ناوبری و کنترل ترافیک هوایی یکی از مسائل بسیار مهم و حیاتی در هوانوردی است که تاثیر مستقیم بر ایمنی پرواز دارد. در سال‌های اخیر، استفاده از هواپیما در حمل‌و‌نقل رشد چشمگیری داشته است و طبق برآورد انجام شده تعداد مسافرت‌های هوایی در آینده‌ای نزدیک دو برابر خواهد شد. مدیریت و هدایت ایمن چنین حجمی از ترافیک هوایی بدون استفاده از سامانه‌ها و پروتکل‌های ناوبری و نظارتی مدرن امکان‌پذیر نخواهد بود. بر اساس نیازهای موجود در این زمینه در سپتامر 1991، دهمین کنفرانس ناوبری هوایی ایکائو، به اتفاق، تمامی اعضا راهکاری برای تغییر فناوری سیستم‌های زمینی به سیستم‌هایی با فناوری ماهواره‌ای ارائه دادند و در بین سال‌های 1996 تا 2000 فعالیت‌های اولیه در این زمینه انجام شد. هدف از توسعه و بکارگیری این سامانه‌های نسل جدید (NextGen) کاهش خطا در تعیین موقعیت هواپیماها، كاهش هزينه، بهبود كمك‌رسانی به هواپيماها در وضعيت اضطرار، استمرار و تداوم خدمات نظارتي و افزايش توانايي كنترل‌کننده‌ها در تعيين موقعيت لحظه‌ای هواپيماها است.

افزایش تعداد مسافرت‌هاي هوايي در دهه‌های آينده افزايش ترافيك هوايي را در پی خواهد داشت. در چنین شرایطی مراقبت پرواز که بر عهده سرویس ‌دهنده‌های ناوبری هوایی است، اهمیت بسیاری پیدا می‌کند. سامانه‌های قدیمی و راداری که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند جوابگوی این نیاز نخواهند بود. سرویس‌ دهنده‌ها نه تنها می‌بايست به لحاظ وسعت و پوشش سرويس‌دهي قابليت‌هاي خود را افزايش دهند بلكه با ورود هواپيماهاي بيشتر بايد ايمن‌سازي و دقت سيستم‌هاي مراقبتي را نيز به حد قابل قبولی ارتقا دهند تا بتوانند در يك فضاي مشخص تعداد هواپيماهاي بيشتري را با ايمني بالا كنترل کنند.

یکی از مهمترین سامانه‌های نسل جدید، سامانه ناوبری و نظارتی  ADSاست. عبارت ADS مخفف عبارت لاتین Automatic Dependent Surveillance است که معادل فارسی آن «سامانه نظارتی خودکار وابسته» است. نامگذاری این سامانه نشان می‌دهدکه نیازی به دخالت خلبان یا کنترل آن توسط خلبان نیست و به صورت خودکار عمل می‌کند. کلمه وابسته در نامگذاری، وابستگی این سامانه به دیگر سامانه‌ها نظیر GPS را بیان می‌کند. در واقع سامانه ADS یک روش نظارتی است که در آن هواپیما به طور خودکار از طریق یک لینک‌ داده اطلاعات به دست آمده از سیستم‌های ناوبری و موقعیت‌یابی خود مانند موقعیت چهاربعدی، سرعت، جهت حرکت، وضعیت‌های اضطراری و شناسه هواپیما را ارائه می‌کند. اطلاعات پس از کدگشایی می‌تواند روی یک صفحه نمایش برای کاربر (کنترل‌کننده ترافیک هوایی) نمایش داده شود یا اینکه با اطلاعات دریافتی از رادار ثانویه تلفیق شود.

شايد بتوان گفت مهم‌ترین سامانه در مديريت ترافيك هوايي در 15 سال آينده ADS خواهد بود. در فناوری مراقبتي سنتي، يك رادار زميني سيگنال درخواست را ارسال می‌کند و در جواب آن پاسخگرهای (Transponder) هواپيما پاسخی را به ایستگاه زمینی می‌فرستد، ولی هواپيماهايي كه به سامانه ADS تجهیز شده‌اند موقعيت خود را كه از سيستم‌هاي ماهواره‌اي دریافت کرده‌اند در بازه‌های مشخصی از زمان به گيرنده زميني و نيز ساير هواپيماها ارسال مي‌کنند. با وجود اینکه نصب و تعمیر و نگهداری تجهیزات زمینی ADS آسان و به نسبت کم هزینه هستند، اما هزينه بالاي تجهيز هواپيما به اين سيستم باعث شد تا فراگیر شدن استفاده از آن زمان‌بر باشد.

در حال حاضر دو نوع سرویس از سامانه ADS به کار گرفته می‌شوند.

  • سامانه نظارتی خودکار وابسته- انتشار سراسری (ADS-B):

سامانه ADS-B سرویس اصلی ADS محسوب می‌شود که در حال حاضر اکثر هواپیماها تجهیز به آن هستند. در این سرویس اطلاعات به صورت خودکار توسط فرستنده هواپیما به طور سراسری ارسال می‌شود و هر گیرنده‌ی سازگاری که در محدوده سیگنال آن قرار داشته باشد، اطلاعات را دریافت می‌کند. اطلاعات شناسایی و ناوبری هواپیما در بازه‌های زمانی مشخص و بدون نیاز به درخواستی از سوی ایستگاه زمینی یا سایر هواپیماها ارسال می‌شود. مجموعه‌ی این اطلاعات در قالب چند فریم‌ 120 بیتی در بازه‌های زمانی کوتاه (معمولا کمتر از 1 ثانیه) بروزرسانی می‌شوند. از آنجایی که نرخ بروز‌رسانی اطلاعات ADS-B چند برابر سامانه‌های دیگر بوده و دقت بالایی از موقعیت پرنده ارائه می‌کند، می‌توان ناوبری بسیار خوبی از وسیله پرنده داشت که در نتیجه آن ایمنی پرواز به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

نحوه ارتباطات و عملکرد سامانه ADS-B

نحوه ارتباطات و عملکرد سامانه ADS-B

  • سامانه نظارتی خودکار وابسته- قراردادی
    [1] (ADS-C):

این سامانه مشابه ADS-B است و تنها تفاوت آن در این است که داده‌ها بر اساس یک قرارداد صریح بین ارائه‌دهنده سرویس ناوبری هوایی ([2]ANSP) و یک هواپیما منتقل می‌شوند. قرارداد در ADS-C به معنای این است که هواپیما و ایستگاه زمینی هر دو برای تبادل اطلاعات و دستورالعمل‌های خاص به توافق رسیده‌اند. در واقع نوعی توافق اشتراکی بین اپراتور هواپیما و ارائه‌دهنده خدمات است. این قرارداد می‌تواند یکی از انواع دوره‌ای، تقاضا، رویداد و اضطراری باشد که در ادامه به طور مفصل توضیح داده خواهد شد. سامانه ADS-C اغلب در ارائه خدمات ATS در مناطق قاره‌ای یا اقیانوسی که سطح ترافیک نسبتا پایین دیده می‌شود، به کار گرفته می‌شود. از آنجا که امکان نصب سامانه‌های راداری در اقیانوس‌ها وجود ندارد، هواپیما قادر خواهد بود با استفاده از سرویس ADS-C کنترل‌کننده را از موقعیت مکانی خود آگاه كند. مشابه با سرویس ADS-B، این سامانه از طریق ماهواره‌های مکان‌یابی و به صورت دوره‌ای و منظم بدون دخالت خلبان موقعیت مکانی هواپیما را توسط دیتا لینک‌ها به مراکز کنترل ارسال می‌کند.

یکی از تفاوت‌های مهم بین این دو سامانه زمان‌بندی یا چرخه ارسال، دریافت یا مبادله اطلاعات است. به عنوان مثال در سرویس ADS-B نرخ بروزرسانی برخی اطلاعات 2 مرتبه در هر ثانیه است، در حالیکه در سرویس ADS-C برای هر گزارش عادی حدود 20 دقیقه زمان صرف می‌شود. این بازه زمانی بسته به نیاز ایستگاه زمینی، درخواست خلبان یا شرایط اضطراری هواپیما می‌تواند تغییر کند.

سرویس ADS-B دارای دقت و قابلیت اطمینان خوبی است و تقریبا جایگزین مناسبی برای سیستم‌های رادار سنتی مورد استفاده در ATC خواهد بود. داده‌های مربوط به این سامانه نیازی به پرداخت هزینه اشتراک توسط کاربر ندارند و برای برقراری آن تنها باید یک فرستنده از این سرویس در هواپیما نصب شود. اما سامانه ADS-C به دلیل نرخ بروزرسانی کم‌، نمی‌تواند جایگزین سیستم‌های راداری ATC باشد. علاوه‌ بر این دسترسی به اطلاعات این سرویس برای همه مقدور نبوده و معمولا ایستگاه‌های کنترل ترافیک مقصد داده‌های ارسالی از سوی هواپیما است.

اگرچه ADS-B و ADS-C اسامی مشابه‌ای دارند اما دو برنامه کاربردی متفاوت هستند. سیستم ADS-B مانند رادار نظارت اولیه (PSR) و رادار نظارت ثانویه (SSR) در یک سیستم نظارتی ATS عمل می‌کند و اجازه دسترسی خودکار و مکرر به داده‌های مناسب از هواپیمای مجهز را به ATC می‌دهد. همچنین امکان استفاده و پخش مجدد داده به دیگر هواپیمای مجهز در همان محدوده وجود دارد. نرخ بروزرسانی داده‌ها به گونه‌ای است که می‌توان به طور تقریبی گفت موقعیت هواپیما به طور بلادرنگ در دسترس کاربر است (طبق استاندارد تاخیر در ارسال و دریافت داده‌ها باید کمتر از 2 ثانیه باشد.)

سرویس ADS-C نیز با استفاده از سیستم‌های موجود در هواپیما اطلاعات مشابه سرویس ADS-B (مانند موقعیت هواپیما، ارتفاع، سرعت و عناصر ناوبری و داده‌های هواشناسی) را به صورت خودکار تنها برای یک یا چند واحد سرویس‌ ترافیک هوایی (ATSU[3]) به منظور نظارت یا نظارت بر انطباق مسیر ارسال می‌کند. با توجه به اینکه فرکانس بروزرسانی و تاخیر در ارسال و دریافت اطلاعات (حداکثر تا 30 ثانیه) در این سرویس بسیار زیاد است، اطلاعات تنها برای مناطقی که خارج از دید رادارها و سایر سیستم‌های نظارتی قرار دارند، اعتبار دارد. در واقع در این نواحی فاصله جداسازی بین هواپیماها به گونه‌ای است که اطلاعات دریافتی از سرویس ADS-C می‌تواند حداقل نیازمندی‌های ATSU را برآورده کند.

نحوه عملکرد ADS-C

سامانه ADS-C بخشی از برنامه FANS 1/A است که جایگزین گزارش صوتی موقعیت هواپیما در مناطق دور افتاده خواهد شد. دستگاه این سامانه در هواپیما شامل سه بخش جمع‌‌کننده اطلاعات، فرستنده و سرور کنترل است. اطلاعات موقعیت، ارتفاع، جهت حرکت، سرعت، شناسه هواپیما و غیره از سوی سیستم‌های مختلف هواپیما به بخش جمع‌کننده اطلاعات وارد می‌شود. سرور کنترل وظیفه بررسی برقراری یک قرارداد یا درخواست‌های دریافت از ایستگاه زمینی را بر عهده دارد. در صورت تایید درخواست، سرور کنترل به فرستنده اجازه ارسال اطلاعاتی از هواپیما که مطابق قرارداد دو جانبه است، به ایستگاه زمینی درخواست دهنده می‌دهد. این اطلاعات از طریق یکی از فناوری‌های ارتباطی در دسترس هواپیما همچون لینک HF، لینک VHF یا لینک ماهواره‌ای ارسال خواهد شد. لازم به ذکر است سرور کنترل درخواست‌های ورودی را از طریق همین لینک دریافت می‌کند.

نحوه عملکرد ADS-C
استفاده از ماهواره‌های اینمارست برای ارتباطات سامانه ADS-C

اطلاعات ADS-C توسط یک هواپیما در پاسخ به درخواست داده شده که در چارچوب شرایط قرارداد منعقد شده بین ADS و سیستم‌های زمینی است، ارائه می‌شود. این قرارداد نوع اطلاعات و شرایطی که تحت آن، گزارش‌ها توسط هواپیما ارسال می‌شوند را تعیین می‌کند. برخی از انواع اطلاعات به صورت پیش فرض در هر گزارشی گنجانده می‌شود اما برخی دیگر تنها در صورتی که در درخواست قرارداد ADS مشخص شده باشد، قابل ارائه است. در واقع مجموعه‌ای از گروه‌های از پیش‌ تعریف شده وجود دارد که هر کدام از آن‌ها مشخص می‌کند چه اطلاعاتی باید توسط هواپیما ارسال شود. ایستگاه زمینی در هنگام ایجاد قرارداد یا پس از آن گروه‌های اطلاعاتی مورد نیاز خود را به هواپیما اعلام می‌کند. در بخش‌های بعد به نوع اطلاعاتی که برای هر گروه تعریف شده است خواهیم پرداخت. همچنین هواپیما می‌تواند گزارش‌های اضطراری ناخواسته ADS-C را برای هر ATSU که یک قرارداد ADS با هواپیما دارد ارسال کند.

یک سیستم ATSU ممکن است چند قرارداد ADS همزمان را تنها از یک هواپیما درخواست کند از جمله قرارداد دوره‌ای و رویدادی که ممکن است هر تعداد قرارداد تقاضا ضمیمه آن شده باشد. علاوه بر این ممکن است حداکثر پنج سیستم زمینی جداگانه قراردادهای ADS را تنها از یک هواپیما درخواست کنند.

انواع قراردادهای ADS

پس از دریافت درخواست، ATSU قبل از اینکه هر گونه گزارشی از ADS-C دریافت کند، باید نوع قرارداد ADS را با هواپیما تعیین کند. سه نوع قرارداد ADS وجود دارد:

  • قرارداد دوره‌ای (Periodic contract)
  • قرارداد تقاضا (Demand contract)
  • قرارداد رویداد (Event contract)

اکثر اطلاعات سیستم به سیستم مبادله می‌شوند و به طور خاص توسط کنترل‌کننده و خلبان قابل مشاهده نیست. در حقیقت خلبان فقط قادر به روشن یا خاموش کردن برنامه ADS-C است و حالت اضطراری ADS-C را انتخاب می‌کند. در بسیاری از سیستم‌های زمینی کنترل‌کننده تنها می‌تواند نرخ گزارش دوره‌ای را برای یک هواپیمای خاص برای تهیه وضعیت مانند تراکم ترافیک تغییر دهد.

قراردادهای ADS توسط ایستگاه زمینی پس از ورود به سیستم یک هواپیما ایجاد می‌شود و هواپیما توانایی آغاز ثبت یک قرارداد را ندارد. در صورت امکان باید قرارداد بین هواپیما و سیستم زمینی قبل از وارد شدن به فضای هوایی که در آن ADS-C به کار گرفته می‌شود، به توافق برسد. یک قرارداد ممکن است برای یک دوره زمانی حتی پس از آنکه هواپیما از این فضای هوایی خارج شد، باقی بماند. همچنین قطع ارتباط ADS-C ممکن است به صورت خودکار توسط سیستم زمینی انجام شود. قراردادهای ADS توسط واحد ATS بر اساس الزامات نظارتی خود مدیریت می‌شوند.

قرارداد دوره‌ای: یک قرارداد دوره‌ای به ATSU اجازه می‌دهد موارد زیر را مشخص کند:

  • فاصله زمانی که سیستم هواپیما گزارش ADS-C را ارسال می‌کند.
  • گروه‌های ADS-C اختیاری که باید در گزارش دوره‌ای توسط هواپیما ارسال شوند. ایستگاه زمینی می‌تواند در درخواست خود مشخص کند که هر گروه با چه دوره زمانی توسط هواپیما ارسال شود.

فرایند ایجاد قرارداد دوره‌ای

فرایند ایجاد قرارداد دوره‌ای

قرارداد تقاضا: یک قرارداد تقاضا اجازه می‌دهد سیستم ATSU یک گزارش تکی (غیر دوره‌ای) از ADS-C را درخواست کند. در واقع با این قرارداد فرستنده هواپیما تنها یک بار اطلاعات گروه اصلی (در بخش‌های بعد نوع اطلاعات این گروه توضیح داده شده است) را ارسال خواهد کرد. این نوع قرارداد بیشتر هنگام نیاز برای بروزرسانی اطلاعات موقعیت هواپیما توسط ATSU ایجاد می‌شود. امکان لغو این قرارداد یا تغییر آن به دیگر قراردادهای ADS-C که ممکن است با هواپیما در ارتباط باشند، وجود ندارد.

قرارداد رویداد: قرارداد رویداد به ATSU اجازه می‌دهد، هر زمانکه رویداد خاصی رخ می‌دهد درخواست گزارش ADS-C کند. سیستم ATSU می‌تواند در هر زمان تنها یکبار یک قرارداد از نوع رویداد با یک هواپیما ایجاد کند. با این حال قرارداد رویداد می‌تواند شامل چند نوع رویداد باشد. این انواع از رویدادهای اختیاری موجود در سیستم FANS-1/A شامل موارد زیر هستند:

  • رویداد تغییر نقطه مسیر[4] (WCE)
  • رویداد انحراف از محدوده سطح[5] (LRDE)
  • رویداد انحراف جانبی[6] (LDE)
  • رویداد تغییر نرخ عمودی[7] (VRE)

یک قرارداد رویداد تا زمانیکه ATSU آن را لغو نکند یا تا زمانیکه رویدادهای مورد استفاده برای اجرای گزارش وجود داشته باشد، باقی می‌ماند. قرارداد رویداد تغییر نقطه مسیر برای تمامی تغییرات نقطه مسیر از سوی هواپیما معتبر است. این عبارت به این معنا است که در صورتی که هواپیما بخواهد برای بار دوم نقطه مسیر خود را تغییر دهد، گزارش با توجه به قرارداد قبلی ارسال خواهد شد. اما دیگر قراردادهای رویدادی تنها یک گزارش مربوط به اولین رویداد ایجاد می‌کنند و سپس در صورت لزوم ATSU درخواست یک قرارداد رویداد جدید را می‌دهد.

فرایند ایجاد قرارداد رویدادی

فرایند ایجاد قرارداد رویدادی

گزارش اضطراری

برنامه ADS-C از سرویس هشدارهای اضطراری نیز پشتیبانی می‌کند. گزارش اضطراری ADS-C یک گزارش دوره‌ایست که به عنوان گزارش اضطراری برچسب‌گذاری می‌شود به طوریکه وضعیت اضطراری هواپیما برای ATC برجسته‌تر می‌شود.

یک گزارش اضطراری ADS-C می‌تواند به روش‌های متفاوتی تنها توسط خدمه پرواز یا دستگاه روی هواپیما راه‌اندازی شود:

  • به صورت دستی، با انتخاب تابع اضطراری ADS-C
  • به صورت مستقیم، با راه‌اندازی نوع دیگر از سیستم هشداردهنده اضطراری (مانند ارسال یک گزارش موقعیت CPDLC یا انتخاب یک کد اضطراری SSR)
  • خودکار توسط دستگاه موجود در هواپیما

هنگامی‌که یک گزارش اضطراری ADS-C ایجاد شود، سیستم‌های اویونیک شروع به ارسال گزارش‌های دوره‌ای اضطراری ADS-C می‌کند. این گزارش تا هنگامی‌که خدمه پرواز تابع اضطراری ADS-C را غیر فعال نکنند ارسال خواهد شد.

قرار‌دادهای دوره‌ای و رویدادی ADS-C

قرار‌دادهای دوره‌ای و رویدادی ADS-C

گروه‌های گزارش‌ ADS-C

سیستم هواپیما داده‌های خاص هوایی را در گروه‌های مختلف گزارش ADS-C ارسال می‌کند. هر گروه شامل انواع مختلفی از داده است. یک قرارداد رویداد ADS-C شامل تنها برخی از گروه‌هایی است که ثابت هستند. اما گزارش دوره‌ای ADS-C می‌تواند شامل هر گروه ADS-C که ATSU در درخواست قرارداد خود مشخص می‌کند، باشد. گروه‌های گزارش ADS-C عبارتند از:

  • گروه اصلی ]اطلاعات موقعیت فعلی هواپیما[ (شکل 1- الف)
  • گروه شناسه پرواز (شکل 1- ب)
  • گروه مرجع زمین ]اطلاعات زاویه حرکت و سرعت با مرجع داده‌های زمین[ (شکل 1- ج)
  • گروه مرجع هوایی ]اطلاعات زاویه حرکت و سرعت با مرجع داده‌های هوایی[ (شکل 1- د)
  • گروه شناسه هواپیما (شکل 1- ه)
  • گروه هواشناسی (شکل 1- و)
  • گروه مسیر پیش‌بینی شده (شکل 1- ز)
  • گروه هدف طرح‌ریزی شده ثابت ]ارسال موقعیت پیش‌بینی شده هواپیما در T دقیقه بعد از زمان کنونی[(شکل 1- ح)
  • گروه هدف طرح‌ریزی شده میانی ]ارسال موقعیت پیش‌بینی‌شده نقطه مسیرهای هواپیما تا T دقیقه بعد از زمان کنونی[ (شکل 1- ط)

گروه‌های گزارش‌ ADS-C

[1] Automatic dependent surveillance — contract

[2] Air navigation service provider

[3] Air Traffic Services Unit

[4] Waypoint change event

[5] Level range deviation event

[6] Lateral deviation event

[7] Vertical rate change event