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12. Dezember 2004 Jan Brill

Behörden: Mode S


Grundkurs Transponderchinesisch

Nachdem die Übergangsphase zur Mode-S Elementary-Surveillance wohl bis 2007 verlängert wird, bleuchten wir auf vielfachen Wunsch hin die Hintergründe dieser geheimnisvollen Technik. Also: Wenn Sie sich immer schon gefragt haben, was zum Geier eigentlich Mode-S, Enhanced-Surveillance, Antenna Diversity, ADS-B, TIS und natürlich der allseits beliebte "Extended Mode-S-Squitter" ist, - hier gibt es endlich Antworten...


Wer das versteht, der hat's geschafft: Der urpsrüngliche Implementationsplan für Mode-S in Europa
© Honeywell 
Ohne Verkehrsdaten-Uplink (TIS) ist und bleibt Mode-S für die AL in Zentraleuropa vollkommen unnötig. Um diese Aussage belegen zu können, betrachten wir die technischen Grundlagen und operationellen Anforderungen etwas genauer und bringen Klarheit in das Dickicht aus Abkürzungen, Standards und Systemverknüpfungen Was ist eigentlich Mode-S ?!? Mode-S unterscheidet sich von den herkömmlichen Mode A/C (auch ATCRBS) Transpondern im Wesentlichen durch ein Merkmal: Die „Select“-Fähigkeit der Datenabfrage. Das bedeutet: Während herkömmliche Mode A/C Transponder immer und auf jede Anfrage mit dem Squawk des 12-bit (4096 Kombinationen) Transpondercodes und der kodierten Druckhöhe antworten, kann im Mode-S (S steht für Select!) einzeln adressiert und abgefragt werden. Theoretisch bedeutet dies eine Entlastung des für SSR (Secondary Surveillance) zur Verfügung stehenden Frequenzspektrums von 1030 bis 1090 MHz. Diese Adressierung wird durch einen für jedes in der Welt registrierte Flugzeug einzigartigen 24-bit Code vorgenommen. 24-Bit bedeuten 16,777,215 Kombinationsmöglichkeiten, was zweifellos für eine Weile ausreichen wird. Für N-registrierte Flugzeuge kann dieser Code recht einfach über die Webseite der FAA abgefragt werden; unsere Twin Comanche beispielsweise hört auf die Nummer 52350524. Es geht also vor allem um die Interoperabilität mit TCAS-Systemen, die ja wie Bodenradarstationen „Interrogations“, also Abfragen an die in Reichweite befindlichen Transponder aussendet. Anstatt mit solchen Anfragen nun zahllose und sich überlagernde Antworten zu provozieren, werden TCAS II Systeme im Mode-S-Zeitalter die in der Nähe befindlichen Transponder direkt und einzeln, anhand dieser 24-bit-Adresse abfragen. Damit das funktioniert, brauchen Mode-S-Systeme noch eine weitere Komponente, eine Art Minimalnachricht, die den TCAS-Systemen überhaupt erst mitteilt, welche Transponder abzufragen sind. Kennen Sie den Squitter? Dieser sogenannte „Squitter“, eine ungefragte Transmission, enthält lediglich diese Mode-S-Adresse und wird von Mode-S Transpondern in regelmäßigen Zeitabständen ausgesendet. Empfängt eine TCAS-Station einen solchen Squitter, wird die entsprechende Flugzeug-ID in die sogenannte „Roll-Call-List“ aufgenommen und später im Zwiegespräch einzeln abgefragt. Bodenstationen hingegen benötigen den Squitter nicht. Sie senden zusammen mit dem Primär-Radarstrahl einen sogenannten „All-Call“ aus, auf den jeder Mode-S-Transponder in Reichweite antwortet, allerdings nur mit der entsprechenden Flugzeugkennung. Diese Kennungen werden dann entsprechend in die Roll-Call-Liste der Bodenstation eingetragen und abgefragt. Elementary/Enhanced Surveillance Welche Daten da nun abgefragt werden, darin unterscheiden sich Elementary und Enhanced Surveillance: Bei der Elementary-Surveillance wird im Prinzip nicht viel mehr übermittelt als beim Mode A/C auch. Die Druckhöhe in 25 oder 100 ft Schritten, der vierstellige „Squawk“ und dazu noch die besagte 24-Bit-Flugzeug-Identifikationsnummer. Hinzu kommt eine Capability-Flag, also eine Markierung, welche Datenfähigkeit der Transponder hat, und ein Status-Flag, das angibt, ob das Flugzeug sich am Boden oder in der Luft befindet. Bei der Enhanced-Surveillance werden zusätzlich noch eine Reihe von Flugdaten übermittelt, die sogenannten DAPs (Downlink Aircraft Parameters). Diese sind:
  • Magnetic Bearing
  • Indicated Airspeed
  • Vertical Speed
  • Roll-Angle
  • Track Angle
  • True Track Angle
  • Ground Speed
  • Selected Altitude
Mit ein bisschen Systemkenntnis wird schnell klar, dass bis auf Groundspeed und Track Angle, die aus einem IFR-GPS nach TSO 129 zu bekommen sind, diese Daten in den Cockpits eines normalen GA-Flugzeuges nicht zur Verfügung stehen. Ließe sich mit viel Aufwand, vielleicht über ein Bootstrap-HSI und einen Airdata-Computer, noch das Magnetic Bearing und die Indicated Airspeed bekommen, sind Roll-Angle und selected Altitude wirklich nur aus einem integrierten FMS zu erhalten. Und diese Daten werden auch nicht gefordert. Eurocontrol belässt es für Flugzeuge<250 kts und <5.700 kg bei der Elementary-Surveillence. Gefordert wird für Flugzeuge dieser Kategorie, ein Transponder nach ICAO Annex 10 „Standards and Recommendes Practicies“ (SARPs), der allerdings Level 2 Datalink-Fähigkeiten haben muss, was wiederum bedeutet, dass der neben dem Empfang einer 56-Bit Nachricht (Level 1) auch 112-bit Nachtichten senden und empfangen können muss. Termine, Termine Für IFR-Flüge war ursprünglich der 31.3.2005 der Stichtag, während für VFR-Flieger der 31.03.2007 festgelegt war. Dass dieser Termin weder von den Geräteherstellern noch bei der Einrüstung in die Flugzeuge geschafft werden konnte, war schon im Jahre 2000 klar. Daher wurde eine Übergangsphase definiert, während der man im europäischen Luftraum noch mit den herkömmlichen A/C-Transpondern unterwegs sein konnte. Drei solche Übergangsphasen waren dabei ausschlaggebend:
  • für VFR-Flüge lief die Übergangsphase bis zum 31.03.2007
  • für IFR-Flüge mit Flugzeugen < 250 kts und < 5.700 Kg, endete die Übergangsphase am 31.03.2005, danach wären Elementary-Surveillance-Transponder verpflichtend gewesen.
  • für Flugzeuge über 250 kts und über 5.7 Tonnen, die bisher mit Elementary-Surveillence unterwegs waren, endete die Übergangsphase zur geforderten Enhanced-Surveillance am 31.03.2005.
Deshalb, und nur deshalb spricht die DFS nun davon, die Übergangsphasen zusammenzulegen, was bedeutet, dass Flugzeuge < 250 kts und < 5,7 Tonnen ab dem 31.03.2007 mit Elementary Surveillance unterwegs sind und Flugzeuge darüber zum gleichen Stichtag mit Enhanced Surveillance. Alles klar? Antenna-Diversity Dann fahren wir mit der Verwirrungstaktik fort: Für reichlich Konfusion sorgt auch die sogenannte Antenna-Diversity. Antenna-Diversity bedeutet nichts anderes, als dass der Transponder nicht mit einer sondern mit mehreren (zwei) Antennen an der Rumpfober- und Unterseite arbeitet. Bessere TCAS-Eigenschaften sind der Grund. Hier fordert die ICAO, dass Flugzeuge, die entweder schneller als 250 Knoten fliegen oder schwerer als 5,7 Tonnen sind, über diese Diversity verfügen müssen. Diese wurde bisher im Gegensatz zur Enhanced-Surveillance von den betroffenen Flugzeugen schon zum 31.03.2005 gefordert. Das Problem dabei: Die Kosten für einen solchen Transponder sind enorm. Ein Blick in die Produktspezifikation des Honeywell KT-73 zeigt, dass dieser folgende Merkmale aufweist:
  • Datalink Level 2 (R/T 112 Bit und R 56 Bit)
  • Elementary Surveillance
  • SI-Codes (das sind Identifikationscodes der Radarstationen, mit denen der Transponder bei mehreren Abfragen von verschiedenen Stationen, diesen auch nur die geforderten Daten zurückgibt)
  • Traffic Information Service (TIS)
  • ADS-B Extended Squitter
Keine Antenna Diversity, keine TCAS II Change 7 Funktionalität! Dafür aber TIS und ADS-B, worauf wir gleich noch eingehen. Ähnlich verhält es sich beim Garmin 330 Transponder, und das sind die einzigen Hersteller solcher Geräte im Moment, vom geplanten Filser TRT800 einmal abgesehen. Halter einer KingAir oder eines vergleichbaren Flugzeuges sind also schon zum 31.03.2005 gezwungen, sehr teure Remote-Mount-Geräte von Honeywell oder Rockwell-Collins installieren zu lassen, um den Forderungen nach Antenna-Diversity zu genügen. Kein erheblicher Nutzen durch Elementary-Surveillance Betrachtet man sich die Spezifikationen der für die Allgemeine Luftfahrt <250 kts und <5,7 to geforderten Elementary-Surveillance, wird schnell klar, dass außer der selektiven Abfrage der Mode-S-Transponder keine sicherheitsrelevanten Erweiterungen der Funktionalität mitbringt. Die selektive Abfrage führt jedoch, wenn überhaupt, dann nur im am dichtesten beflogenen Luftraum rund um die Verkehrsflughäfen, in denen dutzende TCAS-ausgerüstete Flugzeuge unterwegs sind, zu einem Plus an Sicherheit im TCAS-Betrieb. Genau in diesem Luftraum aber sind vergleichsweise wenige GA-Flugzeuge der fraglichen Kategorie anzutreffen. Flugzeuge der AL fliegen dann, munter Mode-S funkend, im freien Luftraum zwischendrin, wo die selektive Abfrage kaum eine signifikante Entlastung bringt. Entsprechende Untersuchungen der FAA zeigen dies deutlich. Mode A/C Überlastung ist nämlich ein sehr regionales Problem, bei Reichweiten des Transpondersignals von um die 40 NM. Wir teilen daher die Auffassung der amerikanischen AOPA, dass die Umrüstungskosten von fünf bis zehntausend Euro, die mit der Einführung von Mode-S den Haltern kleiner Flugzeuge aufgebürdet werden, in keinem Verhältnis zum erzielten Nutzen stehen. Würde man die Piloten zu einem 5.000 Euro teuren Sicherheitsseminar schicken oder ihnen das Geld einfach lassen, um es in wirklich produktive Maßnahmen für Ausrüstung oder Ausbildung zu stecken, wäre der Flugsicherheit um Größenordnungen mehr gedient, Nutzen für die AL kommt erst mit TIS und ADS-B Eine für die AL sinnvolle Anwendung der Mode-S-Technologie dagegen wäre TIS und ADS-B. Hinter ADS-B (Automatic-Dependant-Surveillance - Broadcast) verbirgt sich der so genannte „Extended Squitter“, also eine unabgefragte Blindsendung des Transponders, nur dass diese nicht nur die Flugzeugkennummer sondern auch Positionsangabe, Höhe und andere Flugparameter enthalten kann. Und genau das ist der Unterschied zu den DAPs, die für die Enhanced Surveillance gefordert werden: Erstens ist das angepeilte Einsatzfeld ein ganz anderes: Enhanced Surveillance ist für den Einsatz bei der Flugsicherung gedacht, es werden zusätzliche Daten verfügbar gemacht, die dann in Datenverarbeitungssystemen oder Konflikt-Erkennungsalgorythmen genutzt werden können. ADS-B ist dagegen ein noch lose definierter Standard, der im Wesentlichen von der FAA während des Capstone-Forschungsprogramms in Alaska entwickelt wurde, und arbeitet vor allem in Gegenden mit dünner oder gar keiner bodenseitigen Radarabdeckung. ADS-B ist auch in anderen Frequenzbereichen denkbar, findet momentan aber nur Anwendung im Mode-S Extended Squitter bei 1090 MHz. In Auslegung und Systemrobustheit ist ADS-B wesentlich offener und speziell für das stark variierende Cockpitumfeld in der GA entwickelt. Im Klartext: Während man bei der durch Eurocontrol geforderten Enhanced Surveillance großen technischen Aufwand betreiben muss, damit flugsicherungsseitig ein Nutzen erzielt werden kann, arbeitet ADS-B mit den Daten, die in der Regel schon vorhanden sind, und funktioniert von Flugzeug zu Flugzeug, unabhängig von der bodenseitigen Ausrüstung der Flugsicherung. Konzipiert war ADS-B eigentlich also für verkehrsarme Regionen ohne Radarabdeckung, wurde aber mit dem TIS an ganz anderer Stelle erstmals flächig eingeführt. TIS baut auf ADS-B auf TIS baut nun auf dem ADS-B Standard auf und ist ein vom Boden ausgesandter ADS-B Squitter, der flugsicherungsseitig Daten an die Flugzeuge funkt. Dazu bedient sich TIS der Mode-S Endgeräte und sendet – als Broadcast – Verkehrsinformationen direkt ins Cockpit. In den USA sind TIS-Stationen in den Lufträumen um New York und Los Angeles schon seit 2002 versuchsweise in Betrieb und seit 2004 in einigen Gegenden auch regulär. Diese Daten können von den regulären Mode-S Transpondern empfangen werden und auf den gängigen MFDs von Honeywell, Garmin oder Avidyne dargestellt werden. Der Autor hatte selber Gelegenheit, im New Yorker Luftraum TIS zu nutzen. Für derart dicht beflogene Gegenden kann der Nutzen von TIS kaum hoch genug eingeschätzt werden. TIS ist für stark frequentierte Lufträume, was GPS für die Langstreckenfliegerei in der AL bedeutet: Ein Lebensretter, nicht mehr und nicht weniger. Der Clou dabei: Nach der Einrüstung eines simplen Mode-S-Transponders in ein Flugzeug der Allgemeinen Luftfahrt, das auch über ein MFD verfügt, ist alles an Bord, was man braucht. Schon mit einem KT-73 und einem KMD-250 wird TIS im Cockpit funktional. Damit erhält der Pilot einen unerhörten Return of Investment für seine Mode-S-Investition. Das Problem ist nur: Flugsicherungsseitig gibt es keine konkreten Pläne für die Einrichtung eines entsprechenden Dienstes. Es gab zwar Tests durch Eurocontrol in Heathrow und Kiruna, Zeitplan oder Budget für die flächige Implementierung gibt es aber noch nicht.Der enzige Punkt also, indem die AL wirklich merklich profitieren würde, bleibt ungenutzt, weil das europäische Mode-S-Programm einseitig auf die Erfordernisse der mit TCAS II und Enhanced Surveillance ausgerüsteten Verkehrsluftfahrt zugeschnitten ist. Daher die Forderung: Entweder die Flugzeuge <250 KTS und <5,7 to nun gänzlich von der Umrüstungspflicht auszunehmen oder einen nachvollziehbaren und realisierbaren Plan zur Implementierung von TIS in den europäischen Ballungszentren aufsetzen, der der Allgemeinen Luftfahrt dann auch einen angemessenen Nutzen für die getätigte Investition erbringt. In unserem Redaktionsflugzeug werden wir also vorserst noch keinen Mode-S-Transponder einbauen lassen, denn an einem hat sich bei all dem Hickhack um die Termine nichts geändert: Mode-S ist unnötig wie ein Kropf und bringt mangels Uplink-Service der Flugsicherungseinrichtungen den AL-Piloten erstmal nichts. Gar nichts. Wer 5.000 Euro in die bordseitige Flugsicherheit investieren will, der sollte sich nach einem guten Wetterradar, einem Stormscope, einem Standby-Horizont, einem MFD, einem zuverlässigen Autopiloten, einem Satz neuer Schwimmwesten mit Rettungsfloß, einem neuen ELT oder einem zugelassenen Zusatztank umsehen... aber sicher noch nicht nach einem Mode-S-Transponder!


  
 
 




14. Dezember 2004: Von Klaus-P. Sternemann an Jan Brill
Das komplexe TCAS-System und den dazu notwendigen Transponder Mode S hat uns die Lobby der US-Avionik-Industrie untergeschoben, die die Ernte von 30 Jahren Entwicklungszeit jetzt nicht abschreiben will, obwohl es besseres gibt!

Für die gesamte AL von der King-Air bis hin zum Segelflugzeug, Ballon oder UL wären ADS-B Transponder auf der Basis von VHF Datalink Mode 4 (VDL4) mit einer Vielzahl von nützlichen Diensten, darunter auch TIS-B, bezahlbar und würden unmittelbaren Mehrwert bieten. Mit der Entscheidung der FAA für Mode-S Squitter als Transport-Medium ADS-B-Daten für die kommerzielle Luftfahrt einerseits und für UAT für den "schäbigen" Rest der Airspace-User ist die Chance für ein einheitliches ADS-B vertan worden - und die amerikanische AOPA hat an der Stelle zuerst national gedacht und nichtmal versucht, es zu verhindern.

Siehe z.B. die Web-Site: https://www.alaska.faa.gov/capstone/ oder https://www.eurocontrol.int/vdl4
4. Januar 2012: Von  an Jan Brill
Gibt es mittlerweile eigentlich etwas Neues in Europa auf diesem Gebiet.
Läuft das CRISTAL Projekt noch?

Die Informationen im Internet sind recht dürftig.

Gruß
RR

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