SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE TR ´
AFEGO
A´
EREO DE VE´
ICULOS A´
EREOS N ˜
AO
TRIPULADOS
S˜ao Paulo 2018
SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE TR ´
AFEGO
A´
EREO DE VE´
ICULOS A´
EREOS N ˜
AO
TRIPULADOS
Trabalho apresentado `a Escola Polit´ecnica da Universidade de S˜ao Paulo para obten¸c˜ao do T´ıtulo de Engenheiro da Computa¸c˜ao.
S˜ao Paulo 2018
SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE TR ´
AFEGO
A´
EREO DE VE´
ICULOS A´
EREOS N ˜
AO
TRIPULADOS
Trabalho apresentado `a Escola Polit´ecnica da Universidade de S˜ao Paulo para obten¸c˜ao do T´ıtulo de Engenheiro da Computa¸c˜ao.
´
Area de Concentra¸c˜ao: El´etrica
Orientador:
Prof.
Dr.
Jo˜
ao Batista Camargo
J´
unior
Co-orientador:
Derick Moreira Baum
S˜ao Paulo 2018
Primeiramente aos meus pais, Lucia e Jaime e ao meu irm˜ao, Daniel, por todo o amor, apoio e compreens˜ao dados na minha vida. N˜ao teria chegado aqui sem vocˆes!
Ao meu orientador, Prof. Dr. Jo˜ao Batista Camargo J´unior, e ao meu co-orientador, Derick Moreira Baum, por todo o apoio, conselhos, sugest˜oes e cr´ıticas feitos ao longo desse trabalho e das fases que o antecederam. Al´em disso, a recep¸c˜ao extremamente positiva (em todas as fases!) desse trabalho por parte de vocˆes e do GAS como um todo foi certamente uma grande motiva¸c˜ao.
A todos os meus amigos e amigas do GAS, por esses quase trˆes anos de excelente convivˆencia e grande aprendizado. Sou muito grato por todas as brincadeiras, sugest˜oes, cr´ıticas e a confian¸ca em mim depositada.
Ao Prof. Dr. Anatoly Belonoshko, que ministrou a mat´eria ”SI2530 - Computational Physics”em 2016 no KTH (Instituto Real de Tecnologia, na Su´ecia), pelos coment´arios feitos na primeira vers˜ao do algoritmo (no in´ıcio de 2017), que tamb´em serviram de motiva¸c˜ao para o desenvolvimento desse trabalho.
`
A Funda¸c˜ao de Apoio a Universidade de S˜ao Paulo, pela bolsa provida no per´ıodo de Inicia¸c˜ao Cient´ıfica que antecedeu o in´ıcio formal desse trabalho.
A todas as pessoas que, quando apresentei as ideias e conceitos desse trabalho, seja na forma de um artigo ou mesmo em uma conversa de corredor, acreditaram neles e expressaram seu apoio ou tamb´em contribu´ıram com suas cr´ıticas e sugest˜oes.
E por ´ultimo, `a todas as pessoas que produziram os conhecimentos que serviram de base ou como cita¸c˜ao nesse trabalho. Como disse Isaac Newton, ”If I have seen further than others, it is by standing upon the shoulders of giants”.
to be true?”
O trabalho descrito nesse documento tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de gerenciamento de tr´afego a´ereo de VANTs (Ve´ıculos A´ereos N˜ao Tripulados, popularmente conhecidos como drones), para dar suporte a opera¸c˜oes autˆonomas de voo em espa¸co a´ereo segregado. Para tal, utilizam-se a comunica¸c˜ao entre os agentes en-volvidos atrav´es de um enlace de r´adio e um algoritmo de roteamento e preven¸c˜ao de colis˜ao previamente desenvolvido pelo autor. Visa-se, com o uso de uma comunica¸c˜ao en-tre m´ultiplos agentes, a cria¸c˜ao de uma consciˆencia situacional coletiva que permita que conflitos de perda de separa¸c˜ao sejam evitados atrav´es de a¸c˜oes executadas pelo pr´oprio VANT.
Em se tratando de desenvolvimento do trabalho, foi feita inicialmente uma revis˜ao bibliogr´afica sobre o tema. Em seguida foram adotados procedimentos de engenharia de software para levantamento de requisitos e modelagem do sistema. Com base nos atributos levantados, desenvolveu-se um programa de ”prova de conceito”, no qual foram executados testes sobre condi¸c˜oes normais de opera¸c˜ao e condi¸c˜oes degradadas (e.g., simulando uma menor precis˜ao de GNSS) com o objetivo de estimar os n´ıveis de seguran¸ca operacional. Ao final, ´e feita uma discuss˜ao sobre limita¸c˜oes da solu¸c˜ao proposta e coment´arios acerca de trabalhos futuros.
The work described on this document intends to develop an air traffic management system for UAVs (Unmanned Aerial Vehicles, usually known as drones), to support auto-nomous flight operations in a segregated airspace. In order to do so, the communication among the involved agents through a radio link and an algorithm for routing and collision avoidance previously developed by the author are used. The objective of using a commu-nication link between the involved agents is to create a collective situational awareness that allows loss of separation conflicts to be avoided through actions performed by the UAV.
In terms of work progress, a literature review about the theme was firstly made. Af-terwards, swoftware engineering moethods were adopted to collect requisites and to model the system. Based on the outcome of those methods, a ”proof-of-concept”program was created, on which tests under nominal operational conditions and degraded operational conditions (e.g., simulating a loss of GNSS accuracy) with the intention of estimating the safety levels. At the very end, the limitations of the proposed solution are discussed and comments about future works are made.
1 Gr´afico ilustrando a quantidade de incidentes de perda de separa¸c˜ao ho-rizontal entre objetos e aeronaves registrados no Reino Unido desde 2010. Fonte:(1) . . . 19
2 Exemplo de trilatera¸c˜ao utilizando um sistema do tipo GNSS. Atrav´es da medi¸c˜ao das pseudodistˆancias R1, R2 e R3 e de dados posicionais dos respectivos sat´elites, ´e poss´ıvel estimar a posi¸c˜ao do receptor. Fonte:(2) . . 21
3 Gr´afico ilustrativo sobre a constela¸c˜ao de sat´elites do QZSS e seu
comporta-mento esperado em se tratando de ˆangulo de eleva¸c˜ao. Fonte:(http://qzss.go.jp/en/technical/technology/orbit.html). Acesso em 03/03/2018. . . 23
4 Gr´afico que ilustra a Anomalia Ionosf´erica Equatorial (mostrando a frequˆencia de cintila¸c˜oes ionosf´ericas, com cores pr´oximas do vermelho representando uma maior frequˆencia e cores pr´oximas do azul uma frequˆencia menor). Pode-se observar que o Brasil como um todo encontra-se localizado den-tro da regi˜ao da anomalia.
Fonte:(http://gpsworld.com/gnss-systemsignal-processinginnovation-ionospheric-scintillations-12809/). Acesso em 03/03/2018. 23
5 Indicador de horizonte artificial, com marca¸c˜oes que indicam os ˆangulos de rolagem e arfagem de uma aeronave. . . 26
6 Carta ENRC-H2, mostrando aerovias e pontos fixos na regi˜ao pr´oxima ao Aeroporto Internacional de Guarulhos (SBGR). As aerovias consistem dos segmentos de reta azuis, sendo delimitadas por pontos fixos imagin´arios (com 5 letras), esta¸c˜oes de r´adio-navega¸c˜ao (trˆes letras) ou aeroportos (qua-tro letras ou n´umeros). Fonte: AISWEB . . . 28
7 Excerto do procedimento de pouso via VOR para a pista 27L do Aeroporto Internacional de Guarulhos (SBGR). Fonte: AISWEB . . . 29
8 Exemplo de interface para comunica¸c˜ao via CPDLC em um Gulfstream G450. Fonte: (3) . . . 30
9 Arquitetura do ADS-B como um sistema. Fonte: (4) . . . 31
10 Captura de tela do site FlightRadar24 sobre a Am´erica do Sul. Fonte: FlightRadar24 . . . 32
12 Ilustra¸c˜ao de interesse, entre 2004 e 2015, pelos assuntos VANT, Ataques
de drones no Paquist˜ao e DJI. Fonte: Google Trends . . . 41
13 Opera¸c˜oes de UTM no contexto de classes de espa¸co a´ereo. Fonte:(6). . . . 42
14 Exemplo de reticulado do Jogo da Vida de Conway. Fonte:(7) . . . 46
15 Vizinhan¸ca de Von Neumann (marcada com os pontos cardinais). . . 46
16 Vizinhan¸ca de Moore (marcada com os pontos cardinais). . . 47
17 Um glider. Fonte:(7) . . . 47
18 Um caracol (organismo similar a uma lesma, mas contando com uma con-cha) e seu rastro. . . 52
19 Fotos do experimento conduzido em (8) ap´os 5, 8, 11, 16 e 26h do in´ıcio do experimento. Fonte: (8) . . . 53
20 Exemplo de sa´ıda do programa antigo. . . 54
21 Descri¸c˜ao esquem´atica do cen´ario gerador da sa´ıda acima. As setas repre-sentam as aeronaves envolvidas, c´ırculos seus pontos de destino, e o objeto rosa no centro representa o obst´aculo considerado. . . 55
22 Exemplo de rota de movimenta¸c˜ao entre duas c´elulas. . . 59
23 Compara¸c˜ao de trajet´orias poss´ıveis entre c´elulas em um reticulado com c´elulas hexagonais e um reticulado com c´elulas quadradas. . . 59
24 Interface Principal . . . 67
25 Interface de Cria¸c˜ao de Cen´arios . . . 68
26 Interface de Edi¸c˜ao de Cen´arios . . . 69
27 Interface de Execu¸c˜ao Automatizada . . . 70
28 Interface de Visualiza¸c˜ao de Relat´orios . . . 71
29 Ilustra¸c˜ao da nota¸c˜ao utilizada nas equa¸c˜oes de movimento do VANT. . . . 73
30 Ilustra¸c˜ao da nota¸c˜ao utilizada nas equa¸c˜oes de movimento do VANT. . . . 74
33 Cen´ario 2 - Cruzamento de quatro vias com obst´aculo. Fonte:Autor. . . 81
ATC Controle de Tr´afego A´ereo (tradu¸c˜ao livre de Air Traffic Control )
CFIT Voo contolado em dire¸c˜ao ao solo (tradu¸c˜ao livre de Controlled Flight into Terrain) DECEA Departamento de Controle do Espa¸co A´ereo
FPGA Arranjo de portas program´aveis em campo (tradu¸c˜ao livre de Field Programmable Gate Array)
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estat´ıstica ICA Instru¸c˜ao do Comando da Aeron´autica
ILS Sistema para Pouso atrav´es de Instrumentos (tradu¸c˜ao livre de Instrument Landing System)
MCA Manual do Comando da Aeron´autica
OACI Organiza¸c˜ao da Avia¸c˜ao Civil Internacional (tradu¸c˜ao livre de International Civil Aviation Organization)
OTAN Organiza¸c˜ao do Tratado do Atlˆantico Norte PPK Post Processed Kinematic
QZSS Sistema de Sat´elite Quasi-Zenital (tradu¸c˜ao livre de Quasi-Zenith Satellite System) RBAC Regulamentos Brasileiros da Avia¸c˜ao Civil
RBHA Regulamento Brasileiro de Homologa¸c˜ao Aeron´autica RBMC Rede Brasileira de Monitoramento Cont´ınuo
RTK Real Time Kinematic
TLS N´ıvel-alvo de seguran¸ca (tradu¸c˜ao livre de Target Level of Safety). VANT Ve´ıculo A´ereo N˜ao Tripulado
1 Introdu¸c˜ao 17 1.1 Objetivo . . . 17 1.2 Motiva¸c˜ao . . . 17 1.3 Justificativa . . . 17 1.4 Organiza¸c˜ao do Trabalho . . . 19 2 Aspectos Conceituais 20 2.1 Introdu¸c˜ao . . . 20
2.2 Sistemas de Navega¸c˜ao Global baseados em Sat´elite . . . 20
2.2.1 Conclus˜oes parciais do t´opico . . . 24
2.3 Opera¸c˜oes Aeron´auticas no Espa¸co A´ereo . . . 24
2.3.1 Divis˜oes do Espa¸co A´ereo . . . 24
2.3.2 Controle de Tr´afego A´ereo . . . 27
2.3.2.1 Canais de comunica¸c˜ao adotados . . . 29
2.3.3 Sistemas Anti-Colis˜oes . . . 33
2.3.4 Desafios na Gest˜ao de Tr´afego A´ereo de VANTs . . . 34
2.3.5 Estudos sobre seguran¸ca operacional (safety) da opera¸c˜ao de VANTs 35 2.3.6 Conclus˜oes parciais do t´opico . . . 36
2.4 Perspectivas Sistˆemicas . . . 37
2.4.1 CNS/ATM . . . 37
2.4.2 UTM . . . 40
2.4.2.1 Uma breve hist´oria do uso de VANTs . . . 40
2.4.2.2 Iniciativas de Pesquisa e Desenvolvimento . . . 41
2.5.1 Conclus˜oes parciais do t´opico . . . 45
2.6 Autˆomatos Celulares e o Algoritmo Adotado . . . 45
2.6.1 Autˆomatos Celulares . . . 45
2.6.2 Aplica¸c˜oes . . . 47
2.6.3 Autˆomatos Celulares e Preven¸c˜ao de Colis˜ao . . . 48
2.6.4 Conclus˜oes parciais do t´opico . . . 49
3 Tecnologias Utilizadas 51 4 Metodologia de Trabalho 52 4.1 Concep¸c˜ao . . . 52
4.2 Projeto . . . 54
4.2.1 Software previamente desenvolvido . . . 54
4.2.2 Recursos a serem desenvolvidos . . . 55
4.2.3 Plano de trabalho . . . 56
4.3 Implementa¸c˜ao . . . 57
4.3.1 Modelo para Bioinspira¸c˜ao . . . 57
4.3.2 Algoritmo adotado . . . 57
4.3.2.1 Descri¸c˜ao do Algoritmo . . . 57
4.3.2.2 Decis˜oes de projeto relacionadas a implementa¸c˜ao . . . 58
4.4 Testes a serem executados . . . 60
5 Especifica¸c˜ao de Requisitos do Sistema 61 5.1 Terminologia . . . 61
5.2 Requisitos Funcionais . . . 62
5.2.1 Simula¸c˜oes Pontuais . . . 62
5.2.1.3 Simula¸c˜ao do comportamento dinˆamico do VANT . . . 63
5.2.1.4 Inser¸c˜ao de parˆametros de simula¸c˜ao degradados . . . 63
5.2.2 Simula¸c˜oes em Lote . . . 64
5.2.2.1 Tipos diferentes de simula¸c˜oes em lote . . . 64
5.2.2.2 Altera¸c˜ao cont´ınua de parˆametros . . . 64
5.2.2.3 Estimativa de conclus˜ao de execu¸c˜ao . . . 65
5.2.3 Gera¸c˜ao de Relat´orios . . . 65
5.2.4 Visualiza¸c˜ao Gr´afica de Resultados . . . 66
5.3 Diagramas . . . 67
5.3.1 Projeto de Interfaces . . . 67
5.3.1.1 Interface Principal . . . 67
5.3.1.2 Interface de Cria¸c˜ao de Cen´arios . . . 68
5.3.1.3 Interface de Edi¸c˜ao de Cen´arios . . . 69
5.3.1.4 Interface de Execu¸c˜ao Automatizada . . . 70
5.3.1.5 Interface de Visualiza¸c˜ao de Relat´orios . . . 71
6 Projeto e Implementa¸c˜ao 72 6.1 Implementa¸c˜ao da Plataforma de Testes . . . 72
6.1.1 Modelo dinˆamico do VANT . . . 72
6.1.1.1 Equa¸c˜oes de estado e controle . . . 73
6.1.1.2 Ciclo de intera¸c˜ao do VANT . . . 74
6.1.2 Simulador de Portadora . . . 76
6.1.2.1 Software . . . 78
6.1.2.2 Interfaces . . . 78
7 Testes e Avalia¸c˜ao 79 7.1 Testes de Funcionamento . . . 79
7.1.1.1 Cen´ario 1 - Cruzamento de quatro vias . . . 80
7.1.1.2 Cen´ario 2 - Cruzamento de quatro vias com obst´aculo . . 81
7.1.1.3 Cen´ario 3 - Simula¸c˜ao de cen´ario urbano . . . 81
7.1.2 Resultados observados . . . 82
7.2 Testes de Avalia¸c˜ao de TLS . . . 82
7.2.1 Eventos de risco considerados . . . 82
7.2.1.1 Evento 1 - Incurs˜ao em c´elula n˜ao atribu´ıda . . . 82
7.2.1.2 Evento 2 - Transi¸c˜ao entre c´elulas fora de margem . . . . 82
7.2.1.3 Evento 3 - Incurs˜ao em c´elula atribu´ıda a outro VANT . . 82
7.2.1.4 Evento 4 - Colis˜ao com obst´aculo . . . 82
7.2.2 Metodologia de teste . . . 83
7.2.3 Resultados observados . . . 83
7.2.3.1 Evento 1 - Incurs˜ao em c´elula n˜ao atribu´ıda . . . 83
7.2.3.2 Evento 2 - Transi¸c˜ao entre c´elulas fora de margem . . . . 83
7.2.3.3 Evento 3 - Incurs˜ao em c´elula atribu´ıda a outro VANT . . 83
7.2.3.4 Evento 4 - Colis˜ao com obst´aculo . . . 83
8 Considera¸c˜oes Finais 84 8.1 Considera¸c˜oes do Projeto de Formatura . . . 84
8.2 Contribui¸c˜oes . . . 84
8.2.1 Trabalhos derivados . . . 84
8.2.2 Resultados . . . 84
8.3 Perspectivas de Continuidade . . . 84
Referˆencias 86
A.2 Executar Cen´ario . . . 95
A.3 Inserir Aeronave . . . 95
A.4 Excluir Aeronave . . . 96
A.5 Inserir Obst´aculo . . . 96
A.6 Excluir Obst´aculo . . . 97
A.7 Grava relat´orio de eventos de risco . . . 98
1
INTRODUC
¸ ˜
AO
“I resolved to stop accumulating and begin the infinitely more serious and difficult task of wise distribution.”
-- Andrew Carnegie
1.1
Objetivo
Desenvolvimento de um sistema de gerenciamento de tr´afego a´ereo de VANTs, utili-zando comunica¸c˜ao entre os agentes (VANTs) envolvidos visando criar uma consciˆencia situacional coletiva. Contando com um algoritmo de roteamento e preven¸c˜ao de colis˜ao embasado em autˆomatos celulares, pretende-se permitir a opera¸c˜ao segura de VANTs em espa¸co a´ereo segregado, sendo efetuadas simula¸c˜oes como uma forma de prova de conceito.
1.2
Motiva¸
c˜
ao
No presente momento, podem ser encontrados estudos e normas sobre variados as-pectos da integra¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo (inseridos no tema de gerenciamento de tr´afego a´ereo de VANTs). Um exemplo ´e o trabalho feito em (9), que descreve o um conceito proposto para a opera¸c˜ao de um sistema de gerenciamento de tr´afego a´ereo para VANTs. Em (10–13), podem-se observar algumas perspectivas e diretrizes para a integra¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo.
1.3
Justificativa
Assim como a evolu¸c˜ao da avia¸c˜ao em geral causou um grande impacto na sociedade (atrav´es da facilidade da integra¸c˜ao entre pa´ıses, incluindo tamb´em o transporte de carga), entende-se que o uso de VANTs possui um grande potencial em variadas aplica¸c˜oes. Um exemplo interessante de estudo nesse sentido ´e o uso de um VANT para presta¸c˜ao de primeiros socorros, relatado em (14). Nesse teste, conduzido pelo Instituto Karolinska na Su´ecia, o uso de VANTs equipados com desfibriladores permitiria que os primeiros socorros fossem prestados significativamente mais r´apido do que atrav´es de ambulˆancias.
Enquanto o tempo m´edio de resposta de ambulˆancias era de 22 minutos, VANTs foram capazes de alcan¸car a v´ıtima (simulada, para fins de teste) em pouco menos de 6 minutos.
Outra aplica¸c˜ao interessante em se tratando de VANTs ´e o transporte de peque-nos pacotes, feito hoje em dia tanto por transportadoras tradicionais como atrav´es de motociclistas (popularmente conhecidos como motoboys). A Amazon, empresa-l´ıder de e-commerce nos EUA, apresentou em 2016 a primeira entrega de compras feita atrav´es do sistema Amazon Prime Air, que utiliza VANTs de carga para transporte de pacotes entre centros de distribui¸c˜ao locais e consumidores. O in´ıcio dos testes foi feito no Reino Unido (15), sendo que no ano seguinte uma entrega atrav´es desse sistema seria feita nos EUA (16).
Al´em das aplica¸c˜oes citadas acima, ´e poss´ıvel encontrar aplica¸c˜oes de VANTs para agropecu´aria (17, 18), aux´ılio humanit´ario (19), seguran¸ca p´ublica (20), imageamento a´ereo (21) e inspe¸c˜ao de linhas de transmiss˜ao de eletricidade (22). Mesmo em se tratando de transporte de passageiros, existem projetos de pesquisa que visam construir VANTs para servirem como uma alternativa mais barata e vers´atil ao t´axi a´ereo, como ´e o caso da parceria existente entre as empresas Uber/EMBRAER (23) e um produto que mistura o transporte automotivo com o a´ereo cujo conceito foi revelado pela Airbus em 2017 (24).
Como ´e de se esperar, a inser¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo (mesmo segregado) demanda alguns esfor¸cos adicionais em termos de organiza¸c˜ao. Ainda que propostas de sistemas e aparelhos que tenham como objetivo permitir opera¸c˜oes seguras de VANTs, uma parte consider´avel das a¸c˜oes tomadas nesse sentido consistem de normas (como a ICA 100-40 (25), que versa sobre o acesso de aeronaves remotamente pilotadas no espa¸co a´ereo brasileiro). Mesmo com normas similares presentes em v´arios lugares do mundo, diversos incidentes relacionados ao seu n˜ao cumprimento ou fiscaliza¸c˜ao podem ser observadas.
Na noite do dia 12 de novembro de 2017, pilotos em procedimento de pouso no Ae-roporto de Congonhas reportaram um avistamento de um VANT nas proximidades do aeroporto. Um dos primeiros incidentes de maior importˆancia envolvendo VANTs ope-rando em regi˜oes proibidas no Brasil (a opera¸c˜ao em baixas altitudes a menos de 5 NM de um aer´odromo ´e proibida por lei), causou uma disrup¸c˜ao no espa¸co a´ereo da regi˜ao Sudeste, levando diversas aeronaves a pousar em aeroportos pr´oximos (e.g., Viracopos, Guarulhos) ou a retornar aos seus aeroportos de origem (26).
Incidentes similares j´a foram reportados anteriormente em outros pa´ıses. Em Londres, o avistamento de VANTs na proximidade do aeroporto de Gatwick fez com que opera¸c˜oes fossem interrompidas, sobrecarregando aeroportos adjacentes (1). Ainda de acordo com
(1), outro incidente reportado nas proximidades do Aeroporto Heathrow, tamb´em em Londres, envolveu o avistamento de um VANT a cerca de 12.500 p´es (3810 m), e de modo geral os incidentes de viola¸c˜ao de separa¸c˜ao entre VANTs e aeronaves tem crescido consideravelmente desde 2013 (vide figura 1).
Figura 1: Gr´afico ilustrando a quantidade de incidentes de perda de separa¸c˜ao horizontal entre objetos e aeronaves registrados no Reino Unido desde 2010. Fonte:(1)
Nos EUA, em Setembro de 2017, foi reportada uma colis˜ao entre um VANT e um helic´optero do ex´ercito estadunidense (27). Em dezembro do mesmo ano, a NTSB chegou a conclus˜ao de que a colis˜ao foi causada pela falha por parte do operador do VANT em seguir (e mesmo ter ciˆencia) das normas de opera¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo. Ainda em se tratando de aeronaves tripuladas, ´e importante mencionar que estudos mostram que a colis˜ao de VANTs com aeronaves tende a causar danos mais graves do que o impacto de aves (problema j´a abordado na avia¸c˜ao) de porte similar (28).
Levando-se em considera¸c˜ao o risco de colis˜ao entre VANTs e aeronaves ou outros objetos, e levando-se em considera¸c˜ao tamb´em as v´arias potenciais aplica¸c˜oes ben´eficas do uso de VANTs, pode-se concluir que ´e necess´aria a existˆencia de algum tipo de sistema ou m´etodo pelo qual o seu tr´afego junto ao espa¸co a´ereo possa ocorrer com seguran¸ca.
2
ASPECTOS CONCEITUAIS
“A d´uvida cresce com o conhecimento.”
-- Johann Wolfgang von Goethe
2.1
Introdu¸
c˜
ao
Nesse cap´ıtulo, ser˜ao descritos conceitos utilizados no desenvolvimento desse trabalho. Primeiramente, na se¸c˜ao 2.2, ser´a feita uma breve descri¸c˜ao sobre sistemas de navega¸c˜ao global baseados em sat´elite. Em seguida, ser˜ao feitas descri¸c˜oes breves sobre opera¸c˜oes no espa¸co a´ereo (se¸c˜ao 2.3), algoritmos de preven¸c˜ao de colis˜ao (se¸c˜ao 2.5), autˆomatos celulares, o modelo base do algoritmo adotado nesse trabalho (2.6) e simula¸c˜ao em tempo discreto (se¸c˜ao ??).
2.2
Sistemas de Navega¸
c˜
ao Global baseados em Sat´
elite
Sistemas de Navega¸c˜ao Global baseados em Sat´elites (do inglˆes Global Navigation Satellite Systems) s˜ao sistemas que, com base em sinais transmitidos por sat´elites, modelos geogr´aficos terrestres e dados de posicionamento dos sat´elites, permitem que um receptor desses sinais estime a sua localiza¸c˜ao no planeta.
Exemplos de sistemas GNSS s˜ao o sistema GPS (Global Positioning System, Sistema de Posicionamento Global), cujo desenvolvimento foi iniciado pelos EUA na d´ecada de 70 (2), o sistema Gallileo, similar ao GPS mas desenvolvido e mantido pela Uni˜ao Europeia (29) e o GLONASS (acrˆonimo em russo para Sistema de Navega¸c˜ao Global por Sat´elites), desenvolvido em 1982 pela Uni˜ao Sovi´etica e mantido posteriormente pela R´ussia (30).
Em linhas gerais, a determina¸c˜ao da posi¸c˜ao de um receptor atrav´es de um sis-tema GNSS consiste da medi¸c˜ao de pseudodistˆancias1 pelo receptor. Al´em das
pseu-dodistˆancias, utilizam-se tamb´em dados das ´orbitas dos sat´elites (representados por
al-1Utiliza-se o termo pseudodistˆancia no contexto de GNSS em decorrˆencia do processo de medi¸c˜ao da distˆancia (que no caso, se d´a atrav´es da medi¸c˜ao do tempo de propaga¸c˜ao do sinal do sat´elite at´e o receptor). Ainda que idealmente essa distˆancia deveria ser igual a distˆancia geom´etrica entre ambos, fatores como condi¸c˜oes clim´aticas e multicaminho podem fazer com que o tempo de transmiss˜ao (e consequentemente a distˆancia ”percebida) sejam alterados(31).
manaques e efem´erides, que permitem estimar a posi¸c˜ao dos sat´elites) para que seja rea-lizado um procedimento de multilatera¸c˜ao, retornando assim a posi¸c˜ao do receptor. Uma ilustra¸c˜ao desse processo pode ser vista na figura 2.
Figura 2: Exemplo de trilatera¸c˜ao utilizando um sistema do tipo GNSS. Atrav´es da medi¸c˜ao das pseudodistˆancias R1, R2 e R3 e de dados posicionais dos respectivos sat´elites, ´e poss´ıvel estimar a posi¸c˜ao do receptor. Fonte:(2)
No escopo desse trabalho, pretende-se usar um receptor GNSS como meio de obten¸c˜ao de informa¸c˜oes posicionais, assim como feito no ADS-B (ver se¸c˜ao 2.3.2.1). As posi¸c˜oes informadas pelos VANTs presentes no espa¸co a´ereo ser˜ao utilizadas para a cria¸c˜ao de uma consciˆencia situacional coletiva, que por sua vez ser´a utilizada para que os VANTs utilizem o algoritmo proposto nesse documento para serem direcionados aos seus destinos, evitando colis˜oes.
Como a posi¸c˜ao informada pelos VANTs ser´a utilizada pelo algoritmo para fins de preven¸c˜ao de colis˜ao, ´e interessante que a precis˜ao da informa¸c˜ao posicional seja a maior poss´ıvel para que o resultado gerado pelo algoritmo seja o mais condizente poss´ıvel com a realidade. Com uma precis˜ao boa o suficiente, ´e poss´ıvel evitar que um ou mais VANTs se encontrem em situa¸c˜oes de risco. Por um outro lado, em se tratando de ado¸c˜ao, quaisquer sensores adicionais a serem instalados em um VANT representam um consumo adicional de energia (e em casos mais extremos, uma adi¸c˜ao de peso significativa).
Para fins de referˆencia, pode-se observar em (32) alguns procedimentos experimen-tais para obter uma distribui¸c˜ao estat´ıstica que represente de maneira realista o com-portamento da discrepˆancia de uma medi¸c˜ao GNSS em rela¸c˜ao a um ponto fixo. Esses procedimentos consistiram do uso de dados obtidos a partir da RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Cont´ınuo), mantida pelo IBGE, obtendo-se um valor m´edio de 1,93m, possivelmente favorecido pela qualidade dos equipamentos utilizados e pelo fato de se tratarem de antenas est´aticas.
de GNSS, inclusive chegando a discrepˆancias centim´etricas. Uma delas, a RTK (Real Time Kinematic), toma base em uma esta¸c˜ao de referˆencia localizada pr´oxima a esta¸c˜ao m´ovel (cuja posi¸c˜ao se deseja determinar) que consegue calcular fatores de corre¸c˜ao para a posi¸c˜ao medida pela esta¸c˜ao m´ovel. Existem solu¸c˜oes no mercado que permitem o uso de RTK em VANTs, como pode ser visto em (33, 34).
Uma desvantagem do RTK ´e a necessidade de uma esta¸c˜ao base, o que por sua vez de-mandaria a instala¸c˜ao de uma rede de esta¸c˜oes base para envio de informa¸c˜oes de corre¸c˜ao. Existe uma variante do RTK chamada PPK (Post Processed Kinematic)(35), utilizada principalmente em agrimensura, que realiza um p´os-processamento das informa¸c˜oes posi-cionais obtidas e que poderia se valer de redes de esta¸c˜oes j´a existentes, como ´e o caso da rede CORS (Continuously Operating Reference Station(36), Sistema de Referenciamento de Opera¸c˜ao Cont´ınua) nos EUA.
Outra maneira ´e o uso de um sistema de complementa¸c˜ao de sinal, que pode ser tanto baseado em sat´elite (SBAS, Satellite Based Augmentation System) como baseado em uma esta¸c˜ao em solo (GBAS, Ground Based Augmentation System). Sistemas base-ados em sat´elites utilizam sat´elites auxiliares para melhoria de qualidade da informa¸c˜ao posicional obtida atrav´es de GNSS (incluindo, mas n˜ao restrito a melhoria da precis˜ao, da disponibilidade e integridade)(31).
Um exemplo interessante de SBAS a ser mencionado ´e o QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), desenvolvido no Jap˜ao para prover um servi¸co de posicionamento em ambientes urbanos (urban canyons) e regi˜oes montanhosas. Como esse tipo de ambiente pode favo-recer a ocorrˆencia de multipercurso (pela presen¸ca de obst´aculos elevados), essa solu¸c˜ao tem como objetivo fazer com que alguns sat´elites permane¸cam em ´orbita sobre o Jap˜ao de maneira que seu ˆangulo de eleva¸c˜ao2 seja pr´oximo ao do zˆenite (o que corresponderia a um ˆangulo de eleva¸c˜ao de 90 graus, origem do nome ”quase-zenital”), como pode ser visto na figura 3. Entende-se que o uso de um sistema como o QZSS pode facilitar o uso de VANTs em ´areas urbanas (37).
Um problema relacionado ao uso de SBAS ´e a degrada¸c˜ao da sua performance em fun¸c˜ao das condi¸c˜oes ionosf´ericas sobre o ponto de medi¸c˜ao. Em decorrˆencia da Anomalia Equatorial Ionosf´erica, regi˜ao localizada pr´oxima ao Equador (vide figura 4) na qual a atividade ionosf´erica ´e mais intensa, a performance desse tipo de sistema ´e comprometida, dificultando a aplica¸c˜ao desse tipo de sistemas em se¸c˜oes cr´ıticas de voo de aeronaves tripuladas (como por exemplo durante o pouso)(38). Com esses fatores, faz-se necess´ario
Figura 3: Gr´afico ilustrativo sobre a constela¸c˜ao de sat´elites do QZSS e seu comportamento esperado em se tratando de ˆangulo de eleva¸c˜ao. Fonte:(http://qzss.go.jp/en/technical/technology/orbit.html). Acesso em 03/03/2018.
a ado¸c˜ao de outro sistema para melhoria de precis˜ao.
Figura 4: Gr´afico que ilustra a Anomalia Ionosf´erica Equatorial (mostrando a frequˆencia de cintila¸c˜oes ionosf´ericas, com cores pr´oximas do vermelho representando uma maior frequˆencia e cores pr´oximas do azul uma frequˆencia menor). Pode-se ob-servar que o Brasil como um todo encontra-se localizado dentro da regi˜ao da ano-malia. Fonte:(http://gpsworld.com/gnss-systemsignal-processinginnovation-ionospheric-scintillations-12809/). Acesso em 03/03/2018.
Como maneira de estudar a tolerˆancia por parte do sistema em rela¸c˜ao a degrada¸c˜ao de condi¸c˜oes operacionais de sistemas GNSS (causando, assim, uma perda de precis˜ao das medidas), pretende-se inserir a imprecis˜ao de medida de posi¸c˜ao como uma vari´avel de controle na simula¸c˜ao. Atrav´es do controle dessa vari´avel (feito atrav´es da altera¸c˜ao da sua m´edia, com base nas informa¸c˜oes observadas em (32)), pretende-se executar testes com variados valores de imprecis˜ao posicional com o objetivo de avaliar a ocorrˆencia de situa¸c˜oes de risco. Esse procedimento de avalia¸c˜ao de n´ıveis de seguran¸ca ´e adotado em (32) e em (39).
2.2.1
Conclus˜
oes parciais do t´
opico
Com base na revis˜ao feita acima sobre opera¸c˜oes aeron´auticas no espa¸co a´ereo, foi poss´ıvel obter as seguintes conclus˜oes:
• Faz-se necess´ario levar em considera¸c˜ao, para fins de projeto, a imprecis˜ao inserida por GNSS e eventuais efeitos adversos que sejam por elas causadas, al´em de fatores ambientais ou diversos que contribuam para essa imprecis˜ao.
• A presen¸ca da anomalia ionosf´erica equatorial, assim como serve de motiva¸c˜ao para a condu¸c˜ao de estudos sobre GBAS no Brasil, tamb´em serve de motiva¸c˜ao para pesquisas em tecnologias que facilitem o posicionamento de VANTs.
2.3
Opera¸
c˜
oes Aeron´
auticas no Espa¸
co A´
ereo
O acesso ao espa¸co a´ereo, sua setoriza¸c˜ao, procedimentos a serem adotados pelas aeronaves que nele se encontrem e diversos outros aspectos relacionados a opera¸c˜oes ae-ron´auticas s˜ao regidos por normas espec´ıficas. Via de regra, essas normas podem ser divididas em normas federais (isto ´e, espec´ıficas de um determinado pa´ıs) ou internacio-nais (que servem tanto para balizar algumas normas federais como tamb´em para aplica¸c˜ao em ´areas internacionais). Pretende-se usar as normas pr´e-existentes como uma base para a determina¸c˜ao de procedimentos a serem adotados no escopo do sistema descrito nesse documento.
2.3.1
Divis˜
oes do Espa¸
co A´
ereo
O espa¸co a´ereo corresponde a se¸c˜ao da atmosfera que encontra-se acima de um deter-minado territ´orio. Ele pode ser dividido de variadas maneiras, sendo de especial interesse as divis˜oes abaixo:
• por tipo de servi¸co de controle de tr´afego prestado;
• por altitude, regi˜ao geogr´afica ou por outras raz˜oes que fa¸cam necess´aria a aplica¸c˜ao de uma restri¸c˜ao de circula¸c˜ao em um dado setor do espa¸co a´ereo (espa¸co a´ereo condicionado);
Em se tratando de tipo de servi¸co de controle de tr´afego (que inclusive pode n˜ao ser prestado, o que faz com que um certo setor de espa¸co a´ereo n˜ao seja controlado), pode-se
observar na se¸c˜ao 2.6 do Anexo 11 da ICAO (40), a seguinte divis˜ao (sendo a categoria A a mais restritiva e a G a menos restritiva):
• Classe A - Apenas voos IFR s˜ao permitidos, servi¸co de ATC provido e separa¸c˜ao entre aeronaves
• Classe B - Tanto voos em condi¸c˜oes VFR como IFR s˜ao permitidos, havendo a presta¸c˜ao de servi¸co ATC e separa¸c˜ao entre aeronaves.
• Classe C - Tanto voos em condi¸c˜oes VFR como IFR s˜ao permitidos. O servi¸co ATC ´
e prestado para todos os voos, sendo que voos IFR s˜ao separados de voos IFR e VFR enquanto voos VFR s˜ao separados de voos IFR e recebem informa¸c˜oes de tr´afego acerca de outros voos VFR.
• Classe D - Tanto voos em condi¸c˜oes VFR como IFR s˜ao permitidos. O servi¸co ATC ´
e prestado para todos os voos, sendo que voos IFR s˜ao separados de voos IFR e recebem informa¸c˜ao acerca de voos VFR. Estes, por sua vez, recebem informa¸c˜oes de tr´afego acerca dos demais voos.
• Classe E - Tanto voos em condi¸c˜oes VFR como IFR s˜ao permitidos, sendo que voos IFR recebem servi¸co ATC e s˜ao separados dos demais voos IFR. Todos os voos recebem informa¸c˜oes sobre os demais dentro de limites pr´aticos.
• Classe F - Voos em condi¸c˜oes VFR e IFR s˜ao permitidos. Voos IFR recebem um servi¸co de assistˆencia em rela¸c˜ao ao tr´afego a´ereo (advisory service) e todos os voos recebem informa¸c˜oes sobre os demais sob demanda.
• Classe G - Voos em condi¸c˜oes VFR e IFR s˜ao permitidos, recebendo um servi¸co de informa¸c˜oes de voo caso requisitado.
As classes A a E s˜ao consideradas como sendo espa¸cos a´ereos controlados e as classes F e G como n˜ao controlados. A atribui¸c˜ao geogr´afica (i.e., a determina¸c˜ao de qual local do espa¸co a´ereo ser´a adotada como tal) com base nessas normas ´e feita por cada pa´ıs, sendo estes livres para adotar ou n˜ao algumas das classes. Em conjunto com o tipo de controle de tr´afego, o uso de uma divis˜ao de espa¸co a´ereo que tome como base o tipo do voo (IFR ou VFR, que ser˜ao explicados no par´agrafo a seguir) faz com que o acesso a esse espa¸co a´ereo seja condicionado aos limites operacionais de cada modalidade de voo.
Conforme a norma ICA 100-12 (Regras do Ar(41)), voos do tipo VFR (Visual Flight Rules, Regras de Voo Visual), devem ser conduzidos em condi¸c˜oes meteorol´ogicas
con-dizentes (denominadas de VMC, Visual Meteorological Conditions, Condi¸c˜oes Meteo-rol´ogicas de Voo Visual em inglˆes), com limite de velocidade apropriado e com altitude inferior a 15000 p´es (FL150). A altura em rela¸c˜ao ao solo tamb´em ´e regulamentada, n˜ao podendo ser inferior a 300m do obst´aculo mais alto em um raio de 600m da aeronave em locais habitados e inferior a 150m nos demais casos. Pilotos que executam opera¸c˜oes VFR noturnas, de acordo com a mesma norma, precisam ser certificados para operar em condi¸c˜oes VFR.
Voos do tipo IFR (Instrument Flight Rules, Regras de Voo por Instrumento), por sua vez, s˜ao conduzidos em condi¸c˜oes meteorol´ogicas inferiores `as especificadas na VMC3 mas superiores `as condi¸c˜oes m´ınimas de voo especificadas para a aeronave. Para tal, ´e ne-cess´ario que tanto o piloto como a aeronave estejam certificados para esse tipo de opera¸c˜ao, sendo que a aeronave deve contar com equipamentos de assistˆencia como um indicador de horizonte artificial (figura 5), sistemas de r´adio-navega¸c˜ao (como VOR, DME) e sistemas de assistˆencia para pouso (ILS).
Figura 5: Indicador de horizonte artificial, com marca¸c˜oes que indicam os ˆangulos de rolagem e arfagem de uma aeronave.
Em se tratando de divis˜oes por restri¸c˜ao de circula¸c˜ao, a norma ICA 100-38 (42) de-termina alguns procedimentos e padr˜oes para a cria¸c˜ao de espa¸cos a´ereos condicionados. Nessa norma, eles podem ser classificados como perigosos (´areas nas quais podem exis-tir eventos perigosos para voos), restritos (voo restringidos sobre condi¸c˜oes definidas) e proibidos (onde o sobrevoo ´e, evidentemente, proibido).
3E poss´ıvel conduzir uma modalidade especial de voo VFR, chamada de SFVR, que consiste em´ manter opera¸c˜oes visuais em condi¸c˜oes meteorol´ogicas inferiores as necess´arias para o voo VFR, mas essa modalidade n˜ao ser´a abordada aqui.
A determina¸c˜ao de um espa¸co a´ereo como sendo perigoso (em decorrˆencia de uma dada atividade) tem como objetivo informar `as demais aeronaves sobre a atividade em quest˜ao, quando esta represente um risco `a seguran¸ca da navega¸c˜ao a´erea. A restri¸c˜ao de um espa¸co a´ereo, por sua vez, ocorre quando se deseja proteger uma determinada ´area (e.g., prote¸c˜ao ambiental) ou o espa¸co utilizado para a execu¸c˜ao de uma atividade a´erea (e.g. voos aerob´aticos e lan¸camento de paraquedistas). Por ´ultimo, a classifica¸c˜ao de um espa¸co a´ereo como proibido ocorre em decorrˆencia de motivos relacionados `a seguran¸ca nacional, de voo ou instala¸c˜oes sens´ıveis (e.g., refinarias, usinas hidrel´etricas, penitenci´arias).
2.3.2
Controle de Tr´
afego A´
ereo
Ainda hoje, o controle de tr´afego em um espa¸co a´ereo ´e feito principalmente atrav´es de um enlace de r´adio, atrav´es do qual as entidades envolvidas (controladores de tr´afego a´ereo e pilotos) conseguem estabelecer um canal de comunica¸c˜ao. Com o intuito de evitar erros de recep¸c˜ao, que poderiam acontecer facilmente caso o n´ıvel de ru´ıdo no receptor fosse elevado, a comunica¸c˜ao entre pilotos e controladores sofreu uma s´erie de padroniza¸c˜oes.
Uma delas consiste do alfabeto fon´etico, desenvolvido pela OTAN em 1956 e que consiste de uma tabela de equivalˆencia para a pron´uncia de determinadas letras (como por exemplo a matr´ıcula de uma aeronave, utilizada para identifica¸c˜ao). Por exemplo, a letra A ´e pronunciada como Alfa, a letra B pronunciada como Bravo, e assim sucessivamente
4.
A outra consiste da cria¸c˜ao de um padr˜ao de fraseologia, normatizando como um certo tipo de informa¸c˜ao (e.g., uma solicita¸c˜ao de pouso) deve ser comunicada em ambas as dire¸c˜oes. O uso de uma fraseologia faz com que eventuais ambiguidades de comunica¸c˜ao sejam evitadas e erros de percep¸c˜ao sejam reduzidos5 No caso do Brasil, esse padr˜ao ´e
regido pela norma MCA 100-16 (Fraseologia de Tr´afego A´ereo (44)), que prevˆe formas padronizadas para a transmiss˜ao de informa¸c˜oes (e.g., posi¸c˜ao da aeronave, inten¸c˜oes de pouso/decolagem, dentre outros).
Al´em de padr˜oes de comunica¸c˜ao, existem rotas padr˜ao com o intuito de facilitar o controle de navega¸c˜ao no espa¸co a´ereo e procedimentos padronizados de aproxima¸c˜ao para aeroportos. As rotas padr˜ao, chamadas de aerovias, determinadas atrav´es de pontos fixos (que podem ser tanto reais, como aeroportos e esta¸c˜oes de r´adio-navega¸c˜ao, ou
4Mais informa¸c˜oes sobre o alfabeto fon´etico podem ser vistas em
https://www.nato.int/cps/en/natohq/declassified 136216.htm/
5Para mais detalhes sobre erros de percep¸c˜ao em um contexto de gerenciamento de tr´afego a´ereo, ver (43)
imagin´arios, que consistem de coordenadas geogr´aficas convencionadas). A figura 6 mostra um exemplo de arranjo de aerovias.
Figura 6: Carta ENRC-H2, mostrando aerovias e pontos fixos na regi˜ao pr´oxima ao Aeroporto Internacional de Guarulhos (SBGR). As aerovias consistem dos segmentos de reta azuis, sendo delimitadas por pontos fixos imagin´arios (com 5 letras), esta¸c˜oes de r´adio-navega¸c˜ao (trˆes letras) ou aeroportos (quatro letras ou n´umeros). Fonte: AISWEB
Os procedimentos padr˜ao para pouso, por sua vez, s˜ao utilizados para facilitar o sequenciamento de aeronaves com inten¸c˜ao de pouso, al´em de ajudar a organiza¸c˜ao do espa¸co a´ereo ao redor de um aeroporto. Um procedimento padr˜ao pode ser estabelecido para uma pista de pouso, levando em considera¸c˜ao fatores como o uso de sistemas de aux´ılio de navega¸c˜ao (e.g., VOR) ou pouso via instrumentos (ILS). A figura 7 ilustra um procedimento padr˜ao para a pista 27L do Aeroporto Internacional de Guarulhos utilizando VOR.
Figura 7: Excerto do procedimento de pouso via VOR para a pista 27L do Aeroporto Internacional de Guarulhos (SBGR). Fonte: AISWEB
Em se tratando de pesquisa, ´e interessante mencionar que perspectivas para o futuro tendem a se concentrar na automa¸c˜ao da gest˜ao do tr´afego a´ereo (evitando assim a in-fluˆencia de fatores humanos, como erros de mem´oria (45) e percep¸c˜ao (43)) e no conceito de free flight (voo livre, em inglˆes), no qual as aeronaves que se encontrem em um espa¸co a´ereo seriam livres para adotar uma rota ou outra a depender de crit´erios variados, sem a necessidade de seguir uma aerovia fixa.
2.3.2.1 Canais de comunica¸c˜ao adotados
Conforme mencionado anteriormente, a comunica¸c˜ao tradicionalmente adotada entre as aeronaves e os controladores de tr´afego a´ereo consiste da transmiss˜ao de voz atrav´es de um enlace de r´adio. De acordo com a RBHA 91, aeronaves precisam ter ao menos um meio de comunica¸c˜ao via r´adio (46) para operarem no espa¸co a´ereo. Existem, tamb´em com base em comunica¸c˜oes via r´adio, outros canais de comunica¸c˜ao utilizados para fins de controle de tr´afego a´ereo, dentre os quais pode-se mencionar o CPDLC e o ADS-B.
O CPDLC (Controller-Pilot Data-Link Communication, Comunica¸c˜ao via Enlace de Dados entre Controlador de Tr´afego A´ereo e Piloto) consiste de um sistema padronizado
que tem como fun¸c˜ao complementar o uso de comunica¸c˜ao de voz via r´adio ao permitir envio e recebimento de mensagens de texto. A figura 8 mostra um exemplo de interface de comunica¸c˜ao via CPDLC.
Figura 8: Exemplo de interface para comunica¸c˜ao via CPDLC em um Gulfstream G450. Fonte: (3)
Permitindo tanto o uso de mensagens padronizadas (prefer´ıvel, de acordo com a norma Doc 4444 da ICAO (47)) como texto livre, ele j´a ´e utilizado em algumas ´areas de controle de tr´afego a´ereo que n˜ao sejam cr´ıticas em rela¸c˜ao ao tempo, como autoriza¸c˜ao de planos de voo (48) e em regi˜oes oceˆanicas, onde a separa¸c˜ao entre aeronaves pode chegar a 50 milhas n´auticas. Em parte, isso se deve ao grande tempo de envio de mensagem e confirma¸c˜ao de recebimento que pode ser observado em algumas vers˜oes do CPDLC, chegando at´e a 400s (pouco menos que 7 minutos) em certos casos. Em (49), um estudo sobre os n´ıveis de seguran¸ca proporcionados pelo uso do CPDLC em uma ´area terminal, pode-se observar que a sua ado¸c˜ao pode levar a n´ıveis de seguran¸ca equipar´aveis ou melhores dos que s˜ao observados quando do uso da comunica¸c˜ao via voz sobre enlace de r´adio.
O ADS-B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast, Vigilˆancia Dependente Autom´atica por R´adiodifus˜ao), consiste do envio de mensagens posicionais atrav´es do canal de r´adio do modo S. Essas mensagens, que cont´em informa¸c˜oes posicionais obtidas a partir de sistemas GNSS, s˜ao espalhadas por r´adiodifus˜ao a todas as aeronaves presentes em um determinado raio de alcance. Atrav´es do uso desse tipo de sistema, pretende-se reduzir a dependˆencia de sistemas de aux´ılio a navega¸c˜ao baseados no solo (e.g. radares e esta¸c˜oes VOR), o que tamb´em facilita o provimento de um servi¸co de controle de tr´afego a´ereo em ´areas mais remotas.
O servi¸co de vigilˆancia proporcionado pelo ADS-B toma base na cria¸c˜ao de uma consciˆencia situacional coletiva. Como o uso de r´adiodifus˜ao faz com que todas as aerona-ves em um determinado espa¸co recebam a informa¸c˜ao enviada por uma aeronave emissora, aeronaves que contem ao menos com um receptor ADS-B conseguem ter uma visualiza¸c˜ao da posi¸c˜ao e comportamento das demais aeronaves que ocupem o espa¸co a´ereo, dispen-sando assim a necessidade da transmiss˜ao de tais informa¸c˜oes por um ATCo atrav´es de transmiss˜ao de voz via r´adio. Uma ilustra¸c˜ao da arquitetura do ADS-B como um sistema pode ser vista na figura 9
Figura 9: Arquitetura do ADS-B como um sistema. Fonte: (4)
Alguns exemplos de implanta¸c˜ao do ADS-B como provedor de servi¸co de controle de tr´afego a´ereo podem ser vistos na Bacia de Campos (50) e na Austr´alia, onde aeronaves que operem no FL 290 ou acima devem ter suporte ao uso do ADS-B (51). Uma aplica¸c˜ao secund´aria de interesse s˜ao redes de sensores distribu´ıdos para monitoramento do espa¸co a´ereo, servi¸co executado por sites como o FlightRadar24 (figura 10):
Figura 10: Captura de tela do site FlightRadar24 sobre a Am´erica do Sul. Fonte: Fligh-tRadar24
Apesar de ser um passo importante em se tratando de CNS/ATM, ´e importante res-saltar que o ADS-B possui v´arias vulnerabilidades e falhas de seguran¸ca. Por exemplo, a ausˆencia de um mecanismo de autentica¸c˜ao de mensagens permite facilmente que men-sagens falsas sejam injetadas no sistema sem serem detectadas, al´em do protocolo de transmiss˜ao via r´adio ser suscet´ıvel a jamming. Uma revis˜ao detalhada sobre vulnerabi-lidades do ADS-B e potenciais m´etodos de mitiga¸c˜ao pode ser visto em (4).
Ainda por ´ultimo, ´e interessante mencionar o radar secund´ario, que combina um radar propriamente dito (isso ´e, baseado apenas na reflex˜ao de ondas em um alvo que se deseja detectar, conceito de opera¸c˜ao do radar prim´ario) com um canal de comunica¸c˜ao com um transponder (que por sua vez, utiliza o modo X em uma frequˆencia de 1090 MHz
para fins de comunica¸c˜ao). Nesse caso, as informa¸c˜oes obtidas pelo radar prim´ario s˜ao complementadas com as informa¸c˜oes transmitidas no transponder.
2.3.3
Sistemas Anti-Colis˜
oes
Em se tratando de sistemas de preven¸c˜ao de colis˜oes, ´e interessante mencionar dois tipos, que s˜ao os sistemas de preven¸c˜ao em pleno ar (ACAS - Airborne Collision Avoidance System, sistema de preven¸c˜ao de colis˜ao em pleno ar em inglˆes) e sistemas de preven¸c˜ao de colis˜ao contra o solo (TAWS - Terrain Awareness and Warning System, sistema de alerta e consciˆencia sobre o terreno em inglˆes).
A cria¸c˜ao de ambos os sistemas deriva de acidentes relacionados, como ´e o caso do voo Gol 1907 em 2007 (52) que envolveu uma colis˜ao em pleno ar entre duas aeronaves e o caso do acidente no qual faleceu o candidato a presidente Eduardo Campos, em 2014 (53), que foi do tipo CFIT (Voo controlado em dire¸c˜ao ao terreno). ´E interessante lembrar que os acidentes que de fato levaram ao desenvolvimento de ambos os sistemas predatam os acidentes utilizados como exemplo nesse texto, que foram escolhidos para fins de ilustra¸c˜ao por serem mais conhecidos entre os brasileiros.
Um exemplo atual de sistema de preven¸c˜ao de colis˜ao ´e o TCAS (Traffic Collision Avoidance System, sistema de preven¸c˜ao de colis˜ao de tr´afego em uma tradu¸c˜ao livre do inglˆes). Nesse sistema, um enlace de r´adio ´e estabelecido entre as aeronaves presentes em uma se¸c˜ao do espa¸co a´ereo, sendo emitidos alertas para os pilotos em caso de risco de colis˜ao. Dois tipos de alertas s˜ao emitidos, sendo o primeiro para fins de consciˆencia situacional (Traffic Advisory) e o segundo como indica¸c˜ao de manobra evasiva (Resolution Advisory)6
Para fins de preven¸c˜ao de colis˜ao contra o solo, pode-se mencionar dois sistemas, que s˜ao o GPWS (Ground Proximity Warning System, sistema de aleta de proximidade do solo em inglˆes) e o EGPWS (de Extended-GPWS, GPWS estendido em portuguˆes). A diferen¸ca entre ambos ´e que, enquanto o GPWS conta apenas com a medi¸c˜ao de altura em rela¸c˜ao ao solo atrav´es de um equipamento chamado de r´adio-alt´ımetro, o EGPWS conta com uma base de dados topogr´aficos que permite a previs˜ao de risco de colis˜ao com o solo em um intervalo de tempo maior (o uso apenas do r´adio-alt´ımetro pode fazer com que a opera¸c˜ao em regi˜oes de relevo acidentado, como montanhas, acarrete em situa¸c˜oes onde o aviso de proximidade ´e emitido sem que haja tempo h´abil para rea¸c˜ao).
6Inclusive, a t´ıtulo de curiosidade, se as instru¸c˜oes de manobra evasiva informadas pelo TCAS confli-tarem com as indicadas pelo controlador de voo, pilotos devem obedecer as instru¸c˜oes informadas pelo TCAS (procedimento criado como recomenda¸c˜ao ap´os o acidente de ¨Uberlingen (54)).
De acordo com a norma RBHA 91 (46), todas as aeronaves com motores a jato com capacidade de carregar seis ou mais passageiros devem ser equipadas com um sistema EGPWS. Al´em disso, sobre a mesma norma, aeronaves com capacidade de carregar 20 ou mais passageiros devem ser equipadas com um sistema do tipo TCAS II. Demais regras e requisitos operacionais para aeronaves civis podem ser vistos em (46, 55).
2.3.4
Desafios na Gest˜
ao de Tr´
afego A´
ereo de VANTs
A gest˜ao do tr´afego a´ereo de VANTs, por si s´o, constitui um ”problema aberto”na ´area de gest˜ao de tr´afego a´ereo. Problemas associados a esse tipo de gest˜ao de tr´afego a´ereo podem ser divididos, aproximadamente, em problemas de cultura operacional, capacidade operacional e de ordem f´ısica. Definem-se como problemas de cultura operacional quest˜oes relacionadas a h´abitos, conhecimento de normas, tecnologias e modos de opera¸c˜ao por parte de usu´arios de VANTs. Problemas de capacidade operacional, por sua vez, dizem respeito a influˆencia de limita¸c˜oes f´ısicas de VANTs na sua capacidade de opera¸c˜ao no espa¸co a´ereo comum. Por ´ultimo, problemas de ordem f´ısica s˜ao relacionados a limita¸c˜oes f´ısicas e/ou eletromagn´eticas que influenciam a opera¸c˜ao segura de VANTs no espa¸co a´ereo comum.
Em se tratando de problemas de cultura operacional, pode-se mencionar:
• A simplicidade de opera¸c˜ao de alguns tipos de VANT (especialmente os comerciais, que s˜ao vendidos quase que como brinquedos), faz com que esse tipo de equipamento seja alvo de interesse de pessoas que n˜ao tinham ou tem muito contato com padr˜oes e normas operacionais. Ao contr´ario do aeromodelismo, cujos praticantes s˜ao muitas vezes entusiastas da avia¸c˜ao, ´e necess´ario criar mecanismos que difundam entre os operadores de VANTs conhecimento sobre padr˜oes e normas de uso do espa¸co a´ereo.
• Seguindo a mesma linha, ´e necess´ario o desenvolvimento de uma mentalidade ori-entada a seguran¸ca por parte dos usu´arios, no sentido de entender que o impacto potencial de n˜ao seguir as regras de uso do espa¸co a´ereo pode ter consequˆencias grav´ıssimas. O sobrevoo de locais proibidos ou opera¸c˜oes feitas de forma imprudente podem causar acidentes que envolvam perdas patrimoniais substanciais, ferimentos ou at´e mesmo mortes.
• A diversidade de VANTs (tamanhos, autonomias, dentre outros) e seus dom´ınios de aplica¸c˜ao ´e um fator que torna a inser¸c˜ao de equipamentos de quaisquer equi-pamentos adicionais (seja para fins de navega¸c˜ao ou comunica¸c˜ao) mais complexa. A inser¸c˜ao de um novo equipamento deve levar em considera¸c˜ao o seu consumo de energia e sua instala¸c˜ao f´ısica no VANT.
• A possibilidade de colis˜ao de aeronaves com p´assaros faz com que diversas medidas de seguran¸ca sejam adotadas nas ´areas ao redor de aeroportos, envolvendo desde o uso de falcoaria (uso de aves de rapina treinadas para ca¸car outros p´assaros7) e at´e o controle do exerc´ıcio de atividades que possam atrair aves, como especificado na lei 12.725/2012. No caso de VANTs, por terem dimens˜oes similares a de p´assaros, pode-se esperar que os impactos de uma colis˜ao com um p´assaro sejam maiores em se tratando de capacidade de prosseguimento de opera¸c˜ao (e de impactos colaterais, em uma eventual queda).
Por ´ultimo, pode-se citar como exemplos de problemas de ordem f´ısica:
• Colis˜oes entre VANTs e aeronaves, assim como colis˜oes entre aeronaves e p´assaros, s˜ao eventos de risco perigosos que podem por em risco a opera¸c˜ao da aeronave afetada. Em se tratando de VANTs, por terem a sua estrutura feita de materiais met´alicos, espera-se que a colis˜ao de um VANT seja mais danosa a uma aeronave do que a de um p´assaro do mesmo tamanho.
• O crescimento do n´umero de VANTs que usem um canal de comunica¸c˜ao entre si pode levar ao congestionamento do canal, abrindo margem para um uso menos eficiente do espa¸co a´ereo ou mesmo a mais eventos de risco.
ICA 100-40 Algumas perspectivas operacionais que tem como objetivo solucionar ou contornar os desafios citados acima podem ser vistas na se¸c˜ao 2.4, que comenta sobre perspectivas sistˆemicas de gest˜ao de tr´afego a´ereo.
2.3.5
Estudos sobre seguran¸
ca operacional (safety ) da opera¸
c˜
ao
de VANTs
Ainda que a presen¸ca de VANTs no espa¸co a´ereo esteja em uma fase inicial, j´a existem estudos referentes a metodologias de avalia¸c˜ao de seguran¸ca operacional de VANTs. ´E
interessante ressaltar que a variedade de VANTs existentes faz com que esses estudos tendam a ter foco ora em VANTs de asa fixa, ora em VANTs de asa rotativa. Abordagens nas quais ambos os tipos s˜ao levados em considera¸c˜ao tamb´em podem ser encontradas.
Em (56), utiliza-se a abordagem TLS em conjunto com uma ´arvore de falhas para avaliar a seguran¸ca da opera¸c˜ao de VANTs de asa fixa, modelando a quantidade de pessoas feridas 8 por uma eventual colis˜ao de VANT contra o solo. Consideram-se, nesse artigos,
fatores como a densidade populacional e a influˆencia ou n˜ao de um abrigo que proteja pessoas.
Em outro artigo do mesmo autor, (57), tamb´em utiliza-se TLS em conjunto com uma ´arvore de falhas para determinar requisitos de SAA (Sense and Avoid, a capacidade de perceber o risco de uma colis˜ao e executar procedimentos que mitiguem esse risco). Algumas observa¸c˜oes interessantes feitas nesse artigo s˜ao:
• A efic´acia de um sistema como o TCAS para fins de preven¸c˜ao de colis˜ao cai prati-camente pela metade caso a ado¸c˜ao desse tipo de sistema n˜ao for total.
• Experimentos conduzidos pelo autor mostram que o uso de uma setoriza¸c˜ao ade-quada do espa¸co a´ereo permitiria que VANTs operassem no espa¸co a´ereo com n´ıveis de seguran¸ca equipar´aveis aos da avia¸c˜ao geral, sem a necessidade de contar com sistemas do tipo SAA.
Nesse mesmo escopo, podem ser vistos artigos que exemplificam implementa¸c˜oes de sistemas SAA de baixo custo em VANTs (como ´e o caso de (58), que mostra um sistema de preven¸c˜ao de colis˜oes desenvolvido com componentes eletrˆonicos de prateleira) e propostas de arquitetura para sistemas de detec¸c˜ao de conflitos de separa¸c˜ao e sua resolu¸c˜ao baseadas em sucessivas camadas de seguran¸ca (59).
2.3.6
Conclus˜
oes parciais do t´
opico
Com base na revis˜ao feita acima sobre opera¸c˜oes aeron´auticas no espa¸co a´ereo, foi poss´ıvel obter as seguintes conclus˜oes:
• Em se tratando de sistemas de comunica¸c˜ao aeron´autica, existem solu¸c˜oes j´a em uso que envolvem a comunica¸c˜ao entre aeronaves para o provimento de um servi¸co de controle de espa¸co a´ereo.
8O termo utilizado no artigo, casualties, n˜ao possui uma tradu¸c˜ao direta no portuguˆes. Como normal-mente essa palavra envolve tanto v´ıtimas de ferimentos n˜ao-letais como v´ıtimas fatais, preferiu-se utilizar o termo ”feridas”, ainda que em contexto militar costume-se utilizar o termo ”baixas”.
• A ado¸c˜ao de listas de equipamentos m´ınimos e procedimentos de certifica¸c˜ao para permitir que uma aeronave opere em um dado setor do espa¸co a´ereo sugere que procedimentos similares dever˜ao ser adotados para VANTs.
• A setoriza¸c˜ao do espa¸co a´ereo, em conjunto com crit´erios de restri¸c˜ao de entrada com base em procedimentos operacionais e equipamentos a bordo, sugere que um procedimento an´alogo deva ser adotado em se tratando de gest˜ao de tr´afego a´ereo de VANTs.
• Por quest˜oes de limita¸c˜oes de protocolo e tolerˆancia a falhas, ´e interessante que VANTs contem com um sistema de preven¸c˜ao de colis˜ao em n´ıvel t´atico (no caso do algoritmo proposto, evitando colis˜oes dentro de uma c´elula do espa¸co a´ereo).
• Assim como ´e o caso de outros tipos de sistemas cr´ıticos (como tr´afego a´ereo e ferrovi´ario), a opera¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo deve ser estudada tamb´em em uma perspectiva de seguran¸ca operacional (safety).
2.4
Perspectivas Sistˆ
emicas
Em se tratando de perspectivas sistˆemicas, existem duas perspectivas principais em se tratando de gest˜ao de tr´afego a´ereo, que s˜ao a CNS/ATM e a UTM. Ambas ser˜ao abordadas a seguir.
2.4.1
CNS/ATM
O conceito CNS/ATM (CNS sendo Communication, Navigation, Surveillance, Comu-nica¸c˜ao, Navega¸c˜ao, Vigilˆancia em uma tradu¸c˜ao livre do inglˆes) representa o processo de moderniza¸c˜ao dos sistemas de controle de tr´afego a´ereo com a inten¸c˜ao de atender a demanda futura (60). Esse conceito come¸cou a ser estabelecido no in´ıcio da d´ecada de 80, quando a OACI estabeleceu o comitˆe FANS (Future Air Navigation Systems) com o intuito de analisar e refatorar sistemas e procedimentos aeron´auticos para tal.
A diretriz DOC 9750, da OACI, foi escrita em 2002 e permite a vis˜ao de um ponto de vista hist´orico do CNS/ATM. Alguns exemplos de problemas encontrados com os procedimentos e sistemas anteriores ao CNS/ATM s˜ao, de acordo com (5), a limita¸c˜ao de propaga¸c˜ao de sinais em linha de visada, limita¸c˜oes do uso de um enlace de voz sobre r´adio e a ausˆencia, a epoca, de um enlace digital de comunica¸c˜ao entre a aeronave e o solo.
Em se tratando de cada um dos sub-itens do CNS/ATM, pretendiam-se adotar diver-sas tecnologias ou mudan¸cas de procedimento para fins de resolu¸c˜ao:
• Em se tratando de comunica¸c˜ao, pretendia-se implantar gradualmente o uso de um canal VHF para a transmiss˜ao digital de informa¸c˜oes (esse canal at´e hoje ´e ampla-mente usado para comunica¸c˜oes via voz). Pretendia-se tamb´em utilizar canais HF para transmiss˜ao de informa¸c˜oes e o canal do radar secund´ario (SSR), o modo S, para transmiss˜ao de informa¸c˜oes ar-solo. Os benef´ıcios esperados com essas altera¸c˜oes eram relacionados principalmente com a possibilidade de uma maior integra¸c˜ao entre o controle em solo e sistemas automatizados embarcados nas aeronaves.
• Em se tratando de navega¸c˜ao, pretendia-se implantar gradualmente o sistema RNAV, que permite uma maior liberdade de voo em IFR ao permitir a escolha de uma tra-jet´oria intermedi´aria entre dois pontos fixos, em conjunto com uma maior ado¸c˜ao de GNSS como um servi¸co de navega¸c˜ao.
• Em se tratando de vigilˆancia, por sua vez, pretendia-se manter a ado¸c˜ao do radar secund´ario em ´areas terminais ou de alta densidade, com uma introdu¸c˜ao do conceito de ADS (Automatic Dependent Surveillance, Vigilˆancia Dependente Autom´atica em portuguˆes) para ´areas oceˆanicas e em ´areas continentais sem servi¸co de radar. Um exemplo de sistema ADS citado ´e o ADS-B.
• Por ´ultimo, em se tratando de tr´afego a´ereo, cita-se que a sua gest˜ao seria a maior benefici´aria do CNS como um todo, em conjunto com uma maior liberdade propor-cionada para os pilotos estabelecerem rotas (sem a necessidade, por exemplo, de se ater a pontos fixos pr´e-determinados ou mesmo aerovias).
A figura 11, por sua vez, mostra as vantagens da ado¸c˜ao do CNS/ATM em conjunto com os benef´ıcios ponto a ponto do CNS em ATM:
Figura 11: Excerto do Doc 9750, mostrando os pontos positivos do CNS t´opico a t´opico e suas influˆencias em ATM. Fonte: (5)
Em se tratando de implanta¸c˜ao no Brasil, prevˆe-se que a ´ultima fase ter´a fim em 2020.
2.4.2
UTM
2.4.2.1 Uma breve hist´oria do uso de VANTs
Existem diversos registros hist´oricos sobre a opera¸c˜ao de VANTs, principalmente em aplica¸c˜oes militares. Ainda que existam controv´ersias de defini¸c˜oes, h´a quem considere que o primeiro uso militar de um VANT se deu na ´Austria, em 1849 (61), onde as for¸cas ar-madas austr´ıacas utilizaram bal˜oes providos de bombas temporizadas, levadas por ventos favor´aveis em dire¸c˜ao a Veneza.
A posteriori, pode-se observar outras ideias e conceitos de ve´ıculos a´ereos desprovidos de tripula¸c˜ao, capazes de se guiar ora por meios pr´oprios ou controlados remotamente, como em patentes de dispositivos similares aos usados pelos austr´ıacos conferidas em 1862 e 1863 (61).
Mais adiante, por volta da Primeira Guerra Mundial, aparecem os primeiros armamen-tos na forma de aeronaves n˜ao tripuladas, como o Kettering Bug, uma aeronave-bomba que foi desenvolvida mas n˜ao utilizada pelos EUA na Primeira Guerra Mundial, e o DeHa-villand DH.82 Queen Bee, um biplano adaptado para ser controlado via r´adio utilizado como alvo para treino de abate pelo Reino Unido em 1935 (62).
Aplica¸c˜oes militares continuaram, por muito tempo, sendo o principal foco do uso de VANTs. Outros exemplos not´orios s˜ao o uso de VANTs para fins de reconhecimento na Guerra do Vietn˜a (63) e tamb´em como plataformas para testar a capacidade de uma aeronave de transpassar uma zona na qual algum armamento nuclear fora detonado, como foi o caso dos testes conduzidos no Atol de Bikini em 1946 (64). Um dos primeiros VANTs com poder de fogo (i.e., capaz de carregar e disparar alguma forma de armamento) foi o MQ-1 Predator, introduzido em opera¸c˜ao pelos EUA em 1995 (65).
Existem registros passados de aplica¸c˜oes de pesquisa. Um exemplo interessante ´e a plataforma HALSOL (High-ALtitude SOLar ), desenvolvida pela NASA e pela empresa AeroVironment com o intuito de estudar a capacidade de voo movido a energia solar em altitudes elevadas, tendo feito seu primeiro voo em 1983 (66).
Como pode-se observar, as primeiras aplica¸c˜oes de VANTs eram principalmente mi-litares e de pesquisa, usando muitas vezes aeronaves adaptadas para serem comandadas a distˆancia ou ve´ıculos de tamanho equipar´avel a de aeronaves tradicionais. At´e por uma quest˜ao de uso espor´adico, n˜ao havia uma demanda muito forte para a cria¸c˜ao de um sistema dedicado para controle de tr´afego a´ereo desse tipo de ve´ıculo. Conforme os VANTs (em especial de uso dom´estico) se popularizaram, entendeu-se que era necess´ario
desenvolver algum tipo de sistema para esse fim.
2.4.2.2 Iniciativas de Pesquisa e Desenvolvimento
Boa parte dos artigos relacionados a gest˜ao de tr´afego a´ereo de VANTs (e sua in-tegra¸c˜ao ao espa¸co a´ereo) ´e posterior a 2012, podendo ser encontrados alguns artigos isolados que comentam aspectos espec´ıficos desse procedimento (13, 67). Um ponto inte-ressante que pode ajudar a explicar esse fenˆomeno ´e o interesse observado em trˆes tipos de assuntos relacionados, que s˜ao o conceito de VANT, o uso de VANTs para ataques militares no Paquist˜ao, e uma marca popular de VANTs (no caso, escolheu-se a DJI). O interesse, nesse caso, foi medido atrav´es do Google Trends, que re´une estat´ısticas sobre as buscas realizadas no Google entre 2004 e 2018 (vide figura 12).
Figura 12: Ilustra¸c˜ao de interesse, entre 2004 e 2015, pelos assuntos VANT, Ataques de drones no Paquist˜ao e DJI. Fonte: Google Trends
Tendo a DJI sendo fundada em 2006, pode-se afirmar que leituras entre 2004 e 2006 provavelmente se tratam de um outlier, que pode ser uma empresa homˆonima mas de outro setor. ´E interessante que o ”interesse”sobre a aplica¸c˜ao militar de um VANT (no exemplo usado, ataques militares conduzidos no Paquist˜ao) pode ser observado ao longo da s´erie temporal, mas que o interesse sobre o assunto ”VANT”parece crescer com influˆencia da marca ”DJI”.
Essa informa¸c˜ao, em conjunto com os artigos encontrados sugere que a populariza¸c˜ao de VANTs entre usu´arios dom´esticos foi um dos fatores que influenciou o in´ıcio das pes-quisas acadˆemicas a respeito da integra¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo.
Em (13), podem ser observados coment´arios acerca de aspectos de seguran¸ca (safety) da integra¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo, sendo utilizadas metodologias de avalia¸c˜ao de seguran¸ca para a obten¸c˜ao de diretrizes de suporte a cria¸c˜ao de leis e normas para tal. (67), por sua vez, faz considera¸c˜oes sobre a capacidade de suporte da integra¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo atrav´es do uso de uma arquitetura baseada em SWIM.
A principal linha de abordagem desse conceito ´e feita por pesquisadores da NASA, utilizando-se a nomenclatura de UTM propriamente dita. O foco atual, em se tratando de diretrizes de pesquisa, s˜ao opera¸c˜oes em alturas de at´e 400 p´es (cerca de 120 metros), e de acordo com (6), o conceito de UTM engloba desde a infraestrutura at´e as pol´ıticas e procedimentos necess´arios para a opera¸c˜ao de UAVs em baixas altitudes. Um diagrama ilustrativo sobre o conceito de opera¸c˜ao descrito em (6) pode ser visto na figura 13.
Figura 13: Opera¸c˜oes de UTM no contexto de classes de espa¸co a´ereo. Fonte:(6).
O primeiro artigo encontrado sobre UTM data de 2014 (68), descrevendo passos ini-ciais para uma melhor defini¸c˜ao futura sobre procedimentos de integra¸c˜ao de VANTs no espa¸co a´ereo (que seria feita em documentos como (9)).
J´a em (68), s˜ao definidos quatro princ´ıpios fundamentais do UTM, que s˜ao:
• Auto-configura¸c˜ao (Self-configuration) - Capacidade de opera¸c˜ao tanto em condi¸c˜oes ideais como tamb´em em cen´arios com condi¸c˜oes degradadas;
• Auto-otimiza¸c˜ao (Self-optimization) - Capacidade de gera¸c˜ao de diferentes trajet´orias, levando em considera¸c˜ao o estado do sistema;
• Auto-prote¸c˜ao (Self-protection) - Capacidade, por parte do sistema, de detectar degrada¸c˜ao de condi¸c˜oes, permitindo que as diretrizes de auto-configura¸c˜ao decidam se as opera¸c˜oes devem ser eventualmente interrompidas;
• Auto-normaliza¸c˜ao (Self-healing) - Capacidade, por parte do sistema, de normalizar opera¸c˜oes por conta pr´opria ap´os um evento at´ıpico.
comentar mais coisas aqui
Pode-se dizer que existe um certo alinhamento do UTM com o CNS/ATM, dado que de acordo com (6), um dos pontos principais de UTM ´e a existˆencia de uma consciˆencia situacional coletiva, baseada no conhecimento de todas as limita¸c˜oes e informa¸c˜oes de alerta. Pode-se observar uma certa influˆencia do conceito de vigilˆancia distribu´ıda e de conceitos de pesquisa como o SWIM.
Em se tratando de configura¸c˜oes de sistema, pode-se observar em (6) o uso de trˆes entidades para fins de divis˜ao de responsabilidades, que s˜ao o operador de um UAS, o fornecedor de servi¸cos ao operador de um UAS (denominado UAS Service Supplier ) e a FAA (Federal Aviation Administration, ´org˜ao governamental estadunidense que participou no desenvolvimento de (6) e tem como objetivo prover as estruturas, normas e a¸c˜oes necess´arias para a manuten¸c˜ao do espa¸co a´ereo dos EUA).
inserir tabela
2.4.3
Conclus˜
oes parciais do t´
opico
Com base na revis˜ao feita acima sobre perspectivas sistˆemicas, foi poss´ıvel obter as seguintes conclus˜oes:
• Existe, grosso modo, uma tendˆencia de que o controle de tr´afego a´ereo seja gradual-mente feito de maneira distribu´ıda (em detrimento do paradigma antigo de controle centralizado) e tamb´em de substitui¸c˜ao do enlace de voz via r´adio como canal de comunica¸c˜ao.
• A ausˆencia de tripula¸c˜ao de um VANT, junto com o seu maior potencial de ocupa¸c˜ao do espa¸co a´ereo, sugerem que o alinhamento de UTM aos paradigmas especificados
no conceito de CNS/ATM ser˜ao necess´arios. Com isso, os preceitos e conclus˜oes ob-servados no CNS/ATM poder˜ao ser utilizados como base para trabalhos conduzidos em um contexto de UTM.
2.5
Algoritmos e procedimentos de preven¸
c˜
ao de
co-lis˜
ao e roteamento
Por muito tempo, acidentes aeron´auticos do tipo ”colis˜ao em pleno ar”foram uma grande preocupa¸c˜ao em termos de seguran¸ca da avia¸c˜ao, por normalmente levarem a danos graves (e eventualmente a destrui¸c˜ao total da aeronave) e v´arias v´ıtimas, n˜ao raro sendo todas fatais. Alguns exemplos not´orios de acidentes do tipo foram a colis˜ao em pleno ar de ¨Uberlingen, em 2002(54), e o voo Gol 1907 em 2006(52). Procedimentos que tenham como um dos objetivos a preven¸c˜ao de colis˜oes em pleno ar podem ser vistos na se¸c˜ao 2.3. Em se tratando de algoritmos e m´etodos que visem prevenir colis˜oes entre duas ou mais aeronaves, foi poss´ıvel observar diversas abordagens atrav´es de um processo de revis˜ao bibliogr´afica.
Algoritmos para preven¸c˜ao de colis˜ao podem ser encontrados tanto com foco em ae-ronaves como em robˆos. Ainda que esse trabalho tenha seu foco em VANTs, mostrou-se interessante estudar algoritmos similares aplicados em outros ve´ıculos, pois no in´ıcio do desenvolvimento do algoritmo adotado (Outubro/Novembro de 2016) foram considerados apenas algoritmos aplicados a aeronaves. A posteriori, por volta de Agosto/2017, uma pesquisa por algoritmos aplicados a robˆos e outros ve´ıculos revelou uma s´erie de algo-ritmos baseados em autˆomatos celulares, o conceito base do algoritmo adotado. Mais detalhes podem ser vistos em 2.6.1.
Em se tratando de varia¸c˜oes observadas, ´e interessante mencionar a considera¸c˜ao tanto de cen´arios cooperativos e n˜ao-cooperativos (69) como tamb´em de forma¸c˜oes de VANTs (70). Um dos algoritmos mais antigos encontrados adotava uma abordagem geom´etrica (71), buscando por um caminho de menor comprimento em um grafo gerado sobre o cen´arios de obst´aculos. Hoje em dia, diversas abordagens matem´aticas podem ser encon-tradas, envolvendo por exemplo redes neurais (69), programa¸c˜ao linear (72), navega¸c˜ao proporcional (73) e campos de potenciais (74), an´alogos a campos gravitacionais e el´etricos por exemplo.
Em (75), a separa¸c˜ao m´ınima entre aeronaves (nomeada, no artigo, como avoidance volume, volume de preven¸c˜ao em uma tradu¸c˜ao livre) ´e baseado nos erros intr´ınsecos aos
