Historiallisesti viestintä oli toiseksi halutuin vaatimus navigoinnin jälkeen. Sitä käytettiin liikenteen ohjaamiseen ja törmäysten estämiseen, säätietojen levittämiseen ja operatiivisten viestien käsittelyyn.

Aluksi lennonjohtaja saattoi ottaa yhteyttä ilma-alukseen ja pyytää sen sijaintia, jonka lentohenkilökunta määritteli sen navigointijärjestelmistä. Koska näistä lähteistä saatu sijainti ei ollut kovin tarkka, lennonjohdon (ATC) alaisuudessa olevien lentokoneiden oli oltava kaukana muista lentokoneista, jotta vältettäisiin törmäykset ruuhkaisten suurten solmukohtien läheisyydessä. Tarvittiin kipeästi jokin menetelmä lentokoneiden paikantamiseen, joka ei vaatinut ääniviestintää miehistön kanssa.

Radion havaitsemis- ja etäisyysmittaus (primääritutka) kehitettiin toisen maailmansodan aikana tähän tarkoitukseen. Lentokoneen korkeus ja sijainti laskettiin tutkan korkeuskulman( ε) ja tutkan ja lentokoneen välisen etäisyyden(R) avulla(joka arvioitiin radioaaltojen kulkuaikana kerrottuna valonnopeudella). Tämä on yksinkertaistettu kaava, mutta alkuperäisessä kaavassa otetaan kuitenkin huomioon maan kaarevuus ja radioaaltojen taittuminen ilmakehässä.

>

Toisena ongelmana oli ilma-aluksen positiivisen tunnistamisen vaikeus. Sekä vihamielisten että omien lentokoneiden ensisijaiset tutkaheijastukset olivat suunnilleen samat. Ystävän tai vihollisen tunnistaminen (IFF, Identification of Friend or Foe) yhdessä toisiotutkan kanssa kehitettiin ratkaisemaan tämä ongelma.

Mode A ja Mode C

IFF-järjestelmässä on viisi moodia, Mode 1 – Mode 5. Keskitymme tässä artikkelissa moodiin 3, koska se on suosituin ja sitä käytetään myös siviililentokoneissa.

Moodissa 3 on kaksi eri alatilaa. Ensimmäinen on Mode A, joka on nelinumeroinen, kahdeksannumeroinen koodi (numerot ovat välillä 0-7), joka antaa tilapäisen identiteetin. Mode C on ilma-aluksen painekorkeustieto.

IFF-laitteita kutsutaan transponderiksi, joka on lyhenne sanoista transmitter-responderi. Ennen jokaista lentoa tai sen aikana lennonjohtohenkilöstö voi ohjeistaa lentäjiä ”Squawk XXXX”. XXXX tässä yhteydessä Mode 3/A-koodi. Mode 3/A -koodi on ilma-aluksen väliaikainen tunniste kyseiselle lennonjohdolle. Tämän jälkeen lentäjä asettaa transponderinsa Mode 3/A -koodiksi pyydetyn koodin. Tämä koodi lähetetään sitten vastauksena lennonjohdon Mode 3/A -kyselyihin. Mode 3/A -koodia voidaan käyttää muihinkin tarkoituksiin kuin tunnistamiseen. Joitakin tärkeitä mode 3/A -koodeja, joita käytetään muihin kuin tunnistustarkoituksiin, ovat;

• 1200: Käytetään yleensä näkölentosääntöjen (VFR) alaisissa ilma-aluksissa
• 7700: Käytetään hätätilanteessa
• 7600: Käytetään, kun radioyhteys ei toimi
• 7500: Käytetään ilma-aluksen kaappauksen(laiton häirintä) aikana

Tila 3/C on painekorkeustieto, joka on käytössä yhdessä tilan 3/A kanssa. Mode 3/A:ta voidaan käyttää yksin, mutta Mode 3/C:tä voidaan käyttää vain yhdessä Mode 3/A:n kanssa. Tässä korkeustiedossa on 100 jalan portaat.

Lentäjät voivat aktivoida tai deaktivoida Mode 3/A- ja Mode 3/C-vastaukset transponderista. Mutta jos ne on aktivoitu, transponderi vastaa Mode 3/A- ja Mode 3/C-kyselyihin Mode 3/A- ja Mode 3/C-vastauksilla tunnistus- ja korkeustietojen jakamiseksi.

Secondary Surveillance Radar(SSR) käytetään ilma-aluksen transponderien kyselyyn. SSR on yleensä sijoitettu ensisijaisen tutkan päälle, joten ne katsovat samaan suuntaan. Tätä järjestelmää kutsutaan nimellä Air Traffic Control Radar Beacon System(ATCRBS). Molemmat tutkat pyörivät samaan aikaan/suuntaan, ja SSR lähettää kuulutukset radioaaltosäteenä. Kaikki kyseisen säteen läpi lentävät ilma-alukset vastaavat asianmukaisesti. Tällä tavoin ilma-aluksen suunta (ensisijaisen tutkan arvioima) ja transponderin tunnistus- ja korkeustiedot voidaan suhteuttaa toisiinsa ilma-aluksen tunnistamiseksi ja ilma-aluksen kolmiulotteisen sijainnin määrittämiseksi.

Mode 3/A:n ja Mode 3/C:n haitat

Vaikka nämä varhaiset järjestelmät auttoivatkin ratkaisemaan tunnistus- ja kolmiulotteisen sijainnin määrittämisongelman, ne olivat luonnostaan riittämättömiä.

• Mode 3/C -vastauksia ei ollut virheiden havaitsemisessa ja korjaamisessa. Tämän korjaamiseksi tehdään useita kyselyjä, jotta voidaan valita ”suosituin” vastaus oikeaksi korkeusvastaukseksi. Tämä aiheutti vastaustaajuuden paisumisen.
• Tutkan samassa suunnassa olevat useat ilma-alukset vastasivat kyselyihin samanaikaisesti. Tämä aiheuttaa sekaannusta, ja on vaikea ratkaista, mikä vastaus kuuluu millekin ilma-alukselle.
• Mode 3/A -koodit ovat tulossa riittämättömiksi joillakin ylikuormitetuilla alueilla, koska se koostuu vain neljästä kahdeksannumeroisesta numerosta (8⁴ mahdollisuutta).

Mode S

Federal Aviation Administration(FAA) kehitti uuden järjestelmän, joka mahdollistaa yksilöllisen tunnisteen, valikoivan kyselytutkimuksen ja yhden ainoan vastauksen. Tämän uuden järjestelmän tekniset tiedot olivat seuraavat;

• Valikoiva kysely: Häiriöiden vähentämiseksi jokaista ilma-alusta voidaan valikoivasti kysyä sen yksilöllisellä 24-bittisellä Mode S -osoitteella.
• Suurempi tietokokonaisuus: Mode S -järjestelmä käsittelee paljon suurempaa tietomäärää kuin pelkkä tunniste/korkeusparivalikoima.
• Yhteensopivuus taaksepäin: Mode S -järjestelmä voi toimia Mode 3 A/C (ATCRBS) -järjestelmien kanssa. Tästä syystä ne käyttävät samaa taajuuskaistaa kyselyihin ja vastauksiin.
• Virheentunnistus: 24-bittistä CRC-mekanismia käytetään havaitsemaan virheet Mode S -viesteissä, mikä mahdollistaa vankan viestinnän. Tämä poistaa tarpeen useisiin kyselyihin ja vastauksiin, joita käytetään Mode 3 A/C -järjestelmissä.
• Taajuustehokkuus:

Mode S -kyselytyypit

Mode S -järjestelmissä on kaksi kyselytyyppiä: ei-valikoiva ja valikoiva. Katsotaanpa niiden spesifikaatioita ja käyttötapauksia.

Mode S Non-Selective Interrogations

Mode S-järjestelmillä, joilla on taaksepäin suuntautuva kyky, on nämä ei-valikoivat kyselytyypit.

• ATCRBS All Call: A/C-moodin transponderit vastaavat tähän kyselyyn normaalisti. S-moodin transponderit vastaavat tähän kyselyyn kuin ne olisivat A/C-moodin transpondereita, samalla aaltomuodolla.
• ATSCRBS/Mode S All Call: Mode A/C transponderit vastaavat ID/korkeustiedoilla. S-moodin transponderit vastaavat ID/korkeus ja S-moodin osoitetiedoilla S-moodin aaltomuodossa.
• ATCRBS Only All Call: Vain A/C-moodiin kykenevät transponderit vastaavat tähän kyselyyn ID/korkeustiedoilla. Mode-transponderit pysyvät vaiti
• Mode S Only All Call: Vain S-moodin transponderit vastaavat tähän kyselyyn. Mode A/C transponderit eivät vastaa.

Mode S Selective Interrogation

Kun kohdeilma-aluksen Mode A -osoite on Mode S -järjestelmän tiedossa, se lisätään roll-call-järjestelmään, joka on ilma-aluksen Mode S -osoitteita sisältävä reservi valikoivaa kyselyä varten. Valikoivalla kyselyllä hankitaan eri osia Mode S -tietoaineistosta.

Esimerkki Mode S -kyselyjen käytöstä

Oletetaan, että Mode S -kyselyjärjestelmä käynnistyy kylmäkäynnistyksellä, eikä siihen ole tallennettu mitään aiempaa tietoa. Ilmatilassa olevissa ilma-aluksissa on Mode A/C-transpondereita ja Mode S-transpondereita.

1. ATCRBS All Call käytetään kaikkien ilma-alusten Mode A-tunnisteiden ja korkeuksien hankkimiseen.
2. ATSCRBS/Mode S All Call tai Mode S Only All Call käytetään kaikkien Mode S-kykyisten ilma-alusten kaikkien Mode S-osoitteiden hankkimiseen. Nämä Mode S -osoitteet rekisteröidään nimenhuutoluetteloon myöhempää käyttöä varten. Rekisteröidyt ilma-alukset voidaan lukita tulevilta Mode S All Call -kutsuilta tarpeettomien vastausten vähentämiseksi.
3. Tässä vaiheessa kysyvä järjestelmä tietää, millä ilma-aluksella on mitäkin kykyä. Mode A/C -lentokoneita kysytään ATCRBS Only All Call -kutsulla. S-moodiin kykeneviä ilma-aluksia kysytään S-moodin valikoivalla kyselyllä nimenhuutoluettelon avulla.

S-moodin tietokanta

S-moodin järjestelmät käsittelevät enemmän dataa kuin A/C-moodin transponderit. Nämä tiedot tallennetaan johonkin 255:stä Mode S -rekisteristä, joista jokaisen pituus on 56 bittiä. Kun kelvolliset tiedot on tallennettu näihin rekistereihin, Mode S -järjestelmät voivat valikoivasti kysyä niiden sisältöä. Mode S -järjestelmät tarjoavat kaksi erilaista ominaisuutta: Elementary Surveillance (ELS) ja Enhanced Surveillance (EHS). EHS-kykyiset järjestelmät tarjoavat ELS-ominaisuuksia sekä muita tietoja.

• ELS: Järjestelmän on tarjottava automaattinen ilma-aluksen tunnistamisraportti, transponderikykyraportti, lennon tila (ilmassa/maassa), korkeusraportti.
• EHS: Järjestelmä tarjoaa ELS-ominaisuuden ja lisäksi valitun korkeuden rekisterissä (4,0), kallistuskulman, raidekulman nopeuden, todellisen raidekulman, maanopeuden rekisterissä (5,0), magneettisen suunnan, ilmaistun lentonopeuden / koneen numeron, pystysuuntaisen nopeuden rekisterissä (6,0).

Huomautus: Jokaisessa S-moodin sanomassa, mukaan lukien seuraavassa kohdassa selostetut ADS-B-sanomat, on 24-bittinen S-moodin lähettäjän osoite.

ADS-B

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast) on toiminto ilma- tai pintalentokoneille tai muille lentoaseman pintaliikennealueella operoiville pintakulkuneuvoille, jotka lähettävät määräajoin tilavektorinsa (vaaka- ja pystysuuntainen sijainti, vaaka- ja pystysuuntainen nopeus) ja muita tietoja RTCA:n DO-260B:n mukaisesti.

• Autom:
• Riippuvainen: Se on riippuvainen laivalla olevista navigointilähteistä ja lähetysosajärjestelmistä (pääasiassa GPS, ADC).
• Valvonta: Tarjoaa valvontatietoja muille käyttäjille
• Broadcast: ADS-B-järjestelmällä voi olla tai ei voi olla tietoa siitä, ketkä käyttäjät vastaanottavat sen lähetystä.

ADS-B-järjestelmät lähettävät tietoja, jotka on ryhmitelty tiettyihin alla oleviin rekistereihin;

• Rekisteri 0,5: Lentokorkeus, leveys- ja pituusaste.
• Rekisteri 0,6: Pintaliike, suunta, leveys- ja pituusaste.
• Rekisteri 0,8: Ilma-aluksen tunniste ja luokka.
• Rekisteri 0,9: Itä-länsi-nopeus ja pohjois-etelä-nopeus tai suunta ja lentonopeus (riippuen alatyypistä), pystysuora nopeus, geometrinen korkeusero barometrisesta korkeudesta.

Vuoteen 2020 mennessä kaikki kaupalliset ilma-alukset ja A-, B- & C-luokan ilmatilassa lentävät ilma-alukset on varustettava transpondereilla, joilla on ADS-B out -valmius, mikä tarkoittaa, että niillä on oltava lähetysvalmius, mutta ei välttämättä kykyä vastaanottaa ja purkaa ADS-B-sanomia.

Mode S ja TCAS

TCAS on lyhenne sanoista Traffic Alert and Collision Avoidance System (liikennehälytys- ja törmäyksenestojärjestelmä). TCAS käyttää ilmasta ilmaan Mode S -kyselyjä kommunikoidakseen keskenään. Järjestelmä arvioi törmäysuhkia muiden ilma-alusten etäisyyden, nopeuden, radan ja korkeuden perusteella.

TCAS-järjestelmät kyselevät 20 Nm:n ja 40 Nm:n välillä. Ne käyttävät ATSCRBS/Mode S All Call -kyselyjä. S-moodin transponderilla varustettuja ilma-aluksia voidaan sen jälkeen kysyä valikoivilla kyselyillä lisätietojen saamiseksi.

Traffic Advisory (T.A.) aktivoituu, kun 40 sekunnin sisällä on laskettu mahdollinen törmäysvaara. Valinta jätetään tässä tapauksessa miehistölle, koska tunkeilija (toinen ilma-alus) on helppo havaita silmämääräisesti 40 sekunnin kuluessa. Traffic advisory on vain Traffic! vocal alert.

Resolution Advisory(R.A.) aktivoituu 25 sekunnin kuluttua mahdollisesta törmäyksestä, kun miehistö ei ohjaa ilma-alusta tavalla, joka vähentää törmäyksen todennäköisyyttä. R.A. tarkoittaa, että aikaa ei ole riittävästi tunkeutuvan ilma-aluksen visuaaliseen havaitsemiseen. Resolution advisory voi olla Climb! tai Descend!.

TCAS-järjestelmät lähettävät R.A.:n Mode S:n kautta muille ilma-aluksille. Vastaanottava ilma-alus voi tällöin laskea oman R.A.:nsa, joka estää törmäyksen. Jos esimerkiksi ilma-alus päättää nousta R.A.:ksi ja lähettää sen, vastaanottava ilma-alus päättää laskeutua omaksi R.A.:ksi, jotta ne välttäisivät yhteentörmäyksen.

Johtopäätös

Vaikka Mode S kehitettiin vastaukseksi ylikuormitetun ilmatilan ongelmaan, joissakin paikoissa se osoittautui riittämättömäksi. Lainaan suoraan Douwe Lambersia;

Monien ADS-B:llä varustettujen lennokkien käyttöönotto tulvii viestejä 1090 MHz:n taajuusalueelle. Tämä heikentää kaikkia 1090 MHz:llä toimivia järjestelmiä, kuten Mode A/C, 1/2/3/4/5, S ja TCAS. Häiriöt ovat todennäköisiä, ja ruuhkaisilla alueilla, kuten Frankfurtissa tai Los Angelesin altaassa, taajuus on jo nyt ruuhkautunut ilman lennokkiliikennettä.

Tässä oli kysymys siitä, voidaanko ADS-B-ominaisuudella varustetut lennokit integroida nykyiseen valvontajärjestelmään. FAA tavoittelee droneille eri järjestelmää saman tavoitteen saavuttamiseksi, jota kutsutaan etätunnistukseksi. Nykyisten Mode S -järjestelmien ongelmana on kuitenkin edelleen se, että tarvitseeko se päivitystä tulevaisuudessa?

Huomautus: Voit lukea artikkelini COTS-dronien integroimisesta lennonjohtoverkkoon saadaksesi lisätietoa aiheesta.

Kerroin artikkelistani COTS-dronien integroimisesta lennonjohtoverkkoon.