Samenvatting

Instanties zoals de International Air Transport Association voorspellen dat het luchtverkeer jaarlijks met 4 à 5% blijft groeien. Luchtverkeersleiders doen steeds meer een beroep op elektronica en informatica om al die vliegtuigen veilig naar hun bestemming te gidsen.

Oorspronkelijke titel

Veilig luchtverkeer

De intuïtie van de engelbewaarder

Verschenen in

Natuurwetenschappelijk maandblad Natuur & Techniek, 1996, jaargang 64, afl. 8, pag. 58 e.v.

Auteur

Ben Pirard

Luchtverkeersleiding (Air traffic Control  of ATC) zorgt ervoor dat de verkeersstroom veilig, ordelijk en snel verloopt van vóór het opstijgen tot na het landen van vliegtuigen. Een verkeersleider loodst met eenvoudige aanwijzingen vliegtuigen veilig en vlot langs elkaar: veranderen van de vlieghoogte, tijdelijk de vliegrichting wijzigen, snelheden bijstellen. De groei van de luchtvaart maakt het er niet eenvoudiger op.

De verkeersleiders zijn de engelbewaarders van het luchtverkeer. Zonder hen was het luchtverkeer nooit een belangrijk vervoerssysteem geworden. Het belangrijkste instrument van de luchtverkeersleider is zijn mentale capaciteit. De knipperende en toeterende apparatuur die hij gebruikt is ingewikkeld en indrukwekkend, maar zij dient enkel als verlenging van de menselijke zintuigen en motoriek. In wezen wordt alle verkeersleidingswerk slechts op één plaats ter wereld uitgevoerd: onder het schedeldak van de verkeersleider. Een sterke troef is kennis en visueel voorstellingsvermogen van de driedimensionale ruimte waarin de verkeerssituatie zich voltrekt. Een verkeersleider moet de nauwkeurig afgemeten en ingedeelde ruimte in zijn sector overzien, mét de verbanden, en tegelijk de aandacht kunnen richten op acuut dreigende trouble-spots.

Rondom een luchthaven heerst een andere verkeerssituatie dan boven de oceaan. Op grote hoogten navigeert een ander type verkeer dan op de tussenhoogten. Iedere categorie luchtgebied vereist daarom andere specifieke basisprocedures en regels. De vormen en afmetingen van luchtgebieden in alle categorieën zijn nauwkeurig vastgelegd. Alle luchtgebieden hebben een eigen naam in de vorm van een code. De luchtwegen zijn een voor verkeersleiding gereserveerd luchtruim in de vorm van corridors van zo’n tien zeemijl breed met twintig tot 35 vliegniveaus boven elkaar. Zij lopen van punt tot punt over de hele wereld. Piloten herkennen die punten aan signalen uitgezonden door radiobakens op de grond. De signalen bevatten drie-letter codes en leveren de relatieve positie van het toestel.

Moderne navigatie-hulpmiddelen aan boord zoals Area Navigation, dat werkt met afstandswaarden, of Global Positioning System, dat satellieten gebruikt, laten meer nauwkeurige navigatie toe. De positiebepaling is daarmee ook onafhankelijk van de luchtverkeersleiding. Voor een veilig wereldwijd luchtverkeer is het essentieel dat alle piloten en luchtverkeersleiders dezelfde benamingen voor luchtroutes en punten gebruiken.

Intermezzo

Het luchtruim

De internationale organisatie voor de burgerluchtvaart heeft zeven luchtruimcategorieën vastgesteld. Boven België en Nederland komen er vijf voor. Het is als het wegennet, met bebouwde kom, interlokale wegen en snelwegen. De verkeersleiders zorgen bij wijze van spreken voor de verkeersborden en andere wegsignalen.

Categorie A is het hogere ongecontroleerde luchtruim boven vliegniveau 460 (46.000 voet of 15 km), de snelweg voor het luchtverkeer. Er is hier geen luchtverkeersleiding nodig, maar toestellen houden wel voortdurend radiocontact. Ze moeten hun posities melden en krijgen informatie verstrekt. Piloten vliegen er niet op zicht, maar op de instrumenten en er is geen snelheidsbeperking. Een ‘transponder’ aan boord zendt desgevraagd een identificatie-code en hoogte uit.

Het gecontroleerde luchtruim vormt categorie B. Daartoe behoren alle luchtwegen en tussenliggende gecontroleerde gebieden, evenals de belangrijke Terminal Areas (TMA), die boven en rond grote luchthavens liggen. De algemene benedengrens is 1,5 kilometer. Vluchten op zicht zijn hier tot bepaalde hoogte voorwaardelijk toegelaten. Er wordt verkeersleidingsdienst verstrekt en een klaring (boodschap met toelating, eventuele informatie en instructies van de verkeersleiding, die een deel van de geplande vliegroute toegewezen verklaart) is vereist, evenals twee-richting radio-contact en transponder. Vliegtuigen hebben hier te maken met vier soorten verkeerleiding: de naderingsverkeersleiding in de Terminal Areas (TMA), regionale luchtverkeersleiding in het lagere gebied buiten de TMA tot vliegniveau 195 (6 kilometer hoog), regionale verkeersleiding in het hogere luchtruim tot vliegniveau 245 (8 kilometer), en verder de hoogste regionale verkeersleiding voor het luchtruim daarboven.

Rondom luchthavens bevinden zich luchtruimgebieden van categorie C, kokers met een doorsnee van doorgaans 10 zeemijl (Control Regions of CTR) en vanaf de grond een halve kilometer hoogte. Dit is de bebouwde kom in de luchtvaart.

De vliegtuigen krijgen hier aanwijzingen via twee-richting radiocontact vanuit de luchthaventoren. Vliegen op zicht mag als het weer dat toelaat (zichtbaarheid vijf kilometer, en afstand van wolken 1500 meter horizontaal en 300 meter verticaal) en de piloot zich houdt aan de snelheidslimiet van 250 knopen (250 zeemijl per uur). De verkeersleiders zorgen ervoor dat de vliegtuigen uit elkaars buurt blijven.

Categorie D bestaat uit onderdelen van categorie B en C, waar enkel instrument-vluchten van elkaar worden gescheiden en de maximumsnelheid 250 knopen bedraagt. E en F zijn varianten van D, waar alleen advies (E) of informatie (F) wordt gegeven. Categorie G bestaat uitresterende luchtgebied beneden het laagste

standaard-vliegniveau. Vergelijk het maar met landweggetjes. Daar is geen verkeersleiding, de snelheid is tot 250 knopen beperkt, vliegen op zicht is overdag toegelaten en radio-contact is niet vereist, tenzij men op instrumenten vliegt en men van een informatie-dienst is verzekerd.

    Afbeelding 1

Sectoren en luchtvaartgebieden zijn niet alleen horizontaal uitgetekend, ook verticaal  heeft elk gebied zijn dimensies. Het is ingedeeld in isobare vlakken. In elk vliegtuig geeft een hoogtemeter, een soort omgebouwde barometer, deze vliegniveaus aan.

Pioniers

Toen Otto Lilienthal rond 1890 een aantal succesvolle zweefvluchten maakte en de gebroeders Wright in 1905 met het eerste motorvliegtuig het luchtruim kozen, vermoedde niemand dat er ooit tweeduizend mensen op de grond nodig zouden zijn om een vliegtuig een succesvolle vlucht te laten uitvoeren temidden van vele andere vliegtuigen. Een pionier kon alles nog in zijn eentje klaren, tegenwoordig is dat ondenkbaar.

Al rond 1919, als de eerste commerciële luchtvaartmaatschappijen van start gaan, is er behoefte aan één persoon op de luchthaven die alles in goede banen leidt. Voor het gemak overziet hij alles vanuit een toren. Het gebied waarin hij alles regelt wordt een beschermd luchtgebied, de Control Region: CTR. Begin jaren dertig maakt de komst van communicatie-middelen zoals morse en radio het mogelijk om langere boodschappen en weerberichten uit te wisselen. Het zendstation op de toren gaat tevens dienen als navigatiepunt.

Begrijpelijkerwijs krijgt de man in de toren het  toch behoorlijk druk. Meer verkeersleiders schieten te hulp. Eén gebruikt een eigen radio-frequentie voor het verkeer op de grond, de ander heeft er één voor dat in de CTR en een derde kan het verkeer daarbuiten tot op zekere afstand van dienst zijn met het opnemen en verstrekken van inlichtingen.

Vlucht informatie centrum

De toren ontwikkelt zich snel tot vlucht-informatie-centrum. De verkeersleider gebruikt voor elke vlucht een apart blad ofwel strip. Het zogenaamde procedure-board geeft een helder overzicht van alle strips waarop de vluchtgegevens zijn genoteerd. Dat is een kast met bijna verticale of gebogen geleiders waartussen houten blokjes met de strips kunnen schuiven.

Deze procedure-verkeersleiding is ondergebracht in twee hoofdafdelingen: de naderingsverkeersleiding, die in een wijd gebied rond luchthavens (de Terminal Area of TMA) opereert, en de regionale verkeersleiding, die voornamelijk de luchtwegen of corridors tussen die luchthavens controleert. Deze hogere verkeersleidingscentra staan doorgaans op of nabij een luchthaven, maar dit hoeft niet. Het Britse New Enroute Centre (NERC) bijvoorbeeld ligt honderd mijl ten zuiden van Heathrow.

De komst van meer vliegtuigen, in aantal en type, maakt het steeds lastiger voor een verkeersleider om zich een goed beeld van het luchtverkeer te vormen. De in de Tweede Wereldoorlog uitgevonden radar biedt uitkomst. Radarschermen tonen enkele vaste referentiepunten en lijnen, waarnaast bewegende lichtpunten de posities van vliegtuigen aangeven. De piloten geven de vlieghoogte nog altijd via de radio door en de verkeersleider moet de roepnaam van een vlucht opschrijven. Om een vlucht met een lichtpunt te associëren, gebruiken verkeersleiders eenvoudige herkenningstechnieken, zoals een toestel 30° van richting laten veranderen en dan kijken welke punt zo’n hoek maakt.

Dit identificatiesysteem verhoogt zowel de capaciteit van de verkeersleiding als de stress van de radarverkeersleider. Het beeld kan uitvallen, maar ook de verkeersleider kan een ‘black-out’ hebben. De vliegtuigen moeten na herstel opnieuw met identificatie-procedures geassocieerd worden met de lichtpuntjes. Als de techniek het even laat afweten, moet men terugvallen op de vroegere werkwijze, de procedure-verkeersleiding. De sterke groei van het luchtverkeer maakt dat daarbij de risico’s toenemen.

De snelheden van vliegtuigen gaan steeds sterker variëren, zeker na de intrede van de straalvliegtuigen begin jaren zestig. Radarsignalen van vliegtuigen schuiven nogal eens over elkaar heen zodat voor de luchtverkeersleider de identificatie weer verloren ging. De techniek komt opnieuw ter hulp, dit keer met de secondary surveillance radar (SSR). Dit systeem is nog steeds in gebruik. Het vergt aan boord van ieder vliegtuig een ‘transponder’. Als de secondaire radargolven het vliegtuig bereiken, zendt de transponder dat signaal versterkt terug, aangevuld met een voorgeselecteerde vier-cijfer-code en eventueel een gecodeerde hoogtemelding.

Deep blue

De ontwikkeling van de informatica maakt het mogelijk om radargegevens en vluchtgegevens uit een gegevensbestand samen te vatten in één beeld, dat de positie, de naam en de vlieghoogte van de vliegtuigen toont. Een gedetailleerde luchtkaart is eenvoudig aan het beeld toe te voegen. Bewegende symbolen geven op het radarbeeld de vliegtuigposities weer. Ze zijn met een lijn verbonden aan gegevensblokjes met naam, hoogte, snelheid, geklaarde hoogte en wat men maar wenst.

De luchtverkeersleiding kent diverse graden van automatisering, van verwerking van elementaire vluchtgegevens voor louter consultatie tot waarschuwings- en advies-systemen voor de verkeersleider. De ‘volautomatische luchtverkeersleiding’ is een verre droom. De historische match van Karpov tegen ‘Deep-Blue’ zou IBM-computerspecialisten op goede ideeën voor toepassingen in de luchtverkeersleiding hebben gebracht. Deep blue moest voor het schaakbord, met maximaal 32 stukken met zeer beperkte bewegingen, binnen twee minuten drie miljard zetten berekenen. Het aantal ‘stukken’ in het driedimensionele ‘schaakspel’ van de luchtverkeersleiding kan daar diverse veelvouden van zijn en die ‘stukken’ verplaatsen zich met uiteenlopende snelheden en versnellingen. Toch weet de luchtverkeersleider binnen luttele seconden de volgende ‘zet’. Volautomatische luchtverkeersleiding ligt voorlopig veel verder in de toekomst dan een computer met intuïtie die Karpov verslaat. (Overigens steunen ervaren luchtverkeersleiders hoofdzakelijk op hun intuïtie, een vaak onderschatte menselijke vaardigheid, die in computer-termen kan worden uitgedrukt als ‘het zien van enkel dé oplossing in géén tijd’.)

CANAC-systeem

Een van de modernste centra voor luchtverkeersleiding in Europa is het Computer Assisted National Air Traffic Control Centre (CANAC) in Zaventem. Dit centrum verzamelt radarbeelden, meteorologische gegevens en uiteraard vluchtgegevens. Computers sorteren de vluchtgegevens die binnenkomen via het wereldwijde burger-luchtvaart-telex-netwerk. Sinds maart 1996 zijn bovendien alle Europese vliegplannen in twee gegevensbestanden verzameld en kan CANAC ze daar  rechtstreeks uit halen.

Via data-link-grondlijnen wisselt het centrum automatisch computergegevens over aan de gang zijnde vluchten uit met Amsterdam, Parijs, Reims, Düsseldorf, Frankfurt en Eurocontrol in Beek, en in de toekomst ook met Londen.

De aëronautische gegevens bestaan uit meer dan vijftig onderling gekoppelde gegevensbestanden die de ‘Air Traffic Control- omgeving’ samenstellen. Ze beschrijven onder andere het luchtruim, de routes en navigatiepunten, buitenlandse luchtgebieden, voorwaarden voor internationale uitwisseling van vluchtgegevens via de computer, afstanden van luchthavens in de wereld, kenmerken van vliegtuigtypen en geografische radarkaarten. Deze omgeving maakt de computer pas echt tot een luchtverkeersleidingssysteem.

De computer verschaft de verkeersleider het beeld van de situatie nu en straks. Als een verkeersleider informatie aanvraagt, stuurt de computer hem een pakket met de nodige gegevens. De computerstadia van het ‘leven’ van de vliegplannen weerspiegelen de meeste reële fasen van een vlucht.

Automatische extensieve en snelle uitwisseling van vluchtgegevens en het op scherm brengen daarvan is één van de grootste troeven van het systeem. Het kan ook gegevens uit het verleden doorrekenen en op basis van selecties toekomstig luchtverkeer voorspellen.

EDD

Het CANAC-systeem beheert twintig sectoren, van torenklaring en aanvliegroutes tot het ongecontroleerde luchtruim. Voor iedere sector geeft een groot elektronisch scherm, de elektronische datadisplay (EDD), de verzamelde gegevens weer. De EDD is een instrument voor planning en coördinatie. Het toont de E-strips (elektronische vluchtstrippen), die de computer heeft gesorteerd op basis van ingevoerde criteria en die zelfs de volledige inhoud en lay-out van een vliegplan kunnen weergeven. Een verkeersleider kan E-strips desgewenst handmatig toevoegen, verplaatsen, wijzigen of verwijderen. Het is als met de ouderwetse papieren strip in het procedure-board.

In het verkeerleidingscentrum is de actuele situatie weergeven op grote schermen. Dit zijn de SDD-schermen (Situational Data Display). Op basis van de uitgebreide scherminformatie kunnen verkeersleiders belangrijke beslissingen nemen. Allereerst geven positiesymbolen allerlei radardoelen aan, zowel vliegtuigen als vaste doelen. Blokken die zijn verbonden aan die symbolen geven naar keuze een beperkt of volledig informatie-overzicht van een vliegtuig. Ook kunnen verkeersleiders via dit scherm E-strips met de belangrijkste vluchtgegevens opvragen en aanpassen. Om een route te veranderen, volstaat het om de volgende posities op het scherm aan te wijzen.

Het centrum stuurt de actuele vluchtgegevens ook naar het vliegtuigparkeerbeheer van de luchthaven en naar het Flight Information Display System op Zaventem. Dat laatste systeem licht passagiers in over de verwachte en actuele aankomst- en vertrektijden.

Tenslotte gaan de Air Traffic Control-statuspagina’s met aëronautische gegevens en weerbericht naar het aanmeldingsbureau (ATS-Reporting Office, ARO) op Zaventem, waar de vliegtuigbemanningen ze kunnen bestuderen.

Toren van Babel

In de jaren negentig controleren we met evenveel luchtverkeersleiders als 25 jaar geleden een viervoud van het toenmalige verkeer, dankzij de beschikbare moderne technische hulpmiddelen. De ontwikkelingen in de elektronica en de informatica doen zich ook in de luchtvaart gelden. De kunst is nu dit alles te blijven overzien en ‘onder controle’ te houden.

De ontwikkeling van de vruchten der elektronica en informatica hield niet altijd gelijke tred met de werkelijke behoeften. Administraties zijn de laatste jaren overstelpt met aanbiedingen van ingewikkelde producten waarvan niemand eerder had beseft dat die nodig waren. De verkeersleider, die zijn dagen doorbracht met het leiden van het drukke luchtverkeer, kon de precieze behoeften niet precies omschrijven.. De industrie begrijpt vandaag de dag nog steeds niet écht hoe luchtverkeersleiding precies gebeurt en dat verkeersleiders dat maar moeilijk volledig en nauwkeurig kunnen formuleren.

    Afbeelding 2

Er vinden ook initiatieven plaats om buiten EATCHIP om nieuwe technieken te ontwikkelen. Een daarvan is HIPS, ofwel High Density Interactive Problemsolver. Dit systeem berekent nieuwe verkeersroutes. Bijgaand schema toont hoe vlucht UKA578 de ‘no-go zone’ van vlucht AFR123 zou doorkruisen. HIPS verschaft de verkeersleider een alternatieve route, waarbij het vliegtuig niet van vliegniveau 290 hoeft af te wijken. Radiobakens vormen voor de vliegtuigen de herkenningspunten waarop ze hun koers kunnen afstemmen. Technieken zoals HIPS vinden de komende jaren vermoedelijk ook steeds meer hun weg naar de cockpit.

N&T

De communicatie-afstand tussen de betrokken partijen is misschien op technisch vlak afgenomen, maar mentaal blijven de afstanden groeien. Met een paar mega-systemen komt men algauw tot ‘Toren-van-Babel’-toestanden. De nieuwste verkeersleidingscentra in diverse landen ondervinden hiervan soms de schokkende gevolgen. Vooral het Amerikaanse Advanced Automation System met zijn drie miljoen software-lijnen is hier een triest voorbeeld van. De ontwikkeling hiervan duurt al meer dan tien jaar. In 1994 bracht men dit multi-miljardenproject terug naar een kleinere schaal om het ‘beheersbaar te krijgen’. Het werkt nog steeds niet. Zelfs de opening van het Britse New Enroute Centre (NERC) is een jaar (1996) uitgesteld. Het aantal softwarelijnen, dat bij moderne systemen zoals het Belgische CANAC en het Noorse Royken-systeem naar het miljoen gaat, is bij NERC al meer dan twee miljoen. Het overzicht over werking en wisselwerking gaat in zo’n systeem verloren en het testen kan niet meer volledig tot in alle details gaan. Men neigt ertoe zich op waarschijnlijkheden te baseren, maar daarmee zit men ver van de oorspronkelijke doelstellingen van de luchtverkeersleiding, die exact zijn en geen enkel risico toelaten. Daarom bouwen de systeem-architecten meer en meer ‘veiligheidskleppen’ in. Dit verhoogt weer de kostprijs en de complexiteit.

De nieuwe aanpak

In Europa moet de volgende eeuw één omvattend systeem voor luchtverkeersleiding zijn dat in alle landen identiek is ingericht. De ministers van verkeer van 32 Europese landen lanceerden in 1990 het European ATC Harmonisation and Implementation Programme (EATCHIP). Dit programma voorziet een groei in het Europese luchtverkeer van 40% tussen de jaren 1992 en 2000. Het beoogt een overgang naar het uniforme European Air Traffic Management System (EATMS), dat in ieder geval na 2005 moet werken. Alle landen moeten dan een en hetzelfde model hanteren, waarin boordapparatuur mét grondapparatuur in één – geografisch gespreid – systeem zijn geïntegreerd. Onderdelen ervan zullen naar verwachting al eerder werken in de drukke luchtvaartgebieden boven de Benelux, Zuid-Engeland, Noord-Frankrijk en West-Duitsland.

Nieuwe systemen

De aangesloten landen groeien bij de aankoop en installatie van nieuwe systemen steeds verder naar het afgesproken model. Nederland volgt bijvoorbeeld al enkele jaren de EATCHIP-richtlijnen bij de ontwikkeling van de AAA (Amsterdam Advanced ATC system). In België krijgt het moderne CANAC-systeem de gewenste moderne beeldschermen met een hoge resolutie en een Operational Display System. Daarbij overlegt CANAC met Eurocontrol in het Zuid-Limburgse Beek, waar het verkeersleidingscentrum ook op de nieuwe apparatuur is overgegaan. Belgische technici werken momenteel (1996) aan een ‘Departure Manager’, een systeem dat de geplande vluchten vanaf Zaventem van een optimale vertrektijd voorziet en ze op volgorde brengt. Dit computersysteem verwerkt uiteindelijk 28 variabelen die de vertrektijd van een vlucht kunnen beïnvloeden. Het prototype maakt al een optimale volgorde met twaalf variabelen, waaronder gebruikte startbaan, parkingstand op de luchthaven en vliegtuigtype. Andere Europese landen zullen eveneens zo’n Departure Manager gaan toepassen.

EATCHIP biedt tal van voordelen. Een bij dit programma behorend nieuw boordnavigatiesysteem zal luchtvaarttoestellen onafhankelijk van de vaste bakens op de grond maken. Dit systeem moet de afstanden tussen parallelle luchtwegen verkleinen en leiden tot betere procedures voor het scheiden van verkeersstromen, vooral rond luchthavens. Het gebruik van het luchtruim kan dan dagelijks naar behoefte gecoördineerd worden.

    Afbeelding 3

Simulaties tonen hoe druk het luchtruim boven de Benelux, Duitsland en Frankrijk in 2005 is.

Eurocontrol Brussel