ACAS – ostatnia linia obrony w powietrzu

Nierozłączną kategorią lotnictwa jest bezpieczeństwo ruchu lotniczego. Od ponad 20 lat wykazuje on tendencję wzrostową, choć w poszczególnych okresach dynamika tego wzrostu była zmienna i w dużym stopniu uzależniona od zawirowań na tle ekonomicznym. Ten powszechny wzrost dostępności transportu lotniczego rodzi jednak liczne wyzwania związane z zatłoczeniem nieba skierowane dla inżynierii lotniczej, infrastruktury nawigacyjnej i portowej oraz personelu.

Jednym z elementów poprawy bezpieczeństwa transportu lotniczego usprawniającego komunikację człowieka ze statkiem powietrznym jest zastosowanie systemów antykolizyjnych, które z uwagi na swe przeznaczenie dzielą się na ostrzegające o potencjalnym zderzeniu pomiędzy statkami powietrznymi w locie oraz o zderzeniu statku powietrznego z ziemią. Jak sugeruje tytuł ten tekst poświęcony będzie systemom unikania kolizji w powietrzu.

ACAS (Airborne Collision Avoidance System) to stworzona przez Międzynarodową Organizację Lotnictwa Cywilnego (ICAO) koncepcja pokładowego systemu zapobiegania kolizjom opartego na analizie odpowiedzi z transponderów SSR statków powietrznych znajdujących się w obszarze pokrycia urządzenia pokładowego w oparciu o punkt CPA (Closest Point of Approach – Punkt największego zbliżenia) w celu zapewnienia załodze odpowiednich propozycji dotyczących sposobu uniknięcia kolizji.

ICAO zdefiniowała charakterystyki ACAS dla trzech poziomów rozwiązań:

ACAS I – dostarcza informacji służących jako pomoc w operacjach „patrz i unikaj” i nie zawiera zdolności generowania propozycji rozwiązania konfliktu (RA),
ACAS II – dostarcza propozycje ruchu (TA) oraz pionowe propozycje rozwiązania (RA),
ACAS III – dostarcza propozycje ruchu (TA) oraz pionowe i poziome propozycje rozwiązania (RA)

TA, czyli Traffic Advisory, to pierwszy poziom zagrożenia, który ma za zadanie zaalarmować załogę statku powietrznego o potencjalnym zagrożeniu i ułatwić wizualne zidentyfikowanie intrudera w przestrzeni oraz przygotować do skorzystania z rozwiązania doradczego (RA). Ten poziom zagrożenia wiąże się z wygenerowaniem przez system komunikatu „traffic, traffic” oraz zobrazowania intrudera na ekranie w postaci bursztynowego lub żółtego znacznika ze wskazaniem jego przybliżonej pozycji. Dla poprawy świadomości sytuacji ruchowej u pilota z reguły przy znaczniku statku powietrznego wyświetlane są dodatkowe informacje, jak kierunek zmiany wysokości, wysokość względna czy dane o kursie (np. jako wyciąg z odebranej wiadomości ADS-B).

Wyświetlacz systemu TCAS (Traffic Alert and Collision Avoidance System) w Boeingu 737-800NG.

RA, czyli Resolution Advisory, to ostrzeżenie nakazowe mające na celu zapewnienie bezpiecznej separacji pionowej między samolotami znajdującymi się na kursach kolizyjnych. Wykonanie manewru nakazanego przez ACAS ma pierwszeństwo przed poleceniami kontrolera i jedynie alarmy o przeciągnięciu, uskoku wiatru i bliskości powierzchni ziemi mają priorytet przed ACAS.

System daje zobrazowanie na indywidualnym interfejsie lub wyświetlaczu IVSI (Instantaneus Vertical Speed Indicator) w postaci znaczników graficznych koloru czerwonego intepretowanych przez załogę wraz z komunikatami głosowymi. Propozycja rozwiązania może mieć charakter prewencyjny, jeżeli nakazuje utrzymanie bieżącego toru lotu lub korygujący, jeżeli nakazuje wykonanie dodatkowego manewru. Reakcja pilota powinna nastąpić do 5 sekund od wygenerowania RA oraz do 2,5 sekundy od wygenerowania instrukcji tzw. RA odwróconego kierunku (RA ma kierunek „w górę”, jeżeli zaleca wznoszenie lub ograniczenie prędkości schodzenia, a kierunek „w dół”, jeżeli zaleca schodzenie lub ograniczenie prędkości wznoszenia).

Jednocześnie najszybciej, na ile pozwalają na to obowiązki załogi, przekazują oni kontrolerowi, pod którego opieką wykonują aktualnie lot informację o rozwiązaniu doradczym, łącznie z kierunkiem odchylenia od obecnej instrukcji lub zezwolenia kontroli ruchu lotniczego. Od chwili rozpoczęcia manewru nakazanego przez ACAS kontroler przestaje odpowiadać za separację między danym statkiem powietrznym a innymi znajdującymi się w jego sąsiedztwie. Ponowne przejęcie odpowiedzialności następuje z chwilą przyjęcia od załogi meldunku o powrocie do aktualnego zezwolenia. Następuje to po wygenerowaniu komunikatu „Clear of conflict”. Jak ktoś trafnie napisał RA jest to swoiste „wotum nieufności” wobec ATC, w następstwie którego piloci i kontrolerzy sporządzają meldunek o nieprawidłowości w ruchu lotniczym, a jako poważny incydent podlega on później badaniu Państwowej Komisji Badania Wypadków Lotniczych.

Nominalne czasy ostrzegania są uzależnione od ustawionego poziomu czułości urządzenia pokładowego, który z kolei zależy m.in. od zakresu wysokości statku powietrznego i dla propozycji rozwiązania (RA) wynosi 15 – 35 sekund przed osiągnięciem punktu najbliższego zbliżenia (CPA), natomiast propozycja ruchowa (TA) jest wydawana standardowo 5 -20 sekund przed propozycją RA. Poziom czułości może być generowany automatycznie przez system ACAS, poprzez polecenie z urządzenia wejściowego pilota lub z naziemnych stacji modu S. System ACAS, poprzez łącze transmisji danych modu S, wykorzystuje łączność „powietrze – ziemia” do transmisji poleceń sterowania poziomu czułości. Innym aspektem tego łącza jest przesyłanie do stacji naziemnych propozycji RA, dzięki czemu służby ruchu lotniczego mają możliwość monitorowania realizacji tego rozwiązania na obszarze ich przestrzeni powietrznej.

Do identyfikacji zagrożenia zbliżającego się statku powietrznego ACAS wykorzystuje co najmniej śledzoną prędkość, śledzoną prędkość zmian wysokości, śledzoną odległość bezpośrednią, śledzoną prędkość zmian odległości bezpośredniej oraz poziom czułości systemu ACAS zbliżającego się statku powietrznego (tak na marginesie m.in. z uwagi na te wymagania napisałem w poprzednim wpisie poświęconym temu zagadnieniu, że system ACAS jest bezużyteczny wobec samolotów wyposażonych w transponder pracujący w modzie A lub pozbawionych transpondera, gdyż urządzenia pokładowe zapytują jedynie transpondery w modzie łączonym A/C lub modzie S, dokonując wyliczenia odległości i względnego azymutu odpowiadającego a/c, a tak obliczone dane wraz z treścią odpowiedzi transpondera, w szczególności o wysokości barometrycznej, są podstawą wygenerowania RA). Spośród parametrów własnego a/c potrzebna jest co najmniej wysokość, prędkość zmian wysokości i poziom czułości.

Czerwonym kołem zaznaczona jedna z dwóch anten systemu TCAS.

Od 2005 r. wszystkie samoloty z silnikami turbinowymi i o największej certyfikowanej masie startowej (MTOW) przekraczającej 5700 kg albo dopuszczone do przewożenia więcej niż 19 pasażerów, muszą być wyposażone w pokładowy system unikania kolizji odpowiadający standardowi ACAS II.

Implementacją idei ICAOwskiej jest system TCAS (Traffic Collision Avoidance System). W nomenklaturze lotniczej określenia ACAS i TCAS używane są zamiennie. Stosowana od kilku lat wersja 7.0 tego systemu jest już powoli zastępowana jej najnowszą aktualizacją (ver. 7.1), która umożliwia dodatkowo kontrolę prędkości pionowej własnego statku powietrznego w celu potwierdzenia zgodności z zamiarem RA.

Poza tym w wersji 7.1 komunikat RA „Adjust vertical speed, adjust” (dostosuj prędkość pionową) zastąpiono „Level off, level off” (wyrównaj). Było to podyktowane przypadkami, w których załoga źle interpretowała komunikat „Adjust vertical speed, adjust” i zamiast przejść do lotu poziomego rozpoczynała wznoszenie z dotychczasowego zniżania lub odwrotnie. Zamieszona poniżej krótka animacja obrazuje optymalne reakcje załogi w przypadku wygenerowania RA „Level off, level off”.

[youtube youtubeurl=”JZBXPfAPPFM” ][/youtube]

Zgodnie z przepisami ICAO od tego roku wszystkie nowe urządzenia muszą odpowiadać wersji 7.1, a po 1 stycznia 2017 r. standard ten zostanie wprowadzony do wszystkich samolotów objętych obowiązkiem posiadania pokładowego systemu unikania kolizji.

Na koniec jeszcze kilka słów o ograniczeniach systemu. Nominalny zasięg systemu TCAS wynosi 14 NM (1NM = 1852 m) w przypadku śledzenia samolotów z transponderem pracującym w modzie A/C i 30 NM w odniesieniu do modu S. Niemniej jednak maksymalna zdolność dozorowania obiektów kombinacji modów A/C i S wynosi 30, a co za tym idzie jeżeli wartość ta zostanie przekroczona, to system automatycznie odrzuca obiekty stanowiące przekroczenie tego limitu i zmniejsza swój zasięg poniżej wartości nominalnych.

System nie generuje też niektórych rozwiązań RA na pewnych wysokościach: „increase descend RA” – na 1.550 ft (±100 ft) i poniżej, „descend RA” – na 1.100 ft (±100 ft) i poniżej, wszystkich RA – na 1.000 ft (±100 ft) i poniżej, jakichkolwiek komunikatów głosowych – na 500 ft (±100 ft) i poniżej. TCAS nie generuje również wskazań TA i RA w przypadku samolotów o prędkości pionowej powyżej 10.000 ft/min. i prędkości lotu powyżej 1200 węzłów (1 kt = 0,5144 m/s).

Ze statystyk wynika, że komunikaty TCAS są stosunkowo rzadkie – średnio raz na 1000 h lotów średniodystansowych i raz na 3000 h lotów długodystansowych. TCAS jest jedynym systemem antykolizyjnym spełniającym wymagania ICAO dla ACAS. Inne dostępne na rynku rozwiązania zapewniają monitorowanie ruchu lotniczego wokół statku powietrznego w czasie rzeczywistym z możliwością generowania jedynie alarmu dźwiękowego w razie potencjalnego zagrożenia kolizją (brak propozycji rozwiązania sytuacji konfliktowej) i z tego też powodu ich zastosowanie ogranicza się głównie do lotnictwa ogólnego.

Począwszy od lat 50-tych ubiegłego stulecia trwają prace nad stałym unowocześnianiem systemów zapobiegania kolizjom. Pretekstem do podjęcia tych działań była katastrofa dwóch samolotów pasażerskich nad Wielkim Kanionem Kolorado – Douglas DC-7 linii United Airlines i Lockheed Super Constellation, w której zginęło 128 osób. Pierwsza wersja TCAS (ver. 6.02) została wdrożona do komercyjnego zastosowania w USA w 1991 r. W 1997 r. zakończono prace nad TCAS II ver. 7.0, który w 2003 r. doczekał się rekomendacji ICAO do stosowania we wszystkich samolotach dopuszczonych do przewożenia więcej niż 30 pasażerów. Kolejną generacją ACAS mają być systemy ACAS X, które będą wykorzystywały zaawansowane techniki algorytmiczne do modelowania sytuacji konfliktowych i sposobu ich rozwiązywania. Testy przeprowadzone dotychczas przez amerykański zespół specjalistów powołany przy FAA potwierdziły wysoką skuteczność tej koncepcji, która do komercyjnego zastosowania ma trafić na początku trzeciej dekady XXI wieku.

Tekst: Michał Stanek, JRP Katowice Airport
Zdjęcia: Piotr Adamczyk, PR Katowice Airport