Telekomunikacijski sistemi v letalstvu

POVZETEK
Letalski promet v svetu, še posebej pa v Evropi, skokovito narašča. Sedanja infrastruktura, kakor tudi ureditev zračnega prostora, v kratkem ne bosta ustrezala več. Nujna je posodobitev letalske komunikacijsko - navigacijske in nadzorne infrastrukture ter storitev. Mednarodna organizacija civilnega letenja je tako že pred leti prišla do zaključka, da je edini izhod iz te situacije vpeljava sistema upravljanja letalskega prometa (ATM, Air Traffic Management). Ta naj bi, s pomočjo ustrezno močne infrastrukture, kolikor mogoče samodejno nadzoroval in krmilil letalski promet nad nekim širšim območjem (npr. nad celotno Evropo). Tehnologija vsekakor je na voljo, vpeljevanje pa bo potekalo relativno počasi in postopoma. V igri so velika vlaganja, tako da bo treba upoštevati ekonomske, tehnične, administrativne ter nenazadnje politične vidike, kakor tudi vse zahteve po varnosti in učinkovitosti. Tehnologija (kakor tudi zahteve po zmogljivosti) se bo neprestano razvijala, nove tehnologije pa bodo v vsakem primeru primorane sobivati s starimi. Ključne smernice razvoja letalskega telekomunikacijsko – informacijskega sistema so: uporaba podatkovnih povezav na relaciji letalo - zemlja, obdelava in predstavitev informacij nadzora zračnega prostora ter vpeljava satelitske navigacije.

ABSTRACT
The growth rate of air traffic, particularry in Europe, is impressive. The present infrastructure, as well as the organisation of the airspace, will soon no longer be able to cope with the demand. The modernisation of communications, navigation and surveillance infrastructure and facilities is an issue. Several years ago, ICAO stated that the only way out of this unsustainable scenario would be the implementation of a new concept of Air Traffic Management (ATM). Relying on appropriate powerful infrastructure, it will be able to control and manage air traffic over a wider geographical area (e.g. Europe). Technologies are certainly avaiable, but the implementation will be relatively slow and stepwise. As considerable investments are planned, economical, administrative and political aspects, as well as all safety and efficency requirements, will have to be taken into account. There will be a continuous evolutionary change in technology (and in performance demand), where old and new technologies will have to co-exist. Key development areas in the aeronautical telecommunications – information domain involve the use of air – ground datalink, processing and presentation of surveillance data and introduction of satellite navigation.

ZGODOVINA
Začetki telekomunikacij v letalstvu segajo v prva leta dvajsetega stoletja, točneje v leto 1910, ko so v Franciji in Združenih državah Amerike prvič vzletela letala, opremljena z radijskimi sredstvi [1]. To so bili preprosti, a relativno veliki radiotelegrafski oddajniki. Prav zato, ker je bila oprema velika in nerodna, je letalci niso hoteli uporabljati. Nekaj več uporabe je doživela le na "zračnih ladjah", nemških cepelinih, kjer je bilo prostora več kot dovolj.

Civilno letalstvo se je začelo razvijati po prvi svetovni vojni. Leta 1919 je Marconi izdelal prvo letalsko radijsko opremo in tako opremljeno letalo je 8. februarja 1919 začelo leteti na prvi redni progi London - Pariz. Doseg zveze je bil dokaj omejen (20 km) in na voljo je bila le ena zemeljska postaja blizu Londona. Govor je takrat precej oviral tudi hrup letala samega. V obdobje med obema vojnama segajo prvi zametki standardizacije letalske frazeologije in procedur. Prvotnim navigacijsko – signalizacijskim sredstvom (kresovi, svetilniki) se v dvajsetih letih pridružijo radijski svetilniki [2],[3]. V ZDA je bil prvi kontrolni stolp opremljen z radijskimi sredstvi leta 1931, vendar primerno opremljenih letal ni bilo veliko. V Evropi so se začele pojavljati radijske postaje, delujoče na isti frekvenci, z dosegom okoli 100 km. Na krajših poletih so uporabljali govor, na daljših pa telegrafijo. Uvedli so predpise, po katerih je moralo biti vsako letalo z več kot petimi sedeži in ki je letelo več kot 150 km nad zemljo ali 25 km prek morja opremljeno z radijskim oddajnikom in sprejemnikom, na letalu z več kot desetimi sedeži pa je moral biti telegrafist. Za razliko od danes so takrat kontrolorji pilotom posredovali le informacije, nikoli pa navodil. Komunikacija je potekala v materinem jeziku države, nad katero se je letelo in tako so morali biti piloti pravi poligloti.

Izbruh druge svetovne vojne je skorajda prekinil civilni promet. V tem obdobju se pojavi odkritje, ki bo pomembno zaznamovalo tudi civilni letalski promet v naslednjih desetletjih – radar. Tik pred koncem vojne, leta 1944, Američani organizirajo Mednarodno konferenco civilnega letalstva, da bi uveljavili in ponudili svoje postopke ostalim udeležencem v civilnem letalstvu. Nekaj mesecev kasneje ustanovijo PICAO (Provisional ICAO, začasno ICAO), kot predhodnico Mednarodne organizacije civilnega letenja (ICAO, International Civil Aviation Organisation, ustanovljena leta 1947). Prav Američani imajo precej zaslug za spremembe v letalskih postopkih, saj so kmalu ugotovili, da ima govor (Evropa se ga je trmasto otepala) velike prednosti pred telegrafijo. Leta 1953 je postalo popolnoma jasno, da telegrafija nima prihodnosti, saj so se tudi evropske letalske družbe začele vključevati v Severnoatlantski radiotelefonski komite z namenom uporabe VHF radijskih postaj. Konec leta 1953 se radijski opremi pridruži še selektivni klic, ki se v isti obliki na kratkovalovnih območjih uporablja še danes. Po letu 1956 se telegrafija v razvitem svetu praktično ni več uporabljala. Nekoliko dlje se je obdržala na manj razvitih koncih sveta. Zadnja letalska radiotelegrafska postaja je prenehala delovati v Južni Ameriki leta 1962.

V povojnih letih se razvijejo tudi ostale spremljajoče aktivnosti. Primarnemu radarju se pridružijo sekundarni radarski sistemi. Razvijajo se sistemi za pristajanje pri zmanjšani vidljivosti. Vzporedno z drugo generacijo potniških letal na reakcijski pogon pride v uporabo inercialni navigacijski sistem, ki omogoča zanesljivejšo navigacijo predvsem na polarnih območjih, kjer je magnetni kompas neuporaben. Končno je tu satelitska navigacija, ki sicer uradno še ne izpolnjuje vseh zahtev, a je mišljena kot glavni navigacijski sistem prihodnosti.

V sedemdesetih letih se pojavijo zametki prve letalske podatkovne povezave, ki doživi množično uporabo šele v zadnjem desetletju. Prednosti storitev, ki jih taka povezava nudi, izkoristijo predvsem letalski prevozniki. Prav implementacija in izboljšanje teh storitev so, poleg potreb upravljanja letalskega prometa, gonilna sila za razvoj zmogljivejših podatkovnih povezav letalo - zemlja. Ena ključnih aktivnosti postane tudi obdelava in predstavitev podatkov raznih virov. Letalski promet postaja vse gostejši in v področjih, kot je Evropa, zmogljivosti sistemov in infrastrukture ne zadoščajo več [4]. ICAO zato predlaga nov koncept upravljanja letalskega prometa, ki naj bi zadostil predvidenim potrebam 21. stoletja.

Prvi del diplomske naloge opisuje zasnovo ter funkcijsko razčlenitev upravljanja letalskega prometa, kot jo opredeljuje ICAO, in je cilj, h kateremu počasi, a vztrajno konvergirajo obstoječi sistemi. Tukaj sem se opiral predvsem na funkcijsko razčlenitev, kot si jo zamišljajo strokovnjaki organizacije Eurocontrol [5]. V drugem delu je podan pregled obstoječih in načrtovanih sistemov komunikacij, navigacije in nadzora (CNS, Communications, Navigation, Surveillance), nujno potrebne infrastrukture za izvedbo prej omenjene zasnove, s poudarkom na relaciji letalo - zemlja. Uporabljena literatura je tukaj predvsem tehnična dokumentacija organizacij ICAO in Eurocontrol ter različnih proizvajalcev opreme. Končno je predstavljenih nekaj primerov implementacije novih sistemov in aplikacij.

POSEBNOSTI MERSKIH ENOT V LETALSTVU
Za horizontalne dimenzije se uporabljajo navtične milje (1NM=1852 m), pri vertikalnih pa se uporabljajo čevlji (feet, 1 ft = 0,3048 m). Nad določeno višino je v uporabi izraz višinski nivo (FL, flight level). Poenostavljeno bi lahko rekli, da je to skrajšana oznaka višine v čevljih (npr. FL280 pomeni 28000 čevljev višine). Stroga definicija pa pravi, da je to površina konstantnega zračnega pritiska, relativno glede na konstanten pritisk 1013,2 hPa in se od drugih podobnih površin loči po specifičnih intervalih zračnega pritiska [6]. Kot enoto za hitrost se večinoma uporabljajo vozli (kts, 1kt=1NM/h) ter odstotki zvočne hitrosti. Samo omenimo pa še merske enote mase – funte (1lb=0,45359 kg) in pa prostornine - galone (US gallon, 1gal=3,785 litra), pri katerih vztrajajo predvsem Američani, čeprav je zaradi napak v preračunavanjih že prišlo do nesreč.

RAZDELITEV ZRAčŒNEGA PROSTORA
Zračni prostor se v grobem deli na regione (FIR, Flight Information Region). FIR je tridimenzionalni prostor, kjer je letalo pod nadzorom določene oblasti in se lahko deli še na določena geografska področja, imenovana sektorji. To so področja, kjer je letalo pod nadzorom ene določene kontrole letenja. Lahko pa imajo par ali več FIR tudi skupno kontrolo letenja – npr. področje Beneluksa – tam za višine nad FL245 skrbi organizacija Eurocontrol, za višine pod FL245 pa lokalne področne kontrole letenja.

Klasični letalski promet je omejen s koridorji – te letalske poti, nekakšne zračne avtoceste, so 10 navtičnih milj (18km) široki pasovi, izključno po katerih poteka letalski promet [7]. Vse letalske poti so razdeljene tudi po višini in sicer 1000 čevljev (300m) med letali, ki letijo v nasprotnih smereh oziroma 2000 čevljev (600m) med letali, ki letijo v isti smeri. To so najmanjše dovoljene višinske razlike do FL290 (8100m), nad to višino pa so, zaradi večjih napak, ki se lahko pokažejo pri višinomerih, višinske razlike pri srečavanju podvojene. V Evropi je pomemben mejnik 24. januar 2002, ko je vpeljano zmanjšano višinsko razdvajanje letal (RVSM, Reduced Vertical Separation Minima) po tisoč čevljev tudi nad FL290 [8].

UPORABNIKI ZRAčŒNEGA PROSTORA
Sistem upravljanja letalskega prometa nudi storitve in vzajemno sodeluje z različnimi vrstami uporabnikov zračnega prostora. Ti so [9]:

- Komercialni letalski prevozniki: so glavni uporabniki CNS/ATM storitev. Zanje je, poleg varnosti,  bistvenega pomena učinkovito delovanje po načrtovanih voznih redih. Ti zadevajo vrsto medsebojno povezanih ter odvisnih poletov in dogodkov, katerih letala in posadke sestavljajo del kontinuiranega procesa, kjer lahko zamuda povzroči neljube posledice pri več medsebojno odvisnih poletih. Letalski prevozniki skušajo te procese optimirati z načrtovanjem najbolj ugodnih letalskih poti ter časov odhodov in prihodov.

- Splošno letalstvo: bo tudi pomemben uporabnik ATM storitev in tudi tu se pričakuje povečanje števila uporabnikov. Zahteve poslovnega letalstva so podobne tistim letalskih družb. Poleg tega je tu še veliko število manjših letal (športno letalstvo), ki letijo večinoma po pravilih vizuelne navigacije (VFR, Visual Flight Rules) in nimajo zmožnosti nošenja raznolike opreme ter imajo prav tako pravico do dostopa v zračni prostor.

- Vojaški uporabniki: z njihove strani gredo zahteve po zračnem prostoru od letalstva pa do zemeljskih in pomorskih aktivnosti. Vojno letalstvo obsega široko paleto vrst letal in ima običajno posebne potrebe po zračnem prostoru (nizko letenje, urjenje dvobojev, itd). Operacije nekaterih vojaških letal (transportna) pa so lahko tudi podobne civilnemu prometu.


PDF DIPLOMSKE NALOGE: Telekomunikacijski sistemi v letalstvu, Gregor Požar, Ljubljana 2002, copyright pdf_icon.gif




KAZALO DIPLOMSKE NALOGE

SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC.. 4
SLOVARčŒEK.. 11

1. POVZETEK.. 12

2. UVOD.. 13
2.1 ZGODOVINA
2.2 POSEBNOSTI MERSKIH ENOT V LETALSTVU.. 14
2.3 RAZDELITEV ZRAčŒNEGA PROSTORA.. 14
2.4 UPORABNIKI ZRAčŒNEGA PROSTORA.. 15

3. CNS/ATM SISTEM.. 16
3.1 ATM – SISTEM UPRAVLJANJA LETALSKEGA PROMETA.. 16
3.2 CNS – KOMUNIKACIJE, NAVIGACIJA IN NADZOR.. 16
3.3 AES – SISTEM LETALSKEGA OKOLJA.. 16
3.4 SODELUJOčŒI V CNS/ATM SISTEMU.. 17
3.4.1 LETALSKI UPORABNIKI.. 17
3.4.2 NELETALSKI UPORABNIKI.. 18
3.4.3 PONUDNIKI STORITEV.. 18
3.5  FUNKCIJSKA RAZčŒLENITEV.. 22
3.5.1 LETEčŒA KOMPONENTA.. 22
3.5.1.1 Komunikacije.. 23
3.5.1.2 Navigacija.. 24
3.5.1.3 Nadzor.. 25
3.5.2 OBDELAVA PODATKOV LETALSKEGA OKOLJA.. 25
3.5.2.1 Operacije nad statičnimi podatki 26
3.5.2.2 Obdelava dinamičnih podatkov letalskega okolja. 26
3.5.3  ATFM – UPRAVLJANJE PRETOKA LETALSKEGA PROMETA.. 26
3.5.4  OBDELAVA PODATKOV O POLETIH.. 28
3.5.4.1 Načrt poleta. 28
3.5.4.2 Začetna obdelava načrtov poleta. 28
3.5.4.3 Obdelava in distribucija podatkov o poletih.. 29
3.5.5 KOMUNIKACIJE.. 32
3.5.6 NAVIGACIJA.. 34
3.5.7 NADZOR.. 35
3.5.7.1 Pridobivanje podatkov.. 36
3.5.7.2 Obdelava podatkov nadzora.. 37
3.5.8 ATC ORODJA.. 37
3.5.8.1 ATC vmesnik človek-stroj 38
3.5.8.2 MONA – Nadzorni pripomočki 38
3.5.8.3 MTCD – Zaznava srednjeročnih konfliktov. 38
3.5.8.4 Varnostne mreže.. 38
3.5.8.5 Sekvenčni upravljalec. 38
3.5.9 CNS/ATM PODPORA.. 39
3.5.9.1 Operativni nadzor in upravljanje. 39
3.5.9.2 Tehnični nadzor in upravljanje. 39
3.5.9.3 Upravljanje s podatki 40
3.5.9.4 Zapisovanje in predvajanje. 40
3.5.9.5 Logistična podpora. 41
3.5.10 ASM – UPRAVLJANJE ZRAčŒNEGA PROSTORA.. 41

4. CNS – KOMUNIKACIJE, NAVIGACIJA, NADZOR.. 42
4.1 KOMUNIKACIJE.. 42
4.1.1 ANALOGNE KOMUNIKACIJE LETALO – ZEMLJA.. 42
4.1.1.1 Zveze na HF frekvenčnem področju.. 43
4.1.1.2 Zveze na VHF frekvenčnem področju.. 43
4.1.1.3 Satelitske govorne zveze. 43
4.1.2 PODATKOVNE POVEZAVE LETALO – ZEMLJA.. 44
4.1.2.1 ACARS.. 44
4.1.2.2 Satelitske podatkovne povezave. 50
4.1.2.3 TFTS.. 52
4.1.2.4 Gatelink. 53
4.1.2.5 Naprednejše HF podatkovne povezave. 53
4.1.2.6 Naprednejše VHF podatkovne povezave. 53
4.1.2.7 VDL-1. 54
4.1.2.8 VDL-2. 54
4.1.2.9 VDL-3. 56
4.1.2.10 VDL-4. 60
4.1.2.11 Izbira VHF podatkovne povezave. 63
4.1.2.12 UAT. 63
4.1.2.13 SSR-S podatkovni prenos. 64
4.1.3 ZEMELJSKA KOMUNIKACIJSKA MREŽA.. 65
4.2 NAVIGACIJA.. 67
4.2.1 TIRNICA.. 67
4.2.2 ZAHTEVANA NAVIGACIJSKA ZMOGLJIVOST. 67
4.2.3 RNAV – PODROčŒNA NAVIGACIJA.. 67
4.2.4 KONCEPT PROSTEGA LETENJA.. 68
4.2.5 MEDNARODNI KOORDINATNI SISTEM WGS84. 69
4.2.6 KLASIčŒNI NAVIGACIJSKI SISTEMI 70
4.2.6.1 LORAN – C.. 70
4.2.6.2 NDB, neusmerjeni radijski svetilnik. 70
4.2.6.3 VOR in DME.. 71
4.2.6.4 ILS, sistem za pristajanje pri zmanjšani vidljivosti 73
4.2.6.5 INS/IRS, inercialni navigacijski / referenčni sistem... 74
4.2.7 NAVIGACIJA S POMOčŒJO SATELITSKIH SISTEMOV.. 74
4.2.7.1 GPS.. 74
4.2.7.2 Diferencialni GPS.. 76
4.2.7.3 EGNOS.. 76
4.2.7.4 Galileo. 78
4.3 NADZOR.. 81
4.3.1 NEODVISNI NADZOR – PRIMARNI NADZORNI RADAR.. 81
4.3.2 NEODVISNI NADZOR S SODELOVANJEM.. 83
4.3.2.1 Sekundarni nadzorni radar (SSR) – način "A/C". 83
4.3.2.2 SDFC – Sistem obdelave in združevanja podatkov nadzora. 86
4.3.2.3 Sekundarni nadzorni radar – način "S". 88
4.3.2.4 SSR-S podatkovna povezava. 93
4.3.2.5 TCAS.. 96
4.3.3 ODVISNI NADZOR.. 98
4.3.3.1 Ročni odvisni nadzor 98
4.3.3.2 ADS, Samodejni odvisni nadzor 98
4.3.3.3 ADS-B, Samodejni odvisni nadzor - difuzija. 99

5. PRIMERI IMPLEMENTACIJE.. 101
5.1 FANS 1/A.. 101
5.2 NEAN.. 102
5.3 PETAL-1. 103
5.4 PETAL-2. 104

6. SKLEP.. 106

7. SEZNAM SLIK IN TABEL. 107

8. LITERATURA.. 109