Historiskt sett var kommunikation det mest efterfrågade kravet efter navigering. Den användes för att styra trafiken och förhindra kollisioner, sprida väderinformation och hantera operativa meddelanden.

I början kunde en flygledare kontakta ett flygplan och begära dess position, som bestämdes av flygbesättningen från dess navigationssystem. Eftersom positionen från dessa källor inte var särskilt exakt var flygplan under flygtrafikledning (ATC) tvungna att vara långt ifrån andra flygplan för att förhindra kollisioner i närheten av trånga större knutpunkter. Någon metod för att lokalisera flygplan som inte kräver röstkommunikation med besättningen var mycket angelägen.

Radio detection and ranging (primär radar) utvecklades under andra världskriget för detta ändamål. Flygplanets höjd och position beräknades med hjälp av radarns elevationsvinkel (ε) och avståndet (R) mellan radarn och flygplanet (vilket uppskattades med hjälp av radiovågornas restid multiplicerad med ljusets hastighet). Detta är en förenklad formel, men den ursprungliga formeln tar hänsyn till jordens krökning och brytning av radiovågorna i atmosfären.

Ett andra problem var svårigheten att positivt identifiera ett flygplan. De primära radarreflektionerna från både fientliga och vänliga flygplan var i stort sett desamma. Identifiering av vän eller fiende (IFF) tillsammans med sekundärradar utvecklas för att lösa detta problem.

Mode A och Mode C

IFF-systemet har 5 lägen, Mode 1 till Mode 5. Vi kommer att fokusera på läge 3 i den här artikeln eftersom det är det mest populära och det används även av civila flygplan.

Läge 3 har två olika sublägen. Den första är Mode A, som är en fyrsiffrig oktalkod (siffrorna är mellan 0-7) som ger tillfällig identitet. Mode C är information om flygplanets tryckhöjd.

IFF-utrustning kallas transponder, en förkortning för transmitter-responder. Före eller under varje flygning kan piloter instrueras av ATC-personal att ”Squawk XXXX”. XXXX i detta sammanhang Mode 3/A-kod. Mode 3/A-kod är luftfartygets tillfälliga identitet för ATC. Piloten ställer sedan in transponderns Mode 3/A-kod till den begärda koden. Denna kod skickas sedan som svar på ATC:s Mode 3/A-förfrågningar. Mode 3/A-koden kan användas för andra ändamål än identifiering. Några viktiga Mode 3/A-koder som används för andra ändamål än identifiering är:

• 1200: Används vanligen av luftfartyg enligt reglerna för visuell flygning (VFR)
• 7700: Används i nödsituationer
• 7600: Används när radiokommunikationen misslyckas
• 7500: Används vid kapning (olaglig störning) av flygplanet

Mode 3/C är tryckhöjdsinformation som används tillsammans med Mode 3/A. Mode 3/A kan användas ensam men Mode 3/C kan endast användas tillsammans med Mode 3/A. Denna höjdinformation har 100 fot stegvis.

Piloter kan aktivera eller inaktivera Mode 3/A- och Mode 3/C-svar från transpondern. Men om de är aktiverade svarar transpondern på Mode 3/A- och Mode 3/C-förfrågningar med Mode 3/A- och Mode 3/C-svar för att dela med sig av identifikations- och höjdinformation.

Secondary Surveillance Radar (SSR) används för att förhöra flygplanstranspondrar. SSR är i allmänhet placerad ovanpå den primära radarn, därför tittar de i samma riktning. Detta system kallas Air Traffic Control Radar Beacon System (ATCRBS). Båda radarerna roterar i samma tid/riktning och SSR skickar förfrågningar i en radiovågsstråle. Alla luftfartyg som flyger genom strålen reagerar på lämpligt sätt. På detta sätt kan luftfartygets riktning (uppskattad av den primära radarn) och identifierings-/höjddata från transpondern korreleras för att positivt identifiera luftfartyget och få en tredimensionell positionsbestämning av luftfartyget.

Nackdelar med Mode 3/A och Mode 3/C

Och även om dessa tidiga system bidrog till att lösa problemet med identifiering och tredimensionell positionsbestämning var de i sig otillräckliga.

• Svaren från Mode 3/C hade inte någon feldetektion/korrigering. För att åtgärda detta görs flera förfrågningar för att välja det mest ”populära” svaret som det korrekta höjdsvaret. Detta ledde till att svarsfrekvensen blev uppblåst.
• Flera flygplan i samma riktning mot radarn svarade på förfrågningar samtidigt. Detta skapar oordning och det är svårt att avgöra vilket svar som tillhör vilket flygplan.
• Mode 3/A-koder blir otillräckliga i vissa överbefolkade områden eftersom de endast består av fyra oktalsiffror (8⁴ chanser).

Mode S

Federal Aviation Administration (FAA) har utvecklat ett nytt system som möjliggör unik identitet, selektivt förhör och ett enda svar. Det nya systemets specifikationer var följande:

• Selektivt förhör: För att minska störningarna kan varje flygplan förfrågas selektivt med sin unika 24-bitars Mode S-adress.
• Större datamängd: Mode S-systemet hanterar mycket större datamängder än ett enkelt identifierings- och höjdpar.
• Bakåtkompatibilitet: Mode S-systemet kan fungera med Mode 3 A/C(ATCRBS)-system. De använder därför samma frekvensband för förfrågan och svar.
• Felupptäckt: 24 bitars CRC-mekanism används för att upptäcka fel i Mode S-meddelanden, vilket möjliggör robust kommunikation. Detta eliminerar behovet av flera förfrågningar och svar som används i Mode 3 A/C-system.
• Spektrumeffektivitet: Tack vare selektiv förfrågan och feldetektering används spektrumet mer effektivt.

Mode S-interrogationstyper

Mode S-system har två typer av förfrågningar: icke-selektiva och selektiva. Låt oss se deras specifikationer och användningsområden.

Mode S Icke-selektiva förhör

Mode S-system med sin bakåtriktade kapacitet har dessa icke-selektiva förhörstyper.

• ATCRBS All Call: Mode A/C-transpondrar svarar normalt på denna fråga. Mode S-transpondrar svarar på detta förhör som om de vore Mode A/C-transpondrar, med samma vågform.
• ATSCRBS/Mode S All Call: Mode A/C-transpondrar svarar med ID/höjddata. Mode S-transpondrar svarar med information om ID/höjd och Mode S-adress i Mode S-vågform.
• ATCRBS Only All Call: Endast transpondrar som är kapabla till läge A/C svarar på denna förfrågan med ID/höjddata. Modustranspondrar förblir tysta
• Mode S Only All Call: Endast Mode S-transpondrar svarar på denna förfrågan. Mode A/C-transpondrar svarar inte.

Mode S Selective Interrogation

När målflygplanets Mode A-adress är känd av Mode S-systemet, läggs den till roll-call, en pool av Mode S-adresser för selektiv förfrågan. Selektiv förfrågan görs för att förvärva olika delar av Mode S-data.

Exempel på användning av Mode S-förfrågningar

Låt oss anta att Mode S-förfrågningssystemet startar i kallt tillstånd, utan att någon tidigare information har lagrats. Det finns Mode A/C-transpondrar och Mode S-transpondrar på luftfartyg i luftrummet.

1. ATCRBS All Call används för att erhålla Mode A-identiteter och höjder för alla luftfartyg.
2. ATSCRBS/Mode S All Call eller Mode S Only All Call används för att erhålla alla Mode S-adresser för luftfartyg som kan använda Mode S. Dessa Mode S-adresser registreras i en lista för senare användning. Registrerade luftfartyg kan låsas från framtida Mode S All Calls för att minska onödiga svar.
3. I detta skede vet det förfrågande systemet vilket luftfartyg som har vilken förmåga. Luftfartyg i läge A/C förfrågas med ATCRBS Only All Call. Mode S-kapabla luftfartyg förfrågas med Mode S selektivt förhör med hjälp av en lista över upprop.

Mode S Dataset

Mode S-system hanterar fler data än Mode A/C-transpondrar. Dessa data förs in i ett av 255 Mode S-register, vart och ett med en längd på 56 bitar. När giltiga data har lagts in i dessa register kan de selektivt förfrågas av Mode S-system om deras innehåll. Mode S-system har två olika funktioner: elementär övervakning (ELS) och utökad övervakning (EHS). System med EHS-kapacitet ger ELS-kapacitet plus andra data.

• ELS: Systemet måste tillhandahålla automatisk rapportering av luftfartygsidentitet, rapport om transponderförmåga, flygstatus (i luften/på marken), höjdrapport.
• EHS: Systemet tillhandahåller ELS-kapacitet, plus vald höjd i registret (4,0), rullvinkel, spårvinkelhastighet, sann spårvinkel, markhastighet i registret (5,0), magnetisk kurs, indikerad flyghastighet/Mach nr, vertikalhastighet i registret (6,0).

Anm.: Varje Mode S-meddelande, inklusive ADS-B-meddelanden som förklaras i nästa avsnitt, bär avsändarens 24 bitars Mode S-adress.

ADS-B

ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) är en funktion för luftburna eller markbundna luftfartyg eller andra markbundna fordon som är verksamma inom flygplatsens rörelseområde och som regelbundet sänder sin tillståndsvektor (horisontell och vertikal position, horisontell och vertikal hastighet) och annan information i enlighet med RTCA DO-260B.

• Automatisk:
• : Automatiskt: Ingen extern stimulans (t.ex. Mode S-intervjuer) behövs.
• Beroende: Den är beroende av navigationskällor och sändande delsystem ombord (främst GPS, ADC).
• Övervakning: Tillhandahåller övervakningsinformation för andra användare
• Sändning: ADS-B-systemet kan ha kännedom om vilka användare som tar emot sändningen eller inte.

ADS-B-system sänder data som är grupperade i vissa av nedanstående register;

• Register 0,5: Luftburen höjd, latitud och longitud.
• Register 0,6: Ytförflyttning, kurs, latitud och longitud.
• Register 0,8: Flygplansidentifiering och kategori.
• Register 0,9: Hastighet i öst-västlig riktning och hastighet i nord-sydlig riktning eller kurs och lufthastighet (beroende på undertyp), vertikal hastighet, geometrisk höjdskillnad från barometrisk höjd.

För år 2020 måste alla kommersiella luftfartyg och luftfartyg som flyger i luftrum av klass A, B & C vara utrustade med transpondrar med ADS-B out-funktion, vilket innebär att de måste ha sändningskapacitet, men inte nödvändigtvis kapacitet att ta emot och avkoda ADS-B-meddelanden.

Mode S and TCAS

TCAS är en förkortning för Traffic Alert and Collision Avoidance System. TCAS använder luft-till-luft-mode S-förfrågningar för att kommunicera med varandra. Systemet utvärderar kollisionsriskerna genom andra luftfartygs räckvidd, hastighet, spår och höjd.

TCAS-system förfrågar mellan 20 Nm och 40 Nm räckvidd. De använder ATSCRBS/Mode S All Call-intervjuer. Mode S-transpondrar som bär luftfartyg kan då förfrågas med selektiva förfrågningar för att få mer data.

Traffic Advisory (T.A.) aktiveras när det finns en möjlig kollision beräknad inom 40 sekunder. Valet lämnas till besättningen i detta fall, eftersom det är lätt att upptäcka inkräktaren (annat flygplan) visuellt inom 40 sekunder. Traffic advisory är bara Traffic! vocal alert.

Resolution Advisory (R.A.) aktiveras 25 sekunder före möjlig kollision, när besättningen inte manövrerar flygplanet på ett sätt som minskar sannolikheten för kollision. R.A. innebär att det inte finns tillräckligt med tid för att visuellt upptäcka inkräktande luftfartyg. Resolution advisory kan vara Climb! eller Descend!.

TCAS-system sänder R.A. via Mode S till andra luftfartyg. Det mottagande flygplanet kan då beräkna sin egen R.A. som förhindrar kollision. Om ett flygplan till exempel bestämmer sig för att stiga som R.A. och sänder ut det, kommer det mottagande flygplanet att bestämma sig för att gå ner som sin R.A. så att de undviker en kollision.

Slutsats

Och även om Mode S utvecklades för att lösa problemet med överbelastat luftrum, blev det otillräckligt på vissa platser. För att citera Douwe Lambers direkt;

Introduktion av många drönare med ADS-B kommer att översvämma 1090 MHz-bandet med meddelanden. Detta kommer att försämra alla system som arbetar på 1090 MHz, såsom Mode A/C, 1/2/3/4/5, S och TCAS. Interferens är trolig och i överbelastade områden som Frankfurt eller Los Angeles-bäckenet är frekvensen redan överbelastad utan drönartrafik.

Detta var en fråga om vi kan integrera drönare med ADS-B-funktion i nuvarande övervakningssystem. FAA satsar på ett annat system för drönare för att uppnå samma mål, kallat Remote Identification. Men problemet med nuvarande Mode S-system kvarstår, kommer det att behöva uppgraderas i framtiden?

Notera: Du kan läsa min artikel om att integrera COTS-drönare i ATC-nätverket för mer information om ämnet.