2- تعاریف

عبارت ADS-B مخفف عبارت لاتینAutomatic Dependent Surveillance-Broadcast بوده که معادل فارسی آن “سامانه نظارتی اتوماتیک 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 که در ادامه توضیحاتی پیرامون آن داده خواهد شد. شاید بتوان گفت مهم‌ترین سامانه در مدیریت ترافیک هوایی در 15 سال آینده ADS-B خواهد بود. در فناوری مراقبتی سنتی، یک رادار زمینی سیگنال درخواست را ارسال می‌کند و در جواب آن پاسخگرهای (Transponder) هواپیما پاسخی را به ایستگاه زمینی می‌فرستد، ولی هواپیماهایی که به سامانه ADS-B مجهز هستند موقعیت خود را که از سیستم‌های ماهواره‌ای دریافت نموده‌اند‌ در بازه‌هایی مشخصی از زمان به گیرنده زمینی و نیز سایر هواپیماها ارسال می‌نمایند[1]. با وجود اینکه نصب و تعمیر و نگهداری تجهیزات زمینی ADS-B آسان و به نسبت کم هزینه هستند، اما آنچه تاکنون مانع از فراگیری این سیستم بوده، هزینه بالای تجهیز هواپیما به این سیستم است.

اطلاعات دریافتی از فرستنده‌های ADS-B و تجهیزاتی که در کابین خلبان برای پردازش تکمیلی نصب می‌گردد ورودی ADS-B نامیده می‌شود. 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 ترافیکی (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.

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

 

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 کاربر باشد تبدیل شده و در نهایت بر روی صفحه نمایشگر کامپیوتر نمایش داده می‌شود. خلبان درکابین، وضعیت ترافیک را روی نمایشگر اطلاعات ترافیک کابین (CDTI) مشاهده می‌کند، همچنین کنترلرهای زمینی می‌توانند نشانگر اطلاعاتی مربوط به ADS-B را همراه سایر اطلاعات راداری بر روی صفحه نمایشگر ترافیک ببینند.

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، بنابراین به عنوان ابزاری موثربرای نظارت بر ترافیک مسیرهای حرکت هواپیما (taxiway)، باند فرودگاه‌ها‌ و همچنین ترافیک‌هایی که در مناطق دور از دسترس هستند مانند مناطق کوهستانی (که دارای پوشش راداری ضعیف یا فاقد پوشش راداری می‌باشند) مورد استفاده قرار گیرد. یکی از مهم‌ترین فواید ADS-B توانایی آن در ارائه سریع و یکسان اطلاعات به استفاده‌کنندگان است که در زمان واحد، اطلاعاتی یکسانی در اختیار کنترلرهای زمینی و خلبانان قرار می‌گیرد. در شکل 3 نحوه چگونگی انتقال اطلاعات در این سامانه به خوبی نشان داده شده است.

شکل3: چگونگی ارتباطات و عملکرد سامانه ADS-B

adsbrebate

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.

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.

ads-b-block-diagram

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 افزایش اعلان اجتناب از برخورد ارتفاع از زمین، زیر 1000 پا شده و تداخل در باند را مشخص می‌کند.

سامانهADS-B  می‌تواند اطلاعاتی را که بطور عادی در دسترس خلبانان نبوده، به آن‌ها ارائه دهد. زیرا دامنه موثر سامانه بیش از 160 کیلومتر بوده و از طرفی نسبت به سایر سامانه‌های نظارتی مشابه، توانایی ارسال، دریافت، تجزیه و تمییز اطلاعات را در منطقه‌ای وسیع‌تر و با تداخل اطلاعاتی کمتر را دارد.

خلبانان و کنترلرهای استفاده‌کننده از ADS-B  نه تنها قادر به تعیین موقعیت ترافیک تداخلی خواهند بود، بلکه بطور واضح جهت، سرعت و ارتفاع مرتبط به آن را نیز خواهند دید. هنگامی که ترافیک مورد نظر تغییر وضعیت می‌دهد، شتاب می‌گیرد، افزایش یا کاهش ارتفاع می‌دهد، ADS-B تغییرات بوجود آمده را بدون هیچ تاخیر و پیچیدگی‌ای نشان می‌دهد. با استفاده از سامانه ADS-B می‌توان از خدمات اطلاعات پرواز نظیر توصیف اطلاعات هواشناسی به صورت گرافیک یا هشدارهای پروازی به صورت متن استفاده نمود. در گذشته، این خدمات در دسترس نبوده یا دارای هزینه 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 .

ملاحظات طراحی سامانه ADS-B

یکی از نکات و ملاحظاتی که در مورد پروتکل ADS-B مطرح است، ظرفیت حمل پیام‌های ADS-B توسط هواپیما 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 پیام ADS-B از یک بسته اطلاعاتی تشکیل شده است. بدلیل ثابت بودن و محدودیت پهنای باند کانال اطلاعاتی، بیشترین تعداد بسته اطلاعاتی از هواپیما ارسال می‌شود. 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.

format2

شکل5: فرمت داده‌های موقعیت ارسالی در دیتا لینک 1090ES

آژانس هوانوردی فدرال (FAA) و سایر تنظیم‌کنندگان هوانوردی بین‌المللی یک نوع نگرانی در مورد مرسولات سامانه ADS-B و ویژگی غیر محفوظ بودن اطلاعات ADS-B دارند. پیام‌های ADS-B برای شناخت موقعیت هواپیما بکار می‌روند 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 جلوگیری از گوش دادن و رمزگشایی مرسولات سامانه ADS-B وجود ندارد. از این رو برای کاربردهای نظامی از روش‌های رمزگذاری استفاده می‌شود .

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 نگرانی‌ها، 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 صورتی که خلبان دستگاه‌های ناوبری مبتنی بر GPS و یا GNSS را خاموش کند یا این سیستم‌ها از کار بیفتند، پرواز از دید سامانه نظارتی ناپدید می‌گردد. البته این اشکال در مورد پاسخگر رادارهای 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 برای هر ایستگاه ADS-B کمتر از نیم میلیون دلار است.

دقت و سرعت به روز رسانی داده‌ها در ADS-B بهتر از رادار است. در رادار هر 4 تا 12 ثانیه یکبار این کار انجام می‌گردد که در نتیجه آن بر روی نمایشگر پرش‌هایی 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 نگهداری آسان و هزینه کم نگهداری، قدرت فرستنده کمتر، فضای سایت بسیار کمتر، عدم نیاز به جاده‌سازی جهت رسیدن به سایت، عدم وجود بخش چرخشی که آسیب پذیرترین بخش سیستم راداری است، نیاز به ساختمان و تاسیسات بسیار کمتر و وابسته نبودن دقت به موقعیت هواپیما نسبت به آنتن (در رادار هرچه فاصله هواپیما تا آنتن بیشتر 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 سیستم نظارتی از سیستم ناوبری، در دسترس بودن تمامی استانداردها و دستورالعمل‌های مربوطه، مجهز بودن تقریبا همه پروازهای متوسط و سنگین به پاسخگر و عدم نیاز به صرف هزینه جهت تجهیز 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 پشتیبانی برای سیستم‌های نوین استفاده گردد.

ADS-S-vs-Radar

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 اختیار گذاشتن موقعیت هواپیماها به خلبان‌ها،  نقش اساسی دارد. از این‌رو می‌توان روندی را برای پیاده‌سازی این سیستم بر اساس سامانه ADS-B ارائه داد. در ابتدا باید اطلاعات پروازی در اختیار خلبان‌ها قرار داده شود تا خلبان‌ها آگاهی خوبی از موقعیت سایر هواپیماها نسبت به هواپیمای خود پیدا کنند که این کار با استفاده از سامانه ADS-B به راحتی قابل اجرا است، در نتیجه مدیریت انجام پروازها ارتقاء می‌یابد بدون آن که در مسئولیت‌ها تغییری حاصل شود. در مرحله بعد باید فاصله بین هواپیماها به خوبی رعایت شود. در برخی موارد رعایت فاصله از یک هواپیمای دیگر به خلبان واگذار می‌شود که البته این فاصله ارتباطی با حداقل جدایی استاندارد ندارد و اعمال جدایی‌های لازم بین هواپیماها همچنان با مرکز کنترل ترافیک است. از مهم‌ترین مزیت‌های این مرحله، کاهش تأخیرات پروازی و ارتقای ظرفیت 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 جدایی پرواز بر اساس استاندارد با برخی پروازها در بعضی از مناطق یا مسیرهای هوایی به خلبان‌ها واگذار شده و مراکز کنترل ترافیک صرفا نظارت را در این موارد اعمال می‌نمایند.

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 .

منبع : با اندکی تلخیص و اضافات برگرفه از سایت avionics.iut.ac.ir