Transição CNS/ATM
Por Comandante Bassani

Hoje é cada vez mais comum falarmos de CNS/ATM (Comunicação, Navegação, Vigilância/Gerenciamento de Tráfego Aéreo), muitas vezes não sabendo o correto significado e como poderá influenciar no dia a dia da aviação. A sigla CNS/ATM, que significa Communication Navigation Surveillance / Air Traffic Management (Comunicação Navegação Vigilância / Gerenciamento de Tráfego Aéreo), resume as transformações que serão efetuadas nos diversos segmentos de aviação.

O advento das comunicações digitais (redes de comunicação, ATN) e da navegação por satélite representa os principais fundamentos dos novos conceitos de controle do espaço aéreo. A indústria de transporte aéreo está desenvolvendo um novo conceito operacional para o sistema ATM. Esse conceito operacional envolve mudanças significativas na aeronave e nos sistemas de navegação terrestre com a introdução de novas tecnologias por satélite. A condição atual dos sistemas ATM, com base em auxílios de navegação terrestre, radar e comunicação por voz, será incapaz de atender as expectativas de crescimento de tráfego aéreo. Neste contexto, a ICAO definiu em 1991 o conceito CNS/ATM com o objetivo de desenvolver tecnologias CNS por satélite (GPS, GLONASS e o futuro Galileo), capaz de resolver problemas de navegação como atrasos, congestionamento de tráfego, cobertura de área não-continental e comunicações por voz. Assim, o principal objetivo é melhorar a precisão de navegação de acordo com critérios baseados nos conceitos operacionais RVSM (Separação Vertical Mínima Reduzida) e RNP (Requisito de Desempenho de Navegação).

No futuro, a demanda por serviços de tráfego aéreo não somente aumentará como também deslocará operações programadas para mais operações não programadas como táxi aéreo, charter (fretamento), propriedade compartilhada e pequenas aeronaves de baixo custo. Assim, uma grande demanda por ferramentas de suporte para navegação e gerenciamento de tráfego cresce com a implantação global do sistema CNS/ATM, sistema esse que representa a atualização generalizada na tecnologia GNSS (Global Navigation Satellite System) utilizados em transporte aéreo. Uma das principais metas do sistema CNS/ATM é aperfeiçoar a capacidade do sistema de transporte, principalmente, no que se refere à taxa de pousos e decolagens por minuto nos terminais dos aeroportos.

No Brasil a política nacional para os sistemas de comunicações, navegação e vigilância apresentou nova concepção de apoio à navegação aérea. O Ministério da Aeronáutica participou ativamente dos estudos para a criação da nova concepção, através do Comitê Especial sobre Sistemas Futuros de Navegação Aérea (FANS), e da decisão de adotá-la oficialmente, na 10ª Conferência de Navegação Aérea, no Conselho da OACI.
O Comando da Aeronáutica vem participando das decisões relativas à implementação mundial dos sistemas CNS/ATM. A posição brasileira, favorável à nova tecnologia, foi baseada no compromisso de favorecer o aperfeiçoamento da infra-estrutura de apoio à navegação aérea, em prol da segurança e da eficiência da aviação mundial e, simultaneamente, na adaptação dos novos sistemas ao cenário brasileiro, com grande potencial de benefícios operacionais e econômicos as empresas e usuários civis e militares do Sistema de Proteção ao Vôo, principalmente nas navegações em áreas oceânicas, que representam a maior parte do nosso espaço aéreo, com cerca de 22 milhões de km², sob a responsabilidade do Brasil.

O tráfego aéreo mundial vem crescendo ano a ano desde a introdução das aeronaves a jato. Com um número de passageiros crescendo desproporcionalmente, este tem sido maior que o crescimento da economia mundial, criando um quadro intrigante se projetarmos isso para os próximos anos.

A  OACI criou em 1983 o Comitê FANS (Future Air Navigation Systems) com o objetivo de pesquisar soluções com novas tecnologias que estavam sendo desenvolvidas, para resolver os problemas de congestionamento das rotas do sul do Pacífico. Devido ao crescimento da economia dos países asiáticos e do Japão, essas rotas tinham volume de tráfego muito grande, e os sistemas existentes de navegação não seriam suficientes para gerenciar a demanda, ocasionando com isso diminuição dos gradientes de segurança, com isso aumentando o percurso e tornando mais cara a operação. Com a continuação dos trabalhos do comitê, várias soluções foram encontradas para gerenciamento do tráfego e da navegação aérea.

Após o lançamento dos Boeing 747-400s e dos MD-11s começou efetivamente a implementação do sistema. Como esses aviões podiam navegar sem depender exclusivamente dos sistemas de terra, usando navegação inercial de ultima geração, que tinham erros máximos de 5 NM (milhas náuticas) e também tinham a bordo um sistema chamado  ACARS – (Aircraft Communication Addressing and Reporting System) que capacitava a aeronave a se comunicar com os órgãos de controle por um canal de dados. Esse sistema possibilitou a criação das rotas FANS (Sistemas Futuros de Navegação Aérea) onde somente essas aeronaves poderiam operar. Logo em seguida essas operações foram estendidas para o Atlântico Norte. Para o surgimento do CNS/ATM foi só um passo.

Em  meados de 1986, foi decidido como seria projetada a transição para os novos sistemas de gerenciamento de controle, foi dividido em:

Segmento Espacial - composto pela constelação de satélites de navegação (chamado de Global Navigation Satellite System – GNSS) e comunicação.
Segmento de Controle, composto pelos órgãos de controle de tráfego aéreo; e Segmento Usuário, que seriam todos que utilizassem o serviço dos Segmentos Espaciais e de Controle.

Em 1991 aconteceu um fórum com as indústrias de equipamentos aeronáuticos e os representantes de governo para apurar as capacidades técnicas das indústrias e as normas e especificações dos futuros sistemas, determinando prazos para a transição e finalização da implantação, prazo esse que termina em 2010.

Hoje em dia os sistemas utilizados, usam tecnologia de 1946 (II Guerra) baseados na interação do homem com apoio de sistemas em terra. Com limitações de custo para implantação e manutenção dessa rede de controle aeronáutica, o custo no Brasil hoje para manutenção está em torno de R$1 bilhão. Já o CNS/ATM não tem fronteiras, pois a tecnologia hoje utilizada permite a mudança de vários conceitos.

Os sistemas de hoje de comunicação são fundamentados em canais de voz, utilizando as freqüências VHF e HF, dependendo de uma rede exclusiva de receptores e transmissores para garantir as transmissões. Esse sistema é suscetível a interferências de outras freqüências, até mesmo rádios piratas, onde pessoas mal intencionadas imitam as ordens do controle, causando com isso conflito e perigo de colisão. Já para se comunicar a longa distância, usa-se o HF (High Frequency), que não possui um canal com uma qualidade boa de recepção e transmissão, sendo que nas travessias oceânicas são fundamentais tanto para o piloto quanto para o controlador. Na rota para a Europa, na área do controle de Dakar, toda a sistemática de controle é feito por HF via Sell Call (chamada seletiva).

Os novos sistemas de comunicação ar-terra-ar são fundamentados no ACARS, que consiste no link entre os computadores da aeronave com os sistemas de controle de tráfego aéreo e ao centro operacional da empresa através de reportes automáticos, que estão monitorando todos os sistemas da aeronave, dentre eles o de navegação. Informações como posição, velocidade, altitude, vento instantâneo, proa, TAT, CAS, MACH, estimados de posição e de pouso e mais milhares de dados para fornecer conhecimento não só ao controle de vôo, mas as estações aeronáuticas que estarão usando as informações de weather para cada vez mais, aferir seus dados, que já são super precisos. Da mesma maneira, a tripulação também estará recebendo as informações pertinentes ao seu vôo, podendo administrar cada vez mais criteriosamente suas decisões em vôo.

A grande revolução das comunicações está no SATCOM (comunicação via satélite), que consiste em um grupo de satélites geo-estacionários de cobertura global que permitirão em qualquer lugar do globo, uma comunicação de dados e voz perfeita, com ele a exploração de outros serviços de bordo, como TV a cabo, telefonia e internet.

A SITA e a Jepessen já são usuários desse conjunto de sistemas de comunicação aeronáutica chamado de ATN – Aeronautical Telecommunications Network. A transmissão via rádio piloto-controlador, quase vai desaparecer, pois não será mais necessária para a operação normal, ficando para um segundo plano como back-up, em caso de alguma falha no sistema principal.
A ICAO acompanha a evolução e estima que somente dentro de trinta anos se dê a transição completa do sistema de controle de tráfego aéreo por transmissão de dados.

Outro grande problema são as pequenas aeronaves. Com um custo elevadíssimo para a troca para o novo sistema, que nunca são compatíveis com os antigos, trarão um custo de investimento enorme para os seus proprietários. Novos aviônicos tem sido oferecidos no mercado, mas com custos ainda proibitivos para um dono de um avião. As indústrias de aviônicos estão apresentando equipamentos que unem as funções de comunicação e navegação, com teclados e telas de cristal líquido de multi-função, que poderão no futuro cumprir os requisitos do CNS/ATM.

Sistemas de Auxílio à Navegação

A rede de auxílios à navegação utilizados hoje tem concepção antiga e um custo de manutenção elevado. Dividem-se em:
Auxílios Convencionais - NDB, VOR, DME e ILS
Sistemas de navegação (RNAV) – Ômega, Loran, Dopller e INS
Os auxílios convencionais têm restrições na sua operação devido a topografia nas cercanias do transmissor e o custo da manutenção destes auxílios, pois qualquer problema  exige equipes de manutenção em terra e após a inspeção em vôo para checar a precisão e confiabilidade.

 

O NDB (Non-Directional Beacon), transmite geralmente em ondas de baixa freqüência, operando na faixa de 200 a 400Mhz e emite em traço contínuo identificado em curtos intervalos de tempo, sofre interferência principalmente no mau tempo, causando com isso oscilações nas informações de bordo. Seu conceito foi criado antes da II Guerra e pela ICAO não é mais recomendada à instalação de novos NDBs, essa determinação deve ser seguida pelo resto do mundo. Em 2002 começaram a ser desativados e em 2010 não serão mais operacionais.
Já o VOR (VHF Omnidirectional Range), não recebe interferência da energia estática advinda do mau tempo como acontece com o NDB, mas tem um problema de alcance, pois a sua onda de transmissão não acompanha os obstáculos, criando com isso alguns pontos cegos na sua transmissão.

O DME (Distance Measuring Equipament) é um equipamento que mede a distância entre a estação e o avião, informando a distância da estação sintonizada. Da mesma forma que o NDB, a ICAO pretende desativar as estações VOR até o final de 2010. O FAA parou de instalar VORs desde 1995, que tem seu preço superior a um NDB e ainda apresenta algumas limitações, mas é bem preciso como auxílio à navegação.

Os sistemas RNAV permitem que uma aeronave voe em regiões desprovidas de auxílios convencionais a navegação, por exemplo, sobre oceanos ou rotas em lugares ermos como desertos. Destes sistemas o mais utilizado até hoje é a navegação inercial que não depende de sinais externos. No fim de 1998 foram desativados todos os satélites do sistema Ômega, novamente para diminuir custos de manutenção e utilizar o sistema GPS (Global Positioning System), além do um custo de manutenção bem menor aliado a uma precisão na determinação da posição muito mais precisa.

O GPS é um sistema de rádio navegação, baseado em satélite, desenvolvido e operado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América. O GPS permite a usuários terrestres, marítimos ou aeronáuticos determinar sua posição tridimensional, velocidade e horário, 24 horas por dia, sob qualquer condição climática e em qualquer local do mundo, com uma precisão espartana.

O conceito aplicado aos novos sistemas de navegação é fundamentado no GNSS (Global Navigation Satellite System), que foi o padrão estabelecido pela ICAO para os novos sistemas de navegação aérea, os fundamentado em constelações de satélites dedicados. Este sistema deve garantir:

Integridade - Que é a imunidade a interferências externas ilícitas, diminuindo a possibilidade de interferências aleatórias de outros equipamentos que podem atingir o padrão de transmissão dos dados para os cálculos de posição.
Precisão - O GNSS deverá garantir um valor de erro máximo que permita sua utilização em todas as fases de vôo, SID (Standard Instrument Departure), rota, STAR (Standard Terminal Area Procedure) e IAL (Instrument Approach and Landing).
Disponibilidade - Para que cumpra todas as especificações da ICAO, o GNSS deve fornecer cobertura mundial e sinais disponíveis em tempo integral. O sistema de satélites deve ser posicionado de tal maneira, que não deixe uma região sem sinais de auxílio à navegação.
Continuidade – Devido ao volume enorme de investimento dos órgãos governamentais, indústria e usuários, para a implantação e utilização desse sistema, propõe-se garantir sua continuidade, para que depois de algum tempo de utilização seu uso não seja comprometido, criando com isso insegurança na qualidade do serviço.

Vários conceitos de navegação utilizados hoje vão desaparecer e os critérios de navegação mudarão gradualmente. Com o GNSS, todos terão uma excelente precisão na posição geográfica sem a possibilidade de interferência. Como estará disponível em todo o globo, a rede de auxílios deixará de ser necessária. De agora para frente o sistema de navegação antigo, baseado na forma angular, utilizando radias de aproximação e cursos magnéticos, mudará para a navegação linear, em um planejamento para manteremos trajetórias paralelas à rota desejada, já que nesse sistema a navegação vai ser ponto a ponto.

O RNP (Required Navigation Performance) será a referência para os equipamentos de navegação e os espaços aéreos. O RNP define qual é o erro máximo que o equipamento pode ter para voar naquela determinada área. Quando estamos cumprindo o perfil de uma SID, o erro máximo deve ser menor do que quando estamos voando em rota, pois a proximidade de obstáculos e do terreno é maior, além da necessidade de manter a correta trajetória para evitar a conflito com outros tráfegos que estiverem voando na mesma área. Também irá definir se uma aeronave poderá entrar em determinado espaço aéreo ou voar em determinada rota, pois o controlador, sabendo que as aeronaves irão cumprir com precisão suas instruções, terão como diminuir o padrão de separação atualmente utilizado. Isso aumentará o numero de aeronaves no espaço aéreo, sem comprometer a segurança de vôo. Com isso a única restrição que teremos na final para pouso, será a esteira de turbulência da aeronave que está na frente, aumentando a produtividade dos aeroportos e uma redução de custos considerável aos operadores.

Dentre os sistemas de navegação que se encaixam na filosofia do GNSS, o GPS se apresenta como a solução definitiva. Seu sistema é o ideal para a aviação, mas existem barreiras políticas gigantes, pois todo o sistema GPS é apoiado em uma gama de satélites militares americanos que poderão criar um conflito em dois pontos, a disponibilidade e a continuidade.
A dificuldade na disponibilidade seria o sistema GPS ser de propriedade de uma nação, que poderia se tornar indisponível a qualquer momento que interessasse aos EUA, por razões estratégicas ou econômicas. A ferramenta americana de proteção é o Selected Availability (S/A ou Disponibilidade Seletiva). È um sistema lógico que permite ao Departamento de Defesa americano inserir um erro proposital em determinada posição.  Por um acordo firmado entre o Departamento de Defesa e a ICAO este erro varia entre trinta e trezentos metros e deve ter na média, cem metros.

Quanto à continuidade, não existem garantias seguras de que o governo americano mantenha esses satélites e suas estações de controle operacionais, vindo com isso a impedir a ICAO de utilizar o GPS como uma ferramenta definitiva de navegação do CNS/ATM. Uma solução sugerida por alguns países europeus seria o lançamento, de uma nova constelação internacional para ser utilizada somente pela aviação civil. A ICAO tem até 2010 para tentar equacionar esse problema.

As novas normas que determinarão as configurações mínimas para equipar os aviões, como os requisitos para a nova classificação dos espaços aéreos estão sendo discutidas pelo mundo, mas em função das necessidades locais em áreas oceânicas principalmente, algumas medidas já vem sendo adotadas como o FANS (Future Air Navigation System) no Pacífico e o BRNAV (Basic Area Navigation) na Europa e o PRANAV, que deverá ter precisão de 1NM (RNP1) por 95% do tempo de vôo e deverá incluir um sistema de erro navegacional nas aeronaves, com definição de erro de padrão de vôo (path), erro estimado de posição, flight technical error e um display de aviso do erro. Todos esses sistemas já aplicam vários conceitos desenvolvidos para o CNS/ATM e restringe totalmente a operação de quem não se adequar às normas.

Essas mudanças irão acarretar em um custo gigantesco para as empresas que operam em regiões com regras diferentes de navegação e possuem aviões clássicos como o 747-200/300, DC-10, L-1011 que ainda usam sistemas analógicos acoplados ao sistema de navegação inercial.

Sistemas de Aproximação

As aproximações para pouso são um assunto à parte no segmento de navegação do CNS/ATM. Com o conceito RNP a divisão entre sistemas de aproximação de não-precisão e precisão dependerá do erro máximo permitido do equipamento de bordo. O MLS (Microwave Landing System) está sendo desativado em função dos seus elevados custos e a inclusão do novo projeto GPS Diferencial já começou.

Os procedimentos de não-precisão como Localizador, VOR/DME, VOR e NDB têm um custo menor, porém os gabaritos de construção dos perfis desses procedimentos exigem uma separação de obstáculos muito maior. Com isso as aeronaves ficam restritas a mínimos mais altos, e algumas vezes por problemas de obstáculos, o segmento final de pouso está deslocado do eixo da pista, e qualquer erro ou demora na descida para atingir os mínimos, pode causar um missing approach, devido ao pouco tempo para se estabilizar o avião na final.

O sistema GPS foi elaborado de forma a permitir que independente dos auxílios rádio, as aeronaves pudessem executar procedimentos não-precisão. Um procedimento GPS tem o segmento de aproximação final alinhado com o eixo da pista de pouso, permitindo que a MDA seja menos restrita que os outros procedimentos não-precisão.

O D-GPS (GPS Diferencial) é um tipo de estação, instalada nas proximidades do aeroporto. Este equipamento permite que o erro provocado (Disponibilidade Seletiva) e os erros do sistema sejam identificados e transmitidos à aeronave, que os corrigirá em seu sistema acarretando com isso uma precisão quase absoluta. O erro desse sistema é de menos de 4 POL (10cm), sendo que o erro permitido para aproximações automáticas com zero teto e visibilidade, seria 1 metro. Hoje essas aproximações são efetuadas em aeroportos equipados com ILS CAT III C, além disso, o avião e a tripulação têm de ser homologados para essa operação.  Esse sistema com uma única estação DGPS pode ser usado por vários aeroportos, no raio de 30 NM. As estações de D-GPS são chamadas de LAAS (Local Area Augmentation System), pois elas têm um alcance máximo de 30 NM, fornecendo identificação e correção do erro de posição da aeronave e também permitindo aproximações de precisão CAT III.

O FAA está trabalhando em projeto conhecido como WAAS (Wide Area Augmentation System). Basicamente usa satélites Geo-Estacionários, que utilizam as estações de terra para corrigir erros de posição e transmitir as correções em grandes áreas de alcance. Com o objetivo de cobrir todo território americano, o FAA está implantando mini-estações nas torres de telefonia celular em todo o território. A idéia era possibilitar aproximações com os mínimos estabelecidos para ILS CAT I, e instalando estações corretoras nos aeroportos movimentados, poderiam ser efetuados pousos CAT II e III. Mas por enquanto, eles não conseguiram, inclusive estão tentando usar o sistema em estudo no Brasil, pela Força Aérea (FAB) para dar mais precisão.

O WAAS não cumpriu os mínimos requeridos de precisão necessários aos procedimentos ILS CAT I, sendo que o sistema LAAS II está em desenvolvimento para atingir o desempenho para aproximações ILS CAT I. Dentro dessa premissa todos os procedimentos não-precisão nos EUA serão adaptados para usar o GPS também.

Podemos enfim, esperar que toda essa revolução no sistema mundial de navegação traga aumento nos padrões de segurança e ao mesmo tempo, economia para a aviação como um todo. Afinal rotas diretas são o sonho de todos nós aviadores, a não obrigatoriedade de reportar posições e a confiabilidade na seleção das altitudes e rotas, serão o fator decisivo para os céus congestionados de hoje, gerenciados pelo CNS/ATM.
Mas dificilmente um instrumento que está imune aos painéis novos, deixará de existir. A cada novo sistema de navegação, ela sempre está presente mesmo nas cabines de comando dos mais eletrônicos dos aviões. Se nada desses sistemas funcionar, a vovó bussola, o único instrumento da aviação pioneira que resiste aos tempos, estará lá com sua tabelinha de correção, para nos levar são e salvo ao nosso destino.