Traffic Alert and Collision Avoidance System

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Das Traffic Alert and Collision Avoidance System (TCAS) ist ein Kollisionswarnsystem in der Luftfahrt. Die ICAO- und europäische Bezeichnung lautet Airborne Collision Avoidance System (ACAS).

[Bearbeiten] Allgemeines und Geschichte

Der Luftraum ist zwar groß und Flugzeuge klein, aber Flugzeuge konzentrieren sich an Sehenswürdigkeiten (relevanter Zwischenfall im Grand Canyon, 30. Juni 1956), an Flugplätzen (Kollision Kleinflugzeug mit Verkehrsflugzeug bei San Diego, 1978) und über Navigationsanlagen und Meldepunkten (Kollision Tu-154 der Luftwaffe und C-141 der USAF vor Namibia, 1997). Nachdem sich in den 50er 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 achtziger 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. 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.

[Bearbeiten] 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 Ausweichempfehlungen 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 Ausweichempfehlungen zu berechnen.

[Bearbeiten] Funktionsweise

TCAS fragt die "Mode S" Transponder anderer Flugzeuge im umgebenden Luftraum ab und ermittelt aus deren Antworten ein "Sicherheits-Lagebild". 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 (±3.048m). Das System errechnet aus den empfangenen Daten (Richtung, Entfernung, Annäherungsgeschwidigkeit, Höhe und Steig/Sinkrate), ob, und wenn ja, wann mit einer Kollision mit einem Flugzeug zu rechnen ist.

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

1. der Berechnung des closest Point of proximity (Punkt der dichtesten Annäherung)

2. der Dauer bis zu diesem (TAU) und

3. ob überhaupt eine Abstandsverletzung vorliegen würde.

[Bearbeiten] 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; Nächster Punkt der Annäherung) zu gelangen. Die Zeitspanne ist eine Distanz geteilt durch die Annäherungsrate - sowohl vertikal als auch horizontal.

[Bearbeiten] 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-Wert 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 Flugzeuges erhält zeitgleich 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 ein 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).

[Bearbeiten] Beispielgrenzwerte der Boeing 747-400

eigene Flughöhe	Grenze TAU	Grenze TAU	Grenze DMOD	Grenze DMOD	Grenze rel. Höhe	Grenze rel. Höhe
	TA	RA	TA	RA	TA	RA
Fuß	Sekunden	Sekunden	NM lateral	NM lateral	Fuß	Fuß
0 - 500 ft Radarhöhe	20	blockiert	0,1	blockiert	1200	blockiert
501 - 2500 ft Radarhöhe	35	20	0,1	0,066	1200	300
2501 - 10000 ft Barometrische Höhe	40	25	0,3	0,066	1200	300
10001 - 20000 ft Barometrische Höhe	45	30	1,0	0,082	1200	300
20001 - 30000 ft Barometrische Höhe	45	30	1,105	0,082	1200	300
über 30000 ft Barometrische Höhe	45	30	1,122	0,082	1200	300

[Bearbeiten] 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.

[Bearbeiten] Ereignisse in Bezug auf TCAS

In der Nacht des 1. Juli 2002 ereignete sich über dem Bodensee eine Luftkollision zwischen einer Maschine der DHL, unterwegs nach Brüssel, und einer Maschine der russischen Bashkirian Airlines, unterwegs nach Barcelona, obwohl beide Flugzeuge mit funktionierendem TCAS ausgerüstet waren. Der Kollisionskurs der beiden Maschinen wurde viel zu spät durch die Schweizer Flugsicherung Skyguide erkannt. Sekunden nachdem TCAS die bevorstehende Kollision bemerkt und Ausweichempfehlungen (Resolution Advisories, s.o.) erteilt hatte, gab der Schweizer Lotse anderslautende Ausweichanweisungen. Hierbei ergab sich folgendes Interpretationsproblem:

Während in der westlichen Welt die TCAS-Anweisungen als vorrangig betrachtet werden, tendierten ehemalig sowjetische Piloten aufgrund der früher streng hierarchischen Strukturen eher dazu, den "Befehlen" der Fluglotsen zu folgen. Verschärft wurde diese unklare Situation dadurch, dass von der zuständigen internationalen Luftfahrtbehörde ICAO bis dahin diesbezüglich keine eindeutige Vorgehensweise publiziert wurde. Unbestritten ist, dass die Piloten der DHL Maschine sich den Vorschriften ihrer Airline entsprechend völlig korrekt verhielten. Die russische Besatzung folgte jedoch der Lotsenanweisung.

Grund dafür dürfte zum einen die mangelnde Erfahrung mit TCAS sein (so ist die Ausrüstung mit TCAS für russische Verkehrsmaschinen bei Inlandsflügen nicht vorgeschrieben), zum anderen das Fehlen eindeutiger Dienstanweisungen der russischen Airline zum Umgang mit TCAS. Dieser ist nicht luftverkehrsrechtlich geregelt. Es gab zwar mehrere regionale Empfehlungen, die TCAS die Priorität zuschrieben, keine hatte jedoch offiziellen oder behördlichen Stellenwert.

Siehe Hauptartikel: Bashkirian-Airlines-Flug 2937