Συστήματα Αναγνώρισης Αεροσκαφών (IFF/SSR): Πολιτικές Εφαρμογές και Συμβολή στην Ασφάλεια των Πτήσεων

Στo Μέρος Α’ και Μέρος Β’ παρουσιάστηκαν οι αρχές λειτουργίας, οι τεχνολογίες, καθώς και οι στρατιωτικές εφαρμογές των συστημάτων IFF/SSR.

 

Έχει το IFF μη-στρατιωτικές εφαρμογές; Η δυνατότητα της αναγνώρισης των αεροσκαφών δεν θα εξυπηρετούσε και τον έλεγχο εναερίου κυκλοφορίας από τις Αρχές Πολιτικής Αεροπορίας;

Όντως, παρά τις στρατιωτικές τους καταβολές ήδη από τη δεκαετία του ’50 οι Αρχές Πολιτικής Αεροπορίας διέγνωσαν ότι οι συσκευές IFF θα μπορούσαν να αποτελέσουν πολύτιμο βοήθημα για τον έλεγχο της εναερίου κυκλοφορίας και έσπευσαν να τις υιοθετήσουν υποχρεώνοντας όλα τα πολιτικά αεροσκάφη να εξοπλιστούν με συσκευές Transponders. Προφανώς, στην Πολιτική χρήση δεν χρησιμοποιείται η ορολογία  IFF: Identification Friend or Foe, καθώς στην Πολιτική Αεροπορία δεν υπάρχουν εχθροί, αλλά απλά την ορολογία Δευτερεύον Radar Επιτήρησης (SSR – Secondary Surveillance Radar).  Στην πολιτική χρήση χρησιμοποιήθηκαν μόνο δύο από τα αρχικά Modes του στρατιωτικού προτύπου IFF Mark X: το Mode 3/A και το Mode C. O τετραψήφιος κωδικός Mode 3/A χρησιμοποιήθηκε για την αναγνώριση των πτήσεων, ενώ το Mode C έδινε το βαρομετρικό ύψος της πτήσης (Flight Level) όπως ακριβώς και στην στρατιωτική χρήση. Όμως, ήδη από την δεκαετία του ’90 οι Αρχές Πολιτικής Αεροπορίας διαπίστωσαν ότι σε περιοχές με πολύ υψηλή κυκλοφορία αεροσκαφών (όπως π.χ. στην Κεντρική Ευρώπη και σε ορισμένες περιοχές της Ανατολικής και Δυτικής ακτής των ΗΠΑ, οι 4096 διαθέσιμοι διακριτοί κωδικοί του Mode 3/A δεν επαρκούσαν για το πλήθος των αεροσκαφών εν πτήση και επιπλέον η συχνότητα 1090 MHz στην οποία απαντούσαν όλοι οι  Transponders των πολιτικών αεροσκαφών έφτανε σε κορεσμό λόγω των πολλαπλών ταυτόχρονων απαντήσεων. Για τον σκοπό αυτό ο Παγκόσμιος Οργανισμός Πολιτικής Αεροπορίας (ICAO) εισήγαγε ένα νέο Mode ειδικά για πολιτική χρήση: Το Mode-S. Το συγκεκριμένο Mode είναι πολυλειτουργικό και επιτρέπει την επιλεκτική ανταλλαγή πληθώρας πληροφοριών μεταξύ του Interrogator και του Transponder συγκεκριμένου αεροσκάφους.

Σημειώνεται ότι για την Πολιτική Αεροπορία το SSR με Mode-S αποτελεί το κύριο τεχνικό μέσο ελέγχου/ρύθμισης της εναερίου κυκλοφορίας για την εξασφάλιση της ασφάλειας των πτήσεων, ενώ το κλασικό Πρωτεύον Radar περνάει σε δεύτερη μοίρα ως βοηθητικό μέσο, ακριβώς το αντίθετο με ότι συμβαίνει στην στρατιωτική χρήση. Για τον σκοπό αυτό οι προδιαγραφές του ICAO για την απαιτούμενη ακρίβεια εντοπισμού για τα SSR είναι πολύ αυστηρότερες σε σχέση με αυτές των στρατιωτικών IFF/SSR. Για τον λόγο αυτό, τα πολιτικά SSR δύνανται να  χρησιμοποιούνται και αυτόνομα (χωρίς συνεγκατεσημένα Πρωτεύοντα Radar) για τον έλεγχο της εναερίου κυκλοφορίας.  Επίσης, για τον ίδιο λόγο οι κεραίες των πολιτικών SSR είναι αποκλειστικά τύπου LVA μεγάλου μήκους (8m) ώστε να μπορεί να εξασφαλιστεί η απαιτούμενη ακρίβεια και διακριτική ικανότητα. Επιπλέον, οι κεραίες και οι Interrogator των πολιτικών SSR υποστηρίζουν την Μονοπαλμική λειτουργία (Monopulse), η οποία αυξάνει περαιτέρω την ακρίβεια και την διακριτική ικανότητα των Πολιτικών SSR, τα οποία γι’ αυτό τον λόγο συχνά αποκαλούνται  MSSR: Monopulse Secondary Surveillance Radar (Εικόνα 1).

Τι είναι οι Κώδικες Εκτάκτου Ανάγκης (EMERGENCY) του SSR;

Υπάρχουν τρείς συγκεκριμένοι κώδικες του Mode 3/A του SSR, οι οποίοι δεν χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση πτήσεων, δηλ. δεν καθορίζονται προς χρήση σε κανένα αεροσκάφος. Οι κώδικες αυτοί του Mode 3/A εισάγονται στην κονσόλα ελέγχου του Transponder με πρωτοβουλία του Κυβερνήτη για να ενημερώσουν το σύστημα εναερίου κυκλοφορίας ότι το συγκεκριμένο αεροσκάφος αντιμετωπίζει  επικίνδυνη κατάσταση (EMERGENCY). Οι κώδικες αυτοί είναι:

7500: Αεροπειρατεία σε εξέλιξη

7600: Βλάβη του συστήματος επικοινωνιών (COMMS FAILURE)

7700: Κατάσταση εκτάκτου ανάγκης. Συνήθως ενεργοποιείται μετά την ανακοίνωση: MAYDAY, MAYDAY, MAYDAY!

Μόλις ο Interrogator αποκωδικοποιήσει κάποιον από τους κωδικούς EMERGENCY συνεγείρει τους ελεγκτές εναερίου κυκλοφορίας με ηχητικό σήμα, ενώ το σύμβολο του συγκεκριμένου αεροσκάφους αρχίζει να αναβοσβήνει στην οθόνη για να τραβήξει την προσοχή τους, καθώς απαιτούνται άμεσες ενέργειες για την διαχείριση του συμβάντος. Σημειώνεται ότι οι κωδικοί 7600 και 7700 δύνανται να χρησιμοποιηθούν και από τους χειριστές στρατιωτικών αεροσκαφών στην περίπτωση που αντιμετωπίσουν αντίστοιχη κατάσταση EMERGENCY.

Υπάρχει η δυνατότητα τα πολιτικά αεροσκάφη να αναγνωρίζουν το ένα το άλλο με σκοπό την ασφάλεια των πτήσεων – αποφυγή συγκρούσεων;

Το πρότυπο Mode-S προβλέπει ότι τα Transponders των πολιτικών αεροσκαφών δύνανται να επικοινωνούν μεταξύ τους ώστε να υπολογίζουν αυτόματα την μεταξύ τους απόσταση. Η λειτουργία αυτή έχει σαν σκοπό την αποφυγή εναέριων συγκρούσεων και ονομάζεται TCAS (Traffic alert and Collision Avoidance System).  Αν οι Transponders δύο αεροσκαφών διαπιστώσουν ότι η μεταξύ τους απόσταση μειώνεται ραγδαία τότε προβαίνουν σε φωνητικές εντολές προς τους χειριστές ώστε να αποφευχθεί η σύγκρουση, π.χ. o Transponder του ενός αεροσκάφους δίνει την οδηγία: CLIMB, CLIMB! ενώ ο έτερος DESCENT, DESCENT! Οι εντολές TCAS εκδίδονται αν επίκειται σύγκρουση εντός 30 δευτερολέπτων στην περίπτωση που τα δύο αεροσκάφη διατηρήσουν την ισχύουσα πορεία και ύψος.

 Τι είναι το ADS–B και ποια η σχέση του με το Mode–S του SSR;

To ADS-B (Automatic Dependent Surveillance – Broadcast) είναι άλλη μία λειτουργία του προτύπου Mode-S, κατά την οποία οι Transponder των Πολιτικών αεροσκαφών εκπέμπουν περιοδικά (π.χ. κάθε ένα sec) τα στοιχεία της πτήσεως (π.χ. την θέση του αεροσκάφους από το GPS) στην συχνότητα 1090 MHz χωρίς όμως να δεχτούν σχετική ερώτηση από κάποιο επίγειο ΜSSR Interrogator . Αυτή η λειτουργία διευκολύνει τον έλεγχο της εναερίου κυκλοφορίας καθώς για τον  υπολογισμό της θέσης του αεροσκάφους και την λήψη των στοιχείων της πτήσεως δεν απαιτείται πλέον η ογκώδης (και υψηλού κόστους) κεραία MSSR (ΒΛ Εικόνα 1), αλλά ένας απλός δέκτης χαμηλού κόστους (εκατοντάδων ή λίγων χιλιάδων ευρώ) με μία απλή πανκατευθυντική  κεραία (Εικόνα 2). Όμως, το ADS-B δεν μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως το κλασικό MSSR Mode-S καθώς αντιμετωπίζει προβλήματα αξιοπιστίας που το περιορίζουν σε βοηθητικό ρόλο.

Με σκοπό την αποσυμφόρηση της συχνότητας των 1090 MHz, η Αρχή Πολιτικής Αεροπορίας των ΗΠΑ (FAA: Federal Aviation Administration) , έχει παραχωρήσει επιπλέον την συχνότητα των 978 MHz για  την εκπομπή των στοιχείων πτήσεως από ελαφρά αεροσκάφη (General Aviation) και ελικόπτερα που πετάνε σε ύψη κάτω από τα 18.000 πόδια. Η υπηρεσία αυτή ονομάζεται UAT: Universal Access Transceiver, και όπως αναφέρθηκε ισχύει μόνο στις ΗΠΑ.

Τι είναι τα συστήματα MLAT και SMR που χρησιμοποιούνται σε κάποια αεροδρόμια;

Στα αεροδρόμια με πολύ υψηλή κίνηση αεροσκαφών, η Ασφάλεια των  Πτήσεων απαιτεί την αυστηρή παρακολούθηση της κίνησης τους στο έδαφος στους χώρους του αεροδρομίου καθώς και στο γύρω χώρο (απόσταση ~ 10 Nm από τον διάδρομο) κατά την προσέγγιση και αναχώρηση, ειδικότερα κατά τις νυχτερινές ώρες καθώς και  όταν οι καιρικές συνθήκες περιορίζουν την ορατότητα. Στις περιπτώσεις αυτές το σύστημα ΜSSR του αεροδρομίου, αν υφίσταται, δύναται να αντιμετωπίζει δυσκολίες στον εντοπισμό τους λόγω της «σκίασης» από τα κτίρια του αεροδρομίου. Για την αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος ορισμένα αεροδρόμια έχουν εγκαταστήσει συστήματα παρακολούθησης τύπου MLAT (Multi–LATeration).  Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν SSR Interrogators (Mode-S) χαμηλής ισχύος και εμβέλειας χωρίς όμως τις μεγάλες περιστρεφόμενες κεραίες. Αντίθετα χρησιμοποιούν απλές Κεραίες τύπου Omni (όπως το ADS-B) τόσο για την εκπομπή των Ερωτήσεων (Interrogations) όσο και για την λήψη των Απαντήσεων (Replies) από τα αεροσκάφη. Η θέση των αεροσκαφών υπολογίζεται με την μέθοδο του TDOA (Time Difference Of Arrival), δηλ. μέσω της επεξεργασίας/σύγκρισης του χρόνου που φτάνει η ίδια απάντηση σε δέκτες τοποθετημένους σε διαφορετικά σημεία του αεροδρομίου. Συνήθως, απαιτείται σημαντικός αριθμός  κατανεμημένων πομπών Interrogator και δεκτών ώστε να καλυφθεί αξιόπιστα όλος ο χώρος ενός μεγάλου αεροδρομίου. Σημειώνεται ότι και όλα τα οχήματα που κινούνται στους χώρους του αεροδρομίου φέρουν Transponders ώστε να παρακολουθείται η κίνησή τους από τον  Πύργο Ελέγχου. Τέλος, σημειώνεται ότι εναλλακτικά των συστημάτων MLAT κάποια αεροδρόμια έχουν επιλέξει να παρακολουθούν την κίνηση στο έδαφος μέσω ειδικού (Πρωτεύοντος) Radar το οποίο ονομάζεται SMR (Surface Movement Radar). Τα SMR συνήθως λειτουργούν στην μπάντα X ( 8-10 GHz) και αναγνωρίζονται εύκολα από την μεγάλη ταχύτητα περιστροφής (1 sec/ rot) της κεραίας τους. Συχνά τοποθετούνται στην οροφή του Πύργου Ελέγχου.

Στο σύγχρονο περιβάλλον αερομεταφορών, υπάρχουν προβλήματα στην εύρυθμη λειτουργία των SSR και ADS–B;

Ναι, υπάρχουν αρκετά προβλήματα ιδιαίτερα σε περιοχές με πυκνή αεροπορική κυκλοφορία. Τα προβλήματα αυτά και οι λύσεις που εφαρμόζονται από τις Αρχές Πολιτικής Αεροπορίας αναλύονται στο άρθρο του Aerospace Reviews: Έλεγχος Εναερίου Χώρου: Σύγχρονες Προκλήσεις και Τεχνικές Λύσεις.

Αφού ο Έλεγχος της εναερίου κυκλοφορίας βασίζεται πάνω στα SSR, πώς εξασφαλίζεται η ορθή λειτουργία τους;

Οι Αρχές Πολιτικής Αεροπορίας κάθε χώρας επιβάλλεται να εφαρμόζουν με ευλάβεια τις αυστηρές προδιαγραφές του ICAO για την απαιτούμενη απόδοση των τεχνικών μέσων ελέγχου-ρύθμισης της εναερίου κυκλοφορίας αφού από αυτά εξαρτάται η ασφάλεια των πτήσεων όπου διακυβεύονται καθημερινά οι ζωές χιλιάδων  ταξιδιωτών. Καθώς το κύριο μέσο ελέγχου της εναερίου κυκλοφορίας είναι το Δευτερεύον Radar SSR με Mode-S, επιβάλλεται όπως αυτά ελέγχονται τόσο από τους κατασκευαστές τους  κατά την συναρμολόγηση και εγκατάστασή τους όσο και από τους Χρήστες τους περιοδικά ώστε να πληρούν τις προδιαγραφές λειτουργίας-απόδοσης που προβλέπονται για το Mode-S από τους κανόνες του ICAO (Εικόνα 3).

Ποια είναι η αποδεκτή διαθεσιμότητα των συστημάτων SSR που διαχειρίζονται οι Αρχές Πολιτικής Αεροπορίας και πως αυτή εξασφαλίζεται;

Όλα τα τεχνικά μέσα που διαχειρίζονται οι εθνικές Αρχές Πολιτικής Αεροπορίας των κατηγοριών CNS : Communication Navigation Surveillance,  δηλ. Επικοινωνιών , Ραδιοναυτιλίας και Επιτήρησης/Ελέγχου, απαιτείται να έχουν την μέγιστη δυνατή διαθεσιμότητα που σημαίνει > 99% και σε κάποιες περιπτώσεις > 99.9% με σκοπό να εξασφαλίζεται η Ασφάλεια των Πτήσεων που αποτελεί και την ύψιστη προτεραιότητά τους. Αυτό σημαίνει ότι τα MSSR τα οποία όπως είδαμε αποτελούν το βασικό μέσο Surveillance (Επιτήρησης) θα πρέπει να επιτυγχάνουν τις ανωτέρω πολύ υψηλές διαθεσιμότητες ενώ λειτουργικά θα πρέπει να εκπληρώνουν τις αυστηρές προδιαγραφές που αναφέρθηκαν. Για να επιτευχθεί αυτή η υψηλή διαθεσιμότητα τόσο λόγω των αναπόφευκτων βλαβών όσο και κατά τις περιόδους προληπτικής συντήρησης, όλα σχεδόν τα συστήματα (M)SSR της Πολιτικής Αεροπορίας είναι δικάναλα, δηλ. διαθέτουν διπλούς πομποδέκτες Interrogator που συνδέονται στην περιστρεφόμενη κεραία. Αν το ένα κανάλι παρουσιάσει δυσλειτουργία ή βλάβη ή τεθεί Εκτός Λειτουργίας για έλεγχο/συντήρηση τότε ενεργοποιείται το δεύτερο κανάλι χωρίς να υπάρξει διακοπή της λειτουργίας Επιτήρησης από τον συγκεκριμένο Σταθμό MSSR. Σε κάθε περίπτωση που ολόκληρος ο σταθμός τεθεί Εκτός Λειτουργίας (π.χ. συντήρηση ή βλάβη της κεραίας), τότε γίνονται άμεσες ενέργειες αποκατάστασης ενώ εκδίδεται και δημοσιοποιείται σχετική ενημερωτική οδηγία ΝΟΤΑΜ (NOtification To AirMen). Αντίθετα, οι απαιτήσεις διαθεσιμότητας των IFF/SSR σε στρατιωτική χρήση δεν είναι τόσο αυστηρές (π.χ. 80%-90%) και γι’ αυτό τον λόγο σχεδόν κανένα Στρατιωτικό Radar δεν διαθέτει δικάναλο IFF Interrogator.  Αυτό συμβαίνει διότι αφενός το IFF/SSR θεωρείται ως βοήθημα του Πρωτεύοντος Radar (PSR) αντί για κύριο μέσο Επιτήρησης και αφετέρου η προσέγγιση στην Ασφάλεια Πτήσεων μεταξύ Πολιτικής και Πολεμικής Αεροπορίας είναι διαφορετική αντικατοπτρίζοντας την διαφορετική αποστολή των δύο Οργανισμών.

Ποια είναι σήμερα η διαλειτουργικότητα μεταξύ των Στρατιωτικών Συστημάτων Αναγνώρισης Αεροσκαφών IFF Mode-5 και των αντίστοιχων Πολιτικών συστημάτων MSSR Mode-5 και  ADS–B;

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η χρήση του SSR από τις Αρχές Πολιτικής Αεροπορίας ξεκίνησε τη δεκαετία του ’50 με «οικειοποίηση» των Mode 3/A και Mode C του στρατιωτικού προτύπου IFF Mark X. Στην συνέχεια όμως εξελίχτηκε αυτόνομα με την εισαγωγή του Mode-S την δεκαετία του ’90 και των παραλλαγών του (ADS-B, MLAT, TCAS). Αντίθετα, τα στρατιωτικά SSR/IFF εξελιχτήκαν με την εισαγωγή των κρυπτογραφημένων Mode «Ασφαλούς» Αναγνώρισης Mode-4 τη δεκαετία του ’60 και Mode-5 τη δεκαετία του ’90.

Σήμερα, τα σύγχρονα  IFF Interrogator που συνοδεύουν τα στρατιωτικά Radar πλέον του κρυπτογραφημένου Mode-5 «Ασφαλούς» Αναγνώρισης διαθέτουν και δυνατότητα Interrogation στο Πολιτικό Mode-S και επίσης μπορούν να επεξεργάζονται λήψη ADS-B. Με αυτό τον τρόπο τα Στρατιωτικά Radar έχουν πλήρη εικόνα και της κυκλοφορίας των Πολιτικών Αεροσκαφών. Αντίστοιχα, κατά την ειρηνική περίοδο τα IFF Transponder των Σύγχρονων Στρατιωτικών αεροσκαφών πλέον του Mode-5, δύνανται να απαντούν και στο Πολιτικό Mode-S , ενώ εκπέμπουν την θέση τους και σε ADS-B. Με αυτό τον τρόπο είναι ορατά και αναγνωρίσιμά από το Σύστημα Ελέγχου Εναερίου Κυκλοφορίας της Αρχής Πολιτικής Αεροπορίας, η οποία είναι υπεύθυνη για την Ασφάλεια των Πτήσεων.

Όσον Αφορά τα Πολιτικά SSR  Interrogator, αυτά χρησιμοποιούν σχεδόν αποκλειστικά το Mode-S αλλά διατηρούν για λόγους συμβατότητας τη δυνατότητα Ερώτησης στα αρχικά Mode 3/A και C. O λόγος είναι ότι οι Transponders στα  παλαιότερα Στρατιωτικά Αεροσκάφη συνήθως δεν διαθέτουν δυνατότητα Απάντησης σε Mode-S, αλλά μόνο στα παλαιότερα Mode 3/A και C. Πάντως, σε αρκετές χώρες (αλλά όχι στην Ελλάδα), οι αρχές Πολιτικής Αεροπορίας έχουν υποχρεώσει όλα τα Στρατιωτικά Αεροσκάφη να αναβαθμίσουν τους IFF Transponders τους ώστε να απαντάνε σε Mode-S. Προφανώς, όλα τα Πολιτικά Αεροσκάφη είναι υποχρεωμένα να φέρουν και να έχουν πάντοτε ενεργοποιημένους Transponders με δυνατότητα απάντησης σε Mode-S. Επίσης, εξετάζεται η περίπτωση αυτή η υποχρέωση να επεκταθεί και σε Drones ορισμένων κατηγοριών.

 

Συνέχεια στο Μέρος Δ’,  όπου αναλύονται οι Μη-Συνεργατικές μέθοδοι αναγνώρισης αεροσκαφών και  διατυπώνονται προβλέψεις για τις μελλοντικές τεχνολογίες αναγνώρισης.