برنامه ACAS X

بر اساس نسخه ششم از سند برنامه ناوبری هوایی جهانی (GANP)، ایکائو ACAS X را به عنوان سیستم آینده جلوگیری از تصادم هوایی معرفی می‌کند. این سیستم از نظارت ساده TCAS به یک معماری نظارتی پیشرفته مبتنی بر GPS و حسگرهایی مانند رادار و سنسورهای الکترواپتیکی تبدیل خواهد شد. این قابلیت‌ها به سیستم امکان پیاده‌سازی روی پلتفرم‌های کنترل از راه دور، پهپادها و سایر کلاس‌های هواپیماهای سرنشین‌دار مانند هواپیماهای سبک و GA را نیز خواهد داد.

دو تفاوت اساسی بین سیستم TCAS فعلی و برنامه ACAS X شامل منطق جلوگیری از تصادم و منبع داده‌های نظارتی می‌شود. همانطور که پیش از این اشاره کردیم، سیستم TCAS از ترنسپوندر موجود روی هواپیما برای کسب اطلاعات موقعیت فعلی هواپیمای مزاحم و پیش‌بینی موقعیت‌های آینده آن استفاده می‌کند. در ادامه سیستم با توجه به زمان رسیدن دو هواپیما به نزدیک‌ترین فاصله، تهدیدهای بالقوه را شناسایی و به خلبان هشدارهای لازم را ارائه می‌کند. این هشدارها بر اساس مجموعه‌ای از قوانین ثابت و مدل‌سازی طیف پاسخ‌های خلبان برنامه‌ریزی شده‌اند.

منطق سیستم ACAS X بجای استفاده از این مجموعه قوانین ثابت، مبتنی بر یک جدول مراجعه عددی (numeric lookup table) است که با توجه به مدل احتمالی فضای هوایی و مجموعه‌ای از ملاحظات ایمنی و عملیاتی بهینه شده است. هرچند این رویکرد در درجه اول به منظور بهبود عملکرد بخش هشداردهنده ACAS انتخاب شده‌ بود، اما ایکائو امیدوار است مزایای آن در کاهش هزینه‌های طراحی و ساخت سیستم و زمان نصب آن روی هواپیماها نیز ظاهر شود. در واقع این رویکرد که انقلابی در حوزه سیستم‌های ایمنی هواپیما محسوب می‌شود، در زمان توسعه TCAS II به سادگی امکان‌پذیر نبوده است.

دومین تفاوت سیستم TCAS II و ACAS X به منبع جمع‌آوری داده‌ها برمی‌گردد. سیستم ACAS X بجای تکیه بر داده‌های نظارتی حاصل از ترنسپوندر، با هر منبع نظارتی (یا ترکیبی از منابع) که دارای معیارهای عملکرد مشخص هستند، سازگار خواهد بود. این مفهوم که نظارتPlug & Play نامیده می‌شود به سیستم این قابلیت را می‌دهد تا داده‌های نظارتی را از منابع مختلف مانند ماهواره، رادار و سنسورهای مادون‌قرمز یا الکترواپتیک دریافت کند. بنابراین کلیه هواپیماهای سرنشین‌دار و بدون سرنشین که پیش از این به هر دلیل مانند عدم داشتن ترنسپوندر امکان بهره‌مندی از TCAS را نداشتند، به سیستم جدید اجتناب از تصادم هوایی مجهز خواهند شد.

نحوه عملکرد ACAS X

شکل ۱ یک ساختار ساده از نحوه عملکرد سیستم ACAS X را نشان می‌دهد. برای توضیح ساده فرایند منطق تصمیم‌گیری‌های سیستم می‌توان این ساختار را به دو بخش آفلاین و بلادرنگ (Real time) تقسم‌بندی کرد.

شکل ۱- ساختار عملکرد سیستم ACAS X

قسمت آفلاین توسط کارخانه سازنده و روی زمین اجرا می‌شود. سیستم ACAS X یک مدل آماری از موقعیت خود هواپیما در آینده برای حالت‌های مختلف نیاز دارد. با توجه به اینکه می‌توان میلیون‌ها حالت برای آینده هواپیما در نظر گرفت، یک واحد به نام برنامه‌نویسی پویا (Dynamic Programing) برای حل فرایند تصمیم‌گیری مارکوف (MDP) و ساده‌سازی حالت‌ها استفاده می‌شود. خروجی این واحد، یک جدول‌ مراجعه عددی خواهد بود و هر خانه از این جدول، مقدار هزینه انجام یک عمل توسط هواپیما را نشان می‌دهد. در اینجا هزینه به معنی ترکیبی از احتمال برخورد و انجام یک تغییر مسیر است. بنابراین می‌توان گفت جدول مذکور سیاست‌های جلوگیری از برخورد در هر حالت را در خود ذخیره کرده است.

در بخش بلادرنگ، هواپیما با استفاده از سیستم‌های نظارتی و حسگرهای خود، هر ثانیه موقعیت هواپیمای مزاحم را دریافت و ردگیری‌ می‌کند. سیستم با استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته موقعیت و سرعت هواپیما را در آینده تخمین می‌زند. در ادامه مدل‌های مختلفی (برای مثال مدل حسگر احتمالی که ویژگی های خطای حسگر را حساب می‌کند) برای تخمین توزیع حالت، که توزیع احتمالی موقعیت‌ها و سرعت‌های فعلی هواپیمای مزاحم است، استفاده می‌شود. به عبارتی با توجه به اینکه حسگرها و سیستم‌های نظارتی دارای خطا هستند، توزیع حالت تمام وضعیت‌های آینده هواپیمای مزاحم را در نظر می‌گیرد. در ادامه توزیع حالت تعیین می‌کند که در جدول مراجعه عددی به کجا نگاه کنیم تا بهترین اقدام انجام شود. با بررسی این جدول سیستم مشخص می‌کند که چه پیام و هشداری باید به خلبان ارائه شود. شکل ۲ یک مقایسه ساده از نحوه عملکرد سامانه TCAS فعلی و ACAS X را نشان می‌دهد.

شکل ۲- مقایسه ساده نحوه عملکرد سامانه TCAS فعلی و ACAS X

برای درک نحوه ساخت جدول مراجعه عددی پیشنهاد می‌کنیم مقاله‌ای با عنوان «Next-Generation Airborne Collision Avoidance System» که توسط آقای Kochenderfer در سال 2012 منتشر شده است را مطالعه کنید.

انواع ACAS X

همانطور که اشاره کردیم سیستم ACAS X قابلیت پیاده‌سازی روی انواع مختلف پلتفرم‌ها را خواهد داشت. ایکائو با توجه کلاس هواپیما و موقعیت‌های استفاده، انواع مختلفی از استانداردهای ACAS X را در دست بررسی دارد.

  • ACAS Xa: نسخه عمومی ACAS X که جانشین سیستم TCAS II خواهد شد و مشخصات مورد نیاز برای آن در سند RTCA Do-385 آورده شده است.
  • ACAS Xo: نسخه توسعه یافته ACAS Xa است که برای عملیات‌های خاص همچون اپروچ موازی هواپیماها در فضای کم طراحی می‌شود. لازم به ذکر است نسخه ACAS Xa برای عملیات‌هایی مانند اپروچ موازی به دلیل صدور هشدارهای غیرضروری بسیار زیاد، مناسب نخواهد بود. مشخصات مورد نیاز برای این نسخه نیز در سند RTCA Do-385 آورده شده است.
  • ACAS Xu: طراحی شده برای سیستم‌های هوایی خلبان از راه دور (RPAS) یا پهپادها که برای جلوگیری از برخورد پیشنهاد مانورهای افقی می‌دهد. مشخصات مورد نیاز برای این نسخه نیز در سند RTCA Do-386 آورده شده است.
  • ACAS Xp: نسخه آینده ACAS X که تنها از ADS-B برای شناسایی و ردگیری هواپیماهای مزاحم استفاده می‌کند و نیازی به ترنسپوندر ندارد. این نسخه برای استفاده در هواپیماهای کوچک و GA مناسب است.

آیا ACAS X با سیستم‌های قبلی متفاوت است؟

ایکائو پیش‌بینی می‌کندACAS Xa  ضمن کاهش تعداد هشدارهای غیرضروری، ایمنی پروازها را نیز بهبود دهد. به احتمال زیاد دو نسخه ACAS Xa و ACAS Xo بطور همزمان تحویل داده شود. این سیستم‌ها از لحاظ سخت‌افزار جانبی (آنتن و نمایشگرها) با سیستم فعلی TCAS II مشابه هستند. از سوی دیگر هیچ تغییری در نحوه نمایش و اعلام RAها به خلبان ایجاد نمی‌شود، بنابراین خلبانان و کنترلرها هیچ تغییری در انتقال از TCAS II به ACAS X احساس نخواهند کرد.

با وجود حفظ ویژگی‌های اصلی سیستم قدیمی، ACAS X تفاوت‌های مهمی خواهد داشت. این تفاوت‌ها در منطق کارکرد و تصمیم‌گیری‌های سیستم است که در حال حاضر برنامه‌ریزی شده و ممکن است در طول زمان تغییر کنند.

  • برخی از هشدارهای RA ممکن است دیرتر از TCAS II به خلبان ارائه شوند. به عبارت دیگر هواپیماها قبل از صدور هشدار به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند. با این تغییر از تعداد زیاد هشدارهای ناخواسته در شرایط خاص (مانند فاز برخاست هواپیما تا قبل از کروز که نرخ افزایش ارتفاع هواپیما زیاد است،) کاسته خواهد شد.
  • کاهش و به حداقل رساندن تعداد هشدارهای RA پیچیده مانند reversal RA
  • در صورتی که سیستم تشخیص دهد مسیر پرواز هواپیما امن است، ممکن است پیام Clear of Conflict (اتمام تعارض مسیر هواپیماها) زودتر از رسیدن دو هواپیما به نزدیک‌ترین فاصله از هم ایجاد شود.

با انتشار اسناد مربوط به نیازمندی‌ها و الزامات طراحی سیستم ACAS X از سوی ایکائو و مراجع ذی‌صلاح در اروپا و ایالات متحده، انتظار می‌رود از سال‌های آتی شاهد بکارگیری این سیستم در مناطق مذکور باشیم.