MRAR-L Č. úlohy 3 Navigační systémy pro civilní letectví Sponzorem úlohy je společnost ZADÁNÍ 3.1 Seznamte se s navigačními službami řízení letového provozu. 3.2 Sledujte provoz hlasových služeb ŘLP Brno - Tuřany. 3.3 Seznamte se s principem systému ADS-B a ovládáním přijímače odpovědí ADS-B Kinetic Avionic SBS-1. 3.4 Sledujte letecký provoz v okolí Brna, odhadněte dosah příjmu odpovědí ADS-B, odhadněte umístění VOR majáků z drah letadel. 3.5 Pomocí digitálního osciloskopu proveďte synchronizaci vybrané odpovědi ADS-B v módu S a pokuste se ji dekódovat. 3.6 Aktivujte vysílač ADS-B mód S, tzv. SQUID, který umožňuje jak odesílání parametrů aktuální polohy, tak i předdefinované polohy a monitorujte jeho příjem na přijímači odpovědí ADS-B Kinetic Avionic SBS-1. ROZBOR Řízení letového provozu zajišťuje služby spojené s provozem letadel v příslušném vzdušném prostoru a na letištích s působností. Mezi základní služby patří hlasové komunikační služby (TWR, APP, ATIS) a služby přístrojové navigace pro vedení letadla po trati a přiblížení na přistání. Letiště Brno Tuřany má následující parametry: ICAO kód: LKTB IATA kód: BRQ Zeměpisná poloha: 49 09 05 N 16 42 01 E Nadmořská výška: 237m / 778 feet Frekvence Tuřany - Vež: 119,600 MHz Frekvence Tuřany - Ground: 125,425 MHz Tísňová frekvence: 121,500 MHz Frekvence Brno - Radar: 120,550 MHz Záložní frekvence Brno - Radar: 119,100 MHz a 119,900 MHz Frekvence Brno Handling: 131,800 MHz Frekvence Tuřany ATIS: 131,100 MHz
Tuřany - Věž provozně organizační: 121,700 MHz (pozemní vozidla) Dráha 28/10 (beton): délka 2650 m, šířka 60 m Dráha 27/09 (tráva): délka 1000 m, šířka 30 m a provozuje následující navigační služby: Standardní systém přesných přibližovacích majáků ILS RWY 28 (CAT I) (kanál 52X, lokalizér 111,5 MHz, sestupový maják 332,9 MHz) Měřič vzdálenosti DME BO Nesměrové radiomajáky NDB BNO (368 khz) a L B (429 khz) VKV všesměrový radiomaják VOR BNO (113,9 MHz) Měřič vzdálenosti DME BNO Pro doplnění: Frekvence AFIS Medlánky: 122,400 MHz Systém ILS Instrument Landing System (ILS) je elektronický přístrojový přistávací systém, který poskytuje přesné informace o okamžité poloze letadla vzhledem k referenční trajektorii vytvořené dvěma majáky pomocí směrového rádiového signálu. ILS je definován jako přesný přistávací systém obsahující maják pro určení horizontální roviny i sestupové roviny navádění (GS/GP) na přistání a soustavu vějířových značkovacích majáků definujících vzdálenost od paty přistávací dráhy (viz Obr. 3.1). Obr. 3.1 Uspořádání majáků systému ILS. Kurzový maják ( lokalizér - LOC ) je v principu tvořen dvěma pozemními radiovými vysílači, pracující na shodném nosném kmitočtu v pásmu VKV, s anténními systémy navrženými tak, aby vyzařovaly ve směru osy přistávací dráhy, avšak jeden mírně vpravo a druhý mírně vlevo (viz Obr. 3.2). Společná nosná vlna v pásmu 108 116 MHz je modulována u jednoho vysílače kmitočtem 90 Hz, u druhého 150 Hz. Z pohledu přibližujícího
letounu to vypadá tak, že pokud se blíží přesně v ose dráhy, je úroveň signálu z obou vysílačů stejná (vertikální ručička indikátoru je v nulové střední poloze). Pokud je letoun vpravo nebo vlevo od osy dráhy, je úroveň jednoho z modulačních signálů větší (vertikální ručička indikátoru je vychýlena v příslušném směru). Obr. 3.2 Princip definice osy dráhy majákem ILS-LOC. Sestupový maják (angl. glideslope/glidepath - GS/GP ) pracuje na stejném principu, pouze jsou osy vyzařování obou vysílačů mírně vychýleny nahoru nad a dolů pod sestupovou rovinu. Letoun klesá k patě přistávací dráhy tak, aby oba modulační signály měly stejnou intenzitu. Nosný kmitočet je oproti LOC odlišný, avšak párově přiřazený. ILS umožňuje letadlům bezpečné konečné přiblížení podle přístrojů, do takové výšky a vzdálenosti od prahu dráhy, kdy může pilot bezpečně přistát (nebo přistání zrušit). Výhodou ILS je také, že jeho signál může využívat i autopilot a letadlo může být do bodu rozhodnutí (cca 200 m před patou dráhy) svedeno automaticky. Systém ADS-B ADS-B (Automatic dependent surveillance-broadcast) je systém kooperativního dozoru řízení letového provozu využívající sekundární radiolokaci v systému dotaz odpověď. Dle standardů ICAO letadlo vybavené systémem ADS-B odesílá pravidelně zprávu daného formátu, v níž je uložena identifikace letadla a další palubní informace (pozice získaná z palubního GPS přijímače, výšku atd.) ADS-B poskytuje přesné informace a časté aktualizace uživatelům vzdušného prostoru a řízení letového provozu přes GBT a podporuje lepší využití vzdušného prostoru a bezpečnost, například prostřednictvím řízení konfliktů (viz Obr. 3.3). Základem palubního vybavení je vysílací subsystém, který obsahuje generátor zprávy ADS-B podle transportního protokolu (IM modulace) v režimu VHF (VDL režim 2 nebo 4), 1090ES nebo 978 MHz UAT. Přijímač Kinetic Avionic SBS-1 umožňuje příjem odpovědí ADS-B v módu S. Formát příslušné zprávy je uveden na obrázku 3.4. Využívá se pulsně kódové modulace. Synchronizační preambule obsahuje čtyři impulsy se šířkou 0,5 µs. Vlastní informační blok začíná na počátku osmé 0,5 µs od počátku prvního pulsu preambule. Jeden bit zprávy je dlouhý 1 µs, přičemž první polovina této doby definuje hodnotu příslušného bitu (pro puls je bit = 1, bez pulsu je bit = 0. Ve druhé polovině bitu je pak stav opačný. Tím je zajištěna dokonalá synchronizace během příjmu celé zprávy. Datový blok má délku 56 nebo 112 bitů (tj. 56 nebo 112 µs).
Obr. 3.3 Prvky systému ADS-B. Obr. 3.4 Formát odpovědní zprávy ADS-B v módu S. Obr. 3.5 Obsah rámce odpovědní zprávy ADS-B v módu S.
Na obrázku 3.5 je uvedena specifikace rámce ADS-B v módu S. Pětibitové pole DF (Downlink Format) specifikuje zdroj zprávy (hodnota DF = 17 specifikuje odpovídač). Identifikace letadla se provádí podle 24bitové hodnoty AA (Aircraft Address). Každá země má přidělen vlastní prefix (prvních N bitů), seznam prefixů pro vybrané země Evropy je uveden v tabulce 3.1. Blok ME obsahuje konkrétní parametry letadla (polohu, rychlost, výšku atd.). Poslední část zprávy PI představuje kontrolní součet. Tab. 3.1 Prefixy AA kódů přidělené vybraným zemím v Evropě. Země Počátek AA kódu (binárně) Počet volných kódů Bělorusko 0101 0001 0000 00 1024 Česká republika 0100 1001 1 32768 Dánsko 0100 0101 1 32768 Estónsko 0101 0001 0001 00 1024 Finsko 0100 0110 0 32768 Francie 0011 10 262144 Itálie 0011 00 262144 Maďarsko 0100 0111 0 32768 Německo 0011 11 262144 Nizozemí 0100 1000 0 32768 Norsko 0100 0111 1 32768 Polsko 0100 1000 1 32768 Rakousko 0100 0100 0 32768 Rumunsko 0100 1010 0 32768 Ruská federace 0001 1048576 Španělsko 0011 01 262144 Švédsko 0100 1010 1 32768 Švýcarsko 0100 1011 0 32768 Turecko 0100 1011 1 32768 Ukrajina 0101 0000 1 32768 Velká Británie 0100 00 262144 Mimo umístění vysílačů ADS-B na palubě civilních letadel, lze tento systém využít i pro pozemní vozidla obsluhy na letištích pro jejich monitoring a efektivní řízení pozemního provozu v prostoru letiště. Vysílač umožňující vysílání zpráv ADS-B mód S o poloze vozidla na letišti dodává společnost ERA pod názvem SQUID. POSTUP MĚŘENÍ Ad 3.2) Hlasovou komunikaci monitorujte na komunikačním přijímači AOR. Pro všechny služby se používá amplitudová modulace. Hlasové služby: Brno-Radar 120,550 MHz: o Hlašení přilétavajících letadel do TMA Brno o Hlašení odlétavajících letadel z TMA Brno Tuřany-Věž (Tuřany Tower) 119,600 MHz:
o Hlášení letadel po vstupu do CTR Brno-Tuřany o Navedení letadla na přistání letadla o Řízení pozemního pohybu letadel Tuřany-Věž 121,700 MHz: o Řízení pohybu a koordinaci ostatních dopravních prostředků po ploše letiště. ATIS (Automatic Terminal Information Service) 131,100 MHz: Ad 3.3) o Při běžném provozu informace o počasí (v angličtině), v případě mimořádné události rozšířené informace o situaci. (Pokuste se informaci vysílanou přes ATIS přeložit.) Spusťte aplikaci BaseStation, která představuje aplikační rozhraní přijímače SBS-1 pro operační systém Windows. Její okno je uvedeno na obrázku 3.6 a obsahuje mapové zobrazení radaru (aktuální poloha letadel) a tabulku letových parametrů. Ovládání je intuitivní. Prostudujte význam jednotlivých parametrů. Za jasného počasí sledujte přelety civilních letadel na obloze. Ad 3.4) Majáky VOR jsou většinou v místech, kde dochází ke změně kursu letadel. V mapovém okně pozorujte dráhy letadel a určete místa, kde letadla mění kurs. Umístění majáků VOR na území ČR je patrné z mapky na obrázku 3.7. Obr. 3.6 Okno aplikace BaseStation.
Obr. 3.7 Mapa majáků VOR/DME a NDB v ČR Ad 3.5) Připojte výstup vstupního dílu k jednomu kanálu paměťového osciloskopu. Nastavte časovou základnu na 20 µs/d a vertikální zesilovač na 200 mv/d. Mód synchronizace nastavte na normální a zachycení jednoho průběhu. Postupně spouštějte běh osciloskopu, až získáte podobný průběh jako je na obrázku 3.8, tedy ADS-B odpověď. Při hledání vhodného signálu využijte nastavení synchronizační úrovně. Časovou základnu předsuňte cca o 80 µs dopředu. Po zachycení signálu změňte časovou základnu na 1 µs/d a posouváním časové osy (viz Obr. 6.9 a Obr. 6.10) dekódujte část ADS-B signálu dle protokolu (nejlépe AA adresu letadla a určete podle tabulky 1 zemi jeho původu). Obr. 3.8 Osciloskopický záznam signálu ADS-B.
Obr. 3.9 Osciloskopický záznam pulsů preambule signálu ADS-B. Ad 3.6) Obr. 3.10 Osciloskopický záznam pulsů počátku informační zprávy ADS-B. Připojte napájecí napětí k vysílači SQUID a spusťte matlabovskou aplikaci s uživatelským rozhraním SQUID_CTRL. Nastavte vhodnou prodlevu aktualizace polohy na posuvné liště. Aktivací tlačítka START započne automatické odesílání umělé polohy do vysílače SQUID ve stanoveném intervalu. Polohy jsou definované v souboru input.txt ve tvaru:,ssmm.mmmm,n,ssmm.mmmm,e,
kde první údaj za čárkou je geodetická šířka a druhý údaj geodetická délka, hodnota SS definuje úhlové stupně, hodnota MM.MMMM úhlové minuty, N a E odpovídá severní geodetické šířce, resp. východní geodetické délce. Po skončení sekvence vysílá SQUID svou aktuální polohu. Monitorujte příjem a správnou funkčnost vysílače SQUID na monitoru přijímače ADS-B, viz obr. 3.11. Pro správnou funkci v těsném sousedství odpojte anténu od přjímače (signál je i tak dostatečně silný). Obr. 3.11 Monitoring činnosti vysílače SQUID. PŘÍSTROJE A POMŮCKY Komunikační přijímač AOR AR8600 MK2 Logaritmicko-periodická anténa pro pásma VKV a UKV Přijímač Kinetic Avionics SBL-1 Paměťový osciloskop Napájecí zdroj 12 V Vysílač SQUID
LITERATURA [3.1] SKOLNIK, M.I. Radar Handbook. 2 nd ed. New York: McGraw-Hill, 1990.