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
Začetki telekomunikacij v letalstvu segajo v prva leta dvajsetega stoletja, točneje 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 "zračnih ladjah", nemških cepelinih, kjer je bilo prostora več kot dovolj.
Civilno letalstvo se je začelo razvijati po prvi svetovni vojni. Leta 1919 je Marconi izdelal prvo letalsko radijsko opremo in tako opremljeno letalo je 8. februarja 1919 začelo 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 začele pojavljati radijske postaje, delujoče 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, Američani organizirajo Mednarodno konferenco civilnega letalstva, da bi uveljavili in ponudili svoje postopke ostalim udeležencem v civilnem letalstvu. Nekaj mesecev kasneje ustanovijo PICAO (Provisional ICAO, začasno ICAO), kot predhodnico Mednarodne organizacije civilnega letenja (ICAO, International Civil Aviation Organisation, ustanovljena leta 1947). Prav Američani 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 začele vključevati 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 območjih uporablja še danes. Po letu 1956 se telegrafija v razvitem svetu praktično 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 spremljajoče 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 omogoča zanesljivejšo navigacijo predvsem na polarnih območjih, kjer je magnetni kompas neuporaben. Končno 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 množično 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 ključnih aktivnosti postane tudi obdelava in predstavitev podatkov raznih virov. Letalski promet postaja vse gostejši in v področjih, kot je Evropa, zmogljivosti sistemov in infrastrukture ne zadoščajo 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 razčlenitev upravljanja letalskega prometa, kot jo opredeljuje ICAO, in je cilj, h kateremu počasi, a vztrajno konvergirajo obstoječi sistemi. Tukaj sem se opiral predvsem na funkcijsko razčlenitev, kot si jo zamišljajo strokovnjaki organizacije Eurocontrol [5]. V drugem delu je podan pregled obstoječih in načrtovanih 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 tehnična dokumentacija organizacij ICAO in Eurocontrol ter različnih proizvajalcev opreme. Končno je predstavljenih nekaj primerov implementacije novih sistemov in aplikacij.
POSEBNOSTI MERSKIH ENOT V LETALSTVU
Za horizontalne dimenzije se uporabljajo navtične milje (1NM=1852 m), pri vertikalnih pa se uporabljajo čevlji (feet, 1 ft = 0,3048 m). Nad določeno višino je v uporabi izraz višinski nivo (FL, flight level). Poenostavljeno bi lahko rekli, da je to skrajšana oznaka višine v čevljih (npr. FL280 pomeni 28000 čevljev višine). Stroga definicija pa pravi, da je to površina konstantnega zračnega pritiska, relativno glede na konstanten pritisk 1013,2 hPa in se od drugih podobnih površin loči po specifičnih intervalih zračnega pritiska [6]. Kot enoto za hitrost se večinoma uporabljajo vozli (kts, 1kt=1NM/h) ter odstotki zvočne 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 Američani, čeprav je zaradi napak v preračunavanjih že prišlo do nesreč.
RAZDELITEV ZRAČNEGA PROSTORA
Zračni prostor se v grobem deli na regione (FIR, Flight Information Region). FIR je tridimenzionalni prostor, kjer je letalo pod nadzorom določene oblasti in se lahko deli še na določena geografska področja, imenovana sektorji. To so področja, kjer je letalo pod nadzorom ene določene kontrole letenja. Lahko pa imajo par ali več FIR tudi skupno kontrolo letenja – npr. področje Beneluksa – tam za višine nad FL245 skrbi organizacija Eurocontrol, za višine pod FL245 pa lokalne področne kontrole letenja.
Klasični letalski promet je omejen s koridorji – te letalske poti, nekakšne zračne avtoceste, so 10 navtičnih milj (18km) široki pasovi, izključno po katerih poteka letalski promet [7]. Vse letalske poti so razdeljene tudi po višini in sicer 1000 čevljev (300m) med letali, ki letijo v nasprotnih smereh oziroma 2000 čevljev (600m) med letali, ki letijo v isti smeri. To so najmanjše dovoljene višinske razlike do FL290 (8100m), nad to višino pa so, zaradi večjih napak, ki se lahko pokažejo pri višinomerih, višinske razlike pri srečavanju podvojene. V Evropi je pomemben mejnik 24. januar 2002, ko je vpeljano zmanjšano višinsko razdvajanje letal (RVSM, Reduced Vertical Separation Minima) po tisoč čevljev tudi nad FL290 [8].
UPORABNIKI ZRAČNEGA PROSTORA
Sistem upravljanja letalskega prometa nudi storitve in vzajemno sodeluje z različnimi vrstami uporabnikov zračnega prostora. Ti so [9]:
- Komercialni letalski prevozniki: so glavni uporabniki CNS/ATM storitev. Zanje je, poleg varnosti, bistvenega pomena učinkovito delovanje po načrtovanih voznih redih. Ti zadevajo vrsto medsebojno povezanih ter odvisnih poletov in dogodkov, katerih letala in posadke sestavljajo del kontinuiranega procesa, kjer lahko zamuda povzroči neljube posledice pri več medsebojno odvisnih poletih. Letalski prevozniki skušajo te procese optimirati z načrtovanjem najbolj ugodnih letalskih poti ter časov odhodov in prihodov.
- Splošno letalstvo: bo tudi pomemben uporabnik ATM storitev in tudi tu se pričakuje povečanje števila uporabnikov. Zahteve poslovnega letalstva so podobne tistim letalskih družb. Poleg tega je tu še veliko število manjših letal (športno letalstvo), ki letijo večinoma po pravilih vizuelne navigacije (VFR, Visual Flight Rules) in nimajo zmožnosti nošenja raznolike opreme ter imajo prav tako pravico do dostopa v zračni prostor.
- Vojaški uporabniki: z njihove strani gredo zahteve po zračnem prostoru od letalstva pa do zemeljskih in pomorskih aktivnosti. Vojno letalstvo obsega široko paleto vrst letal in ima običajno posebne potrebe po zračnem prostoru (nizko letenje, urjenje dvobojev, itd). Operacije nekaterih vojaških letal (transportna) pa so lahko tudi podobne civilnemu prometu.
Vir: Telekomunikacijski sistemi v letalstvu, Gregor Požar, Ljubljana 2002, copyright
KAZALO DIPLOMSKE NALOGE
SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC.. 4
SLOVARČEK.. 11
1. POVZETEK.. 12
2. UVOD.. 13
2.1 ZGODOVINA
2.2 POSEBNOSTI MERSKIH ENOT V LETALSTVU.. 14
2.3 RAZDELITEV ZRAČNEGA PROSTORA.. 14
2.4 UPORABNIKI ZRAČNEGA 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 SODELUJOČI 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 RAZČLENITEV.. 22
3.5.1 LETEČA 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 statičnimi podatki 26
3.5.2.2 Obdelava dinamičnih 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 Načrt poleta. 28
3.5.4.2 Začetna obdelava načrtov 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 človek-stroj 38
3.5.8.2 MONA – Nadzorni pripomočki 38
3.5.8.3 MTCD – Zaznava srednjeročnih konfliktov. 38
3.5.8.4 Varnostne mreže.. 38
3.5.8.5 Sekvenčni upravljalec. 38
3.5.9 CNS/ATM PODPORA.. 39
3.5.9.1 Operativni nadzor in upravljanje. 39
3.5.9.2 Tehnični nadzor in upravljanje. 39
3.5.9.3 Upravljanje s podatki 40
3.5.9.4 Zapisovanje in predvajanje. 40
3.5.9.5 Logistična podpora. 41
3.5.10 ASM – UPRAVLJANJE ZRAČNEGA 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 frekvenčnem področju.. 43
4.1.1.2 Zveze na VHF frekvenčnem področju.. 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 – PODROČNA NAVIGACIJA.. 67
4.2.4 KONCEPT PROSTEGA LETENJA.. 68
4.2.5 MEDNARODNI KOORDINATNI SISTEM WGS84. 69
4.2.6 KLASIČNI 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 / referenčni sistem... 74
4.2.7 NAVIGACIJA S POMOČJO 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) – način "A/C". 83
4.3.2.2 SDFC – Sistem obdelave in združevanja podatkov nadzora. 86
4.3.2.3 Sekundarni nadzorni radar – način "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 Ročni 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