Storicamente, le comunicazioni erano il secondo requisito più richiesto dopo la navigazione. Veniva utilizzata per controllare il traffico e prevenire le collisioni, diffondere informazioni meteorologiche e gestire i messaggi operativi.
In principio, un controllore del traffico aereo poteva contattare un aereo e richiedere la sua posizione, che veniva determinata dall’equipaggio dai suoi sistemi di navigazione. Poiché la posizione da queste fonti non era molto accurata, gli aerei sotto il controllo del traffico aereo (ATC) dovevano essere ampiamente separati da altri aerei per evitare collisioni vicino ai grandi hub affollati. Un metodo per localizzare gli aerei che non richiedesse la comunicazione vocale con l’equipaggio era estremamente necessario.
Il radio detector and ranging (radar primario) fu sviluppato durante la seconda guerra mondiale per questo scopo. L’altitudine e la posizione dell’aereo erano calcolate con l’angolo di elevazione (ε) del radar e la distanza (R) tra il radar e l’aereo (che era stimata dal tempo di viaggio delle onde radio moltiplicato per la velocità della luce). Questa è una formula semplificata, tuttavia, la formula originale tiene conto della curvatura della terra e della rifrazione delle onde radio nell’atmosfera.
Un secondo problema era la difficoltà di identificare con certezza un aereo. I riflessi radar primari degli aerei ostili e di quelli amici erano all’incirca gli stessi. L’identificazione dell’amico o del nemico (IFF) insieme al radar secondario è stato sviluppato per risolvere questo problema.
Modo A e modo C
Il sistema IFF ha 5 modi, dal modo 1 al modo 5. In questo articolo ci concentreremo sul modo 3 poiché è il più popolare ed è adottato anche dagli aerei civili.
Il modo 3 ha due diversi sottomodi. Il primo è il modo A, che è di 4 cifre, codice ottale (le cifre sono tra 0-7) che fornisce l’identità temporanea. Il modo C è l’informazione dell’altitudine di pressione dell’aereo.
L’attrezzatura IFF è chiamata transponder, abbreviazione di trasmettitore-risponditore. Prima o durante ogni volo, i piloti possono essere istruiti dal personale ATC a “Squawk XXXX”. XXXX in questo contesto è il codice Mode 3/A. Il codice Mode 3/A è l’identità temporanea dell’aereo per quell’ATC. Il pilota imposta quindi il suo codice transponder Mode 3/A sul codice richiesto. Questo codice viene poi inviato come risposta alle interrogazioni in modo 3/A da parte dell’ATC. Il codice Mode 3/A può essere usato per scopi diversi dall’identificazione. Alcuni importanti codici Mode 3/A usati per scopi non identificativi sono:
- 1200: Generalmente usato dagli aerei sotto le regole del volo a vista (VFR)
- 7700: Utilizzato durante le emergenze
- 7600: Utilizzato quando la comunicazione radio non riesce
- 7500: Usato durante il dirottamento (interferenza illegale) dell’aereo
Il modo 3/C è un’informazione di altitudine di pressione che viene usata insieme al modo 3/A. Il modo 3/A può essere usato da solo ma il modo 3/C può essere usato solo con il modo 3/A. Queste informazioni di altitudine hanno incrementi di 100 piedi.
I piloti possono attivare o disattivare le risposte dei modi 3/A e 3/C dal transponder. Ma se sono attivati, il transponder risponde alle interrogazioni Mode 3/A e Mode 3/C con risposte Mode 3/A e Mode 3/C per condividere le informazioni di identificazione e di altitudine.
Il radar di sorveglianza secondario (SSR) è usato per interrogare i transponder degli aerei. SSR è generalmente posizionato sopra il radar primario, quindi guardano nella stessa direzione. Questo sistema è chiamato Air Traffic Control Radar Beacon System (ATCRBS). Entrambi i radar ruotano allo stesso tempo/direzione e l’SSR invia le interrogazioni in un fascio di onde radio. Ogni aereo che vola attraverso quel fascio risponderà in modo appropriato. In questo modo, la direzione del velivolo (stimata dal radar primario) e i dati di identificazione/altitudine dal transponder possono essere correlati per identificare positivamente il velivolo e ottenere un fix di posizione tridimensionale del velivolo.
Svantaggi dei modi 3/A e 3/C
Anche se questi primi sistemi hanno aiutato a risolvere il problema di identificazione e fix tridimensionale, erano intrinsecamente insufficienti.
- Le risposte del modo 3/C non avevano rilevamento/correzione degli errori. Per risolvere questo problema, sono state fatte interrogazioni multiple per scegliere la risposta più “popolare” come risposta corretta dell’altitudine. Questo causava una frequenza di risposta gonfiata.
- Aerei multipli nella stessa direzione del radar rispondevano alle interrogazioni simultaneamente. Questo crea confusione, difficile da risolvere quale risposta appartiene a quale aereo.
- I codici del modo 3/A stanno diventando insufficienti in alcune regioni sovraffollate poiché consiste di solo 4 cifre ottali (8⁴ possibilità).
Modo S
Federal Aviation Administration (FAA) ha sviluppato un nuovo sistema che permette un’identità unica, interrogazione selettiva e risposta singola. Le specifiche di questo nuovo sistema sono:
- Interrogazione selettiva: Per ridurre il garble, ogni aereo può essere interrogato selettivamente con il suo indirizzo unico di 24 bit Mode S.
- Più grande set di dati: Il sistema Mode S gestisce un set di dati molto più ampio rispetto alla semplice coppia identificazione/altitudine.
- Compatibilità all’indietro: Il sistema Mode S può lavorare con i sistemi Mode 3 A/C(ATCRBS). Usano la stessa banda di frequenza per l’interrogazione e le risposte per questa ragione.
- Rilevazione degli errori: il meccanismo CRC a 24 bit è usato per rilevare gli errori nei messaggi Mode S, permettendo una comunicazione robusta. Questo rimuove la necessità di interrogazioni e risposte multiple che sono usate nei sistemi A/C Mode 3.
- Efficienza dello spettro: Grazie all’interrogazione selettiva e al rilevamento degli errori, lo spettro viene usato in modo più efficiente.
Tipi di interrogazione in modo S
I sistemi in modo S hanno due tipi di interrogazione: non selettiva e selettiva. Vediamo le loro specifiche e casi d’uso.
Interrogatori non selettivi in modo S
I sistemi in modo S con la loro capacità all’indietro hanno questi tipi di interrogazione non selettiva.
- ATCRBS All Call: I transponder Mode A/C rispondono normalmente a questa interrogazione. I transponder Mode S rispondono a questa interrogazione come se fossero transponder Mode A/C, con la stessa forma d’onda.
- ATSCRBS/Mode S All Call: I transponder Mode A/C rispondono con dati di ID/altitudine. I transponder Mode S rispondono con informazioni di ID/altitudine e indirizzo Mode S nella forma d’onda Mode S.
- ATCRBS Only All Call: Solo i transponder in modo A/C rispondono a questa interrogazione con dati di ID/altitudine. I transponder Mode rimangono in silenzio
- Mode S Only All Call: Solo i transponder Mode S rispondono a questa interrogazione. I transponder di modo A/C non rispondono.
Interrogazione selettiva in modo S
Una volta che il sistema Mode S conosce l’indirizzo Mode A dell’aereo bersaglio, questo viene aggiunto al roll-call, un pool di indirizzi Mode S di aerei per l’interrogazione selettiva. L’interrogazione selettiva viene fatta per acquisire diverse porzioni di set di dati Mode S.
Esempio di utilizzo degli interrogatori Mode S
Prevediamo che il sistema di interrogazione Mode S parta a freddo, senza informazioni precedenti memorizzate. Ci sono transponder in modo A/C e transponder in modo S sugli aerei nello spazio aereo.
- ATCRBS All Call è usato per ottenere identità e altitudini in modo A di tutti gli aerei.
- ATSCRBS/Mode S All Call o Mode S Only All Call è usato per acquisire tutti gli indirizzi in modo S degli aerei in modo S. Questi indirizzi Mode S sono registrati nella lista roll call per un uso successivo. Gli aerei registrati possono essere bloccati da future All Call in modo S per ridurre risposte non necessarie.
- A questo punto, il sistema interrogante sa quale aereo ha quale capacità. Gli aerei in modo A/C sono interrogati con la chiamata All Call solo ATCRBS. I velivoli capaci di modo S sono interrogati con l’interrogazione selettiva del modo S con l’aiuto della lista di chiamata.
Mode S Dataset
I sistemi del modo S gestiscono più dati dei transponder del modo A/C. Questi dati sono messi in uno dei 255 registri Mode S, ognuno con una lunghezza di 56 bit. Una volta che i dati validi sono messi in questi registri, possono essere selettivamente interrogati dai sistemi Mode S per il loro contenuto. I sistemi Mode S forniscono due diverse capacità: Elementary Surveillance (ELS) e Enhanced Surveillance (EHS). I sistemi capaci di EHS forniscono la capacità ELS più altri dati.
- ELS: Il sistema deve fornire la segnalazione automatica dell’identità dell’aeromobile, la segnalazione della capacità del transponder, lo stato del volo (in volo/ a terra), la segnalazione dell’altitudine.
- EHS: Il sistema fornisce la capacità ELS, più l’altitudine selezionata nel registro (4,0), l’angolo di rollio, il tasso di angolo di pista, l’angolo di pista reale, la velocità al suolo nel registro (5,0), la direzione magnetica, la velocità aerea indicata/il numero di macchina, il tasso verticale nel registro (6,0).
Nota: Ogni messaggio Mode S, compresi i messaggi ADS-B spiegati nella prossima sezione portano l’indirizzo Mode S del mittente a 24 bit.
ADS-B
ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) è una funzione per aeromobili in volo o in superficie, o altri veicoli di superficie che operano all’interno dell’area di movimento dell’aeroporto che trasmette periodicamente il suo vettore di stato (posizione orizzontale e verticale, velocità orizzontale e verticale) e altre informazioni, secondo RTCA DO-260B.
- automatico: Nessun stimolo esterno (come le interrogazioni Mode S) è necessario.
- Dipendente: Si affida alle fonti di navigazione di bordo e ai sottosistemi di trasmissione (principalmente GPS, ADC).
- Sorveglianza: Fornisce informazioni di sorveglianza per altri utenti
- Broadcast: Il sistema ADS-B può o non può avere la conoscenza di quali utenti stanno ricevendo la sua trasmissione.
I sistemi ADS-B trasmettono i dati raggruppati in alcuni registri di seguito;
- Registro 0,5: Altitudine, Latitudine e Longitudine in volo.
- Registro 0,6: Movimento di superficie, rotta, latitudine e longitudine.
- Registro 0,8: Identificazione e categoria dell’aereo.
- Registro 0,9: Velocità est-ovest e velocità nord-sud o rotta e velocità aerea (a seconda del sottotipo), tasso verticale, differenza di altezza geometrica da altitudine barometrica.
Per l’anno 2020, tutti gli aerei commerciali e gli aerei che volano nello spazio aereo di classe A, B & C devono essere dotati di transponder con capacità ADS-B out, il che significa che devono avere capacità di trasmissione ma non necessariamente capacità di ricevere e decodificare i messaggi ADS-B.
Modo S e TCAS
TCAS è l’abbreviazione di Traffic Alert and Collision Avoidance System. I TCAS usano interrogazioni aria-aria in modo S per comunicare tra loro. Il sistema valuta le minacce di collisione in base alla portata, alla velocità, alla traccia e all’altitudine degli altri aerei.
I sistemi TCAS interrogano tra 20 Nm e 40 Nm. Usano le interrogazioni ATSCRBS/Mode S All Call. I transponder Mode S che trasportano gli aerei possono essere interrogati con interrogazioni selettive per ulteriori dati.
Traffic Advisory(T.A.) è attivato quando c’è una possibile collisione calcolata in 40 secondi. La scelta è lasciata all’equipaggio in questo caso, poiché è facile rilevare visivamente l’intruso (altro aereo) entro 40 secondi. Traffic advisory è solo Traffic! alert vocale.
Resolution Advisory(R.A.) è attivato a 25 secondi alla possibile collisione, quando l’equipaggio non manovra l’aereo in modo da ridurre la probabilità di collisione. R.A. implica che non c’è abbastanza tempo per individuare visivamente l’aereo intruso. L’avviso di risoluzione può essere Climb! o Descend!.
I sistemiTCAS trasmettono R.A. attraverso il modo S agli altri aerei. L’aereo ricevente può quindi calcolare il proprio R.A. che impedirebbe la collisione. Per esempio, se un aereo decide di salire come R.A. e lo trasmette, l’aereo ricevente deciderà di scendere come suo R.A. in modo da evitare la collisione.
Conclusione
Anche se il modo S è stato sviluppato per rispondere al problema dello spazio aereo sovraffollato, in alcune località è diventato insufficiente. Per citare direttamente il signor Douwe Lambers;
L’introduzione di molti droni con ADS-B inonderà la banda 1090 MHz di messaggi. Questo degraderà tutti i sistemi che lavorano sui 1090 MHz, come Mode A/C, 1/2/3/4/5, S e TCAS. L’interferenza è probabile e in aree congestionate come Francoforte o il bacino di Los Angeles la frequenza è già congestionata senza il traffico dei droni.
Questa era una domanda se possiamo integrare i droni con capacità ADS-B nel sistema di sorveglianza attuale. FAA va per un sistema diverso per i droni per raggiungere lo stesso obiettivo, chiamato Remote Identification. Ma il problema con gli attuali sistemi Mode S rimane, avrà bisogno di un aggiornamento in futuro?
Nota: Potete leggere il mio articolo sull’integrazione dei droni COTS nella rete ATC per ulteriori informazioni sull’argomento.