Publications

Bezprzewodowe systemy transmisji parametrów lotu w liniach lotniczych

mgr inż. Ryszard Witkowski 

Polskie Linie Lotnicze LOT S.A.
00-906 Warszawa, ul. 17-go stycznia 39

Streszczenie

Szybki i efektywny dostęp do danych z lotu jest niezwykle ważną sprawą w funkcjonowaniu linii lotniczej. Przyczynia się bowiem w istotny sposób do podniesienia bezpieczeństwa i jakości wykonywanych operacji lotniczych, a także umożliwia podejmowanie trafnych decyzji dotyczących właściwego wykorzystania sprzętu i bazy przewoźnika lotniczego. Coraz częściej w powyższym procesie wykorzystywane są bezprzewodowe systemy transmisji parametrów lotu, w znacznej mierze uniezależniające od miejsca i okoliczności transferu danych. Publikacja omawia powyższe zagadnienia w oparciu o kilka istniejących rozwiązań z tej dziedziny. Znalazły one zastosowanie w konkretnych liniach lotniczych, jako niezbędne elementy monitoringu bezpieczeństwa, jakości czy niezawodności. W artykule dokonano także porównania tych systemów z wcześniejszymi sposobami pozyskiwania danych z lotu. W zakończeniu wskazano korzystne aspekty analizy parametrów lotu, w tym także z transmisji bezprzewodowej.


1. Wprowadzenie

Wykorzystywanie danych z lotu w celu podnoszenia bezpieczeństwa i jakości wykonywanych operacji lotniczych rozpoczęło się na dobre w latach 90-tych ubiegłego stulecia. Wynikało to przede wszystkim z coraz większej dostępności technologii informatycznych oraz wkraczania ich w dziedziny związane ze wspomaganiem analiz parametrów lotu. Nie mniejsze znaczenie miało też pojawienie się wielu urządzeń typu Quick Access Recorder, które zgodnie ze swoją nazwą umożliwiały łatwy dostęp do zapisu rejestratora wypadkowego, czyli dublowały tzw. czarną skrzynkę. Różnorodność urządzeń typu QAR odzwierciedla całą gamę nośników informacji, które wówczas stosowano. Istniały kolejno QAR-y zapisujące na tradycyjnych dyskietkach, taśmach magnetofonowych i VHS, dyskach magneto-optycznych, płytach CD oraz całej gamie nośników indywidualnie opracowywanych przez producentów wyżej wymienionego sprzętu, bądź dostosowywanych do potrzeb konkretnego przewoźnika lotniczego. Przykładem takiego podejścia może być rozwiązanie typu Quick Access Recorder produkcji rodzimej firmy ATM, a stosowanej z powodzeniem przez wiele lat w Polskich Liniach Lotniczych "LOT". Nośnikiem informacji w tym przypadku jest kaseta, w której bezkontaktowy zapis oparto na elementach pamięci typu Flash RAM. W porównaniu z pozostałymi rozwiązaniami jest to sposób bardzo pewny i praktycznie nie obarczony błędami. W ostatnich latach asortyment nośników wzbogaciły rozmaite karty pamięci. I choć w procesach certyfikacyjnych prowadzonych przez nadzory lotnicze wszelkie nowinki techniczne przebijają się z trudem, to weszły do eksploatacji QAR-y i DFDR-y zapisujące na kartach PCMCIA oraz Compact Flash. Spowodowało to znaczne obniżenie jednostkowych kosztów pamięci rejestratorów. Jednakże to, co jest zaletą powyższych sposobów utrwalania danych, może w pewnych warunkach stanowić o jego wadach. Przechowywanie zapisu na samolocie wiąże się z koniecznością dotarcia do niego w celu wymiany zapisanego nośnika na czysty, bądź zrzutu takiej zawartości przez urządzenie przenośne typu laptop lub podobne. W warunkach rutynowych działań w swojej bazie jest to czynność nie nastręczająca trudności, gdyż wymiana nośnika trwa zaledwie sekundy, a zrzut zawartości rejestratora kilka minut. Jednak w przypadkach niestandardowych np. lądowania awaryjnego lub usterki w obcym porcie czynności te są nieraz utrudnione, a czasem wręcz niemożliwe do wykonania. Podobnie rzecz się ma w przypadku przeniesienia portu bazowego dla poszczególnych samolotów lub części floty do portu innego niż macierzysty. Dodatkowe trudności sprawiają takie okoliczności, jak krótkotrwałe zamykanie lotniska ze względów bezpieczeństwa lub zmiany organizacji czy rozbudowa infrastruktury lotniskowej. Wówczas nawet w porcie macierzystym przy bardzo dużym nasyceniu ruchu lotniczego zapewnienie odczytu ze 100% wykonanych rejsów stanowi bardzo poważną trudność, czego doświadcza w swej codziennej pracy Zespół Analiz Parametrów Lotu PLL "LOT". 

2. Remote, czyli "gdzie wzrok nie sięga"

Rozwiązaniem powyższych problemów jest bezprzewodowa transmisja danych z lotu. Jej podstawową zaletą jest możliwość otrzymywania rejestrowanych parametrów lotu bez konieczności kontaktu czy obecności przy samolocie, co jest szczególnie cenne, gdy w grę wchodzi odległość lub brak dostępu. Idea ta była znana już od dość dawna i testowana również w polskich projektach cywilnych i wojskowych jednostek naukowo-badawczych, lecz dopiero od około 2 lat można mówić o jej praktycznym wykorzystaniu w codziennej eksploatacji samolotów. Okres ten, jeśli chodzi o działalność linii lotniczych, był poprzedzony mnogością i różnorodnością koncepcji, wśród których testowano między innymi transmisję przez porty podczerwieni, przez system łączności satelitarnej, przez tradycyjne radiostacje VHF, ACARS, itp. Były to jednak sposoby albo o zbyt małej przepustowości (VHF) albo zbyt drogie (satelitarne) albo zbyt słabo rozpowszechnione (porty IR zainstalowano tylko w wybranych rękawach niektórych portów lotniczych). Obecnie ze wspomnianej mnogości zaczyna się wyłaniać kilka rozwiązań, jeszcze nie na tyle ukonstytuowanych, aby traktować je jako standard, lecz już pojawiających się w coraz liczniejszych zastosowaniach. Linie lotnicze stoją w obliczu konieczności wyboru odpowiedniego rozwiązania, gdyż analiza danych z lotu stała się koniecznością, choćby ze względu na nałożone przepisy. Nieaktualne w związku z tym wydaje się pytanie "czy?", ale "jak?". Przy mniejszym nasyceniu ruchu i częstej obecności samolotów w porcie macierzystym można pozostać przy wymianie tradycyjnych nośników, lecz gdy mamy do czynienia z okolicznościami wymienionymi w p. 1, takie podejście przestaje być wystarczające. Nawet pobieżne przedstawienie zalet bezprzewodowej transmisji parametrów lotu uwidacznia jej korzyści w porównaniu z tradycyjnym pozyskiwaniem danych. Jednakże wykorzystanie jej w optymalny sposób wymaga podjęcia przemyślanych i racjonalnych działań. Podstawowy cel analizy parametrów lotu, jakim jest zapewnienie wysokiego stopnia bezpieczeństwa lotniczego, ale także jakości i efektywności wykonywanych operacji lotniczych, jest realizowany w wielu liniach lotniczych od wielu lat i są one wyposażone w aplikacje i technologie informatyczne wspomagające powyższe procesy. Stąd na wybór opcji wpływ będzie miała niewątpliwie posiadane zasoby. Niemniej jednak aktualnie zarysowało się kilka sposobów podejścia do tematu i powiązanych z nimi praktycznych rozwiązań. 

3. On-line czy download?

Przykładami transmisji bezprzewodowej on-line są przede wszystkim komunikacja acarsowa oraz komunikacja satelitarna, gdyż pozostałe rodzaje transmisji, jak dotąd, nie znalazły szerszego zastosowania. Jeśli chodzi o bezprzewodowy zrzut parametrów i danych po zakończonym locie, w praktyce zostały zrealizowane transmisje Wi-Fi oraz GSM. Poniżej zamieszczone zostały opisy i schematy istniejących rozwiązań.

3.1 W zależności od miejsca i potrzeb, czyli ACARS
System jest znany i stosowany od lat 80-tych XX w. (Air New Zealand, SAS, Lufthansa). Składa się ze stacji ruchomych, znajdujących się na statkach powietrznych oraz infrastruktury naziemnej. Komunikacja przebiega w obie strony; zwykle przez radiostacje VHF do stacji naziemnych (Remote Ground Stations), lecz gdy brak jest zasięgu, korzysta się alternatywnie z łączności satelitarnej SATCOM i transmisji HF. System jest raczej przeznaczony do przesyłania krótkich komunikatów ze względu na wysokie koszty połączeń. Jeden blok informacji może składać się z maks. 220 znaków. Z samolotu są najczęściej wysyłane komunikaty ACMS, raporty silnikowe, informacje operacyjne (np. o opóźnieniach, zaistniałych usterkach), a do samolotu przesyłane są komunikaty pogodowe, plany lotu, informacje ATC, NOTAM itp. Transmisja parametrów lotu zgodnych ze standardem ARINC 429 jest teoretycznie możliwa (po rozbiciu na 220-znakowe bloki), lecz w praktyce niestosowalna. System ma jednak tę zaletę, że jest wysoce bezpieczny, ze względu na jego autonomiczność i odizolowanie od pozostałych rodzajów komunikacji.
3.2 Przez satelitę
Przykładem może być tu rozwiązanie o nazwie satLINK. Jest to system komunikacji, opracowany przez firmę Avionica i wykorzystujący sieć satelitarną Iridium. Poniższy schemat przedstawia różnorodnoś ć możliwych konfiguracji oraz współpracę z systemem do komunikacji naziemnej tego samego producenta, w oparciu o rozwiązanie secureLink. Współistnienie obu systemów ma na celu rozszerzenie wspólnych możliwości. Komunikacja satelitarna jest wykorzystywana tam, gdzie jest to absolutnie niezbędne, najczęściej gdy konieczne jest przesłanie informacji o wysokim priorytecie. Ponad 60 % informacji jest zwykle przekazywanych na ziemi.

 
Ogólny schemat systemu satLINK we współpracy z secureLINK

3.3 Przez Wi-Fi
Reprezentantem takiego podejścia jest secureLINK. Jest to rozwiązanie systemowe wykorzystane przez firmę Avionica. Jedna z pierwszych instalacji została wykonana w Exeter w firmie Fly.be na samolotach Embraer 175. SecureLINK to platforma umożliwiająca transmisję danych, wymienianych poprzez rozmaite urządzenia pokładowe między sobą, a także ich przesyłanie i odbiór z urządzeń naziemnych. Najczęstszym sposobem komunikacji z ziemią jest transmisja IEEE 802.11, popularnie zwana Wi-Fi. Pierwsze urządzenia wykorzystywały standard 802.11 b, ostatnio jest to 802.11 g, a planowane są dalsze i szybsze odmiany. Charakterystyczne cechy tego rozwiązania to:
- transfer danych ok. 11 Mb/s w standardzie 802.11 b,
- komunikacja przez Ethernet z 7 niezależnymi urządzeniami,
- konfigurowalne zdarzenie wywołujące rozpoczęcie transmisji,
- kodowanie danych z użyciem VPN (PPTP, IPSEC),
- uwierzytelnianie sieciowe zgodne z zasadami 802.1x (LEAP, PEAP lub WPA),
- statyczne lub dynamiczne przydzielanie adresu IP sieci zewnętrznej,
- statyczne przydzielanie adresu IP sieci wewnętrznej.

Ideę takiej komunikacji przedstawia poniższy schemat:
 
Schemat komunikacji Wi-Fi samolot-ziemia

3.4 Przez sieć GSM
W ostatnich 2 latach niektóre linie lotnicze (Air Canada, Ryanair, Qantas) przystąpiły do programu Wireless GroundLink. Jest to rozwiązanie oparte na bezprzewodowej transmisji danych z wykorzystaniem telefonii komórkowej, opracowane przez firmę Teledyne Controls. Podstawowym elementem systemu, który wyróżnia go spośród innych rozwiązań, jest moduł nadawczy GSM. W ostatniej oferowanej wersji jest to zwielokrotniona (8-krotna) transmisja sygnału wychodzącego z urządzenia WQAR (Wireless Quick Access Recorder). Dane, które mogą być skompresowane i zakodowane, przesyłane są do infrastruktury telefonii komórkowej, a następnie do sieci Internet. Stąd trafiają do właściwych komórek organizacyjnych linii lotniczej, zajmujących się analizą parametrów lotu, bądź przygotowaniem operacyjnym. Sam proces transmisji może rozpocząć się w około 10-15 minut po wylądowaniu samolotu i w zależności od pojemności i szybkości przesyłanej informacji może trwać od kilku do kilkudziesięciu minut. Wdrożenie powyższej metody wymaga przygotowania kilku etapów. Oprócz instalacji urządzeń na samolocie potrzebny jest właściwy wybór dostawcy usług telefonii komórkowej oraz usług internetowych. System umożliwia upgrade do różnych sposobów transmisji GSM, takich jak GPRS, Edge, UMTS i jeszcze nowszych. Zaletą tego rozwiązania jest z pewnością uniezależnienie się od struktury lotniskowej, a jedynie od zasięgu telefonii komórkowej, który jest z każdym rokiem coraz większy. Jest to jednakże wariant droższy i jak na razie wolniejszy od Wi-Fi (poniżej 1 Mb/s przed 2007 r.).

 
Ogólny schemat systemu Wireless GroundLink

3.5 "Connected Aircraft"
Koncepcja ta powstaje obecnie przy udziale producentów samolotów i awioniki, głównie firm Airbus i Teledyne Controls. Podstawową ideą jest wysoka kompatybilność komunikacyjna podstawowych składników wyposażenia. Ma się ona opierać na szeroko rozpowszechnionym protokole transmisji TCP/IP i umożliwiać wzajemne łączenie urządzeń oraz wymianę danych na prawach dostępu i po uwierzytelnieniu użytkownika. 

 
Idea "Connected Aircraft"

Może być nim zarówno odbiorca danych eksploatacyjnych czy informacji o stanie samolotu, jak i pasażer korzystający z pokładowego systemu rozrywki lub telefonu komórkowego. Do transmisji danych będą wykorzystywane wszelkie możliwe środki i sposoby, a więc w zależności od położenia samolotu i potrzeb komunikacyjnych będzie to Wi-Fi, GSM lub satelita. Łączność będzie się odbywać na linii samolot-samolot, samolot-ziemia i ziemia-samolot. W ostatnim przypadku, w procesie zwanym uplink, będą ładowane wszelkie niezbędne dane dotyczące np. planu lotu, dokumentacja nawigacyjna, arkusze załadowania, komunikaty pogodowe, ruchowe itp. Jednym z urządzeń do wykonywania tego typu zdań będzie EFB (Electronic Flight Bag). Będzie to wkrótce standardowe wyposażenie dużych samolotów pasażerskich. EFB III generacji, czyli całkowicie integralny element kokpitu, znalazł już zastosowanie w niektórych typach samolotów. W PLL "LOT" SA będzie to B787 Dreamliner. W perspektywie kilku lat zabronione dzisiaj czynności, jak korzystanie na pokładzie z telefonii komórkowej, czy podłączanie własnych laptopów, palmtopów i innych urządzeń do sieci pokładowej, w celu połączenia się z Internetem, staną się standardem.

4. Infrastruktura niezbędna

Powyższe rozwiązania opierają się na pewnych składnikach infrastruktury naziemnej. Pierwsze z opisywanych rozwiązań, czyli ACARS, jest siecią o bardzo specyficznych wymaganiach. W skali światowej jest rozpowszechniony w krajach, gdzie transport lotniczy jest wysoko rozwinięty. Jego hermetyczność i niemal monopolistyczna dotychczasowa pozycja (tylko 2 dostawców usług na świecie: ARINC i SITA) powoduje, że użytkowanie go przez linie lotnicze jest obciążone wysokimi kosztami. Podobnie rzecz ma się z transmisją satelitarną. Używanie systemu satLINK lub SATCOM wiąże się także z koniecznością poniesienia wysokich nakładów na urządzenia odbioru lub dzierżawę łączy. 
Rozwój globalnego Internetu wraz z ulepszeniem technologii bezpieczeństwa sieciowego miał dodatni wpływ na wykorzystanie tych czynników w komunikacji i przepływie danych. Korzystanie ze światowej sieci internet łączy się z bardzo poważnym obniżeniem kosztów telekomunikacyjnych. Jeżeli okoliczności, w jakich działa operator, nie wymagają transmisji na bieżąco, wówczas do wyboru pozostaje transmisja stacjonarna po zakończeniu lotu. I w tym przypadku wymagania co do infrastruktury są dużo niższe. W przypadku Wireless GroundLink z wykorzystaniem GSM wystarczy, aby samolot po lądowaniu znajdował się w zasięgu stacji wybranej telefonii komórkowej, z czym obecnie jest coraz mniej problemów. Większość portów lotniczych ma bowiem wystarczające pokrycie systemami GSM. Pewnym problemem jest czasami interferencja fal radiowych z różnych źródeł, lecz z każdą kolejną generacją urządzeń te niedogodności są coraz sprawniej eliminowane. W przypadku systemu secureLINK wymagane jest, aby samolot znalazł się w zasięgu punktu dostępowego Wi-Fi, co również staje się standardem na wielu lotniskach. W celach bezpieczeństwa transmisja 802.11 samolot-ziemia może być dodatkowo szyfrowana. Z obu tych źródeł do końcowego odbiorcy droga wiedzie najczęściej przez Internet.

5. Podsumowanie

Z przedstawionego materiału wyłania się coraz bardziej widoczny w praktyce proces zastępowania tradycyjnych nośników informacji różnymi metodami bezprzewodowej transmisji danych. Z pewnością będą one stawały się coraz szybsze, sprawniejsze i tańsze w przeliczeniu na samolot czy jednostkę przesłanej informacji. Widać tu również rosnącą rolę internetu, gdyż większość z przedstawionych rozwiązań wykorzystuje globalną sieć, jako jeden z elementów systemu. Nowy sposób transmisji nie wyklucza istnienia równolegle tradycyjnych nośników, co czyni przedstawione tu systemy bardzo elastycznymi. 
Należy powyższe działania rozumieć jako technologiczną konieczność modyfikacji całego procesu pozyskiwania danych z lotu, nie w celu poprawy szybkości czy jakości informacji, ale w celu zwiększenia niezależności i elastyczności całego programu bezpieczeństwa i jakości, jaki są zobowiązane prowadzić linie lotnicze. Obecnie widać, że ci operatorzy, którzy wdrożyli kompleksowe działania w tym zakresie, zwane w zależności od regionu czy dotychczasowych doświadczeń jako FDM (Flight Data Monitoring), FDA (Flight Data Analysis), FOQA (Flight Operations Quality Assurances) lub podobnie, ale niezależnie od nazwy prowadzące do wzrostu ogólnych wskaźników bezpieczeństwa, mogą przedstawić wymierne korzyści swoich działań w bardzo szerokim zakresie, także ekonomicznym i prestiżowym. Zastosowanie rozwiązań przedstawionych w niniejszym artykule może te korzyści powiększyć.

Bibliografia

1. Teledyne Controls: "Taking Information To A Higher Plane" - User Conference, Santa Monica CA, USA, April 2007
2. Avionica Inc.: "Real Innovations - Real Solutions", Miami FL, USA, Sept. 2005
3. Boeing, Rockwell Inc.: EFB Catalogue, Seattle, USA, 2006
4. Honeywell: CMM Recorder, Digital Voice/Data (DVDR), December 2002
5. SFIMM: Ground Support Equipment for ACMS, Paris, 1993
6. Witkowski R.: "System gromadzenia, analiz i przetwarzania danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu", III Konferencja Awioniki, Waplewo 2001
   
   
   Summary
   
   Wireless flight data transmission systems in airlines
   
   Ryszard Witkowski, phone: (48 22) 6504665, e-mail: r.witkowski@lot.pl,
   "LOT" Polish Airlines, 00-906 Warszawa, ul. 17-go stycznia 39
   
   Quick and effective access to flight data is very important in airlines operations due to increasing of their safety and quality level. It also helps to realize a proper decision making on airline resources management. The wireless transmission systems of flight data are used in that process still more and more, making it almost independent of place and other factors of data transferring. The report presents above subjects with considering of now existing and future solutions. Some of them were implemented in airlines, as a necessary part of safety and quality programs. The comparing of past and existing systems and differences between them were also discussed. The author concludes advantages of flight data monitoring, with considering of wireless systems.