Sieciowanie nieba za pomocą nowej technologii komunikacji lotniczej
Transport lotniczy ma co najmniej podwoić się do roku 2050. Sprostanie jego potrzebom i w konsekwencji uporanie się z zatłoczonym niebem wymaga najwyższej klasy technologii komunikacyjnych, ale sektor nie jest jeszcze w pełni gotowy. Projekt SANDRA ma udoskonalić samolot za pomocą spójnej architektury cyfrowej. Podczas gdy coraz więcej linii lotniczych udostępnia swoim pasażerom dostęp do Internetu w czasie lotu, piloci nadal muszą pracować w technologii z innej epoki. Nie ma mowy o szybkim dostępie do informacji w czasie rzeczywistym: pilot funkcjonuje w zamkniętej bańce, w której musi polegać na liczącej sobie całe dekady analogowej komunikacji głosowej i na kanałach transmisji danych o niskiej prędkości. To może prowadzić do nadmiernie złożonej, rozbieżnej i nieefektywnej komunikacji, która potencjalnie może opóźnić reakcję pilota na nieprzewidziane zdarzenia. Poza brakiem skuteczności, obecny system nie jest w stanie sprostać nadchodzącym wyzwaniom aeronautycznym, takim jak zatory, niewystarczająca przepustowość lotnisk, zapotrzebowanie na intensyfikację ruchu danych i lepsze systemy komunikacji. W ramach inicjatywy poświęconej jednolitej europejskiej przestrzeni powietrznej, partnerzy programu SESAR (europejski system zarządzania ruchem lotniczym nowej generacji) - wspólne przedsięwzięcie UE, organizacji Eurocontrol i przedsiębiorstw z branży na rzecz modernizacji i zapewnienia dużej wydajności infrastruktury kontroli ruchu lotniczego w Europie - analizują ewolucję komunikacji aeronautycznej z naciskiem na kontrolę ruchu lotniczego i komunikację operacyjną linii lotniczych. Koordynowane przez Selex ES konsorcjum SANDRA, w skład którego weszło 30 partnerów z czołowych w Europie przedsiębiorstw i organizacji badawczych z dziedziny techniki lotniczej, przyjęło bardziej radykalne podejście, które może zrewolucjonizować komunikację w czasie lotu. Nowo opracowana technologia łączy wszystkie aplikacje i usługi w samolocie w jeden, zintegrowany system komunikacji aeronautycznej oparty na sieciach, transmisji radiowej i łączach satelitarnych, który jest globalny, cyfrowy i bezpieczny. Technologia SANDRA przeszła udane testy w czasie próbnych lotów w Niemczech, skłaniając Komisję Europejską do wybrania flagowego projektu do swoich materiałów informacyjnych na temat nowego programu w zakresie badań naukowych „Horyzont 2020”. Massimiliano Amirfeiz, członek zespołu koordynującego prace nad projektem, opisuje technologie wykorzystywane w ramach projektu SANDRA i ich spodziewany wpływ na przyszłość aeronautyki. Jakie są główne cele projektu? Projekt SANDRA poświęcony był badaniu, wdrożeniu i zademonstrowaniu podczas lotu nowego systemu, który wprowadzi pilotów w cyfrowy świat XXI w. Jeden system oparty na technologii protokołu internetowego jest w stanie przesyłać dane przez wiele kanałów transmisji, bezpośrednio na ziemię i za pośrednictwem satelity, cyfrowo i z dużą prędkością, zapewniając usługi komunikacyjne w odpowiedzi na wszystkie potrzeby samolotu - każdą w wymaganej jakości i w sposób ciągły. Szczegółowe informacje, takie jak pogoda czy natężenie ruchu, mogą być wymieniane szybko i niezawodnie między wieżą kontroli lotów a samolotem, podnosząc w ten sposób bezpieczeństwo ruchu lotniczego. Wraz z istniejącymi technologiami łączy danych, takimi jak VHF Data Link Mode 2 i Swift Broad Band Satcom, w ramach projektu SANDRA swoją premierę w Europie miała także technologia AeroMACS, pierwszy z trzech nowych, szerokopasmowych kanałów transmisji danych opartych na IP (pozostałe to L-DACS oraz IRIS Satcom), który Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (ICAO) wybrała do zaspokojenia potrzeb aeronautycznych w przyszłości. AeroMACS zaprojektowano w celu zapewnienia szerokopasmowej i bezprzewodowej wymiany danych na lotniskach, aby wspomagać funkcjonowanie portów lotniczych, dostawców usług żeglugi powietrznej i aplikacje linii lotniczych. Chociaż ostatecznie nowe systemy komunikacyjne zastąpią obecne, najprawdopodobniej będziemy świadkami dosyć długiego okresu, w którym samolot będzie wyposażony we wszystkie systemy dla zapewnienia globalnej interoperacyjności. To prognoza projektu SESAR, aczkolwiek dodatkowy sprzęt potrzebny w powietrzu w okresie przejściowym poważnie zagraża ziszczeniu się wizji przyszłej komunikacji. Byłby przyczyną znacznego, dodatkowego obciążenia pod względem rozmiarów, wagi, złożoności i kosztów awioniki, jeżeli nowe łącza radiowe byłyby montowane w niezależnym sprzęcie, jak to się zazwyczaj odbywało. Aby uporać się z tym problemem, w toku projektu SANDRA zbadano także możliwość wykorzystania koncepcji „radia definiowanego programowo”, w której komponenty radiowego systemu komunikacji, wbudowywane zazwyczaj w sprzęt (np. miksery, filtry, wzmacniacze, modulatory/demodulatory, detektory itp.) są wprowadzane za pomocą oprogramowania na komputerze, umożliwiając w ten sposób równoległą obsługę różnych odbiorników radiowych na wspólnych procesorach, jako niezależnych bitów oprogramowania (kształtów fali). Byłby to ogromny krok naprzód, taki sam jak zrewolucjonizowanie elektroniki używanej w powietrzu przez „zintegrowaną awionikę modułową”. Na czym polega nowość lub innowacyjność projektu i jego podejścia do tego tematu? Przeprowadzone próby potwierdziły koncepcję, że samolot powinien mieć wiele kanałów transmisji aktywnych jednocześnie, aby można było je wykorzystywać do zaspakajania wszelkich potrzeb komunikacyjnych, od kontroli ruchu lotniczego po obsługę linii lotniczych i usługi dla pasażerów. W ten sposób zapewniona będzie najwyższa jakość usług i bezpieczeństwo oraz ustalane będą priorytety. Wszystko to oparte jest na wersji 6 protokołu internetowego - najbardziej zaawansowanym protokole IP - który zostanie włączony do obsługi sieci naziemnych w nadchodzących latach i już został wskazany przez ICAO jako filar przyszłej komunikacji aeronautycznej. W toku prób wykazano wykonalność „zintegrowanego radia modułowego” (IMR) - innowacyjnej architektury komunikacyjnej elektroniki lotniczej, w której każdy element radiowy może być niezależnie konfigurowany do obsługi określonego łącza radiowego zgodnie z wymaganiami, w zależności od fazy lotu i lokalizacji geograficznej. IMR posłuży za kamień węgielny modelu biznesowego SANDRA, zapewniając wiele zalet pod względem wagi, kosztów komponentów radiowych i zmniejszenia obciążenia pilotów pracą. Architektura ta powinna umożliwić mniej bolesne przejście między dotychczasową a przyszłą komunikacją. Należy zaznaczyć, że konfigurowalność oprogramowania radiowego ma zasadnicze znaczenie dla umożliwienia wbudowania przyszłych łączy danych, takich jak L-DACS oraz IRIS Satcom. AeroMACS zaprezentowano także po raz pierwszy w zintegrowanej sieci typu end-to-end, która zapewnia zróżnicowane usługi, od cyfrowej komunikacji pilot/kontroler po telemedycynę i prywatne rozmowy pasażerów. Jakie korzyści odniesie sektor z przejścia na komunikację cyfrową w aeronautyce? Poprzez wsparcie koncepcji SESAR, czyli przyszłej komunikacji w kokpicie zorientowanej na dane, projekt SANDRA przyczynia się do usprawnienia i podniesienia bezpieczeństwa lotów, co będzie zyskiwać szczególnie na znaczeniu wraz ze wzrostem natężenia ruchu lotniczego. System SANDRA opiera się na najbardziej zaawansowanej komunikacji wielołączowej, która obejmuje łącza satelitarne L-band i Ku-band oraz łącza naziemne AeroMACS i obecne wykorzystywane łącze danych VHF (VDL2). Wykorzystuje branżowe standardy, takie jak IP, IEEE 802.16 (dla AeroMACS), DVB-S2 oraz Inmarsat SwiftBroadBand. System można skonfigurować tak, aby sam wybierał najlepsze, dostępne łącze radiowe albo tak, by załoga wybierała je ręcznie. Zastosowanie standardów branżowych oznacza, że możemy także zintegrować komunikację kokpitu i kabiny. Systemy kokpitu i kabiny są rozdzielone ze względów bezpieczeństwa, ale korzystają z tego samego łącza. W ten sposób linie lotnicze zyskują opłacalny sposób na zapewnienie łączności w czasie lotów zarówno pasażerom, jak i pilotom. Jakie trudności napotkaliście i jak się z nimi uporaliście? Nowy system został przetestowany po raz pierwszy w warunkach realnego lotu za pomocą samolotu testowego ATRA (zaawansowanego technologicznie samolotu badawczego), który jest zmodyfikowanym Airbusem 320, Niemieckiej Agencji Kosmicznej. Główne wyzwanie polegało na integracji tak szerokiej gamy zasadniczo odmiennych systemów, obejmujących aplikacje aeronautyczne, nową awionikę komunikacyjną i sieci pokładowe samolotu. System SANDRA obejmuje także analogiczną technologię komunikacyjną na ziemi - zainstalowaną przez naukowców w Niemieckiej Agencji Kosmicznej (DLR) w Oberpfaffenhofen i na lotnisku Toulouse-Blagnac - oraz zintegrowane jednostki zewnętrzne, takie jak Inmarsat Satcom i sieci naziemne SITA. Umożliwiło nam to przeprowadzenie podczas lotu testów niezakłóconej wymiany danych przy przechodzeniu z jednej technologii łącza danych do drugiej. Wszystko to stanowiło wyzwanie, które konsorcjum SANDRA było w stanie przezwyciężyć, dzięki uzupełniającej się wiedzy eksperckiej i motywacji jego członków, na co wskazał specjalista ds. projektów z ramienia KE i niezależni recenzenci. W jaki sposób SANDRA wpłynie na tryb i warunki pracy pilotów? Kiedy nowa technologia będzie dostępna, pilot otrzyma wszelkie informacje na temat pogody, natężenia ruchu lotniczego i bieżących decyzji w tym samym czasie, co jej lub jego koledzy na ziemi, odpowiadający za kontrolę ruchu lotniczego. Znacznie łatwiejsze staną się automatyczne korekty lotu, aby uniknąć sytuacji krytycznych i nieporozumień. Na przykład na potrzeby lądowania na lotniskach system SANDRA jest wyposażony w szybkie łącze danych, które funkcjonuje za pośrednictwem AeroMACS, zapewniając pilotowi dostęp do wszystkich potrzebnych danych pośrednio za pomocą lokalnej sieci WLAN. Dzięki kompatybilności systemu SANDRA z wcześniejszymi technologiami, można go używać do lądowania na dowolnym lotnisku na świecie. W zależności od dostępności, SANDRA automatycznie umożliwi pilotowi korzystanie z szybkiego łącza szerokopasmowego lub tradycyjnego łącza danych. Jakie są kolejne kroki na drodze do wprowadzenia produktu na rynek lub kolejne tematy waszych badań? Przedmiotem badań są rozmaite technologie i koncepcje, z których nie wszystkie znajdują się na tym samym poziomie gotowości technologicznej. AeroMACS ma zacząć funkcjonować w głównych portach lotniczych w 2018 r. Nowy protokół, umożliwiający istniejącym sieciom aeronautycznym funkcjonowanie za pośrednictwem szerokopasmowych łączy danych na bazie IP wraz z ruchem danych niezwiązanych z bezpieczeństwem, również spotkał się z dużym zainteresowaniem w branży. Będzie dalej opracowywany w ramach struktur SESAR i może wejść do użytku w nadchodzących latach. Wreszcie nasza nowa awioniczna architektura komunikacyjna, oparta na radiu definiowanym programowo i zintegrowanych, awionicznych technologiach modułowych, została uznana przez głównych projektantów samolotów za dobrego kandydata do wykorzystania w nowym samolocie w latach 2020-2025. Partnerzy projektów SESAR, poświęconych technologiom wielołączowym i tym opartym na IP, wyrazili uznanie dla przeprowadzonych prac i skorzystają z dorobku projektu SANDRA w tym zakresie. Mimo tego, że w toku projektu SANDRA zidentyfikowane zostały elementy składowe, to nadal potrzebne są dwie rzeczy do urzeczywistnienia tej nowej architektury komunikacyjnej. Po pierwsze funkcjonalne elementy składowe powinny zostać wbudowane w spójny zespół urządzeń fizycznych z uwzględnieniem realnych środowisk lotniczych i nowych ram awionicznych, zdefiniowanych w innych projektach dofinansowanych ze środków unijnych. Po drugie należy zainicjować migrację kokpitu do technologii protokołu internetowego, co już się stało w przypadku sieci naziemnych. To ostatnie jest najtrudniejsze, gdyż wymagać będzie zmiany kulturowej.