Historisk set var kommunikation det næstmest efterspurgte krav efter navigation. Den blev brugt til at styre trafikken og forhindre kollisioner, formidle vejrinformationer og håndtere operationelle meddelelser.

I begyndelsen kunne en flyveleder kontakte et fly og anmode om dets position, som blev bestemt af flybesætningen ud fra dets navigationssystemer. Da positionen fra disse kilder ikke var meget nøjagtig, måtte fly under flyvekontrol (ATC) være langt fra andre flyvemaskiner for at undgå kollisioner nær overfyldte store knudepunkter. Der var et stort behov for en metode til at lokalisere fly, som ikke krævede stemmekommunikation med besætningen.

Radio detection and ranging(primær radar) blev udviklet under 2. verdenskrig til dette formål. Flyets højde og position blev beregnet ud fra radarens elevationsvinkel( ε) og afstanden(R) mellem radaren og flyet(som blev beregnet ud fra radiobølgernes rejsetid multipliceret med lysets hastighed). Dette er en forenklet formel, men den oprindelige formel tager højde for jordens krumning og brydning af radiobølgerne i atmosfæren.

Et andet problem var vanskeligheden ved at identificere et fly med sikkerhed. De primære radarreflektioner fra både fjendtlige og venligtsindede fly var nogenlunde ens. Identifikation af ven eller fjende (IFF) sammen med sekundær radar er udviklet for at løse dette problem.

Mode A og Mode C

IIFF-systemet har 5 modes, Mode 1 til Mode 5. Vi vil fokusere på Mode 3 i denne artikel, da det er den mest populære, og den er også indført af civile fly.

Mode 3 har to forskellige submodes. Den første er Mode A, som er en 4-cifret, oktalkode (cifrene er mellem 0-7), der giver midlertidig identitet. Mode C er oplysninger om flyets trykhøjde.

IFF-udstyr kaldes transponder, som er en forkortelse for transmitter-responder. Før eller under hver flyvning kan piloterne blive instrueret af ATC-personale om at “Squawk XXXX”. XXXX i denne sammenhæng Mode 3/A-kode. Mode 3/A-kode er luftfartøjets midlertidige identitet for den pågældende ATC. Piloten indstiller derefter sin transponder Mode 3/A-kode til den ønskede kode. Denne kode sendes derefter som svar på Mode 3/A-forespørgsler fra ATC. Mode 3/A-koden kan anvendes til andre formål end identifikation. Nogle vigtige Mode 3/A-koder, der anvendes til andre formål end identifikation, er:

• 1200: Generelt anvendt af luftfartøjer under visuelle flyveregler (VFR)
• 7700: Bruges i nødsituationer
• 7600: Bruges, når radiokommunikationen svigter
• 7500:

Mode 3/C er trykhøjdeinformation, der bruges sammen med Mode 3/A. Mode 3/A kan bruges alene, men Mode 3/C kan kun bruges sammen med Mode 3/A. Denne højdeinformation har 100 fods intervaller.

Piloter kan aktivere eller deaktivere Mode 3/A- og Mode 3/C-svar fra transponderen. Men hvis de er aktiveret, svarer transponderen på Mode 3/A- og Mode 3/C-forespørgsler med Mode 3/A- og Mode 3/C-svar for at dele identifikations- og højdeoplysninger.

Secondary Surveillance Radar (SSR) bruges til at udspørge flytranspondere. SSR er generelt placeret oven på den primære radar, og de ser derfor i samme retning. Dette system kaldes Air Traffic Control Radar Beacon System(ATCRBS). Begge radarer roterer på samme tid/retning, og SSR sender forespørgsler i en radiobølgebjælke. Ethvert fly, der flyver gennem denne stråle, vil reagere på passende vis. På denne måde kan luftfartøjets retning (skønnet af den primære radar) og identifikations-/højdedata fra transponderen korreleres for at identificere luftfartøjet positivt og opnå en 3-dimensional positionsbestemmelse af luftfartøjet.

Ulemper ved Mode 3/A og Mode 3/C

Selv om disse tidlige systemer bidrog til at løse problemet med identifikation og 3-dimensional bestemmelse, var de i sagens natur utilstrækkelige.

• Mode 3/C-svarene havde ikke fejldetektion/korrektion. For at afhjælpe dette foretages der flere forespørgsler for at vælge det mest “populære” svar som det korrekte højdesvar. Dette fik svarfrekvensen til at blive oppustet.
• Multipel fly i samme retning af radaren svarede på forespørgsler samtidig. Dette skaber en uklarhed, og det er svært at afgøre, hvilket svar der tilhører hvilket fly.
• Mode 3/A-koder bliver utilstrækkelige i nogle overfyldte områder, da de kun består af 4 oktalcifre (8⁴ chancer).

Mode S

Federal Aviation Administration (FAA) har udviklet et nyt system, som giver mulighed for unik identitet, selektiv afhøring og enkelt svar. Specifikationerne for dette nye system var:

• Selektiv afhøring: For at reducere støjen kan hvert fly afhøres selektivt med sin unikke 24 bit Mode S-adresse.
• Større datasæt: Mode S-systemet kan håndtere et meget større datasæt end et simpelt identifikations-/højdepar.
• Bagudkompatibilitet: Mode S-systemet kan fungere med Mode 3 A/C(ATCRBS)-systemer. De bruger derfor samme frekvensbånd til forespørgsel og svar.
• Fejldetektering: Der anvendes 24 bit CRC-mekanisme til at opdage fejl i Mode S-meddelelser, hvilket muliggør robust kommunikation. Dette fjerner behovet for flere forespørgsler og svar, som anvendes i Mode 3 A/C-systemer.
• Spektrumeffektivitet: Takket være selektiv interrogation og fejldetektion udnyttes spektret mere effektivt.

Mode S-interrogationstyper

Mode S-systemer har to typer interrogation: ikke-selektiv og selektiv. Lad os se deres specifikationer og anvendelsestilfælde.

Mode S ikke-selektive afhøringer

Mode S-systemer med deres bagudrettede kapacitet har disse ikke-selektive afhøringsformer.

• ATCRBS All Call: Mode A/C-transpondere besvarer denne forespørgsel normalt. Mode S-transpondere besvarer denne forespørgsel, som om de var Mode A/C-transpondere, med samme bølgeform.
• ATSCRBS/Mode S All Call: Mode A/C-transpondere svarer med ID-/højdedata. Mode S-transpondere svarer med ID/højde- og Mode S-adresseoplysninger i Mode S-bølgeform.
• ATCRBS Only All Call: Kun Mode A/C-transpondere, der kan håndtere Mode A/C, svarer på denne forespørgsel med ID-/højdedata. Mode Transpondere forbliver tavse
• Mode S Only All Call: Kun Mode S-transpondere besvarer denne forespørgsel. Mode A/C-transpondere svarer ikke.

Mode S Selective Interrogation

Når målluftfartøjets Mode A-adresse er kendt af Mode S-systemet, tilføjes den til roll-call, en pulje af Mode S-adresser til selektiv afhøring. Selektiv afhøring foretages for at erhverve forskellige dele af Mode S-datasættet.

Eksempel på anvendelse af Mode S-afspørgsler

Lad os antage, at Mode S-afspørgselsystemet starter koldt, uden at der er gemt nogen forudgående oplysninger. Der er Mode A/C-transpondere og Mode S-transpondere på luftfartøjer i luftrummet.

1. ATCRBS All Call bruges til at få Mode A-identiteter og højder på alle luftfartøjer.
2. ATSCRBS/Mode S All Call eller Mode S Only All Call bruges til at få fat i alle Mode S-adresser på luftfartøjer, der er i stand til Mode S. Disse Mode S-adresser registreres i roll call-listen til senere brug. Registrerede luftfartøjer kan spærres for fremtidige Mode S All Calls for at reducere unødvendige svar.
3. På dette tidspunkt ved det forespørgende system, hvilket luftfartøj der har hvilken kapacitet. Mode A/C luftfartøjer afhøres med ATCRBS Only All Call. Mode S-luftfartøjer, der kan flyve med Mode S, afhøres med Mode S-selektiv afhøring ved hjælp af roll call-listen.

Mode S-datasæt

Mode S-systemer håndterer flere data end Mode A/C-transpondere. Disse data lægges i et af 255 Mode S-registre, som hver har en længde på 56 bit. Når gyldige data er lagt ind i disse registre, kan de selektivt afhøres af Mode S-systemer med henblik på deres indhold. Mode S-systemer giver to forskellige muligheder: elementær overvågning (ELS) og udvidet overvågning (EHS). EHS-systemer, der er i stand til at levere ELS-funktionen plus andre data.

• ELS: Systemet skal give automatisk indberetning af luftfartøjsidentitet, indberetning af transponderkapacitet, flyvestatus (i luften/på jorden), højderapport.
• EHS: Systemet giver ELS-funktion, plus valgt højde i register (4,0), rullevinkel, sporvinkelhastighed, sand sporvinkel, jordhastighed i register (5,0), magnetisk kurs, indikeret flyvehastighed/maskine nr., lodret hastighed i register (6,0).

Note: Hver Mode S-meddelelse, herunder ADS-B-meddelelser, der forklares i næste afsnit, bærer afsenderens 24 bit Mode S-adresse.

ADS-B

ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) er en funktion for luftbårne eller overfladebårne luftfartøjer eller andre overfladekøretøjer, der opererer inden for lufthavnens bevægelsesområde, og som periodisk sender deres tilstandsvektor (horisontal og vertikal position, horisontal og vertikal hastighed) og andre oplysninger i henhold til RTCA DO-260B.

• Automatisk: Der er ikke behov for nogen ekstern stimulus (f.eks. Mode S-forespørgsler).
• Afhængig: Den er afhængig af indbyggede navigationskilder og transmissionssubsystemer (hovedsagelig GPS, ADC).
• Overvågning: Leverer overvågningsoplysninger til andre brugere
• Broadcast: ADS-B-systemet kan eller kan ikke vide, hvilke brugere der modtager dets udsendelse.

ADS-B-systemer udsender data, der er grupperet i visse af nedenstående registre;

• Register 0,5: Luftbåren højde, breddegrad og længdegrad.
• Register 0,6: Overfladebevægelse, kurs, breddegrad og længdegrad.
• Register 0,8: Luftfartøjsidentifikation og kategori.
• Register 0,9: Øst-vest hastighed og nord-syd hastighed eller kurs og lufthastighed (afhængigt af undertype), vertikal hastighed, geometrisk højdeforskel fra barometerhøjde.

I 2020 skal alle kommercielle luftfartøjer og luftfartøjer, der flyver i luftrum af klasse A, B & C, være udstyret med transpondere med ADS-B out-funktion, hvilket betyder, at de skal have mulighed for udsendelse, men ikke nødvendigvis mulighed for at modtage og afkode ADS-B-meddelelser.

Mode S og TCAS

TCAS er en forkortelse for Traffic Alert and Collision Avoidance System. TCAS bruger luft-til-luft Mode S-forespørgsler til at kommunikere med hinanden. Systemet vurderer kollisionstrusler ud fra andre luftfartøjers rækkevidde, hastighed, bane og højde.

TCAS-systemer foretager forespørgsler inden for en rækkevidde på mellem 20 Nm og 40 Nm. De anvender ATSCRBS/Mode S All Call-interrogationer. Mode S-transponderbærende fly kan derefter afhøres med selektive forespørgsler for at få flere data.

Traffic Advisory(T.A.) aktiveres, når der er en mulig kollision beregnet inden for 40 sekunder. Valget overlades til besætningen i dette tilfælde, da det er let at opdage en uvedkommende (andet fly) visuelt inden for 40 sekunder. Traffic advisory er blot Traffic! vocal alert.

Resolution Advisory (R.A.) aktiveres 25 sekunder før mulig kollision, når besætningen ikke manøvrerer flyet på en sådan måde, at kollisionssandsynligheden reduceres. R.A. indebærer, at der ikke er tid nok til visuelt at få øje på det indtrængende luftfartøj. Resolution advisory kan være Climb! eller Descend!.

TCAS-systemer sender R.A. via Mode S til andre luftfartøjer. Det modtagende fly kan derefter beregne sin egen R.A., der kan forhindre kollision. Hvis et fly f.eks. beslutter at stige som R.A. og sender det, vil det modtagende fly beslutte at gå ned som sin R.A., så de undgår kollision.

Slutning

Selv om Mode S blev udviklet for at løse problemet med overfyldt luftrum, blev det på nogle steder utilstrækkeligt. For at citere Douwe Lambers direkte;

Indførelsen af mange droner med ADS-B vil oversvømme 1090 MHz-båndet med meddelelser. Dette vil forringe alle systemer, der arbejder på 1090 MHz, som f.eks. Mode A/C, 1/2/3/4/5, S og TCAS. Der er sandsynlighed for interferens, og i overbelastede områder som Frankfurt eller Los Angeles-bækkenet er frekvensen allerede overbelastet uden dronetrafik.

Det var et spørgsmål, om vi kan integrere droner med ADS-B-funktion i det nuværende overvågningssystem. FAA går efter et andet system for droner for at opnå samme mål, kaldet Remote Identification. Men problemet med de nuværende Mode S-systemer er stadig, vil det kræve en opgradering i fremtiden?

Note: Du kan læse min artikel om integration af COTS-droner i ATC-netværket for at få flere oplysninger om emnet.