سامانه ناوبری نظارتی ADS-B

[1]. با وجود اینکه نصب و تعمیر و نگهداری تجهیزات زمینی ADS-B آسان و به نسبت کم هزینه هستند، اما آنچه تاكنون مانع از فراگيري اين سيستم بوده، هزينه بالاي تجهيز هواپيما به اين سيستم است[2].

اطلاعات دریافتی از فرستنده‌های ADS-B و تجهیزاتي كه در كابين خلبان براي پردازش تکمیلي نصب مي‌گردد ورودی ADS-B نامیده مي‌شود. همچنین اطلاعات ارسالی از یک فرستنده ADS-B را خروجی ADS-B می‌نامند. این اطلاعات شامل شناسه هواپیما (که شامل اطلاعات پرواز و مشخصات هواپیما)، موقعیت هواپیما (که با استفاده از سیستم‌هایی نظیر GPS محاسبه می‌شود)، ارتفاع هواپیما، سرعت نسبت به زمین، سرعت هوایی هواپیما، سرعت عمودی هواپیما و اطلاعات و پیام‌های اضطراری است[3].

 1-2- نمایشگر TIS

نمایشگر سرویس اطلاعات ترافيكي (Traffic Information Services) اطلاعات پرواز هواپیماهای فاقد فرستنده ADS-B و اطلاعات دریافت شده توسط گیرنده‌های ADS-B را روی نمایشگر ADS-B نشان می‌دهد. اهداف نشان داده شده بر روی TIS هر 2 ثانیه یکبار بر روی سطح، هر 6 ثانیه یکبار در نواحی پایانه‌ها و هر 12 ثانیه در راه‌های هوایی به روزرسانی می‌شوند. در شکل 1 (الف) نمونه‌ای از این نمایشگر نشان داده شده است[4-6].

2-2-  نمایشگر FIS

نمایشگر سرویس اطلاعات پرواز (Flight Information Service) تنها از طریق دیتا لینک UAT اطلاعات را دریافت کرده و نمایش می‌دهد. این اطلاعات می‌تواند شامل اطلاعات هواشناسی به صورت گرافیکی، اطلاعات هواشناسی به صورت متن، اطلاعیه‌های هوانوردی و اطلاعات فرودگاهی باشد. در شکل 1 (ب) نمونه‌ای از این نمایشگر نشان داده شده است[2،6]. همچنین نمونه‌ای از اطلاعاتی که توسط نمایشگر FIS نشان داده می‌شود در جدول 1 آورده شده است.

شکل 1 (الف): نمایشگرسرویس اطلاعات ترافیکی	شکل 1 (ب): نمایشگر سرویس اطلاعات پرواز

جدول 1- نمونه‌ای از اطلاعات FIS

مدت زمان انتقال	فاصله زمانی بروزرسانی ها	Free Products
5 دقیقه	به محض در دسترس بودن	AIRMET
5 دقیقه	به محض در دسترس بودن، فواصل 15 دقیقه ای برای یک ساعت	Convective SIGMET
5 دقیقه	1 دقیقه (زمانی که در دسترس باشد) در غیر این صورت به محض در دسترس بودن	METAR/SPECI
15 دقیقه	تقریبا 5 دقیقه (برای حالت clear air مدت زمان 10 دقیقه)	NEXTRAD Reflectivity (CONUS)
5/2 دقیقه	تقریبا 5 دقیقه (برای حالت clear air مدت زمان 10 دقیقه)	NEXTRAD Reflectivity (Regional)
10 دقیقه	به محض در دسترس بودن	NOTAM –D/FDC
10 دقیقه	به محض در دسترس بودن	PIREP
5 دقیقه	به محض در دسترس بودن، فواصل 15 دقیقه ای برای یک ساعت	SIGMET
10 دقیقه	به محض در دسترس بودن	SUA Status
10 دقیقه	8 ساعت	TAF/AMEND
10 دقیقه	12 ساعت	Temperature Aloft
10 دقیقه	12 ساعت	Winds Aloft

 

3- نحوه عملکرد سامانه ADS-B

اطلاعات پس از دریافت و پردازش، به صورتی که قابل استفاده برای كاربر باشد تبدیل شده و در نهایت بر روی صفحه نمايشگر كامپيوتر نمايش داده می‌شود. خلبان دركابين، وضعیت ترافيك را روی نمايشگر اطلاعات ترافيك كابين (CDTI) مشاهده می‌کند، همچنین كنترلرهای زميني مي‌توانند نشانگر اطلاعاتی مربوط به ADS-B را همراه ساير اطلاعات راداری بر روی صفحه نمايشگر ترافيك ببینند[7].

در سیستم‌های قدیمی، هواپیما‌ها صرفا با رادارهای زمینی در ارتباط بوده و اطلاعات را با استفاده از روش‌هایی، برای کنترل ترافیک، دریافت و پردازش می‌کردند. این ارتباط تنها بین هواپیما و ایستگاه‌های راداری وجود داشته و هواپیما‌ها هیچگونه اطلاعات موقعیتی را به یکدیگر به منظور اطلاع از موقعیت یکدیگر ارسال و دریافت نمی‌کردند. در سامانه ADS-B به علت ویژگی‌ای که دارد، هر گیرنده‌ای که در محدوده 240-160 کیلومتری اطلاعات انتشار یافته باشد می‌تواند آن اطلاعات را دریافت نماید، این در حالی است که این ارتباط می‌تواند بین هواپیماها نیز وجود داشته باشد، بنابراين به عنوان ابزاری موثربرای نظارت بر ترافيک مسیرهای حرکت هواپیما (taxiway)، باند فرودگاه‌ها‌ و همچنين ترافيك‌هایی كه در مناطق دور از دسترس هستند مانند مناطق كوهستانی (که دارای پوشش راداری ضعیف یا فاقد پوشش راداری می‌باشند) مورد استفاده قرار گیرد. يكي از مهم‌ترين فوايد ADS-B توانايی آن در ارائه سريع و يكسان اطلاعات به استفاده‌كنندگان است که در زمان واحد، اطلاعاتي یكسانی در اختيار كنترلرهای زمينی و خلبانان قرار می‌گیرد[2]. در شکل 3 نحوه چگونگی انتقال اطلاعات در این سامانه به خوبی نشان داده شده است.

شکل3: چگونگی ارتباطات و عملکرد سامانه ADS-B

نحوه دریافت سیگنال‌های ADS-B بدین شکل است که در ابتدا پیام‌هایی که بصورت کد شده آماده انتشار می‌باشند پس از انتقال به یک تقویت‌کننده مقدماتی LNA از طریق آنتن انتشار داده می‌شود. درگیرنده با فیلتر نمودن فرکانس مورد نظر، پالس‌ها با استفاده از تراشه تقویت‌‌کننده لگاریتمی استخراج می‌شود. این پالس‌ها آنالوگ بوده و برای آن‌که به دیجیتال تبدیل‌ شوند به یک مبدل فرستاده می‌شوند. در ادامه اطلاعات تبدیل شده به بورد FPGA داخل گیرنده Mode S ارسال می‌گردد. در قدم بعد بسته‌های موجود در Mode S آشکارسازی شده و از طریق درگاه مناسب نظیر USB به کامپیوتر فرستاده می‌شود. در نهایت اطلاعات موجود در کامپیوتر به شکلی مناسب برای کاربر بر روی نمایشگر اطلاعات ترافیک کابین نشان داده می‌شود[2،3].

4- ایستگاه‌های زمینی ADS-B

ایستگاه زمینی ADS-B بطورکلی از یک واحد گیرنده، یک آنتن و یک صفحه نمایش تشکیل شده است. ADS-B از رادار و TCAS مستقل می‌باشند، هرچند که بعضی از پاسخگرهای پیشرفته می‌توانند داده‌های ADS-B و رادار نظارتی ثانویه را بصورت همزمان ارسال نمایند. یکی از اطلاعات خیلی مهم و کاربردی که ایستگاه های زمینی می‌توانند در اختیار هواپیما قرار دهند، اطلاعات مربوط به هواشناسی است که این اطلاعات خصوصا در مواقعی که شرایط جوی نامناسب است، می‌تواند بسیار کاربردی باشد. شکل 4 بلوک دیاگرامی از تجهیزات قرار گرفته در یک ایستگاه زمینی را نشان می‌دهد.

شکل4: بلوک دیاگرام تجهیزات یک ایستگاه زمینی

سه نوع نمایشگر برای نمایش اطلاعات سامانه ADS-B مورد استفاده قرار می‌گیرند. در نوع اول، که توسط کاربرهای شخصی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اطلاعات روی نمایشگر کامپیوتر نمایش داده می‌شوند. نوع دوم صفحه نمایش‌هایی هستند که در مراکز کنترل ترافیک مورد استفاده قرار می‌گیرند و نوع سوم آن مربوط به صفحه نمایش‌های موجود در کابین خلبان است که خلبان برای مشاهده اطلاعات ترافیکی از آن بهره می‌گیرد.

 5- مزایای سامانه ADS-B

ADS-B به عنوان یک فناوری با ارزش برای افزایش کارایی سیستم اجتناب از برخورد (ACAS) در نظر گرفته شده است. تلفیق ADS-B مزیت‌هایی را نیز به همراه دارد. کاهش تعداد بازپرسی مورد نیاز ACAS یکی از این مزایا است که در نتیجه آن در فضاهایی با تراکم ترافیکی بالا بازدهی افزایش می‌یابد. یکی دیگر از این مزایا کاهش اعلان خطر غیر ضروری است که این کار بوسیله تلفیق بردار وضعیت، مقصد هواپیما و سایر اطلاعاتADS-B  ممکن می‌شود. همچنین باعث افزايش اعلان اجتناب از برخورد ارتفاع از زمین، زیر 1000 پا شده و تداخل در باند را مشخص می‌کند.

سامانهADS-B  مي‌تواند اطلاعاتی را كه بطور عادی در دسترس خلبانان نبوده، به آن‌ها ارائه دهد. زيرا دامنه موثر سامانه بيش از 160 کیلومتر بوده و از طرفی نسبت به ساير سامانه‌های نظارتی مشابه، توانایی ارسال، دريافت، تجزيه و تمييز اطلاعات را در منطقه‌ای وسيع‌تر و با تداخل اطلاعاتی كمتر را دارد.

خلبانان و كنترلرهای استفاده‌كننده از ADS-B  نه تنها قادر به تعيين موقعيت ترافيك تداخلی خواهند بود، بلكه بطور واضح جهت، سرعت و ارتفاع مرتبط به آن را نيز خواهند ديد. هنگامی كه ترافيك مورد نظر تغییر وضعیت می‌دهد، شتاب مي‌گيرد، افزايش يا كاهش ارتفاع مي‌دهد، ADS-B تغييرات بوجود آمده را بدون هيچ تاخير و پیچیدگی‌ای نشان مي‌دهد. با استفاده از سامانه ADS-B می‌توان از خدمات اطلاعات پرواز نظير توصيف اطلاعات هواشناسی به صورت گرافيك يا هشدارهای پروازی به صورت متن استفاده نمود. در گذشته، اين خدمات در دسترس نبوده يا دارای هزينه گزافی برای استفاده گسترده در هوانوردی عمومی بوده است.

افزایش راندمان هوایی یکی از مقوله‌هایی است که وقتی یک تصویری خوب و دقیق از ترافیک هوایی وجود داشته باشد می‌توان بعضی از محدودیت‌هایی که برای تفکیک‌پذیری‌های عمودی و افقی است را کاهش داد و با بیشتر شدن میزان پروازها راندمان هوایی به خودی خود افزایش می‌یابند. با توجه به افزایش راندمان هوایی می‌توان مسیرهای مستقیم و بهتری را برای پرواز هواپیماها در اختیار داشت. بنابراین مسیرهای پروازی که بواسطه تفکیک‌پذیری‌های امنیتی طولانی شده‌اند کاهش یافته و در نتیجه سوخت کمتری در یک مسیر مشخص مصرف می‌شود و این سبب افزایش راندمان سوخت می‌گردد.کاهش آلودگی‌های زیست محیطی یکی دیگر از مزیت‌هایی است که با توجه به کاهش مصرف سوخت حاصل می‌شود، به این ترتیب که با مصرف سوخت کمتر، خود به خود مواد آلاینده کمتری تولید می‌شود. در پایان نیز در شرایط اضطراری مانند سوانح هوایی که نیاز به جست‌وجوی هواپیما است به راحتی می‌توان توسط سیگنال‌هایی که از این سامانه فرستاده می‌شود هواپیما را شناسایی کرد و عملیات نجات را با سرعت بیشتری انجام داد [2،7،8،9].

 ملاحظات طراحی سامانه ADS-B

یکی از نکات و ملاحظاتی كه در مورد پروتكل ADS-B مطرح است، ظرفيت حمل پيام‌های ADS-B توسط هواپيما بوده بطوری که سایر خدمات کاربردی مربوط به کانال‌های رادیویی به خوبی انجام گیرد و هیچ‌گونه خللی در کار بقیه کانال‌ها ایجاد نشود. در دیتا لینک 1090ES هر پيام ADS-B از يك بسته اطلاعاتی تشكيل شده است. بدليل ثابت بودن و محدوديت پهنای باند كانال اطلاعاتی، بيشترين تعداد بسته اطلاعاتی از هواپيما ارسال مي‌شود. در شکل 5 چگونگی فرمت ارسال اطلاعات موقعیت از طریق 1090ES نشان داده شده است. این فرمت مجموعا از 17 قسمت تشکیل شده که با کد DF شروع و با CPR Encoded longitude به پایان می‌رسد. این فرمت شامل 112 بیت بوده و نوع بیت‌های ارسالی برای ارسال اطلاعات موقعیت و سرعت متفاوت است [10،11].

شکل5: فرمت داده‌های موقعیت ارسالی در دیتا لینک 1090ES

آژانس هوانوردی فدرال (FAA) و ساير تنظيم‌كنندگان هوانوردی بين‌المللی یک نوع نگرانی در مورد مرسولات سامانه ADS-B و ویژگی غير محفوظ بودن اطلاعات ADS-B دارند. پيام‌های ADS-B برای شناخت موقعيت هواپيما بكار مي‌روند و هیچگونه ضمانتی در مورد سوء استفاده از این اطلاعات وجود نداشته و این اطلاعات می‌تواند به راحتی در اختیار عموم قرار گیرد و همچنین قانونی برای حفاظت این اطلاعات و جلوگيری از گوش دادن و رمزگشايی مرسولات سامانه ADS-B وجود ندارد. از این رو برای کاربردهای نظامی از روش‌های رمزگذاری استفاده می‌شود [8،11،12،13].

البته با گذشت زمان می‌توان با وضع قوانینی این نگرانی‌ها را برطرف ساخت همانند گوشی‌های تلفن همراه که قوانین کم‌کم برای جلوگیری از سوء استفاده‌ مجرمان تکمیل شده است. برخی مذاکرات برای برطرف کردن این نگرانی‌ها صورت گرفته تا علاوه بر دسترسی آزاد برای عموم امکان سوء استفاده از آن نیز کاهش یابد. اعمال تاخیرهای 5 دقیقه‌ای این اطلاعات بر روی نمایشگرها از جمله گزینه‌های مطرح شده برای جلوگیری از این سوء استفاده‌ها است.

یکی دیگر از نگراني‌ها، وابستگی سامانه ADS-B است. سامانه ADS-B بطور زیاد در موقعیت‌یابی GPS مبتنی بر ماهواره وابسته است. اگر به هر دلیلی این سیستم قطع شود دیگر این سامانه قابلیت خود را در تعیین موقعیت از دست خواهد داد که برای برطرف نمودن این مشکل می‌توان ماهواره‌های دیگری مشابه GPS برای تعیین موقعیت استفاده نمود.

6- مقایسه رادار با سامانه ADS-B

سیستم‌های مراقبت پرواز همواره فناوری‌های قابل توجه‌ای را مورد استفاده و بهره‌برداری قرار می‌‌دهند. بهره‌گیری از سیستم‌های رادار نظارتی اولیه و رادار نظارتی ثانویه، آگاهی و شناخت بهتر از موقعیت و محدوده فضای تحت نظارت هر کنترل‌کننده را مقدور می‌‌سازد.

از آن‌جا که سامانه ADS-B یک سامانه کاملا وابسته است در صورتي كه خلبان دستگاه‌هاي ناوبري مبتني بر GPS و یا GNSS را خاموش كند یا این سیستم‌ها از كار بیفتند، پرواز از دید سامانه نظارتي ناپدید مي‌گردد. البته این اشكال در مورد پاسخگر رادارهاي ثانویه هم صادق است. با وجود این ضعف، مزیت قابل توجه سامانه ADS-B مقرون به صرفه بودن آن از نظر هزینه پیاده‌سازی است. هر ایستگاه رادار در حدود ۴ میلیون دلار هزینه دارد در حالی‌که این هزینه براي هر ایستگاه ADS-B كمتر از نیم میلیون دلار است.

دقت و سرعت به روز رساني داده‌ها در ADS-B بهتر از رادار است. در رادار هر 4 تا 12 ثانيه يكبار این کار انجام مي‌گردد که در نتیجه آن بر روي نمايشگر پرش‌هايي به وجود خواهد آمد، در حالی که سامانه ADS-B چندین بار در ثانیه عملیات به روزرسانی انجام می‌شود. از دیگر امتیازات ADS-B نسبت به رادار می‌توان به نگهداري آسان و هزينه كم نگهداري، قدرت فرستنده كمتر، فضاي سايت بسيار كمتر، عدم نياز به جاده‌سازي جهت رسيدن به سايت، عدم وجود بخش چرخشی كه آسيب پذيرترين بخش سيستم راداري است، نياز به ساختمان و تاسيسات بسيار كمتر و وابسته نبودن دقت به موقعيت هواپيما نسبت به آنتن (در رادار هرچه فاصله هواپيما تا آنتن بيشتر باشد دقت کمتر خواهد بود) اشاره کرد.

با وجود تمامی این ویژگی‌ها رادار ثانویه در برخی موارد نسبت به ADS-B مزیت‌هایی دارد که می‌توان به مواردی همچون مستقل بودن سيستم نظارتي از سيستم ناوبري، در دسترس بودن تمامي استانداردها و دستورالعمل‌هاي مربوطه، مجهز بودن تقريبا همه پروازهاي متوسط و سنگين به پاسخگر و عدم نياز به صرف هزينه جهت تجهيز آن‌ها اشاره نمود. در شکل 6 نمونه‌ای از مقایسه دقت نمایش مسیر حرکت بین سامانه ADS-B و رادار نشان داده شده است که دقت بهتر سامانه ADS-B نسبت به رادار نظارتی ثانویه را نمایش می‌دهد. تمامی دلایلی که بیان شد استفاده از ADS-B را نسبت به رادار توصیه می‌کند و این امکان وجود دارد در آینده از رادار به عنوان پشتيبانی براي سيستم‌هاي نوين استفاده گردد.

شکل6: مقایسه دقت بین رادار نظارتی ثانویه و ADS-B

 7- سامانه ADS-B و نقش آن در سیستم ASAS

در پیاده کردن سیستم اطمینان تفکیک‌های هوایی (ASAS) که یکی از پیش‌نیازهای پرواز آزاد است، سامانه ADS-B به علت در اختيار گذاشتن موقعيت هواپيماها به خلبان‌ها،  نقش اساسي دارد. از این‌رو می‌توان روندی را برای پیاده‌سازی این سیستم بر اساس سامانه ADS-B ارائه داد. در ابتدا باید اطلاعات پروازي در اختیار خلبان‌ها قرار داده شود تا خلبان‌ها آگاهی خوبی از موقعيت ساير هواپيماها نسبت به هواپيماي خود پيدا كنند که این کار با استفاده از سامانه ADS-B به راحتی قابل اجرا است، در نتیجه مديريت انجام پروازها ارتقاء مي‌يابد بدون آن كه در مسئوليت‌ها تغييري حاصل شود. در مرحله بعد باید فاصله بین هواپیماها به خوبی رعایت شود. در برخي موارد رعايت فاصله از يك هواپيماي ديگر به خلبان واگذار مي‌شود كه البته اين فاصله ارتباطي با حداقل جدايي استاندارد ندارد و اعمال جدايي‌های لازم بین هواپیماها همچنان با مرکز کنترل ترافیک است. از مهم‌ترين مزيت‌هاي اين مرحله، كاهش تأخيرات پروازي و ارتقاي ظرفيت فضای خالی آسمان جهت پرواز بیشتر است چرا که با استفاده از ADS-B می‌توان دقت خوبی از لحاظ موقعیت داشت و نیاز به مراقبت بیش از حد نیست. اعمال جدايي پرواز بر اساس استاندارد با برخي پروازها در بعضي از مناطق يا مسيرهاي هوايي به خلبان‌ها واگذار شده و مراکز کنترل ترافیک صرفا نظارت را در اين موارد اعمال مي‌نمايند [9، 14].

 

اجرایی شدن ADS-B در دیگر کشورها

در سال‌های اخیر برنامه زمان‌بندی برای اجرایی نمودن سامانه ADS-B برای دیگر کشورها ارائه شده است. ایالات متحده یکی از این کشورهایی است که با یک زمان‌بندی 15 ساله نسبت به اجرایی شده آن اقدام نموده است. این برنامه از سال 2006 آغاز شده تا فوریه 2013 از 700 ایستگاه زمینی پیش‌بینی شده بیش از 500 ایستگاه آن نصب شده و از این تعداد 445 ایستگاه آن راه‌اندازی شده است [15].

8- مراجع

1. L. Mozdzanowska, et al., “Dynamics of Air Transportation System Transition and Implications for ADS-B Equipage,” in 7th AIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference 11(ATIO), Belfast, 2007.
2. Edward A. Lester, R. John Hansman,”Benefits and Incentives for ADS-B Equipage in the National Airspace System”Report No. ICAT-2007-2 August 2007.
3. Bruno and G. Dyer, “Engineering a US national Automatic Dependent Surveillance – Broadcast (ADS-B) radio frequency solution,” Digital Communications – Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles, 2008.
4. ICAO, Manual on the Universal Access Transceiver (UAT): Doc 9861, Quebec: ICAO, 2010.
5. Minimum Operational Performance Standards for Universal Access Transceiver (UAT) Automatic Dependent Surveillance – Broadcast. RTCA. July 29, 2004.Do-282A.
6. A description of the advantages and implications to the controller of the introduction of SSR facilities. Aircraft Engineering and Aerospace Technology. Retrieved 2009-06-20, emeraldinsight.com
7. Boeing Aero Magazine Article on ADS-B, boeing.com
8. Federal Aviation Administration, Aeronautical Information Manual, Washington: Government Printing Office, 2012.
9. Wright, “NAV CANADA implements ADS-B,” in Integrated Commun., Navigation and Surveillance Conf., Arlington, 2009.
10. RTCA/DO-260A, Minimum Operational Performance Standards for 1090 MHz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance – Broadcast (ADS-B) and Traffic Information Services – Broadcast (TIS-B), April 10, 2003.
11. Larry Kenney, Joe Dietrich, Jerry Woodall, “Secure ATC Surveillance For Military Applications,” 2008 IEEE Military Communication Conference, MILCOM 2008.
12. Krozel, et al., “Aircraft ADS-B Data Integrity Check,” in AIAA Aircraft Tech., Integration, and Operations Conf., Chicago, 2004.
13. STANAG 4193, North Atlantic Treaty Organization (NATO) NATO Standardization Agency (NSA) Standardization Agreement (STANAG), Technical Characteristics of IFF Mk XA and Mk XII, Interrogators and Transponders – Part V: Technical Description of the Mk XIIA System, 2007
14. Valovage and D. Hall, “Enhanced ADS-B research,” in IEEE Aerospace Conf., Big Sky, 2006.
15. FAA-Approved V2 ADS-B Out Avionics, faa.gov