Histórico, a comunicação foi o segundo requisito mais procurado após a navegação. Foi utilizada para controlar o tráfego e prevenir colisões, divulgar informações meteorológicas e lidar com mensagens operacionais.

No início, um controlador de tráfego aéreo podia contatar uma aeronave e solicitar sua posição, que era determinada pela tripulação de vôo a partir de seus sistemas de navegação. Como a posição dessas fontes não era altamente precisa, as aeronaves sob controle de tráfego aéreo (ATC) tinham que ser amplamente separadas de outros aeródromos para evitar colisões perto de grandes hubs lotados. Alguns métodos de localização de aeronaves que não exigiam comunicação vocal com a tripulação eram muito necessários.

Detecção e alcance do rádio (radar primário) foi desenvolvido durante a 2ª Guerra Mundial para este propósito. A altitude e posição da aeronave foi calculada com o ângulo de elevação( ε) do radar e a distância(R) entre o radar e a aeronave(que foi estimada pelo tempo de viagem radiowave multiplicado pela velocidade da luz). Esta fórmula é simplificada, entretanto, a fórmula original leva em conta a curvatura da terra e a refração das ondas de rádio na atmosfera.

Um segundo problema foi a dificuldade de identificar positivamente uma aeronave. Os reflexos primários do radar, tanto de aeronaves hostis como de aeronaves amigáveis, eram aproximadamente os mesmos. A identificação de Friend ou Foe(IFF) juntamente com o radar secundário foi desenvolvida para resolver este problema.

Modo A e Modo C

IFF sistema tem 5 modos, Modo 1 até Modo 5. Vamos focar no Modo 3 neste artigo já que é o mais popular e é adotado também por aeronaves civis.

Modo 3 tem dois submodos diferentes. O primeiro é o Modo A, que é de 4 dígitos, código octal(os dígitos estão entre 0-7) que fornece uma identidade temporária. O Modo C é a informação da altitude de pressão da aeronave.

O equipamento IFF é chamado de transponder, abreviatura para transmissor-responder. Antes ou durante cada voo, os pilotos podem ser instruídos pelo pessoal do ATC para “Squawk XXXX”. XXXX neste contexto Modo 3/A código. O código do Modo 3/A é a identidade temporária da aeronave para esse ATC. O piloto então configura seu código do Modo 3/A do transponder para o código solicitado. Este código é então enviado como resposta aos interrogatórios do Modo 3/A pelo ATC. O código do Modo 3/A pode ser usado para outros fins que não a identificação. Alguns códigos importantes do Modo 3/A usados para fins não-identificadores são;

• 1200: Geralmente usado por aeronaves sob Regras de Voo Visual(VFR)
• 7700: Usado durante a emergência
• 7600: Usuário quando a comunicação via rádio falha
• 7500: Usado durante o sequestro (interferência ilegal) da aeronave

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Mode 3/C é a informação da altitude de pressão que é usada em conjunto com o Modo 3/A. O Modo 3/A pode ser usado sozinho, mas o Modo 3/C só pode ser usado com o Modo 3/A. Esta informação de altitude tem incrementos de 100 pés.

Os pilotos podem ativar ou desativar o Modo 3/A e as respostas do Modo 3/C a partir do transponder. Mas se eles forem ativados, o transponder responde aos interrogatórios do Modo 3/A e Modo 3/C com o Modo 3/A e respostas do Modo 3/C para compartilhar informações de identificação e altitude.

Secondary Surveillance Radar (SSR) é usado para interrogar transponders de aeronaves. O SSR é geralmente colocado no topo do radar primário, portanto eles olham na mesma direção. Este sistema é chamado de Air Traffic Control Radar Beacon System(ATCRBS). Ambos os radares giram ao mesmo tempo/direção e o SSR envia interrogatórios em um feixe de ondas de rádio. Qualquer aeronave voando através desse feixe responderá apropriadamente. Desta forma, a direção da aeronave (estimada pelo radar primário) e os dados de identificação/altitude do transponder podem ser correlacionados para identificar positivamente a aeronave e ganhar a fixação da posição tridimensional da aeronave.

Desvantagens do Modo 3/A e Modo 3/C

Embora esses primeiros sistemas tenham ajudado a resolver o problema de identificação e fixação tridimensional, eles foram inerentemente insuficientes.

• As respostas do Modo 3/C não tiveram detecção/correção de erro. Para corrigir isso, múltiplas interrogações são feitas para escolher a resposta mais “popular” como a resposta de altitude correta. Isto fez com que a freqüência de resposta fosse inchada.
• Múltiplos aviões na mesma direção do radar responderiam aos interrogatórios simultaneamente. Isto cria garble, difícil de resolver qual resposta pertence a qual aeronave.
• Códigos do modo 3/A estão se tornando insuficientes em algumas regiões superlotadas uma vez que consiste de 4 dígitos octal apenas(8⁴ chances).

Modo S

Administração Federal de Aviação (FAA) desenvolveu um novo sistema que permite identidade única, interrogação seletiva e resposta única. As especificações deste novo sistema foram;

• Interrogação selectiva: Para reduzir a falsificação, cada aeronave pode ser interrogada selectivamente com o seu único endereço 24 bit Mode S.
• Conjunto de dados maior: O sistema Mode S lida com um conjunto de dados muito maior do que um simples par de identificação/altitude.
• Backward Compatibility: O sistema Mode S pode trabalhar com os sistemas Mode 3 A/C(ATCRBS). Eles usam a mesma banda de frequência para interrogação e respostas por este motivo.
• Detecção de Erros: O mecanismo CRC de 24 bits é usado para detectar erros nas mensagens do Mode S, permitindo uma comunicação robusta. Isto elimina a necessidade de múltiplas interrogações e respostas que são usadas nos sistemas Mode 3 A/C.
• Spectrum Efficiency: Graças à interrogação seletiva e detecção de erros, o espectro é utilizado de forma mais eficiente.

Tipos de interrogação do Modo S

Os sistemas do Modo S têm dois tipos de interrogação: não seletiva e seletiva. Vejamos suas especificações e casos de uso.

Interrogações não seletivas do Modo S

Os sistemas do Modo S com sua capacidade de retrocesso têm esses tipos de interrogação não seletiva.

• ATCRBS All Call: Os transponders de Modo A/C respondem a esta interrogação normalmente. Os transponders de Modo S respondem a esta interrogação como se fossem transponders de Modo A/C, com a mesma forma de onda.
• ATSCRBS/Mode S All Call: Os transponders de Modo A/C respondem com dados de ID/altitude. Os transponders Modo S respondem com dados de ID/altitude e Modo S Informações de endereço no modo S forma de onda.
• ATCRBS Somente chamada: Somente os transponders capazes de Modo A/C respondem a esta interrogação com os dados ID/altitude. Os transponders de modo ficam em silêncio
• Mode S Only All Call: Somente os transponders Modo S respondem a este interrogatório. Os transponders de Modo A/C não respondem.

Interrogação Selectiva do Modo S

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A partir do momento em que o endereço do Modo A da aeronave alvo é conhecido pelo sistema do Modo S, ele é adicionado ao roll-call, um conjunto de endereços do Modo S da aeronave para interrogação selectiva. A interrogação seletiva é feita para adquirir diferentes porções do conjunto de dados do Mode S.

Exemplo de uso das interrogações do Mode S

Deixe-nos assumir que o sistema de interrogação do Mode S é iniciado a frio, sem nenhuma informação prévia armazenada. Existem transponders Mode A/C e transponders Mode S em aeronaves no espaço aéreo.

1. ATCRBS All Call é usado para obter as identidades e altitudes Mode A de todas as aeronaves.
2. ATSCRBS/Mode S All Call ou Mode S Only All Call é usado para adquirir todos os endereços Mode S de aeronaves capazes Mode S. Estes endereços Modo S são registrados na lista de chamada em rolo para uso posterior. As aeronaves registradas podem ser bloqueadas de futuras chamadas Mode S Todas as chamadas para reduzir respostas desnecessárias.
3. Neste ponto, o sistema de interrogação sabe qual aeronave tem qual capacidade. As aeronaves Modo A/C são interrogadas com ATCRBS Only All Call. Aeronaves capazes Mode S são interrogadas com o interrogatório seletivo Mode S com a ajuda da lista de chamadas em rolo.

Modo S Dataset

Sistemas Modo S lidam com mais dados do que os transponders Mode A/C. Estes dados são colocados em um dos 255 registros do Modo S, cada um com um comprimento de 56 bits. Uma vez que dados válidos são colocados nestes registros, eles podem ser seletivamente interrogados pelos sistemas Modo S pelo seu conteúdo. Os sistemas Modo S oferecem duas capacidades diferentes; Vigilância Elementar (ELS) e Vigilância Avançada (EHS). Sistemas capazes de EHS fornecem capacidade do ELS mais outros dados.

• ELS: O sistema deve fornecer relatório automático de identidade da aeronave, relatório de capacidade do transponder, status do vôo (no ar/no solo), relatório de altitude.
• EHS: O sistema fornece capacidade ELS, mais Altitude selecionada no registro (4,0), Ângulo de rolagem, Taxa de ângulo de pista, Ângulo de pista verdadeiro, Velocidade no solo no registro (5,0), Cabeçalho magnético, Velocidade do ar indicada/número de máquina, Taxa vertical no registro (6,0).

Nota: Cada mensagem Modo S, incluindo as mensagens ADS-B explicadas na próxima seção trazem o endereço de Modo S de 24 bits do remetente.

ADS-B

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast) é uma função para aeronaves aéreas ou de superfície, ou outros veículos de superfície que operam com a área de movimento de superfície do aeroporto que transmite periodicamente o seu vector de estado (posição horizontal e vertical, velocidade horizontal e vertical) e outras informações, de acordo com o RTCA DO-260B.

• Automático: Não é necessário estímulo externo(como interrogações do Modo S).
• Dependente: Depende de fontes de navegação a bordo e subsistemas de transmissão (principalmente GPS, ADC).
• Vigilância: Fornece informações de vigilância para outros usuários
• Broadcast: O sistema ADS-B pode ou não ter o conhecimento de quais usuários estão recebendo sua transmissão.

Sistemas ADS-B transmitem os dados agrupados em certos registros abaixo;

• Registro 0,5: Altitude, Latitude e Longitude aerotransportadas.
• Registro 0,6: Movimento de superfície, rumo, latitude e longitude.
• Registro 0,8: Identificação e categoria da aeronave.
• Registro 0,9: Velocidade leste-oeste e velocidade norte-sul ou rumo e velocidade do ar (dependendo do subtipo), taxa vertical, diferença de altura geométrica em relação à altitude barométrica.

Até ao ano 2020, todas as aeronaves comerciais e aeronaves a voar na Classe A, B & C têm de estar equipadas com transponders com capacidade de saída ADS-B, o que significa que têm de ter capacidade de transmissão mas não necessariamente capacidade de receber e descodificar mensagens ADS-B.

Modo S e TCAS

TCAS é a abreviação de Sistema de Alerta de Tráfego e de Prevenção de Colisões. O TCAS usa interrogatórios do Modo S ar-ar para se comunicar uns com os outros. O sistema avalia as ameaças de colisão pelo alcance, velocidade, pista e altitude de outras aeronaves.

Os sistemas TCAS interrogam entre 20 Nm e 40 Nm de alcance. Eles usam ATSCRBS/Mode S Todos os interrogatórios de chamada. O transponder Modo S que transporta aeronaves pode então ser interrogado com interrogações seletivas para mais dados.

Aviso de tráfego(T.A.) é ativado quando há uma possível colisão calculada em 40 segundos. A escolha é deixada à tripulação neste caso, já que é fácil detectar visualmente o intruso (outras aeronaves) em 40 segundos. O aviso de tráfego é apenas alerta vocal.

Resolution Advisory(T.A.) é ativado em 25 segundos para uma possível colisão, quando a tripulação não manobrar a aeronave de forma a reduzir a probabilidade de colisão. R.A. implica que não há tempo suficiente para detectar visualmente as aeronaves intrusoras. O aviso de resolução pode ser Escalada! ou Descida!.

SistemasTCAS transmitidos R.A. através do Modo S para outras aeronaves. A aeronave receptora pode então calcular o seu próprio A.R. que evitaria a colisão. Por exemplo, se uma aeronave decide subir como R.A. e o transmite, a aeronave receptora decidirá descer como seu R.A. para evitar a colisão.

Conclusion

Al embora o Modo S tenha sido desenvolvido para responder ao problema de espaço aéreo superlotado, em alguns locais ele se tornou insuficiente. Para citar Mr. Douwe Lambers directamente;

Introduzir muitos drones com ADS-B inundará a banda de 1090 MHz com mensagens. Isto irá degradar todos os sistemas que trabalham em 1090 MHz, tais como o Modo A/C, 1/2/3/4/5, S e TCAS. Interferência é provável e em áreas congestionadas como Frankfurt ou a bacia de Los Angeles a frequência já está congestionada sem tráfego de drones.

Esta foi uma questão de saber se podemos integrar drones com capacidade ADS-B no sistema de vigilância atual. O FAA vai para um sistema diferente para os drones para atingir o mesmo objetivo, chamado Identificação Remota. Mas o problema com os sistemas Mode S atuais permanece, será necessário uma atualização no futuro?

Note: Você pode ler meu artigo sobre Integração de Drones COTS na Rede ATC para mais informações sobre o tópico.