Systémy zabezpečenia a riadenia leteckej prevádzky II

1. Systémy zabezpečenia a riadenia leteckej prevádzky II Systémy spracovania radarových a letových dát 2 Ing. Ľubomír FÁBRY, PhD.

2. Monoimpulzný sekundárny prehľadový radar Niektoré nedostatky klasického sekundárneho prehľadového radaru sa podarilo odstrániť alebo minimalizovať vyvinutím monoimpulzného sekundárneho prehľadového radaru (MSSR – Monopulse Secondary Surveillance Radar). Monimpulzné radary majú svoj pôvod vo vojenských sledovacích radaroch (primárne radary), ktoré po zachytení cieľa automaticky natočili anténu na zvolený cieľ a ten potom ďalej sledovali. Od sedemdesiatych rokov sa monoimpulzná technológia začala používať aj v sekundárnych radaroch. MSSR mód S Použitím monoimpulznej technológie sa dosiahli určité zlepšenia v oblasti sekundárnych radarov. Naďalej však pretrvávajú problémy ako FRUIT, garbling, obmedzený počet 4 096 kódov pre mód A a to, že SSR systém predstavuje veľmi obmedzený dátový prenos. Všetky spomínané problémy je možné eliminovať použitím sekundárneho prehľadového radaru s adresným dopytovaním – mód S (S – selektívny). Použitím individuálnej adresy pre každé jedno lietadlo je možné vykonávať selektívne dopytovanie a vyriešiť tak aj problém s obmedzeným počtom kódov pre mód A. Selektívne dopytovanie a vzájomná výmena radarových dát medzi jednotlivými radarmi znižujú FRUIT, možnosť preťaženia odpovedačov a možnosť vzniku garblingu. Možnosť prenášať aj iné dáta ako je identifikácia a letová hladina je daná definíciou tvaru dopytu a odpovede pri móde S. Použitím monoimpulznej technológie sa v prípade sekundárnych radarov podarilo odstrániť alebo aspoň minimalizovať niektoré ich nevýhody: • zvýšila sa presnosť určenia polohy cieľa v azimute, ktorá pri klasickom SSR bola asi 1 – 2 stupne, pri MSSR sa zvýšila rádovo na stotiny stupňa • zavedenie novších algoritmov do spracovania informácie v extraktore umožnilo riešiť niektoré prípady garblingu, t. j. zistiť ciele a dekódovať ich odpovede aj v prípade ich prekrývania (degarbling) • znížením opakovacej frekvencie dopytovača sa znížila úroveň asynchrónneho rušenia (FRUIT) a pravdepodobnosť preťaženia odpovedačov • väčšia presnosť určenia polohy cieľa v azimute umožňuje lepšie vyhladenie trajektórie cieľa pri trackingu Mód S – na dopyt odpovedajú len odpovedače módu S so známou adresou. Tento mód slúži na komunikáciu s vybraným lietadlom na základe zistenej adresy, je to selektívny mód a používa sa pre neho výraz Roll – Call. Impulz P6 sa používa na prenos dát, krátky je 56 bitový a využíva sa pre sledovanie, dlhý je 112 bitový a slúži na prenos ďalších dát. Periódy All – Call (neselektívny dopyt) a Roll – Call (selektívny dopyt) sa pravidelne striedajú, čím je zabezpečené aj pravidelné zisťovanie nových lietadiel, ktoré vstúpili do krytia radaru ale zároveň sa znižuje zaťaženie odpovedačov (a tým aj FRUIT) tých lietadiel, ktorých adresy módu S sú už zistené. Pre porovnanie, typická hodnota opakovacej frekvencie pri MSSR je 100 – 200 Hz, použitím módu S sa zníži na 40 – 50 Hz. Každému dopytovaču je pridelený vlastný kód, tzv. identifikátor dopytovača (II – Interrogator Identifier). Každé lietadlo, ktoré vstúpi do oblasti krytia daného dopytovača dostane informáciu o jeho II kóde a pokiaľ je v tejto oblasti už viac neodpovedá na All – Call dopyt. Dopytovač módu S môže pracovať v dvoch režimoch a to v tzv. intermóde, alebo v móde S. Intermód - používajú sa dva druhy dopytov, ktoré sa líšia šírkou impulzu P4: • dopyt A/C – krátky impulz P4 – odpovedá klasický odpovedač v móde A/C, odpovedač módu S neodpovedá • dopyt A/C/S – dlhý impulz P4 - odpovedá klasický odpovedač v móde A/C a odpovedač módu S v odpovedi odošle svoju 24 bitovú adresu. Pre tento typ dopytu, ktorý je neselektívny, sa používa výraz All – Call. Dopyt A/C/S slúži na zistenie všetkých lietadiel v dosahu radaru a adries tých, ktoré sú vybavené odpovedačom módu S. Pri použití módu S musia byť splnené tieto podmienky: • musia sa použiť rovnaké pracovné frekvencie, t. j. 1 030 MHz pre dopyt, 1 090 MHz pre odpoveď • musí byť použitý monoimpulzný sekundárny prehľadový radar • dopytovač módu S musí byť schopný spolupracovať aj s klasickými odpovedačmi, ktoré pracujú v móde A/C • odpovedač módu S musí byť schopný odpovedať aj na dopyt klasického (M)SSR v móde A/C

3. Spracovanie a formát radarovej informácie Sledovanie ako jednu z domén CNS (Communication, Navigation, Surveillance) možno po technickej stránke rozdeliť na dve časti: • senzory (radary), • systémy spracovania a distribúcie radarových (sledovacích) dát. Primárne, sekundárne a terciárne spracovanie radarovej informácie Celý reťazec sledovania (radarový reťazec) možno vo všeobecnosti znázorniť podľa obrázka. Reťazec sa skladá zo senzora (radaru), blokov primárneho (v rámci scanu), sekundárneho (v rámci viacerých po sebe nasledujúcich scanoch) a terciárneho (viac radarov) spracovania radarovej informácie a zobrazovacieho systému. Kompletný radarový reťazec

4. Primárne spracovanie sa vykonáva v extraktore, ktorý je súčasťou samotného radaru. Extraktor spracováva informáciu o polohe cieľa v rámci jednej otáčky antény (scanu). Výstupom extraktora je správa o plote (cieli), ktorá sa posiela do ďalšieho stupňa spracovania. Sekundárne spracovanie sa vykonáva v špeciálnom jednoúčelovom počítači, ktorý sa nazýva tracker. Tracker spracováva informáciu o polohe cieľa v rámci viacerých po sebe nasledujúcich otáčok antény (scanov). Výstupom trackera je informácia o tracku, ktorá sa ďalej spracováva. Tracker môže byť súčasťou samotného radaru a vtedy sa do terciárneho spracovania posielajú správy o trackoch. Ak tracker nie je súčasťou radaru, potom sa z radaru posielajú výstupy z extraktora (správy o plotoch), ktoré sa ďalej spracovávajú. V prípade inštalácie primárneho a sekundárneho radaru so spoločnou anténovou mechanikou (tzv. kolokovaný PSR a SSR) sa väčšinou používa spoločný extraktor aj tracker. Primárne a sekundárne spracovanie radarovej informácia sa zaoberá informáciami z jedného senzoru (radaru). Aby sa zabezpečilo dostatočné pokrytie riadenej oblasti vzdušného priestoru radarovým signálom musí sa vzhľadom na fyzikálne vlastnosti rádiových vĺn a spôsob ich šírenia použiť vyšší počet radarov. Aby bolo možné takto získanú informáciu o vzdušnej situácii prehľadne zobraziť, zavádza sa terciárne spracovanie radarovej informácie, ktoré spracováva radarovú informáciu z viacerých senzorov. Tie sú rozmiestnené tak, aby sa ich krytia prekrývali a aby bola splnená požiadavka na minimálne dvojité sekundárne krytie riadenej oblasti. Terciárne spracovanie zároveň zvyšuje presnosť zistenia polohy cieľov a zabezpečuje radarové krytie danej oblasti aj v prípade poruchy niektorého z pripojených radarových senzorov. Terciárne spracovanie sa vykonáva v systémoch spracovania radarových (sledovacích) dát. Tieto systémy sa označujú v literatúre aj RDPS – Radar Data Processing Systems alebo SDPS – Surveillance Data Processing Systems. V súčasnosti sa najviac používajú dve konfigurácie systémov spracovania radarových dát, a to s alebo bez monoradarového trackera. Ak sú vstupné radarové dáta vo forme plotov, je zrejmé, že RDPS bude s monoradarovým trackerom. Vždy sa používa jeden monoradarový tracker pre jeden radarový vstup. V prípade vstupných radarových dát vo forme trackov sa vykonáva priamo multiradarové spracovanie týchto dát. Systémy spracovania radarových dát okrem multiradarového trackingu a korelácie trackov s letovými plánmi vykonávajú aj prídavné funkcie ako STCA – Short Term Conflict Alert, APW – Area Proximity Warning, MSAW – Minimum Safe Altitude Warning a pod.

5. Schéma terciálneho spracovania

6. Formáty radarových dát Ploty alebo tracky sa z radarov do systémov spracovania radarových dát prenášajú vo forme správy, ktorá obsahuje určité údaje o cieli, o jeho polohe a môže obsahovať ešte niektoré doplnkové informácie. Tieto správy musia mať určitú presnú štruktúru, formát, na základe ktorého RDPS dokáže túto správu dešifrovať. V súčasnosti sa používa množstvo formátov radarových dát. Niektoré boli vytvorené výrobcami radarov a RDPS, niektoré boli spracované a navrhnuté ako možný štandard. Moderné radary, ktoré prevádzkuje LPS SR, š. p., používajú dva formáty radarových dát a to AIRCAT 500 a ASTERIX. AIRCAT 500 je formát vytvorený spoločnosťou Thomson - CSF (teraz THALES ATM). Používal sa v systéme EUROCAT 2000, ktorý LPS SR, š. p. prevádzkoval ako hlavný RDP systém. Naďalej sa používa v záložnom RDP systéme LETVIS. Zobrazenie radarovej informácie Zobrazenie radarovej informácie predstavuje posledný stupeň celého radarového reťazca. Zohráva dôležitú úlohu pri bezpečnom a kvalitnom poskytovaní letových prevádzkových služieb. Podľa usporiadania súradnicových osí existuje, alebo sa používalo niekoľko hlavných spôsobov zobrazenia: • jednorozmerné – umožňovalo určovať iba diaľku cieľa • dvojrozmerné – umožňovalo určovať dve súradnice cieľa • prehľadové – najčastejšie používané, umožňuje určiť dve súradnice cieľa (diaľka, azimut) vztiahnuté voči určitému vzťažnému bodu (stanovište radaru) Zavedenie počítačov do systémov zobrazenia predstavovalo veľký skok v kvalite a presnosti zobrazenia radarovej informácie. Tento spôsob zobrazenia využíva grafické generátory pre generovanie máp a samotné zobrazovanie cieľov. Ako zobrazovacie jednotky sa používajú farebné monitory s vysokým rozlíšením (napríklad 2048 x 2048 bodov). Jednotlivé zobrazovacie zariadenia sú pripojené k systému spracovania radarových dát pomocou LAN siete. Po tejto sieti sa prenášajú k jednotlivým zobrazovacím zariadeniam všetky informácie, ktoré sa majú zobraziť, napr. multitrack, letové plány a pod. Analógová primárna radarová informácia sa pripája priamo do grafického generátora, kde sa pomocou A/D prevodníkov mení na digitálnu informáciu a tak sa zobrazuje na monitore. Kvôli štandardizácii a k zjednodušeniu výmeny dát medzi jednotlivými poskytovateľmi letových prevádzkových služieb bol v rámci organizácie Eurocontrol vytvorený štandardný formát pre kódovanie a distribúciu radarových dát. Tento formát sa nazýva ASTERIX (All purpose Structured Eurocontrol Radar Information eXchange). V ňom sú radarové dáta rozdelené do 256 kategórií, čo umožňuje ľahkú identifikáciu dát. Formát ASTERIX sa používa v súčasne prevádzkovanom RDPsystéme EUROCAT 2000. Z tých istých dôvodov ako ASTERIX bolo organizáciou Eurocontrol vyvinuté a je aj distribuované zariadenie RMCDE – Radar Message Conversion and Distribution Equipment. RMCDE slúži na prevod radarových dát v rôznych formátoch na štandardný ASTERIX. Zároveň umožňuje distribúciu týchto dát pre iné RMCDE po dátovýchsieťach a pre RDPS po LAN sieti.

7. Automatické závislé sledovanie Zvyšovanie hustoty leteckej premávky prináša so sebou množstvo problémov. V oblasti sledovania je to najmä preťaženie odpovedačov, zvýšený FRUIT a garbling. K tomu sa ešte pridáva obmedzený počet 4 096 kódov pre mód A a to, že SSR systém predstavuje veľmi obmedzený dátový prenos, ktorý neumožňuje prenášať okrem módov A a C žiadne iné užitočné informácie či už v smere zem – vzduch, vzduch – zem alebo vzduch – vzduch. Ďalším problémom je letová prevádzka nad oceánmi alebo oblasťami pevniny, ktoré nie sú pokryté radarovým signálom. V týchto oblastiach je poloha lietadiel oznamovaná hláseniami posádok. Dlhé časové intervaly medzi jednotlivými hláseniami vedú z dôvodu bezpečnosti letovej prevádzky k veľkým rozstupom medzi lietadlami a tým aj k obmedzeniu kapacity tratí, ktoré vedú ponad takéto oblasti. Jedným z možných budúcich riešení týchto problémov je použitie automatického závislého sledovania (ADS – Automatic Dependent Surveillance). (ADS-B Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, Extended Automatic Dependent Surveillance ) http://www.sra.com/era/ads-b.php Automatické závislé sledovanie

8. Veľkou výhodou ADS oproti radarom je jeho schopnosť prenášať dátovou linkou aj iné informácie ako sú informácie o identifikácii a polohe lietadla. V terminológii ADS sa informácia o polohe lietadla nazýva správa o polohe (position report) a obsahuje: • identifikáciu lietadla • trojrozmernú polohu • časovú značku • indikáciu navigačnej FOM (Figure Of Merit), t. j presnosť navigačného systému • iné možné informácie ako track, traťová rýchlosť, vzdušná rýchlosť a kurz, meteorologická informácia a pod. Automatické závislé sledovanie je sledovanie, pri ktorom lietadlo automaticky zisťuje a poskytuje dáta odvodené z palubných navigačných systémov vrátane identifikácie lietadla, štvorrozmernej polohy (poloha v priestore vrátane časovej informácie) a prídavných dát. ADS je plne závislé na dátach a systémoch, ktoré sú k dispozícii na palube lietadla. V tomto je najvýraznejší rozdiel medzi ADS a konvenčným spôsobom sledovania pomocou radarov. Pri ADS je poloha lietadla zisťovaná automaticky a výhradne prístrojmi na palube lietadla. Vo všetkých radarových systémoch je meraná v samotných senzoroch, ktoré sú umiestnené na zemi. Tým ADS zmenilo úlohu pozemných zariadení z meracích (radary merajú presnú diaľku a azimut cieľov) na komunikačné systémy pre prenos dát. Základným zdrojom informácie o polohe lietadla je GPS a využíva ho väčšina implementácií ADS. Napriek tomu sú využívané aj klasické navigačné systémy napr. VOR, DME a pod.

9. ADS-Contract je známe aj ako adresované ADS (ADS-A). Je založené na dátovom spojení bod – bod. Každá správa o polohe sa posiela z lietadla jedinému pozemnému príjemcovi. Prijatie správy o polohe je potvrdzované príjemcom, takže lietadlo má informáciu o jej doručení. Kontrakt je vyvolaný pozemnou funkciou a musí byť potvrdený medzi zemou a lietadlom. Umožňuje pozemnej funkcii špecifikovať aký druh dát a v akom množstve budú dáta doručené na zem. Lietadlo môže mať vytvorených súčasne niekoľko kontraktov s rôznymi pozemnými funkciami, ktoré môžu zahŕňať: • Short Term Conflict Alert (STCA), • spracovanie a distribúciu sledovacích dát (SDPD, ARTAS), • riadiaceho a pracovnú stanicu riadiaceho, • spracovanie letových plánov. Použité dátové spojenie bod – bod zaručuje prijatie každej správy o polohe okrem prípadu, keď by prišlo k úplnej strate komunikačného spojenia, na čo by však bol odosielateľ upozornený. Existujú tri typy kontraktu: • Pravidelný – lietadlo v pravidelných intervaloch posiela správu o polohe. • Pri udalosti – lietadlo pošle správu o polohe ak je palubnými prístrojmi zaznamenaná nejaká zmena parametrov letu, napr. zmena letovej hladiny alebo rýchlosti letu. • Na požiadanie – lietadlo pošle správu o polohe na vyžiadanie pozemnej funkcie. Lietadlo môže takisto vysielať v núdzovom móde. V tomto prípade sa nejedná o kontrakt a vysielanie je vyvolané lietadlom. Na prenos dát ADS sa využívajú tri možné cesty: • satelitná komunikácia • VKV (VHF) komunikácia • MSSR mód S Všetky tieto linky sú prepojené so systémom spracovania sledovacích dát (SDPS), kde sa ADS dáta vyhodnocujú a zobrazuje sa trajektória letu s ďalšími doplnkovými informáciami. Existujú tri typy ADS a to ADS-C (ADS-Contract) ADS-B (ADS-Broadcast) ADS-X (Extendent ADS) Všetky typy majú rovnaké požiadavky na navigačný systém, ale rozlišujú sa používanou komunikačnou dátovou linkou.

10. ADS-Broadcast Pri ADS-Broadcast (broadcast = rozhlas) lietadlo vysiela správu o polohe automaticky a tá môže byť prijatá ktorýmkoľvek lietadlom alebo pozemným prijímačom v dosahu vysielania (preto broadcast). Prijatie správy o polohe nie je potvrdzované príjemcom a lietadlo nevie, či správa bola niekým prijatá. Preto sa správy o polohe vysielajú často a pravidelne, takže strata malého množstva správ o polohe nie je z prevádzkového hľadiska významná. Prístroje lietadla, ktoré prijalo správy o polohe od okolitých lietadiel môžu vytvoriť pre pilotov obraz vzdušnej situácie. To umožňuje pilotom včas reagovať na novú situáciu. Tento spôsob sledovania vzduch – vzduch nie je možný pri ADS-C. Automatické závislé sledovanie a vysielanie ADS-B

11. Extended Automatic Dependent Surveillance Technology - ADS-X Rozšírené automatické závislé sledovanie (ADS-X) je sieťovo-centralizovaným riadením letovej prevádzky. Je to riešenie, ktoré kombinuje ADS-B a iné mnohostranné (multiúrovňové - MLAT) technológie do jedného vstupu. Systém sa aktívne presadzuje vo vývoji ADS-X, aby vyhovovali dnešnému leteckému parku a plne pokrýval potreby a zároveň umožňoval rýchlejší, nákladovo-efektívnejší prechod na implementácie ADS-B. ADS-X integruje MLAT techniky do ADS-B infraštruktúry, ktoré pomôžu zjednodušiť vybavenie, overovanie a vysielanie doplnkových údajov spojených s ADS-B. Vzhľadom k tomu, MLAT technika môže na signály transpondéra v procese Módu A / C / S, využiť sieť pozemných staníc ku určeniu polohu lietadla, stáva sa trendom pre nové avionické vybavenie. To umožňuje poskytovateľom leteckých navigačných služieb nasadenie novej generácie, nízkonákladových technológií bez obmedzujúcich národných a profesných certifikátov do riešení pre modernizovanie lietadiel. Navyše, ADS-X rieši základné ADS-B výzvové odpovede : je potrebné pre nezávislé zálohovanie a overovanie ADS-B hlásení samostatnej pozície. Zahrnutie schopností MLAT do ADS-B, bude sieť overovať údaje o polohe v reálnom čase bez rozdielu doby MLAT využívajúce triangulačné zamerania Rozšírené automatické závislé sledovanie a technológie ADS-X

12. V rámci organizácie Eurocontrol sa realizuje projekt ARTAS (ATM suRveillance Tracker And Server). ARTAS 1 je tracker, ktorý dokáže spracovať všetky zdroje radarových dát. Zároveň vykonáva aj funkciu servera a distribuuje radarové dáta ďalším užívateľom. ARTAS 2 je okrem toho schopný spracovať dáta v Móde S a dáta ADS-C a ADS-B. Ako formát správ sa využíva ASTERIX. Je to vlastne forma ADS - X • Ako každý systém má aj ADS svoje výhody a nevýhody: • Výhody ADS • umožňuje zmenšiť rozstupy medzi lietadlami a zvýšiť počet priamych tratí, • umožňuje sledovanie lietadiel nad územiami, ktoré nie je možné pokryť radarovým signálom, • je možný prenos rôznych dát zem – vzduch, vzduch – zem a vzduch – vzduch, • ADS-B prináša možnosť sledovania vzduch – vzduch. • Nevýhody ADS • nutnosť rozšírenia palubného technického vybavenia lietadiel, • závislosť na jednom hlavnom navigačnom systéme (GPS), • ADS-C závisí kriticky na vlastnostiach použitých dátových sietí. Aj napriek zavádzaniu ADS-X si použitie ADS v budúcnosti vyžaduje technicky aj finančne náročné úpravy pozemných ako aj palubných systémov. Pri pozemných systémoch to predstavuje nasledovné kroky: • inštaláciu pozemných staníc pre ADS-B, t. j. antén pre Mód S (na rozdiel od MSSR mód S budú statické) alebo pozemných staníc pre VDL Mód 4 (VDL – VHF Digital Link =VKV digitálna linka), • inštaláciu komunikačnej infraštruktúry pre ADS-C, t. j. pozemných satelitných staníc, pozemných ATN (AirTrafficNetwork) routerov a komunikácie zem – zem, • rozšírenie FDP systémov, nástrojov pre riadiacich a zobrazovacích jednotiek.

13. Ďakujem za pozornosť Máte nejaké otázky ??