Traffic Collision Avoidance System

La recherche pour mettre au point des systèmes d'évitement de collision en vol avait commencé dans les années 1950. Une suite d'accidents tragiques, causés par des collisions en vol, a conduit la FAA (Federal Aviation Administration) — Administration Fédérale de l'Aviation américaine — à prendre des décisions. Parmi ces accidents tragiques, on note :

• 1956 : collision aérienne du Grand Canyon entre les vols United Airlines 718 et TWA 2 ;
• 1960 : collision aérienne de New York entre les vols United Airlines 826 et TWA266 ;
• 1978 : collision aérienne de San Diego entre un Boeing 727 et un Cessna 172.

Indicateur TCAS et IVSI

Pour les TCAS type II (installés dans les avions de ligne), le système est composé :

1. D'un calculateur chargé d'élaborer les informations de trafic et d'alerte ;
2. D'un ensemble d'au moins deux antennes directionnelles (une située au-dessus, l'autre au-dessous de l'avion) fonctionnant en UHF (Émission : 1 030 MHz — Réception : 1 090 MHz) ;
3. D'un boîtier de commande couplé au transpondeur ;
4. D'un générateur de message audio et visuel (affichage).

Dans les avions munis d'un glass cockpit (écrans numériques), l'affichage du TCAS peut être intégré dans le ND (Navigation Display) et affichera le cas échéant des informations de résolution de trafic (RA) dans le PFD (Primary Flight Display). Dans les cockpits plus anciens et les avions équipés d'instruments mécaniques, l'indicateur de vitesse verticale instantanée (IVSI) est remplacé par un instrument électronique semblable, intégrant le TCAS (image ci-contre).

Le TCAS II est un système interrogatif et coopératif, qui questionne les transpondeurs des avions proches sur la fréquence 1 030 MHz. L'avion interrogé répond ensuite sur la fréquence 1 090 MHz et entamera si nécessaire un dialogue avec le TCAS s'il est lui-même équipé du même système (TCAS II et au-dessus), ce afin de coordonner les actions indiquées aux pilotes en cas de risque de collision.

Le TCAS interroge toutes les secondes environ tous les avions équipés de transpondeur mode A, C ou S (allumé) dans sa zone de détection (un cercle de 30 NM de rayon). En fonction des réponses des transpondeurs des trafics détectés, le calculateur détermine la position de ceux-ci en deux (transpondeur Mode A sans report d'altitude) ou trois dimensions (transpondeur Mode C avec report d'altitude ou Transpondeur Mode S ou ADS-B). Il est capable d'interroger et suivre plus de 45 appareils simultanément et d'en afficher jusqu'à 30.

Le type d'information affiché et le cas échéant de message généré par le TCAS dépend de la position et de la distance du trafic détecté par rapport à l'avion dans le plan vertical et horizontal.

Principe du TCAS

Pour ce faire, le calculateur intègre autour de l'avion plusieurs volumes de surveillance et/ou de protection (image ci-contre), volumes dont la taille est dépendante de la vitesse de l'avion (25 secondes de vol, 40 secondes de vol, entre 4 et 6 NM, jusqu'à 30 NM) et de la distance verticale (de ±850 ft à ±600 ft pour les deux premiers volumes).

1. Un avion détecté dans le premier volume (Autre Trafic/Trafic proche) ne génère pas d'alerte sonore. Un symbole est affiché à titre d'information sur l'indicateur (ND) : un losange évidé blanc ou bleu (autre), un losange plein blanc ou bleu (proche) si la distance du trafic est < 6 NM ou ±1 200 ft verticalement).
   Si le trafic est équipé d'un transpondeur avec report d'altitude (Mode C ou Mode S), un nombre (distance verticale entre les deux aéronefs) suivi d'une flèche (en montée/descente) est également affiché en regard du symbole.
2. En cas d'entrée d'un trafic dans le deuxième volume (Intrus), une alerte appelée « Traffic Advisory » (TA) est émise afin d'informer le pilote de la présence d'un autre avion à proximité, mais ne représentant pas un danger immédiat.
   Elle comporte un symbole spécifique (cercle plein orange), une annonce vocale dans le poste de pilotage « Traffic, Traffic », mais le TCAS ne suggère pas de manœuvre d'évitement.
3. 

   Affichage TCAS sur Navigation Display (ND).
   Si la collision semble imminente (entre 15 et 35 secondes de vol et/ou une distance verticale de ±750 ft) et qu'elle nécessite une intervention du pilote (Menace), une alerte appelée « Resolution Advisory » (RA) est émise indiquant l'avion concerné et signale l'action à effectuer sans délai par le pilote : éviter l'autre trafic, à savoir maintenir la trajectoire actuelle, monter ou descendre et surveiller la vitesse verticale.
   Un carré plein rouge s'affiche sur le ND. Une annonce vocale indique la manœuvre à effectuer (à titre d'exemple : « Climb, Climb », voir tableau), ainsi qu'une consigne de résolution : un ordre de montée ou de descente. Cela est affiché sur l'IVSI ou le PFD sous la forme d'un secteur vert (gamme de vitesses verticales à atteindre) et rouge (gamme de vitesse verticales à éviter impérativement).
4. Si l'avion intrus est également équipé d'un TCAS II (transpondeur mode S), les deux systèmes vont coordonner leurs manœuvres d'évitement dans le plan vertical. Le TCAS indique à un avion de monter et à l'autre de descendre, ce qui augmente considérablement la distance verticale entre les deux appareils.
   Afin de privilégier des ordres de résolution cohérents (exemple : ne pas donner un ordre de descente si l'avion est proche du sol), les calculateus reçoivent des informations sur les phases de vol, position des volets, position du train, etc.[1].
5. Quand l'alerte est terminée, le système annonce Clear of conflict (plus de conflit).

Bien que le système cause parfois de fausses alertes, les pilotes ont maintenant l'instruction stricte de considérer tous les messages TCAS comme des alertes réelles nécessitant une intervention immédiate. La règlementation de l'Administration fédérale de l'aviation américaine et des autorités de la plupart des autres pays précise qu'en cas de différence entre les instructions du TCAS RA et du contrôle du trafic aérien (ATC), le TCAS RA a toujours la priorité.

La collision d'Überlingen, en 2002, a été en partie provoquée par des ordres contraires du contrôleur de vol et des TCAS des appareils ; un des appareils suivant son TCAS, l'autre appareil suivant les instructions du contrôle au sol, contraires à ceux de son TCAS[2]. Depuis l'accident, l'OACI préconise la prévalence des instructions du TCAS sur celles des contrôleurs aériens.

Dans cette vidéo, le TCAS a fonctionné en phase de l'approche d'un Airbus A330 de Swiss International Air Lines (vol SWR064), avant l'atterrissage sur l'aéroport international de Miami. La cause était une vitesse excessive d'un avion après son décollage, qui a provoqué un risque de collision :

- [vidéo] Disponible sur YouTube

TCAS (2m34s) : Traffic, Traffic (message vocal TA).
Copilote, voix tremblante : Traffic. [C'est le] TCAS. You control (C'est vous qui contrôlez l'appareil (confirmation). [Moi, en observation (contact visuel)]).
Commandant : Yeah, I have control. TCAS. (Oui, c'est moi qui contrôle. [Il s'agit du] TCAS (confirmation).)
Copilote : Climbing with a higher rate, that's good. ([Un avion] est en train de montrer avec une vitesse excessive, c'est bien [identifié].)
Commandant : Vertical speed 1000 fpm, it's below. ([Sa] vitesse verticale [est] à 1000 pieds par minute, c'est au-dessous.).
Aiguilleur du ciel (en entendant ces conversations) : AAL2219, reduce speed to 210. (American Airlines vol 2219, réduisez la vitesse jusqu'à 210 noeuds.)
AAL2219 : 210.
Copilote (3m00s) : Clear of conflict. (Conflit résolu.)
Commandant : Clear of conflict (confirmation).

Il est évident que le système a correctement fonctionné et aidé tous à éviter la collision prévue. La situation était tellement dangereuse[6] que les protagonistes communiquent avec un minimum de mots (en utilisant la phraséologie de l'aviation). Après quelques manœuvres requises, sur un ton plus détendu :

Commandant (3m23s) : He caught me off-guard. (On m'a fait une stupide surprise.)
Copilote : Yeah. He climbed with a very hight rate. (Oui, celui-ci a grimpé avec un taux de montée très élevé.)

• (en) Introduction to TCAS II Version 7
• (en) Discussion of TCAS
• (en) Eurocontrol Mode S & ACAS Programme

• Exemple de fonctionnement de TCAS : [vidéo] Disponible sur YouTube (TA Traffic, Traffic (2m34s ; CC Clear of conflict (3m00s), enregistrée sur le vol LX064 Zurich > Miami)