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DTrace

2009-03-09T07:19:28Z

Parallelized: /* External links */

{{Infobox Software
| name = DTrace
| developer = [[Sun Microsystems]]
| released = January 2005
| operating system = [[Unix-like]]
| genre = [[Tracing (software)|tracing]]
| license = [[Common Development and Distribution License]]
| status = active
| website = http://opensolaris.org/os/community/dtrace/
}}
'''DTrace''' is a comprehensive dynamic [[Tracing (software)|tracing]] framework created by [[Sun Microsystems]] for [[troubleshooting]] [[kernel (computing)|kernel]] and application problems on production systems in real time. Originally developed for [[Solaris (operating system)|Solaris]], it has since been released under the free [[Common Development and Distribution License]] (CDDL) and has been ported to several other [[Unix-like]] systems.

DTrace can be used to get a global overview of a running system, such as the amount of memory, CPU time, filesystem and network resources used by the active processes. It can also provide much more fine-grained information, such as a log of the arguments with which a specific function is being called, or a list of the processes accessing a specific file.

== Description ==
DTrace is designed to give operational insights that allow users to tune and troubleshoot applications and the OS itself.

Tracing programs (also referred to as scripts) are written using the D programming language (not to be confused with [[D (disambiguation)#Computing|other programming languages named "D"]]). The language is a subset of [[C (programming language)|C]] with added functions and variables specific to tracing. D programs resemble [[AWK (programming language)|awk]] programs in structure; they consist of a list of one or more ''probes'' (instrumentation points), and each probe is associated with an action. Whenever the condition for the probe is met, the associated action is executed (the probe "fires"). A typical probe might fire when a certain file is opened, or a process is started, or a certain line of code is executed. A probe that fires may analyze the run-time situation by accessing the [[call stack]] and context variables and evaluating expressions; it can then print out or log some information, record it in a database, or modify context variables. The reading and writing of context variables allows probes to pass information to each other, allowing them to cooperatively analyze the correlation of different events.

Special consideration has been taken to make DTrace safe to use in a production environment. For example, there is minimal [[probe effect]] when tracing is underway, and no performance impact associated with any disabled probe; this is important since there are tens of thousands of DTrace probes that can be enabled. New probes can also be created dynamically.

==Command line examples==
DTrace scripts can be invoked directly from the command line, providing one or more probes and actions as arguments. Some examples:
<pre>
# New processes with arguments,
dtrace -n 'proc:::exec-success { trace(curpsinfo->pr_psargs); }'

# Files opened by process,
dtrace -n 'syscall::open*:entry { printf("%s %s",execname,copyinstr(arg0)); }'

# Syscall count by program,
dtrace -n 'syscall:::entry { @num[execname] = count(); }'

# Syscall count by syscall,
dtrace -n 'syscall:::entry { @num[probefunc] = count(); }'

# Syscall count by process,
dtrace -n 'syscall:::entry { @num[pid,execname] = count(); }'

# Disk size by process,
dtrace -n 'io:::start { printf("%d %s %d",pid,execname,args[0]->b_bcount); }'

# Pages paged in by process,
dtrace -n 'vminfo:::pgpgin { @pg[execname] = sum(arg0); }'
</pre>

== Supported platforms ==
DTrace was first made available for use in November 2003, and was formally released as part of Sun's [[Solaris (operating system)|Solaris 10]] in January 2005. DTrace was the first component of the [[OpenSolaris]] project to have its source code released under the [[Common Development and Distribution License]] (CDDL).

DTrace has been ported to [[FreeBSD]] as a substitute for the [[ktrace]] utility.<ref>{{cite web | url=http://www.freebsd.org/releases/7.1R/announce.html | title=FreeBSD 7.1-RELEASE Announcement date=2009-01-06 | accessdate=2009-01-06}}</ref>

Apple added DTrace support in [[Mac OS X 10.5]] "Leopard", including a GUI called [[Instruments (application)|Instruments]].<ref>{{cite web
| url = http://www.apple.com/macosx/developertools/instruments.html
| title = Mac OS X Leopard - Developer Tools - Instruments
| publisher = [[Apple, Inc]]
| accessdate=2007-10-19
}}</ref> Unlike other platforms that DTrace is supported on, Mac OS X has a flag (P_LNOATTACH) that a program may set that disallows tracing of that process by debugging utilities such as DTrace and [[gdb]]. In the original Mac OS X DTrace implementation, this could affect tracing of other system information, as unrelated probes that should fire while a program with this flag set was running would fail to do so.<ref>{{cite web
| url = http://blogs.sun.com/ahl/entry/mac_os_x_and_the
| title = Mac OS X and the missing probes
| publisher = Leventhal, Adam H.
| date = January 18, 2008
| accessdate=2008-01-20
}}</ref> This problem was addressed a few months later in the Mac OS X 10.5.3 update.<ref>{{cite web
| url = http://blogs.sun.com/ahl/entry/apple_updates_dtrace
| title = Apple Updates DTrace
| publisher = Leventhal, Adam H.
| date = June 7, 2008
| accessdate=2008-06-16
}}</ref>

As of February 2009, a port for [[Linux]] was under development. The current DTrace port compiles and runs on many Linux kernels, with no kernel source code changes. This is desirable to ensure portability, but also to avoid licensing conflicts (CDDL vs GPL). User space DTrace probes are supported and [[syscall]] tracing works fine. Work is still underway to clean up the release and to start to look at edge cases and load testing.<ref>{{cite web
| url = http://www.crisp.demon.co.uk/blog/index.html
| title = CRiSP Weblog
| accessdate=2008-07-23
}}</ref>

==Authors and awards==
DTrace was designed and implemented by [[Bryan Cantrill]], [[Mike Shapiro (programmer)|Mike Shapiro]], and [[Adam Leventhal (programmer)|Adam Leventhal]].
The authors received recognition in 2005 for the innovations in DTrace from [[InfoWorld]] and [[Technology Review]].<ref>{{cite web
| url = http://www.technologyreview.com/tr35/Profile.aspx?Cand=T&TRID=91
| title = Tracing software in real time
| accessdate = 2007-03-31
| year = 2005
| work = Technology Review
| publisher = MIT
}}</ref><ref>{{ cite web
| url = http://www.infoworld.com/reports/31SRinnovators2005.html
| title = Innovation is alive and well in 2005
| accessdate = 2007-03-31
| last = McAllister
| first = Neil
| year = 2005
| month = August
| work = InfoWorld
| publisher = IDG
}}</ref> DTrace won the top prize in the [[Wall Street Journal]]'s 2006 Technology Innovation Awards competition.<ref>{{cite web
| url = http://online.wsj.com/public/article/SB115755300770755096-R2Ct41cQ4ZIPMwk4_xh0xU_HnQI_20061011.html?mod=tff_main_tff_top
| title = The Winners Are...
| accessdate = 2007-03-31
| last = Totty
| first = Michael
| year = 2006
| month = September
| work = The Wall Street Journal
| publisher = Dow Jones & Company, Inc.
}}</ref> The authors were recognized by [[USENIX]] with the Software Tools User Group (STUG) award in 2008.<ref>{{cite web
| url = http://www.usenix.org/events/usenix08/index.html
| title = 2008 USENIX Annual Technical Conference (USENIX '08)
| accessdate = 2008-11-26
| year = 2008
}}</ref>

== See also ==
*[[SystemTap]]
*IBM [[ProbeVue]]

== References ==
*{{cite journal
| author = Bryan Cantrill
| year = 2006
| month = February
| title = Hidden in Plain Sight
| journal = [[ACM Queue]]
| volume = 4
| issue = 1
| pages = 26–36
| doi = 10.1145/1117389.1117401
| id = {{ISSN|1542-7730}}
| url = http://www.acmqueue.org/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=361
| accessdate = 2006-09-08
}}
*{{cite conference
| author = Bryan M. Cantrill, Michael W. Shapiro and Adam H. Leventhal
| year = 2004
| month = June
| title = Dynamic Instrumentation of Production Systems
| booktitle = Proceedings of the 2004 [[USENIX]] Annual Technical Conference
| url = http://www.usenix.org/event/usenix04/tech/general/full_papers/cantrill/cantrill_html/
| accessdate = 2006-09-08
}}

=== Notes ===
{{reflist}}

== External links ==
{{portal|Free software|Free Software Portal Logo.svg}}
* [http://www.sun.com/bigadmin/content/dtrace/ DTrace BigAdmin Forum]
* [http://www.opensolaris.org/os/community/dtrace/ OpenSolaris DTrace Community]
* [http://docs.sun.com/app/docs/doc/817-6223 Solaris Dynamic Tracing Guide]
* [http://www.genunix.org/wiki/index.php/DTrace_FAQ DTrace FAQ at Genunix]
* [http://dtrace.what-creek.com/ DTrace for FreeBSD]
* [http://opensolaris.org/os/community/dtrace/dtracetoolkit/ DTraceToolkit], a collection of documented and useful DTrace scripts
* [http://prefetch.net/articles/solaris.dtracetopten.html Top Ten DTrace scripts]
* [http://prefetch.net/articles/dtracecookbook.html Understanding vmstat and mpstat output with DTrace]
* [http://blogs.sun.com/solarisdev/entry/project_d_light_tutorial Project D-Light Tutorial] - a DTrace plug-in for the [[Sun Studio (software)|Sun Studio]] [[integrated development environment|IDE]]
* [http://www.mactech.com/articles/mactech/Vol.23/23.11/ExploringLeopardwithDTrace/index.html Exploring Leopard with DTrace] -- how to use DTrace for debugging and exploration
* [http://arstechnica.com/reviews/os/mac-os-x-10-5.ars/5 Mac OS X 10.5 Leopard Review] - Good description of DTrace from a writer at Ars Technica
* [http://video.google.com/videoplay?docid=-8002801113289007228 Google Tech Talk on DTrace given by Bryan Cantrill]
* [http://www.spinellis.gr/blog/20070409/index.html "I spy" - dtrace]
{{Solaris}}

[[Category:Sun Microsystems software]]
[[Category:Free system software]]
[[Category:Debuggers]]

[[ca:DTrace]]
[[es:DTrace (Sun Microsystems)]]
[[fr:DTrace]]
[[ja:DTrace]]
[[pl:DTrace]]

Traffic Alert and Collision Avoidance System

2008-01-28T15:57:27Z

Parallelized: adding airway note

[[Bild:TCAS Indicator.jpg|right|200px]]
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).

== Allgemeines und Geschichte ==

Der Luftraum ist zwar groß und [[Flugzeug]]e sind 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), sowie Luftstraßen (sog. [[Airway]]s). 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 [[Kleinflugzeug]]es 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.

Die [[National Aeronautics and Space Administration|Nasa]] half bei der Verbesserung des TCAS. Die Nasa benutze 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 TACS Systems verbessert mit dem Ziel, es leichter und schneller bedienen zu können. <ref>[http://techtran.msfc.nasa.gov/at_home/airport3.html Nasa hilft bei der Verbesserung von TACS]</ref>

== 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 [[lateral]]e (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 [[Transponder#Flugfunktransponder|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, das TCAS automatisch Mitteilung an den Arbeitsplatz des Fluglotsen über erteilte Resolution Advisories (RA) macht (ICAO 08/2004).

Für kleine Flugzeuge wurde ein [[Portable Collision Avoidance System]] entwickelt.
<ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Collision_Avoidance_System TCAS für kleine Flugzeuge]</ref>

Neue Ansätze (2007) zur Verbesserung von TCAS in Systemansatz für „Sense & Avoid“ in UAVs in nicht-kooperativer Umgebung“
<ref>[http://t6.dglr.de/Veranstaltungen/2007_UAV_Fuehrungsaspekte/16Knorr/DGLR_S_A_in_UAVs.pdf Sense & Avoid in UAVs in nicht-kooperativer Umgebung ]</ref>

Das neueste Software-Update der TCAS Geräte wurde vom "Special Committee 147" am 14. Juli 2007 diskutiert, das Papier trägt die Bezeichnung RTCA Paper No. 157-07/SC147-735 und beschäftigt sich mit den Änderungen CP 112 bis CP 116.
<ref>[http://www.rtca.org/CMS_DOC/147sum65-0705.pdf] Neueste Veröffentlichung der www.RTCA.org (In Englisch, nur für Fachleute)]</ref>

== Funktionsweise ==

TCAS fragt die [[Sekundärradar#Standard Mark XII|Mode S]]- fähigen [[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 (±3,048 km). 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

'''1.''' der Berechnung des Punktes der dichtesten Annäherung (''CPA'' = ''Closest Point of Approach'')

'''2.''' der Dauer ''TAU'', bis dieser Punkt erreicht wird, und

'''3.''' ob überhaupt eine Abstandsverletzung vorliegen würde.

=== 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.

=== 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 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 ===
Passives TCAS, auch TCAD oder bei tragbaren Geräten PCAS <ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Collision_Avoidance_System TCAS für kleine Flugzeuge]</ref>
genannt, hat keine Möglichkeit der aktiven Triggerung von Transpondern. Statt dessen 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. Das im Link
<ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Collision_Avoidance_System TCAS für kleine Flugzeuge]</ref> abgebildete System kostet derzeit ca 1795 US $.

== Beispielgrenzwerte der Boeing 747-400 ==
{| class="prettytable"
| 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
|}

== Rechtliches ==

Die [[Federal Aviation Administration|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 01. Januar 2005 für ganz Europa eine Regelung erlassen, nach der alle Flugzeuge mit mehr als 19 Sitzen oder Flugzeugen mit mehr als 5700 kg mit TCAS II Version 7.0 ausgerüstet sein müssen.

== Ereignisse in Bezug auf TCAS ==

In vielen Fällen seit der Einführung von TCAS hat das System geholfen, Leben zu retten, einmal half auch TCAS nicht:

=== Bashkirian-Airlines-Flug 2937 ===
→ ''Hauptartikel: [[Bashkirian-Airlines-Flug 2937]]''

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. Die zu spät ergangene Anweisung des Fluglotsen an die russische Maschine widersprach den Empfehlungen des TCAS, so dass beide Piloten sich zum Sinkflug entschlossen, was zur Katastrophe führte.

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 die mangelhafte internationale Abstimmung der Vorschriften zur Priorisierung von Fluglotsen- und TCAS-Anweisungen. Es gab zwar mehrere regionale Empfehlungen, die TCAS die Priorität zuschrieben, keine hatte jedoch offiziellen oder behördlichen Stellenwert.

Im Untersuchungsbericht der BFU zur Luftkollision steht außerdem:

Zitat: ''"Darüber hinaus hat Eurocontrol in einer weiteren Analyse geprüft, wie sich TCAS II mit dem bereits vor dem Unfall entwickelten Änderungsvorschlag CP 112 in diesem Fall verhalten hätte. Nach den vorgelegten Ergebnissen, hätte TCAS nach dem Erscheinen der RA eine umgekehrte RA (Reversal RA) generiert, die bei entsprechender Reaktion durch die Besatzung der Boeing B757-200 zu einem ausreichenden vertikalen Abstand beider Flugzeuge geführt hätte."''
<ref>[ [http://www.bfu-web.de/nn_41670/DE/Publikationen/Untersuchungsberichte/2002/Bericht__02__AX001-1-2,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/Bericht_02_AX001-1-2.pdf Untersuchungsbericht der BFU zur Luftkollision] (PDF)]</ref> <ref>[http://www.bfu-web.de/cln_002/nn_41544/DE/Publikationen/Untersuchungsberichte/2002/Bericht__02__AX001-1-2__Anhang1u3,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/Bericht_02_AX001-1-2_Anhang1u3.pdf] Untersuchungsbericht der BFU zur Luftkollision, Anlage 1 und 3: ]</ref>

=== Beinahezusammenstoß am 26. Februar 1999 ===

Am 26. Februar 1999 kam es in Großbritannien zu einer Unterschreitung der vorgeschriebenen [[Staffelung]] zwischen einer in Deutschland zugelassenen Boeing B737-300 ([[B737]]) und einer [[Gulfstream IV]] (GIV). Der Verlust der Staffelung löste bei der Flugsicherung einen SHORT TERM CONFLICT ALERT aus und bei beiden beteiligten Flugzeugen eine TCAS Ausweichempfehlung (Resolution Advisory (RA) aus, die beide Piloten befolgten. Ein Zusammenstoß konnte durch das TCAS verhindert werden.
<ref>[http://www.bfu-web.de/nn_41544/DE/Publikationen/Untersuchungsberichte/1999/Bericht__6X005-1-2.99,templadeId=raw,property=publicationFile.pdf/Bericht=6X005-1-2.pdf Beinahezusammenstoß in England]</ref>

== Quellen ==
<References/>

== Siehe auch ==
*[[Ground Proximity Warning System]]
*[[Enhanced Ground Proximity Warning System]]

== Weblinks ==
*[http://www.arinc.com/downloads/tcas/tcas.pdf Introduction to TCAS II Version 7 (in English, aber mit aussagefähigen Bildern=]

[[Kategorie:Avionik]]
[[Kategorie:Flugsicherung]]
[[Kategorie:Flugsicherheit]]

[[ar:نظام تجنب التصادم الجوي]]
[[en:Traffic Collision Avoidance System]]
[[fr:Traffic Collision Avoidance System]]
[[it:Traffic Collision Avoidance System]]
[[ja:空中衝突防止装置]]
[[ko:공중충돌방지장치]]
[[nl:Traffic alert and Collision Avoidance System]]
[[pl:TCAS]]
[[zh:空中防撞系统]]

Traffic Alert and Collision Avoidance System

2008-01-28T15:56:38Z

Parallelized: /* Allgemeines und Geschichte */

[[Bild:TCAS Indicator.jpg|right|200px]]
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).

== Allgemeines und Geschichte ==

Der Luftraum ist zwar groß und [[Flugzeug]]e sind 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) sowie Luftfahrtstrassen (sog. [[Airway]]s). 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 [[Kleinflugzeug]]es 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.

Die [[National Aeronautics and Space Administration|Nasa]] half bei der Verbesserung des TCAS. Die Nasa benutze 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 TACS Systems verbessert mit dem Ziel, es leichter und schneller bedienen zu können. <ref>[http://techtran.msfc.nasa.gov/at_home/airport3.html Nasa hilft bei der Verbesserung von TACS]</ref>

== 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 [[lateral]]e (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 [[Transponder#Flugfunktransponder|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, das TCAS automatisch Mitteilung an den Arbeitsplatz des Fluglotsen über erteilte Resolution Advisories (RA) macht (ICAO 08/2004).

Für kleine Flugzeuge wurde ein [[Portable Collision Avoidance System]] entwickelt.
<ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Collision_Avoidance_System TCAS für kleine Flugzeuge]</ref>

Neue Ansätze (2007) zur Verbesserung von TCAS in Systemansatz für „Sense & Avoid“ in UAVs in nicht-kooperativer Umgebung“
<ref>[http://t6.dglr.de/Veranstaltungen/2007_UAV_Fuehrungsaspekte/16Knorr/DGLR_S_A_in_UAVs.pdf Sense & Avoid in UAVs in nicht-kooperativer Umgebung ]</ref>

Das neueste Software-Update der TCAS Geräte wurde vom "Special Committee 147" am 14. Juli 2007 diskutiert, das Papier trägt die Bezeichnung RTCA Paper No. 157-07/SC147-735 und beschäftigt sich mit den Änderungen CP 112 bis CP 116.
<ref>[http://www.rtca.org/CMS_DOC/147sum65-0705.pdf] Neueste Veröffentlichung der www.RTCA.org (In Englisch, nur für Fachleute)]</ref>

== Funktionsweise ==

TCAS fragt die [[Sekundärradar#Standard Mark XII|Mode S]]- fähigen [[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 (±3,048 km). 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

'''1.''' der Berechnung des Punktes der dichtesten Annäherung (''CPA'' = ''Closest Point of Approach'')

'''2.''' der Dauer ''TAU'', bis dieser Punkt erreicht wird, und

'''3.''' ob überhaupt eine Abstandsverletzung vorliegen würde.

=== 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.

=== 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 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 ===
Passives TCAS, auch TCAD oder bei tragbaren Geräten PCAS <ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Collision_Avoidance_System TCAS für kleine Flugzeuge]</ref>
genannt, hat keine Möglichkeit der aktiven Triggerung von Transpondern. Statt dessen 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. Das im Link
<ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Portable_Collision_Avoidance_System TCAS für kleine Flugzeuge]</ref> abgebildete System kostet derzeit ca 1795 US $.

== Beispielgrenzwerte der Boeing 747-400 ==
{| class="prettytable"
| 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
|}

== Rechtliches ==

Die [[Federal Aviation Administration|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 01. Januar 2005 für ganz Europa eine Regelung erlassen, nach der alle Flugzeuge mit mehr als 19 Sitzen oder Flugzeugen mit mehr als 5700 kg mit TCAS II Version 7.0 ausgerüstet sein müssen.

== Ereignisse in Bezug auf TCAS ==

In vielen Fällen seit der Einführung von TCAS hat das System geholfen, Leben zu retten, einmal half auch TCAS nicht:

=== Bashkirian-Airlines-Flug 2937 ===
→ ''Hauptartikel: [[Bashkirian-Airlines-Flug 2937]]''

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. Die zu spät ergangene Anweisung des Fluglotsen an die russische Maschine widersprach den Empfehlungen des TCAS, so dass beide Piloten sich zum Sinkflug entschlossen, was zur Katastrophe führte.

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 die mangelhafte internationale Abstimmung der Vorschriften zur Priorisierung von Fluglotsen- und TCAS-Anweisungen. Es gab zwar mehrere regionale Empfehlungen, die TCAS die Priorität zuschrieben, keine hatte jedoch offiziellen oder behördlichen Stellenwert.

Im Untersuchungsbericht der BFU zur Luftkollision steht außerdem:

Zitat: ''"Darüber hinaus hat Eurocontrol in einer weiteren Analyse geprüft, wie sich TCAS II mit dem bereits vor dem Unfall entwickelten Änderungsvorschlag CP 112 in diesem Fall verhalten hätte. Nach den vorgelegten Ergebnissen, hätte TCAS nach dem Erscheinen der RA eine umgekehrte RA (Reversal RA) generiert, die bei entsprechender Reaktion durch die Besatzung der Boeing B757-200 zu einem ausreichenden vertikalen Abstand beider Flugzeuge geführt hätte."''
<ref>[ [http://www.bfu-web.de/nn_41670/DE/Publikationen/Untersuchungsberichte/2002/Bericht__02__AX001-1-2,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/Bericht_02_AX001-1-2.pdf Untersuchungsbericht der BFU zur Luftkollision] (PDF)]</ref> <ref>[http://www.bfu-web.de/cln_002/nn_41544/DE/Publikationen/Untersuchungsberichte/2002/Bericht__02__AX001-1-2__Anhang1u3,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/Bericht_02_AX001-1-2_Anhang1u3.pdf] Untersuchungsbericht der BFU zur Luftkollision, Anlage 1 und 3: ]</ref>

=== Beinahezusammenstoß am 26. Februar 1999 ===

Am 26. Februar 1999 kam es in Großbritannien zu einer Unterschreitung der vorgeschriebenen [[Staffelung]] zwischen einer in Deutschland zugelassenen Boeing B737-300 ([[B737]]) und einer [[Gulfstream IV]] (GIV). Der Verlust der Staffelung löste bei der Flugsicherung einen SHORT TERM CONFLICT ALERT aus und bei beiden beteiligten Flugzeugen eine TCAS Ausweichempfehlung (Resolution Advisory (RA) aus, die beide Piloten befolgten. Ein Zusammenstoß konnte durch das TCAS verhindert werden.
<ref>[http://www.bfu-web.de/nn_41544/DE/Publikationen/Untersuchungsberichte/1999/Bericht__6X005-1-2.99,templadeId=raw,property=publicationFile.pdf/Bericht=6X005-1-2.pdf Beinahezusammenstoß in England]</ref>

== Quellen ==
<References/>

== Siehe auch ==
*[[Ground Proximity Warning System]]
*[[Enhanced Ground Proximity Warning System]]

== Weblinks ==
*[http://www.arinc.com/downloads/tcas/tcas.pdf Introduction to TCAS II Version 7 (in English, aber mit aussagefähigen Bildern=]

[[Kategorie:Avionik]]
[[Kategorie:Flugsicherung]]
[[Kategorie:Flugsicherheit]]

[[ar:نظام تجنب التصادم الجوي]]
[[en:Traffic Collision Avoidance System]]
[[fr:Traffic Collision Avoidance System]]
[[it:Traffic Collision Avoidance System]]
[[ja:空中衝突防止装置]]
[[ko:공중충돌방지장치]]
[[nl:Traffic alert and Collision Avoidance System]]
[[pl:TCAS]]
[[zh:空中防撞系统]]