Historisch gesehen war die Kommunikation die zweitwichtigste Anforderung nach der Navigation. Sie diente dazu, den Verkehr zu regeln und Kollisionen zu vermeiden, Wetterinformationen zu verbreiten und betriebliche Nachrichten zu verarbeiten.

In den Anfängen konnte ein Fluglotse ein Flugzeug kontaktieren und seine Position abfragen, die von der Flugbesatzung anhand der Navigationssysteme ermittelt wurde. Da die Position aus diesen Quellen nicht sehr genau war, mussten Flugzeuge unter Flugverkehrskontrolle (ATC) weit von anderen Flugzeugen entfernt sein, um Kollisionen in der Nähe von überfüllten großen Drehkreuzen zu vermeiden. Eine Methode zur Ortung von Flugzeugen, die keine sprachliche Kommunikation mit der Besatzung erforderte, wurde dringend benötigt.

Zu diesem Zweck wurde während des Zweiten Weltkriegs das Radio Detection and Ranging (Primärradar) entwickelt. Höhe und Position des Flugzeugs wurden mit dem Elevationswinkel (ε) des Radars und der Entfernung (R) zwischen Radar und Flugzeug (die durch die mit der Lichtgeschwindigkeit multiplizierte Laufzeit der Funkwellen geschätzt wurde) berechnet. Dies ist eine vereinfachte Formel, aber die Originalformel berücksichtigt die Erdkrümmung und die Brechung der Radiowellen in der Atmosphäre.

Ein zweites Problem war die Schwierigkeit, ein Flugzeug eindeutig zu identifizieren. Die primären Radarreflexionen von feindlichen und freundlichen Flugzeugen waren ungefähr gleich. Die Identifizierung von Freund oder Feind (IFF) zusammen mit dem Sekundärradar wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen.

Modus A und Modus C

Das IFF-System hat 5 Modi, Modus 1 bis Modus 5. Wir werden uns in diesem Artikel auf Modus 3 konzentrieren, da er der beliebteste ist und auch von zivilen Flugzeugen verwendet wird.

Modus 3 hat zwei verschiedene Untermodi. Der erste ist Mode A, ein 4-stelliger, oktaler Code (die Ziffern liegen zwischen 0 und 7), der eine temporäre Identität liefert. Mode C ist die Druckhöheninformation des Flugzeugs.

IFF-Ausrüstung wird Transponder genannt, kurz für Transmitter-Responder. Vor oder während eines Fluges können die Piloten vom ATC-Personal angewiesen werden, „Squawk XXXX“ zu machen. XXXX ist in diesem Zusammenhang der Mode 3/A Code. Der Mode 3/A Code ist die temporäre Identität des Flugzeugs für die Flugsicherung. Der Pilot stellt dann seinen Transponder Mode 3/A Code auf den angeforderten Code ein. Dieser Code wird dann als Antwort auf Mode 3/A-Abfragen der ATC gesendet. Mode 3/A-Codes können auch für andere Zwecke als die Identifizierung verwendet werden. Einige wichtige Mode 3/A-Codes, die für andere Zwecke als die Identifizierung verwendet werden, sind:

• 1200: Wird im Allgemeinen von Flugzeugen unter Sichtflugregeln (VFR) verwendet
• 7700: Wird in Notfällen verwendet
• 7600: Wird verwendet, wenn die Funkverbindung ausfällt
• 7500: Verwendet bei Entführung (unrechtmäßiger Eingriff) des Flugzeugs

Mode 3/C ist eine Druckhöheninformation, die zusammen mit Mode 3/A verwendet wird. Modus 3/A kann allein verwendet werden, aber Modus 3/C kann nur zusammen mit Modus 3/A verwendet werden. Diese Höheninformation hat eine Schrittweite von 100 Fuß.

Piloten können Mode 3/A und Mode 3/C Antworten des Transponders aktivieren oder deaktivieren. Wenn sie jedoch aktiviert sind, antwortet der Transponder auf Mode 3/A- und Mode 3/C-Abfragen mit Mode 3/A- und Mode 3/C-Antworten, um Identifikations- und Höheninformationen auszutauschen.

Secondary Surveillance Radar (SSR) wird zur Abfrage von Flugzeugtranspondern verwendet. SSR ist im Allgemeinen über dem Primärradar angebracht, so dass sie in die gleiche Richtung schauen. Dieses System wird Air Traffic Control Radar Beacon System (ATCRBS) genannt. Beide Radargeräte drehen sich zur gleichen Zeit und in die gleiche Richtung, und SSR sendet Abfragen in einem Radiowellenstrahl. Jedes Flugzeug, das diesen Strahl durchfliegt, antwortet daraufhin entsprechend. Auf diese Weise können die Richtung des Flugzeugs (vom Primärradar geschätzt) und die Identifikations-/Höhendaten vom Transponder korreliert werden, um das Flugzeug eindeutig zu identifizieren und eine dreidimensionale Positionsbestimmung des Flugzeugs zu erhalten.

Nachteile von Mode 3/A und Mode 3/C

Obwohl diese frühen Systeme dazu beitrugen, das Problem der Identifikation und dreidimensionalen Positionsbestimmung zu lösen, waren sie von Natur aus unzureichend.

• Mode 3/C-Antworten verfügten nicht über eine Fehlererkennung/-korrektur. Um dies zu beheben, werden mehrere Abfragen durchgeführt, um die „beliebteste“ Antwort als korrekte Höhenantwort auszuwählen. Dadurch wurde die Antwortfrequenz aufgebläht.
• Mehrere Flugzeuge, die sich in der gleichen Richtung des Radars befinden, antworten gleichzeitig auf Abfragen. Dies führt zu Verstümmelungen und es ist schwer zu erkennen, welche Antwort zu welchem Flugzeug gehört.
• Mode 3/A Codes sind in einigen überfüllten Regionen unzureichend, da sie nur aus 4 oktalen Ziffern bestehen (8⁴ Chancen).

Mode S

Die Federal Aviation Administration (FAA) hat ein neues System entwickelt, das eine eindeutige Identität, selektive Abfrage und eine einzige Antwort ermöglicht. Die Spezifikationen dieses neuen Systems lauten:

• Selektive Abfrage: Zur Verringerung der Störgeräusche kann jedes Flugzeug selektiv mit seiner eindeutigen 24-Bit-Mode-S-Adresse abgefragt werden.
• Größerer Datensatz: Das Mode S System verarbeitet einen viel größeren Datensatz als ein einfaches Identifikations-/Höhenpaar.
• Rückwärtskompatibilität: Mode S System kann mit Mode 3 A/C(ATCRBS) Systemen arbeiten. Aus diesem Grund verwenden sie dasselbe Frequenzband für Abfragen und Antworten.
• Fehlererkennung: Zur Erkennung von Fehlern in Mode-S-Nachrichten wird ein 24-Bit-CRC-Mechanismus verwendet, der eine stabile Kommunikation ermöglicht. Dadurch entfällt die Notwendigkeit mehrfacher Abfragen und Antworten, die in Mode 3 A/C-Systemen verwendet werden.
• Spektrumeffizienz: Dank der selektiven Abfrage und der Fehlererkennung wird das Spektrum effizienter genutzt.

Modus-S-Abfragetypen

Modus-S-Systeme haben zwei Abfragetypen: nicht-selektiv und selektiv. Schauen wir uns ihre Spezifikationen und Anwendungsfälle an.

Nichtselektive Mode S Abfragen

Mode S Systeme mit ihrer Rückwärtsfähigkeit haben diese nichtselektiven Abfragetypen.

• ATCRBS All Call: Mode A/C Transponder beantworten diese Abfrage normal. Mode S Transponder beantworten diese Abfrage als ob sie Mode A/C Transponder wären, mit derselben Wellenform.
• ATSCRBS/Mode S All Call: Mode A/C Transponder antworten mit ID/Höhenangaben. Mode S Transponder antworten mit ID/Höhen- und Mode S Adressinformationen in Mode S Wellenform.
• ATCRBS Only All Call: Nur Mode A/C fähige Transponder beantworten diese Abfrage mit ID/Höhenangaben. Mode-Transponder bleiben stumm
• Mode S Only All Call: Nur Mode S Transponder antworten auf diese Abfrage. Mode A/C Transponder antworten nicht.

Mode S Selective Interrogation

Wenn die Mode A Adresse des Zielflugzeugs dem Mode S System bekannt ist, wird sie dem Roll-Call hinzugefügt, einem Pool von Flugzeug Mode S Adressen für die selektive Abfrage. Selektive Abfragen werden durchgeführt, um verschiedene Teile des Modus-S-Datensatzes zu erfassen.

Beispiel für die Verwendung von Modus-S-Abfragen

Angenommen, das Modus-S-Abfragesystem wird kalt gestartet, ohne dass vorher Informationen gespeichert wurden. Es gibt Mode A/C Transponder und Mode S Transponder an Flugzeugen im Luftraum.

1. ATCRBS All Call wird verwendet, um Mode A Identitäten und Höhen aller Flugzeuge zu erhalten.
2. ATSCRBS/Mode S All Call oder Mode S Only All Call wird verwendet, um alle Mode S Adressen von Mode S fähigen Flugzeugen zu erhalten. Diese Mode S Adressen werden in der Roll Call Liste zur späteren Verwendung registriert. Registrierte Luftfahrzeuge können für zukünftige Mode S All Calls gesperrt werden, um unnötige Antworten zu vermeiden.
3. Zu diesem Zeitpunkt weiß das abfragende System, welches Luftfahrzeug welche Fähigkeit hat. Mode A/C-Luftfahrzeuge werden mit ATCRBS Only All Call abgefragt. Mode S fähige Flugzeuge werden mit Mode S Selective Interrogation mit Hilfe der Roll Call Liste abgefragt.

Mode S Dataset

Mode S Systeme verarbeiten mehr Daten als Mode A/C Transponder. Diese Daten werden in eines von 255 Mode-S-Registern mit einer Länge von jeweils 56 Bit eingetragen. Sobald gültige Daten in diesen Registern abgelegt sind, können sie von Modus-S-Systemen selektiv auf ihren Inhalt abgefragt werden. Mode-S-Systeme bieten zwei verschiedene Möglichkeiten: Elementary Surveillance (ELS) und Enhanced Surveillance (EHS). EHS-fähige Systeme bieten ELS-Fähigkeit plus andere Daten.

• ELS: Das System muss eine automatische Meldung der Flugzeugidentität, der Transponderfähigkeit, des Flugstatus (in der Luft/am Boden) und der Flughöhe liefern.
• EHS: Das System bietet ELS-Fähigkeit sowie ausgewählte Höhe in Register (4,0), Rollwinkel, Track Angle Rate, True Track Angle, Ground Speed in Register (5,0), Magnetic Heading, Indicated Airspeed/Mach No, Vertical Rate in Register (6,0).

Anmerkung: Jede Mode-S-Meldung, einschließlich der im nächsten Abschnitt erläuterten ADS-B-Meldungen, trägt die 24-Bit-Mode-S-Adresse des Senders.

ADS-B

ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) ist eine Funktion für Luft- oder Bodenfahrzeuge oder andere Bodenfahrzeuge, die im Bewegungsbereich des Flughafens operieren und periodisch ihren Zustandsvektor (horizontale und vertikale Position, horizontale und vertikale Geschwindigkeit) und andere Informationen gemäß RTCA DO-260B übermitteln.

• Automatisch: Kein externer Stimulus (wie Mode-S-Abfragen) ist erforderlich.
• Abhängig: Es ist abhängig von bordseitigen Navigationsquellen und Übertragungssubsystemen (hauptsächlich GPS, ADC).
• Überwachung: Liefert Überwachungsinformationen für andere Nutzer
• Broadcast: Das ADS-B System kann, muss aber nicht wissen, welche Nutzer seine Übertragung empfangen.

ADS-B Systeme übertragen die Daten, die in bestimmten Registern gruppiert sind;

• Register 0,5: Flughöhe, Breitengrad und Längengrad.
• Register 0,6: Oberflächenbewegung, Kurs, Breitengrad und Längengrad.
• Register 0,8: Flugzeugidentifikation und Kategorie.
• Register 0,9: Ost-West-Geschwindigkeit und Nord-Süd-Geschwindigkeit oder Kurs und Fluggeschwindigkeit (je nach Untertyp), Vertikalrate, Geometrische Höhendifferenz zur barometrischen Höhe.

Ab dem Jahr 2020 müssen alle kommerziellen Flugzeuge und Flugzeuge, die im Luftraum der Klasse A, B & C fliegen, mit Transpondern ausgestattet sein, die ADS-B out fähig sind, d.h. sie müssen die Fähigkeit haben, zu senden, aber nicht notwendigerweise die Fähigkeit, ADS-B Nachrichten zu empfangen und zu dekodieren.

Mode S und TCAS

TCAS ist die Abkürzung für Traffic Alert and Collision Avoidance System. TCAS verwendet Luft-Luft-Abfragen nach Mode S, um miteinander zu kommunizieren. Das System bewertet die Kollisionsgefahr anhand der Reichweite, der Geschwindigkeit, des Kurses und der Höhe anderer Flugzeuge.

TCAS-Systeme fragen zwischen 20 Nm und 40 Nm Reichweite ab. Sie verwenden ATSCRBS/Mode S All Call Abfragen. Mode-S-Transponder, die Luftfahrzeuge tragen, können dann mit selektiven Abfragen abgefragt werden, um weitere Daten zu erhalten.

Traffic Advisory (T.A.) wird aktiviert, wenn in 40 Sekunden eine mögliche Kollision berechnet wird. Die Entscheidung bleibt in diesem Fall der Besatzung überlassen, da es einfach ist, einen Eindringling (anderes Flugzeug) innerhalb von 40 Sekunden visuell zu erkennen.

Resolution Advisory (R.A.) wird 25 Sekunden vor einer möglichen Kollision aktiviert, wenn die Besatzung das Flugzeug nicht so manövriert, dass die Wahrscheinlichkeit einer Kollision verringert wird. R.A. bedeutet, dass nicht genug Zeit bleibt, um das eindringende Luftfahrzeug visuell zu erkennen. Die Auflösungsempfehlung kann „Climb!“ oder „Descend!“ lauten.

TCAS-Systeme senden R.A. über Mode S an andere Flugzeuge. Das empfangende Flugzeug kann dann seine eigene R.A. berechnen, die eine Kollision verhindern würde. Wenn zum Beispiel ein Flugzeug beschließt, als R.A. aufzusteigen und dies sendet, wird das empfangende Flugzeug beschließen, als seine R.A. abzusteigen, um eine Kollision zu vermeiden.

Schlussfolgerung

Obwohl Mode S entwickelt wurde, um das Problem des überfüllten Luftraums zu lösen, wurde es an einigen Orten unzureichend. Um Herrn Douwe Lambers direkt zu zitieren:

Die Einführung vieler Drohnen mit ADS-B wird das 1090 MHz-Band mit Meldungen überfluten. Dies wird alle Systeme, die auf 1090 MHz arbeiten, wie Mode A/C, 1/2/3/4/5, S und TCAS, beeinträchtigen. Interferenzen sind wahrscheinlich, und in überlasteten Gebieten wie Frankfurt oder dem Becken von Los Angeles ist die Frequenz bereits ohne Drohnenverkehr überlastet.

Dies war eine Frage, ob wir Drohnen mit ADS-B-Fähigkeit in das aktuelle Überwachungssystem integrieren können. Die FAA strebt ein anderes System für Drohnen an, um dasselbe Ziel zu erreichen, die sogenannte Fernidentifizierung. Aber das Problem mit den aktuellen Mode-S-Systemen bleibt bestehen, wird es in Zukunft ein Upgrade benötigen?

Hinweis: Sie können meinen Artikel über die Integration von COTS-Drohnen in das ATC-Netzwerk lesen, um weitere Informationen zu diesem Thema zu erhalten.