Miros aw Siergiejczyk, Karolina Krzykowska
Politechnika Warszawska, Wydzia7 TransportuWP$YW EUROPEJSKIEGO PROGRAMU CASCADE
NA JAKO() DOZOROWANIA W RUCHU
LOTNICZYM
R9kopis dostarczono, maj 2013
Streszczenie: Europejski program wdra=ania nowych technologii w zakresie dozorowania
CASCADE zosta7 stworzony przez EUROCONTROL w 2004 roku do koordynacji implementacji pocz?tkowych aplikacji automatycznego dozorowania z rozg7aszaniem (ADS – B – Automatic Dependent Surveillance - Broadcast) oraz systemu hiperbolicznego (WAM – Wide Area Multilateration) w Europie, np. w Czechach czy Tasmanii. Celem artyku7u jest okreYlenie wp7ywu takiego programu na rozwój infrastruktury, a co za tym idzie – na jakoY] dozorowania w ruchu lotniczym. Przedstawiono tak=e regulacje prawne, które okreYlaj? zakres funkcjonalnoYci programu. Wykorzystano literatur9 przedmiotu oraz normy i zarz?dzenia.
S owa kluczowe: dozorowanie, ruch lotniczy, nowe technologie
1. WPROWADZENIE
Europejski program wdra=ania nowych technologii w zakresie dozorowania CASCADE zosta7 stworzony przez EUROCONTROL w 2004 roku do koordynacji implementacji pocz?tkowych aplikacji automatycznego dozorowania z rozg7aszaniem (ADS – B) oraz systemu hiperbolicznego (WAM) w Europie. Jest to zatem projekt skupiaj?cy si9 na implementacji nowoczesnych metod nadzoru w ruchu lotniczym. W przeciwie^stwie do obecnie stosowanych technik dozorowania, system automatycznego dozorowania z rozg7aszaniem ADS – B zainstalowany w statku powietrznym – samodzielnie okreYla jego po7o=enie oraz inne parametry i przesy7a je do stacji naziemnej oraz innych u=ytkowników. Dane te okreYlane s? dzi9ki globalnemu systemowi nawigacji satelitarnej, a ich aktualizacja odbywa si9 raz na sekund9.
OkreYlanie pozycji pojazdu za pomoc? satelitów systemów nawigacyjnych zale=y od precyzji pomiaru czasu, st?d te= wa=na jest jego synchronizacja (satelity) z odbiornikiem u=ytkownika. W zale=noYci od mierzonych parametrów potrzebna jest okreYlona liczba satelitów.
2. CHARAKTERYSTYKA SYSTEMU AUTOMATYCZNEGO
DOZOROWANIA Z ROZG$ASZANIEM
Forma wiadomoYci wysy7anej przez ADS pojazdu to pakiet informacji zawarty 56 – bitowym polu danych rozbudowanego 112 – bitowego squitter’a przesy7anego na cz9stotliwoYci 1090 MHz. Pakiet ten zawiera zestaw zdefiniowanych parametrów pojazdu. WiadomoY] ADS – B spe7nia dwie funkcje: ADS – B Out (zwi?zana z przekazywaniem informacji) i ADS – B In (zwi?zana z otrzymywaniem informacji). Na rys. 1. przedstawiono uproszczony schemat funkcjonalny ADS – B.
Rys. 1. Uproszczony schemat funkcjonalny ADS – B
System ADS – B staje si9 coraz bardziej popularny w Europie oraz w Stanach Zjednoczonych, na co warto zwróci] szczególn? uwag9, tzn. mi9dzy innymi wyodr9bniono tam (USA) dwa 7?cza danych przystosowane do ADS – B: 1090 MHz extender squitter (1090 ES) oraz przekahnik o dost9pie uniwersalnym (Universal Access Transceiver UAT). 1090 ES jest 7?czem dedykowanym dla lotnictwa komunikacyjnego oraz wojskowego, natomiast UAT zosta7 stworzony dla general aviation. Dla kontrolera ruchu lotniczego typ 7?cza w sensie wyYwietlania danych – nie ma znaczenia, poniewa= s? dane s? wyYwietlane tak samo. Dodatkowo, wspomniane 7?cza poza ADS – B obs7uguj? tak=e us7ugi wspieraj?ce system, to jest TIS – B (Traffic Information Service – Broadcast) oraz FIS – B (Flight Information Services – Broadcast).
TIS – B jest us7ug?, której zadaniem jest nadawanie informacji o ruchu lotniczym ze stacji naziemnych statkom powietrznych wyposa=onym w ADS – B. iród7em danych s? radary dozorowania. Zalet? tej aplikacji jest zwi9kszanie YwiadomoYci sytuacyjnej pilota. FIS – B z kolei zajmuje si9 nadawaniem informacji meteorologicznej (np. METAR, SPECI, TAF) oraz innych, dodatkowych informacji lotniczych (NOTAM). Zalet? FIS – B
jest umo=liwianie pilotowi pozyskiwania informacji na temat aktualnej sytuacji meteorologicznej w powietrzu oraz na lotniskach.
3. ZA$O1ENIA I WYMAGANIA OPERACYJNE
DOTYCZ2CE WDRA1ANIA NOWYCH TECHNOLOGII
DOZOROWANIA
Powszechne wprowadzenie ADS – B w europejskiej przestrzeni powietrznej jest u7atwiane dzi9ki publikowaniu ustaw oraz rozporz?dze^ przez Komisj9 Europejsk?. Podstawowe oczekiwania wobec CASCADE obejmuj?:
, standaryzacj9, certyfikacj9 oraz wspomaganie integracji aplikacji wdro=ono zarówno w przestrzeni powietrznej, jak i w stacjach naziemnych;
, dzia7alnoY] wzgl9dem bezpiecze^stwa;
, analiz9 funkcjonalnoYci oraz analizy b79dów systemu (ich wykrycie oraz wyeliminowanie).
Cele programu realizowane s? dzi9ki Ycis7ej wspó7pracy z podmiotami mi9dzynarodowymi, których kompetencje obejmuj? wszystkie aspekty zarz?dzania ruchem lotniczym. Bliskie partnerstwo zosta7o ustalone pomi9dzy CASCADE oraz:
, providerami us7ug nawigacyjnych w Europie i na Ywiecie, a zw7aszcza z FAA, Air Services Australia i Nav Canada;
, operatorami statków powietrznych i ich organami przedstawicielskimi;
, partnerami przemys7owymi (producentami elektroniki lotniczej i infrastruktury naziemnej)
, organizacjami mi9dzynarodowymi, w tym ICAO, EUROCAE, EASA.
Co do kwestii prawnych, Komisja Europejska opublikowa7a przepis wykonawczy ustanawiaj?cy oczekiwania wobec wydajnoYci oraz interoperacyjnoYci s7u=by dozorowania dla Jednolitej Europejskiej Przestrzeni Powietrznej. Przepis ten definiuje wymagania w zakresie operacyjnoYci sprz9tu dozorowania w awionice statku powietrznego, oraz daty, do której samolot musi by] wyposa=ony przez przewohnika w ten sprz9t.
Zgodnie z rozporz?dzeniem wykonawczym [7], wszystkie statki powietrzne wykonuj?ce operacje IFR w Europie ju= niebawem b9d? musia7y pracowa] w modzie S. Statki powietrzne z maksymaln? mas? startow? wi9ksz? ni= 5700 kg lub maksymaln? rzeczywist? pr9dkoYci? lotu wi9ksz? ni= 250 kts b9d? musia7y by] pracowa] w modzie S oraz wykorzystywa] ADS – B – Out. Daty realizacji za7o=e^ ustalono na stycze^ 2015 – wdro=enie oraz grudzie^ 2015 – wprowadzanie poprawek. Statki powietrzne musz? by] certyfikowane na podstawie odpowiednich postanowie^ specyfikacji EASA dla CNS (CS-ACNS). Opublikowanie CS – ACNS przewiduje si9 na 2013 rok.
ADS – B jak ka=dy u=ytkowy system regulowany jest okreYlonymi normami. W przypadku lotnictwa w7aYciwe ramy prawne s? wyj?tkowo istotne. Za7o=enia dotycz?ce wdro=enia tego systemu mo=na znaleh] mi9dzy innymi w Rozporz?dzeniu Wykonawczym Komisji (UE) Nr 1207/2011 z dnia 22 listopada 2011 r. ustanawiaj?cym wymogi
dotycz?ce skutecznoYci dzia7ania i interoperacyjnoYci systemów dozorowania w jednolitej europejskiej przestrzeni powietrznej.
Rozporz?dzenie to ustanawia wymogi dla systemów s7u=?cych dostarczaniu danych dozorowania w celu zapewnienia skutecznoYci dzia7ania w ramach europejskiej sieci zarz?dzania ruchem lotniczym. Zgodnie z tym zarz?dzeniem – pa^stwa cz7onkowskie Unii Europejskiej zobowi?za7y si9 do przeprowadzenia oceny bezpiecze^stwa wszystkich istniej?cych systemów nadzoru i przetwarzania danych nadzoru do 5 lutego 2015 roku.
Co wa=niejsze, okreYlone zosta7y tak=e wymogi dotycz?ce danych dozorowania zapewnianych przez sieci dozorowania wspó7pracuj?cego takiego, jak ADS. Powinny to by] dane o po7o=eniu statku powietrznego wraz z ich statusem (np. utracone/nieutracone) oraz dodatkowo – operacyjne dane identyfikacyjne i wskahniki uzupe7niaj?ce (np. awaria 7?cznoYci radiowej).
ZdatnoY] do u=ytku ADS – In umo=liwia odbiornik, system przetwarzania danych oraz interfejs HMI – Human Machine Interface, cz9sto nazywany CDU – Cockpit Display Unit. Interfejs ten ma prowadzi] do zmniejszenia obci?=enia prac? kontrolerów, pilotów oraz innych kieruj?cych pojazdami. U=ywa si9 do tego systemów komputerowych oraz prowadzi do ogólnej automatyzacji otoczenia zachowuj?c manualn? zdolnoY] kontroli sytuacji. Ogóln? zasad9 dzia7ania interfejsu przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Ogólna zasada dzia7ania jednostki HMI
Jednostka CDU zosta7a zaprojektowana w celu monitorowania zada^ wykonywanych przez pilota statku powietrznego. JakoY] jego pracy mo=na podda] weryfikacji dzi9ki wielozadaniowemu symulatorowi kokpitowemu. Projekt ten nadzoruje EURONTROL dzi9ki programowi PHARE. Poni=ej przedstawiono widok pionowy z wyYwietlacza HMI (rys. 3). Jest on elementem wyposa=enia kokpitu statku powietrznego. Taki wyYwietlacz pe7ni dodatkowo funkcj9 nawigacyjn?.
Rys. 3. WyYwietlacz HMI w statku powietrznym
Program CASCADE we wspó7pracy z u=ytkownikami przestrzeni powietrznej, jako pierwszy uruchomi7 projekt wdro=enia ADS – B. Program monitoruje procesy certyfikacji oraz mo=liwoY] stosowania ADS do u=ytku operacyjnego w przestrzeni powietrznej obj9tej oraz nieobj9tej dozorowaniem radarowym. Pionierski projekt obejmuj?cy ADS – B wykorzystywane operacyjnie w przestrzeni nie radarowej uruchomiono dla 18 przewohników, w tym czternastu ró=nych typów pi9ciuset statków powietrznych. Dodatkowo, w ramach EUROCONTROL CASCADE, utworzono nowy projekt ATSAW. Jego zadaniem jest towarzyszenie liniom lotniczym oraz doradzanie przy wyposa=aniu statków powietrznych w urz?dzenia niezb9dne do pracy ADS – B. ATSAW oferuje wyposa=enie certyfikowane w ramach swojego projektu, który rozpocz?7 si9 w 2009 roku. Do tej pory, przewohnicy, którzy zakupili sprz9t w ramach ATSAW to mi9dzy innymi British Airways, Swiss International Airlines, US Airways, Virgin Atlantic, czy Delta.
Reasumuj?c, mo=na wyró=ni] szereg wytyczonych zada^ programu CASCADE, tj.: , d?=enie do stosowania ADS-B w ramach infrastruktury nadzoru;
, zapewnianie pokrycia radiolokacyjnego na wytyczonym obszarze;
, nadzór statku powietrznego w trybie gate – to – gate, czyli zgodnie z zasadami programu SESAR;
, wyYwietlanie sytuacji ruchowej w kokpicie statku powietrznego; , d?=enie do wysokiej wydajnoYci uk7adu i jakoYci danych;
, poprawa poziomu bezpiecze^stwa;
, wzrost efektywnoYci kosztowej;
, zmniejszenie kosztów utrzymania infrastruktury nadzoru (ADS-B i WAM s? ta^sze w eksploatacji ni= radar);
, zrównowa=ony rozwój (oszcz9dnoY] paliwa oraz redukcja emisji CO2);
, zwi9kszenie =ywotnoYci 7?cza 1090 MHz;
, d?=enie do globalnej interoperacyjnoYci w zarz?dzaniu ruchem lotniczym na
Ywiecie;
, wdra=anie nowych technologii w zakresie dozorowania na powierzchni lotnisk –
obejmuje to dost9p do informacji o ruchu za pomoc? HMI.
4. KORZY(CI WYNIKAJ2CE Z WDRA1ANIA APLIKACJI
SYSTEMU AUTOMATYCZNEGO DOZOROWANIA
Z ROZG$ASZANIEM
W ramach projektu CASCADE utworzono tak=e jednostk9 Operational Focus Group (OFG), której zadaniem jest stworzenie wykazu korzyYci wynikaj?cych z wdra=ania aplikacji dla u=ytkowników systemu ADS – B. Jedn? z pozycji w wykazie zajmuje ATSA – AIRB, które opisuje zastosowanie systemu podczas lotu statku powietrznego do kontrolowania sytuacji ruchowej w przestrzeni, w której znajduje si9 dany statek powietrzny. Jest to przede wszystkim daleko id?ce udogodnienie dla za7ogi statku powietrznego. Dzi9ki dost9pnym aplikacjom mo=e mie] ona YwiadomoY] sytuacji w czasie rzeczywistym bez korzystania z dotychczasowych hróde7 dozorowania (okno, radio). Narz9dzie ATSA – AIRB zapewnia graficzne przedstawienie ruchu w najbli=szym otoczeniu samolotu z dodatkowymi informacjami na temat tego ruchu. Aplikacja mo=e by] stosowana w odpowiednio wyposa=onych statkach powietrznych, gdzie do7?cza si9 równie= specjalistyczny wyYwietlacz. Jest dedykowana ca7ej przestrzeni powietrznej, zarówno kontrolowanej, jak i niekontrolowanej. OFG sugeruje jednak, =e wi9cej korzyYci zwi?zanych z bezpiecze^stwem lotu aplikacja dostarczy w przestrzeni, w której nie ma zapewnionej s7u=by kontroli ruchu lotniczego oraz w przypadku lotów VFR. Nast9puj?ce parametry b9d? wyYwietlane za7odze statku powietrznego o po7o=eniu danego statku wzgl9dem ruchu lotniczego w jego otoczeniu:
, wzgl9dna pozycja pozioma;
, wysokoY] (jeYli dana jest np. wzgl9dna wysokoY] ciYnieniowa); , mo=liwoY] wznoszenia.
Ponadto, mo=liwe b9dzie wybranie opcji wyYwietlenia informacji o identyfikacji samolotu oraz o jego pr9dkoYci. Na rys. 4. przedstawiono przyk7adowy wyYwietlacz aplikacji ATSA – AIRB, który mo=e by] umieszczony w kokpicie.
Rys. 4. Przyk7adowy wyYwietlacz aplikacji ATSA – AIRB
Kolejnym narz9dziem proponowanym przez OFG wartym uwagi jest ATSA – SURF. Celem tej aplikacji jest redukcja b79dów, kolizji oraz wtargni9] wyst9puj?cych na drogach startowych i drogach ko7owania. Jest kierowana do wszystkich pojazdów znajduj?cych si9 na polu manewrowym lotniska oraz zbli=aj?cych si9 do niego (5 NM).
ATSA – SURF umo=liwia swego rodzaju kierowanie po polu ruchu naziemnego. Jest dedykowane u=ytkownikom wszystkich lotnisk, tj. kontrolowanych (jako wspomaganie) oraz niekontrolowanych (jako narz9dzie operacyjne). Okazuje si9 by] aplikacj? szczególnie istotn? w z7ych warunkach pogodowych, przy s7abej widzialnoYci. Podobnie jak w poprzednim przypadku – g7ównym elementem narz9dzia jest wyYwietlacz zainstalowany w statku powietrznym oraz, opcjonalnie, w wie=y kontroli lotów. Nast9puj?ce informacje mog? by] prezentowane:
, certyfikowana mapa powierzchni lotniska o ustalonym zasi9gu; , pozycja statku powietrznego;
, kierunek poruszania si9; oraz do wyboru:
, identyfikacja statku powietrznego;
, wysokoY] (jeYli dana jest np. wzgl9dna wysokoY] ciYnieniowa); , pr9dkoY] na ziemi.
Poprawne dzia7anie takich instrumentów jest mo=liwe, gdy znaczna cz9Y] statków powietrznych w swoim wyposa=eniu posiada wbudowany system ADS – B i jego dodatkowe aplikacje. Na rys. 5. przedstawiono przyk7adowy wyYwietlacz aplikacji ATSA – SURF, który mo=e by] umieszczony w kokpicie.
Rys. 5. Przyk7adowy wyYwietlacz aplikacji ATSA – SURF
Doskona7ym przyk7adem zastosowania ró=nych aplikacji systemu ADS – B jest obszar nieobj9ty dozorowaniem radarowym w Kanadzie. Hudson Bay (250000 NM2) nie podlega7o =adnemu dozorowaniu, a= do momentu idei ADS – B. Brak tej us7ugi wymusza7 na pilotach szczególn? czujnoY] przy zachowaniu separacji. Dzi9ki wdro=eniu ADS, roczne oszcz9dnoYci na paliwie b9d? rz9du 10 mln $, a emisja CO2 zredukuje si9
o 50000 ton. Raz zainstalowane ADS – B (stacja naziemna) rocznie obs7u=y wszystkie 35000 lotów nad Hudson Bay. Przyjmuje si9 tutaj, =e popularnoY] systemu ADS – B w Ameryce Pó7nocnej gwarantuje wyposa=enie statków powietrznych w urz?dzenia nadawczo - odbiorcze ADS – B pracuj?ce w odpowiednim trybie (obecnie standardem jest Mod S). Przy tym, piloci lataj?cy nad obszarem Kanady b9d? mieli wi9ksz? YwiadomoY] sytuacyjn? oraz mniejszy poziom obci?=enia prac?, co tak=e wp7ynie na efektywnoY] lotu.
5. PODSUMOWANIE
Systemy dozorowania powinno poddawa] si9 ocenie zgodnoYci lub przydatnoYci.
W tym celu mo=na podj?] czynnoYci weryfikuj?ce zgodnoY] danego systemu z odpowiednimi wymogami w Yrodowisku testowym. W wyniku weryfikacji powstaje dokumentacja techniczna obejmuj?ce opis procesu wdra=ania systemu oraz sprawozdanie z inspekcji i testów zrealizowanych przed oddaniem systemu do eksploatacji. W przypadku
ADS – B oraz WAM, na stronie EUROCONTROL istniej? powszechnie dost9pne dokumenty oraz certyfikaty, które reguluj? wymagania oraz za7o=enia systemów.
Bibliografia
1. Airborne Human Machine Interface (AHMI), www.eurocontrol.int, maj 2013 r.
2. CASCADE Use of ADS – B for Enchanced Traffic Situational Awareness by Flight Crew During Flight Operations – Airborne Surveillance (ATSA – AIRB), EUROCONTROL 2009.
3. CASCADE, www.eurocontrol.int, maj 2013 r.
4. CASCADE Use of ADS – B for Enchanced Traffic Situational Awareness on the Airport Surface (ATSA – SURF), EUROCONTROL 2009.
5. Multilateration Executive Reference Guide, Creativerge, 2007, s. 32.
6. Procedury S7u=b reglugi Powietrznej Zarz?dzanie Ruchem Lotniczym (PL – 4444).
7. ROZPORZsDZENIE WYKONAWCZE KOMISJI (UE) NR 1207/2011 z dnia 22 listopada 2011 r. ustanawiaj?ce wymogi dotycz?ce skutecznoYci dzia7ania i interoperacyjnoYci systemów dozorowania w jednolitej europejskiej przestrzeni powietrznej.Warszawa 2003, s. 189.
8. Siergiejczyk M., Krzykowska K., Koncepcja wdro=enia nowoczesnych systemów naziemnych detekcji sytuacji ruchowych dla wybranego lotniska, w: V Mi9dzynarodowa Konferencja Naukowo – Techniczna Systemy Logistyczne Teoria i Praktyka. Materia7y Konferencyjne, Waplewo 2011.
INFLUENCE OF THE EUROPEAN PROGRAM CASCADE ON THE QUALITY OF SURVEILLANCE IN AIR TRAFFIC
Summary: European program for the implementation of new technologies in surveillance CASCADE has
been developed by EUROCONTROL in 2004 to coordinate the implementation of the initial applications of automatic dependent surveillance - broadcast (ADS - B) and the hyperbolic system (WAM) in Europe. This article aims to determine the effect of such a program for infrastructure development, and as a result - the quality of the air traffic surveillance. Presented as well were some legal regulations, which define the functionality of the program. Literature of the subject, norms and regulations were used.
