Controller–Pilot Data Link

Controller-Pilot Data Link Communications (CPDLC), auch Controller Pilot Data Link (CPDL) genannt, ist eine Technik, mit der Fluglotsen über eine drahtlose Datenverbindung mit Piloten kommunizieren können.

Bedarf und Nutzen

Die Standardkommunikationsmethode zwischen einem Fluglotsen und einem Piloten ist Sprechfunfunk: Für die Kommunikation über Kontinenten werden dazu VHF-Frequenzen genutzt.

Für die Kommunikation über Ozeanen werden entweder Kurzwellenfrequenzen (HF) (wie z. B. zwischen Shanwick Oceanic Control und den Flugzeugen über dem Nordatlantik) oder Satellitenkommunikation genutzt).

Eines der Hauptprobleme bei der auf diese Weise genutzten Sprachfunkkommunikation besteht darin, dass alle Piloten, die von einem bestimmten Fluglotsen betreut werden, die gleiche Frequenz nutzen. Da die Zahl der Flüge, die Flugverkehrskontrolle abwickeln muss, stetig zunimmt, nimmt auch die Zahl der Piloten, die auf einer Frequenz gleichzeitig sprechen wollen ebenfalls zu. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Gespräch eines Piloten versehentlich das Gespräch eines anderen Piloten stört, sodass die Übertragung wiederholt werden muss. Darüber hinaus erfordert jeder Austausch zwischen Lotse und Pilot eine gewisse Zeit; Wenn schließlich die Anzahl der kontrollierten Flüge einen Sättigungspunkt erreicht, kann der Fluglotse keine weiteren Flugzeuge mehr abfertigen.

Traditionell wurde diesem Problem begegnet, indem man einen gesättigten Flugsicherungssektor in zwei kleinere Sektoren aufteilte, von denen jeder seinen eigenen Fluglotsen hatte und jeweils einen anderen Sprachkommunikationskanal (bzw. Frequenz) nutzte. Diese Strategie weist jedoch zwei Probleme auf:

• Jede Sektor-Teilung erhöht die Menge des „Handover-Verkehrs“. Das ist der Overhead, der mit der Übertragung eines Fluges zwischen Sektoren verbunden ist und einen Sprachaustausch zwischen dem Piloten und beiden Fluglotsen sowie eine Koordination zwischen den Fluglotsen erfordert.
• Die Anzahl der verfügbaren Sprachkanäle ist begrenzt, und in Lufträumen mit hoher Dichte, beispielsweise in Mitteleuropa oder an der Ostküste der USA, ist möglicherweise kein neuer Kanal verfügbar.

In einigen Fällen ist es möglicherweise nicht möglich oder machbar, einen Sektor weiter zu unterteilen.

Um den gestiegenen Anforderungen an die Flugsicherung gerecht zu werden, ist eine neue Strategie erforderlich. Daten-basierte Kommunikation bietet eine mögliche Strategie, indem sie die effektive Kapazität des Kommunikationskanals erhöht.

Anwendung der CPDLC

Die Datalink Control and Display unit (DCDU) bei einem Airbus A330 ist das Piloten-Interface für Aussendung und Empfang von CPDLC-Messages.

Die Controller-Pilot-Datenverbindungskommunikation (CPDLC) ist ein Kommunikationsmittel zwischen Flugloste (Controller) und Pilot, bei dem die Datenverbindung für die Übertragung von Anweisungen der Fluglotsen bzw. Rückmeldung der Pilote verwendet wird.

Die CPDLC-Anwendung stellt die Luft-Boden-Datenkommunikation für die Flugsicherung (englisch: Air Traffic Control, ATC) bereit. Dazu gehört eine Reihe von Freigabe-/Informations-/Anforderungsnachrichtenelementen, die der bei Flugsicherungs-Verfahren verwendeten Sprachphraseologie entsprechen. Der Lotse (engl. Controller) verfügt über die Möglichkeit, Höhenzuweisungen, Kreuzungsbeschränkungen, seitliche Abweichungen, Routenänderungen und -freigaben, Geschwindigkeitszuweisungen, Funkfrequenzzuweisungen und verschiedene Informationsanfragen zu erteilen.

Dem Piloten wird die Möglichkeit gegeben, auf Nachrichten zu reagieren, Genehmigungen und Informationen anzufordern, Informationen zu melden und einen Notfall zu erklären bzw. aufzuheben. Darüber hinaus hat der Pilot die Möglichkeit, bedingte Freigaben (Downstream) und Informationen von einer Downstream-Air Traffic Service Unit (ATSU) anzufordern. Außerdem steht eine „Freitext“-Funktion zum Austausch von Informationen zur Verfügung, die nicht den definierten Formaten entsprechen. Es wird eine Hilfsfunktion bereitgestellt, die es einem Bodensystem ermöglicht, die Datenverbindung zu nutzen, um eine CPDLC-Nachricht an ein anderes Bodensystem weiterzuleiten.

Die Abfolge von Nachrichten zwischen dem Lotsen und einem Piloten im Zusammenhang mit einer bestimmten Transaktion (z. B. Anfrage und Erhalt einer Freigabe) wird als „Dialog“ bezeichnet. Im Dialog kann es mehrere Nachrichtenfolgen geben, die jeweils durch entsprechende Nachrichten, meist Bestätigung oder Akzeptanz, abgeschlossen werden. Das Schließen des Dialogs beendet nicht unbedingt die Verbindung, da es mehrere Dialoge zwischen Fluglotse und Pilot geben kann, während ein Flugzeug den ATSU-Luftraum durchquert.

Der gesamte Austausch von CPDLC-Nachrichten zwischen Pilot und Controller kann als Dialog angesehen werden.

Simulationen, die im William J. Hughes Technical Center der Federal Aviation Administration (FAA) durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass der Einsatz von CPDLC dazu führte, dass „die Belegung des Sprachkanals bei realistischen Einsätzen im stark befahrenen Luftraum auf dem Weg um 75 Prozent verringert wurde. Das Nettoergebnis dieser Verringerung der Sprache.“ Kanalbelegung erhöht die Flugsicherheit und Effizienz durch effektivere Kommunikation.“[1]

Implementierung

Die folgenden europäischen Upper Area Control Centers (UACs) bieten CPDLC-Dienste an:

• Karlsruhe UAC (EDUU) welche Rhein UIR (über FL245) kontrolliert
• London ACC (EGTT) welches London UIR (über FL195 oder FL285) kontrolliert
• Maastricht UAC (EDYY), welches Amsterdam FIR kontrolliert
• Hannover UIR und Brüssel UIR (über FL245)
• Scottish ACC (EGPX), welches Scotish UIR (über FL195, FL245 oder FL255) kontrolliert
• Warszawa ACC (EPWW), welche FIR Warszawa kontrolliert
• Budapest ACC,welches die ungarische und kosovarische UIR kontrolliert
• Stockholm ATCC (ESOS) und Malmö ATCC (ESMM), die die schwedische FIR kontrollieren
• Canarias ACC (GCCC), welche Canarias FIR kontrolliert
• Prague IATCC (LKAA), welches Praha FIR, d. h. den tschechischen Luftraum kontrolliert
• Ljubljana ACC (LJLA), welche Slovenia FIR kontrolliert
• Vienna ACC, welches die Austrian FIR kontrolliert

Anmerkung: UIR = Upper are Information region, FIR = Flight Information Region

Mehr als 40 große Fluggesellschaften nehmen mit Maastricht UAC am CPDLC-Programm teil. Die durchschnittlichen End-to-End-Reaktionszeiten (ATC-Cockpit-ATC) liegen deutlich unter 30 Sekunden. Im Jahr 2007 wurden mehr als 30.000 LOG-ONs gemeldet, die zu über 82.000 CPDLC-Uplinks führten, die jeweils wertvolle Frequenzzeit sparten.

Unterstützt werden die Dienste ATC Clearance (ACL), Aircraft Communication Messages (ACM) und Check Mike (AMC), einschließlich des automatischen Uplinks des SSR-Transpondercodes in das Cockpit.

CPDLC wird wahrscheinlich ein wichtiger Wegbereiter für die Weiterverfolgung von Projekten sein, z. B. Überwachungsnachrichten, Routenfreigabe-Uplink, 2-4-D-Flugbahnen, kontinuierliche Abstiegsansätze und auch die Koordinierung von Einschränkungen.

Safety (bzw. Sicherheit)

Alle Nutzungen von CPDLC müssen durch einen genehmigten Sicherheitsnachweis (Safety Case) gestützt werden, der nachweist, dass alle Sicherheitsziele für den jeweiligen Luftraum erreicht wurden. EUROCAE ED-120 (RTCA DO-290) stellt die Sicherheits- und Leistungsanforderungen (SPR) für den kontinentalen Luftraum dar und sollte für die Sicherheitsziele herangezogen werden, die für den Einsatz von CPDLC im kontinentalen Luftraum relevant sind.

ED-120 bietet eine Hazard Analysis (Gefahrenanalyse) und identifiziert die Gefahren, die für Systeme gelten, die die ATC-Dienste implementieren, die CPDLC-Einsätze derzeit bereitstellen. Daraus werden die Sicherheitsziele für solche Systeme und die Sicherheitsanforderungen abgeleitet, denen sie genügen müssen.

Implementer von CPDLC (Betreiber) sowohl bodengestützter als auch luftgestützter Systeme müssen diese Sicherheitsanforderungen einhalten, wenn ihre Produkte für den betrieblichen Einsatz zugelassen und/oder zertifiziert werden sollen. Unternehmen wie AirSatOne bieten FANS 1/A-Tests für Geschäftsluftfahrt- und Regierungsbetreiber an. Diese FANS 1/A-Prüfung durch AirSatOne entspricht RTCA DO-258A/ED-100A und erfüllt die Anforderungen von RTCA DO-258A/ED-100A, RTCA DO-306/ED-122 und FAA Advisory Circular AC 20-140C zur Unterstützung der Betriebsgenehmigung der Ausrüstung.

Zu den Safety Objectives (Sicherheitsziele) die in ED-120/DO-290 genannte sind gehört die Notwendigkeit, sicherzustellen, dass Nachrichten weder beschädigt noch falsch zugestellt werden. Ebenso wichtig ist die Notwendigkeit einer genauen Zeitstempelung und der Ablehnung veralteter Nachrichten. Eine Konsequenz dieser Anforderungen ist, dass CPDLC-Implementierungen sowohl in Flugzeugen als auch in ATC-Zentren Zugriff auf eine genaue Uhr haben müssen (bis auf eine Sekunde UTC genau). Bei Flugzeugen erfolgt dies typischerweise über GPS.