Este trabalho tem por objetivo analisar o desempenho da solução de segurança definida pela ICAO (International Civil Aviation Organization) para a ATN (Aeronautical Telecommunication Network) que é uma rede global para prover serviço de comunicação de dados para aviação civil. Depois de uma apresentação de arquitetura e serviços ATN e uma revisão sobre questões de criptografia e segurança de rede, é proposto um cenário desenvolvido no software de simulação de redes Opnet Modeler para caracterizar o desempenho obtido com e sem segurança. Neste cenário, aeronaves executam simultaneamente a função Logon da aplicação CM (Context Management), responsável pelo início, autenticação e manutenção de sessões (conexões data link) entre aeronave e estação terrestre. Atendendo a restrição de atraso fim a fim, imposta ao padrão ATN, a sub-rede do cenário proposto mostrou suportar até 50 aeronaves simultaneamente executando CM-Logon em um canal VDL modo 2 com a solução de segurança proposta pela ICAO para a ATN.

O aperfeiçoamento da navegação aérea segundo o conceito CNS/ATM inclui a implementação do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) como elemento provedor de infra-estrutura de navegação e os conceitos de Navegação de Área (RNAV), de Performance de Navegação Requerida (RNP) e da Redução dos Mínimos de Separação Vertical (RVSM) como elementos de gestão de tráfego aéreo. A Organização da Aviação Civil Internacional considera estes elementos como solução de longo prazo para melhorar a eficiência e a segurança do espaço aéreo frente ao crescimento do tráfego. Todavia implementá-los significa investir para adequar operadores e Provedores de Serviço de Tráfego Aéreo às normas que regem a prática de tais elementos. Neste trabalho, a implementação da RNAV, da RNP, da RVSM e do GNSS como meio primário de navegação no espaço aéreo brasileiro são avaliadas qualitativamente. Para tanto, os custos e benefícios operacionais e econômicos, ligados a cada elemento citado, são investigados e contextualizados na realidade do país. A título de estudo de caso, uma análise quantitativa de custo-benefício da implementação da RVSM no Brasil é realizada. Os resultados obtidos foram favoráveis para a aviação comercial, enquanto que inviáveis para a aviação geral de forma agregada. A viabilidade da aviação geral deve portanto ser analisada caso a caso, segundo a utilização da aeronave em questão e seus custos de aprovação operacional.

Este trabalho provê um arcabouço de implementação e implantação da Rede de Telecomunicações Aeronáuticas (Aeronautical Telecommunications Network - ATN) no Brasil. Esta futura geração das telecomunicações aeronáuticas é responsável pela integração de uma variedade de sistemas para a troca de dados aeronáuticos, seja ela em enlaces ar-terra ou terra-ar. Diversos aspectos são tratados, principalmente o enlace terra-terra através do Sistema de Tratamento de Mensagens (Message Handling System - MHS) que compõe a ATN. São tratados também a concepção e as necessidades dessa nova rede pela ICAO (International Civil Aviation Organization), passando pelas fases de sua implantação com os gateways entre a atual rede aeronáutica existente e as novas tecnologias de transmissão de dados. Na última parte, o detalhamento de um pequeno grupo de funcionalidades e as operações necessárias a um cenário de troca de mensagens interpessoais no ambiente MHS são cuidadosamente analisados. O trabalho também descreve a tendência de implementação do MHS sobre a pilha de protocolos TCP/IP, em vez da utilização dos protocolos ISO/OSI, exigidos a princípio pela ICAO. Procurou-se oferecer à comunidade aeronáutica as linhas guias para a implantação da rede ATN, explicando e descrevendo a evolução dos Serviços de Tráfego Aéreo (Air Traffic Services - ATS), incluindo o background e os padrões e restrições com os quais a ICAO vem trabalhando. Esta tese de mestrado oferece ainda uma análise prospectiva do futuro das telecomunicações aeronáuticas. Ela pode ser utilizada como base para a investigação das novas tecnologias de transferência de dados aeronáuticos através de ATN, diminuindo o esforço requerido por especialistas da comunidade aeronáutica para compreender os diversos protocolos especificados para esta nova rede que será implantada em escala global.

Este trabalho de pesquisa concentra-se no desenvolvimento de um sistema de apoio a decisão para o gerenciamento de fluxo de tráfego aéreo entre aeronaves em rota, que iniciarão procedimentos de Chegada utilizando Rotas Padrão em Área Terminal (Standard Terminal Arrival Routes - STAR). O sistema baseia-se no conceito de Comunicação, Navegação e Vigilância para o Gerenciamento de Tráfego Aéreo (Communication, Navigation and Surveillance/Air Traffic Management - CNS/ATM). Inicialmente foram realizadas pesquisas sobre sistemas de gerenciamento de tráfego aéreo existentes e tecnologias propostas pelo sistema CNS/ATM, a fim de identificar as principais necessidades de desenvolvimento do protótipo proposto. O protótipo desenvolvido é baseado em regras que representam os conhecimentos obtidos em entrevistas com especialistas em gerenciamento de tráfego aéreo. Para o seu desenvolvimento, uma metodologia baseada em fases de construção de Sistema Especialista (SE) foi seguida, e um Shell para desenvolvimento de SE foi utilizado. O Shell adotado foi o JESS (Java Expert System Shell). Testes foram realizados com o protótipo, através de cenários criados a partir dos conhecimentos adquiridos por especialistas em controle de tráfego aéreo, provendo verificação e validação dos vários conflitos detectados e solucionados pelo protótipo junto ao funcionamento das regras implementadas. Dentre as principais contribuições deste trabalho de pesquisa, encontram-se a adaptação do atual sistema de gerenciamento de tráfego aéreo ao sistema CNS/ATM, visando um melhor gerenciamento de fluxo de tráfego aéreo por meio de detecções antecipadas de conflitos em rotas, auxílios aos controladores de tráfego aéreo na resolução desses conflitos, aumento na segurança dos vôos, proporcionados pelo protótipo desenvolvido.

A navegação aérea por meio de equipamentos convencionais como NDB, VOR, DME e ILS está saturada na estrutura atual. Estes equipamentos apresentam desempenho de navegação limitado e custos de aquisição e operação expressivos. Por outro lado, as tecnologias GNSS têm se destacado como um caminho promissor para a implantação do sistema CNS/ATM e para novas aplicações na aviação. Dentro de uma abordagem holística (integrada) foi estudado o desenvolvimento de um sistema de navegação aérea por GNSS (GPS, GLONASS e Galileo) e de sistemas de acréscimo (ABAS, GBAS, SBAS e GRAS). Avaliaram-se como os diversos participantes do setor aéreo (stakeholders) interagem neste ambiente dinâmico para: 1) solucionar os desafios enfrentados pelo sistema de transporte aéreo (garantir segurança e aumentar capacidade) e 2) conseguir oferecer um sistema de navegação confiável com boa relação custo-beneficio. Diversos países têm investido em pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias em GNSS (Galileo, modernização do GPS, GAGAN, MSAS) e em tecnologias inovadoras dependentes do GNSS (ADS-B, SVS, UAV). Um benchmarking destas tecnologias foi feito para identificar quais destas poderiam ser desenvolvidas e implantadas no Brasil em parcerias entre instituições de pesquisa, empresas e órgãos governamentais. Por fim, é apresentada uma proposta para o sistema de navegação aérea nacional com base nos conceitos GBAS e GRAS aliados à tecnologia ADS-B. Foi incluída também uma análise do sistema proposto em termos de vantagens, desvantagens, oportunidades e riscos (análise SWOT).

No presente trabalho foi realizada uma análise da redução do custo operacional direto de uma aeronave de transporte comercial através da implementação do algoritmo de otimização de trajetória com o alcance fixo desenvolvido por ERZBERGER; LEE (1980). O algoritmo foi implementado em MATLAB 6.5R e as simulações foram realizadas utilizando-se um modelo de aeronave fictício. A função objetivo utilizada no algoritmo de otimização de trajetória ée a função custo, que inclui o custo do combustível e o custo de tempo. O algoritmo se baseia em uma aproximação que considera a trajetória completa como sendo constituída de três segmentos: a subida, o cruzeiro e a descida. Os três segmentos são otimizados levando-se em consideração a iteração entre os segmentos, diferentemente do procedimento clássico, que considera a otimização de cada segmento independentemente. O processo de otimização ée efetuado pela aplicação da teoria do controle ótimo e a metodologia utilizada para o cálculo da trajetória ótima com o alcance fixo ée derivada do Método da Energia. Os resultados obtidos através das instituições foram: os perfis de trajetória ótima e de velocidade, a altitude e a velocidade ótima de cruzeiro, o consumo de combustível, o tempo de viagem e o custo operacional direto. A máxima economia obtida com a otimização da trajetória atingiu 24,52% para viagens de longo alcance, a redução no custo operacional se torna menos significativa. Com o objetivo de inserir a otimização da trajetória de uma aeronave isolada dentro do contexto operacional foi abordado o sistema de controle de tráfego aéreo; apresentando os órgãos reguladores, a divisão do espaço aéreo, as regras de vôo estabelecidas e os serviços de tráfego aéreo. O sistema atual tem se tornado ineficiente devido ao forte crescimento do tráfego aéreo verificado nos últimos anos, gerando problemas que refletem em custo para as operadoras aéreas, tais, como: atrasos, estruturas de aerovias ineficientes e imposição de níveis de vôos que não são econômicos para a operação. Tais restrições impossibilitam as companhias aéreas de operarem os vôos nas trajetórias ótimas, o que causa perda de eficiência econômica e de competitividade. Foi realizada uma pesquisa de trabalho e projetos atuais que visam aumentar a eficiência do sistema de controle de tráfego aéreo. Os diversos programas e estudos proposto apontam para a reformulação do conceito de sistema de tráfego aéreo visando aumentar a flexibilidade de operações e redução nas restrições impostas pelo controle de tráfego aéreo a um mínimo necessário, apenas para garantir a segurança de vôo, ou seja, a aproximação do conceito denominado "Free Flight". Para viabilizar o novo conceito de tráfego aéreo seriam necessárias a implementação de novas tecnologias de comunicação e vigilância; a automação de muitos processos que atualmente são realizados pelos controladores e pelos pilotos; a distribuição de responsabilidades entre a tripulação na cabine de comando, os centros de operação das companhias aéreas e os controladores de tráfego, bem como o desenvolvimento de algoritmos eficazes de resolução de conflitos de múltiplas aeronaves. A aplicação da otimização da trajetória só será efetiva no ambiente do novo conceito de sistema de tráfego aéreo, onde as restrições operacionais são minimizadas e as operadoras aéreas têm a flexibilidade de escolher a rota desejada e efetivamente voar na trajetória planejada.

A questão fundamental considerada nesta dissertação foi a implementação de um protótipo de software capaz de detectar e solucionar conflitos de tráfego aéreo simulados, adaptando-se algoritmos utilizados na indústria do entretenimento (biblioteca OpenSteer ), a fim de estudar parâmetros envolvidos na resolução desses conflitos (por esta abordagem) e avaliar as trajetórias de solução. Para alcançar o objetivo proposto, as aeronaves foram modeladas como pontos, a superfície terrestre como plana e o espaço aéreo como bidimensional. O simulador VisSimCEA (Visualizador de Simulações em Controle do Espaço Aéreo), desenvolvido em linguagem Java e contendo as adaptações da OpenSteer, foi concebido para permitir o planejamento e execução dos ensaios nos quais variaram-se os ângulos de apresentação (de 30 a 180), as velocidades (de 100 a 200 Kt) e alguns parâmetros determinantes para alteração das trajetórias de solução. Considerando-se a capacidade de resolução, 100% dos conflitos foram solucionados, para determinada configuração de parâmetros, independentemente dos ângulos de apresentação e das velocidades. Quanto ao desempenho, observadas as reduções de velocidade abaixo de 75% da velocidade de cruzeiro, os algoritmos de resolução mostraram que 60%, do total de 45 ensaios registrados, foram solucionados. O critério de otimização não foi objeto de estudo aprofundado, no entanto, escolheu-se um padrão de comparação, encontrado na literatura como simplificação de um algoritmo em teste pela NASA, para avaliar o grau de otimização obtido pelas trajetórias. As diferenças entre as trajetórias produzidas pelo simulador e as calculadas analiticamente foram de 0,38%. Deduziu-se que o simulador, na fase de protótipo, ao utilizar métodos significativamente distintos dos demais encontrados na literatura, apresentou capacidade e desempenho de solução coerentes com o padrão de comparação utilizado.

Uma solução para um sistema de defesa computadorizado ée o sistema de monitoramento, vigilância, comando e controle C4I2SR. Existem diversos tipos de informação nesse sistema, dentre os quais estão os dados de tráfego aéreo da aviação civil. Estes dados são utilizados pelos diversos centros de controle de tráfego aéreo para coordenar o tráfego de aeronaves em seu espaço aéreo. A comunicação entre os diversos centros ée realizada através de troca de mensagens num formato padrão estabelecido pela ICAO que são utilizadas nos serviços ATS. No desenvolvimento de um sistema C4I2SR ée interessante, primeiramente, desenvolver um simulador C4I2SR para a realização de exercícios táticos e treinamento operacional num cenário simulado. Este trabalho tem por objetivo desenvolver um módulo de simulação de centros de controle de tráfego aéreo para ser incorporado ao simulador de um sistema C4I2SR. Esse módulo ée responsável por simular mensagens de tráfego aéreo civil de diversos centros de controle no formato ATS. Este trabalho consiste no levantamento de requisitos do projeto e na identificação de casos de uso típicos para a proposição de uma arquitetura para o simulador de mensagens ATS. A implementação do simulador ée detalhada e os casos de uso são testados.

In many parts of the world, future air traffic demands are expected to exceed air traffic capabilities and, at times, the system does already become overloaded. In this context, in the United States, the Next Generation Air Transportation System (NGATS) vision arises, which calls for a set of system modifications, with the increase and addition of capabilities that are expected to allow a proper response to the future needs of the American air transportation system. As a consequence of these modifications, the controller's tasks and roles are going to change, but it is anticipated that the cognitive complexity is going to remain a limiting factor to the system capacity. Therefore it is necessary to understand the complexity's mechanisms and how it might behave under current and future operations. This work deals with the identification of the key factors that drive complexity and the development of cognitive complexity metrics for the current and future operations. It is presented the experimental setup designed for measuring effects of four-dimensional trajectories and different schedules on air traffic controller perceived complexity. A complexity measure indicator based on the implemented complexity subjective metrics has been derived. This indicator has shown higher sensibility to complexity behavior compared to any of the other metrics alone. Nonetheless, it was found that this complexity indicator has to be used together with metrics that capture aircraft individual complexity, in order to fully describe the underlying cognitive complexity. It is found that Time-Based control induces lower perceived complexity than Position-Based control. Optimized schedules prove to be proner to higher cognitive complexity levels, due to the difficulty of conforming to a tight throughput and executing aircraft swaps. Nevertheless, if optimized schedules are used under Time-Based control, the least complexity measures are detected. This suggests how automation tools and optimized schedules must be considered in the design of future air traffic control operations.

Guiding arriving flights through congested terminal airspace has always been a challenge. As traffic builds up, controllers must often move traffic away from the airport until they can bring those flights in for landing, causing inefficiencies. A widespread implementation of Continuous Descent Approach (CDA) would result in significant reductions in environmental impact and airline operating costs, however, a significant barrier to system wide CDA implementation is the difficulty to merge and space flights so that the CDA is flown safely. The en route metering essentially allows flights to absorb any necessary arrival delays en route, with transition to the terminal area in a pre-planned sequence. When delays would be imposed, the priority of landing would be based on the calculated time of arrival for each flight at the last metering fix, using a First-Come-First-Served policy. The spacing between successive arriving flights needs to be sufficient to allow for other flights downstream to merge into the overall flow while maintaining the minimum required separation according to the applicable rules. This work describes the fundamental design of a decision-support tool and procedures for CDA in the Sao Paulo Terminal Radar Approach Control (SP-TRACON) with flight spacing based on Required Time of Arrival (RTA) at a metering fix. A linear programming model was used to establish required time of arrival at TRACON entry points to provide adequate separation on final approach following the Standard Terminal Arrival Routes (STARs). For this purpose, typical actual traffic data approaching to airports in the SP-TRACON were used to apply the sequence model and evaluate the potential benefits on throughput and delays for Sao Paulo - Guarulhos airport. Using the ATFM methodology developed in this work, the general delays applied to the traffics of the two selected days were 53.5% and 55.1% lower than the delays observed with ATFM measures used by air traffic controllers. For the peak hours considered, the methodology provided 25.5% and 30.1% delay reduction. The air traffic controllers role in the process and workload reduction is also discussed.