系統 纔是避免撞擊的關鍵 在地面二次雷達工作原理的啓發下 如果給飛機也增加這種主動問訊的能力 是不是就可以實現相互識別 發送關鍵位置數據 同時通過信號發送和接收的時間差 進一步判斷出兩者的相對距離和接近速率 進而完成一套獨立工作的防撞系統 聽起來似乎不難 但系統的開發速度並不盡如人意 主要問題出現在這個 答覆信號的數據傳輸能力上 由於整套系統最初的開發 是爲了解決空管對飛機的精準識別問題 在已有雷達可以探測位置的前提下 應答機只需答覆一個基礎的 識別信息和高度數值即可 其中表明飛機信息的數據只有12bit 每3bit爲1位,共4位 每位可以表達0至7,8個數字 理論上,同類雷達能識別飛機數量的上限 從000到7777,共4096個 這顯然不足以給世界上每架飛機都分配一個 所以應答機的編號只是一個臨時性的身份 有空管統一分配,飛行員手動設置 飛機在執行航班時,每到達一個新的管制區 都需要重新向區域管制員申請編號 來保證自己識別信息的唯一性 高度信息更慘 因爲使用了和識別信息相同的編碼模式 爲了防止混淆還再砍去一位 只剩可憐的11bit可用 在最多可以表達2048個數值的限制下 反饋高度的精度只有100英尺 在這一精度下 航路高度的最大間隔被限制在1000英尺 另外一個問題出現在信號干擾和數據處理能力上 問訊和應答聽起來很高端 其實和你在原地吼一嗓子有人嗎 然後等着別人回答你沒什麼區別 人少的時候 這樣的溝通方式還算可靠 但到了人員衆多的菜市場 溝通就開始逐漸無效化 你既無法聽清每個人的問訊 也沒有時間去計算衆多目標的軌跡 特別是在機場附近的空域 除了飛機之間的吵架 地面塔臺快要比飛機大的雷達 還要再搶奪一下話語權 整套系統在最需要防撞預警的飛機密集區 反而起不到關鍵作用 所以不考慮成本的話 除非當時的民航客機人均長成這樣 不然很難完美地完成預警工作 當然了 長成這樣會不會被導彈轟下來 就是另一個話題了 好在計算機和通訊技術的發展 沒讓旅客在困中飄太久 1983年 電子先鋒獎頒發給了爲自動應答制定更高標準的艾倫·阿什利 他主導制定的這套編碼系統 能實現最多1280bit的數據互傳 讓飛機得以實現應答航向、速度、高度變化率等信息 將高度信息的精度從100英尺提升至30英尺 飛機的識編碼同樣從12bit升級到24bit 最大容量躍升到2到24四方 1600萬 可以給每架飛機都賦予一個獨一無二的身份號 更重要的是 這套編碼系統賦予了問訊機的選庫功能 機載設備可以根據自身需求 向特定的航空器開展你問我答的活動 避免了飛機之間的猜測上行爲 這種帶有選庫功能的編碼模式也被稱爲Mode Select 一般稱爲S模式 同時爲了增加仿裝系統在航空器較爲密集區域的可靠性 製造商還分別在機身上下方安裝了一套方向性天線 每部天線內部的4根陣緣在進行數據交換的同時 還可以探測附近飛機的相對位置 保證了獲取位置的可靠性 終於 1987年 在首次商業運輸航空空中撞擊事件超過30年後 第一個滿血版本的空中交通仿裝系統正式上線 英文簡稱TCAS 飛機可以實現以自身爲中心 上下8700英尺 前後超過40海里範圍內飛機的跟蹤和仿裝預警 根據距離和運動趨勢 分別給出圖形提示 交通諮詢和決斷諮詢 決斷諮詢是飛機最高等級的警示信息 在優先級上僅次於風切變和地形警告 如果兩架飛機上均裝有S模式的應答機 在觸發決斷諮詢時 能同時給出上升或者下降的建議 通過改變高度避開衝突 肉眼可見的是 這套系統會價格不菲 提供數據的增多也意味着仿裝計算機 需要與起落架、導航、天氣、通訊等多個系統交連 選裝成可貴 改裝價更高 並未成爲行絲的必選項目 1996年 當軍委安裝仿裝系統的747和1276 碰上了連二次雷達都未安裝的印度空管 和咖喱味的無效溝通英語 一場349人喪生的空難 終於讓仿裝系統不是選擇體 各國的民航局政策略有差異 但基本上超過30座的飛機 都需要配備S模式的應答機 和與之匹配的仿裝系統 同時考慮到向前兼容 這些仿裝系統同樣有能力 對只配備老式應答機的小飛機進行監控和預警 正如大家看到的那樣 不管是從數量還是嚴重程度 空中撞擊造成的空難 已經逐漸只存在於空中浩劫中了 所以 在瞭解了二次雷達如何誕生 爲何應答機的數字最多隻有8位 飛機仿裝系統如何發展後 我們依然好像未能完全解答最開始提出的問題 雖然有仿裝需求的飛機 有向外界答覆自己位置信息的義務 但各類岷江網站是不太可能在全球 獲得建立問羣發射器的批准的 況且從TKAS上下8700英尺的探測範圍也能看出 在巡航階段 飛機的答覆信號傳到地面時已經非常微弱了 事實上 S模式並不是飛機數據傳輸方式的終點 TKAS的進化也原爲停止 隨着飛機發送和處理數據的能力越來越強 問尋應答這種高效但低頻的交互模式已非必要 2000年後 在S模式基礎上更爲強大的廣播系統被提出 這套英文縮寫爲ADSB的系統可以以更高的帶寬 以每秒數次的頻率向外不停的發送飛機數據 除了以往的飛行數據外 包括GPS位置 俯仰和滾轉角度 甚至飛行計劃等都可以成爲廣播的內容 在發送內容豐富的同時 ADSB的傳播範圍可以達上百公里 這意味着不僅地面站 衛星也能接收到飛機廣播的實時數據 這正讓航班監控實現全球的無死角覆蓋 而TKAS在ADSB接收功能的加持下 可以與天氣預警和地形預警交融 共同組成飛機的環境探測系統 全方位地感知飛機的外部環境 除了傳統的上升和下降防撞 進一步支持左轉和右轉防撞 這對提升空域內的通行能力有很大幫助 ADSB的發送功能已經成爲大型飛機的強制要求 而接收功能因爲交連的系統較多 還只能在787和350等較新的飛機上看到 民航飛機採用的ADSB報文是完全不加密的 任何人都能通過接收設備 看到自己的樓頂飛過了什麼飛機 這也是各類網站實現跟蹤飛機的關鍵 最後需要提醒大家的是 就像前文提到的阿爾斯雷達 其功能原理其實來自二戰時期的DWARF識別系統 ADSB也並非只有民航業在使用 自行安裝的信號接收設備能收到的信息 遠不止你能查到的航班 所以除非你檢查了後臺處理程序的每一行代碼 沒人能保證其採集到的原始數據會被做何用途 好了,以上就是本期視頻的全部內容 歡迎點贊投幣觀衆轉發 你的支持是我們更新最大的動力 我是張馳,這裏是極品演化 我們下期節目見