EVOLUÇÃO DA INFRAESTRUTURA AERONÁUTICA. Karl Martin Kühr Eduardo Tavares Pereira Thiago Fernando Gregolon

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1 EVOLUÇÃO DA INFRAESTRUTURA AERONÁUTICA Karl Martin Kühr Eduardo Tavares Pereira Thiago Fernando Gregolon FLORIANÓPOLIS 10/2012

2 2 Karl Martin Kühr Eduardo Tavares Pereira Thiago Fernando Gregolon EVOLUÇÃO DA INFRAESTRUTURA AERONÁUTICA Trabalho de conclusão do curso de Piloto Comercial - turma PC03N. Floripa Flight Training Florianópolis 11/10/2012

3 3 SUMÁRIO 1- Introdução Navegação Sistemas Convencionais... X Entendendo o sistema convencional... X NDB... X RNAV... X 2.2- Sistemas em implantação... X GNSS... X DGNSS... X 3- Vigilância... X 3.1- Sistemas de Vigilância Convencional... X Radar Primário... X Radar Secundário... X 3.2- Novos Sistemas de Vigilância... X ADS-B (Vigilância Dependente automática por Rádiodifusão)... X ADS-C (Vigilância Dependente Automática por Contrato)... X 4- Comunicação... x 4.1- Sistemas de Comunicação Convencional... x 4.2- Comunicação Aeronáutica no conceito CNS/ATM... X CPDLC (Comunicações entre Piloto e Controlador via Enlaces e Dados)... X VHF Data Link (VDL)... X HF Data Link (HFDL)... X MODE-S Data Link... X AMSS (Serviço Móvel Aeronáutico por Satélite)... X 5- Conclusão... X 6- Bibliografia... X

4 4 1. Introdução Nos últimos cinquenta anos, temos observado uma revolução tecnológica extremamente acentuada. Novas tecnologias prometem mais segurança e precisão nos procedimentos. Apesar disso, a tecnologia evolui em um ritmo tão acelerado que não pode ser acompanhado por alguns aspectos da infraestrutura aeronáutica, como a regulamentação e fatores operacionais. O aprimoramento dos meios de navegação, como o surgimento do GPS, enfrentam contratempos, como o fato das rotas aéreas serem baseadas em NDB ou VOR\DME, ou o crescimento desordenado do tráfego aéreo, não acompanhado pelos aeroportos, gerando cada vez mais atrasos e congestionamentos. Com o surgimento de sistemas de navegação independentes (IRS), aliado a sistemas de navegação global baseado por satélites (GNSS), foi possível realizar a navegação entre dois pontos, que foi conhecida como RNAV. A ICAO então, criou o conceito do RNP, sua intenção era caracterizar os tipos de precisão exigidas nos espaços aéreos. O RNAV seria um método de navegação que permitisse aeronaves operarem em qualquer lugar desejado, sem cobertura de auxílios em terra.

5 5 2. Navegação 2.1 Sistemas Convencionais No que diz respeito à comunicação entre as aeronaves e os centros de controle, os sistemas convencionais de comunicação ainda utilizados em larga escala na aviação mundial são baseados em tecnologias de emissão e recepção de sinais de áudio por ondas eletromagnéticas. Um padrão de comunicação viabilizado essencialmente por canais de voz, que utiliza as frequências HF e VHF. Nesse capítulo são apresentados os sistemas utilizados na navegação convencional Entendendo o sistema convencional A frequência VHF (Very High Frequency ou frequência muito alta) é a mais utilizada. De sinal claro, propicia uma comunicação limpa, sem chiados e de fácil compreensão. É, no entanto, limitada no que diz respeito à sua difusão e por isso exige um grande número de antenas em todo o país. As frequências HF (High Frequency ou frequência alta) alcançam distâncias incomensuravelmente maiores, chegando a cruzar países e oceanos. A HF, porém, não possui um canal com a mesma qualidade de recepção e transmissão da VHF. Nela há chiados e suscetíveis alterações atmosféricas que costumam prejudicar ainda mais a clareza de seus sinais. Em síntese, na frequência VHF, o sinal de áudio do piloto é emitido pelo transmissor instalado na aeronave, recebido pela antena receptora mais próxima em terra, retransmitido para outras antenas ou mesmo, dependendo da localidade, diretamente para o Centro de Controle que, uma vez no ajuste de frequência correto, o captará através de seu receptor e vice-versa. Já a frequência HF não precisa de retransmissores em terra. Uma vez emitido, o sinal vai direto para a camada ionosférica, que por sua vez o reflete, propagando-o para distâncias continentais NDB Generalidades: Conhecido mundialmente no meio aeronáutico e também no marítimo por NDB, (Non Directional Beacon), que significa marcador não-direcional, a estação nada mais é do que uma baliza de sinais de rádio, telegrafia modulada em 1020 Hz, de fundamental importância a radionavegação náutica e aérea. Em radionavegação, o NDB determina uma posição relativa ou um ponto definitivo (objetivo); no caso da posição relativa, não existe a necessidade da aeronave passar exatamente sobre um determinado ponto, mas sim uma referência de uma rota, sendo que esta situação é reportada como passando no través ou passando sobre. Já no caso de um

6 6 objetivo, a marcação da baliza será o ponto final de uma rota ou de um determinado procedimento de navegação. Equipamento de recepção de bordo O ADF (Automatic Direction Finder - localizador automático de direção) é o sistema de bordo para recepção dos sinais, também conhecido por radiogoniômetro e radiocompasso. É constituído de um receptor de AM com batimento, um indicador de painel graduado em 360 graus e duas antenas; uma unifilar chamada Sense e outra rotativa ou chaveada eletronicamente chamada Loop. A comparação entre os sinais das duas antenas é o determinante para a direção do radiofarol. Os receptores aeronáuticos cobrem de 190 até khz. A cobertura contínua provê a possibilidade de utilização de estações broadcasting na navegação aérea quando da falta de estações de radiofarol dentro do alcance dos aviões. Sistema aeronáutico No âmbito aeronáutico os radiofaróis existem em número bem maior, pois além de simples baliza de um aeroporto também constituem o sistema ILS (Instrument Landing System - sistema de pouso por instrumentos) e os fixos de posição. Os aeroportos e até mesmo alguns pequenos aeródromos e pistas possuem uma estação de radiofarol identificada por três caracteres e um transmissor com potência que varia entre 100 e 1000 watts que determina uma cobertura de 45 a 185 quilômetros, sempre que possível situado o mais próximo da pista. Os radiofaróis do ILS são imprescindíveis às operações de pouso de um aeroporto, pois informam posições críticas e essenciais de um circuito de pouso. Estas balizas são de até duas estações e conhecidas como marcador médio (LMM) e marcador externo (LOM), localizadas na área externa ao aeroporto, no prolongamento da cabeceira principal da pista e identificadas por dois caracteres, sendo que o primeiro carácter será I de ILS e os segundos caracteres do indicativo principal do aeródromo; por exemplo, Porto Alegre, o indicativo principal do Localizador é IPA e o marcador médio é IA em 395 khz e o externo IP em 395 khz. Em Porto Alegre existe um marcador médio na cabeceira oposta e como não faz parte do sistema ILS da cabeceira principal é identificado como PÁ em 315 khz. Estes marcadores possuem transmissores com potência de 50 watts e antenas de dimensões reduzidas, o que ocasiona um alcance bastante reduzido, em torno de 25 quilômetros, portanto a recepção deste tipo de estação a longa distância constitui um prêmio ao radioescuta. Por último existem as estações de radiofarol balizando os chamados fixos aeronáuticos, pontos onde as aeronaves obrigatoriamente devem reportar sua passagem. Estas estações podem estar localizadas dentro de uma determinada área terminal, ou seja, área de jurisdição de um controle de aproximação, que circunda um grande aeroporto; ou ainda em uma aerovia, principalmente aquelas localizadas sobre grandes extensões desabitadas, como os oceanos, desertos e florestas, onde um sistema como o VOR (VHF omnirange) é ineficiente, pois como o próprio nome indica está limitado pelo alcance do VHF. Em geral estas estações identificadas por três caracteres possuem transmissores de watts e excelentes antenas tipo torre irradiante, que como o nome indica, participa do processo de

7 7 transmissão, numa estrutura com 42 metros de altura e 72 radiais enterrados para uma perfeita irradiação em todas as direções. Existem várias publicações aeronáuticas repletas de informações sobre o assunto, pois cada país é obrigado à mantê-las sempre atualizadas; no Brasil, a DECEA (Departamento de Controle do Espaço Aéreo) fornece o ROTAER - Manual de Rotas Aéreas, a AIP - Publicação de Informações Aeronáuticas, que podem ser adquiridos nos aeroportos das capitais, através de assinatura anual. O detalhe que torna a escuta dos radiofaróis interessante é sua baixa potência em relação às emissoras comercias em AM, a propagação por onda terrestre e sua identificação telegráfica, pois leva o radioescuta ao aprimoramento pessoal e técnico na busca de uma melhor recepção. O assunto é vasto e engloba superação de vários fatores como as interferências naturais e artificiais, mas que aliada à força de vontade podem ser transpostas as dificuldades e trazer imensa satisfação RNAV Em algumas regiões e dependendo dos sistemas de navegação disponíveis em uma aeronave, ainda se voa tendo auxílios em solo como referências. A navegação RNAV, transforma uma trajetória de vôo muitas vezes maior do que a distância verdadeira entre dois pontos, em um vôo praticamente em linha reta, sendo esta orientada através de pontos virtuais inseridos através de tecnologia digital com base em satélites. O RNP garante a precisão de uma Navegação por Área, sendo mais restrito em locais mais densos, a fim de possibilitar um maior número de aeronaves em determinado espaço aéreo, como uma área Terminal, e menos restrito em locais aonde o fluxo de aeronaves é menor. O Brasil, por se tratar de um país em constante crescimento, necessita de sistemas que viabilizam uma operação segura na medida em que o fluxo de aeronaves vem aumentando. Nosso país é um importante centro de entrada de aeronaves que visam, principalmente, destinos e procedências internacionais, devido às fronteiras com países da América do Sul. Para prover um aumento da segurança e melhorar a eficiência das operações, por meio de um sistema embarcado em uma aeronave, pode-se realizar um procedimento com base exclusiva em satélites, através de pontos (fixos) com base em latitude e longitude préestabelecidos em cartas de procedimento e inseridos, por meio de atualizações a cada 28 dias, em um database do avião. Para melhorar ainda mais a precisão, este tipo de procedimento consegue, devido à versatilidade que o sistema baseado em satélites consegue prover, calcular uma rampa de planeio de forma semelhante a um pouso por precisão (ILS), embora este tipo de procedimento ainda não seja considerado de precisão. PONTO POSITIVO: Os procedimentos RNAV, garantem uma maior precisão e economia, não sendo suscetíveis a falhas causadas por meteorologia ou elevações.

8 8 2.2 Sistemas em implantação A utilização do potencial de precisão do sistema de triangulação por satélite permitiu uma grande evolução para a navegação aérea. A navegação por satélite está se tornando cada vez mais comum, e é um exemplo de evolução da infraestrutura aeronáutica. Para criar um sistema confiável baseado em satélites, precisou-se de uma grande quantidade desses aparelhos, formando o que chamamos de uma constelação de satélites. Existem dois sistemas passíveis de serem usados, que diferem pela performance necessária. O padrão é o RNAV, que faz uso do GNSS (Global Navigation Satellite System), o outro é o RNP, que precisa de uma performance superior da aeronave, e utiliza o DGNSS (Diferential Global Navigation System) GNSS O GNSS é basicamente um conjunto de satélites, que formam o que chamamos de constelação. Ele é composto pelos sistemas GPS (EUA), GLONASS (Federação Russa) e GALILEO (Agência Espacial Européia). Atualmente o sistema GALILEO permanece inoperante. O GNSS é um sistema íntegro e confiável, é muito resistente a interferências e altamente preciso. Esse sistema garante precisão nos procedimentos de subida (SID), rota, procedimentos de terminal (STAR) e aproximação (IAL). O a constelação de satélites é está continuamente disponível e sua atuação é contínua. O GPS é um instrumento que pode compor o RNAV, e hoje já está presente em grande parte das aeronaves. Podemos dizer que como instrumento, o GPS representa a transição entre o passado, e o futuro (presente), sendo assim, um exemplo de atualização. O avanço da tecnologia de precisão juntamente com a evolução na performance das aeronaves levou a necessidade da criação de um sistema mais moderno, que é o DGNSS. Esse sistema é basicamente o GNSS preparado para cumprir os Requisitos de Performance de Navegação RNP (Required Navigation Performance), padronizado pela icao. O sistema DGNSS oferece uma exatidão superior, assim como disponibilidade, continuidade e integridade DGNSS Podemos dividir o DGNSS em dois conceitos: SBAS (Space Based Augmentation System) e GBAS (Ground Based Augmentation System). SBAS: O SBAS pretende padronizar sistemas de acréscimo de correções na área de cobertura baseada em satélites, no qual o usuário recebe informações de correção de posição da seguinte maneira:

9 9 1. Estações de referência terrestre monitoram sinais de satélite; 2. Em seguida, os sinais são enviados para uma ou mais estações de controle que geram mensagens de correção; 3. Próxima etapa é enviar as mensagens de correção através de estações de enlace de subida para um satélite geoestacionário; 4. O satélite geoestacionário transmite a mensagem de correção SBAS ao usuário. GBAS: O GBAS irá fornecer correções de posicionamento em aproximações para múltiplas pistas em um mesmo aeroporto. O equipamento terrestre GBAS (Estação de Referência) monitora os sinais do GPS/GLONASS e transmite localmente mensagens de integridade relevantes, correções de pseudo distância e dados de aproximação através de um VDB (VHF Data Broadcast) para a aeronave dentro de um alcance nominal de 20 NM na área de aproximação (quando oferece suporte em operações CAT I) e dentro de uma área de terminal TMA para serviço de posicionamento CAT I Aproximação de Pouso de Precisão onde as limitações são: visibilidade de 550 metros / teto a 200 pés. 3. Vigilância Os sistemas de vigilância convencionais, como os radares, são amplamente utilizados e de grande importância, principalmente para defesa aérea, porém tem custo elevado aquisição, instalação e manutenção além de inviabilidade de utilização nos oceanos. Novos sistemas com a utilização de satélites abrangem a capacidade de localização e vigilância das aeronaves. Nesse capítulo serão apresentados os sistemas convencionais e os sistemas novos em implantação. 3.1 Sistemas de Vigilância Convencional Os principais meios de vigilância na atualidade são através do uso de radares: O primário e o Secundário Radar Primário O radar primário é um radar capaz de detectar alvos de qualquer tipo. Para isso ele tem um emissor de ondas de rádio de frequência muito elevada (ordem de GigaHertz) e um receptor de mesma frequência. Através de uma antena rotativa ele emite pulsos de sinais e aguarda a recepção do seu eco. Os sinais assim refletidos são processados e podem ser visualizados em uma tela (Figura abaixo) própria, semelhante a uma tela de monitor de computador pessoal ou mesmo de um televisor. Estes sinais, também chamados de

10 10 ecorradares, podem ser utilizados para controlar o tráfego aéreo ou, ademais, para fins de defesa aérea em caso de conflito. Recepção do sinal radar em uma tela. (Fonte: Radar) Radar Secundário O radar secundário só é capaz de captar sinais de alvos ativos, ou seja, de aeronaves que contenham um Transponder. Através deste equipamento a aeronave, ao receber o sinal do radar, emite um sinal de resposta que contém basicamente, informações de identificação das aeronaves (Modo A) e altitude (Modo C) para os órgãos de controle de tráfego aéreo. 3.2 Novos Sistemas de Vigilância Com a modernização aeronáutica passaremos a ouvir mais o termo Vigilância Dependente Automática. Comumente conhecido como ADS sigla inglesa para Automatic Dependent Surveillance, recurso adotado pela Organização da Aviação Civil Internacional (OACI), permite à aeronave a transmissão automática de dados inerentes ao voo extremamente relevantes ADS-B (Vigilância Dependente automática por Rádiodifusão) A ADS-B é um sistema que viabiliza as aeronaves a transmissão de informações como: posição, altitude, velocidade, identificação, radial, destino, origem, razão de subida ou descida, dentre outros, por meio da frequência empregada pelo equipamento transponder da aeronave. Esses dados são difundidos de uma a duas vezes por segundo automaticamente para os centros de controle. A ferramenta propiciará melhorias determinantes para a vigilância das aeronaves, permitindo maior número de amostras e parâmetros dos voos do que era convencionalmente possível fazer com o radar secundário. A ADS-B também poderá exercer vigilância nas superfícies de aeroportos, para monitorar o tráfego nas taxiways e nas pistas de decolagem, colaborando para a segurança das operações ao evitar ocorrências como a incursão em pistas, por exemplo.

11 ADS-C (Vigilância Dependente Automática por Contrato) Se com a ADS-B os dados são recebidos por antenas receptoras no solo, bem como pelas demais aeronaves equipadas, com a ADS-C o processo ocorre de forma diferente. Nesse caso, as informações provenientes da aeronave são recebidas somente pelo centro de controle com o qual a mesma tenha estabelecido uma conexão correspondente, por meio de um logon. Daí a letra C de contato. Outra diferença é que a transmissão normalmente ocorre por meio de satélites. Desse modo, a ADS-C estende a área de vigilância para regiões não abrangidas anteriormente, como é o caso dos oceanos, onde, até então, as posições tinham de ser reportadas por rádio e estimadas nos cálculos dos controladores. 4. Comunicação 4.1 Sistemas de Comunicação Convencional O método em uso atual de comunicação entre ATC e piloto é a transmissão de rádio, que em uso geral se divide em duas partes, Frequência Alta (HF) (Inglês: High frequency) e Frequência Muito Alta (VHF) (Inglês: Very high frequency). Este sistema apresenta um problema em aéreas de muito tráfego. Como todos os pilotos estão sintonizados em uma mesma frequência, existe a possibilidade de um piloto interferir na mensagem de outro, requerendo que a mesma seja repetida. A solução usual para este problema é subdividir o espaço aéreo de modo que um segundo controlador assuma em uma frequência diferente, aliviando o primeiro. Devido a uma quantidade finita de frequências disponíveis e ao aumento do tempo demandado para coordenar as transferências de trafego, é impossível subdividir infinitamente um espaço aéreo. 4.2 Comunicação Aeronáutica no conceito CNS/ATM Desde a década de 80, já se prevê a saturação dos meios convencionais de comunicação aeronáutica, dada as restrições e limitações naturais de um canal único para emissão e recepção de áudio e das comunicações por voz. Desse modo, buscou-se um padrão de execução em que as comunicações aéreas passassem a ser exercidas essencialmente por meio de dados CPDLC (Comunicações entre Piloto e Controlador via Enlaces e Dados) O CPDLC é a ferramenta utilizada para a comunicação de dados entre piloto e controlador. Por meio de sua interface, pilotos passam a fazer requisições e informações, por exemplo, através de comandos de texto correspondentes a fraseologia convencional, que ficam já dispostos numa tela como palavras-chave. O mesmo ocorre com as orientações,

12 12 liberações e informações emitidas pelo controlador na tela da interface do CPDLC à sua frente VHF Data Link (VDL) Os rádios VHF convencionais disponíveis hoje em dia não são compatíveis com as necessidades do VHF Data Link (o VDL), que requer um rádio VHF digital, e, por isso, demanda aprimoramentos na infraestrutura de rede para se utilizado. O VDL é essencial para a consolidação da comunicação por enlace de dados e, mesmo, da própria rede ATN. Ele especifica um protocolo de entrega de pacote de dados entre os equipamentos de aeronave e os sistemas de solo, de forma similar à realizada pelo sistema de comunicação digital ACARS (sigla inglesa para Sistema de Comunicações e Relatórios de Aeronaves). Há, no entanto, uma diferença: a capacidade de fornecimento de informação do VDL chega a ser vezes maior. Há diversos tipos de VDL em operação e testes no mundo. A princípio, o adotado pelo Brasil é o VDL Modo 2. Uma versão aprimorada do primeiro modo, que emprega um canal dedicado para a transmissão de dados com disponibilização limitada para serviços comerciais HF Data Link (HFDL) O HF Data Link é um excelente substituto em caso da falha ou emergência por parte do Serviço Móvel Aeronáutico por Satélite (AMSS) nas travessias oceânicas ou de áreas remotas, onde o VHF Data Link não alcança. Tal como a transmissão de voz por meio de HF, o HFDL usa sua frequência também para a transmissão de dados. A viabilidade da utilização de links de comunicação de dados por HF tem sido continuamente ratificada. Apesar da conhecida precariedade na qualidade de sinal, a propagação de anomalias de sinal raramente afetam toda a faixa de frequências do HF Data Link. Assim, com estações em terra eficientemente conectadas à banda disponível, o ajuste da melhor frequência para o intercâmbio de pacotes de dados propicia a sua transmissão de qualquer lugar e a qualquer hora MODE-S Data Link De certo modo, podemos dizer que o MODE-S Data Link, o modo estendido, é uma evolução da troca de informações que já ocorria entre uma aeronave e um radar secundário. Nele, no entanto, o pulso é aumentado, ou em outras palavras, estendido, dando margem à troca de muito mais informações na mesma frequência, sem a necessidade de arcar com altos custos de um radar. Ao contrário, pequenas antenas, de custos bem inferior, podem ser instaladas no solo para atender a frequência do MODE-S e receber os dados emitidos com informações diversas como posição de voo, localizado, estimativas, etc. provenientes dos respectivos transponders das aeronaves em contato. O MODE-S é particularmente indicado para áreas de alta densidade de tráfego aéreo.

13 AMSS (Serviço Móvel Aeronáutico por Satélite) Apesar da eficácia, o sistema de vigilância por radar e os equipamentos de comunicação VDL são recursos de alcance restritos a um determinado espaço geográfico. Não alcançam áreas remotas como as oceânicas, por exemplo, e dependem também de uma grande infraestrutura de apoio. A comunicação por HF, por outro lado, não é tão clara como a VHF, dada a sua precariedade e a baixa qualidade de seu sinal. Independentemente do tipo de espaço aéreo envolvido, os satélites, a um só tempo, provêem uma cobertura extremamente ampla e de alta qualidade. Assim, o AMSS fornece serviços de comunicação através de satélites geoestacionários para os usuários do transporte aéreo numa cobertura global, tanto para voz, como para canais de dados. Operando nas partes móveis do serviço de satélites, funciona como mais uma sub-rede ATN, e também dá suporte a mensagens ACARS utilizadas no sistema atual.

14 14 5. Conclusão Tendo em vista o contínuo crescimento do tráfego aéreo, faz-se necessária a evolução dos sistemas de navegação, vigilância e comunicação. É de se esperar, de médio á longo prazo, a utilização das novas tecnologias. Os novos sistemas de navegação permitem uma precisão nos procedimentos de subida, rota, terminais e aproximação que não eram possíveis com os sistemas convencionais. Vários são os fatores positivos, como a redução de custos, aumento na segurança, maior precisão dos procedimentos, otimização do espaço aéreo, melhoria na comunicação. Porém ainda existem impasses que retardam a implantação com total aproveitamento dos novos sistemas, como por exemplo, podemos citar a limitação regulamentar e operacional. A transição do sistema convencional para os sistemas atuais requer o acompanhamento de todas as estruturas aeronáuticas. No sistema convencional já existem problemas referente à infraestrutura, o que dificulta ainda mais na implantação dos novos sistemas. A inclusão completa necessita de investimento. O gargalo na infraestrutura aeroportuária retarda todo processo evolutivo.

15 15 6. Bibliografia Cardia, André. Avanço das redes de comunicação de dados aplicadas a aviação Radar. Disponível em: Acessado em 07/10/2012. PSR Radar Primário de Vigilância. Disponível em: Acessado em 07/10/2012. SSR Radar Secundário de Vigilância. Disponível em: Acessado em 05/10/2012. Saiba como será a vigilância aérea no conceito CNS/ATM. Disponível em: Acessado em 05/10/2012. Controller Pilot Data Link Communications. Disponível em: Acessado em 05/10/2012. Comunicação no tráfego aéreo do futuro (CNS/ATM) será realizada por meio de satélites. Disponível em: Acessado em 05/10/2012. International Civil Aviation Organization (ICAO). European Region Area Navigation (RNAV) Guidance Material. Disponível em: < Acesso em: 28/09/2012. GBAS: O sucessor do ILS. Disponível em: Acessado em: 02/10/2012. Global Air Navigation Plan. Disponível em: Acessado 10/10/2012.