Traffic Alert and Collision Avoidance System

200px|mini|TCAS-Display Das Traffic Alert and Collision Avoidance System (TCAS) ist die in den USA genutzte Bezeichnung, während ICAO das System als Standard Airborne Collision Avoidance System (ACAS, dt. Kollisionswarnsystem) standardisiert hat. ACAS dient zur Vermeidung von Flugzeugkollisionen in der Luft. Die Funktionalität von ACAS wird von der ICAO in ICAO Annex 10, Volume IV und in den USA in TCAS Standards definiert.Introduction to TCAS I Version 71

Allgemeines und Geschichte Nachdem sich in den 1950er Jahren eine Reihe von Zusammenstößen in der Luft (Mid-Air Collisions) ereignete, wurde im Jahre 1956 die Forderung nach einem Zusammenstoßwarnsystem laut.

TCAS wurde über einen Zeitraum von ca. 30 Jahren entwickelt und schließlich Ende der 1980er Jahre zunächst in den USA eingeführt. Den Ausschlag für die Pflicht zur Ausrüstung mit einem Kollisionswarnsystem gab der Zusammenstoß eines Kleinflugzeuges mit einer DC-9 am 31. August 1986 bei Los Angeles (Aeroméxico-Flug 498). Ein Gesetz vom Dezember 1987 verlangte die Ausrüstung aller kommerziellen Luftfahrzeuge mit mehr als 30 Plätzen im US-Luftraum mit einem TCAS II bis Dezember 1993 (und TCAS I für 10- bis 30-Sitzer). Damit mussten alle Fluglinien weltweit ihre Luftfahrzeuge entsprechend ausrüsten, wenn sie den US-amerikanischen Luftraum bedienen wollten.

Die ICAO, bei der das System, ebenso wie bei Eurocontrol, als ACAS (Airborne Collision Avoidance System) bezeichnet wird, hat 1998 eine Pflicht zur Ausrüstung mit ACAS II für Luftfahrzeuge mit mehr als 17 t Abflugmasse ab 2003 (Eurocontrol schon ab 2000) und Luftfahrzeuge mit mehr als 5,7 t Abflugmasse ab 2005 entschieden.

Die NASA half bei der Verbesserung des TCAS. Die NASA benutzte dazu Flugsimulatoren und testete, wie gut Verkehrspiloten das TCAS verstanden und wie lang sie brauchten, um auf verschiedene Situationen zu reagieren. Auf Grund dieser Erkenntnisse wurde die Software des TCAS verbessert mit dem Ziel, es leichter und schneller bedienen zu können.

Entwicklung Es gibt drei TCAS- (oder ACAS)-Versionen:

TCAS I: Gibt nur Verkehrshinweise (Traffic Advisory, TA). Diese beinhalten nur die Entfernung, grobe Richtung und Höhendifferenz zum eigenen Luftfahrzeug.

TCAS II: Es werden zusätzlich Ausweichempfehlungen (Resolution Advisory, RA) berechnet. Diese sind rein vertikal (steigen, sinken, Vorgabe der Vertikalgeschwindigkeit).

TCAS III: Befindet sich noch in der Entwicklung und Erprobung. Es soll auch laterale (seitliche) Ausweichempfehlungen (Kursänderungen) liefern können. Diese Forderung kann mit der vorhandenen Technik möglicherweise nicht erfüllt werden; es wird daher damit gerechnet, dass TCAS III nicht zum Einsatz kommt, sondern gleich die nächste Version, TCAS IV, folgt.

TCAS IV: Befindet sich ebenfalls in der Entwicklung. TCAS IV wird die Informationen von neuentwickelten Transpondern auswerten und hat damit die Voraussetzungen, auch laterale (seitliche) Ausweichempfehlungen (Kursänderungen) zu berechnen.

Zusätzlich wird daran geforscht, die TCAS-Ausweichempfehlungen auf dem Radarschirm der Fluglotsen darzustellen (ist technisch möglich, aber teuer). Es wird gefordert, dass TCAS automatisch Mitteilung an den Arbeitsplatz des Fluglotsen über erteilte Resolution Advisories (RA) macht (ICAO 08/2004), damit widersprüchliche Ausweichanweisungen gar nicht erst entstehen können (vgl. Flugzeugkollision von Überlingen).

Für kleine Flugzeuge wurde ein Portable Collision Avoidance System entwickelt.

Funktionsweise TCAS fragt sowohl die Mode S als auch Mode A/C- fähigen Transponder anderer Flugzeuge im umgebenden Luftraum ab und ermittelt aus deren Antworten ein „Sicherheits-Lagebild“.Airborne Collision Avoidance System (ACAS) Manual. (PDF; 1 MB) International Civil Aviation Organization, First Edition, 2006, 1.4 System Overview; abgerufen am 1. Dezember 2012 Dieses Lagebild umfasst grob und je nach System einen Bereich von horizontal 20–40 NM (entspricht ca.: 37–74 km) und vertikal ±10.000 ft (±3.048 m). Das System errechnet aus den empfangenen Daten (Richtung, Entfernung, Annäherungsgeschwindigkeit, Höhe und Steig/Sinkrate), ob, und wenn ja, wann mit einer Kollision mit einem Flugzeug zu rechnen ist.

In Abhängigkeit von den empfangenen Daten des möglichen Kollisionsgegners gibt das System eine TA (Traffic Advisory = Verkehrshinweis) oder eine RA (Resolution Advisory = Ausweichempfehlung) aus. Diese Empfehlung basiert

auf der Berechnung des Punktes der dichtesten Annäherung (CPA = Closest Point of Approach) auf der Dauer TAU, bis dieser Punkt erreicht wird, und darauf, ob überhaupt eine Abstandsverletzung vorliegen würde.

Die Antworten auf TCAS-Abfragen werden in Mode S im Format DF0 (56 Bit Kurzmessage) oder im Format DF16 (112 Bit) gesendet.Das Format des Mode-S-Antworttelegramms, Radartutorial

TAU Das TAU-Gebiet ist eine spezifische „Schutzzone“ um das eigene Flugzeug. Wenn ein Flugzeug in den TAU-Bereich eindringt, löst das TCAS einen Alarm aus. Die Grenzen des TAU-Gebietes sind durch eine Zeitspanne (time-to-go) definiert. TAU ist die benötigte Zeit, um zum Closest Point of Approach (CPA; Punkt der dichtesten Annäherung) zu gelangen. Die Zeitspanne ist eine Distanz geteilt durch die Annäherungsrate – sowohl vertikal als auch horizontal.

DMOD Es gibt Fälle, in denen die Annäherungsrate so gering ist (z. B. überholendes Flugzeug von hinten; parallel fliegendes Flugzeug nähert sich langsam immer mehr), dass die Grenze des TAU-Gebietes nicht überschritten wird. Trotzdem kann der Abstand unter eine NM schrumpfen. In diesem Fall ist die berechnete Annäherungsrate nicht sehr nützlich, da eine plötzliche Vergrößerung der Annäherungsrate (z. B. parallel fliegendes Flugzeug ändert plötzlich den Kurs in Richtung eigenes Flugzeug) keinen Spielraum für eine rechtzeitige Warnung mehr lassen würde.

Dieses Problem wird durch die zusätzliche Distanzmodifikation (Distance Modification – DMOD) behoben. Die DMOD betrifft nur den physischen Abstand zwischen dem eigenen Flugzeug und dem Ziel. Die Zeit bis zur Kollision oder die Annäherungsrate spielen dabei keine Rolle.

Die DMOD-Werte ändern sich auch mit der Flughöhe.

Diese TAU-Werte sind je nach Flughöhe unterschiedlich. So wird unterhalb einer bestimmten Höhe keine RA mehr ausgegeben, um durch eine evtl. geforderte vertikale Ausweichempfehlung nach unten (Descend) nicht die Bodenfreiheit zu gefährden. Mit größerer Höhe wird immer früher eine TA oder RA ausgegeben. Zusätzlich zu dem TAU-Kriterium wird das Flugzeug noch von einem virtuellen Luftraum umgeben, in dem sich kein Flugzeug befinden darf, ansonsten wird es auch hier direkt zu einer RA kommen. Hintergrund sind Annäherungen mit extrem niedrigen Annäherungsgeschwindigkeiten.

Bei einem Konflikt kommt es zunächst zu einer TA. Damit wird ein akustisches Signal „TRAFFIC, TRAFFIC“ ausgegeben, das betreffende Flugzeug erscheint zumeist auf dem Multifunction-Display (MFD) als nun gelbes Symbol.

Der nächste Schritt ist eine RA: Das kollisionsgefährdende Flugzeug wechselt nun von einem gelben zu einem roten Symbol. Zusätzlich erhält der Pilot in diesem Moment vom System das akustische Signal „CLIMB, CLIMB“, also die Forderung, sofort in den Steigflug überzugehen. Der Pilot des anderen Flugzeugs erhält währenddessen das Signal „DESCEND, DESCEND“, also die Forderung, sofort in den Sinkflug überzugehen. Damit nicht beide Piloten dieselbe Ausweichempfehlung bekommen, ermittelt das System die Ausweichempfehlung des jeweils anderen Systems aus dessen Transpondersignal. Zusätzlich zu den akustischen Signalen wird häufig ein rotes und ein grünes Band am Variometer gezeigt: Der grüne Bereich gibt den Bereich der Vertikalgeschwindigkeit an, mit der eine Kollision sehr unwahrscheinlich ist; das rote Band dagegen einen Bereich, der eine Kollision wahrscheinlich werden lässt. Sobald die Kollisionssituation bereinigt ist, wird das akustische Signal „CLEAR OF CONFLICT“ gegeben.

RA und TA sind nur Hinweise an die Piloten. Die Information über die bevorstehende Kollision wird nicht in den Autopiloten eingespeist. Die Piloten müssen selbst das Ausweichmanöver durchführen.

Besitzt ein Flugzeug einen Transponder, aus dem keine Höhenangaben hervorgehen („Mode A“-Transponder, hauptsächlich in Kleinflugzeugen zu finden), wird nur eine TA erzeugt. Es kann keine vertikale Ausweichempfehlung stattfinden, es wird ausschließlich gewarnt. Der TCAS-Computer kann mehrere Flugzeuge gleichzeitig verfolgen (im zweistelligen Bereich) und bei vielen Systemen auch für mehrere gleichzeitige Bedrohungen eine kombinierte Ausweichempfehlung generieren. Dabei können aber wesentlich weniger Flugzeuge beachtet werden (im einstelligen bis geringen zweistelligen Bereich).

Passives TCAS mini|PCAS-Gerät der Zaon Flight Systems, Inc.

Passives TCAS, auch TCAD oder bei tragbaren Geräten PCAS genannt, hat keine Möglichkeit der aktiven Triggerung von Transpondern. Stattdessen lauscht das Gerät auf Transponder-Antworten, die aufgrund von Bodenradar oder TCAS-Geräten an Bord anderer Flugzeuge gesendet werden, und wertet diese Antwortsignale aus. Passives TCAS kann damit nur in radarüberwachten Bereichen oder in Nähe von TCAS-ausgerüsteten Flugzeugen arbeiten. Auch seine Reichweite ist geringer. Dem stehen allerdings signifikant niedrigere Kosten (ca. 1/10 bis 1/20) gegenüber, so dass dieses System eher in Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt anzutreffen ist.

Beispielgrenzwerte der Boeing 747-400

TA (Traffic Advisory) = Verkehrshinweis RA (Resolution Advisory) = Ausweichempfehlung TAU-Gebiet = Schutzzone um das eigene Flugzeug DMOD (Distance Modification) = Distanzmodifikation 1 NM = Nautische Meile = 1,852 km 1 Fuß (Einheit) = 0,3048 m

EigeneFlughöhe GrenzeTAU GrenzeDMOD Grenzerel. Höhe TA RA TA RA TA RA Fuß Sekunden NM lateral Fuß 0 – 500 ftRadarhöhe 20 blockiert 0,1 blockiert 1200 blockiert 501 – 2500 ftRadarhöhe 35 20 0,1 0,066 1200 300 2501 – 10000 ftBarometrischeHöhe 40 25 0,3 0,066 1200 300 10001 – 20000 ftBarometrischeHöhe 45 30 1,0 0,082 1200 300 20001 – 30000 ftBarometrischeHöhe 45 30 1,105 0,082 1200 300 > 30000 ftBarometrischeHöhe 45 30 1,122 0,082 1200 300

Bordanlage In Deutschland muss für Flüge nach IFR Vorgaben gem. FSAV § 3, Abs. 1, Nr. 4 ein SSR Mode A, C und S fähiger Transponder vorhanden sein. Seit dem 31. März 2005 muss SSR Mode-S von mindestens Level 2 mit SI Code und Elementary Surveillance ELS Funktionalität gemäß den Vorgabe in ICAO Annex 10 Vol. IV unterstützt sein.

Ab dem 31. März 2007 wird zusätzlich Enhanced Surveillance (EHS) gefordert, sofern die höchstzulässige Startmasse eines Luftfahrzeuges 5.700 Kilogramm überschreitet oder es mit einer True Airspeed (TAS) von mehr als 250 Knoten betrieben werden kann.

Rechtliches Die FAA hat eine Regelung erlassen, nach der alle Flugzeuge mit 10–30 Sitzen mit TCAS I und alle mit mehr als 30 Sitzen mit TCAS II ausgerüstet sein müssen, sobald sie die USA anfliegen.

Die Europäische Agentur für Flugsicherheit (EASA) hat am 1. Januar 2005 für ganz Europa eine Regelung erlassen, nach der alle Flugzeuge mit mehr als 19 Sitzen oder mehr als 5700 kg mit TCAS II Version 7.0 ausgerüstet sein müssen. Seit 1. März 2012 müssen Luftfahrzeuge dieser Gruppe mit Version 7.1 ausgerüstet werden. Für Luftfahrzeuge mit einem vor dem 1. März 2012 ausgestellten individuellen Lufttüchtigkeitszeugnis gilt diese Regelung seit dem 1. Dezember 2015.

ACAS und TCAS ACAS ist die Bezeichnung des grundlegenden Konzepts. Die ICAO verwendet diesen Begriff bei der Festlegung der Normen, welche die Anlage erfüllen muss.

TCAS ist eine konkrete Umsetzung dieses Konzepts. TCAS II Version 7.0 und TCAS II Version 7.1 sind die einzigen Umsetzungen, welche die Vorgaben von ACAS II erfüllen.

STCA und TCAS