Tecnologias de Navegao Area por GNSS e DGNSS para Operao CNS/ATM: Aplicaes para o Brasil

Tese de Mestrado Candidata: Amlia Massumi Chujo Orientador: Prof. Fernando WalterInstituto Tecnolgico de Aeronutica ITA So Jos dos Campos SP 14/02/2007

Estrutura de ApresentaoIntroduo Conceito CNS/ATM GNSS Sistemas de Acrscimo GNSS Conceitos Operacionais Futuras Tecnologias Proposta de um Sistema de Navegao Nacional Concluses e Futuros Trabalhos

MotivaoImportncia da aviao civil na economia mundial:US$ 370 bilhes em 1998 US$ 1 trilho atualmente

Condies restritivas de desempenho:Infra-estrutura no limite: - Auxlios Convencionais obsoletos - Alto custo de manuteno e expanso - Aeroportos congestionados Normas de segurana: separao entre aeronaves

Introduo

MotivaoLimitaes - Aux. ConvencionaisDificuldade de operao VOR/DME/NDB em reas remotas e montanhosas Interferncias (FM) Indisponibilidade de operao PA CAT I

DesempenhoSistema NDB VOR DME VOR/DME ILSFaixa de Freqncia 190-1.750 kHz 108-118 MHz 960-1.215 MHz 108-118 MHz Loc.:108-111,975 MHz Glide.: 329,3-335 MHz

Exatido 5 1,4 185 m 60-80 m 5-10 m

Alcance 370 km 240 km 370 km 137 km Loc.: 33 km Glide.: 18 km

Introduo

Motivao Infra-estrutura do BrasilCustosEquipamento Aquisio [R$] Infra + Instalao [R$]

NDB DME VOR ILS

300.000 258.000 430.000 1.075.000

250.000 40.000 500.000 1.000.000

Fonte: DECEA

Introduo

Metodologia de Pesquisa

Grupos

1

2

3

RNAV - aRea NAVigation RNP ABAS - Aircraft-Based Augmentation System Required Navigation Performance NDB - Non-Directional Beacon RVSM GBAS - Ground-Based DME - Distance Measurement Equipment Augmentation System Reduced Vertical Separation Minimum VLJ Very Light Jet VOR - VHF Onmidirectional- Range GRAS Ground-based Regional Augmentation System SVS ILS - Instrument Landing System SBAS - Space-Based Augmentation System Synthetic Vision System UAV Unmanned Aerial Vehicle

Introduo

ObjetivoGrupos1 2 3

Tecnologias e Infra-estrutura * Testes SBAS e GBAS, SGB * Implementao RNP, RVSM * VLJ (Embraer: Phenom) * UAV (CTA: VANT) * Auxlios convencionais (vida til, custos e desempenho)

Objetivos:Propor uma arquitetura com sistemas de acrscimo (Brasil) Construir um mapa de cobertura da configurao Fazer uma estimativa qualitativa de custos Introduo

Conceito CNS/ATMSumrio: Ambiente CNS/ATM Introduo Conceito CNS/ATM GNSS Sistemas de Acrscimo GNSS Conceitos Operacionais Futuras Tecnologias Proposta de um Sistema de Navegao Nacional Concluses e Futuros Trabalhos

Aviao: demanda x capacidade

Aumento da demanda por servios areos. Comit FANS (Future Air Navigation System) em 1983: Melhorar eficincia e segurana no transporte areo Equipamentos e procedimentos no limite de operao Desenvolver novos sistemas com melhor desempenho Criao do Sistema CNS/ATM em 1991.

Criao do Conceito CNS/ATM

EVOLUO

QUAIS SO AS MELHORIAS EM CNS?

Comunicao - CNSLimitaes de linha de visada direta. Conexes entre aeronave e centros ATC via satlite.

Sistema Atual

Sistema FuturoEvoluo do Sistema CNS

Navegao - CNSLimitaes de navegao com exatido. Cobertura de navegao mundial.

Sistema Atual

Sistema FuturoEvoluo do Sistema CNS

Vigilncia - CNSLimitaes de cobertura de radar. Conexes entre aeronave e centros ATC por vigilncia automtica (ADS-B).

Sistema Atual

Sistema FuturoEvoluo do Sistema CNS

Sistemas de Navegao por SatlitesSumrio: Introduo Conceito CNS/ATM GNSS Sistemas de Acrscimo GNSS Conceitos Operacionais Futuras Tecnologias Proposta de um Sistema de Navegao Nacional Concluses e Futuros Trabalhos

GPS, GLONASS e Galileo

Segmento Espacial

Segmento de Controle

Segmento do Usurio

Desempenho NavegaoFreqncia nica Sinal CivilRequisito Exatido Horizontal Vertical Evoluo GPS (novos sinais: L2c e L5) GPS (95%) 5-10 m 7-15 m GLONASS (99,7%) 50-70 m 70 m Galileo (99,8%) 15 m 35 m

Caractersticas

Evoluo GLONASS Melhor desempenho emL2relao aos sistemas (novos sinais: e L3) convencionais Operaes PA CAT I necessitam dos sistemas de Galileo (Diversidade de sinais) acrscimoGNSS

Desafio: Fonte de Erro GNSSAnomalia Equatorial Ionosfrica - AEI

AEI: Localizada entre -20 e +20 de latitude geomagntica Provoca erros na medida GNSS Soluo: Freqncias L1 e L2: reduzem o erro causado pela ionosfera GNSS

Evoluo do GNSSAplicao para servios de emergncia Interoperabilidade entre sinais (GPS, GLONASS e Galileo) Operao mundial para aproximao de preciso Minimizao de interferncias atravs do servio ARNS (Aeronautical Radio Navigation Service)

GPS, GLONASS e GalileoNovos Sinais Evoluo Estudos AEI GNSS

Sistemas de Acrscimo GNSSSumrio: Introduo Conceito CNS/ATM GNSSSistemas de Acrscimo GNSS

Conceitos Operacionais Futuras Tecnologias Proposta de um Sistema de Navegao Nacional Concluses e Futuros Trabalhos

Sistemas de acrscimo(Estados Unidos) (Estados Unidos) (Comunidade Europia) (Japo) (ndia) (Canad) (China) (Austrlia)

Objetivos:minimizar erros sistemticos em determinada rea aumentar a exatido na posio do usurio Sistemas de Acrscimo GNSS

Arquitetura GBASGround-Based Augmentation System

Conceito GBAS

GBASGround-Based Augmentation System

4 3 2 1

http://gps.faa.gov/programs/waas/howitworks.htm Conceito GBAS

SBAS no MundoSpace-Based Augmentation System

Iniciativa de diversos pases Garantir interoperabilidade entre os sistemasConceito SBAS

Arquitetura SBAS

Conceito SBAS

Operao SBAS

Estao Mestra

4 3 2 1

http://gps.faa.gov/programs/waas/howitworks.htm Conceito SBAS

GRASGround Regional Augmentation System

Recepo do sinal GNSS: semelhante ao SBAS Envio da mensagem de correo: semelhante ao GBASConceito GRAS

Operao GRAS

Usurios

Semelhante ao SBAS

Semelhante ao GBAS

Conceito GRAS

AplicaesPontos chave

Sistemas de AcrscimoGBASLOCAL Aproximao Pouso Decolagem

SBASAMPLA Em rota NPA

GRASAMPLA Em rota NPA

GNSS

Conceitos OperacionaisSumrio: Introduo Conceito CNS/ATM GNSS Sistemas de Acrscimo GNSS Conceitos Operacionais Futuras Tecnologias Proposta de um Sistema de Navegao Nacional Concluses e Futuros Trabalhos

Padronizaes e NormasRNAV, RNP e RVSM:Otimizar aproveitamento do espao areo (cada vez mais congestionado) Garantir segurana de vo

Aeronaves em aproximao e pouso no Aeroporto Internacional de So Francisco, Califrnia, EUA (Fonte: http://jetphotos.net) Conceitos Operacionais

Operaes RNP

Separao ltero-longitudinal entre aeronaves de acordo com o nvel de vo Parmetros mais exigentes quando a aeronave se aproxima para o pouso RNP-Required Navigation Performance

RVSMSeparao Vertical Mnima Reduzida

http://www.dac.gov.br/rvsm/rvsm.asp

RVSM no Brasil: janeiro de 2005 Conceitos Operacionais: garantia de segurana de vo RVSM-Reduced Vertical Separation Minimum

Futuras TecnologiasSumrio: Introduo Conceito CNS/ATM GNSS Sistemas de Acrscimo GNSS Conceitos Operacionais Futuras Tecnologias Proposta de um Sistema de Navegao Nacional Concluses e Futuros Trabalhos

VLJ - Jatos de Pequeno PorteFonte Embraer Forecast Int Inc. FAA NASA Rolls Royce Cessna Adam Aircraft Nmero de VLJ 3.000 3.476 4.500 8.000 8.000 14.000 20.000 Prazo Referncias 2016 Aumento no (Grady, 2005) trfego areo: 2016 2010 (Levin, 2005) (Levin, 2005)

mercado promissor para os 2014 (Jaworowski, 2005) prximos anos. Infra-estrutura adequada: 2023 preocupao(Warchol, 2005) caso no haja aumento capacidade. 15 a 20 anos na(Trautvetter, 2005)15 a 20 anos (Trautvetter, 2005)

Citation Mustang

Phenom 100

Eclipse 500 VLJ-Very Light Jet

SVS-Sistema de Viso SintticaTerreno digitalizadoPosicionamento Preciso

Aeroporto digitalizado

Viso do piloto

Radar meteorolgico

Identificao automtica

Viso infravermelha

SVS-Sistema de Viso Sinttica

SVS-Synthetic Vision System

UAV-Veculo Areo No Tripulado

Aplicaes civis: eventos catastrficos, pesquisa ambiental remota, vigilncia ocenica e medida de condies meteorolgicas

Proposta de um sistema de navegao nacionalSumrio: Introduo Conceito CNS/ATM GNSS Sistemas de Acrscimo GNSS Conceitos Operacionais Futuras Tecnologias Proposta de um Sistema de Navegao Nacional Concluses e Futuros Trabalhos

Viso HolsticaIntegrao dos participantes

Parcerias: governo-indstrias-institutos de pesquisa

Proposta integradaGBASGBAS GRAS

GRAS

GBAS GRAS

GBAS

GBAS

GBAS

ADS-B: Capacidade de apoio em todas as fases de vo.

Cobertura integrada dos sistemas de acrscimo aliada ao ADS-B em todas as fases de voConfigurao GBAS&GRAS + ADS-B

Proposta do sistema

Requisitos preliminares: Apresentar desempenho superior aos sistemas convencionais Viabilidade econmica frente aos convencionais existentes

Sistemas de Acrscimo

Em Rota Ocenica

Em Rota Domstica

Terminal

NPA

APV-I

APV-II

PA CAT I

PA CAT II

PA CAT III

Operaes de Solo

ABAS SBAS GBAS GRAS

Requisitos Preliminares

Proposta GBAS

Maior alcance (20-30 NM). Exatido de posio da ordem de 0,5 m.

Funes do PS: enviar sinais de correo ao usurio e melhorar o fator de geometria DOP (Diluio de Preciso)Anlise GBAS&GRAS

DOP-Diluio de Preciso

Fator DOP:Depende da geometria satlites visveis/receptor Variao ao longo do tempo: compromete a confiabilidade no sinal GNSS Anlise GBAS&GRAS

DOP-Diluio de Preciso

Fator DOP com PS:Menor variao ao longo do tempo Fornece soluo tima de navegao (maior confiabilidade) Anlise GBAS&GRAS

Proposta GRAS

Uso do GRAS: usar SBAS? Por que no

Possibilidade de uso(satlites geoestacionrios) Custos proibitivos das estaes de VHF j existentes no Brasil Integrao com do DECEA: inviabilidade de desempenhode satlites Experimentos PS: diminui efeitos ionosfricos e perda (AEI)Anlise GBAS&GRAS

Mapa GBAS&GRAS

Especificao: Raio de cobertura GRAS: 200 NM (370 km) Raio de cobertura GBAS: 20-30 NM (35-55 km)Anlise GBAS&GRAS

CustosConfigurao ILS x GBASComponente Estao terrestre Instalao Iluminao Inspeo de vo Procedimentos Total ILS () 471.000 236.000 GBAS () 313.000 30.000

471.000 471.000 Custo ILS: 55% maior. 134.000 25.000 20.000 20.000 1.332.000 859.000(Fonte: EUROCONTROL, 2003)

ILS: custo por pista GBAS: cobre vrias pistas, inclusive de aeroportos adjacentes

Anlise GBAS&GRAS

Conceito ADS-BAutomatic Dependent Surveillance-Broadcast

Transmisso simultnea de dados para outras aeronaves e para controladores de trfegoAnlise ADS-B

Estudo de caso

Radares de Vigilncia

ADS-B

identificao e identificao, altitude, posio 4-D, altitude velocidade e tipo de manobra (subindo, descendo, virando)Anlise ADS-B

Proposta integradaAeronaves e centros ATC visualizam o mesmo trfego areo.

Atualizao de posio com exatido, integridade e confiabilidade Maior conscincia situacional Tomada de deciso pelo controlador

Configurao GBAS&GRAS + ADS-B

Viso de FuturoCaminho do sucesso RequerPlanejamento de longo prazo (mnimo 10 anos) Financiamento governamental Alto investimento Envolvimento de diversos setores e tecnologias

- (Governo, Indstria e Pesquisa) - (Aeronutica, Espacial, Telecomunicaes, Transportes)

ResultadosAlto potencial de retorno financeiro Tecnologia de carter estratgico Desenvolvimento da Infra-estrutura e da Indstria Nacional Gerao de tecnologia de ponta (cutting edge technology) Potencial de aplicao em vrios mercados

Concluses e Futuros TrabalhosSumrio: Introduo Conceito CNS/ATM GNSS Sistemas de Acrscimo GNSS Conceitos Operacionais Futuras Tecnologias Proposta de um Sistema de Navegao Nacional Concluses e Futuros Trabalhos

Objetivos propostos

Benchmarking: auxlios de navegao sistema CNS/ATM tecnologias GNSS sistemas de acrscimo conceitos operacionais futuras tecnologias

Concluses e Futuros Trabalhos

Auxlios convencionais

Continuaro em uso sob condies especficas (ILS) Incio da desativao de equipamentos convencionais a partir de 2008

Concluses e Futuros Trabalhos

Modernizao GNSS

Sinal: Maior exatido no sinal de navegao Minimizao de interferncias Maior capacidade de interoperabilidade (GPS,GLONASS e Galileo)

Concluses e Futuros Trabalhos

Viabilidade

Econmica: Menores custos de projeto, aquisio e implantao Independe de investimentos em satlites geoestacionrios Tcnica: Pode fornecer suporte a todas as fases de vo Efeito minimizado da AEI Desempenho favorvel com a utilizao de PS

Concluses e Futuros Trabalhos

Participantes

Parcerias: Captao de recursos financeiros Formao de recursos humanos Definio de um plano de prioridades de pesquisa Modelo de comit integrador dos Estados Unidos: JPDO (Joint Planning & Development Office)

Concluses e Futuros Trabalhos

Futuros TrabalhosRealizao de testes em campo para validar o conceito apresentado atravs de parcerias entre rgos Governamentais, Indstrias e Institutos de Pesquisa. Anlise de custo do projeto proposto com participao efetiva de rgos governamentais para auxiliar na obteno de valores de equipamentos e custos de implantao. Especificao tcnica de equipamentos (estaes GBAS com pseudo-satlites e GRAS, estaes de VHF) para avaliao de desempenho. Continuidade nos estudos para identificao de potenciais tecnologias que podem contribuir em operaes mais restritivas de desempenho.

Concluses e Futuros Trabalhos

AgradecimentosAo Prof. Fernando Walter Ao DECEA pelo apoio atravs do projeto CNS/ATM FINEP pelo apoio atravs do projeto Pseudo-Satlite A todos que direta ou indiretamente contriburam para a concretizao deste projeto minha famlia Aos amigos do ITA Ao meu noivo Denis

Instituto Tecnolgico de Aeronutica ITA Laboratrio GNSS-Telecomunicaes So Jos dos Campos SP 14/02/2007