Вторичный обзорный радар ( SSR ) [1] — это радиолокационная система, используемая в управлении воздушным движением (УВД), которая в отличие от первичных радиолокационных систем, измеряющих пеленг и расстояние до целей с использованием обнаруженных отражений радиосигналов, полагается на цели, оснащенные радиолокационным ответчиком , который отвечает на каждый сигнал запроса, передавая закодированные данные, такие как идентификационный код, высоту самолета и дополнительную информацию в зависимости от выбранного режима. SSR основан на военной технологии опознавания «свой-чужой» (IFF), первоначально разработанной во время Второй мировой войны ; поэтому обе системы по-прежнему совместимы. Моноимпульсный вторичный обзорный радар ( MSSR ), режим S , TCAS и ADS-B — это похожие современные методы вторичного наблюдения.
Быстрое развитие радаров в военное время имело очевидные применения для управления воздушным движением (УВД) как средства обеспечения непрерывного наблюдения за диспозицией воздушного движения. Точное знание позиций самолетов позволило бы снизить обычные стандарты процедурного эшелонирования, что, в свою очередь, обещало значительное повышение эффективности системы воздушных путей. Этот тип радара (называемый первичным радаром ) может обнаруживать и сообщать о местоположении всего, что отражает его передаваемые радиосигналы, включая, в зависимости от его конструкции, самолеты, птиц, погоду и особенности рельефа местности. Для целей управления воздушным движением это является как преимуществом, так и недостатком. Его цели не должны сотрудничать, они должны только находиться в пределах его покрытия и иметь возможность отражать радиоволны, но он только указывает положение целей, а не идентифицирует их. Когда первичный радар был единственным доступным типом радара, корреляция отдельных радиолокационных возвратов с конкретным самолетом обычно достигалась путем наблюдения диспетчером направленного поворота самолета. Первичный радар все еще используется УВД в качестве резервной/дополнительной системы к вторичному радару, хотя его покрытие и информация более ограничены. [2] [3] [4]
Необходимость более простой и надежной идентификации самолетов привела к еще одной разработке радаров военного времени — системе идентификации «свой-чужой» (IFF), которая была создана как средство положительной идентификации дружественных самолетов от неизвестных. Эта система, которая в гражданском использовании стала известна как вторичный обзорный радар (SSR) или в США как система радиолокационных маяков управления воздушным движением (ATCRBS), опирается на часть оборудования на борту самолета, известную как « транспондер ». Транспондер представляет собой пару радиоприемника и передатчика, которая принимает на частоте 1030 МГц и передает на частоте 1090 МГц. Транспондер самолета-цели отвечает на сигналы от запросчика (обычно, но не обязательно, наземной станции, совмещенной с первичным радаром), передавая кодированный ответный сигнал, содержащий запрашиваемую информацию. [5]
И гражданская SSR, и военная IFF стали намного сложнее своих военных предшественников, но остаются совместимыми друг с другом, не в последнюю очередь для того, чтобы позволить военным самолетам работать в гражданском воздушном пространстве. SSR может предоставить гораздо более подробную информацию, например, высоту самолета, а также обеспечить прямой обмен данными между самолетами для предотвращения столкновений. Большинство систем SSR полагаются на транспондеры режима C , которые сообщают высоту давления самолета . Высота давления не зависит от настройки высотомера пилота , [6] таким образом предотвращая ложные передачи высоты, если высотомер настроен неправильно. Системы управления воздушным движением пересчитывают сообщаемые высоты давления в истинные высоты на основе своих собственных опорных значений давления, если это необходимо.
Учитывая свою основную военную роль, заключающуюся в надежной идентификации друзей, система «свой-чужой» имеет более защищенные (зашифрованные) сообщения для предотвращения «подмены» противником и используется на многих типах военных платформ, включая воздушные, морские и наземные транспортные средства. [ необходима цитата ]
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) является специализированным учреждением Организации Объединенных Наций со штаб-квартирой в Монреале, Квебек , Канада. Она публикует приложения к Конвенции, а Приложение 10 посвящено Стандартам и Рекомендуемой практике для авиационной электросвязи. Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что воздушные суда, пересекающие международные границы, совместимы с системами управления воздушным движением во всех странах, которые могут посещаться. Том III, Часть 1 посвящена цифровым системам передачи данных, включая функции канала передачи данных режима S, а том IV определяет его работу и сигналы в космосе. [7]
Американская радиотехническая комиссия по аэронавтике (RTCA) и Европейская организация по оборудованию для гражданской авиации (Eurocae) разрабатывают минимальные стандарты эксплуатационных характеристик как для наземного, так и для бортового оборудования в соответствии со стандартами, указанными в Приложении 10 ИКАО. Обе организации часто работают вместе и выпускают общие документы. [ необходима ссылка ]
ARINC (Aeronautical Radio, Incorporated) — это организация, управляемая авиалиниями, которая занимается формой, соответствием и функционированием оборудования, перевозимого в самолетах. Ее главная цель — обеспечить конкуренцию между производителями, указав размер, требования к питанию, интерфейсы и производительность оборудования, которое должно быть размещено в отсеке для оборудования самолета. [ необходима цитата ]
Целью SSR является улучшение способности обнаруживать и идентифицировать самолеты, автоматически предоставляя уровень полета (барометрическую высоту) самолета. Наземная станция SSR передает импульсы запроса на частоте 1030 МГц (непрерывно в режимах A, C и выборочно в режиме S), когда ее антенна вращается или сканируется электронным способом в пространстве. Транспондер самолета в пределах прямой видимости «слушает» сигнал запроса SSR и передает ответ на частоте 1090 МГц, который предоставляет информацию о самолете. Отправленный ответ зависит от режима запроса. Самолет отображается в виде помеченного значка на экране радара диспетчера на измеренном пеленге и расстоянии. Самолет без работающего транспондера все еще может наблюдаться первичным радаром, но будет отображаться диспетчеру без преимуществ данных, полученных от SSR. Обычно требуется наличие работающего транспондера для того, чтобы летать в контролируемом воздушном пространстве, и многие самолеты имеют резервный транспондер, чтобы гарантировать выполнение этого условия. [8]
Существует несколько режимов опроса, каждый из которых обозначается разницей в интервале между двумя импульсами передатчика, известными как P1 и P3. [7] Каждый режим вызывает разный ответ от самолета. Третий импульс, P2, предназначен для подавления боковых лепестков и описан ниже. Не включены дополнительные военные (или IFF) режимы, которые описаны в разделе Идентификация «свой-чужой» .
Запрос в режиме A вызывает 12-импульсный ответ, указывающий идентификационный номер, связанный с этим самолетом. 12 импульсов данных заключены в скобки между двумя обрамляющими импульсами, F1 и F2. Импульс X не используется. Запрос в режиме C вызывает 11-импульсный ответ (импульс D1 не используется), указывающий высоту самолета, указанную его высотомером с шагом 100 футов. Режим B дал аналогичный ответ режиму A и одно время использовался в Австралии. Режим D никогда не использовался в эксплуатации. [ необходима цитата ]
Новый режим, Mode S, имеет другие характеристики опроса. Он включает импульсы P1 и P2 от главного луча антенны, чтобы гарантировать, что транспондеры Mode-A и Mode-C не ответят, за которыми следует длинный фазомодулированный импульс. [7]
Наземная антенна имеет высокую направленность, но не может быть спроектирована без боковых лепестков. Самолет также может обнаруживать запросы, поступающие от этих боковых лепестков, и отвечать соответствующим образом. Однако эти ответы нельзя отличить от предполагаемых ответов от главного луча, и они могут привести к ложной индикации самолета при ошибочном пеленге. Чтобы преодолеть эту проблему, наземная антенна снабжена вторым, в основном всенаправленным, лучом с усилением, которое превышает усиление боковых лепестков, но не основного луча. Третий импульс, P2, передается от этого второго луча через 2 мкс после P1. Самолет, обнаруживший P2 сильнее, чем P1 (следовательно, в боковом лепестке и при неправильном пеленге главного лепестка), не отвечает. [7]
Ряд проблем описан в публикации ИКАО 1983 года под названием « Рекомендательный циркуляр вторичного обзорного радара режима S» . [9]
Хотя 4096 различных кодов идентификации, доступных в режиме ответа A, могут показаться достаточными, как только определенные коды зарезервированы для чрезвычайных ситуаций и других целей, их число значительно сокращается. В идеале самолет должен сохранять один и тот же код от взлета до посадки даже при пересечении международных границ, поскольку он используется в центре управления воздушным движением для отображения позывного самолета с использованием процесса, известного как преобразование кода/позывного. Очевидно, что один и тот же код режима A не должен быть предоставлен двум самолетам одновременно, поскольку диспетчер на земле может получить неправильный позывной для связи с самолетом. [7]
Режим C обеспечивает приращение высоты в 100 футов, что изначально было достаточно для мониторинга самолетов, разделенных по крайней мере 1000 футов. Однако, поскольку воздушное пространство становилось все более перегруженным, стало важно контролировать, не выходят ли самолеты за пределы назначенного им эшелона полета. Небольшое изменение в несколько футов может пересечь порог и быть обозначено как следующее приращение вверх и изменение в 100 футов. Желательны были меньшие приращения. [ необходима цитата ]
Поскольку все самолеты отвечают на одной и той же частоте 1090 МГц, наземная станция также будет получать ответы самолетов, исходящие из ответов другим наземным станциям. Эти нежелательные ответы известны как FRUIT (ложные ответы, несинхронизированные с передачами запросчика или, альтернативно, ложные ответы, несинхронизированные по времени). Несколько последовательных ответов FRUIT могут объединиться и показаться указанием на самолет, которого не существует. По мере расширения воздушного транспорта и увеличения числа самолетов, занимающих воздушное пространство, количество генерируемых FRUIT также будет увеличиваться. [9]
Ответы FRUIT могут перекрываться с желаемыми ответами на наземном приемнике, что приводит к ошибкам при извлечении включенных данных. Решением является увеличение частоты опроса, чтобы получать больше ответов, в надежде, что некоторые из них будут свободны от помех. Этот процесс обречен на провал, поскольку увеличение частоты ответов только увеличивает помехи для других пользователей и наоборот. [9]
Если траектории двух самолетов пересекаются в пределах наклонной дальности около двух миль от наземного запросчика, их ответы будут перекрываться, а вызванные помехи затруднят их обнаружение. Обычно диспетчер теряет самолет с большим радиусом действия, как раз тогда, когда диспетчер может быть наиболее заинтересован в их пристальном наблюдении. [9]
Пока самолет отвечает на один запрос с земли, он не может ответить на другой запрос, что снижает эффективность обнаружения. Для запроса в режиме A или C ответ транспондера может занять до 120 мкс, прежде чем он сможет ответить на следующий запрос. [9]
.jpg/1280px-Antenna_(hogtrough).jpg)
Наземная антенна имеет типичную горизонтальную ширину луча 3 дБ 2,5°, что ограничивает точность определения пеленга самолета. Точность может быть улучшена путем выполнения множества запросов, пока луч антенны сканирует самолет, и более точную оценку можно получить, отметив, где ответы начались и где они закончились, и взяв центр ответов за направление самолета. Это известно как процесс скользящего окна. [1]
Ранняя система использовала антенну, известную как Hogtrough . Она имеет большой горизонтальный размер для создания узкого горизонтального луча и небольшой вертикальный размер для обеспечения покрытия от горизонта до почти над головой. С этой антенной было две проблемы. Во-первых, почти половина энергии направляется на землю, где она отражается обратно вверх и мешает восходящей энергии, вызывая глубокие нули при определенных углах возвышения и потерю контакта с самолетом. Во-вторых, если окружающая земля наклонная, то отраженная энергия частично смещается горизонтально, искажая форму луча и указанный пеленг самолета. Это было особенно важно в моноимпульсной системе с ее значительно улучшенной точностью измерения пеленга. [10]
Недостатки в режимах A и C были признаны довольно рано при использовании SSR, и в 1967 году Уллиатт опубликовал статью [11] , а в 1969 году — расширенную статью [12] , в которой предлагались усовершенствования SSR для решения этих проблем. Суть предложений заключалась в новых форматах запроса и ответа. Идентификатор самолета и высота должны были быть включены в один ответ, поэтому сопоставление двух элементов данных не требовалось. Для защиты от ошибок была предложена простая система четности — см. Вторичный обзорный радар — сегодня и завтра . [13] Моноимпульс будет использоваться для определения пеленга самолета, тем самым сокращая до одного количество запросов/ответов на самолет при каждом сканировании антенны. Кроме того, каждому запросу будут предшествовать импульсы основного луча P1 и P2, разделенные 2 мкс, так что транспондеры, работающие в режимах A и C, будут воспринимать его как исходящий из бокового лепестка антенны и не отвечать и не вызывать ненужных FRUIT. [12]
FAA рассматривало аналогичные проблемы, но предполагало, что потребуется новая пара частот. Уллиатт показал, что существующие частоты 1030 МГц и 1090 МГц могут быть сохранены, а существующие наземные запросчики и бортовые транспондеры с соответствующими модификациями могут быть использованы. Результатом стал Меморандум о взаимопонимании между США и Великобританией для разработки общей системы. В США программа называлась DABS (Discrete Address Beacon System), а в Великобритании Adsel (Address Selective). [14]
Моноимпульс, что означает один импульс, использовался в военных системах слежения и сопровождения, в которых антенна направлялась для слежения за определенной целью, удерживая цель в центре луча. Уллиатт предложил использовать непрерывно вращающийся луч с измерением пеленга, производимым везде, где импульс может прибыть в луч. [15]
FAA привлекло MIT Lincoln Laboratory для дальнейшей разработки системы, и она выпустила серию отчетов ATC, определяющих все аспекты новой совместной разработки. [16] К концепции Уллиатта было добавлено использование более мощной 24-битной системы четности с использованием циклического избыточного кода , который не только гарантировал точность полученных данных без необходимости повторения, но и позволял исправлять ошибки, вызванные перекрывающимся ответом FRUIT. Предложенный идентификационный код самолета состоял из 24 бит с 16 миллионами перестановок. Это позволяло назначать каждому самолету свой собственный уникальный адрес. Блоки адресов выделяются разным странам [17] и далее выделяются конкретным авиакомпаниям, чтобы адрес мог легко идентифицировать их. Отчет Lincoln Laboratory ATC 42 под названием Mode S Beacon System: Functional Description содержал подробную информацию о предлагаемой новой системе. [18]
Обе страны сообщили о результатах своих разработок в совместном документе ADSEL/DABS – селективный адресный вторичный обзорный радар . [14] За этим последовала конференция в штаб-квартире ИКАО в Монреале, на которой в ходе маломощного опросного испытания, проведенного лабораторией Линкольна, была успешно установлена связь с модернизированным коммерческим SSR-транспондером производства Великобритании. [ требуется ссылка ]
Единственное, что было нужно, это международное название. Многое было сделано из предложенных новых функций, но существующие наземные запросчики SSR все еще будут использоваться, хотя и с модификацией, и существующие самолетные транспондеры, снова с модификацией. Лучший способ показать, что это была эволюция, а не революция, было по-прежнему называть его SSR, но с новой буквой режима. Режим S был очевидным выбором, где S означало select. В 1983 году ИКАО выпустила консультативный циркуляр, описывающий новую систему. [9]
Проблема с существующей стандартной антенной "hogtrough" была вызвана энергией, излучаемой в сторону земли, которая отражалась вверх и мешала направленной вверх энергии. Ответом было формирование вертикального луча. Это потребовало вертикальной дипольной решетки, соответствующим образом запитанной для получения желаемой формы. Было обнаружено, что вертикальный размер в пять футов является оптимальным, и он стал международным стандартом. [10]
Система режима S была предназначена для работы только с одним ответом от самолета, система, известная как моноимпульс. На прилагаемой схеме показан обычный главный или «суммарный» луч антенны SSR, к которому был добавлен «разностный» луч. Для создания суммарного луча сигнал распределяется горизонтально по апертуре антенны. Эта система подачи делится на две равные половины, и две части снова суммируются для создания исходного суммарного луча. Однако две половины также вычитаются для создания разностного выхода. Сигнал, приходящий точно по нормали, или оси визирования, на антенну, даст максимальный выход в суммарном луче, но нулевой сигнал в разностном луче. Вдали от оси визирования сигнал в суммарном луче будет меньше, но в разностном луче будет ненулевой сигнал. Угол прибытия сигнала можно определить, измерив отношение сигналов между суммарным и разностным лучами. Неоднозначность относительно оси визирования может быть разрешена, поскольку в разностном сигнале есть изменение фазы на 180° по обе стороны от оси визирования. Измерения пеленга могут быть сделаны по одному импульсу, следовательно, моноимпульсу, но точность может быть улучшена путем усреднения измерений, сделанных по нескольким или всем импульсам, полученным в ответе от самолета. Моноимпульсный приемник [15] был разработан в начале программы UK Adsel, и эта конструкция до сих пор широко используется. Ответные импульсы режима S намеренно разработаны так, чтобы быть похожими на ответы режимов A и C, поэтому тот же приемник может быть использован для обеспечения улучшенного измерения пеленга для системы SSR режимов A и C с тем преимуществом, что скорость опроса может быть существенно снижена, тем самым уменьшая помехи, создаваемые другим пользователям системы. [19]
Lincoln Laboratory использовала возможность отдельного измерения пеленга на каждом ответном импульсе, чтобы преодолеть некоторые проблемы искажения, при которых два ответа перекрываются, что позволяет связать импульсы с двумя ответами. Поскольку каждый импульс отдельно помечен направлением, эта информация может быть использована для расшифровки двух перекрывающихся ответов в режиме A или C. Процесс представлен в ATC-65 "The ATCRBS Mode of DABS". [20] Подход можно развить дальше, также измерив силу каждого ответного импульса и используя его в качестве дискриминанта. [1] В следующей таблице сравниваются характеристики обычного SSR, моноимпульсного SSR (MSSR) и режима S. [19]
К 1990-м годам MSSR заменил большинство существующих SSR, а его точность обеспечила сокращение минимумов эшелонирования при управлении воздушным движением на маршруте с 10 морских миль (19 км; 12 миль) до 5 морских миль (9,3 км; 5,8 миль) [21]
MSSR разрешила многие системные проблемы SSR, поскольку требовались изменения только в наземной системе. Существующие транспондеры, установленные в самолетах, не были затронуты. Это, несомненно, привело к задержке режима S. [16]
Более подробное описание режима S приведено в публикации Евроконтроля « Принципы режима S и коды запросчика» [8] и циркуляре ИКАО 174-AN/110 « Рекомендательный циркуляр вторичного обзорного радара режима S» . [9] 16 миллионов перестановок 24-битных адресных кодов воздушных судов были распределены по блокам для отдельных государств, а их назначение приведено в Приложении 10 ИКАО, том III, глава 9. [17]
Запрос в режиме S состоит из двух импульсов шириной 0,8 мкс [18] , которые интерпретируются транспондером в режиме A и C как исходящие от бокового лепестка антенны, и поэтому ответ не требуется. Следующий длинный импульс P6 модулируется по фазе с первым изменением фазы через 1,25 мкс, синхронизируя фазовый детектор транспондера. Последующие изменения фазы указывают на бит данных, равный 1, без изменения фазы, указывающего на бит со значением 0. Эта форма модуляции обеспечивает некоторую устойчивость к искажению случайным перекрывающимся импульсом от другого наземного запросчика. Запрос может быть коротким с P6 = 16,125 мкс, в основном используемым для получения обновления местоположения, или длинным, P6 = 30,25 мкс, если включены дополнительные 56 бит данных. Последние 24 бита содержат как четность, так и адрес самолета. Получив запрос, самолет декодирует данные и вычисляет четность. Если остаток не является адресом самолета, то либо запрос не был предназначен для него, либо он был поврежден. В любом случае он не ответит. Если наземная станция ожидала ответа и не получила его, то она повторит запрос. [9]
Ответ самолета [18] состоит из преамбулы из четырех импульсов, разнесенных таким образом, чтобы они не могли быть ошибочно сформированы из перекрывающихся ответов режима A или C. Остальные импульсы содержат данные с использованием амплитудной модуляции положения импульса . Каждый интервал в 1 мкс делится на две части. Если импульс в 0,5 мкс занимает первую половину, а во второй половине импульса нет, то указывается двоичная 1. Если все наоборот, то это представляет двоичный 0. Фактически данные передаются дважды, второй раз в инвертированной форме. Этот формат очень устойчив к ошибкам из-за искаженного ответа от другого самолета. Чтобы вызвать серьезную ошибку, один импульс должен быть отменен, а второй импульс вставлен в другую половину периода бита. Гораздо более вероятно, что обе половины будут перепутаны, и декодированный бит будет помечен как «низкая достоверность». [20]
Ответ также имеет четность и адрес в последних 24 битах. Наземная станция отслеживает самолет и использует прогнозируемое положение для указания дальности и пеленга самолета, чтобы он мог снова запросить и получить обновление его положения. Если он ожидает ответа и если он его получает, то он проверяет остаток от проверки четности по адресу ожидаемого самолета. Если он не тот же самый, то либо это не тот самолет и необходим повторный запрос, либо ответ был поврежден помехами из-за искажения другим ответом. Система четности имеет возможность исправлять ошибки, пока они не превышают 24 мкс, что охватывает длительность ответа режима A или C, наиболее ожидаемого источника помех в первые дни режима S. Импульсы в ответе имеют индивидуальные доступные измерения угла моноимпульса, а в некоторых реализациях также измерения силы сигнала, которые могут указывать на биты, которые не согласуются с большинством других битов, тем самым указывая на возможное повреждение. Тест выполняется путем инвертирования состояния некоторых или всех этих битов (0 меняется на 1 или наоборот), и если проверка четности теперь проходит успешно, изменения становятся постоянными, а ответ принимается. Если он не проходит, то требуется повторный опрос. [9]
Режим S работает по принципу, согласно которому запросы направляются на конкретный самолет с использованием его уникального адреса. Это приводит к единому ответу с дальностью полета самолета, определяемой временем, необходимым для получения ответа, и моноимпульсом, обеспечивающим точное измерение пеленга. Для того чтобы запросить самолет, необходимо знать его адрес. Для выполнения этого требования наземный запросчик также передает запросы All-Call, которые существуют в двух формах. [9]
В одной форме режим A/C/S All-Call выглядит как обычный запрос режима A или C, и транспондер начнет процесс ответа при получении импульса P3. Однако режим S транспондера прервет эту процедуру при обнаружении импульса P4 и вместо этого ответит коротким ответом режима S, содержащим его 24-битный адрес. Эта форма запроса All-Call в настоящее время не так часто используется, поскольку она будет продолжать получать ответы от уже известных самолетов и вызывать ненужные помехи. Альтернативная форма All-Call использует короткий запрос режима S с блоком данных 16,125 мкс. Это может включать указание на то, что запросчик передает All-Call с просьбой, что если самолет уже ответил этому запросчику, то не отвечайте снова, поскольку самолет уже известен и ответ не нужен. [9]
Допрос в режиме S может иметь три формы:
Первые пять бит, известные как поле восходящей линии связи (UF) в блоке данных, указывают тип опроса. Последние 24 бита в каждом случае представляют собой объединенный адрес самолета и четность. Не все перестановки пока выделены, но те, которые выделены, показаны: [9]
Аналогично ответ в режиме S может иметь три формы: [9]
Первые пять бит, известные как поле нисходящей линии связи (DF) в блоке данных, указывают тип ответа. Последние 24 бита в каждом случае представляют собой объединенный адрес самолета и четность. Было выделено одиннадцать перестановок. [9]
Транспондер, оборудованный для передачи ответов Comm-B, оснащен 256 регистрами данных, каждый из которых содержит 56 бит. Содержимое этих регистров заполняется и поддерживается из бортовых источников данных. Если наземная система требует эти данные, она запрашивает их с помощью Surveillance или Comm-A. [9]
В Приложении 10 ИКАО, том III, глава 5, перечислено содержимое всех тех, которые в настоящее время распределены. Для текущего эксплуатационного использования требуется сокращенное число. [22] [23] Другие регистры предназначены для использования с TCAS и ADS-B. Номера селектора данных Comm-B (BDS) указаны в шестнадцатеричном формате.
Начиная с 2009 года, ИКАО определила режим работы «расширенного сквиттера »; [24] он дополняет требования, содержащиеся в Приложении 10 ИКАО, тома III и IV. Первое издание определило более ранние версии сообщений расширенного сквиттера: