Den digitala himlen

Varje kväll mellan 23:30. och 02:30, nästan fönsterlösa jets med distinkta bruna svansar konvergerar på Louisville, KY. Ett efter ett landar cirka 90 flygplan i United Parcel Service-flottan vid företagets distributionsnav som flankerar flygplatsen i Louisville, tar bort cirka 600 000 paket, laddar om och hamnar i luften igen. Systemet är anmärkningsvärt effektivt, och det har hjälpt till att hålla UPS uppe som landets nionde största flygbolag.

Men med paketleveransverksamheten som expanderar och midnattshimlen över Louisville blir trång, vänder sig UPS till ny teknik för att komprimera ankomster och avgångar. I ett radikalt experiment som kan ge en inblick i flygledningens framtid, anammar UPS nya satellitbaserade system, i hopp om att avvänja sig från konventionell radarbaserad teknik. Med hjälp av de nya digitala verktygen kunde piloter titta på cockpitskärmar som visar deras exakta position, positionerna för andra UPS-plan och en karta över flygplatsen och dess landningsbanor - en visning som möjliggörs av en kombination av satellitpositioneringsteknik och digitala datalänkar mellan flygplan. Flygledare skulle fortfarande köra showen, men piloter skulle få ett verktyg för att upprätthålla mer exakt avstånd vid start och landning.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Om UPS-experimentet fungerar, säger Dave Ford, en topptjänsteman från Federal Aviation Administration som är involverad i fraktflygbolagets initiativ, kan det ge en modell för att förbättra säkerheten och effektiviteten i landets övergripande flygledningssystem. Ett mål är att minska banträngningar och olyckor. Vi tror att den här tekniken kan hjälpa oss inom dessa områden. Och vi tror att det finns en stor koppling till effektivitet, säger han.

Effektivitet är definitivt sporren för UPS. Vi tror att vi kan öka vår genomströmning med samma flygplatsinfrastruktur, säger företagets talesman Ken Shapero. Om vi ​​kan ta in plan snabbare eller ut snabbare kan vi slå våra konkurrenter. UPS förutspår att tekniken kommer att ge en kapacitetsökning på 20 procent i Louisville. En minskning på 20 till 30 sekunder mellan vissa landningar och starter kan raka ungefär en halvtimme från företagets nattliga sortering, en betydande besparing när ditt företag hänger på att leverera paket i tid. Siffrorna är så övertygande att UPS förbereder sig för att söka FAA-godkännande senare i år för att använda systemet för inflygnings- och avgångsavstånd i Louisville och samarbetar med andra lastbärare för att driva på för ännu bredare implementering.

Frågan är nu om det som är bra för fraktindustrin också är bra för det som flyginsiders skämtsamt kallar självlastande last - den resande allmänheten. Kan dessa satellit- och datalänkstekniker hjälpa till att förhindra lufttrafiken? I teorin skulle de kunna hålla flygplatser i full kapacitet i dimmigt väder, tillåta flygplan att landa i par på tätt belägna parallella landningsbanor, möjliggöra mer exakta instrumentlandningar och hjälpa flygplan att undvika kollisioner på landningsbanor. Om den här sviten av teknologier blir allmänt tillgänglig kan vi inom tjänstebranschen för [flygkontroll] faktiskt komma före efterfrågekurvan, säger Frank Marchilena, vice vd för flygledningsjätten Raytheon.

Som alla passagerare på LaGuardia, O'Hare eller Newark vet, släpar flygledningssystemet efter efterfrågekurvan nu. Förseningarna slog rekord under 1999 och 2000, och problemet lovar att bli värre. Förra året flög 670 miljoner passagerare i USA; FAA förutspår att 1 miljard passagerare kommer att flyga under 2010. Enligt FAA:s statistik får dåligt väder huvuddelen av skulden för de flygledningsrelaterade förseningarna. Men vädret orsakar omfattande förödelse delvis eftersom dagens flygledningssystem är ett lapptäcke av teknologier som byggts under det senaste halvseklet och som sträcks till det yttersta av det ständigt ökande antalet resenärer. Radartekniken har förbättrats avsevärt sedan den anpassades för civil flygledning efter andra världskriget, men den grundläggande proceduren är densamma. Kontrollanter samlar flygplan längs ett begränsat antal radarövervakade motorvägar på himlen. När vädret är dåligt stänger flygledare några av motorvägarna, vilket skapar trafikstockningar. Dåligt väder uppmanar också flygledare att tvinga fram större buffertavstånd mellan flygplan, vilket ökar förseningarna.

Under 1990-talet utlovade tillkomsten av Global Positioning System (GPS)-teknik – där exakta platser kan fastställas genom att triangulera signaler från någon av 24 militärsatelliter – ett nytt tillvägagångssätt. Med hjälp av GPS kan piloter bestämma sina exakta platser utan att förlita sig på markbaserade navigeringsfyrar. Under det senaste decenniet har ett samarbete mellan flera statligt finansierade labb, inklusive Bedford, MA-baserade MITER och MIT:s Lincoln Laboratory, utvecklat ett nytt sätt att kontinuerligt överföra digital GPS-positionsinformation och annan digital data mellan flygplan och flygledare. Med detta nätverk av digital information (känd för insiders som ADS-B, eller Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) kan flygplan kontinuerligt utbyta data om plats, hastighet, färdplan, flygplansstorlek och typ, antal passagerare och väder.

Systemet kan ses som den senaste generationens telefonlinjer och modem i en framväxande Aviation Internet-en term som används för att beskriva det ökande dataflödet mellan flygplan, flygledare, markpersonal och flygplansunderhållsanläggningar. UPS Aviation Technologies är det enda företaget som har utvecklat cockpitskärmar certifierade av FAA för att ta emot och visa information från denna nyutvecklade datalänk, men andra – inklusive GE-Honeywell, Rockwell Collins och L-3 Communications – arbetar på sina egna system.

En grundläggande övergång till satellitbaserade verktyg skulle kräva en enorm ansträngning för att uppnå konsensus bland piloter, flygledare och tillsynsmyndigheter. Hur kunde samförstånd uppnås? Inom flygtrafikledning tenderar saker att vara reaktiva snarare än proaktiva, och det är förmodligen vad som kommer att hända här, säger Jim Kuchar, docent i flygteknik och astronautik vid MIT. En systemomfattande förändring kommer antingen att inträffa på grund av ett stort problem med trafikstockningar, eller för att insatser som UPS gör det mer attraktivt. Om UPS får den här saken att fungera och den visar alla dessa fördelar, kanske andra kommer att säga, 'vi ska titta på det här igen.'

Den andra titten kan dock dröja långsamt. För fyra år sedan föreslog United Airlines-piloten Rocky Stone att använda den nya satellitbaserade tekniken för att bekämpa trafikstockningar genom att tillåta parade landningar under dålig sikt på den notoriskt dimmbundna flygplatsen i San Francisco, där landningsbanorna ligger 250 meter från varandra. Men idén visade sig opraktisk på kort sikt, säger Dave Jones, som leder Uniteds ansträngningar för att förbättra effektiviteten i sin nav i San Francisco. För att implementera strategin insåg United att det skulle behöva Boeing och Airbus för att godkänna nya cockpitskärmar, piloter och styrenheter för att acceptera dem, och FAA för att certifiera utrustning och applikationer. Och även om United hade installerat systemet, skulle dess flygplan fortfarande ha behövt komma i linje med andra flygplan som saknar tekniken. Inför dessa hinder skrinlade flygbolaget planen och utforskar istället avancerade radarbaserade verktyg och procedurer.

Uniteds erfarenhet illustrerade en grundläggande svårighet med att implementera denna nya teknik: det är ett allt eller inget förslag. Såvida inte alla flygplan runt en given flygplats är utrustade med det, kan systemet inte lita på avstånd, undvikande av kollisioner eller mycket annat. Det måste finnas en hel arkitektur av luftrummet som alla måste gå med på, säger Robert Rosen från NASA:s Ames Research Center i Moffett Field, CA. Inget av det är på plats idag. Det [ADS-B] är ungefär som en pusselbit, och det kan till och med vara en hörnsten i det. Men att ha det på plats är fortfarande långt ifrån att ha löst många av våra problem.

Fallet för satellitverktyg är mycket mer övertygande där radarinfrastrukturen är fläckig eller obefintlig - och där säkerhetsfördelarna är uppenbara. En sådan plats är Alaskas 260 000 kvadratkilometer Yukon-Kuskokwim Delta-region, där leveranser och transporter av små flygplan är ett viktigt sätt att leva och döda. En stor del av Alaska har ingen radartäckning, inga flygledningstorn och inga asfalterade landningsbanor (grusbanor är en lyx), vilket gör området mer likt avlägsna regioner i Afrika eller Kina än de lägre 48 staterna. På 1990-talet inträffade i genomsnitt en flygolycka i Alaska varannan dag, inklusive 186 dödsolyckor som lämnade 398 människor döda. Under det decenniet stod Alaska för 37 procent av landets totala flygplansolyckor och 20 procent av de totala dödsfallen i luftkrascher.

1998 fick detta blodbad kongressen att anslå 11 miljoner dollar för att installera ny utrustning i 155 små flygplan i Alaska. UPS Aviation Technologies tillhandahöll flygelektroniken, och nu används det GPS-baserade systemet av Anchorage-baserade flygledare för att guida små flygplan i det avlägsna, sumpiga deltat. Och medan radarfattiga länder som Australien och till och med Mongoliet börjar använda satellitbaserade flygtrafikverktyg, är Alaska-regionen den första platsen i USA - och den enda inom överskådlig framtid - som går över till 100 procent satellitbaserad flygledning. (I UPS-experimentet i Louisville skulle radarn fortfarande styra flygplan till och från flygplatser. Satellitverktygen skulle bara underlätta inflygning och avgångsavstånd.)

Om tekniken kan göra liknande inslag på andra håll är mindre tydligt. En oro har varit huruvida GPS-satellitsignaler är tillräckligt robusta och tillförlitliga för att fungera som en grund för flygtrafikledning. Men en rapport från 1999 från Johns Hopkins Applied Physics Laboratory hjälpte till att lindra farhågorna för att satellitsignaler - svaga jämfört med markbaserad radar - riskerar störningar från solstrålning, atmosfäriska störningar eller terroristhacker. Teknologier dyker upp som avsevärt kan minska sårbarheten för störning av GPS-signaler, enligt studien. Och i den utsträckning som satellitsignaler förvrängs av atmosfären eller andra störningar, kan de verifieras och justeras för extra noggrannhet med markbaserade förstärkningssystem som de som installeras av Raytheon.

En annan grundläggande fråga är om nya skärmar i cockpit kan distrahera piloter och om nya navigeringsansvar kommer att överbelasta dem. Mänskliga fel är inblandade i minst 80 procent av alla olyckor och incidenter inom flyget, säger Kim Cardosi, chef för program för mänskliga faktorer vid det amerikanska transportdepartementets Volpe Center i Cambridge, MA. Arbetsmiljön är så komplex att den kan ställa in dem på att göra misstag, och det är det vi måste gardera oss mot i dessa system och skärmar. Vi måste se till att [piloter] inte överväldigas av information och att när de gör ett misstag kan det korrigeras innan det får allvarliga konsekvenser.

Infusionen av data och displayer för med sig nya källor till förvirring. Kuchar nämner ett antal olyckor där det har funnits en bristande överensstämmelse mellan vad datorn tänkte och vad människan tänkte, till exempel kraschen 1995 av en American Airlines Boeing 757 när den närmade sig Cali, Colombia. Flygplanet smällde in i ett berg och dödade 160 personer, när autopiloten instruerades att flyga mot en radarfyr som piloten trodde var nära Cali, men som faktiskt var nära Bogot. I det här fallet hjälpte radarfyrartekniken och autopilotsystemet att leda passagerarna till deras död efter ett till synes trivialt pilotfel. Om USA går över till utbredd användning av [satellitbaserad teknik] kommer det att finnas andra områden i världen som inte har gjort det, vilket kräver att piloter använder olika procedurer på olika platser. Det kan leda till ytterligare fel och problem, varnar Kuchar.

Trots dessa frågor går prototyper framåt. En nyckeldag för UPS insatser kom i oktober förra året, när FAA-administratören Jane Garvey flög till Louisville för en gemensam FAA/UPS-utvärdering av tekniken. Garvey klev in i en UPS Boeing 727 vars flygkropp inte hade någon av de vanliga möblerna - bara flera kapslar med datorutrustning i fronten, och 16 läderklädda förstklassiga säten fastskruvade i golvet bak. Hon tog plats på första raden och tittade på en datorskärm som visar en grafisk skildring av flygplatsen i Louisville. Banorna var prickade med långsamt rörliga bruna trianglar. Dessa representerade flygplan utrustade med datalänksystemet, som utbyter positionsdata med varandra. Det här är coolt, sa Garvey.

Vänta tills du ser filmen ombord, sa George Cooley, ingenjör på UPS Aviation Technologies. Filmen började när 727:an sakta rullade längs flygplatsens taxibanor. Andra taxiande flygplan var tydligt synliga på skärmen. Plötsligt dök en blå triangel upp på skärmen, dess spets förlängd med en nålnäsa som indikerar hög hastighet. En stund senare blev den blå blippen brun. Jim McDaniel, chef för FAA:s teknikutvärderingsprogram, meddelade att ett flygplan precis hade lyft. Men i själva verket betecknade blått ett luftburet flygplan, brunt ett flygplan på asfalten. En stund senare rättade han sig. Jag trodde att den skulle lyfta i det ögonblicket, men den landade, sa han.

Demonstrationen var endast avsedd att visa hur tekniken kunde öka medvetenheten om banan, och dess grundläggande fördelar var uppenbara. Även i dimmigt väder skulle cockpitdisplayen ha gett fri sikt över bantrafiken och omedelbart uppenbart eventuella felsvängar. Systemet fungerade perfekt. Å andra sidan hade dess tolk – i detta fall en erfaren FAA-tjänsteman – kort blivit förvirrad av displayen. Misstaget var en träffande demonstration av varför godkännande av ny teknik för flygtrafikledning tar tid: att säkerställa att alla källor till förvirring har utrotats.

När UPS driver sin sak, växer en konsensus fram om att växande efterfrågan kommer att tvinga fram förändringar i landets flygledningssystem. På kort sikt kan en viss lättnad komma från flygplatsutbyggnad och nybyggnation; vissa flygplatser överväger också högre landningsavgifter under högsäsong för att motverka rusningstid. I slutet av förra året tillkännagav FAA ett lotterisystem för tilldelning av flygtider på LaGuardia - som i sig står för ungefär en fjärdedel av landets förseningar - för att minska trängseln. Nya procedurer och användningar av radarverktyg ökar kapaciteten på flygplatser som Dallas-Fort Worth. FAA, å sin sida, noterar att även i livliga städer har systemet gott om kapacitet under lågtrafik. Alla tekniker som vi arbetar med tar upp en del av kakan, och tillsammans kommer de i slutändan att skapa mer kapacitet, men det kommer i bästa fall att bli inkrementellt, säger Kathryn Creedy, en taleskvinna för FAA.

NASA:s Rosen räknar dock med att FAA:s inkrementella tillvägagångssätt bara kommer att hålla jämna steg med efterfrågan under det kommande decenniet eller så. På grund av efterfrågan på systemet fokuserar alla teknikutvecklare på nästa generations verktyg, säger Rosen. Men vi inser att även efter att alla dessa verktyg är på plats och fungerar tillsammans, är efterfrågan sådan att den snart igen skulle överstiga kapaciteten.

De grundläggande teknologierna för satellitbaserad flygkontroll - GPS-systemet, datalänkar, beräkningskraft och kompakta cockpitskärmar - finns till hands. Men det finns inget i närheten av konsensus om hur och om de ska distribueras brett. Hittills har det offentliga uppropet inte varit tillräckligt högt, flygbolagen har inte sett affärsfallet och FAA har inte försökt tvinga fram en systemomfattande förändring. Gridlock är i betraktarens öga, säger Rosen. Alla är dock överens om att det kommer att bli värre innan det blir bättre.

I oktober förra året fick UPS goda nyheter: företaget fick den första FAA-certifieringen för sin nya cockpitenhet. Det var bara ett litet steg och endast för ett mycket begränsat syfte, för att hjälpa piloter att få bättre se och undvika kapacitet i himlen över Louisville. Men godkännandet signalerade att systemet är på väg in på den regulatoriska radarskärmen. Det finns fortfarande många utmaningar med det här - mycket ska lösas, säger McDaniel. Piloterna och flygledarna är entusiastiska; det finns mycket potential, men de är inte det minsta blyga när det gäller vad den behöver - till exempel att [minska] röran på skärmen.

Om dessa problem kan lösas kan dock UPS-initiativet i Louisville bara vara det första steget för att hjälpa till att minska röran i luften.

Dölj