Anais do 12O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XII ENCITA / 2006 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro,16 a 19, 2006 OPERAÇÕES DE VÔO SEGURAS E EFICIENTES USANDO O CONCEITO

GBAS/SBAS Amália Massumi Chujo ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil amalia@ita.br

Fernando Walter ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil fw2@ita.br

Resumo. O crescimento na demanda por tráfego aéreo constitui um fator restritivo em algumas partes do mundo no que se refere à garantia de eficiência no sistema de transporte aéreo. O sistema de operações deverá não apenas suportar o aumento por serviços aéreos programados, mas também levar em consideração a crescente demanda por operações não programadas, tais como: táxi aéreo, propriedade fracionada e pequenas aeronaves de baixo custo. Os equipamentos de auxílio de navegação atualmente existentes não fornecem padrões de acurácia e integridade necessários para garantir capacidade, eficiência e segurança das operações. Com isso, o uso integrado das tecnologias GNSS (GPS, GLONASS e Galileo) e DGNSS (GBAS e SBAS) para navegação aérea trará grandes benefícios principalmente aos usuários do transporte aéreo e aos controladores de tráfego aéreo. Desta forma, este trabalho visa avaliar uma configuração de um sistema que garanta os requisitos de navegação aérea: acurácia, integridade, continuidade e disponibilidade para todas as fases de vôo usando o conceito GBAS/SBAS. Para isso, é importante analisar o conceito GBAS/SBAS no cenário brasileiro, bastante diferente de outras regiões como Estados Unidos e Europa. O impacto desta nova configuração é apresentado considerando-se os parâmetros: movimento de passageiros, aumento de capacidade e segurança nas operações de vôo. Palavras-chave: GNSS, GBAS, SBAS,operações de vôo, tráfego aéreo. 1. Introdução

A demanda pelo sistema de transporte aéreo mundial tem crescido de forma surpreendente nas últimas décadas e as estimativas do setor também indicam forte aumento para as próximas décadas. Para análise deste crescimento, dois cenários serão considerados: cenário mundial e cenário brasileiro. 1.1. Cenário Mundial

O setor de transporte aéreo tem crescido mais rapidamente que a maioria de outros setores nas duas últimas décadas. O movimento de aeronaves nos aeroportos sofreu um aumento mundial de aproximadamente 30% entre os anos de 1995 e 2003 (Gustavsson, 2001). Na Europa, observou-se um crescimento em torno de 5% ao ano (Eurocontrol, 2000) e espera-se que este crescimento se mantenha nos próximos anos.

Nos Estados Unidos, a demanda por transporte aéreo ultrapassou a capacidade dos aeroportos e do espaço aéreo nos últimos anos. A FAA (Federal Aviation Administration) estima que o tráfego aéreo no país deva crescer em torno de 30% até 2010 e a Boeing prevê o dobro de tráfego aéreo até o ano de 2020 (Loynes, 2003).

Este crescimento no tráfego aéreo tem resultado em um significativo aumento em atrasos nos vôos, ocasionando regiões de grande congestionamento. Em 2000, aproximadamente 27% dos vôos com origem na Europa sofreram atrasos maiores que 15 minutos e o atraso médio por vôo foi de 14 minutos (Eurocontrol, 2000). A FAA divulgou um aumento de 20% em atrasos com origem nos Estados Unidos durante o ano de 2000.

Estes atrasos nos vôos representam um custo significativo para as companhias aéreas. O maior custo está associado ao consumo de combustível. Um atraso de 2 minutos durante operações de aproximação em um aeroporto significa para uma companhia aérea um consumo aproximado de 180 kg de combustível extra para um jato comercial. Além do consumo de combustível, a Comissão Européia estimou um custo anual total para as companhias aéreas européias de 10 bilhões de euros devido ao uso ineficiente de equipamentos, baixo aproveitamento do quadro de funcionários, consumo extra de combustível e compensação financeira aos passageiros (IATA, 2001).

A maior preocupação em outras regiões é a falta de infra-estrutura adequada para acomodar eficientemente as demandas atual e prevista para os próximos anos. Equipamentos terrestres de comunicação, navegação e vigilância inadequados geram ineficiência e incertezas quanto à segurança nas operações de vôo.

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006 1.2. Cenário Brasileiro

Com a demanda crescente por viagens aéreas, uma avaliação das condições operacionais e de infra-estrutura dos aeroportos brasileiros deve ser considerada. Neste contexto, os dois aeroportos da região metropolitana de São Paulo serão analisados: Congonhas e Guarulhos.

Com capacidade para atender a 17 milhões de passageiros por ano, em dois terminais, o aeroporto internacional de Guarulhos atende anualmente a cerca de 12 milhões de usuários e se prepara para a construção de um terceiro terminal de passageiros, o que elevará a sua capacidade para 29 milhões de passageiros por ano. Já o aeroporto de Congonhas tem capacidade para receber 6 milhões de passageiros, mas opera atualmente com 12 milhões de passageiros por ano (Infraero, 2006).

Os gráficos da Fig. 1 gerados a partir de dados do IAC (2003) mostram o movimento de passageiros entre 1990 e 2002 no (a) Aeroporto Internacional de Guarulhos e no (b) Aeroporto de Congonhas. Observa-se um grande crescimento no número de passageiros tanto no Aeroporto Internacional de Guarulhos como no de Congonhas no período de 1994 a 1999. Este crescimento resultou em uma demanda maior do que a capacidade operacional destes aeroportos, prejudicando diretamente a eficiência operacional do sistema de transporte aéreo. Porém, após este período, o tráfego de passageiros em Guarulhos sofreu uma queda visível afetada pela economia internacional. Por outro lado, o aeroporto de Congonhas manteve o crescimento. Para minimizar o problema de capacidade dos terminais, o aeroporto de Congonhas está em trabalho de expansão para adequar o terminal ao tráfego de passageiros.

(a) Aeroporto Internacional de Guarulhos

02468

1012141618

1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004Tráf

ego

de P

assa

geiro

s (m

ilhõe

s)

(b) Aeroporto de Congonhas

0

2

4

6

8

10

12

14

1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004Tráf

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es)

Figura 1: Tráfego de passageiros nos aeroportos da região metropolitana de São Paulo no período entre 1990 e 2002.

A Fig. 2 apresenta o tráfego de passageiros esperado para o (a)Aeroporto Internacional de Guarulhos e para o (b)

Aeroporto de Congonhas no período entre 2008 e 2023 (IAC, 2003). Ambos os aeroportos seguem a tendência mundial de crescimento no tráfego aéreo. As estimativas indicam um crescimento significativo no movimento de passageiros nesses aeroportos estudados e, consequentemente, um grande aumento no tráfego aéreo para as próximas décadas.

(a) Aeroporto Internacional de Guarulhos

05

101520253035404550

2005 2010 2015 2020 2025Tráf

ego

de P

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(b) Aeroporto de Congonhas

05

101520253035404550

2005 2010 2015 2020 2025Tráf

ego

de P

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s)

Figura 2: Previsão de aumento de tráfego nos aeroportos de Congonhas e Guarulhos para os próximos anos.

Maiores níveis de segurança, eficiência e capacidade no sistema de transporte aéreo nestes aeroportos podem ser

alcançados através da implementação da tecnologia GNSS (Global Navigation Satellite System) integrada ao conceito DGNSS (Differential Global Navigation Satellite System), como GBAS (Ground-Based Augmentation System) e SBAS (Space-Based augmentation System).

A implementação do conceito GBAS/SBAS no cenário brasileiro é bastante diferente de outras regiões como nos Estados Unidos e na Europa. De acordo com (Oliveira, 2004), a maior fonte de erro na determinação da posição do usuário utilizando-se receptores GPS de única freqüência é o efeito causado pela ionosfera nos sinais transmitidos pelos satélites.

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006 2. Anomalia Equatorial Ionosférica (AEI)

A região próxima ao equador geomagnético, localizada entre -20º e +20º de latitude geomagnética, é caracterizada por uma anomalia no comportamento ionosférico (Fig. 3) denominada Anomalia Equatorial Ionosférica (AEI). A AEI é caracterizada por picos de VTEC (Vertical Total Electron Content - Conteúdo Eletrônico Total Vertical) (Morais, 2005). A AEI é o resultado da difusão dos elétrons ao longo de uma linha magnética. Este fenômeno está relacionado com a atividade solar e um dos índices é o Kp (Índice planetário que representa a atividade geomagnética). A Fig. 3b mostra o mesmo conteúdo eletrônico em formato 3D e os picos na figura indicam a presença da anomalia equatorial.

Para minimizar o erro ionosférico, a mensagem GPS fornece uma estimativa do erro causado pela ionosfera. Esta estimativa é baseada no modelo Klobuchar (Klobuchar, 1987). Porém, este modelo não leva em consideração os efeitos da AEI (Fig. 4). A Fig. 4 mostra o conteúdo eletrônico calculado pelo modelo de correções ionosféricas Klobuchar no mesmo período de observação da Fig. 3. Nota-se que para correção de altas latitudes, o modelo se adapta melhor do que para baixas latitudes.

Um dos problemas a ser resolvido é o efeito de cintilação que pode bloquear a recepção dos sinais dos satélites GNSS e dos geoestacionários na região entre -20º e +20 de latitude geomagnética quando há uma alta atividade solar. Portanto, novos modelos devem ser desenvolvidos para minimizar o efeito deste fenômeno.

(a) (a)

(b) (b)

Figura 3: Mapa Global VTEC durante um período de tempestade solar: (a) Formato 2D; e (b) Formato 3D.

Figura 4: Mapa Global VTEC baseado no modelo Klobuchar. (a) Formato 2D; e (b) Formato 3D.

Apesar de a Anomalia Equatorial Ionosférica ser um fenômeno que ocorre geralmente próxima ao equador

geomagnético (Oliveira, 2005), seus efeitos podem, em períodos de alta atividade solar, estender-se sobre regiões dos Estados Unidos, Europa e Japão.

3. Requisitos de Desempenho de Navegação

Os sistemas GNSS são formados atualmente pela constelação GPS, de propriedade norte americana, e pelo GLONASS, mantido em operação pela Federação Russa. A partir de 2008, a Comunidade Européia e a Agência Espacial Européia (ESA – European Space Agency) disponibilizarão um sistema semelhante chamado Galileo. O sistema GNSS é usado em combinação com o sistema diferencial GNSS (DGNSS) para melhorar os requisitos de

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006 desempenho operacionais de navegação associados com as funções de guiagem e vigilância. A escolha do tipo de acréscimo usado depende do desempenho necessário para suporte à operação desejada. Por exemplo, as condições de contorno para uma aplicação podem ser definidas por classificação de aeroporto, aeronaves e condições de visibilidade.

Um sistema DGNSS que atende normas e recomendações de segurança no transporte aéreo deve cumprir os parâmetros de desempenho RNP (Required Navigation Performance – Requisito de Desempenho de Navegação) padronizados pela ICAO: acurácia (maior exatidão), integridade (confiabilidade), disponibilidade (acurácia somada à integridade em qualquer instante) e continuidade (disponibilidade sobre um intervalo de tempo determinado).

Para cada fase de vôo é possível determinar os requisitos de desempenho dos sinais de navegação do usuário final (Signal-in-Space) de acordo com os parâmetros RNP para Navegação de Área (RNAV). Segundo recomendações da FAA e da ICAO, os parâmetros de navegação RNP de acordo com a fase de vôo planejada estão resumidos na Tabela I.

Tabela I: - Requisitos de desempenho para Navegação de Área - RNAV (ICAO, 1996).

Operação Típica

Acurácia Horizontal

(95%)

Acurácia Vertical (95%)

Integridade Continuidade

Limite de Alerta

Horizontal (HAL)

Limite de Alerta

Vertical (VAL)

Disponi-bilidade

Tempo para

Alerta

Em Rota 3.700 m NA 1⋅10-7 /h 1⋅10-4 /h a 1⋅10-8 /h 7.408 m NA 0,99 a

0,99999 60 s

Terminal 740 m NA 1⋅10-7 /h 1⋅10-4 /h a 1⋅10-8 /h 3.704 m NA 0,99 a

0,99999 15 s

LNAV (NPA) 220 m NA 1⋅10-7 /h 1⋅10-4 /h a

1⋅10-8 /h 1.852 m NA 0,99 a 0,99999 10 s

LNAV/ VNAV 220 m 20 m 1-2⋅10-7

/aproxim. 1-8⋅10-6 /15 s 556 m 50 m 0,99 a 0,999 10 s

LPV 16 m 20 m 1-2⋅10-7 /aproxim. 1-8⋅10-6 /15 s 40 m 50 m 0,99 a

0,999 10 s

APV II 16 m 8 m 1-2⋅10-7 /aproxim. 1-8⋅10-6 /15 s 40 m 20 m 0,99 a

0,999 6 s

CAT I (GLS) 16 m 6 m a

4 m 1-2⋅10-7

/aproxim. 1-8⋅10-6 /15 s 40 m 12 m a 10 m

0,99 a 0,99999 6 s

CAT II e CAT IIIa 6,9 m 2,0 m 1⋅10-9 /15 s 1-4⋅10-6 /15 s 17,3 m 5,3 m 0,99 a

0,99999 1 s

CAT IIIb 6,2 m 2,0 m

1⋅10-9/30 s (lateral)

1⋅10-9/15 s (vertical)

1-2⋅10-6/30 s (lateral)

1-2⋅10-6/15 s (vertical)

15,5 m 5,3 m 0,99 a 0,99999 1 s

A Fig. 5 mostra como os limites de alerta decrescem à medida que uma aeronave se aproxima de uma pista de

pouso. A fase de aproximação de precisão (Categorias I, II e III) é caracterizada pelos parâmetros DH (Decision Height – Altura de Decisão) e VAL (Vertical Alert Limit – Limite de Alerta Vertical). De acordo com estes valores específicos para cada categoria de pouso, uma aeronave só pode continuar a operação de aproximação de precisão se a pista estiver completamente visível.

Figura 5: Valores de erros máximos permitidos nas direções vertical e horizontal/lateral e tempo máximo de alerta ao piloto durante operações de aproximação de precisão CAT I, II, III (Pullen, 2002).

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006

A geometria satélites/receptor é menos favorável na direção vertical e os obstáculos oferecem maiores riscos nesta direção. Assim, o parâmetro VAL é o principal requisito para análise. Isto significa que o requisito VAL, para uma dada operação, deve garantir que os requisitos correspondentes HAL ou LAL (Horizontal/Vertical Alert Limit – Limite de Alerta Horizontal/Vertical) estão de acordo com as operações realizadas. Os valores destes parâmetros passam a ser mais restritivos à medida que uma aeronave se aproxima do solo.

4. Sistemas DGNSS (GNSS Diferencial)

Para implementar o processo de integração do GNSS na aviação, os conceitos SBAS (Space-Based Augmentation System) e GBAS (Ground-Based Augmentation System) devem ser considerados para melhor desempenho e também para monitoramento de status para permissão de uso seguro. A Fig. 6 ilustra um cenário no qual diversos usuários podem se beneficiar da tecnologia via satélite.

Figura 6: Cenário de utilização dos sistemas GNSS/DGNSS (www.esa.int).

4.1. Sistema de Acréscimo de Desempenho Baseado em Satélite (SBAS)

O conceito SBAS foi criado pela ICAO com o objetivo de padronizar os sistemas de acréscimo de correções na área de validade baseado em satélites. SBAS é um sistema de acréscimo de ampla cobertura através do qual o usuário recebe a informação de correção de posição.

Uma configuração SBAS (Fig. 7) consiste de Estações Monitoras ou de Referência Terrestre com posições precisamente especificadas que monitoram os sinais dos satélites e em seguida, estes sinais são enviados para uma ou mais Estações de Controle que geram a mensagem de correção. A estação de controle também estima correções para erros ionosféricos. Esta estação envia a mensagem de correção para estações de enlace de subida que, por sua vez, transmitem a mensagem de correção para os satélites geoestacionários. Finalmente, o satélite geoestacionário transmite a mensagem de correção SBAS para os usuários. Esta mensagem de correção enviada ao usuário é modulada na freqüência L1 GPS (1.575,42 MHz).

Figura 7: Configuração e operação do sistema SBAS (adaptada de Jenkings, 2005).

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006

Como resultado, o SBAS fornece maior desempenho de acurácia da posição do usuário através de mensagens de correções ionosféricas e de integridade com a transmissão quase em tempo real através de um canal de integridade dedicado GNSS.

Para a ICAO, em muitos casos, SBAS oferecerá valores mínimos menores do que os padrões associados com aproximação de não-precisão (NPA) (Tabela I), resultando em maior utilização em áreas próximas a aeroportos. Quase todas as aproximações SBAS caracterizarão guiagem vertical (APV), fornecendo em um aumento significativo em segurança. Uma aproximação SBAS não requer qualquer infra-estrutura exclusiva para funcionamento em um aeroporto. Desta forma, aproximações APV podem não utilizar a mesma infra-estrutura terrestre necessária para a configuração GBAS e isto pode resultar em menores custos operacionais em alguns aeroportos.

A utilização de satélites geoestacionários tem certas limitações. Como o plano orbital destes satélites está contido no plano equatorial, os sinais por eles transmitidos podem não estar disponíveis em Regiões Polares. Esta situação sugere que outros sistemas de acréscimo de desempenho ou mesmo uma mudança na configuração dos elementos que compõem o SBAS devem ser considerados para minimizarem este problema.

Muitos países iniciaram o desenvolvimento e a implementação de sistemas de acréscimo SBAS (Chujo, 2005). Estas iniciativas têm avançado significativamente e estão em diferentes estágios de desenvolvimento. Na Europa, um grupo composto pela União Européia, Agência Espacial Européia e Eurocontrol está desenvolvendo o sistema EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) que cobrirá a região européia. Nos Estados Unidos, a FAA é responsável pelo desenvolvimento do sistema WAAS (Wide Area Augmentation System) que cobrirá essencialmente a área continental dos Estados Unidos. Em cooperação com a FAA, o Canadá está projetando o sistema C-WAAS (Canadian-WAAS) como parte de seu programa de desenvolvimento de sistemas de navegação por satélite. O Japão, através da JCAB (Japanese Civil Aviation Bureau) está implementando o MSAS (MTSAT Satellite Based Augmentation System) que cobrirá o Japão e áreas vizinhas. A China está construindo a SNAS (Chinese Satellite Navigation Augmentation System) e a Índia está desenvolvendo seu próprio sistema denominado GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation).

A região de cobertura de cada um dos sistemas do programa SBAS mundial está representado na Fig. 8. Interoperabilidade entre os sistemas será garantida pelo padrão DO-229C e, atualmente, é cumprida pelos sistemas EGNOS, WAAS, MSAS e C-WAAS.

Figura 8: Área de cobertura dos sistemas que compõem o programa SBAS mundial (adaptada de www.faa.gov).

4.1.1. Benefícios SBAS

Os sistemas trarão grandes benefícios à comunidade da aviação. Além do aumento de segurança, eficiência e capacidade no sistema de navegação aérea, benefícios técnicos também estão previstos para este sistema:

• SBAS é essencial para satisfazer os requisitos de integridade para apoiar NPA (Aproximação de não precisão)

caso somente a constelação de satélites GPS esteja disponível. Porém, SBAS pode ser utilizado para incluir elementos de precisão e apoiar todas as fases de vôo através de aproximações precisas Categoria I;

• Capacidade de aproximação precisa SBAS para pistas que atualmente apresentam somente capacidade de aproximação de não precisão fornecerá vantagens adicionais em termos de aumento de segurança e eficiência operacional; e

• A precisão fornecida pelo SBAS é adequada para apoiar aproximações precisas Categoria I mínima (altura de decisão a ser definida), mas não para Categoria II mínima. Satisfazer os requisitos mais restritivos da Categoria III requer o uso do sistema GBAS. As correções para os sinais GNSS são transmitidas na linha-de-visada de referência da estação terrestre. O alcance desse serviço é tipicamente entre 25 - 30 NM (46 - 55 km).

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006 4.2. Sistema de Acréscimo de Desempenho Baseado em Terra (GBAS)

GBAS é um sistema de segurança crítica composto por hardware e software para melhorar o Serviço de Posicionamento Padrão (SPS) do GPS e fornecer melhores níveis de serviço nas fases de aproximação de precisão, pouso, decolagem e operações em superfície dentro de uma área de cobertura. Estudos pela ICAO estão em andamento para avaliar o potencial do GBAS para suporte em operações de aproximação de precisão CAT II e III.

O equipamento terrestre GBAS (Estação de Referência) monitora os sinais GPS e/ou GLONASS e transmite localmente mensagens de integridade relevantes, correções de pseudodistância e dados de aproximação através de um VDB (VHF Data Broadcast) para a aeronave dentro de um alcance nominal de 37 km (20 NM) na área de aproximação (quando oferece suporte em operações CAT I) e dentro da área terminal para serviço de posicionamento.

O pseudo-satélite mostrado na Fig. 9 transmite sinais do tipo GPS. Opcionalmente, pseudo-satélites poderão ser inseridos na configuração GBAS para substituir o transmissor VBD e enviar também a mensagem de correção aos usuários nas proximidades e principalmente melhorar o DOP (Dilution Of Precision - Diluição de Precisão). O parâmetro DOP denota a qualidade da medida feita e depende basicamente da geometria formada pelos satélites e pelo receptor.

Figura 9: Configuração GBAS (Zandonadi, 2005).

Uma instalação GBAS fornecerá correções para suporte em aproximações para múltiplas pistas de pouso em um

aeroporto. Em alguns casos, os dados de correção poderão ser usados por aeroportos próximos e até mesmo por helicópteros. A infra-estrutura GBAS inclui equipamentos eletrônicos que podem ser instalados em pontos estratégicos na região do aeroporto e antenas para transmitir dados e receber os sinais dos satélites. A localização de uma antena é independente da configuração da pista de pouso, porém requer avaliação cuidadosa das fontes locais de interferência, obstrução de sinais e multicaminho. A localização da antena VDB deve garantir que a área de coberura é suficiente para as operações propostas em um determinado aeroporto. Uma estação terrestre localizada no aeroporto transmite localmente correções relevantes, parâmetros de integridade e dados de aproximação para aeronaves na área terminal na faixa de 108-117,95 MHz. 4.2.1. Benefícios GBAS

A utilização do conceito GBAS para operações de aproximação de precisão CAT I pode trazer os seguintes

benefícios: • GBAS permitirá maior número de aproximações para uma mesma pista com otimização no intervalo de tempo

entre pousos e menor tempo de separação entre aeronaves na eventual ocorrência de formação de “wake vortex” (turbulência nas asas de uma aeronave de grande porte);

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006

• Previsão de chegada, aproximação e decolagem podem ser fornecidas para diferentes tipos de aeronaves independentemente. Por exemplo, operações com helicópteros podem se tornar independentes de operações de asa fixa, permitindo um aumento no fluxo de helicópteros em condições CAT I para aeroportos nos quais é possível aplicar este modo misto de operação;

• Sinais VDB GBAS serão menos sensíveis do que ILS (Instrument Landing System) para reflexões e multicaminho causados por construções e obstáculos;

• Operações de decolagem precisa; e • Navegação em área terminal e de superfície. GBAS tem um sinal mais estável do que ILS, havendo menor interferência com a aeronave precedente. Além disso,

não sofre oscilações do “localizer” ou do “glide path”, instrumentos utilizados para aproximação e pouso por ILS. Este benefício será mais significativo para operações CAT II/III do que CAT I por exigirem requisitos mais restritivos de operação. 4.3. Interoperabilidade GBAS e SBAS

A interoperabilidade entre os sistemas GBAS e SBAS tem papel fundamental na garantia de capacidade e eficiência no sistema de navegação aérea. A Fig. 10 destaca a integração dos sistemas GBAS e SBAS em todas as fases de vôo. Nesta configuração podem ser definidas três diferentes combinações do sistema de acréscimo DGNSS de acordo com a fase de vôo considerada. A primeira surge como uma combinação entre GBAS e SBAS para garantir operações de decolagem. O uso exclusivo do sistema SBAS é mais eficiente e adequado na fase de vôo em rota (cruzeiro). Por fim, nas operações de aproximação de não precisão, os dois sistemas podem se combinar. Neste caso, a utilização de um dos sistemas dependerá de alguns fatores como condições operacionais do aeroporto onde a aeronave deseja realizar o pouso (equipamentos existentes para auxiliar o pouso) e das condições de visibilidade. Nas operações de aproximação de precisão e serviços de superfície, o sistema GBAS atende perfeitamente aos requisitos críticos de navegação.

Figura 10: Integração entre os conceitos GBAS e SBAS em todas as fases de vôo.

5. Sistema de Visão Sintética (SVS)

SVS é um sistema de navegação que gera imagens 3D foto-realísticas do ambiente externo sobre o qual a aeronave sobrevoa ou taxia (Chujo, 2006). O sistema gera estas imagens utilizando informações coletadas pelos sensores localizados na aeronave (posicionamento INS/GPS, sinais de radar, infravermelho) e de um banco de dados de mapeamento 3D da superfície terrestre. Através da posição da aeronave, tem-se a imagem 3D da superfície terrestre correspondente, permitindo assim a geração de imagens em tempo real e fidedignas do ambiente externo. Entretanto, para que isto ocorra, as aeronaves nas proximidades desta devem estar equipadas com o sistema transmissor ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast). Este transmissor ADS-B permite a comunicação entre piloto e controlador de tráfeo aéreo e entre piloto-piloto. Assim, situações de colisão ou conflito podem ser evitadas.

O principal objetivo para uso desta tecnologia é aumentar a segurança de vôo através do aumento da consciência situacional do piloto em condições de baixa visibilidade. Para isso, é disponibilizada ao piloto uma tela (HUD – Head-Up Display) que mostra o ambiente externo contendo informações de estado da aeronave (altitude, atitude), informação de navegação e uma perspectiva do terreno como ilustra a Fig. 11.

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006

Figura 11: Visão sintética com Head-Up Display.

Os principais benefícios com relação à segurança para a aviação comercial são a prevenção de colisões entre

aeronaves, redução de CFIT (Controlled Flight Into Terrain), redução de invasão na pista de pouso, aumento da consciência situacional da tripulação, melhora na resposta em situações anormais (invasão de espaço aéreo de uma outra aeronave) e melhora no consentimento para liberação de decolagem pelo controlador de tráfego. A Fig. 12 mostra as diversas situações nas quais o SVS pode ser utilizado para aumentar a eficiência e a segurança nas operações de vôo em condições climáticas adversas.

Figura 12: Potencial utilização do sistema SVS para condições climáticas adversas (NASA, 2001).

6. Perspectivas para o cenário brasileiro

Dentro do cenário brasileiro, o sistema de tráfego aéreo deve sofrer modificações para tornar as operações de vôo mais seguras, eficientes e com melhor aproveitamento do espaço aéreo. Com base nestas condições de operação, conceitos operacionais e as principais tecnologias abaixo descritas podem trazer contribuições neste processo evolutivo.

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006 6.1. Conceito RVSM (Separação Vertical Mínima Reduzida)

O objetivo da implantação do conceito RVSM é reduzir a separação vertical mínima entre os níveis de vôo 290 e 410, dos atuais 2000 pés (610 m) para 1000 pés (305 m), obedecendo rigorosamente aos padrões de segurança de vôo.

Este procedimento, em fase de implantação no Brasil, permitirá aos operadores certificados utilizar suas aeronaves em níveis ótimos de vôo, proporcionando substancial economia de combustível.

Com o início das operações em 20 de janeiro de 2005, o programa RVSM compatibilizará o espaço aéreo brasileiro com a tendência mundial de gestão de tráfego aéreo, dobrando sua capacidade operacional. 6.2. Tecnologia SVS

Com o desenvolvimento tecnológico atual, novos sistemas embarcados foram introduzidos nas aeronaves. A partir daí, observou-se uma mudança no rumo das causas dos acidentes: as falhas decorrentes de fatores humanos passaram a ter uma evidência maior em detrimento das falhas oriundas de equipamentos, não porque o homem tenha passado a errar mais, mas porque os equipamentos ficaram mais sofisticados e, conseqüentemente, as falhas humanas ficaram mais evidentes.

A utilização da tecnologia SVS passa a ter um papel fundamental neste processo evolutivo. O maior objetivo é aumentar a consciência situacional do piloto para maior segurança no transporte aéreo e assim possibilitar um vôo mais previsível em situações críticas como de baixa visibilidade em fortes tempestades. Portanto, a tecnologia SVS deve auxiliar a tripulação nas operações de vôo dentro do processo de tomadas de decisão. Para isto, treinamento adequado é indispensável para que falhas humanas possam ser minimizadas. 6.3. Novos sinais civis GPS

O processo de modernização do GPS pode trazer grandes contribuições para a comunidade da aviação civil: • Redução do erro ionosférico: com a modernização do GPS, o erro ionosférico causado pela Anomalia

Equatorial Ionosférica pode ser minimizado. A proposta é introduzir um acréscimo de desempenho através da adição dos novos códigos civis L2c e L5. Melhores resultados serão alcançados com a disponibilidade dos novos sinais civis em aplicações que necessitam de alta acurácia, integridade e disponibilidade do sinal GPS.

• Melhor desempenho em operações de vôo usando DGNSS: o sinal L5 é protegido mundialmente para uso em radionavegação aeronáutica e dará suporte em aplicações na aviação. Portanto, este novo sinal terá grande efeito nas operações DGNSS, especialmente GBAS e SBAS. Uma avaliação de configuração do sistema DGNSS está em desenvolvimento no Laboratório GNSS do ITA. A recepção do sinal da constelação GNSS será similar ao sistema SBAS para cobertura de uma ampla região. Entretanto, a mensagem de correção será enviada ao usuário através de enlaces terrestres (VBD – VHF Data Broadcast), semelhantes aos do GBAS.

Neste contexto de desenvolvimento tecnológico, três necessidades devem ser atendidas pelos principais aeroportos:

aumento de capacidade, eficiência e segurança no sistema de transporte aéreo (Fig. 13). Basicamente, o sistema é composto por quatro pilares indispensáveis para fundamentar as bases do conhecimento tecnológico de todo o sistema:

• Tecnologia via satélite (GNSS e DGNSS – colunas 1 e 2) oferece apoio efetivo para implementação na

aviação. Naturalmente, o emprego do GNSS e do DGNSS também implica na consideração de certos riscos inerentes às tecnologias via satélite (atraso ionosférico, multicaminho, cintilação e outros). Todo usuário da tecnologia GNSS deve ter ciência desses riscos na medida em que podem afetar as suas operações e que exijam ações mitigadoras adequadas a cada cenário. Entretanto, ainda que haja riscos, o investimento em GNSS vem apresentando um excelente retorno, permitindo a melhor realização de muitas atividades e viabilizando outras que, sem o apoio desta tecnologia, simplesmente não poderiam ser realizadas.

• A tecnologia SVS, os conceitos operacionais baseados na garantia de separação mínima RVSM (coluna 3) e a formação de recursos humanos (coluna 4) completam a base de sustentação para o cumprimento das necessidades cada vez mais exigentes no contexto mundial.

Com uma configuração focada no desenvolvimento tecnológico e na capacitação humana, o equilíbrio entre

tecnologia e desenvolvimento humano pode garantir as três necessidades básicas na aviação. Com isso, melhor ocupação do espaço aéreo e maior aproveitamento dos aeroportos existentes trarão benefícios significativos para a comunidade da aviação e aos usuários do sistema de transporte aéreo.

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006

Figura 13: Necessidades, tecnologias e recursos humanos para o cenário brasileiro de transporte aéreo.

7. Conclusões

As tecnologias GNSS (GPS, GLONASS e Galileo), DGNSS (GBAS e SBAS), o sistema embarcado para visualização de ambiente externo à aeronave (SVS – Synthetic Vision System), aliados ao conceito operacional RVSM (Separação Vertical Mínima Reduzida) e à formação de recursos humanos, podem contribuir significativamente nas operações de vôo de forma segura e eficiente através do fornecimento de melhores requisitos de desempenho. Os grandes beneficiados com esta disponibilidade de recursos serão as regiões com grande demanda de aeronaves e de passageiros.

A modernização do sistema GPS, através dos novos sinais L2c e L5, terá grande importância no desempenho do sistema de tráfego aéreo. Estes novos sinais civis minimizarão o erro ionosférico e também poderão melhorar os sinais GBAS e SBAS à medida que novos receptores de dupla freqüência forem utilizados na configuração destes conceitos.

Estudos para minimizar erros causados pela Anomalia Equatorial Ionosférica, mapas para visualização do comportamento da AEI, configuração de um sistema GBAS/SBAS para atender a demanda crescente em aeroportos de grande movimento como Guarulhos e Congonhas estão em desenvolvimento no Laboratório GNSS do ITA. 8. Agradecimentos

Este trabalho recebe o apoio financeiro da FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) através do Projeto Pseudo-satélite sob contrato FINEP 01.04.0441.00. 9. Referências

Chujo, Amália M. e F. Walter. Safety and Efficient Operations Using Ground-Based Augmentation System (GBAS).

In: 2ª Conferência Internacional de Aeroportos: Planejamento, Infra-estrutura e Meio Ambiente (Second International Airports Conference: Planning, Infrastructure & Environment), São Paulo – SP, Brasil, 2-4 de Agosto, 2006.

Chujo, Amália M. e F. Walter. Atividades do Laboratório GNSS do ITA Relacionadas com CNS/ATM. In: 4° Simpósio de Transporte Aéreo - IV SITRAER, São José dos Campos, SP, 17 e 18 de nov., 2005.

Eurocontrol Central Office for Delay Analysis (CODA): Annual Report 2000. Gustavsson, N. A Changing Air Navigation System - Chapter 1, NEAN Update Programme Project, September,

2001. Available on-line at: www.nup.nu. IATA. World Civil Aviation Infrastructure & Development, 2001. ICAO. Aeronautical Telecommunications Annex 10-SARPs, Radio Navigation Aids, 1996. Infraero – Empresa Brasileira de Infra-estrutura Aeroportuária. Available on-line at: www.infraero.gov.br. Instituto de Aviação Civil (IAC). Demanda Detalhada dos Aeroportos Brasileiros, 2003. Available on-line at:

www.infraero.gov.br.

Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro,16-19, 2006

Jenkins, B. EGNOS Programme Status, IV CEA, September, 2005. Klobuchar, J. A. Ionospheric Time-Delay Algorithm for Single-Frequency GPS users, IEEE Transactions on

Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-23, No. 3, pp. 332-338, 1987. Loynes, J. et al. Global Communications, Navigation, Surveillance System (GCNSS) Satellite-based Architecture for

Air Traffic Management, AIAA/IEEE 22nd Digital Avionics Systems Conference, Indianapolis, IN, EUA, October, 2003.

Morais, Thiago N.; A. B. V. Oliveira and F. Walter. Global Behavior of Equatorial Anomaly since 1999 and Effects on GPS Signals. In: IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, March 2005.

NASA - National Aeronautics and Space Administration Langley Research Center. Candidate Concept Description for SVS/EVS Retrofit in Airplanes with CRT Type Primary Flight Instrumentation, Sept., 2001.

Oliveira, Alexandre B. V. and F. Walter. Ionospheric Equatorial Anomaly Studies During Solar Storms. In: Union Radio-Scientifique Internationale International Union of Radio Science (URSI), Nova Delhi, India, Oct., 2005.

Oliveira, Alexandre B. V., T. N. Morais e F. Walter. GPS: A Tool to Study the Ionosphere Global Behavior. In: International Beacon Satellite Symposium 2004, Trieste, Italy, Oct., 2004. OLIVEIRA, Alexandre B. V. e F. WALTER: Uso do GPS para o Estudo da Anomalia Equatorial. Tese de mestrado do curso de pós-graduação em Engenharia Eletrônica e Computação – Telecomunicações do ITA, São José dos Campos, SP, dez, 2003.

Pfister, J. Safety Relevant Navigation for a new Taxi Guidance Concept on Frankfurt Airport; Flight Mechanics and Control, Darmstadt University of Technology, 1999.

Pullen, S.; T. Walter and P. Enge. System overview, recent developments, and future outlook for WAAS and LAAS. In: GPS SYMPOSIUM, 2002, Tokyo.

Zandonadi Jr, Durval. Superação do Problema Near/Far em Pseudo-Satélites GPS mediante Técnica de Realimentação do Receptor do Usuário. 2005. Tese (Doutorado em Ciências) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.