Future Air Navigation System
Das Future Air Navigation System (FANS) ist ein avionisches System zur direkten Datenverbindung und Kommunikation zwischen Piloten und Fluglotsen. Die Kommunikation umfasst Freigaben der Flugverkehrskontrolle, Anfragen des Piloten und Standortmeldungen. Eine Reihe von weiteren Werkzeugen und Utensilien, wie Air Traffi Service Unit (ATSU), UKW-Datenradio (VDR3), Verbindungssteuerungs- und Anzeigegeräte im Cockpit ermöglichen den Empfang und die Beantwortung von Nachrichten, die mittels des Controller-Pilot Data Link Commutications (CPDLC) vom Boden gesendet wurden.
Überblick
Die weltweite Flugverkehrskontrolle verwendet immer noch Komponente, die in den 1940er Jahren im Rahmen des Chicagoer Abkommens und der Gründung der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) definiert wurden. Dieses traditionelle System nutzt zur Kommunikation, Navigation und Überwachung der Flugzeuge (englisch: Communication, Navigation und Surveillance, CNS) analoge Funkanlagen.
Die Fähigkeit der Flugsicherung, die Flugzeuge zu überwachen, wurde schnell durch das zunehmende Verkehrsaufkommen überholt. Um dieser Aufgabe wieder gerecht zu werden, hat die ICAO eine Reihe von Standards festgelegt, mit dem ein integriertes und zukunftsorientiertes Navigationssystem entwickelt werden konnte. Mit dem FANS wird den Lotsen durch ein hoher Grad an Automatisierung und Einsatz der Satellitennavigation eine passivere Rolle zugewiesen.
1983 gründete ICAO ein Sonderausschuss für das FANS, der mit der Entwicklung eines Betriebskonzeptes für die zukünftige Flugverkehrskontrolle beauftragt wurde. Der erste Bericht wurde 1988 veröffentlicht und legte den Grundstein für die zukünftige Strategie durch Digitalisierung der CNS-Aufgaben und Verwendung von Satelliten- und Datenverbindungen. Der Schwerpunkt weiterer Vorgehensweise lag an der Entwicklung von technischen Standards zur Realisierung des Konzeptes.
In frühen 90er Jahren annoncierte Boeing die erste Generation der FANS – FANS-1. Das Produkt basierte auf den früheren Forschungsergebnissen der ICAO und wurde als Software-Paket auf dem Flugmanagementcomputer in der Boeing 747-400 implementiert. Es verwendete das bereits vorhandene satellitengestützte digitale Datenfunksystem ACARS (englisch: Aircraft Communications Addressing and Reporting System) und wurde auf den Einsatz im Südpazifik ausgelegt. Ursprünglich wollte man mit dem System die Routenwahl verbessern und den Treibstoffverbrauch reduzieren.
Airbus entwickelte ein ähnliches Produkt (FANS-A) für ihre Maschinen A340 und A330. Boeing erweiterte die Anzahl der Maschinen mit dem FANS-1 auf die Flugzeugtypen 777 und 767. Die beiden Produkte sind auch als FANS-1/A bekannt.
Auch in anderen Lufträumen wie zum Beispiel Nordatlantik konnte man nun die mit FANS-1/A ausgestatteten Flugzeuge mit ATC-Dienstleistungen versorgen. Und obwohl viele Mängel des Produkts hinsichtlich der Verwendung in dichteren Lufträumen in der späteren Generation FANS-1/A+ berücksichtigt wurde, kam es jedoch nicht vollständig auf Kontinentalflügen zum Einsatz. Die ICAO setzte ihre Arbeit nach Ankündigung der ersten Version des Systems fort und entwickelte weitere CNS/ATM-Konzepte. Der ICAO-Standard für den Einsatz des Aeronautical Telekommunication Network (ATN) für CPDLC wird vorzugsweise im kontinentalen Luftraum verwendet und befindet sich aktuell im europäischen Kernluftraum in Verwendung. Die Europäische Kommission hat in einer Durchführungsverordnung die Pflichtführung eines ICAO-konformen Systems für Flüge auf bestimmter Flughöhe reglementiert. Die Regel umfasst die Verwendung von FANS-1/A auch für Langstreckenflüge.
Hintergrund
Es gibt zwei Betriebsverfahren für Flugzeuge: Positivkontrolle und Verfahrenssteuerung.
Positivkontrolle wird in den radarkontrollierten Bereichen ausgeübt und allgemein als Radarsteuerung bezeichnet. Der Lotse “sieht” das Flugzeug auf einem Bildschirm und kann mittels UKW-Sprachnachrichten Anweisungen bezüglich der Sicherheitsabstände an die Crew weitergeben. Weil die Standortdaten der Flugzeuge kontinuierlich aktualisiert werden und die Sprachnachrichten zeitnah gesendet werden können, sind die Mindestabstände der Luftfahrzeuge in der Luft nicht allzu hoch. Ferner sind Fluglotsen in der Lage, Probleme zu erkennen und Korrekturanweisungen an mehrere Maschinen gleichzeitig ausgeben.
Verfahrenssteuerung ist in den Regionen notwendig, die über keine Radars verfügen. Das FANS-Konzept wurde entwickelt, um die Sicherheit und Effizienz der verfahrensgesteuerten Flugzeuge zu verbessern. Diese Methode verwendet zeitbasierte Verfahren, um die Mindestabstände zwischen den Luftfahrzeugen einzuhalten. Die Staffelung wird durch die Genauigkeit der gemeldeten Position, die Häufigkeit der Standortmeldungen und Aktualität der Kommunikation in Bezug auf Intervention bestimmt. Die nicht FANS-basierte Staffelung verwendet Inertial Navigation Systems (INS) für Standortmeldungen, Sprachberichte der Crew und UKW-Funk für die Kommunikation.
Die Kommunikation über UKW-Funk läuft so ab, dass zuerst ein UKW-Betreiber als Mittler eingeschaltet wird, der die Nachrichten transkribiert und diese sodann an eine ATC-Stelle weiterleitet und umgekehrt. Die Qualität der Verbindung ist oft schlecht, sodass Nachrichten mehrmals wiederholt werden müssen. Wenn der UKW-Funkbetreiber überlastet ist, kommen andere Verfahren zum Einsatz, bei denen die Luftfahrzeuge im Abstand von 190 Kilometer seitlich, in 10 Minuten-Schleife und 1.200 Meter Flughöhe gestaffelt. Dadurch wird die Anzahl der Luftfahrzeuge in einem Luftraum deutlich reduziert. Bei steigender Nachfrage tendieren Fluggesellschaften dazu, gleichzeitig eine bestimmte Strecke zu fliegen, was leicht zur Überlastung des entsprechenden Luftraumes führen kann. Die Situation kann mit Abflugverzögerungen und Höhenstaffelung gelöst werden. Letzteres kann die Effizienz durch längere Flugzeiten und erhöhten Treibstoffverbrauch erheblich senken.
Vorteile
Kommunikation
Mit dem Einsatz von FANS wurde ein Übergang von Sprachkommunikation zu der digitalen Kommunikation vollzogen. Insbesondere wurde ACARS als ein Kommunikationsmedium verwendet und erlaubte so eine Verbesserung weiterer Anwendungen. Die Anwendung controller–pilot data link communications (CPDLC) ermöglicht es der Crew, aus einer Reihe von ATC-Mitteilungen auszuwählen, eine Nachricht zu senden und eine Antwort zu empfangen. Die gleiche Anwendungen existiert auch für die Flugverkehrskontrolle. Die Übertragung der Nachrichten in eine Richtung dauert aktuell weniger als 60 Sekunden.
Die Verbesserung der Navigation beinhaltet den Umstieg von den Trägheitsnavigationssystemen auf GPS-Navigation. In diesem Zusammenhang wurde der Begriff der actual navigation performance (ANP; deutsch – tatsächliche Navigationsleistung) eingeführt. Das System kann nicht nur den Standort des Flugzeuges viel präziser berechnen, als andere Navigationswerkzeuge, sondern es signalisiert auch, wenn die tatsächliche Navigationsleistung nicht mehr mit den Erforderlichen übereinstimmt.
Überwachung
Die Reform der Überwachungssysteme beinhaltet die Wandlung von Sprachberichten zu automatisierten Digitalberichten. Das spezielle Programm dafür ist ADS-C (automatic dependent surveillance contract). In diesem System kann ein Fluglotse das Navigationssystem eines Flugzeuges so einstellen, dass Standortmeldungen in bestimmten zeitlichen Abständen automatisch gesendet werden. Der Lotse kann auch alternativ die Einstellung wählen, dass Nachrichten dann gesendet werden, wenn die horizontale Auslenkung überschritten wurde. Das ganze Prozedere geschieht ausschließlich zwischen der Flugverkehrskontrolle und den Flugzeugsystemen, ohne, dass die Crew eingreifen kann.
Geschichte
Die ICAO war die erste Organisation, die sich mit der Ausarbeitung von anspruchsvollen Sicherheitskonzepten beschäftigte.
Die Grundbausteine für das FANS wurden 1991 während der pazifischen technischen Untersuchungen (Pacific Engineering Trials – PET) gelegt. Im Rahmen der Studien wurden in die ACARS-Systeme der Flugzeuge Anwendungen installiert, die den Standort automatisch gemeldet haben.
Die Fluggesellschaften United Airlines, Cathay Pacific, Qantas und Air New Zealand haben 1993 das Boeing-Unternehmen dazu aufgefordert, die Entwicklung des FANS für die Boeing 747-400 zu unterstützten. Boeing kooperierte mit den Fluggesellschaften an der Ausarbeitung eines Standards, der die Schnittstelle zwischen einem FANS-fähigen Flugzeug und einem Flugverkehrsdienstleister kontrollieren würde. Die Entwicklung der FANS-fähigen Flugzeugsysteme ging mit den Fortschritten der Arbeit der ATC-Systeme einher, die notwendig waren, damit FANS realisiert werden konnte.
Sowohl Boeing, als auch Airbus setzte die Implementierung des FANS fort, Boeing als FANS-2, Airbus als FANS-B bzw. eine frühere Version FANS-A+. Verschiedene komplementäre Bodensysteme wurden hauptsächlich von Flugverkehrsdienstleistern projektiert.
Die Leistung des FANS wird von einem FANS Interoperabilitätsteam (FIT) überwacht, das 1998 in der pazifischen Region gegründet wurde. Die Aufgabe des FIT ist Probleme zu erkennen, zuzuordnen und sicherzustellen, dass diese gelöst werden. Zum FIT gehören Vertreter der Flugzeughersteller, Avionikanbieter, Kommunikationsdienstleister und Flugsicherungsdienstleister. Auch andere Regionen der Welt haben ihre Teams gegründet, die sich auf die speziellen Probleme des entsprechenden Luftraumes spezialisieren.