نقش صنعت فضایی در نسل بعدی سیستم‌های ردیابی و نظارتی هواپیماها

اداره هوانوردی فدرال ایالات متحده (FAA) تا یک ژانویه ۲۰۲۰، مقررات جدیدی را اجرا می‌کند. طبق این مقررات جدید، هواپیماهایی که در حریم هوایی کنترل شده پرواز می‌کنند باید مجهز به سیستم ADS-B باشند تا مسیر، سرعت و مکان هواپیما قابل دسترس باشد. این مقررات جدید، ناوگان هوایی را به سمت نسل آینده‌ی سیستم‌های ردیابی و نظارتی هواپیماها سوق می‌دهد که هدف آن کاهش وابستگی سیستم‌های حمل و نقل هوایی به رادارهای زمینی نقطه به نقطه است. این در حالی است که مقررات جدید، پروازی ایمن‌تر، کارآمدتر و قابل پیش‌بینی را فراهم می‌کند.

در چند سال گذشته، ADS-B در بین ارائه‌دهندگان خدمات ناوبری هواپیمایی و جامعه هوانوردی در سراسر جهان، علاقه‌مندان زیادی را به خود جذب کرده است. در مقایسه با سیستم‌های رادار زمینی، ADS-B دقت و پایداری بیشتر و هزینه کمتری دارد و همچنین می‌تواند مشخصات وضعیتی و موقعیتی هواپیما را به اشتراک بگذارد. اگرچه، ADS-B های قدیمی اطلاعات را به سیستم‌های مخابراتی زمینی ارسال می‌کردند. در نتیجه، نمی‌توانستند اقیانوس‌ها و مناطق دور افتاده را پوشش دهند. این فاصله، جایی است که صنعت فضایی به ایفای نقش می‌پردازد و موقعیت خود را در نسل آینده هوانوردی مستحکم می‌کند.

بازار برای سرویس‌های جدید نظارت بر ترافیک هوایی و ردیابی هواپیما (ATS) مبتنی بر فضا، به سرعت در حال توسعه است. همزمان با شمارش معکوس به سمت FAA 2020، جامعه هوانوردی در حال ارزیابی سیستم‌های ADS-B از نظر عملکردی است. قبل از انتخاب این سیستم بعنوان سرویس تجاری، ارائه‌دهندگان خدمات ناوبری هواپیمایی باید این تغییر جدید ناشی از ورود بازار ماهواره‌ مبنا را مورد بررسی و ارزیابی قرار دهد.

در حال حاضر، ارائه‌دهندگان خدمات ناوبری هواپیمایی و جامعه هوانوردی با بکارگیری سیستم ADS-B جدید مبتنی بر فضا مانند Aireon، ورود با این بازار را مورد ارزیابی قرار داده و از نحوه عملکرد، معماری و گزینه‌های جایگزین آگاهی پیدا کردند. Aireon خدمات نظارت بر ترافیک هوایی و ردیابی هواپیما (ATS) را پوشش و سایر خدمات ردیابی را با کیفیت پایین‌تری ارائه می‌دهد. برنامه‌های همسو با این مقررات جدید به شرح زیر هستند:

خدمات ردیابی

خدمات ردیابی بطور معمول هر ۱۵ دقیقه به‌روز می‌شود. این به‌روز رسانی برای جلوگیری از برخورد بین هواپیماهای مسافربری که با سرعت بالا (تا ۱۰۰۰ مایل بر ساعت) و در جهت مخالف هم حرکت می‌کنند، مناسب نیست.

Spire

Spire ناوگانی از کیوبست‌ها است که ماموریت‌های مختلفی را انجام می‌دهند. در ۱۶ جولای ۲۰۱۸، چهار ماهواره جدید LEMUR پرتاب شد که حامل محموله جدید AirSafe ADS-B شرکت Spire بود. هدف Spire دستیابی به قابلیت ردیابی هواپیماها در سراسر جهان است. هر چند، Spire برای پوشش سراسر جهان و به‌روز رسانی ۱۵ دقیقه‌ای اطلاعات هواپیماها نیاز به ماهواره‌های بسیار زیادی دارد.

Aerial & Maritime Ltd.

Aerial & Maritime قصد دارد تا سال ۲۰۲۱ منظومه‌ای از نانو ماهواره‌ها را برای مدیریت ترافیک هوایی و ردیابی کشتی‌ها راه‌اندازی کند. A&M در حال حاضر قادر به انجام ردیابی هواپیماها است. با اینکه اطلاعات عملی در دسترس نیست اما این شرکت ادعا می‌کند قادر به فراهم کردن نظارت ATS با استفاده از سیستم‌های نانو ماهواره‌ است. البته رعایت دقیق الزامات ATS با استفاده از نانو ماهواره‌های منظومه‌ای، امری چالش برانگیز است.

Globstar

Globstar با همکاری ADS-B Technologies (انکوریج، آلاسکا) سیستم ADS-B Link Augmentation (ALAS) را توسعه داده است. استفاده از ALAS نیازمند انجام اصلاح در برخی تجهیزات هواپیمایی است. مانند ادغام و نصب گیرنده-فرستنده مخصوص در تجهیزات ADS-B هواپیما است. این گیرنده-فرستنده، اطلاعات ADS-B را به ماهواره‌های Globstar ارسال می‌کند. این داده‌ها پس از آن به ایستگاه زمینی ارسال و سپس در اختیار ارائه‌دهندگان خدمات ناوبری هواپیما و یا سایر کاربران قرار می‌گیرد. سیگنال‌های سیستم ALAS برای امنیت بیشتر رمزگذاری می‌شوند. با این حال، از نظر نظارتی، فرکانس‌های بالارو و پایین‌رو سیستم ALAS توسط اتحادیه بین‌المللی مخابرات برای برنامه‌های ایمنی طول عمر پشتیبانی نمی‌شود. بنابراین، ALAS برای نظارت ATS مناسب نیست. همچنین Globstar سرویس‌های خود را تنها در مناطقی ارائه می‌دهد که در آن‌ ماهواره‌ای بطور همزمان به کاربر و ایستگاه زمینی متصل باشد. بنابراین، ممکن است Globstar نتواند سرویس‌های خود را بر فراز اقیانوس و مناطق دورافتاده بخوبی ارائه دهد.

ADS-C

ADS-C اساسا یک تکنولوژی ارتباطاتی است که برای ردیابی هواپیما ایجاد شده است. ADS-C در قالب فعلی خود قابل مقایسه با ADS-B نیست و نمی‌تواند برای نظارت ATS استفاده شود. شرکت Inmarsat از سال ۱۹۹۰ این خدمات را ارائه می‌دهد. سیستم‌های Iridium نیز از سرویس‌های ADS-C پشتیبانی می‌کند.

خدمات نظارتی

خدمات نظارتی شامل به‌روز رسانی ۸ ثانیه‌ای یا بهتر با قابلیت اطمینان ۹۶ درصد به بالا است. تکنولوژی نظارتی ATS باید اطلاعات موقعیت لحظه‌ای را برای اطمینان از جدا بودن هواپیماها فراهم کند. عملکرد سیستم‌های ATS به شدت توسط سازمان‌هایی مانند سازمان اروپایی تجهیزات حمل و نقل هوایی مدرن نظارت و قوانین سختگیرانه‌ای برای آن‌ها تنظیم می‌شود. همچنین، الزامات سیستم نظارت ATS به تازگی بواسطه الزامات Eurocontrol General Surveillance بروز شده است.

علاوه‌ بر این، سیستم‌های نظارت ATS نیاز به داشتن فرکانس‌های سیستم ALL هستند که توسط اتحادیه بین‌المللی مخابرات برای کاربردهای ایمنی طول عمر طبقه بندی شده‌اند. سیستم‌های نظارت ATS مبتنی بر فضا، علاوه بر پوشش مناطق اقیانوسی و دورافتاده، می‌تواند در زمان ترافیک هوایی سنگین که احتمال افزایش تداخل رادیویی در ناحیه‌های غیر دورافتاده وجود دارد نیز عملکرد خوبی ارائه دهد.

Aireon

انتظار می‌رود، Aireon به‌خوبی از رعایت الزامات سیستم‌های نظارتی ATS ارائه‌دهندگان خدمات ناوبری هواپیماها (فاصله زمانی به‌روزرسانی، تاخیر، دسترسی و پوشش) برمی‌آید و همچنین می‌تواند خدمات ردیابی را در درجه پایین‌تری ارائه دهد. Aireon بعنوان محموله ثانویه ماهواره‌های Iridium عملیاتی می‌شود. بنابراین، Aireon می‌تواند خدمات خود را با هزینه پایین‌تری ارائه دهد. نسل بعدی ماهواره‌های منظومه‌ای شامل ۶۶ ماهواره به همراه چند ماهواره یدکی و چندین ایستگاه زمینی است. سیستم Aireon با تجهیزات فعلی هواپیماها سازگار است، به همین دلیل هزینه‌های تحمیلی آن بر ناوگان هوایی کاهش می‌یابد.

هواپیماهای ردیاب با سرعت بالا در زمان واقعی

خدمات سیستم‌های نظارت ATS برای به‌روزرسانی ۸ ثانیه‌ای اطلاعات به ماهواره‌های بزرگتر و پیچیده‌تر نیاز دارند. در حالی‌که به‌روزرسانی اطلاعات سیستم‌های ردیابی هواپیما توسط ماهواره‌های کوچک، نانو ماهواره‌ها و کیوبست‌ها حدود چند دقیقه است. طبق قوانین سازمان‌های هواپیمایی، سیستم‌های نظارت ADS-B در مدارهای LEO برای رعایت الزامات و رسیدن به سطح اطمینان ۹۹ درصد باید تنها ۲ ثانیه تاخیر داشته باشند. عناصر زیادی در سیستم‌های مبتنی بر فضا دخیل هستند مانند بخش زمینی که تا حدودی می‌تواند این تاخیر را جبران کند. بنابراین، در طراحی کلی این سیستم‌ها، تاخیرها باید به دقت مورد بررسی قرار گیرند.

در حال حاضر، بکارگیری سیستم ردیابی ADS-B با استفاده از کیوبست‌ها به این بازار معرفی و با موفقیت هم روبرو شد. کیوبست‌ها معمولا از گیرنده‌هایی با یک یا چند پرتو کم استفاده می‌کند. این گیرنده‌ها ممکن است برای ADS-B مناسب باشد اما برای نظارت ATS مناسب نیست. یک پرتو تنها، تحت شرایط ترافیک هوایی بالا به آسانی اشباع می‌شود. همچنین، حجم پوشش هوایی توسط هر کیوبست به نسبت کوچک است. برای نمونه، حدود ۱۴۵۲ پرتو مجزای کیوبست برای پوشش Aireon LEO ADS-B نیاز است. این سیستم ADS-B بعنوان محموله ثانویه در ۶۶ ماهواره بعدی ایریدیوم قرار دارد. البته با استفاده اجرای یک منظومه ماهواره بزرگ حدود ۱۴۵۲ ماهواره و لینک بین ماهواره‌ای، این امر امکان‌پذیر است ولی از لحاظ هزینه، پیچیدگی و در نهایت چشم‌انداز رقابتی غیر عملی است. همچنین حفظ و نگهداری از چنین سیستمی بسیار دشوار و پر هزینه است.

کیوبست‌های Spire و نانو ماهواره‌های Aerial & Maritime داده‌های ردیابی هواپیماها را فراهم می‌کنند. تعداد کم پرتو گیرنده ADS-B در هر ماهواره باعث می‌شود که برای خدمات نظارت بر ترافیک هوایی و ردیابی هواپیما (ATS) از چند صد تا چند هزار ماهواره موردنیاز باشد. علاوه بر مسائل فنی و مالی، طی کردن مراحل برای صدور مجوز نیز ضروری است. شرکت‌های سازنده کیوبست‌ها و نانو ماهواره‌ها باید خدمات نظارت بر ترافیک هوایی و ردیابی هواپیما (ATS) را از نظر عملکردی به اثبات برسانند تا موفق به دریافت مجوز ایمنی شوند. همچنین برای نظارت ATS باید مجوز حفاظت از طیف فرکانسی از اتحادیه بین‌المللی مخابرات دریافت شود. این امر بسیار مهم است زیرا روند تصویب آن معمولا ده سال یا بیشتر طول می‌کشد. تا به امروز، تنها Inmarsat و Aireon توانسند به حفاظت از طیف فرکانسی از انجمن بین‌المللی مخابرات دست یابند.

خدمات نظارت بر ترافیک هوایی و ردیابی هواپیما (ATS) و ADS-B مبتنی بر فضا، ایمنی، بهره‌وری و امکان پیش‌بینی پرواز و مدیریت جریان ترافیک هوایی را بر فراز اقیانوس‌ها و مناطق دور افتاده افزایش می‌دهد. استفاده از تکنولوژی فضایی در حوزه ATS فاصله و کمبودهای ATS مبتنی بر زمین را جبران می‌کند. در حال حاضر، Aireon بصورت یک محموله ثانویه بر روی ماهواره‌های منظومه‌ای Iridium در حال فعالیت است و سرویس‌های سطح ATS را فراهم می‌کند.