Home | Downloads | Foto's | Artikels |
Patrick Reynaert, DXA-546
Geactualiseerd door de DXA redactie
INLEIDING
HF-Datalink is een nieuw digitaal data-netwerk dat al sinds enkele
jaren wordt gebruikt op de kortegolf. Dit systeem wordt vaak aangeduid
als HF-ACARS, waarmee meteen duidelijk wordt dat dit systeem voor de
burgerluchtvaart is bestemd. Steeds meer vliegtuigen bezitten de
mogelijkheid om via HF-DataLink met de verschillende grondstations
te communiceren. De hoogste tijd dus om dit systeem eens onder de
loep te nemen.
NOG STEEDS HF...
De burgerluchtvaart maakt nog steeds intens gebruik van de kortegolf.
De gesprekken tussen de vliegtuigen en de vluchtleiding worden
ongecodeerd uitgezonden en zijn dan ook eenvoudig te ontvangen en
-mits enige oefening- te verstaan. In gebieden die voldoende
VHF bedekking kennen, is het HF netwerk echter volledig vervallen,
zoals bijvoorbeeld boven Europa en Amerika. De vliegtuigen bevinden
zich hier altijd voldoende dicht bij een luchthaven, zodat het beperkt
bereik van de VHF golven hier geen obstakel is. Maar boven de oceanen
en in dun bevolkte gebieden kan de communicatie met de vliegtuigen
enkel tot stand komen door satelliet-communicatie of door
HF-communicatie. Een vliegtuig uitrusten met satelliet-apparatuur
is echter een dure zaak.
Satteliet-apparatuur is dan ook veel duurder dan de standaard
HF en VHF apparatuur. Dat is dan ook de reden waarom HF nog altijd
gebruikt wordt in de luchtvaartindustrie waar concurrentie en de
prijzenslag bepaalt wie zal overleven. Tevens is satelliet-communicatie
nagenoeg onmogelijk voorbij de 80-ste breedtegraad (dus boven de polen),
terwijl de polaire routes een aanzienlijke reductie in reistijd
kunnen betekenen voor de transatlantische vluchten. Om in contact
te blijven met vliegtuigen op de polaire routes, is men nog altijd
aangewezen op de kortegolf. Communicatie via de kortegolf bezit dus
duidelijk een aantal voordelen voor de luchtvaartindustrie.
HET ALE PRINCIPE
Maar de kortegolf heeft echter het nadeel om niet altijd even
betrouwbaar en robuust te zijn. Vaak is het zoeken naar een geschikte
frequentie waarop de communicatie vlot en verstaanbaar kan verlopen.
Deze frequentie is afhankelijk van verschillende factoren zoals de
zonneflux, het tijdstip, de positie van het vliegtuig, de positie
van het grondstation enzovoort... Dit alles maakt het moeilijk om
de meest geschikte frequentie te voorspellen. Daartegenover staat
het feit dat het vliegtuigverkeer alsmaar toeneemt. De routes worden
drukker bezet en dit impliceert dat de communicatie tussen vliegtuig
en grondstation vlotter en zonder fouten dient te verlopen. Vandaag
de dag wordt er zeer veel tijd gespendeerd aan het correct doorgeven
van een positie-rapport. Indien de condities op de kortegolf niet al
te goed zijn, kan de vluchtleiding het verkeer op de drukke
transatlantische routes maar met moeite bijhouden, een situatie
die niet bevorderlijk is voor de veiligheid. Het zou dan ook eenvoudiger
en veiliger zijn indien de communicatie al dan niet automatisch kan
verlopen via een frequentie die minder last heeft van storing.
Het zoeken naar deze optimale frequentie kan men echter automatisch laten gebeuren door de transceiver. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een verzameling of 'pool' van frequenties waaruit de transceiver kan kiezen. Op regelmatige basis controleert de transceiver de kwaliteit van deze verschillende frequenties, zodat hij op elk ogenblik weet op welke frequentie het best met een bepaald station kan worden gecommuniceerd.
Dit principe duidt men aan met de term ALE, wat staat voor 'Automatic Link Establishment': er wordt dus geen tijd meer verloren met het zoeken naar de juiste frequentie, aangezien de zender zelf op zoek gaat naar deze optimale frequentie. Dit ALE systeem wordt reeds toegepast door tal van kortegolfgebruikers waaronder de Amerikaanse strijdkrachten, de NATO, en een aantal landen gebruiken het ALE principe voor de communicatie met hun buitenlandse ambassades.
Zo zien we dus dat nieuwe technologieën de betrouwbaarheid kan verhogen waardoor nieuwe toepassingen hun weg vinden naar de kortegolffrequenties.
HFDL - TECHNISCH
Laten we terugkeren naar het HF-DataLink (HFDL) systeem. HFDL is
een digitaal data netwerk dat de boordcomputer van een vliegtuig
automatisch laat communiceren met verschillende grondstations via
de kortegolffrequenties. HFDL is een pakket gebaseerd systeem. Dit
wil zeggen dat de informatie wordt opgesplitst in één of meerdere
data-pakketten. Men spreekt dan ook van een uplink (pakketten die
verstuurd worden van het grondstation naar het vliegtuig) en van
downlink (van het vliegtuig naar het grondstation).
Voor het versturen van deze data-pakketjes maakt het systeem gebruik van een 8PSK single-tone modulatie schema (PSK = Phase Shift Keying). Hiermee wordt bedoeld dat één enkele toon in fase wordt gemoduleerd. De frequentie van deze toon bedraagt 1440 Hz. De informatie zit dus vervat in de faseverschuiving van een sinus van 1440 Hz. Figuur 1 laat het constellatie diagram zien van een 8-PSK modulatie schema. De gemoduleerde sinus wordt vervolgens verschoven naar de gewenste HF-frequentie. Hiervoor wordt USB modulatie gebruikt. De datasnelheid kan variëren tussen 150 en 1800 bits/seconde, afhankelijk van de kwaliteit van het kanaal. Tot zover de opbouw van de afzonderlijke data-pakketten.
Laten we nu eens de opbouw van het HFDL-netwerk bekijken en hoe deze data-pakketten worden verstuurd. Het systeem bestaat uit een combinatie van FDMA en TDMA. FDMA staat voor Frequency Division Multiple Access. Dit wil eenvoudig zeggen dat éénzelfde grondstation op verschillende frequenties actief is. De communicatie tussen het vliegtuig en het grondstation kan dus gebeuren via verschillende frequenties. Een lijstje van deze frequenties kan u terugvinden op het einde van dit artikel. TDMA staat voor Time Division Mulitple Access. Dit betekent dat meerdere vliegtuigen in contact kunnen staan met éénzelfde grondstation op éénzelfde frequentie. Het grondstation bepaalt wie wanneer mag zenden; de tijd word a.h.w opgedeeld en het grondstation is de dirigent en bepaald dus wie wanneer mag spreken.
We zeggen dat de tijd wordt opgedeeld in frames. Elk frame bestaat vervolgens uit een aantal timeslots. Voor HFDL duurt een frame 32 seconden, en elke frame bestaat uit 13 timeslots van 2,46 seconden...13 keer 2,46 seconden is immers 32 seconden. Het eerste timeslot van elk frame is gereserveerd voor het grondstation. Gedurende dit eerste timeslot (dus gedurende de eerste 2,46 seconden van elk frame) zal het grondstation een zogenaamde 'squitter' uitzenden. Dit is een data-pakket dat informatie bevat over het grondstation, over de actieve frequenties enz... Op een actieve frequentie zal je dus minstens om de 32 seconden de 'squitter' van het grondstation horen (zie figuur 2).
De overblijvende 12 timeslots kunnen worden gebruikt als uplink timeslots (data van grondstation naar vliegtuig) of als downlink timeslots (data van vliegtuig naar grondstation) of als random access timeslots. Deze random access timeslots zijn voorbehouden voor vliegtuigen die zich willen aanmelden aan het netwerk. Welke timeslots als uplink, downlink of random access worden gebruikt kan een vliegtuig te weten komen via de 'squitter' van het grondstation.
Laten we nu eens concreet bekijken wat er gebeurt indien een vliegtuig zich wil aanmelden aan het HFDL netwerk. Het vliegtuig zal eerst opzoeken welke grondstations zich binnen een straal van 3000km bevinden. Deze lijst zit in een databank aan boord van het vliegtuig. Uit deze lijst wordt vervolgens een willekeurig grondstation gekozen. Vervolgens wordt de transceiver automatisch (ALE) afgestemd op de eerste frequentie van dit grondstation. Dit is het FDMA principe; éénzelfde grondstation kan men bereiken via verschillende frequenties. De transceiver zal gedurende 35 seconden op deze frequentie luisteren naar de 'squitter' van het grondstation. Deze squitter wordt immers om de 32 seconden uitgezonden als de frequentie actief is. Het is dus voldoende dat de transceiver gedurende 35 seconden luistert om te weten te komen of die frequentie bruikbaar is. Indien het vliegtuig geen 'squitter' heeft ontvangen of indien de ontvangen 'squitter' teveel fouten bevat (doordat er teveel storing op die frequentie aanwezig is), dan zal de transceiver overgaan naar de volgende frequentie van dat grondstation, of zal het een ander grondstation proberen te bereiken. Dit is immers de basis van het ALE principe.
Indien het vliegtuig de 'squitter' met voldoende kwaliteit en zonder fouten kan ontvangen, dan zal deze 'squitter' worden gedecodeerd door de boordcomputer. Uit de 'squitter' kan het vliegtuig vervolgens de random access timeslots te weten komen. Dit zijn de timeslots die beschikbaar zijn voor het vliegtuig om zich aan te melden. Het vliegtuig zal dan een bericht versturen dat bestaat uit (1) zijn ICAO code, (2) zijn vluchtnummer (3) zijn positie en (4) de signaal/ruis verhouding van de gebruikte verbinding. Uiteraard zal het vliegtuig dit bericht verzenden tijdens een random access timeslot. Indien het grondstation dit bericht correct heeft ontvangen, zal het grondstation vervolgens een 'acknowledgement' bericht verzenden naar het vliegtuig. Indien het vliegtuig geen 'acknowledgement' ontvangt zal het een tweede maal proberen om contact te leggen met het grondstation. Indien deze tweede poging eveneens mislukt, zal het overgaan tot een andere frequentie, al dan niet van een ander grondstation (nogmaals..het ALE principe).
Uit het 'acknowledgement' bericht kan de transceiver aan boord van het vliegtuig afleiden in welk timeslot (het kunnen er ook meerdere zijn) hij mag zenden van het grondstation. Hierbij wordt rekening gehouden met de prioriteit van de berichten. Een vliegtuig dat dringend een aantal berichten moet verzenden (of ontvangen), zal dus meer timeslots mogen gebruiken van het grondstation. De nodige berichten kunnen nu worden verstuurd tijdens het toegekende timeslot. Zoals reeds gezegd dirigeert het grondstation de communicatie; hierdoor kunnen er meerdere toestellen op éénzelfde frequentie communiceren met een grondstation, het grondstation bepaalt immers wie wanneer mag zenden. Dit TDMA principe is niet nieuw en wordt reeds veelvuldig toegepast in allerhande datanetwerken, alsook in glasvezel-communicatie. De combinatie van FDMA en TDMA vormt tevens de basis van het GSM-netwerk.
HFDL = HF-ACARS ???
Waarom wordt dit systeem vaak aangeduid als 'HF-ACARS'? Wel, eens het
vliegtuig een verbinding heeft gemaakt met het grondstation, kan het
allerhande boodschappen versturen en informatie ontvangen. Het vliegtuig
heeft dus toegang tot verschillende informatie-bronnen. Deze zijn
ondermeer het Aeronautical Telecommunications Network (ATN) en het
Air Traffic Management (ATM). Tevens kan het vliegtuig ACARS berichten
versturen (ACARS = Aircraft Communications Addressing and Reporting System).
Dit ACARS systeem werd eerst geïmplementeerd op de VHF frequenties en
wordt nu dus uitgebreid naar de kortegolfrequenties. HFDL omvat
dus veel meer dan alleen maar HF-ACARS...
HFDL - COMMERCIEEL
Het HFDL systeem werd in 1991 ontworpen door Allied Signal Commercial
Avionics Inc, een Amerikaans bedrijf. Volgende bedrijven waren nauw
betrokken bij de ontwikkeling van dit product: NewEast Wireless Telecom,
Stockholm Radio, Iceland Gufunes Telecommunications Center,
American Airlines, Delta Airlines, United Airlines en USAir.
De eerste test-stations bevonden zich in Gander, Stockholm en Gufunes.
In 1994 werd de standaard goedgekeurd. De luchtvaartmaatschappijen die reeds toegang hebben tot het netwerk zijn: American Trans-Air, Ansett Australia, Cathay Pacific, China Airlines, Continental, Federal Express, Finnair, Lufthansa Cargo, Korean Air Lines, The Mitre Corporation, Northwest Airlines, Tower Air, United Parcel Service en US Airways. maar hun aantal blijft volop stijgen. Voor de uitbouw van het netwerk zorgt Aeronautical Radio Inc (ARINC). Dit Amerikaans bedrijf heeft tal van producten voor de luchtvaartsector en levert ook LDOC faciliteiten aan een aantal luchtvaartmaatschappijen. ARINC LDOC is dan ook regelmatig te horen op de kortegolf. ARINC onderhoudt het HF DataLink netwerk onder de naam GlobaLink. In feite bestaat GlobaLink uit drie delen: GlobaLink/VHF, GlobaLink/HF en GlobaLink/Satellite. Deze drie systemen tezamen zorgen ervoor dat de communicatie tussen vliegtuig en grondstation altijd verzekerd is.
DE GRONDSTATIONS EN HUN FREQUENTIES
Een overzicht van de verschillende ARINC-HFDL stations en hun actieve
frequenties is te vinden in de volgende tabel.
Sation | ID | Actieve frequenties (kHz) | ||
San Francisco, USA | H01 | 2947, 4672, 5508, 6559, 8927, 10081, 11327, 13276, 17919, 21934 | ||
Molokai, Hawaii | H02 | 2878, 2947, 3001, 3019, 3434, 5463, 5508, 5529, 5538, 6559, 8912, 8936, 10081, 11312, 11348, 13276, 17919, 17934, 21928 | ||
Reykjavik, Iceland | H03 | 3116, 3900, 5720, 6712, 8977, 11184, 15025, 17985 | ||
River Head, NY, USA | H04 | 3428, 5523, 6652, 8912, 11312, 13276, 17919, 17934, 21931,21934 | ||
Auckland, New Zealand | H05 | 3016, 3404, 5583, 6535, 8921, 10084, 11327, 133351, 17916, 21949 | ||
Hat Yai, Thailand | H06 | 3470, 4687, 5655, 6535, 8825, 10066, 13270, 17928, 21949 | ||
Shannon, Ireland | H07 | 2998, 3455, 5547, 6532, 8843, 8942, 10081, 11384 | ||
Johannesburg, South Africa | H08 | 3016, 4681, 8834, 13321, 21949 | ||
Barrow, Alaska, USA | H09 | 2944, 2992, 3007, 3497, 4654, 4687, 5529, 5538, 5544, 6646, 8927, 8936, 10027, 10093, 11354, 17919, 17934, 21928, 21937 | ||
Santa Cruz, Bolivia | H13 | 2983, 3467, 4660, 6628, 8957, 11318, 13315, 17916, 21946, 21973, 21988, 21997 | ||
Krasnoyarsk, Russia | H14 | 2878, 2905, 10087, 13321 | ||
Muharraq, Bahrain | H15 | 2986, 5544, 8885, 10075, 11312, 13354, 17967, 21982 | ||
Guam | H16 | 6634, 8836, 8927, 11306, 13312, 17919 | ||
Las Palmas, Canary Isl. | H17 | 2905, 5589, 6529, 8948, 11348, 13303, 17928, 21955 |
HFDL ONTVANGEN EN DECODEREN
Het ontvangen van de HDFL signalen spreekt voor zich. Stem je ontvanger
maar eens of op 8942kHz (USB) en je zal om de 32 seconden de 'squitter'
van Shannon (station H07) horen. Met regelmaat hoor je één of meerdere vliegtuigen
die data uitwisselen met Shannon.
Voor het decoderen van de berichten heb je wel een geavanceerde decoder nodig. Voor mensen met diep gevulde beurzen zijn HOKA's CODE30 en CODE300 te overwegen... De anderen zullen allicht hun oog laten vallen op PC-HFDL of SkySweeper.
Laten we bij wijze van voorbeeld twee berichten eens wat nader bekijken. De berichten zijn gedecodeerd met een HOKA Code 30/A (Windows versie). Het eerste voorbeeld is een 'squitter' van Reykjavik.
SQUITTER FROM REYKJAVIK DATA RATE 300 SINGLE SLOT SQUITTER VER # 0 NOT LOADED GND ID 003 SYNC UTC 21:31:29 UTC FRAME OFFSET 7 SLOT AKCNOWLEDGEMENT CODES FRAME SLOT FRAME SLOT SLOT ASSIGNMENT CODES -3 11 NAK ALL -2 11 NAK ALL 0 11 RANDOM ACCESS -3 12 NAK ALL -2 12 NAK ALL 0 12 RANDOM ACCESS -2 01 NAK ALL -1 01 NAK ALL 1 01 RANDOM ACCESS -2 02 NAK ALL -1 02 NAK ALL 1 02 RANDOM ACCESS -2 03 NAK ALL -1 03 NAK ALL 0 03 RANDOM ACCESS -2 04 NAK ALL -1 04 NAK ALL 0 04 RANDOM ACCESS -2 05 NAK ALL -1 05 NAK ALL 0 05 RANDOM ACCESS -2 06 NAK ALL -1 06 NAK ALL 0 06 RANDOM ACCESS -2 07 NAK ALL -1 07 NAK ALL 0 07 RANDOM ACCESS -2 08 NAK ALL -1 08 NAK ALL 0 08 RANDOM ACCESS -2 09 NAK ALL -1 09 NAK ALL 0 09 RANDOM ACCESS -2 10 NAK ALL -1 10 NAK ALL 0 10 RANDOM ACCESS PRIORITY LEVEL 0 DATA BASE VERSION 17 GND STATION ID 003 ACTIVE FREQUENCYS 11010000000000000000 GND STATION ID 008 ACTIVE FREQUENCYS 00110000000000000000 GND STATION ID 009 ACTIVE FREQUENCYS 00001000100000000000De eerste lijn geeft de data-snelheid weer en het aantal time-slots dat het bericht heeft ingenomen. Aangezien het hier een 'squitter' betreft, is de data-rate 300 bps en wordt er slechts 1 timeslot ingenomen...dit is altijd zo bij een 'squitter'.
Op de tweede lijn vinden we het ID van het grondstation terug, in dit geval ID 003, dus Reykjavik. Tevens duidt SYNC UTC erop dat de frames gesynchroniseerd zijn met de UTC tijd.
Vervolgens zien we op de lijnen 5-16 dat alle timeslots bestemt zijn voor RANDOM ACCESS.
Op lijn 17 zien we dat de prioriteit van de verbinding 0 is (er is immers geen verkeer) en het grondstation werkt met versie 17 van de databank (dit is de databank met de verschillende frequenties). De laatste lijnen hebben betrekking tot de actieve frequenties van het HDFL systeem. Elke 'squitter' zendt dus informatie uit over de actieve frequenties van het huidige grondstation (station 003 op lijn 18) en van twee andere willekeurige grondstation (lijnen 19 en 20). In dit geval zijn dit Santa Cruz (013) en Krasnoyarsk (014), maar het zullen telkens twee andere stations zijn. Na een vijftal squitters weet het vliegtuig dus volledig welke stations actief zijn op welke frequenties. In het 20-bit veld op het einde van elke lijn wordt aangeduid welke frequenties actief zijn. Een '0' duidt op een niet-actieve frequentie, een '1' op een actieve frequentie. De meest linkse bit stelt de hoogste frequentie van het station in kwestie voor. Jammer genoeg voor ons worden de frequenties zelf niet doorgestuurd...
Laten we nu eens een downlink bericht bekijken, dit is dus een bericht van een vliegtuig naar het grondstation. Het betreft hier vlucht LH8273 die een positie rapport doorstuurt naar het grondstation 004 (New York). Zoals u merkt, bevat het bericht een hoop bizarre code. We zullen alleen de relevante zaken bespreken.
DOWNLINK EXAMPLE DATA RATE 300 SINGLE SLOT DOWNLINK GND ID 004 AIR ID 120 REQUEST MEDIUM PRIORITY SLOTS 0 REQUEST LOW PRIORITY SLOTS 0 MUDR 1800 OLDEST LPDU SEQUENCE NUMBER U(R) 0 LPDU [ U(R) + 1..8 ] 00000000 NUMBER OF LPDU 1 UNNUMBERED DATA CRC OK PERFORMANCE DATA FLIGHT NUMBER ID LH8273 AIR POSITION LATITUDE NORTH 36 DEG 47 MIN LONGITUDE EAST 2 DEG 16 MIN TIME 17:06:12 PD VERSION 1 FLIGHT LEG ID 41 GROUND STATION ID 006 FREQUENCY ID 0 FREQUENCY SEARCH COUNT: PREVIOUS LEG 124 CURRENT LEG 12 HF DATA DISABLED TIME: DURING PREVIOUS LEG 0 DURING CURRENT LEG 1 UPLINK MPDU DATA: RECEIVED 0 0 5 5 ERRORS 0 0 0 0 SQUITTER DATA: RECEIVED OK 134 ERRORS 6 DOWNLINK MPDU DATA: TRANSMITTED 0 0 1 21 ACK ON FIRST TRY 0 0 1 21 FREQUENCY CHANGE CODE 7 NO CHANGEOp lijn 1 staat wederom de datasnelheid (300bps) en het aantal slots dat door het vliegtuig wordt ingenomen (single slot). Daaronder (lijn2) de ID van het grondstation. Op lijn 3 staat AIR ID 120. Dit is een ID dat het grondstation aan het vliegtuig geeft, dit is dus niet het vluchtnummer van het vliegtuig! We schuiven nu door naar lijn 10, waar het vluchtnummer valt te lezen, op lijn 11 staat het eigenlijke bericht van het vliegtuig en op lijn 12 staat de tijd te lezen waarop het bericht verzonden is.
Al de lijnen die daarop volgen dienen om de performantie van het netwerk te bepalen. Dit zijn berichten waarin het vliegtuig meldt hoe vaak hij heeft geprobeerd om aan te loggen, hoeveel foute berichten hij heeft ontvangen enz... Deze data dient om het HFDL-systeem te evalueren. Zoals u merkt is het decoderen van de HFDL-berichten niet zo evident, maar eventueel zullen er later meer programma's op de markt komen die deze berichten in een meer leesbare vorm zullen gieten. Tot dan is het zelf puzzelen...
CONCLUSIE
Een nieuwe toepassing heeft zijn weg gevonden naar de
kortegolffrequenties. Door de gekende TDMA en FDMA principes
kan de betrouwbaarheid van een HF-verbinding worden verhoogd. Hierdoor
kan de kortegolf nog altijd een belangrijke toegevoegde waarde leveren
aan bestaande netwerken zoals het VHF-netwerk en het satelliet-netwerk,
zodat we gerust kunnen stellen dat de kortegolf verre van dood is.
De uitbouw van zo'n nieuw wereldwijd netwerk vraagt tevens zware
financiële investeringen. Dat de luchtvaartindustrie hiertoe bereid
is, bewijst deze stelling des te meer...
Bronnen:
Worldwide Utility News
Utility Monitoring Central
ARINC
Blackcatsystems
Klingenfuss