ANÁLISE DE TRÁFEGO AÉREO POR MEIO DE SIMULAÇÃO FAST-TIME:

ii Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Divisão de Informação e Documentação Hermeto, Thyago Silva ANÁLISE DE TRÁFEGO AÉREO POR MEIO DE SIMULAÇÃO FAST-TIME: CASO AVIAÇÃO OFFSHORE DE HELICÓPTEROS/ Thyago Silva Hermeto. São José dos Campos, 2014. 138. Dissertação de mestrado – Engenharia de Infraestrutura Aeronáutica, Área Transporte Aéreo e Aeroportos – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, 2014. Orientador: Prof. Dr. Carlos Müller. 1. ADS-B 2. Simulação Fast-Time 3. Bacia de Campos 4. Helicóptero 5. Offshore. I. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. II. Título

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA HERMETO, Thyago Silva. Análise de tráfego aéreo por meio de simulação fasttime: Caso aviação offshore de helicópteros. 2014. 138 folhas. Dissertação de Mestrado em Engenharia de Infraestrutura Aeronáutica, Área Transporte Aéreo e Aeroportos – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. CESSÃO DE DIREITOS NOME DO AUTOR: Thyago Silva Hermeto TÍTULO DO TRABALHO: Análise de tráfego

aéreo por meio de simulação fast-time: Caso aviação offshore de helicópteros. TIPO DO TRABALHO/ANO: Dissertação/2014 É concedida ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica permissão para reproduzir cópias desta dissertação ou tese e para emprestar ou vender cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta dissertação ou tese pode ser reproduzida sem a sua autorização.

_____________________________________ THYAGO SILVA HERMETO RUA ISOLINA 471, APTO 502 / MÉIER. 20710-070 - Rio de Janeiro - RJ

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ANÁLISE DE TRÁFEGO AÉREO POR MEIO DE SIMULAÇÃO FAST-TIME: CASO AVIAÇÃO OFFSHORE DE HELICÓPTEROS

THYAGO SILVA HERMETO

Composição da Banca Examinadora:

Prof.

Dr.Alessandro Vinícius Marques de Oliveira

Presidente-ITA

Prof. Dr. Carlos Müller

Orientador-ITA

Prof. Dr. Donizeti de Andrade

Membro Interno - ITA

Prof. Dr. Li Weigang

Membro Externo - UNB

ITA

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Dedicatória

Aos meus pais, Ruy Vargas do Ipiranga Brandão Hermeto e Neuza Maria Silva Hermeto, e minha querida irmã, Marhyane Silva Hermeto. A minha querida esposa Nathália da Silva Sena Hermeto, e aos seus pais João José e Sylvia Helena, e sua querida avó Zinair. A minha querida avó paterna Jocelina Brandão Hermeto e aos meus avós queridos maternos, Olinto Silva, Maria da Penha Guimarães Silva. In Memoriam do meu querido avô paterno, Francisco Hermeto e ao meu tio querido materno Paulo Roberto Guimarães Silva.

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Agradecimentos A Deus e todos os anjos de luz que me deram o dom da vida, fortalecendo e guiando em todos os momentos da minha existência. A minha família pelo apoio, carinho, compreensão e "injeções de ânimo" durante a minha vida. Pela célebre frase: "Estude que o Brasil depende de você!”. A minha esposa Nathália da Silva Sena Hermeto, pela paciência e amor! Aos seus pais, João José e Sylvia Helena, e sua avó Zinair, que sempre apoiaram as viagens para estudar em São José dos Campos. Ao meu orientador Prof. Dr. Carlos Müller pelo incentivo, motivação na pesquisa acadêmica, e pelo exemplo de conduta de vida profissional/pessoal. Agradeço ao incentivo para ingressar no programa de mestrado, realizado durante o inesquecível sobrevoo no litoral do Rio de Janeiro e São Paulo, em busca de novas oportunidades de infraestruturas aeroportuárias. A todos os professores, coordenadores e funcionários da Pós-Graduação do Programa de Engenharia de Infraestrutura Aeronáutica. Em especial ao Prof. Dr. Alessandro Marques por mostrar-me a sabedoria do mundo acadêmico, e pela busca da excelência do conhecimento, e pelo gosto de novos desafios. Ao meu relator de seminários de tese, Prof. Dr. Cláudio Jorge Pinto Alves (ITA), pela orientação e sugestões de melhoria do trabalho, e no compartilhamento do conhecimento do universo da Infraestrutura Aeroportuária.

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À PETROBRAS que financiou minha estada em São José dos Campos, e por ter depositado a responsabilidade de estudar o tema da pesquisa. Um agradecimento especial para os Srs. Eduardo Diniz Prallon, Flávio Bretanha Freire e Miguel José Reis Lopes. Aos colegas do GETA (Grupo de Engenharia de Tráfego Aéreo), que contribuíram diretamente na elaboração dessa dissertação de mestrado, para o esclarecimento de dúvidas e apoio motivacional. Um especial muito obrigado ao colega Rafael Fraga (ISA-SOFTWARE) pelo suporte e esclarecimentos de dúvidas sobre a ferramenta de simulação. A ISA-SOFTWARE pela realização do treinamento da ferramenta e flexibilidade na solução dos problemas de simulação. Agradeço a todos os colegas que acompanharam esta caminhada rumo ao conhecimento. Sou eternamente grato a todos vocês!

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Epígrafe

"Quem anda no trilho é trem de ferro, sou água que corre entre pedras: Liberdade acha jeito." Manoel de Barros.

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Resumo Esta pesquisa tem como objetivo avaliar, por meio de simulação, os benefícios da introdução de um novo sistema de vigilância (ADS-B) em uma área de controle de aproximação (APP) dedicado para a aviação de transporte offshore de helicópteros, na região petrolífera da Bacia de Campos. Para tanto, utiliza-se o software RAMS-PLUS, ferramenta de simulação desenvolvida para estudos para o lado-ar dos aeroportos e análise de circulação de tráfego aéreo. O escopo da pesquisa foi elaborado através de levantamento de dados de tráfego aéreo do APP de Macaé, área responsável pelo gerenciamento de tráfego aéreo da região, e do levantamento do banco de dados da empresa INFRAERO (através do sistema SGTC) e da empresa de energia PETROBRAS - PETRÓLEO BRASILEIRO S.A.. Após a etapa de validação do modelo de simulação, foram elaborados cenários de sensibilidade (alteração na distribuição dos horários de decolagens, e aumento da demanda de voos), e os resultados foram avaliados através de três métricas: atraso no horário de decolagem, atraso do tempo do voo em rota e consumo de combustível. O cenário ADS-B apresentou a média de atrasos em decolagem 16% inferior ao cenário atual, ou seja, resultou em uma redução média horária de 8,4 minutos. Com relação à métrica de atraso em rota, o cenário ADSB mostrou-se 43% mais eficiente do que o cenário atual. Estimou-se uma redução média anual de aproximadamente 39,8 mil minutos em função da redução da separação horizontal em rota. Em relação ao consumo de combustível, os resultados apontam uma redução média anual de R$ 1,31 milhões, ou seja, aproximadamente 682,9ton QAV/ano. Palavras-Chave: ADS-B, Simulação Fast-Time, Bacia de Campos, Helicóptero, Offshore.

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Abstract The objective of this research is to evaluate the benefits of a new surveillance system (ADS-B) in an aviation approach terminal area (APP) that is dedicated to offshore helicopters transport in the Exploration and Production oil area, called Campos Basin. It was used the software RAMS-PLUS, a fast-time simulation software that was developed to analyze the airside of airports and air traffic circulation. The research's scope was elaborated considering air traffic database of APP Macaé, that is the main area responsible for air traffic flow management in this area, and also by means INFRAERO database (SGTC system) and the energy company PETROBRAS PETROLEO BRASILEIRO S.A. After the model's validation phase, some sensibility scenarios were developed (different flight schedule and the demand growth), and the results were analyzed by means three metrics: departure delay, en route delay and fuel consumption. The ADS-B scenario had 16% less departure delay than the current scenario, which represents an hourly average reduction of 8.4 minutes. Considering the en route metrics, ADS-B scenario showed 43% less delay than current scenario. It can be estimated a yearly average reduction of 39.8 thousand minutes with the ADS-B enroute horizontal separation rule. Looking at fuel consumption, it was estimated a yearly cost reduction of R$1.31 million with ADS-B surveillance system, which means a 682.9ton QAV/year save. Keywords: ADS-B, Fast-Time Simulation, Campos Basin Helicopter, Offshore.

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Sumário Dedicatória....................................................................................................................... iv Agradecimentos ................................................................................................................ v Epígrafe .......................................................................................................................... vii Resumo .......................................................................................................................... viii Abstract ............................................................................................................................ ix Sumário............................................................................................................................. x Lista de Figuras .............................................................................................................. xii Lista de Tabelas ............................................................................................................. xiv Lista de Abreviaturas e Siglas ........................................................................................ xv 1

Introdução................................................................................................................ 17

1.1 Objetivos da Pesquisa .............................................................................................. 20 1.2 Estrutura da Dissertação .......................................................................................... 21 2

Metodologia ............................................................................................................ 23

2.1 Sistema de Vigilância Radar ................................................................................... 25 2.2 Sistema de Vigilância ADS-B ................................................................................. 28 2.3 Tecnologia ADS-B embarcada em helicópteros ..................................................... 34 3

Descrição da Base de Dados ................................................................................... 38

3.1 3.2 3.3 3.4

Base de dados RADAR ........................................................................................... 39 BASE SGTC............................................................................................................ 46 Base Petrobras ......................................................................................................... 50 Base de Dados Input do Modelo ............................................................................. 51

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Modelo de Simulação .............................................................................................. 54

4.1 Métricas de simulação para análise de resultados ................................................... 59 4.1.1 Atraso nas fases de voo ......................................................................................... 60 4.1.2 Consumo de Combustível...................................................................................... 61 4.2 Modelo de Simulação da Bacia de Campos ............................................................ 64 4.2.1 Aeródromos e circuitos de aproximação e decolagem .......................................... 64 4.2.2 Setorização do Espaço Aéreo ................................................................................ 70 4.2.3 Rotas de Navegação aérea ..................................................................................... 71 4.2.4 Regras de Circulação ............................................................................................. 75 4.2.5 Planos de Voo ........................................................................................................ 82 5

Validação do Modelo .............................................................................................. 86

5.1 Teste de hipótese com dados não-emparelhados ..................................................... 88 5.2 Teste de hipótese com dados emparelhados ............................................................ 91 6

Cenários Simulados ................................................................................................. 93

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Resultados e Análises .............................................................................................. 99

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7.1 Cenário C1 - Cenário Atual ..................................................................................... 99 7.2 Cenário C2 - Cenário ADS-B ................................................................................ 106 7.3 Cenários de Análise de Sensibilidade.................................................................... 108 7.3.1 Análise 1 (C3 e C4) - Alteração no Horário de Decolagem das Aeronaves ....... 108 7.3.2 Análise 2 (C5 e C6) - Aumento da Demanda de Voos ........................................ 111 8

Conclusão .............................................................................................................. 114

8.1 Limitações ............................................................................................................. 115 8.2 Sugestões para extensões....................................................................................... 116 Referências ................................................................................................................... 118 Anexos .......................................................................................................................... 122

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Lista de Figuras Figura 1. Histórico de Movimentação de Aeronaves no Aeroporto de Macaé (SBME). 18 Figura 2. Carta de Circulação de Tráfego Aéreo da Bacia de Campos. ......................... 19 Figura 3. Separação Mínima entre Aeronaves Regras atual e Regra ADS-B. ............... 20 Figura 4. Exemplo de Antenas do sistema PSR e SSR. ................................................. 25 Figura 5. Pulso de resposta do transponder Modo A. ..................................................... 26 Figura 6. Cobertura dos Radares Primário (PSR) e Secundário (SSR). ......................... 28 Figura 7. Tecnologias ADS-B OUT (à esquerda) e ADS-B IN (à direita). .................... 29 Figura 8. Formato da mensagem Squitter (acima) Extended Squitter (abaixo). ............ 31 Figura 9. Mapa com a disposição de aeroportos da Terminal Alasca. ........................... 32 Figura 10. Cobertura da Vigilância ADS-B para voos em baixas altitudes na região do Golfo do México. .................................................................................................... 35 Figura 11. Equipamentos embarcados e em solo necessários para o funcionamento do sistema ADS-B. ....................................................................................................... 36 Figura 12. Equipamentos embarcados em plataformas do Golfo do México. ............... 37 Figura 13. Centros Integrados de Controle do Espaço Aéreo - CINDACTA. .............. 40 Figura 14. Imagem do radar de Macaé - disposição das Posições de Controle dos Setores 1 e2 do APP Macaé. ................................................................................... 41 Figura 15. Elaboração da Pista Síntese pelo software X-4000. ...................................... 42 Figura 16. Exemplo de Relatório MULTI-RADAR da Terminal Macaé - 8/02/2013. .. 42 Figura 17. Visualização dos Dados Radar 15/02/2013. ................................................. 44 Figura 18. Perfil Longitudinal da Aeronave PRBGJ - dia 15/02/2013. ......................... 45 Figura 19. Distribuição de voos realizados na Bacia de Campos - Período: 1/01 a 24/04/2013............................................................................................................... 49 Figura 20. Distribuição de Movimentos por Aeródromo - período: 1/01 a 24/04/2013. 49 Figura 21. Configurações de Programação dos Voos tipo 1. ......................................... 50 Figura 22. Plano de Voo PRNLN00, trajeto SBCB-SBJR. ............................................ 52 Figura 23. Resumo das Bases de Dados utilizadas no Modelo de Simulação. .............. 53 Figura 24. Quadro Resumo de Modelos Matemáticos. .................................................. 55 Figura 25. Composição dos custos e das despesas de voo da indústria no Brasil em 2013. ........................................................................................................................ 62 Figura 26. Modelo de Consumo de Combustível - Aeronave S76. ................................ 63 Figura 27. Modelo de Consumo de Combustível - Aeronave S92. ................................ 63 Figura 28. Circuitos de Aproximação e Decolagem - SBCP -cabeceira 07. .................. 65 Figura 29. Circuitos de Aproximação e Decolagem - SBFS -cabeceira 13. .................. 65 Figura 30. Circuitos de Aproximação - SBME -cabeceira 06 (esquerda) e 24 (direita) 66 Figura 31. Circuito de Decolagem - SBME -cabeceiras 06 e 24. ................................... 66 Figura 32. Circuito de Aproximação - SBCB -cabeceira 10. ......................................... 67 Figura 33. Circuito de Decolagem - SBCB -cabeceira 10. ............................................. 67 Figura 34. Esquema de Cálculo para o waypoint de Chegada da Plataforma. ............... 69 Figura 35. Espaço Aéreo da Bacia de Campos - Visualização no Modelo de Simulação. ................................................................................................................................. 71 Figura 36. Distribuição de voos na Bacia de Campos por Nível de Voo. ...................... 72 Figura 37. Planos de Voos com programação inicial para o mesmo horário de decolagem. .............................................................................................................. 74 Figura 38. Exemplo de Sequenciamento de Voos para o Aeroporto de Macaé. ............ 74

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Figura 39. Modus operadins dos Controladores de Voo da Bacia de Campos. ............. 75 Figura 40. Exemplos da Coordenação de "Passagem de Serviço de Controladores" entre Setores. .................................................................................................................... 77 Figura 41. Diagrama de Geometria de Conflitos. ........................................................... 79 Figura 42. Distribuição Horária de Movimentos na Bacia de Campos - 8/02/2013. ..... 84 Figura 43. Exemplos de heat map nos setores do espaço aéreo da Bacia de Campos. .. 85 Figura 44. Distribuição da Velocidade Média da Amostra da Simulação...................... 87 Figura 45. Distribuição da Velocidade Média da Amostra da SGTC. ........................... 88 Figura 46. Distribuição de Atrasos na Decolagem - Cenário C1. ................................ 101 Figura 47. Caracterização do Atraso na Decolagem - Cenário C1. .............................. 102 Figura 48. Distribuição de Atrasos em Rota - Cenário C1. .......................................... 103 Figura 49. Taxa Horária de Aeronaves gerenciada pelos Controladores nos Setores S1 e S2........................................................................................................................... 104 Figura 50. Taxa Horária de Aeronaves gerenciada pelos Controladores dos Setores Albacora, Marlim e Enchova. ............................................................................... 104 Figura 51. Distribuição de Atrasos na Decolagem - Cenário C2. ................................ 106 Figura 52. Caracterização do Atraso na Decolagem - Cenário C2. .............................. 106 Figura 53. Distribuição de Atrasos em Rota - Cenário C2. .......................................... 107 Figura 54. Análise de Resultados - Atraso na Decolagem dos Cenários C3 e C4. ...... 109 Figura 55. Análise de Resultados - Atraso em Rota dos Cenários C3 e C4. ................ 110 Figura 56. Análise de Resultados: Atraso Total Médio na Decolagem dos Cenários C5 e C6. ......................................................................................................................... 112 Figura 57. Análise de Resultados - Atraso Total Médio em Rota dos Cenários C5 e C6. ............................................................................................................................... 113

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Lista de Tabelas Tabela 1. Benefícios da introdução da tecnologia ADS-B. ............................................ 30 Tabela 2. Descrição de Variáreis do Relatório MULTI-RADAR. ................................. 43 Tabela 3. Descrição do Relatório de Movimentos do SGTC. ........................................ 47 Tabela 4. Apontamento do voo pela aeronave PRBGE.................................................. 50 Tabela 5. Comparação de Modelos de Simulação Fast-Time. ....................................... 57 Tabela 6. Indicadores do Sistema e Métricas. ................................................................ 59 Tabela 7. Nível de Voos para Circulação na Bacia de Campos. .................................... 72 Tabela 8. Regras de Gerenciamento de Tráfego para os setores da Bacia de Campos. . 78 Tabela 9. Fichas preenchidas pelo APP Macaé- Prioridade de Resolução de Conflitos. 81 Tabela 10. Ranking Default Rams-Plus e Ranking Parametrizado APP Macaé. ........... 81 Tabela 11. Dados Estatísticos das Amostras SGTC e Simulação. ................................. 89 Tabela 12. Teste de Hipóteses avaliadas na pesquisa. .................................................... 89 Tabela 13. Resultado do Teste de Hipótese t-Student Bicaudal. .................................... 90 Tabela 14. Premissas e resultados de teste de hipótese Qui-quadrado. .......................... 92 Tabela 15. Distribuição Horária de Movimentos para os Cenários C3 e C4.................. 95 Tabela 16. Exemplo de 1 voo de referência e seu voo clonado. .................................... 96 Tabela 17. Distribuição Horária de Movimentos para os Cenários C5 e C6.................. 97 Tabela 18. Resumo dos Cenários Simulados. ................................................................ 97 Tabela 19. Distribuição de Atrasos nos Aeródromos da Bacia de Campos. ................ 100 Tabela 20. Resumo das Métricas nos Cenários C1 e C2. ............................................. 108 Tabela 21. Consumo Médio de Combustível - Cenários C3 e C4................................ 111 Tabela 22. Consumo Médio de Combustível - Cenários C5 e C6................................ 113

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Lista de Abreviaturas e Siglas ACAS

Airbone Collision Avoidance System

ADS-B

Automatic Dependent Satellite - Broadcast

APP

Controle de Aproximação

ANAC

Agência Nacional de Aviação Civil

ANP

Agência Nacional do Petróleo

ATC

Air Traffic Control

ATM

Air Traffic Management

AWOS

Automatic Weather Observation System

BPC

Bacia Petrolífera de Campos

CASA

Civil Aviation Safety Authority

CBA

Código Brasileiro de Aeronáutica

CINDACTA

Centro Integrado de Defesa e Controle

COA

Centro de Operações Aeroportuárias

DECEA

Departamento de Controle do Espaço Aéreo

EUROCONTROL

Organização Européia para a Segurança da Navegação Aérea

FAA

Federal Aviation Administration

FMS

Flight Management System

GNSS

Global Navigation Satellite System

GPS

Global Position System

HAI

Helicopter Association International

INFRAERO

Empresa Brasileira de Infraestrutura Aeroportuária

ICAO

Internacional Civil Aviation Organization

NAS

National Airspace System

OC

Controladores de Tráfego Aéreo Onshore

xvi

PLC

Controladores de Tráfego Aéreo Offshore

PSR

Radar de Vigilância Primário

RAMS-PLUS

Software de simulação em tempo acelerado - ISA-SOFTWARE

RNAV

Navegação de Área

SID

Standart Instrumental Departure Route

SSR

Radar de Vigilância Secundário

STAR

Standart Terminal Arrival Route

SVP

Surveillance Vision Plan

TCAS

Traffic Alert and Airbone Collision Avoidance System

TMA

Terminal Manoeuvre Area

X-4000

Software responsável pelo armazenamento de dados radar no APP Macaé

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1 Introdução

O Brasil ocupa a 13ª posição no ranking de produção de petróleo da OPEP, com a produção de 2,5% do petróleo mundial, aproximadamente 2,1 milhões de barris/dia. De acordo com a Agência Nacional do Petróleo (ANP, 2014), a Bacia Marítima de Campos é responsável por 74,4% do volume de petróleo produzido no país. Localizada entre o sul do Estado do Espírito Santo e o norte do Estado do Rio de Janeiro, a Bacia de Campos tem a extensão de aproximadamente 100mil km2, composta por unidades de produção e exploração de petróleo, aproximadamente 110 unidades de exploração e produção (ANAC, 2014). As unidades marítimas estão localizadas a partir de 60 NM, havendo grande concentração de unidades a 90 NM do litoral fluminense. Considerando a distância de atendimento e o volume de funcionários transportado, as companhias petrolíferas optam pelo transporte aéreo no trajeto aeródromo onshore e unidades marítimas. Este transporte é realizado por helicópteros, cuja capacidade de assentos disponíveis é limitada, variando entre 12 a 18 passageiros por viagem. A disponibilidade de assentos é função das atividades realizadas por unidade, escala de trabalho e a desempenho do helicóptero utilizado. São demandados aproximadamente 350 movimentos diários para efetuar a troca do efetivo embarcado. O aeroporto de Macaé, um dos quatro aeródromos que assistem esta bacia, realizou em 2013 aproximadamente 60 mil movimentos dedicados à aviação offshore, correspondendo a noventa por cento de total sua operação. A Figura 1 apresenta a estatística do aeroporto de Macaé.

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Figura 1. Histórico de Movimentação de Aeronaves no Aeroporto de Macaé (SBME). Fonte: Base de Dados INFRAERO, 2014.

Para garantir a segurança do tráfego aéreo nesta região, está localizado no Aeroporto de Macaé o APP-Macaé. O APP é responsável por prover o serviço de controle tráfego aéreo para os helicópteros, mantendo as separações entre aeronaves em rota e na área onde estão instaladas as plataformas. O serviço de gerenciamento é realizado através de um sistema de radar primário e secundário localizado em Macaé, apresentando limitações de alcance de cobertura. A Figura 2 apresenta a Carta de circulação de tráfego aéreo empregada na Bacia de Campos (DECEA, 2009).

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Figura 2. Carta de Circulação de Tráfego Aéreo da Bacia de Campos. Fonte: DECEA (2009), adaptado pelo Autor.

Em 2009, o DECEA (Departamento de Controle do Espaço Aéreo Brasileiro), com o intuito de aumentar a vigilância da Área Terminal, estabeleceu que a Bacia de Campos Terminal seja a monitorada com sistema de vigilância ADS-B (Automatic Dependent Satellite - Broadcast), aumentando o alcance do gerenciamento das aeronaves em localidades mais afastadas da costa brasileira. A vigilância ADS-B irá proporcionar a redução da separação mínima horizontal entre aeronaves, conforme apresentado na Figura 3, possibilitando a realização de uma

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operação mais eficiente, bem como o aumento da capacidade da utilização das aerovias da área terminal. Porém não foram encontradas pesquisas científicas que abordam o tema.

Figura 3. Separação Mínima entre Aeronaves Regras atual e Regra ADS-B. Fonte: DECEA (2009), adaptado pelo Autor.

1.1 Objetivos da Pesquisa

O objetivo desta pesquisa é analisar o benefício operacional alcançável no sistema de gerenciamento de tráfego aéreo da Bacia de Campos com a introdução da tecnologia ADS-B. Para avaliar este benefício, foram elaborados cenários de simulação em tempo acelerado, para a comparação dos resultados entre os cenários com regras de separação de voo atual e ADS-B, sendo utilizadas três métricas de comparação: tempo em rota, tempo para execução do procedimento de decolagem e consumo de combustível; métricas estas preestabelecidas pela Federal Aviation Administration - FAA (FAA, 2004).

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Considerando o aumento da demanda de passageiros no período 2003-2013, outro objetivo endereçado na pesquisa é realizar uma análise comparativa entre os cenários com regra de separação de voo atual e ADS-B com uma demanda de movimentos 25% maior que a encontrada na base de dados do ano de 2013, através da comparação dos atrasos entre os cenários.

1.2 Estrutura da Dissertação A presente pesquisa encontra-se dividida nos seguintes capítulos: Capítulo 1, a Introdução apresenta a importância do tema de pesquisa, e as perguntas de pesquisa endereçadas. Capítulo 2 apresenta a metodologia utilizada na pesquisa, através da apresentação dos sistemas de vigilância avaliados, sistema radar e sistema ADS-B, bem como a tecnologia ADS-B embarcada nos helicópteros. Capítulo 3 apresenta a descrição das bases de dados utilizadas para a formulação do problema, através da descrição da obtenção dos dados, tratamento e formatação da base de dados final utilizada como input do modelo. O Capítulo 4 apresenta o modelo de simulação, contendo as regras de separação de tráfego aéreo utilizadas pelo APP-Macaé, a descrição das características dos setores de navegação aérea, e os planos de voo utilizados na simulação. São apresentadas as métricas de análise utilizadas para a quantificação dos benefícios operacionais e financeiros obtidos com a introdução da nova tecnologia. O capítulo 5 apresenta o estudo estatístico para validação do modelo de simulação utilizado. O capítulo 6 apresenta os cenários de simulação utilizados para avaliar os benefícios da introdução do sistema ADS-B.

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Capítulo 7 apresenta a análise dos resultados provenientes da simulação; Capítulo 8 apresentadas a conclusões, as limitações encontradas para a realização da pesquisa, e propostas de estudos futuros.

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2 Metodologia

O crescimento da demanda de passageiros para a aviação regular é objeto de pesquisa de todos os stakeholders do sistema: companhia aérea, operador aeroportuário e órgão de gerenciamento de tráfego. Este último visa a garantir que o número de aeronaves por um determinado espaço de tempo e área de cobertura esteja compatível com as regras de segurança (safety) recomendadas pelo órgão regulador internacional (ICAO), bem como as regras de navegação aérea nacionais. No Brasil tais regras são estabelecidas pelo Departamento do Controle do Espaço Aéreo - DECEA. O espaço aéreo pode ser subdividido em regiões, sendo que a menor célula controlada do espaço aéreo é intitulada "setor". Cada setor é gerenciado por uma equipe de controladores de voo, sendo um controlador tático e um controlador planejador. Assim a capacidade do espaço aéreo pode ser determinada através da capacidade dos setores, e consequentemente da capacidade dos controladores de voo. O aumento da capacidade do espaço aéreo pode ser endereçado através do redesenho deste, aumentando a quantidade de setores para uma determinada região, através da elaboração de setores de menor volumetria. Porém deve-se evitar que este redesenho seja conduzido simplesmente pela diminuição do volume dos setores. MOGFORD et al. (1995) compilaram estudos de simulação pregressos, destacando que a utilização de setores menores proporciona o aumento de recursos humanos e equipamentos, gerando o aumento na coordenação entre as atividades dos diversos órgãos ATC; proporcionando um efeito inverso na capacidade do espaço aéreo. Outro ponto a ser destacado é que esta técnica proporciona o aumento do efetivo necessário para o

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gerenciamento do tráfego, sendo necessário maior aporte de investimento em material humano e equipamentos para a prestação do serviço de gerenciamento. A ICAO (2000) estabelece que a necessidade de alterações no espaço aéreo é determinada através dos seguintes fatores: a demanda dos usuários, a lacuna na capacidade do espaço aéreo e melhorias no sistema através da introdução de novas tecnologias (na aeronave ou no órgão ATC). A avaliação destas mudanças deve ser conduzida através uma metodologia de planejamento, contemplando os fatores acima mencionados, e garantindo que os requisitos de segurança de voo sejam mantidos em todas as fases do voo. Sendo assim a ICAO orienta que os estudos de tráfego aéreo devam ser realizados através das seguintes estratégias de modificação: Aumento do nível de serviço prestado do tráfego aéreo; Redução da separação mínima; Aumento da capacidade de comunicação; Alteração no desempenho de navegação requerida - determinada através do desempenho da aeronave; do desempenho dos sistemas de comunicação em solo e na aeronave e do desempenho da vigilância; Reestruturação das rotas de navegação; e Limitação da demanda por serviços ATC (Air Traffic Control). Dentre as estratégias mencionadas, a presente pesquisa foi desenvolvida considerando a hipótese de redução da separação mínima entre aeronaves, proporcionada pelo aumento no desempenho da vigilância (surveillance).

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2.1 Sistema de Vigilância Radar

O sistema de vigilância através do radar primário (Primary Surveillance Radar - PSR) é um sistema de posicionamento de aeronaves através de emissões de ondas eletromagnéticas por um radar em solo, e a captação do sinal das ondas refletidas na aeronave. Este sistema não depende da cooperação da aeronave para a determinação da aeronave, proporcionando maior segurança ao sistema de vigilância, porém apresenta as seguintes deficiências: interferência na captação do sinal por questões meteorológicas (formação de nuvens), não determinação da altitude da aeronave; em condições de navegação nas imediações do radar há a grande incidência de sinal de baixa confiabilidade. O sistema de vigilância através do radar secundário (Secondary Surveillance Radar SSR) é composto por um transponder instalado no interior da aeronave, operando em conjunto com o sistema de radar no solo. Assim há uma troca de informações entre o sistema radar (dotado de um sistema interrogador) e a transponder da aeronave. Estes sistemas de vigilância combinados (PSR e SSR) são normalmente instalados em solo em conjunto, conforme apresentado na Figura 4.

Figura 4. Exemplo de Antenas do sistema PSR e SSR. Fonte: SILVA, PORTO e ELLER (2013).

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Além da informação da altitude da aeronave, o sistema de vigilância SSR introdução outros benefícios ao gerenciamento de tráfego aéreo, tais como: a identificação das aeronaves através de 4096 códigos diferentes, aumento do alcance do radar em função da emissão de pulso eletromagnético mais potente, menor incidência de interferência do sinal eletromagnético, e melhor identificação das aeronaves no radar através do comando IDENT. O sistema de vigilância PSR/SSR utilizam três modelos distintos transponder: mode A, mode C e mode S. O transponder mode A, responsável por identificar a aeronave, apresentando um pulso de interrogação de duração de 0,8 microsegundos, e mode C, responsável por identificar a altitude, com pulso de interrogação de 21 microsegundos. Os transponder enviam um pulso de resposta ao radar com duração de 0,45 microsegundos, pulsos F1 e F2, defasados 20,3 microsegundos entre si. Entre cada pulso principal são emitidos outros 12 pulsos intermediários que compõem a informação da localização da aeronave e sua altitude, conforme apresentado na Figura 5. É necessária a emissão da resposta ao radar com 16 bits através dos transponder mode A/C para a informação da aeronave.

Figura 5. Pulso de resposta do transponder Modo A. Fonte. SILVA, PORTO e ELLER (2013). O transponder mode S (Selective) foi desenvolvido com o intuito de atender a crescente demanda de tráfego aéreo, bem como a eventual saturação da banda de frequência para

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o envio de informações entre a aeronave e os radares de vigilância. As vantagens operacionais obtidas pela introdução do transponder mode S em relação aos demais transponder são (SILVA, PORTO e ELLER, 2013): Limitação do envio de sinal de questionamento (direção: radar-transponder) apenas para a aeronave em uma determinada área de controle. Os demais transponder enviam sinais de questionamento para todas as aeronaves da área de controle; Recebimento do sinal de retorno do questionamento apenas por uma única aeronave interrogada, evitando o envio do retorno das informações de aeronaves que não estão sob controle. Outra característica do transponder mode S trata-se da quantidade bits enviada pelo transponder, 24 bits, e consequentemente há uma redução da interferência do sinal, bem como a diminuição de sinal espúrio na mensagem. Através do aumento de bits, 16 bits nos transponder mode A/C para 24 bits no transponder mode S, são disponibilizados 16.777.216 (224) códigos diferentes para as aeronaves, ou seja, cada aeronave apresenta um código específico (EUROCONTROL, 2003). A mensagem final do transponder mode S é dotada de 56 bits, sendo 8 bits para sincronização da informação no controle de tráfego aéreo, 24 bits para o código ICAO da aeronave, e 24 bits de informações necessária enviada automaticamente, chamada "squitter". A mensagem squitter tem como objetivo prevenir a colisão entre aeronaves, sendo utilizado pelo sistema Airbone Collision Avoidance System - ACAS. Este pacote de informações é transmitido a uma frequência de uma vez por segundo. Embora o transponder mode S possibilitou maior confiabilidade ao sistema de gerenciamento de tráfego aéreo, a eficiência do sistema de vigilância encontrava-se

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limitado pelas características físicas dos radares PSR/SSR em solo. A ICAO (2007) realizou um estudo para avaliar a aplicabilidade dos sistemas de vigilância, e verificou que a utilização destes sistemas de vigilância combinados (PSR e SSR), possui um alcance de 200 NM, limitado à angulação variando entre 0,5° e 1,0°, conforme apresentado na Figura 6.

Figura 6. Cobertura dos Radares Primário (PSR) e Secundário (SSR). Com o intuito eliminar a deficiência dos sistemas PSR/SSR, a partir da década de 1990 (MITOLA, 1995) foram elaboradas pesquisas o desenvolvimento do conceito de migração do sistema de vigilância baseado em comunicação rádio baseada em hardware para software. O principal benefício deste conceito de comunicação refere-se à otimização do espectro de frequência utilizado. Este conceito tecnológico é utilizado no sistema ADS-B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast). O sistema ADS-B será apresentado na Seção 2.2.

2.2 Sistema de Vigilância ADS-B

O significado do acrônimo ADS-B deve ser compreendido:

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Automatic - não a necessidade da interrogação de um equipamento instalado em solo para conhecer as condições de voo de uma determinada aeronave, haja vista que aeronave irá transmitir automaticamente um sinal com as condições em voo; Dependent - o sistema depende de equipamentos especiais instalados a bordo da aeronave para a determinação do posicionamento da aeronave e transmissão das informações de dados. Os dados transmitidos são: tailnumber, velocidade, localização, altitude; Surveillance - o sistema proporciona automaticamente a coordenação e monitoramento do tráfego aéreo. O sistema de vigilância ADS-B pode ser dividido em dois serviços diferentes: ADS-B OUT consiste na transmissão automática em tempo real das informações do voo para o controle de tráfego aéreo e, o ADS-B IN consiste na transmissão de informações de voo entre aeronaves, conforme apresentada na Figura 7.

Figura 7. Tecnologias ADS-B OUT (à esquerda) e ADS-B IN (à direita). Fonte: CASA (2012) A FAA (1996) elaborou o primeiro estudo para a implantação da tecnologia ADS-B, o plano de desenvolvimento - Surveillance Vision Plan, SVP - para o sistema de

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vigilância dos Estados Unidos (National Airspace System, NAS). Neste plano houve a demonstração da necessidade de promover a transição entre a tecnologia de vigilância baseada em equipamentos instalados em solo (ground-based surveillance system) para tecnologias que integrassem a vigilância em solo e em satélites (satellite-based surveillance system). A lista de benefícios operacionais identificados pela FAA encontra-se apresentada na Tabela 1. Tabela 1. Benefícios da introdução da tecnologia ADS-B. Capacidade Operacional

Stakeholders beneficiados

Melhorias na Vigilância

Free flight

Redução de combustível e tempo de voo

Usurários

- Aumento na cobertura de vigilância; - Melhoria na integridade e confiabilidade dos dados.

Time-based control

Aumento da capacidade do tráfego aéreo

Usurários & FAA

Melhoria na integridade e confiabilidade dos dados

Redução da Separação Mínima

Aumento da capacidade do tráfego aéreo

Usurários & FAA

Melhoria na integridade e confiabilidade dos dados

Aumento do nível de automação

Aumento da capacidade e eficiência do Melhoria na integridade e Usurários & FAA serviço de tráfego confiabilidade dos dados pelo controlador ATC

Precisão nos procedimentos de aproximação GNSS para aviação geral (