Engenharia de tráfego aéreo
Fornecido pelo TryEngineering -
www.tryengineering.org
F o c o d a l i ç ã o
A lição enfoca a engenharia por trás de sistemas de controle de tráfego aéreo. Equipes de estudantes exploram os princípios do radar e como são usados equipamentos para
fornecer dados que ajudam os controladores de tráfego aéreo a manter os aviões a distâncias seguras uns dos outros e, ao mesmo tempo, decolando e pousando de forma eficiente e no horário. Os estudantes trabalham em equipe para avaliar dados gerados para um sistema de tráfego aéreo virtual e determinam um plano para que três aeronaves trafeguem com segurança em um espaço aéreo definido. Eles então recomendarão
melhorias de engenharia para o sistema atual.
R e s u m o d a l i ç ã o
A lição Engenharia de tráfego aéreo explora a engenharia e os princípios por trás do radar e dos sistemas de controle de tráfego aéreo. Os alunos exploram como as tecnologias do radar e dos computadores são usadas para fornecer dados críticos de maneira eficiente aos controladores de tráfego aéreo. Os estudantes trabalham como uma equipe de engenheiros para avaliar um sistema de CTA atual, atuando virtualmente como controladores de tráfego, e então desenvolvem diretrizes para melhorar a interface projetada entre o radar e o controlador humano.
F a i x a e t á r i a
11-18.
O b j e t i v o s
Aprender sobre radar.
Aprender sobre tecnologia de controle de tráfego aéreo.
Aprender sobre engenharia de sistemas.
Aprender sobre trabalho em equipe e como trabalhar em grupo.
R e s u l t a d o s e s p e r a d o s p a r a o s a l u n o s
Como resultado desta atividade, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de: Radar e tecnologia de tráfego aéreo.
Solução de problemas. Trabalho em equipe.
A t i v i d a d e s d a l i ç ã o
Os estudantes aprenderão como a engenharia e os princípios por trás do radar e do controle de tráfego aéreo tiveram impacto sobre as viagens de avião. Os estudantes trabalharão em equipe e usarão as tecnologias de radar e de computadores para avaliar um sistema de CTA atual, atuando virtualmente como controladores de tráfego, e então desenvolverão diretrizes para melhorar a interface projetada entre o radar e o controlador humano.
R e c u r s o s / M a t e r i a i s
Documentos de recursos do professor (anexos). Folhas de trabalho do aluno (anexas).
Folhas de recursos do aluno (anexas).
A l i n h a m e n t o a g r a d e s c u r r i c u l a r e s
Consulte a folha de alinhamento curricular anexa.
R e c u r s o s n a i n t e r n e t
TryEngineering (www.tryengineering.org).
Simulador de tráfego aéreo (www.atcsim.nasa.gov). Projeto de vôos do futuro da NASA
(http://futureflight.arc.nasa.gov/map.html). Centro de comando do sistema de controle de
tráfego aéreo dos EUA
(www.fly.faa.gov/flyfaa/usmap.jsp).
Ouça ao vivo controladores de tráfego aéreo dos EUA (www.liveatc.net/topfeeds.php).
Assista (não ao vivo) ao tráfego aéreo da Flórida, EUA (www4.passur.com/pie.html).
Organização da Aviação Civil Internacional (www.icao.int).
Padrões da ITEA para a Educação Tecnológica: conteúdo para o estudo de tecnologia
(www.iteaconnect.org/TAA/Publications/TAA_Publications.html). Padrões Educacionais de Ciência dos EUA (www.nsta.org/standards).
L e i t u r a s r e c o m e n d a d a s
Fundamentals of Air Traffic Control (ISBN: 0534393888).
Organizational Simulation (Wiley Series in Systems Engineering and Management) (ISBN: 0471681636).
I d é i a d e e x t e n s ã o
Para estudantes dos últimos anos do ensino médio, considere explorar o software Flight Simulator da Microsoft (www.microsoft.com/brasil/games/fs2006/).
A t i v i d a d e s e s c r i t a s o p c i o n a i s
Escrever um ensaio ou parágrafo sobre como você acha que os desenvolvimentos da engenharia de controle de tráfego aéreo tiveram impacto na economia global. Considere a possibilidade de mais pessoas e mais cargas viajarem com maior eficiência.
E n g e n h a r i a d e t r á f e g o a é r e o
P a r a p r o f e s s o r e s :
A l i n h a m e n t o a g r a d e s c u r r i c u l a r e s
Nota: Todos os planos de aula deste conjunto são alinhados ao National
Science Education Standards dos EUA, produzidos pelo National Research Council e endossados pela National Science Teachers Association, e, se aplicável, ao Standards for Technological Literacy da International Technology Education Association e ao Principles and Standards for School Mathematics do National Council of Teachers of Mathematics.
Princípios e Padrões para a Matemática Escolar
Padrão de números e operações
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: Entendimento de números, maneiras de representar números,
relacionamento entre números e sistemas de numeração.
Fluência na realização de cálculos e realização de estimativas razoáveis. Padrão de conexões
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver:
Entendimento de como idéias matemáticas estão interconectadas e utilizam umas às outras para produzir um todo coerente.
Reconhecimento e aplicação da matemática em contextos fora da matemática.
Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 5ª a 8ª séries (idades de
10 a 14 anos)
CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: As habilidades necessárias para realizar investigação científica. Compreensão sobre a investigação científica.
CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de:
Movimentos e forças.
CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia
Como resultado das atividades da 5ª a 8ª série, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico.
Compreensão de ciência e tecnologia.
CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de:
P a r a p r o f e s s o r e s :
A l i n h a m e n t o a g r a d e s c u r r i c u l a r e s ( c o n t i n u a ç ã o )
Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 9ª a 12ª séries (idades de
14 a 18 anos)
CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: As habilidades necessárias para realizar investigação científica. Compreensão sobre a investigação científica.
CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver: Habilidades de projeto tecnológico.
Compreensão de ciência e tecnologia.
CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de:
Ciência e tecnologia em desafios locais, nacionais e globais.
Padrões para a Educação Tecnológica - todas as idades
A natureza da tecnologia
Padrão 1: Os estudantes desenvolverão uma compreensão das características e do escopo da tecnologia.
Padrão 2: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos conceitos fundamentais da tecnologia.
Padrão 3: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos
relacionamentos entre tecnologias e as conexões entre tecnologia e outros campos de estudo.
Tecnologia e sociedade
Padrão 4: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos efeitos culturais, sociais, econômicos e políticos da tecnologia.
Padrão 6: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da sociedade no desenvolvimento e uso da tecnologia.
Projeto
Padrão 9: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do projeto de engenharia.
Padrão 10: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da busca de erros, pesquisa e desenvolvimento, invenção e inovação e experimentação na solução de problemas.
Habilidades para um mundo tecnológico
Padrão 12: Os estudantes desenvolverão habilidades para usar e manter produtos e sistemas tecnológicos.
Padrão 13: Os estudantes desenvolverão habilidades para avaliar o impacto de produtos e sistemas.
O mundo projetado
Padrão 17: Os estudantes desenvolverão uma compreensão e serão capazes de selecionar e usar tecnologias de informação e comunicação.
Padrão 18: Os estudantes desenvolverão uma compreensão e serão capazes de selecionar e usar tecnologias de transporte.
E n g e n h a r i a d e t r á f e g o a é r e o
P a r a p r o f e s s o r e s :
R e c u r s o d o p r o f e s s o r
Propósito da lição
A lição Engenharia de tráfego aéreo explora a engenharia e os princípios por trás do radar e dos sistemas de controle de tráfego aéreo. Os alunos exploram como as tecnologias do radar e dos computadores são usadas para fornecer dados críticos de maneira eficiente aos controladores de tráfego aéreo. Os estudantes trabalham como uma equipe de engenheiros para avaliar um sistema de CTA atual, atuando virtualmente como controladores de tráfego, e então desenvolvem
diretrizes para melhorar a interface projetada entre o radar e o controlador humano.
Objetivos da lição
Aprender sobre radar.
Aprender sobre tecnologia de controle de tráfego aéreo.
Aprender sobre engenharia de sistemas. Aprender sobre trabalho em equipe.
Materiais
Folha de recursos do aluno. Folhas de trabalho do aluno.
Acesso a computador ou internet (PC ou MAC; recomenda-se os navegadores atuais).
Procedimento
1.
Mostre aos estudantes as diversas folhas de referência do aluno. Elas podem ser lidas em sala ou fornecidas como material de leitura como lição de casa para a noite anterior à aula. Divida os estudantes em grupos de 2 a 3 alunos, que trabalharão como uma “equipe de engenharia”.2.
Agora que os alunos têm uma compreensão da engenharia e tecnologias que são usadas pelos controladores de tráfego aéreo, eles trabalharão em equipe para, de forma virtual, assumir o controle de tráfego aéreo do Setor 33 dos Estados Unidos. Para iniciar, eles devem assistir ao filme emwww.atcsim.nasa.gov/mov/sector33.html e/ou ler o script que o acompanha (em inglês). Os estudantes usarão uma simulação da NASA (www.atcsim.nasa.gov) para planejar alterações de rota e/ou velocidade para orientar três aeronaves, de forma que elas estejam a 3 milhas náuticas de distância uma da outra quando chegarem a Modesto, Califórnia (MOD). Além disso, o tempo é crítico. Assim, o último avião precisa chegar o quanto antes possível e as aeronaves não devem nunca ficar a menos de 2 milhas náuticas de distância uma da outra.
3.
Os estudantes se reúnem em grupos e desenvolvem um plano para resolver as rotas e velocidades de suas aeronaves.4.
Em seguida, os grupos executam seus planos e os experimentam no simulador. Cada equipe completará quatro tentativas de solucionar o problema e registrará seu melhor tempo.E n g e n h a r i a d e t r á f e g o a é r e o
P a r a p r o f e s s o r e s :
R e c u r s o d o p r o f e s s o r ( c o n t i n u a ç ã o )
5.
Cada grupo de alunos avaliará seus resultados e então se reunirá,como uma equipe de engenharia, para identificar melhorias que poderiam introduzir na interface atual entre o radar e o ser humano. Por exemplo, os estudantes podem considerar os critérios para selecionar qual aeronave deve pousar em primeiro lugar. Eles recomendariam aquela com o maior número de passageiros, a que tiver menos combustível ou aquela com mais pessoas que farão conexões com horário
marcado?
6. Por fim, as equipes preencherão uma folha de trabalho de avaliação/reflexões e apresentarão seus planos de melhoria do CTA à turma.
Tempo necessário
De duas a três sessões de 45 minutos.
Estratégias de solução de problemas
Na lição Engenharia de tráfego aéreo, os estudantes usam um sistema de radar virtual que dá informações sobre velocidade, problemas meteorológicos e rotas disponíveis. As equipes terão de aplicar raciocínio proporcional para tomar decisões e resolver conflitos em problemas de controle de tráfego aéreo realistas envolvendo três aeronaves. O desafio de cada problema é “alinhar” as aeronaves com segurança, com espaçamento adequado, em uma dada interseção de rotas de vôo - mas isso deve ser feito no mínimo de tempo. Em seguida as equipes de “engenharia”, baseadas em sua experiência com o sistema atual, recomendarão melhorias para o sistema, visando melhorar a segurança e a
eficiência do CTA. Eles precisarão considerar questões de economia e segurança quando estiverem desenvolvendo melhorias para o sistema atual.
E n g e n h a r i a d e t r á f e g o a é r e o
R e c u r s o d o a l u n o :
T e c n o l o g i a d e s i s t e m a s d e c o n t r o l e d e
t r á f e g o a é r e o
O CTA, explicado
O controle de tráfego aéreo (CTA) é um serviço fornecido por controladores baseados em terra que orientam as aeronaves no solo e no ar. A principal tarefa de um controlador é separar certas aeronaves - impedir que elas fiquem perto demais uma da outra - usando separação lateral, vertical e longitudinal. Tarefas secundárias incluem assegurar o fluxo
ordenado e rápido do tráfego e oferecer informações aos pilotos, tais como dados meteorológicos,
informações de navegação e NOTAMs (Notices to Airmen - avisos aos aviadores).
A tecnologia faz diferença
Embora parte do tráfego aéreo seja controlada visualmente, muitas tecnologias são usadas nos sistemas de controle de tráfego aéreo. Radares primários e secundários são usados para aumentar a “percepção da situação” dentro do espaço aéreo sob sua
responsabilidade, pois aeronaves de todos os tipos devolvem ecos primários de diversos tamanhos para as telas dos controladores, já que a energia é refletida por suas asas, turbinas e fuselagens, e aeronaves equipadas com transponder respondem à interrogação de radares secundários, fornecendo uma identificação (ID), uma altitude e/ou um código de chamada ou de rádio. Certos tipos de condições meteorológicas também são
registrados na tela do radar. Essas entradas, somadas a dados de outros radares, são correlacionadas para gerar a situação aérea. Um certo processamento básico ocorre no equipamento de radar, tal como o cálculo da velocidade em relação ao solo e rumos magnéticos. Outras correlações com planos de vôo eletrônicos também estão disponíveis aos controladores em sistemas de exibição (telas) operacionais modernos.
Como o radar funciona
O radar é um sistema que usa ondas eletromagnéticas para identificar o alcance (distância), altitude, direção e/ou velocidade de objetos móveis e fixos, tais como aeronaves, navios, veículos automotores, formações meteorológicas e terreno. Um transmissor emite ondas de rádio, as quais são refletidas pelo alvo e detectadas por um receptor, tipicamente no mesmo local do transmissor. Embora o sinal de rádio retornado seja normalmente
muito fraco, sinais de rádio podem ser facilmente amplificados. O radar é usado em muitos contextos, inclusive detecção de precipitações meteorológicas (chuvas), controle de tráfego aéreo, detecção de veículos em excesso de velocidade pela polícia rodoviária e pelos militares. O termo RADAR foi criado em 1941, como uma abreviação de Radio Detection and Ranging (detecção e telemetria por rádio). Essa sigla, de origem norte-americana, substituiu a abreviatura britânica usada anteriormente, RDF (que significa Radio Direction Finding, descoberta da direção por rádio).
R e c u r s o d o a l u n o :
T e c n o l o g i a d e s i s t e m a s d e c o n t r o l e d e t r á f e g o a é r e o
( c o n t i n u a ç ã o )
Medindo distâncias
Uma forma de medir a distância a um objeto é transmitir um pulso curto de sinal de rádio (radiação eletromagnética) e medir o tempo que leva para seu reflexo voltar. A distância é metade do produto do tempo da viagem de ida e volta (já que o sinal precisa ir até o alvo e então voltar ao receptor) pela velocidade do sinal. Como as ondas de rádio viajam à velocidade da luz (186.000 milhas, 300.000 quilômetros ou 300.000.000 metros por segundo), uma medição precisa da distância exige componentes eletrônicos de alto desempenho. Outra forma de radar medidor de distância é baseado em modulação de freqüência. A comparação da freqüência entre dois sinais é consideravelmente mais precisa, mesmo usando-se componentes eletrônicos mais antigos, do que medir o tempo do sinal. Alterando-se a freqüência do sinal retornado e comparando-a com a original, a diferença pode ser facilmente medida. Esta técnica pode ser usada em radares de onda contínua, sendo freqüentemente encontrada em altímetros de radar de aeronaves.
Cobertura global de radares
Como um centro de tráfego aéreo controla uma grande
extensão do espaço aéreo, ele normalmente usa um radar de grande alcance, capaz de enxergar aeronaves a até 200 milhas náuticas (370 km) da antena do radar. No sistema
norte-americano, em altitudes mais altas mais de 90% do espaço aéreo dos EUA é coberto por radar e, muitas vezes, por
múltiplos sistemas de radar. Um centro pode exigir numerosos sistemas de radar para cobrir o espaço aéreo designado a ele. Isso resulta em uma grande quantidade de dados sendo
disponibilizada ao controlador. Para tratar dessa questão, foram
projetados sistema de automação que consolidam os dados de radar para o controlador. Essa consolidação inclui eliminar retornos de radar em duplicata, assegurar que o melhor radar para cada área geográfica esteja fornecendo os dados e exibir os dados em um formato efetivo. Alguns fornecedores de serviço de navegação aérea (p. ex., os Serviços Aéreos da Austrália, o Centro do Alasca, etc.), estão implementando o ADS-B (Automatic dependent Surveillance - Broadcast, transmissão de vigilância dependente automática) como parte de sua capacidade de vigilância. Esta nova tecnologia inverte o conceito de radar. Em vez de o radar “encontrar” um alvo interrogando o transponder, o ADS transmite a posição da aeronave diversas vezes por segundo. O ADS também possui outros modos, como o de “contato”, em que a aeronave informa a posição a cada intervalo de tempo determinado. Isso é significativo porque pode ser usado onde não é possível instalar infra-estrutura para um sistema de radares (p. ex., sobre o oceano). Atualmente estão sendo projetadas telas de radar informatizadas que aceitam
informações de ADS como parte do que será exibido. À medida que a tecnologia se
desenvolve, procedimentos de CTA oceânicos serão modernizados, para tirar proveito dos benefícios que esta tecnologia proporciona.
Considerações globais
O GATM (Global Air Traffic Management, gestão global do tráfego aéreo) é um conceito de comunicação, navegação, vigilância e administração do tráfego aéreo baseada em
satélites. A Administração Federal de Aviação dos EUA e a Organização de Aviação Civil Internacional, uma agência especial da Organização das Nações Unidas, estabeleceram padrões de GATM, para manter as viagens aéreas seguras e eficazes em um espaço aéreo mundial cada vez mais cheio. Estão sendo feitos esforços em todo o mundo para
implementar as novas tecnologias que permitirão que o GATM apóie o controlador de tráfego aéreo de forma eficiente. A iniciativa de ADS-B dos Serviços Aéreos da Austrália é um dos principais programas de implementação da área.
E n g e n h a r i a d e t r á f e g o a é r e o
F o l h a d e t r a b a l h o d o a l u n o : u s a n d o r a d a r
p a r a C T A
Vocês são uma equipe de engenheiros que receberam a missão de avaliar
a tecnologia atual de controle de tráfego aéreo (CTA) - usando-as vocês mesmos - e recomendar alterações de engenharia que possam tornar o CTA mais seguro ou mais eficiente.
Fase de preparação
1. Revisem as diversas folhas de referência do aluno.
Fase de pesquisa
1.
Agora que sua equipe tem um entendimento da engenharia e tecnologias que são usadas pelos controladores de tráfego aéreo, vocês trabalharão em equipe para assumir, de forma virtual, ocontrole do tráfego aéreo do Setor 33 dos Estados Unidos, usando a simulação da NASA disponível em www.atcsim.nasa.gov, para planejar alterações de
rota e/ou velocidade e alinhar três aeronaves de forma que elas estejam viajando a 3 milhas náuticas de distância uma da outra quando chegarem a Modesto, Califórnia (MOD). Além disso, o tempo é crítico. Assim, o último avião precisa chegar o quanto antes possível e as aeronaves não devem nunca ficar a menos de 2 milhas náuticas de distância uma da outra.
2.
Reúnam-se em equipes para desenvolver um plano para resolver as rotas e velocidades de suas aeronaves. Fase do simulador
1.
Agora executem seus planos e experimentem o simulador. Sua equipe terá quatro tentativas para solucionar o problema e registrará o tempo gasto para completar a solução na tabela abaixo:Tempo
necessário Estratégia Observações
Tentativa 1
Tentativa 2
Tentativa 3
Tentativa 4
Fase de avaliação/recomendação
1.
Em seguida avaliem o resultado da equipe e discutam o que sua “equipe deengenharia” recomendaria mudar na interface atual entre o radar e o ser humano. Talvez vocês achem que precisam de informações adicionais para tomar decisões sobre qual avião deve ir mais devagar ou mais rápido, ou gostariam de outras ferramentas que engenheiros de software seriam capazes de programar para tornar o
funcionamento do CTA mais seguro ou mais eficiente. Por exemplo, saber quanto combustível resta em cada avião ajudaria em sua decisão?
2. Preencham uma folha de trabalho de avaliação/reflexões e apresentem seus planos de melhoria do CTA à turma.
E n g e n h a r i a d e t r á f e g o a é r e o
F o l h a d e t r a b a l h o d o a l u n o : a v a l i a ç ã o
Use esta folha de trabalho para avaliar os resultados de sua equipe na
lição de engenharia de tráfego aéreo
1. Qual foi o menor tempo de sua equipe para a solução do problema de controle de tráfego aéreo? Como isso se compara à velocidade das outras equipes de sua turma?
2. Que melhorias sua equipe determinou que os engenheiros devem considerar adicionar à interface de radar? Que problemas vocês acham que as melhorias projetadas
resolveriam? Preencha o quadro abaixo: Problema identificado com o sistema
existente Melhorias de engenharia sugeridas 1.
2.
F o l h a d e t r a b a l h o d o a l u n o : a v a l i a ç ã o ( c o n t i n u a ç ã o )
3. Software e hardware usados em sistemas de informática e dados são freqüentemente reprojetados. Liste alguns exemplos, em sua sala de aula ou escola, de equipamentos que mudaram ao longo dos últimos anos. Que problemas vocês acham que os engenheiros estavam tentando resolver através de seu projeto novo?
4. Discutam, em equipe, como vocês acham que seriam as viagens se toda a engenharia e tecnologia de apoio fossem eliminadas. Descrevam como uma viagem que cruzasse o país mudaria em termos de tempo, custo e conforto.
5. De que outra forma o tráfego aéreo poderia ser controlado? Considere o uso de sistemas de posicionamento global (GPS), controles visuais simples e outros métodos. Que sistema ou combinação de sistemas atuais vocês acham que é o mais seguro?
