Historically, communications was the second most sought requirement after navigation. Het werd gebruikt om het verkeer te regelen en botsingen te voorkomen, weerinformatie te verspreiden en operationele berichten te verwerken.
In het begin kon een luchtverkeersleider contact opnemen met een vliegtuig en de positie ervan opvragen, die door de bemanning werd bepaald aan de hand van de navigatiesystemen. Omdat de positie uit die bronnen niet zeer nauwkeurig was, moesten vliegtuigen onder luchtverkeersleiding (ATC) ver van andere vliegtuigen worden verwijderd om botsingen in de buurt van overvolle grote hubs te voorkomen. Een methode om vliegtuigen te lokaliseren zonder vocale communicatie met de bemanning was hard nodig.
Radio detection and ranging (primaire radar) werd voor dit doel ontwikkeld tijdens de Tweede Wereldoorlog. Hoogte en positie van het vliegtuig werden berekend met elevatie hoek (ε) van de radar en de afstand (R) tussen radar en vliegtuig (die werd geschat door radiogolf reistijd vermenigvuldigd met de snelheid van het licht). Dit is een vereenvoudigde formule, maar de originele formule houdt rekening met de kromming van de aarde en de breking van de radiogolven in de atmosfeer.
Een tweede probleem was de moeilijkheid om een vliegtuig positief te identificeren. De primaire radarreflecties van zowel vijandige als bevriende vliegtuigen waren ruwweg gelijk. Identificatie van Vriend of Vijand (IFF) samen met secundaire radar is ontwikkeld om dit probleem op te lossen.
Mode A en Mode C
IFF systeem heeft 5 modes, Mode 1 tot en met Mode 5. We zullen ons in dit artikel richten op Mode 3, omdat dit de populairste is en ook door burgervliegtuigen wordt gebruikt.
Mode 3 heeft twee verschillende submodi. De eerste is Mode A, een octale code van 4 cijfers (cijfers tussen 0-7) die de tijdelijke identiteit aangeeft. Mode C is drukhoogte informatie van het vliegtuig.
IFF apparatuur wordt transponder genoemd, kort voor zender-responder. Voor of tijdens elke vlucht kunnen piloten van ATC-personeel de opdracht krijgen “Squawk XXXX”. XXXX in deze context Mode 3/A code. Mode 3/A code is de tijdelijke identiteit van het vliegtuig voor die ATC. De piloot stelt dan zijn transponder Mode 3/A code in op de gevraagde code. Deze code wordt dan verzonden als antwoord op Mode 3/A ondervragingen door ATC. De Mode 3/A code kan voor andere doeleinden dan identificatie worden gebruikt. Enkele belangrijke Mode 3/A codes die gebruikt worden voor niet-identificatie doeleinden zijn;
- 1200: Over het algemeen gebruikt door vliegtuigen onder zichtvliegvoorschriften(VFR)
- 7700: Gebruikt tijdens noodsituaties
- 7600: Gebruiker wanneer radiocommunicatie faalt
- 7500: Gebruikt tijdens kaping (wederrechtelijke hindering) van het vliegtuig
Mode 3/C is drukhoogte-informatie die samen met Mode 3/A wordt gebruikt. Mode 3/A kan alleen worden gebruikt, maar Mode 3/C kan alleen worden gebruikt met Mode 3/A. Deze hoogte-informatie heeft 100 voet incrementen.
Piloten kunnen Mode 3/A en Mode 3/C antwoorden van de transponder activeren of deactiveren. Maar als ze geactiveerd zijn, antwoordt de transponder op Mode 3/A en Mode 3/C ondervragingen met Mode 3/A en Mode 3/C antwoorden om identificatie en hoogte informatie te delen.
Secondary Surveillance Radar(SSR) wordt gebruikt om vliegtuig transponders te ondervragen. SSR wordt over het algemeen bovenop de primaire radar geplaatst, daarom kijken ze in dezelfde richting. Dit systeem wordt Air Traffic Control Radar Beacon System (ATCRBS) genoemd. Beide radars draaien op dezelfde tijd/richting en SSR zendt ondervragingen uit in een radiogolvenbundel. Elk vliegtuig dat door die straal vliegt, zal op passende wijze reageren. Op deze wijze kunnen de richting van het vliegtuig (geschat door de primaire radar) en de identificatie/hoogtegegevens van de transponder worden gecorreleerd om het vliegtuig positief te identificeren en een 3-dimensionale positiebepaling van het vliegtuig te verkrijgen.
Nadelen van Mode 3/A en Mode 3/C
Hoewel deze vroege systemen hielpen bij het oplossen van het identificatie- en 3-dimensionale fixprobleem, waren zij inherent ontoereikend.
- Antwoorden van Mode 3/C hadden geen foutdetectie/correctie. Om dit te verhelpen, werden meerdere verhoren uitgevoerd om het meest “populaire” antwoord als het juiste hoogteantwoord te kiezen. Dit veroorzaakte een opgeblazen antwoordfrequentie.
- Meerdere vliegtuigen in dezelfde richting van de radar zouden gelijktijdig op ondervragingen reageren. Dit creëert rommel, moeilijk op te lossen welk antwoord behoort tot welk vliegtuig.
- Mode 3/A codes worden onvoldoende in sommige overbevolkte regio’s, omdat het bestaat uit 4 octale cijfers slechts (8⁴ kansen).
Mode S
Federal Aviation Administration (FAA) ontwikkelde een nieuw systeem dat unieke identiteit, selectieve ondervraging en een enkele reactie mogelijk maakt. De specificaties van dit nieuwe systeem waren:
- Selectieve ondervraging: Om de ruis te verminderen, kan elk vliegtuig selectief worden ondervraagd met hun unieke 24 bit Mode S adres.
- Grotere dataset: Het Mode S systeem kan een veel grotere dataset aan dan een eenvoudig identificatie/hoogtepaar.
- Achterwaartse compatibiliteit: Mode S systeem kan werken met Mode 3 A/C (ATCRBS) systemen. Zij gebruiken dezelfde frequentieband voor ondervraging en antwoorden om deze reden.
- Foutdetectie: 24 bit CRC mechanisme wordt gebruikt om fouten in Mode S berichten te detecteren, waardoor robuuste communicatie mogelijk wordt. Dit elimineert de noodzaak voor meerdere ondervragingen en antwoorden die worden gebruikt in Mode 3 A / C-systemen.
- Spectrum Efficiëntie: Dankzij selectieve ondervraging en foutdetectie wordt het spectrum efficiënter gebruikt.
Mode S Ondervragingssoorten
Mode S systemen kent twee soorten ondervraging: niet-selectief en selectief. Laten we eens kijken naar hun specs en use cases.
Mode S Niet-selectieve ondervragingen
Mode S systemen met hun achterwaartse mogelijkheid heeft deze niet-selectieve ondervraging types.
- ATCRBS All Call: Mode A/C transponders beantwoorden deze vraag normaal. Mode S transponders beantwoorden deze vraag alsof zij Mode A/C transponders zijn, met dezelfde golfvorm.
- ATSCRBS/Mode S All Call: Mode A/C transponders antwoorden met ID/hoogte gegevens. Mode S transponders antwoorden met ID/hoogte en Mode S adres gegevens in Mode S golfvorm: Alleen transponders die Mode A/C kunnen beantwoorden deze ondervraging met ID/hoogte gegevens. Mode transponders zwijgen
- Mode S Alleen alle oproep: Alleen Mode S transponders beantwoorden deze vraag. Mode A/C transponders antwoorden niet.
Mode S Selective Interrogation
Wanneer het Mode A-adres van het doelvliegtuig bekend is bij het Mode S-systeem, wordt het toegevoegd aan roll-call, een pool van Mode S-adressen van vliegtuigen voor selectieve ondervraging. Selectieve ondervraging wordt gedaan om verschillende delen van Mode S data set te verwerven.
Exemplarisch gebruik van Mode S ondervragingen
Laten we aannemen dat het Mode S ondervragingssysteem koud start, zonder voorafgaande opgeslagen informatie. Er zijn Mode A/C transponders en Mode S transponders op vliegtuigen in het luchtruim.
- ATCRBS All Call wordt gebruikt om Mode A identiteiten en hoogtes van alle vliegtuigen te verkrijgen.
- ATSCRBS/Mode S All Call of Mode S Only All Call wordt gebruikt om alle Mode S adressen van Mode S capable vliegtuigen te verkrijgen. Deze Mode S adressen worden geregistreerd in de lijst met oproepen voor later gebruik. Geregistreerde luchtvaartuigen kunnen worden geblokkeerd voor toekomstige Mode S All Calls om onnodige antwoorden te beperken.
- Op dit punt weet het ondervragende systeem welk luchtvaartuig welke capaciteit heeft. Mode A/C vliegtuigen worden ondervraagd met ATCRBS Only All Call. Mode S vliegtuigen worden ondervraagd met Mode S selective interrogation met behulp van de roll call list.
Mode S Dataset
Mode S systemen verwerken meer data dan Mode A/C transponders. Deze gegevens worden in één van de 255 Mode S registers gezet, elk met een lengte van 56 bits. Zodra geldige gegevens in deze registers zijn gezet, kunnen zij selectief door Mode S systemen worden ondervraagd voor hun inhoud. Mode S-systemen bieden twee verschillende mogelijkheden: Elementary Surveillance (ELS) en Enhanced Surveillance (EHS). Systemen die geschikt zijn voor EHS bieden de ELS-mogelijkheid plus andere gegevens.
- ELS: Het systeem moet voorzien in automatische melding van de identiteit van het vliegtuig, melding van de transpondercapaciteit, vluchtstatus (in de lucht/op de grond), hoogterapport.
- EHS: Het systeem biedt ELS-mogelijkheden, plus geselecteerde hoogte in register (4,0), rolhoek, baanhoeksnelheid, ware baanhoek, grondsnelheid in register (5,0), magnetische koers, aangegeven luchtsnelheid/machinanummer, verticale snelheid in register (6,0).
Note: Elk Mode S-bericht, inclusief ADS-B-berichten die in de volgende sectie worden uitgelegd, dragen het 24-bits Mode S-adres van de afzender.
ADS-B
ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) is een functie voor luchtvaartuigen in de lucht of aan de grond, of andere oppervlaktevoertuigen die actief zijn binnen het bewegingsgebied van een luchthaven, die periodiek zijn toestandsvector (horizontale en verticale positie, horizontale en verticale snelheid) en andere informatie verzendt, volgens RTCA DO-260B.
- Automatisch: Geen externe stimulans (zoals Mode S ondervragingen) is nodig.
- Afhankelijk: Het is afhankelijk van navigatiebronnen en zendsubsystemen aan boord (hoofdzakelijk GPS, ADC).
- Bewaking: Verschaft bewakingsinformatie voor andere gebruikers
- Broadcast: Het ADS-B systeem kan al dan niet weten welke gebruikers zijn uitzending ontvangen.
ADS-B systemen zenden de gegevens gegroepeerd in bepaalde registers hieronder;
- Register 0,5: Airborne Altitude, Latitude en Longitude.
- Register 0,6: Oppervlaktebeweging, koers, breedtegraad en lengtegraad.
- Register 0,8: Vliegtuigidentificatie en categorie.
- Register 0,9: Oost-West Snelheid en Noord-Zuid Snelheid of Koers en Luchtsnelheid (afhankelijk van subtype), Verticale Snelheid, Geometrisch Hoogteverschil t.o.v. Barometrische Hoogte.
Tegen het jaar 2020 moeten alle commerciële luchtvaartuigen en luchtvaartuigen die in klasse A, B & C luchtruim vliegen, zijn uitgerust met transponders met ADS-B out mogelijkheid, wat betekent dat ze moeten kunnen uitzenden maar niet noodzakelijk ADS-B berichten kunnen ontvangen en decoderen.
Mode S en TCAS
TCAS is de afkorting van Traffic Alert and Collision Avoidance System. TCAS gebruikt lucht-lucht Mode S-ondervragingen om met elkaar te communiceren. Het systeem evalueert de botsingsrisico’s aan de hand van de reikwijdte, snelheid, koers en hoogte van andere vliegtuigen.
TCAS-systemen ondervragen tussen 20 Nm en 40 Nm bereik. Zij maken gebruik van ATSCRBS/Mode S All Call ondervragingen. Mode S transponder dragende vliegtuigen kunnen dan worden ondervraagd met selectieve ondervragingen voor meer gegevens.
Traffic Advisory(T.A.) wordt geactiveerd wanneer er een mogelijke botsing is berekend binnen 40 seconden. De keuze wordt overgelaten aan de bemanning in dit geval, omdat het gemakkelijk is om indringer (ander vliegtuig) visueel te detecteren binnen 40 seconden. Traffic advisory is gewoon Traffic! vocal alert.
Resolution Advisory (R.A.) wordt geactiveerd na 25 seconden voor een mogelijke botsing, wanneer de bemanning het vliegtuig niet zodanig manoeuvreert dat de kans op een botsing wordt verkleind. R.A. impliceert dat er niet genoeg tijd is om een indringend vliegtuig visueel te zien. Resolution advisory can be Climb! or Descend!.
TCAS-systemen zenden R.A. via Mode S naar andere vliegtuigen. Het ontvangende vliegtuig kan dan zijn eigen R.A. berekenen dat een botsing zou voorkomen. Als een vliegtuig bijvoorbeeld besluit te klimmen als R.A. en dit uitzendt, zal het ontvangende vliegtuig besluiten te dalen als zijn R.A. zodat zij een botsing zouden vermijden.
Conclusie
Hoewel Mode S werd ontwikkeld als antwoord op het probleem van het overvolle luchtruim, werd het op sommige plaatsen ontoereikend. Om de heer Douwe Lambers rechtstreeks te citeren;
De introductie van veel drones met ADS-B zal de 1090 MHz-band overspoelen met berichten. Dit zal de kwaliteit van alle systemen die op 1090 MHz werken, zoals Mode A/C, 1/2/3/4/5, S en TCAS, aantasten. Interferentie is waarschijnlijk en in drukke gebieden zoals Frankfurt of het stroomgebied van Los Angeles is de frequentie al overbelast zonder droneverkeer.
Dit was een vraag of we drones met ADS-B-mogelijkheid kunnen integreren in het huidige bewakingssysteem. De FAA gaat voor een ander systeem voor drones om hetzelfde doel te bereiken, genaamd Identificatie op afstand. Maar het probleem met de huidige Mode S systemen blijft, zal het een upgrade nodig hebben in de toekomst?
Note: U kunt mijn artikel lezen over het integreren van COTS Drones in ATC Network voor meer informatie over het onderwerp.