DXA
Home Downloads Foto's Artikels Zoekertjes

HF-DataLink ACARS op de kortegolf

Patrick Reynaert, DXA-546
Geactualiseerd door de DXA redactie

INLEIDING
HF-Datalink is een nieuw digitaal data-netwerk dat al sinds enkele jaren wordt gebruikt op de kortegolf. Dit systeem wordt vaak aangeduid als HF-ACARS, waarmee meteen duidelijk wordt dat dit systeem voor de burgerluchtvaart is bestemd. Steeds meer vliegtuigen bezitten de mogelijkheid om via HF-DataLink met de verschillende grondstations te communiceren. De hoogste tijd dus om dit systeem eens onder de loep te nemen.

NOG STEEDS HF...
De burgerluchtvaart maakt nog steeds intens gebruik van de kortegolf. De gesprekken tussen de vliegtuigen en de vluchtleiding worden ongecodeerd uitgezonden en zijn dan ook eenvoudig te ontvangen en -mits enige oefening- te verstaan. In gebieden die voldoende VHF bedekking kennen, is het HF netwerk echter volledig vervallen, zoals bijvoorbeeld boven Europa en Amerika. De vliegtuigen bevinden zich hier altijd voldoende dicht bij een luchthaven, zodat het beperkt bereik van de VHF golven hier geen obstakel is. Maar boven de oceanen en in dun bevolkte gebieden kan de communicatie met de vliegtuigen enkel tot stand komen door satelliet-communicatie of door HF-communicatie. Een vliegtuig uitrusten met satelliet-apparatuur is echter een dure zaak. Satteliet-apparatuur is dan ook veel duurder dan de standaard HF en VHF apparatuur. Dat is dan ook de reden waarom HF nog altijd gebruikt wordt in de luchtvaartindustrie waar concurrentie en de prijzenslag bepaalt wie zal overleven. Tevens is satelliet-communicatie nagenoeg onmogelijk voorbij de 80-ste breedtegraad (dus boven de polen), terwijl de polaire routes een aanzienlijke reductie in reistijd kunnen betekenen voor de transatlantische vluchten. Om in contact te blijven met vliegtuigen op de polaire routes, is men nog altijd aangewezen op de kortegolf. Communicatie via de kortegolf bezit dus duidelijk een aantal voordelen voor de luchtvaartindustrie.

HET ALE PRINCIPE
Maar de kortegolf heeft echter het nadeel om niet altijd even betrouwbaar en robuust te zijn. Vaak is het zoeken naar een geschikte frequentie waarop de communicatie vlot en verstaanbaar kan verlopen. Deze frequentie is afhankelijk van verschillende factoren zoals de zonneflux, het tijdstip, de positie van het vliegtuig, de positie van het grondstation enzovoort... Dit alles maakt het moeilijk om de meest geschikte frequentie te voorspellen. Daartegenover staat het feit dat het vliegtuigverkeer alsmaar toeneemt. De routes worden drukker bezet en dit impliceert dat de communicatie tussen vliegtuig en grondstation vlotter en zonder fouten dient te verlopen. Vandaag de dag wordt er zeer veel tijd gespendeerd aan het correct doorgeven van een positie-rapport. Indien de condities op de kortegolf niet al te goed zijn, kan de vluchtleiding het verkeer op de drukke transatlantische routes maar met moeite bijhouden, een situatie die niet bevorderlijk is voor de veiligheid. Het zou dan ook eenvoudiger en veiliger zijn indien de communicatie al dan niet automatisch kan verlopen via een frequentie die minder last heeft van storing.

Het zoeken naar deze optimale frequentie kan men echter automatisch laten gebeuren door de transceiver. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een verzameling of 'pool' van frequenties waaruit de transceiver kan kiezen. Op regelmatige basis controleert de transceiver de kwaliteit van deze verschillende frequenties, zodat hij op elk ogenblik weet op welke frequentie het best met een bepaald station kan worden gecommuniceerd.

Dit principe duidt men aan met de term ALE, wat staat voor 'Automatic Link Establishment': er wordt dus geen tijd meer verloren met het zoeken naar de juiste frequentie, aangezien de zender zelf op zoek gaat naar deze optimale frequentie. Dit ALE systeem wordt reeds toegepast door tal van kortegolfgebruikers waaronder de Amerikaanse strijdkrachten, de NATO, en een aantal landen gebruiken het ALE principe voor de communicatie met hun buitenlandse ambassades.

Zo zien we dus dat nieuwe technologieën de betrouwbaarheid kan verhogen waardoor nieuwe toepassingen hun weg vinden naar de kortegolffrequenties.

HFDL - TECHNISCH
Laten we terugkeren naar het HF-DataLink (HFDL) systeem. HFDL is een digitaal data netwerk dat de boordcomputer van een vliegtuig automatisch laat communiceren met verschillende grondstations via de kortegolffrequenties. HFDL is een pakket gebaseerd systeem. Dit wil zeggen dat de informatie wordt opgesplitst in één of meerdere data-pakketten. Men spreekt dan ook van een uplink (pakketten die verstuurd worden van het grondstation naar het vliegtuig) en van downlink (van het vliegtuig naar het grondstation).

Voor het versturen van deze data-pakketjes maakt het systeem gebruik van een 8PSK single-tone modulatie schema (PSK = Phase Shift Keying). Hiermee wordt bedoeld dat één enkele toon in fase wordt gemoduleerd. De frequentie van deze toon bedraagt 1440 Hz. De informatie zit dus vervat in de faseverschuiving van een sinus van 1440 Hz. Figuur 1 laat het constellatie diagram zien van een 8-PSK modulatie schema. De gemoduleerde sinus wordt vervolgens verschoven naar de gewenste HF-frequentie. Hiervoor wordt USB modulatie gebruikt. De datasnelheid kan variëren tussen 150 en 1800 bits/seconde, afhankelijk van de kwaliteit van het kanaal. Tot zover de opbouw van de afzonderlijke data-pakketten.

Laten we nu eens de opbouw van het HFDL-netwerk bekijken en hoe deze data-pakketten worden verstuurd. Het systeem bestaat uit een combinatie van FDMA en TDMA. FDMA staat voor Frequency Division Multiple Access. Dit wil eenvoudig zeggen dat éénzelfde grondstation op verschillende frequenties actief is. De communicatie tussen het vliegtuig en het grondstation kan dus gebeuren via verschillende frequenties. Een lijstje van deze frequenties kan u terugvinden op het einde van dit artikel. TDMA staat voor Time Division Mulitple Access. Dit betekent dat meerdere vliegtuigen in contact kunnen staan met éénzelfde grondstation op éénzelfde frequentie. Het grondstation bepaalt wie wanneer mag zenden; de tijd word a.h.w opgedeeld en het grondstation is de dirigent en bepaald dus wie wanneer mag spreken.

We zeggen dat de tijd wordt opgedeeld in frames. Elk frame bestaat vervolgens uit een aantal timeslots. Voor HFDL duurt een frame 32 seconden, en elke frame bestaat uit 13 timeslots van 2,46 seconden...13 keer 2,46 seconden is immers 32 seconden. Het eerste timeslot van elk frame is gereserveerd voor het grondstation. Gedurende dit eerste timeslot (dus gedurende de eerste 2,46 seconden van elk frame) zal het grondstation een zogenaamde 'squitter' uitzenden. Dit is een data-pakket dat informatie bevat over het grondstation, over de actieve frequenties enz... Op een actieve frequentie zal je dus minstens om de 32 seconden de 'squitter' van het grondstation horen (zie figuur 2).

De overblijvende 12 timeslots kunnen worden gebruikt als uplink timeslots (data van grondstation naar vliegtuig) of als downlink timeslots (data van vliegtuig naar grondstation) of als random access timeslots. Deze random access timeslots zijn voorbehouden voor vliegtuigen die zich willen aanmelden aan het netwerk. Welke timeslots als uplink, downlink of random access worden gebruikt kan een vliegtuig te weten komen via de 'squitter' van het grondstation.

Laten we nu eens concreet bekijken wat er gebeurt indien een vliegtuig zich wil aanmelden aan het HFDL netwerk. Het vliegtuig zal eerst opzoeken welke grondstations zich binnen een straal van 3000km bevinden. Deze lijst zit in een databank aan boord van het vliegtuig. Uit deze lijst wordt vervolgens een willekeurig grondstation gekozen. Vervolgens wordt de transceiver automatisch (ALE) afgestemd op de eerste frequentie van dit grondstation. Dit is het FDMA principe; éénzelfde grondstation kan men bereiken via verschillende frequenties. De transceiver zal gedurende 35 seconden op deze frequentie luisteren naar de 'squitter' van het grondstation. Deze squitter wordt immers om de 32 seconden uitgezonden als de frequentie actief is. Het is dus voldoende dat de transceiver gedurende 35 seconden luistert om te weten te komen of die frequentie bruikbaar is. Indien het vliegtuig geen 'squitter' heeft ontvangen of indien de ontvangen 'squitter' teveel fouten bevat (doordat er teveel storing op die frequentie aanwezig is), dan zal de transceiver overgaan naar de volgende frequentie van dat grondstation, of zal het een ander grondstation proberen te bereiken. Dit is immers de basis van het ALE principe.

Indien het vliegtuig de 'squitter' met voldoende kwaliteit en zonder fouten kan ontvangen, dan zal deze 'squitter' worden gedecodeerd door de boordcomputer. Uit de 'squitter' kan het vliegtuig vervolgens de random access timeslots te weten komen. Dit zijn de timeslots die beschikbaar zijn voor het vliegtuig om zich aan te melden. Het vliegtuig zal dan een bericht versturen dat bestaat uit (1) zijn ICAO code, (2) zijn vluchtnummer (3) zijn positie en (4) de signaal/ruis verhouding van de gebruikte verbinding. Uiteraard zal het vliegtuig dit bericht verzenden tijdens een random access timeslot. Indien het grondstation dit bericht correct heeft ontvangen, zal het grondstation vervolgens een 'acknowledgement' bericht verzenden naar het vliegtuig. Indien het vliegtuig geen 'acknowledgement' ontvangt zal het een tweede maal proberen om contact te leggen met het grondstation. Indien deze tweede poging eveneens mislukt, zal het overgaan tot een andere frequentie, al dan niet van een ander grondstation (nogmaals..het ALE principe).

Uit het 'acknowledgement' bericht kan de transceiver aan boord van het vliegtuig afleiden in welk timeslot (het kunnen er ook meerdere zijn) hij mag zenden van het grondstation. Hierbij wordt rekening gehouden met de prioriteit van de berichten. Een vliegtuig dat dringend een aantal berichten moet verzenden (of ontvangen), zal dus meer timeslots mogen gebruiken van het grondstation. De nodige berichten kunnen nu worden verstuurd tijdens het toegekende timeslot. Zoals reeds gezegd dirigeert het grondstation de communicatie; hierdoor kunnen er meerdere toestellen op éénzelfde frequentie communiceren met een grondstation, het grondstation bepaalt immers wie wanneer mag zenden. Dit TDMA principe is niet nieuw en wordt reeds veelvuldig toegepast in allerhande datanetwerken, alsook in glasvezel-communicatie. De combinatie van FDMA en TDMA vormt tevens de basis van het GSM-netwerk.

HFDL = HF-ACARS ???
Waarom wordt dit systeem vaak aangeduid als 'HF-ACARS'? Wel, eens het vliegtuig een verbinding heeft gemaakt met het grondstation, kan het allerhande boodschappen versturen en informatie ontvangen. Het vliegtuig heeft dus toegang tot verschillende informatie-bronnen. Deze zijn ondermeer het Aeronautical Telecommunications Network (ATN) en het Air Traffic Management (ATM). Tevens kan het vliegtuig ACARS berichten versturen (ACARS = Aircraft Communications Addressing and Reporting System). Dit ACARS systeem werd eerst geïmplementeerd op de VHF frequenties en wordt nu dus uitgebreid naar de kortegolfrequenties. HFDL omvat dus veel meer dan alleen maar HF-ACARS...

HFDL - COMMERCIEEL
Het HFDL systeem werd in 1991 ontworpen door Allied Signal Commercial Avionics Inc, een Amerikaans bedrijf. Volgende bedrijven waren nauw betrokken bij de ontwikkeling van dit product: NewEast Wireless Telecom, Stockholm Radio, Iceland Gufunes Telecommunications Center, American Airlines, Delta Airlines, United Airlines en USAir. De eerste test-stations bevonden zich in Gander, Stockholm en Gufunes.

In 1994 werd de standaard goedgekeurd. De luchtvaartmaatschappijen die reeds toegang hebben tot het netwerk zijn: American Trans-Air, Ansett Australia, Cathay Pacific, China Airlines, Continental, Federal Express, Finnair, Lufthansa Cargo, Korean Air Lines, The Mitre Corporation, Northwest Airlines, Tower Air, United Parcel Service en US Airways. maar hun aantal blijft volop stijgen. Voor de uitbouw van het netwerk zorgt Aeronautical Radio Inc (ARINC). Dit Amerikaans bedrijf heeft tal van producten voor de luchtvaartsector en levert ook LDOC faciliteiten aan een aantal luchtvaartmaatschappijen. ARINC LDOC is dan ook regelmatig te horen op de kortegolf. ARINC onderhoudt het HF DataLink netwerk onder de naam GlobaLink. In feite bestaat GlobaLink uit drie delen: GlobaLink/VHF, GlobaLink/HF en GlobaLink/Satellite. Deze drie systemen tezamen zorgen ervoor dat de communicatie tussen vliegtuig en grondstation altijd verzekerd is.

DE GRONDSTATIONS EN HUN FREQUENTIES
Een overzicht van de verschillende ARINC-HFDL stations en hun actieve frequenties is te vinden in de volgende tabel.

Sation   ID   Actieve frequenties (kHz)
San Francisco, USA   H01   2947, 4672, 5508, 6559, 8927, 10081, 11327, 13276, 17919, 21934
Molokai, Hawaii   H02   2878, 2947, 3001, 3019, 3434, 5463, 5508, 5529, 5538, 6559, 8912, 8936, 10081, 11312, 11348, 13276, 17919, 17934, 21928
Reykjavik, Iceland   H03   3116, 3900, 5720, 6712, 8977, 11184, 15025, 17985
River Head, NY, USA   H04   3428, 5523, 6652, 8912, 11312, 13276, 17919, 17934, 21931,21934
Auckland, New Zealand   H05   3016, 3404, 5583, 6535, 8921, 10084, 11327, 133351, 17916, 21949
Hat Yai, Thailand   H06   3470, 4687, 5655, 6535, 8825, 10066, 13270, 17928, 21949
Shannon, Ireland   H07   2998, 3455, 5547, 6532, 8843, 8942, 10081, 11384
Johannesburg, South Africa   H08   3016, 4681, 8834, 13321, 21949
Barrow, Alaska, USA   H09   2944, 2992, 3007, 3497, 4654, 4687, 5529, 5538, 5544, 6646, 8927, 8936, 10027, 10093, 11354, 17919, 17934, 21928, 21937
Santa Cruz, Bolivia   H13   2983, 3467, 4660, 6628, 8957, 11318, 13315, 17916, 21946, 21973, 21988, 21997
Krasnoyarsk, Russia   H14   2878, 2905, 10087, 13321
Muharraq, Bahrain   H15   2986, 5544, 8885, 10075, 11312, 13354, 17967, 21982
Guam   H16   6634, 8836, 8927, 11306, 13312, 17919
Las Palmas, Canary Isl.   H17   2905, 5589, 6529, 8948, 11348, 13303, 17928, 21955

Merk op dat sommige frequenties niet zo gunstig zijn voor de luchtvaart DX-er. Zo zorgt de 'squitter' van Shannon op 8942 en 11384 voor moeilijkheden bij het beluisteren van een aantal Aziatische Air Traffic Control Centers zoals Singapore ATCC, Manila ATCC, Hong Kong ATCC... Een frequentie die actief wordt gebruikt door een grondstation is dus herkenbaar omdat om de 32 seconden de 'squitter' van het desbetreffende grondstation te horen is.

HFDL ONTVANGEN EN DECODEREN
Het ontvangen van de HDFL signalen spreekt voor zich. Stem je ontvanger maar eens of op 8942kHz (USB) en je zal om de 32 seconden de 'squitter' van Shannon (station H07) horen. Met regelmaat hoor je één of meerdere vliegtuigen die data uitwisselen met Shannon.

Voor het decoderen van de berichten heb je wel een geavanceerde decoder nodig. Voor mensen met diep gevulde beurzen zijn HOKA's CODE30 en CODE300 te overwegen... De anderen zullen allicht hun oog laten vallen op PC-HFDL of SkySweeper.

Laten we bij wijze van voorbeeld twee berichten eens wat nader bekijken. De berichten zijn gedecodeerd met een HOKA Code 30/A (Windows versie). Het eerste voorbeeld is een 'squitter' van Reykjavik.


SQUITTER FROM REYKJAVIK 

DATA RATE 300  SINGLE SLOT
SQUITTER VER # 0 NOT LOADED GND ID 003 SYNC UTC 21:31:29 UTC FRAME OFFSET 7
SLOT AKCNOWLEDGEMENT CODES
FRAME SLOT         FRAME SLOT           SLOT ASSIGNMENT CODES
-3 11  NAK ALL     -2 11  NAK ALL       0 11   RANDOM ACCESS
-3 12  NAK ALL     -2 12  NAK ALL       0 12   RANDOM ACCESS
-2 01  NAK ALL     -1 01  NAK ALL       1 01   RANDOM ACCESS
-2 02  NAK ALL     -1 02  NAK ALL       1 02   RANDOM ACCESS
-2 03  NAK ALL     -1 03  NAK ALL       0 03   RANDOM ACCESS
-2 04  NAK ALL     -1 04  NAK ALL       0 04   RANDOM ACCESS
-2 05  NAK ALL     -1 05  NAK ALL       0 05   RANDOM ACCESS
-2 06  NAK ALL     -1 06  NAK ALL       0 06   RANDOM ACCESS
-2 07  NAK ALL     -1 07  NAK ALL       0 07   RANDOM ACCESS
-2 08  NAK ALL     -1 08  NAK ALL       0 08   RANDOM ACCESS
-2 09  NAK ALL     -1 09  NAK ALL       0 09   RANDOM ACCESS
-2 10  NAK ALL     -1 10  NAK ALL       0 10   RANDOM ACCESS
PRIORITY LEVEL 0 DATA BASE VERSION 17
GND STATION ID 003 ACTIVE FREQUENCYS 11010000000000000000
GND STATION ID 008 ACTIVE FREQUENCYS 00110000000000000000
GND STATION ID 009 ACTIVE FREQUENCYS 00001000100000000000

De eerste lijn geeft de data-snelheid weer en het aantal time-slots dat het bericht heeft ingenomen. Aangezien het hier een 'squitter' betreft, is de data-rate 300 bps en wordt er slechts 1 timeslot ingenomen...dit is altijd zo bij een 'squitter'.

Op de tweede lijn vinden we het ID van het grondstation terug, in dit geval ID 003, dus Reykjavik. Tevens duidt SYNC UTC erop dat de frames gesynchroniseerd zijn met de UTC tijd.

Vervolgens zien we op de lijnen 5-16 dat alle timeslots bestemt zijn voor RANDOM ACCESS.

Op lijn 17 zien we dat de prioriteit van de verbinding 0 is (er is immers geen verkeer) en het grondstation werkt met versie 17 van de databank (dit is de databank met de verschillende frequenties). De laatste lijnen hebben betrekking tot de actieve frequenties van het HDFL systeem. Elke 'squitter' zendt dus informatie uit over de actieve frequenties van het huidige grondstation (station 003 op lijn 18) en van twee andere willekeurige grondstation (lijnen 19 en 20). In dit geval zijn dit Santa Cruz (013) en Krasnoyarsk (014), maar het zullen telkens twee andere stations zijn. Na een vijftal squitters weet het vliegtuig dus volledig welke stations actief zijn op welke frequenties. In het 20-bit veld op het einde van elke lijn wordt aangeduid welke frequenties actief zijn. Een '0' duidt op een niet-actieve frequentie, een '1' op een actieve frequentie. De meest linkse bit stelt de hoogste frequentie van het station in kwestie voor. Jammer genoeg voor ons worden de frequenties zelf niet doorgestuurd...

Laten we nu eens een downlink bericht bekijken, dit is dus een bericht van een vliegtuig naar het grondstation. Het betreft hier vlucht LH8273 die een positie rapport doorstuurt naar het grondstation 004 (New York). Zoals u merkt, bevat het bericht een hoop bizarre code. We zullen alleen de relevante zaken bespreken.


DOWNLINK EXAMPLE 
DATA RATE 300  SINGLE SLOT
DOWNLINK GND ID 004
AIR ID 120
REQUEST MEDIUM PRIORITY SLOTS 0 REQUEST LOW PRIORITY SLOTS 0
MUDR 1800 OLDEST LPDU SEQUENCE NUMBER U(R) 0  LPDU [ U(R) + 1..8 ]
00000000
NUMBER OF LPDU 1
UNNUMBERED DATA CRC OK
PERFORMANCE DATA
FLIGHT NUMBER ID LH8273
AIR POSITION LATITUDE NORTH 36 DEG 47 MIN LONGITUDE EAST 2 DEG 16 MIN TIME 17:06:12
PD VERSION 1 FLIGHT LEG ID 41
GROUND STATION ID 006 FREQUENCY ID 0
FREQUENCY SEARCH COUNT: PREVIOUS LEG 124 CURRENT LEG 12
HF DATA DISABLED TIME: DURING PREVIOUS LEG 0 DURING CURRENT LEG 1 
UPLINK MPDU DATA: RECEIVED 0 0 5 5 ERRORS 0 0 0 0
SQUITTER DATA: RECEIVED OK 134 ERRORS 6
DOWNLINK MPDU DATA: TRANSMITTED 0 0 1 21 ACK ON FIRST TRY 0 0 1 21
FREQUENCY CHANGE CODE 7 NO CHANGE

Op lijn 1 staat wederom de datasnelheid (300bps) en het aantal slots dat door het vliegtuig wordt ingenomen (single slot). Daaronder (lijn2) de ID van het grondstation. Op lijn 3 staat AIR ID 120. Dit is een ID dat het grondstation aan het vliegtuig geeft, dit is dus niet het vluchtnummer van het vliegtuig! We schuiven nu door naar lijn 10, waar het vluchtnummer valt te lezen, op lijn 11 staat het eigenlijke bericht van het vliegtuig en op lijn 12 staat de tijd te lezen waarop het bericht verzonden is.

Al de lijnen die daarop volgen dienen om de performantie van het netwerk te bepalen. Dit zijn berichten waarin het vliegtuig meldt hoe vaak hij heeft geprobeerd om aan te loggen, hoeveel foute berichten hij heeft ontvangen enz... Deze data dient om het HFDL-systeem te evalueren. Zoals u merkt is het decoderen van de HFDL-berichten niet zo evident, maar eventueel zullen er later meer programma's op de markt komen die deze berichten in een meer leesbare vorm zullen gieten. Tot dan is het zelf puzzelen...

CONCLUSIE
Een nieuwe toepassing heeft zijn weg gevonden naar de kortegolffrequenties. Door de gekende TDMA en FDMA principes kan de betrouwbaarheid van een HF-verbinding worden verhoogd. Hierdoor kan de kortegolf nog altijd een belangrijke toegevoegde waarde leveren aan bestaande netwerken zoals het VHF-netwerk en het satelliet-netwerk, zodat we gerust kunnen stellen dat de kortegolf verre van dood is. De uitbouw van zo'n nieuw wereldwijd netwerk vraagt tevens zware financiële investeringen. Dat de luchtvaartindustrie hiertoe bereid is, bewijst deze stelling des te meer...

Bronnen:
Worldwide Utility News
Utility Monitoring Central
ARINC
Blackcatsystems
Klingenfuss