Wie TCAS funktioniert – Die letzte Verteidigungslinie der Luftfahrt

Das System, das Zusammenstöße in der Luft verhindert

Als sich zwei Jets von Southwest Airlines über Nashville gefährlich nahe kamen, war es kein menschlicher Fluglotse, der sie rettete – es war ein Computer. Beide Cockpits erhielten automatische Verkehrswarnungen, und die Piloten reagierten sofort. Die Technologie hinter diesen Warnungen heißt TCAS, das Traffic Collision Avoidance System (Verkehrswarn- und Kollisionsvermeidungssystem), und es dient seit mehr als drei Jahrzehnten still und leise als letzte Verteidigungslinie der kommerziellen Luftfahrt.

TCAS arbeitet völlig unabhängig von der bodengestützten Flugsicherung. Es fragt die Transponder von Flugzeugen in der Nähe dutzende Male pro Sekunde ab, berechnet ihre Entfernung, Höhe und Annäherungsgeschwindigkeit und ermittelt, ob eine Kollision möglich ist – und das alles ohne jegliche Eingabe von Fluglotsen am Boden.

Wie es eine Bedrohung erkennt

Jedes kommerzielle Flugzeug trägt einen Transponder, der seine Identität und Höhe sendet. TCAS sendet Abfragesignale an diese Transponder und misst die Zeit, die die Antworten für die Rückkehr benötigen, wodurch die Entfernung berechnet wird. Indem das System verfolgt, wie sich diese Entfernung über aufeinanderfolgende Abfragen ändert, projiziert es, ob zwei Flugzeuge innerhalb der nächsten 15 bis 35 Sekunden den Sicherheitsabstand unterschreiten werden.

Das System gibt zwei Warnstufen aus. Eine Traffic Advisory (TA) (Verkehrswarnung) alarmiert Piloten, dass sich ein anderes Flugzeug in der Nähe befindet und sich nähert – im Wesentlichen ein Hinweis, um Ausschau zu halten. Wenn sich die Bedrohung verschärft, eskaliert TCAS zu einer Resolution Advisory (RA) (Auflösungsempfehlung), die eine spezifische, nicht verhandelbare Anweisung gibt: Steigen, Sinken oder die aktuelle Vertikalgeschwindigkeit beibehalten.

Koordinierte Flucht in Sekunden

Das bemerkenswerteste Merkmal von TCAS ist, dass zwei Flugzeuge ihre Flucht ohne menschliches Zutun koordinieren können. Wenn das TCAS eines Flugzeugs "Steigen" befiehlt, teilt es gleichzeitig dem TCAS des anderen Flugzeugs mit, "Sinken" zu befehlen. Diese Luft-Luft-Datenverbindung stellt sicher, dass sich die beiden Flugzeuge immer voneinander wegbewegen, nicht aufeinander zu.

Piloten sind geschult – und durch internationale Vorschriften verpflichtet –, RAs unverzüglich zu befolgen, auch wenn sie den Anweisungen der Flugsicherung widersprechen. Diese Regel existiert aufgrund einer Tragödie. Bei der Kollision in der Luft über Überlingen im Jahr 2002 über Süddeutschland befolgte eine russische Besatzung die Anweisung ihres Fluglotsen, zu sinken, anstatt dem TCAS-Befehl zum Steigen zu gehorchen. Sie kollidierten mit einem Frachtflugzeug, wobei alle 71 Menschen an Bord beider Flugzeuge ums Leben kamen.

Vom Grand Canyon zum globalen Mandat

Der Vorstoß für eine automatisierte Kollisionsvermeidung begann nach einer Kollision in der Luft über dem Grand Canyon im Jahr 1956, bei der 128 Menschen ums Leben kamen und die Grenzen der visuellen Trennung in stark frequentierten Lufträumen aufzeigte. Die Forschung wurde in den 1970er Jahren am MIT Lincoln Laboratory und anderen Institutionen beschleunigt, und die FAA (Federal Aviation Administration) verpflichtete sich 1981 formell zur TCAS-Entwicklung.

Nach erfolgreichen Airline-Tests auf Boeing 727 in der Mitte der 1980er Jahre wurde TCAS II bis 1993 für große US-amerikanische Verkehrsflugzeuge obligatorisch. Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) erweiterte das Mandat weltweit und forderte TCAS für alle Flugzeuge mit mehr als 19 Passagiersitzen oder einem Startgewicht von mehr als 5.700 Kilogramm bis 2005.

Das System hat statistisch nachweislich das Risiko von Zusammenstößen in der Luft um den Faktor fünf reduziert. Bei Begegnungen, bei denen Piloten Resolution Advisories unverzüglich befolgen, nähert sich die Erfolgsquote 100 Prozent.

Was als Nächstes kommt: ACAS X

TCAS wird jetzt durch ACAS X ersetzt, ein System der nächsten Generation, das vom MIT Lincoln Laboratory und der FAA entwickelt wurde. Während TCAS feste Regeln verwendet, um zu entscheiden, wann alarmiert werden soll, verwendet ACAS X probabilistische Modelle und dynamische Programmierung, um die Kosten jeder möglichen Pilotenaktion abzuwägen und die optimale auszuwählen.

Das Ergebnis sind weniger unnötige Warnungen – eine geschätzte Reduzierung von 60 Prozent bei falschen Resolution Advisories – bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung oder Verbesserung der Sicherheit. ACAS X umfasst auch Varianten für unbemannte Flugzeuge (ACAS Xu) und Drehflügler, wodurch die Kollisionsvermeidung auf Drohnen und Flugtaxis ausgedehnt wird, für deren Schutz TCAS nie entwickelt wurde.

Die FAA hat 2022 die Annahme neuer TCAS-Zertifizierungen eingestellt und damit signalisiert, dass der Übergang zu ACAS X im Gange ist. Das Kernprinzip bleibt jedoch unverändert: Wenn alles andere fehlschlägt – wenn Fluglotsen Fehler machen, wenn das Wetter die Sicht behindert, wenn Funksprüche ungehört bleiben – müssen die Flugzeuge selbst in der Lage sein, ihre Insassen zu retten.