Automatische Flugzeugüberwachung

Automatische bordabhängige Überwachung (englisch: Automatic dependent surveillance – broadcast, ADS–B) ist ein Technologie, bei der ein Flugzeug sich mittels Satellitennavigation orten lässt, die Daten in regelmäßigen Abständen übermittelt und so verfolgt werden kann. Eine Bodenstation der Flugsicherung empfängt die Daten als Ersatz zum Sekundärradar. Auch andere Luftfahrzeuge können die Daten auswerten und so ihr Situationsbewusstsein verbessern und die Selbststaffelung vornehmen.

ADS-B benötigt keine Eingaben vom Piloten oder externen Nutzern. Es hängt allein von den Daten des Bordnavigationssystems ab.

ADS-B ist ein Bestandteil des US-amerikanischen Next Generation Air Transportation System (NextGen) und des Single European Sky ATM Research (SESAR). Das Vorhandensein der ADS-B-Technologie an Bord ist derzeit Pflicht in Teilen des Luftraums Australiens. In den USA müssen einige Luftfahrzeuge bis 2020 die Technologie einführen, in Europa ab 2017. Die Flugsicherung Kanadas nutzt ADS-B bereits.

Beschreibung

ADS-B besteht aus zwei verschiedenen Diensten – „ADS-B In“ und „ADS-B Out“ und könnte die Radarüberwachung als die primäre Methode zur Flugzeugkontrolle weltweit ersetzen. In den Vereinigten Staaten ist ADS-B ein wesentlicher Bestandteil der nationalen Luftraumstrategie NextGen, die die Luftverkehrsinfrastruktur und den Luftverkehrsbetrieb modernisieren und verbessern soll. Darüber hinaus können systeminterne Anwendungen TIS-B und FIS-B grafische Wetterinformationen bereitstellen. ADS-B erhöht die Sicherheit, indem es ein Luftfahrzeug für die Flugsicherung und andere mit dem ADS-B entsprechend ausgerüstete Luftfahrzeuge in Echtzeit sichtbar macht. Die Position- und Geschwindigkeitswerte werden im Sekundentakt übertragen. ADS-B-Daten können aufgezeichnet und für die Analyse in der Flugnachbereitung runtergeladen werden. ADS-B stellt ferner Daten für kostengünstige Flugüberwachung, Flugplanung und Steuerung.

ADS-B Out sendet in regelmäßigen Abständen Daten wie Identifikation, aktuelle Position, Flughöhe und Geschwindigkeit über jedes Flugzeug durch einen Sender an Bord. Diese Informationen sind in den meisten Fällen genauer, als die von radarbasierten Systemen. Mit präziseren Daten ist die Flugsicherung in der Lage, Luftfahrzeuge ziel- und zeitgenauer zu orten und zu staffeln.
ADS-B In ist für den Empfang von Daten der Anwendungen FIS-B, TIS-B sowie anderer ADS-B-Anlagen, z. B. direkte Kommunikation mit einem Luftfahrzeug in der Nähe. Die von einer Bodenstation gesendeten Daten können typischerweise nur vom ADS-B Out-Dienst empfangen werden.

Das System beruht auf zwei Avionikkomponenten – einem GPS-Navigator mit hoher Integrität und einer Datenverbindung (eine ADS-B-Anlage).

Vorteile

Im Hinblick auf die Sicherheit und die Effizienz des Fluges bietet ADS-B sowohl für Piloten als auch für die Flugsicherung viele Vorteile:

Mit einer ADS-B In-Anlage können Piloten Verkehrsinformationen über Luftfahrzeuge in der Nähe sehen, sofern diese mit einer ADS-B Out-Anlage ausgestattet sind. Es können die Höhe, Richtung, Geschwindigkeit des Luftfahrzeuges sowie der Abstand angezeigt werden.
Flugzeuge mit einem universellen Zugangsempfänger der ADS-B In-Technologie können Wetterberichte durch den Fluginformationssendedienst (FIS-B) empfangen.
Mit dem Dienst TIS-B (traffic information service-broadcast“, deutsch: Verkehrsinformationssendedienst) können lesbare Fluginformationen wie temporäre Flugbeschränkungen oder Nachrichten für die Cockpit-Crew (NOTAMs) übermittelt werden.
ADS-B-Bodenstationen sind im Vergleich zu Primär- und Sekundärradarsystemen wesentlich günstiger in der Installation und im Betrieb.

Sicherheit

Situationsbewusstsein

ADS-B ermöglicht ein deutlich sichereres Fliegen dadurch, dass damit das Situationsbewusstsein der Piloten verbessert wird. Sie haben die Möglichkeit, den Flugverkehr im nächsten Luftraum zu sehen sowie auf die aktuellen Wetterberichte zuzugreifen. Darüber hinaus werden aktuelle Informationen von temporären Flugbeschränkungen bis hin zu Landebahnschließungen bereitgestellt.

Verbesserte Sichtbarkeit

Auch Luftfahrzeuge, die nur über ein ADS-B Out-Dienst verfügen, profitieren davon, dass die Flugsicherung ihre Position genau und zuverlässig orten kann. Sowohl Piloten als auch die Flugsicherung sehen dasselbe Radarbild, wenn sie das System benutzen. Andere voll ausgestattete Flugzeuge werden in der Lage sein, Konflikte mit Luftfahrzeugen zu vermeiden, die nur ein ADS-B Out nutzen. Der Unterschied zu früheren Systemen wie traffic alert oder collision avoidance system (TCAS) besteht darin, dass nur Luftfahrzeuge gesehen werden konnten, die über dieselben Systeme verfügten. Mit der ADS-B In-Technologie können auch die Luftfahrzeuge angezeigt werden, die nicht mit den entsprechenden Anlagen ausgestattet sind. ADS-B ermöglicht eine bessere Überwachung in Randgebieten der Radarabdeckung, da es nicht auf seinen Standort begrenzt ist.
Darüber hinaus wird die Sicherheit durch folgende Merkmale verbessert:

Radarähnliche Staffelung für Instrumentenflüge im radarfreien Luftraum
Bessere Abdeckung bei Sichtflügen
Flugverkehrskontrolle bekommt Meldungen über Endanflüge und die Belegung der Landebahnen, sodass Störungen auf der Start- oder Landebahn vermieden werden
Genauere Such- und Rettungsreaktion – obwohl ADS-B auch Daten über Gefahrensituationen übermitteln kann, muss die ADS-B-Anlage nicht absturzsicher sein, wie zum Beispiel ein Flugschreiber.
Bessere visuelle Erfassung, insbesondere für Sichtflüge und Flüge mit minimaler Sicht
Cockpit erhält Informationen über Endanflüge und die Belegung der Landebahnen
Optische Staffelung für Sichtflüge und Flüge unter Minimalsichtbedingungen
Eine sichtflugregeln-ähnliche Staffelung bei allen Wetterbedingungen
Wetteranzeige in Echtzeit
Luftraumanzeige in Echtzeit

Effizienz

Geringe Umweltbelastung

ADS-B-Technologie kann Flugzeuge genau orten. Dies ermöglicht es der Flugverkehrskontrolle, das Flugzeug in und aus dem überfüllten Luftraum mit kleineren Abstandsvorgaben zu führen, als es früher unter Berücksichtigung der Sicherheit möglich war. Dadurch wird die Zeit bis zur Freigabe reduziert, während das Flugzeug in der Platzrunde warten muss. Schätzungen zufolge konnte dadurch ein positiver Effekt erzielt werden, da der Treibstoffverbrauch und die Luftverschmutzung reduziert werden.

Kapazitätsverbesserung

ADS-B ermöglicht Kapazitätserhöhung und Effizienzverbesserung durch Unterstützung von:

Besseren Verkehrsflussmanagement durch die Flugverkehrskontrolle
Vereinigung von Verkehrsströmen und Abstand
Selbststaffelung und Halten der Position
Verbesserten Sichtanflug
Parallelanflüge eng beieinander
Reduzierter Abstand auf Endanflügen
Reduzierte Luftfahrzeugstaffelung
Verbesserten Betrieb auf großen Flughöhen durch zunehmende Entwicklung des „free flight“-Konzeptes
Bodenbetrieb unter schlechten Sichtverhältnissen
Verbesserte Flugverkehrskontrolldienste im radarfreien Luftraum
Flugbahn-basierte Verfahren, die ausgeglichenes Auf- oder Absteigen ermöglichen

Andere Anwendungen

Die Datenverbindung des ADS-B unterstützt eine Reihe von Luft- und Bodenanwendungen. Jede Anwendung hat eigene Betriebskonzepte, Algorithmen, Verfahren, Normen und Benutzerschulungen.

Verkehrsinformationsanzeige im Cockpit

Die generische Anzeige CDTI (englisch: cockpit display of traffic information) stellt der Flugbesatzung Überwachungsinformationen über andere Luftfahrzeuge bereit. Die Informationen können verschiedenen Quellen entnommen werden, einschließlich ADS-B, TCAS, und TIS-B. Zusätzlich können auch folgende Daten dargestellt werden: aktuelle Wetterbedingungen, Gelände, Luftraumstruktur, Hindernisse, detaillierte Flughafenkarten sowie weitere, für die jeweilige Flugphase relevanten Informationen.

Luftgestützte Kollisionsvermeidung

ADS-B gilt als eine wertvolle Technologie, um die Arbeit von Luftkollisionsvermeidungssystemen (ACAS) zu verbessern. Die Einbeziehung des ADS-B kann beispielsweise folgende Vorteile ermöglichen:

Reduzierung der Alarmrate durch Einbeziehung des ADS-B-Zustandsvektors, des beabsichtigten Flugprofils sowie anderer Informationen
Die Nutzung der ACAS-Anzeige als CDTI und somit positive Identifizierung der Verkehrssituation
Erweiterung des Schutzes auf eine Flughöhe von unter 305 Meter über dem Boden und Erkennung von Störung auf der Start- oder Landebahn

Die Funktion der Kollisionsvermeidung kann auch basierend allein auf ADS-B bereitgestellt werden, ohne dass aktive Abfragen von anderen Avionikkomponenten benötigt werden.
Andere Anwendungen, die vom ADS-B profitieren können, umfassen:

Betrieb und Automatisierung der Lichtsteuerung
Betriebliche Anforderungen der Flughafenbodenfahrzeuge und Fahrzeuge der Flughafenfeuerwehr
Messgeräte der Flughöhenüberwachung
Betriebsleitsystem der allgemeinen Luftfahrt
Konfliktmanagement
Erkennung von Flugzeugen, wo persönliche Empfänger verwendet werden können, um ein virtuelles Radarbild zu erzeugen

Funktionsweise

Das ADS-B besteht drei Hauptkomponenten: 1) Bodeninfrastruktur, 2) Luftgestützte Komponente, 3) Betriebsverfahren.

Ein übermittelndes Subsystem, das die Nachrichtenerzeugung sowie Übertragungsfunktion in der Quelle (z.B. Flugzeug) umfasst.
Das Transportprotokoll
Ein Empfangssystem im Empfangsziel (z.B. andere Flugzeuge, Fahrzeuge oder Bodenstationen), welches die Nachrichten empfängt und Bericht erstattet.

Die Quelle des Zustandsvektors, andere übertragenen Daten sowie Benutzeranwendungen werden nicht als Teil des ADS-B betrachtet.

Physikalische Ebene

UAT

Ein universal access transceiver, oder UAT, ist eine Datenverbindung, welche der Mehrheit der allgemeinen Luftfahrt zugutekommen soll. Die Datenverbindung wurde von der US-amerikanischen Luftfahrtbehörde Federal Aviation Administration für die Nutzung als „endgültige Lösung“ in allen Luftraumklassen, außer Klasse A (über 5.486,4 Meter) genehmigt. UAT soll nicht nur ADS-B, sondern auch dessen Dienste FIS-B und TIS-B und, sofern in der Zukunft notwendig, ergänzende Optionen unterstützen. Aufgrund von einer Reihe von Standarten, die für diese Regel erforderlich sind, wird es als die effektivste Anwendung für Vertreter der allgemeinen Luftfahrt betrachtet. UAT wird es einem Flugzeug, das mit der ADS-B In-Technologie ausgestattet ist, ermöglichen, von anderen Luftfahrzeugen mit derselben Technologie sowie von Bodenstationen gesehen zu werden. UAT ist die Technologie, die die Übermittlung von wichtigen Daten zwischen Flugzeugen möglich macht.
Das UAT-System wurde speziell für ADS-B entwickelt. Es ist die einzige ADS-B-Verbindung, die wirklich bidirektional ist: UAT-Nutzer haben Zugang zu bodengestützten Luftfahrtdaten und können Berichte über die Verkehrslage in der Nähe empfangen.

Sekundärradar

2002 annoncierte die US-amerikanische Luftfahrtbehörde eine Dual-Verbindung-Entscheidung mit dem erweiterten 1090 MHz-Sekundärradar (1090 ES) für Luftfahrtunternehmen und private oder gewerbliche Betreiber von Hochleistungsflugzeugen sowie eine UAT-Verbindung für typische Bedürfnisse der allgemeinen Luftfahrt. Im November 2012 bestätige die Europäische Agentur für Flugsicherheit, dass 1090 ES auch in der Europäischen Union im Sinne der Interoperabilität verwendet werden wird. Das Format der Sekundärradar-Nachrichten wurde von der ICAO kodifiziert.
Mit dem 1090 ES Sekundärradar können Nachrichten bzw. Informationen bestimmter Art periodisch übermittelt werden: Position, Geschwindigkeit, Zeit und zukünftig auch das Ziel bzw. die Richtung. Der Basissekundärradar 1090 ES kann die Richtung nicht anzeigen, da das Flugmanagementsystem solche Information nicht bereitstellt.

Interaktion mit Überwachungsradaren

Ein Radar misst direkt den Abstand und die Peilung eines Flugzeuges von einer Bodenantenne. Der Primärradar ist in der Regel ein Pulsradar. Er überträgt eine kontinuierliche Hochleistungsimpulsfolge. Die Peilung wird dadurch gemessen, dass der Standort der rotierenden Antenne aufgenommen wird, wenn sie den vom Flugzeug reflektierten Strahl empfängt. Der Abstand ist die dafür benötigte Zeit.
Ein Primärradar erfordert keine Unterstützung vom Flugzeug, im Gegensatz zum Sekundärradar. Ein Primärradar kann nur insoweit ausfallen, wie das gesamte Bodenradarsystem ausfallen kann. Ein Sekundärradar hängt vom Transponder an Bord des Flugzeuges ab. ADS-B verwendet die Ausgabe der Navigationsanlage sowohl für die Navigation als auch für die Überwachung, sodass ein gemeinsamer Fehlermodus in den Flugverkehrsüberwachungssystemen integriert werden muss.

Der Antennenstrahl wird breiter, je weiter weg das Flugzeug ist, sodass die Ortung ungenau wird. Das Erkennen der Änderung in der Geschwindigkeit des Flugzeuges erfordert mehrere Radarschwünge in einem Abstand von mehreren Sekunden. Im Gegensatz dazu sammelt das ADS-B-System solche Daten direkt vom Flugzeug. Da die Daten von den Navigationssystemen des Flugzeuges stammen, sind sie genau und zuverlässig. Jedoch ist die Stärke des Signals weiterhin von der Entfernung des Flugzeuges zur Bodenstation, Hindernissen oder Wetter abhängig. Wenn das Flugzeug weit entfernt ist, wird das schwächer empfangene Signal wahrscheinlicher von den besagten Faktoren betroffen sein und mit Fehlern ankommen. Fehlererfassungscodes können Fehler als solche erkennen, sodass das System unabhängig von der tatsächlichen Position des Flugzeuges seine Genauigkeit beibehält, solange das Signal korrekt empfangen und entziffert werden kann.
Die heutigen Flugsicherungssysteme verlassen sich nicht allein auf die Abdeckung durch einen einzigen Radar. Ein Multiradarsystem liefert ein umfassenderes Bild und verbessert die Qualität des gemeldeten Standortes des Flugzeuges, misst die Redundanz und ermöglicht die Verifizierung der Daten von verschiedenen Radaren.

Implementierung

Australien – volle Abdeckung durch ADS-B ab einer Höhe von 9.000 Meter. Pflicht für alle Luftfahrzeuge, die auf dieser Höhe betrieben werden.
Kanada – Abdeckung des nördlichen, radarfreien Luftraumes über Hudson Bay. Der Service soll auf weitere Gebiete Kanadas erweitert werden.
Island – mit dem Stand von 2010 soll die Installation des ADS-B über dem Nordatlantik laufen. Das System beinhaltet 18 ADS-B-Empfänger in Island, auf Färöer-Inseln und Grönland.
China – eines der stärksten und erfolgreichsten ADS-B-Systeme in der Welt. Das erste System außerhalb der USA.
Schweden – ein ADS-B-System mit 12 Bodenstationen seit 2007.
Vereinigte Arabische Emirate – Abdeckung der höheren Teile des Luftraumes in Kombination mit herkömmlichen Überwachungsradaren.

Kritik

Ein mögliches Problem für jedes ADS-B-Protokoll ist die Fähigkeit, die ADS-B-Nachrichten vom Flugzeug zu übertragen sowie die Möglichkeit, die traditionellen Dienste des Funkkanals weiterhin zu unterstützten. Jede ADS-B-Nachricht für den Sekundärradar 1090 ES besteht aus zwei Datenpaketen. Je größer die Anzahl der Datenpakete, die von einem einzigen Flugzeug ausgeht, umso weniger Flugzeuge können aufgrund der begrenzten Bandbreite des Kanals am System teilnehmen.
Die Kapazität des Systems wird dadurch definiert, dass ein Kriterium für den möglichst schlimmsten Umweltzustand festgelegt wird. Davon ausgehend werden die Mindestanforderungen an die Systemkapazität festgelegt.
Darüber hinaus geben die ADS-B-Nachrichten den Standort des Luftfahrzeuges bekannt und es gibt keine Garantie, dass diese Information nicht unangemessen verwendet wird. Zusätzlich gibt es Bedenken bezüglich der Integrität der ADS-B-Übertragungen. Die Nachrichten können mit einfachen, billigen Mitteln produziert werden, die Position von mehreren Phantomflugzeugen fälschen und den sicheren Flugbetrieb stören. Es gibt keine absolut sicheren Mittel, um die Integrität zu gewährleisten, aber es gibt Möglichkeiten, diese Art von Aktivitäten zu überwachen.
Es gibt Bedenken über die Abhängigkeit des ADS-B-Systems von den Satellitennavigationssystemen zur Erzeugung der Informationen über den Zustandsvektor. Dieses Risiko kann mit der Verwendung von redundanten Quellen gemildert werden.
In der allgemeinen Luftfahrt gibt es Skepsis darüber, dass das ADS-B die Anonymität der Sichtflüge entfernt. Ein speziell jedem Flugzeug zugewiesener ICAO-Code macht die Überwachung des Flugzeuges innerhalb eines gesonderten Teils des Systems möglich.

Siehe auch