Система радиолокационных маяков управления воздушным движением ( ATCRBS ) — это система, используемая в управлении воздушным движением (УВД) для улучшения радиолокационного мониторинга и разделения воздушного движения. Она состоит из вращающейся наземной антенны и транспондеров в самолетах. Наземная антенна прокладывает узкий вертикальный луч микроволн вокруг воздушного пространства. Когда луч попадает на самолет, транспондер передает ответный сигнал обратно, предоставляя такую информацию, как высота и код ответчика, четырехзначный код, назначаемый каждому самолету, который входит в регион. Затем информация об этом самолете вводится в систему и впоследствии добавляется на экран диспетчера для отображения этой информации при запросе. Эта информация может включать обозначение номера рейса и высоту самолета. ATCRBS помогает радиолокационным наблюдениям управления воздушным движением (УВД), получая информацию о самолете, за которым ведется наблюдение, и предоставляя эту информацию диспетчерам радаров. Диспетчеры могут использовать эту информацию для идентификации радиолокационных обратных сигналов от самолетов (известных как цели ) и для того, чтобы отличать эти обратные сигналы от помех на земле .
Система состоит из транспондеров , установленных на самолетах, и вторичных обзорных радаров (SSR), установленных на объектах управления воздушным движением. SSR иногда размещается совместно с первичным обзорным радаром , или PSR. Эти две радиолокационные системы работают совместно, чтобы создавать синхронизированную картину наблюдения. SSR передает запросы и прослушивает любые ответы. Транспондеры, которые получают запрос, декодируют его, решают, отвечать ли, а затем отвечают запрошенной информацией, когда это необходимо. Обратите внимание, что в общепринятом неформальном использовании термин «SSR» иногда используется для обозначения всей системы ATCRBS, однако этот термин (как он встречается в технических публикациях) правильно относится только к самому наземному радару.
Наземная станция УВД состоит из двух радиолокационных систем и связанных с ними вспомогательных компонентов. Наиболее заметным компонентом является PSR. Его также называют радаром с окраской кожи , поскольку он показывает не синтетические или буквенно-цифровые символы цели, а яркие (или цветные) точки или области на экране радара, создаваемые отражениями радиочастотной энергии от «кожи» цели. Это некооперативный процесс, никаких дополнительных авиационных устройств не требуется. Радар обнаруживает и отображает отражающие объекты в пределах рабочего диапазона радара. Данные метеорадара отображаются в режиме окраски кожи. Первичный обзорный радар подчиняется уравнению радара , которое гласит, что сила сигнала падает как четвертая степень расстояния до цели. Объекты, обнаруженные с помощью PSR, известны как первичные цели.
Вторая система — это вторичный обзорный радар , или SSR, который зависит от сотрудничающего транспондера, установленного на отслеживаемом самолете. Транспондер излучает сигнал, когда его опрашивает вторичный радар. В системе на основе транспондера сигналы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния до цели, а не в четвертой степени, как в первичных радарах. В результате эффективная дальность значительно увеличивается для заданного уровня мощности. Транспондер также может отправлять закодированную информацию о самолете, такую как идентификационные данные и высота.
SSR оснащен основной антенной и всенаправленной антенной "Omni" на многих старых сайтах. Более новые антенны (как на соседнем рисунке) сгруппированы как левая и правая антенна, и каждая сторона подключается к гибридному устройству, которое объединяет сигналы в суммарные и разностные каналы. Еще на других сайтах есть как суммарная и разностная антенна, так и всенаправленная антенна. Самолеты наблюдения, например, AWACS, имеют только суммарную и разностную антенны, но также могут быть стабилизированы в пространстве путем фазового сдвига луча вниз или вверх при тангаже или крене. Антенна SSR обычно устанавливается на антенну PSR, поэтому они указывают в том же направлении, что и вращающиеся антенны. Всенаправленная антенна устанавливается вблизи и высоко, обычно на верхней части обтекателя, если он оборудован. Запросчикам режима S требуются суммарные и разностные каналы для обеспечения возможности моноимпульса для измерения угла отклонения от оси визирования ответа транспондера.
SSR многократно передает запросы, пока вращающаяся антенна радара сканирует небо. Запрос определяет, какой тип информации должен отправить отвечающий транспондер, используя систему режимов. Исторически использовалось несколько режимов, но сегодня широко используются четыре: режим 1, режим 2, режим 3/A и режим C. Режим 1 используется для сортировки военных целей на этапах миссии. Режим 2 используется для идентификации миссий военных самолетов. Режим 3/A используется для идентификации каждого самолета в зоне действия радара. Режим C используется для запроса/сообщения высоты самолета.
Два других режима, режим 4 и режим S, не считаются частью системы ATCRBS, но они используют то же самое передающее и приемное оборудование. Режим 4 используется военными самолетами для системы идентификации «свой-чужой» (IFF). Режим S представляет собой дискретный выборочный запрос, а не общую трансляцию, что облегчает TCAS для гражданских самолетов. Транспондеры режима S игнорируют запросы, не адресованные их уникальным идентификационным кодом, что снижает перегрузку канала. На типичной установке радара SSR запросы ATCRBS, IFF и режима S будут передаваться в чередующемся режиме. Некоторые военные объекты и/или самолеты также будут использовать режим S.
Возвращаемые сигналы от обоих радаров на наземной станции передаются в центр УВД с использованием микроволновой связи, коаксиальной связи или (в более новых радарах) оцифровщика и модема . После получения на объекте УВД компьютерная система, известная как процессор данных радара, связывает информацию ответа с соответствующей первичной целью и отображает ее рядом с целью на радаре.
Оборудование, установленное на самолете, значительно проще и состоит из самого транспондера, обычно монтируемого на приборной панели или стойке авионики , и небольшой антенны УВЧ диапазона L , установленной на нижней части фюзеляжа . Многие коммерческие самолеты также имеют антенну на верхней части фюзеляжа, и экипаж может выбрать одну или обе антенны.
Типичные установки также включают в себя кодер высоты, который представляет собой небольшое устройство, подключенное как к транспондеру, так и к статической системе самолета. Он передает данные о барометрической высоте самолета транспондеру, чтобы тот мог передать информацию в службу УВД. Кодер использует 11 проводов для передачи информации о высоте транспондеру в форме кода Гиллхэма , модифицированного двоичного кода Грея.
Транспондер имеет небольшой необходимый набор элементов управления и прост в эксплуатации. Он имеет метод ввода четырехзначного кода транспондера , также известного как код маяка или код ответчика , и элемент управления для передачи идентификатора , который выполняется по запросу контроллера (см. импульс SPI ниже). Транспондеры обычно имеют 4 режима работы: Выкл., Резервный, Вкл. (Режим-A) и Альтернативный (Режим-C). Режимы Вкл. и Альтернативный отличаются только тем, что режим Вкл. запрещает передачу любой информации о высоте. Режим Резервный позволяет устройству оставаться включенным и прогретым, но запрещает любые ответы, поскольку радар используется для поиска самолета и точного местоположения самолета.
Шаги, необходимые для выполнения запроса ATCRBS, следующие: во-первых, запросчик ATCRBS периодически опрашивает самолет на частоте 1030 МГц. Это делается с помощью вращающейся или сканирующей антенны на назначенной частоте повторения импульсов (PRF) радара. Запросы обычно выполняются с частотой 450 - 500 запросов в секунду. После передачи запроса он перемещается в пространстве (со скоростью света) в направлении, указанном антенной, пока не достигнет самолета.
Когда самолет получает запрос, ответчик самолета отправляет ответ на частоте 1090 МГц с задержкой в 3,0 мкс, указывающий запрошенную информацию. Затем процессор запросчика декодирует ответ и идентифицирует самолет. Дальность полета самолета определяется по задержке между ответом и запросом. Азимут самолета определяется по направлению, на которое указывает антенна, когда был получен первый ответ, до получения последнего ответа. Затем это окно значений азимута делится на два, чтобы получить рассчитанный азимут «центроида». Ошибки в этом алгоритме вызывают дрожание самолета в области действия контроллеров, и это называется «джиттером трека». Проблема дрожания делает алгоритмы программного отслеживания проблематичными и является причиной внедрения моноимпульса.
Опросы состоят из трех импульсов длительностью 0,8 мкс, называемых P1, P2 и P3. Время между импульсами P1 и P3 определяет режим (или вопрос) опроса и, таким образом, каким должен быть характер ответа. P2 используется для подавления боковых лепестков, как будет объяснено ниже.
Режим 3/A использует интервал P1-P3 в 8,0 мкс и используется для запроса кода маяка , который был назначен воздушному судну диспетчером для его идентификации. Режим C использует интервал в 21 мкс и запрашивает барометрическую высоту воздушного судна, предоставленную кодировщиком высоты. Режим 2 использует интервал в 5 мкс и запрашивает воздушное судно передать свой военный идентификационный код. Последний назначается только военным самолетам, и поэтому только небольшой процент самолетов фактически отвечает на запрос режима 2.
Ответы на опросы состоят из 15 временных интервалов, каждый шириной 1,45 мкс, кодирующих 12 + 1 бит информации. Ответ кодируется наличием или отсутствием импульса длительностью 0,45 мкс в каждом интервале. Они помечены следующим образом:
Ф1 С1 А1 С2 А2 С4 А4 Х В1 Д1 В2 Д2 В4 Д4 Ф2 СПИ
Импульсы F1 и F2 являются кадровыми импульсами и всегда передаются транспондером самолета. Они используются запросчиком для идентификации законных ответов. Они разнесены на 20,3 мкс.
Импульсы A4, A2, A1, B4, B2, B1, C4, C2, C1, D4, D2, D1 составляют «информацию», содержащуюся в ответе. Эти биты используются по-разному для каждого режима опроса.
Для режима A каждая цифра в коде транспондера (A, B, C или D) может быть числом от нуля до семи. Эти восьмеричные цифры передаются группами по три импульса каждая, слоты A зарезервированы для первой цифры, B для второй и т. д.
В ответе режима C высота кодируется интерфейсом Гиллхэма , кодом Гиллхэма , который использует код Грея . Интерфейс Гиллхэма способен отображать широкий диапазон высот с шагом 100 футов (30 м). Передаваемая высота является барометрической высотой и скорректирована с учетом настройки высотомера на объекте УВД. Если кодер не подключен, транспондер может опционально передавать только кадровые импульсы (большинство современных транспондеров так и делают).
В ответе в режиме 3 информация та же, что и в ответе в режиме А, то есть передаются 4 цифры от 0 до 7. Термин «режим 3» используется военными, тогда как режим А — гражданским термином.
Бит X в настоящее время используется только для тестовых целей. Этот бит изначально передавался ракетами BOMARC , которые использовались в качестве тестовых целей, запускаемых с воздуха. Этот бит может использоваться беспилотными летательными аппаратами.
Импульс SPI располагается на 4,35 мкс дальше импульса F2 (3 временных интервала) и используется как «Специальный идентификационный импульс». Импульс SPI включается «контролем идентификации» на транспондере в кабине самолета по запросу управления воздушным движением. Авиадиспетчер может запросить у пилота идентификацию, и когда управление идентификацией активировано, бит SPI будет добавлен к ответу примерно на 20 секунд (два-четыре оборота антенны запросчика), тем самым выделяя трек на дисплее диспетчера.
Направленная антенна SSR никогда не бывает идеальной; она неизбежно будет «пропускать» более низкие уровни РЧ-энергии в направлениях, отличных от оси. Они известны как боковые лепестки . Когда самолет находится близко к наземной станции, сигналы боковых лепестков часто достаточно сильны, чтобы вызвать ответ от его транспондеров, когда антенна не направлена на них. Это может вызвать двоение , когда цель самолета может появляться в более чем одном месте на радаре. В крайних случаях возникает эффект, известный как кольцевой ответ , когда транспондер отвечает на избыток, что приводит к дуге или кругу ответов, центрированных на месте радара.
Для борьбы с этими эффектами используется подавление боковых лепестков (SLS). SLS использует третий импульс, P2, расположенный через 2 мкс после P1. Этот импульс передается с всенаправленной антенны (или канала разности антенн) наземной станцией, а не с направленной антенны (или суммарного канала). Выходная мощность с всенаправленной антенны калибруется таким образом, что при приеме самолетом импульс P2 сильнее, чем P1 или P3, за исключением случаев, когда направленная антенна направлена прямо на самолет. Сравнивая относительные мощности P2 и P1, бортовые транспондеры могут определить, направлена ли антенна на самолет, когда был получен запрос. Мощность диаграммы разности антенн (для систем, оборудованных таким образом) не регулируется по сравнению с импульсами P1 и P3. В наземных приемниках используются алгоритмы для удаления ответов на краю двух диаграмм направленности.
Для борьбы с этими эффектами в последнее время все еще используется подавление боковых лепестков (SLS), но по-другому. Новый и улучшенный SLS использует третий импульс, расположенный на 2 мкс либо перед P3 (новая позиция P2), либо после P3 (который должен называться P4 и фигурировать в спецификациях радара Mode S и TCAS). Этот импульс передается с направленной антенны на наземной станции, а выходная мощность этого импульса такая же, как у импульсов P1 и P3. Действия, которые необходимо предпринять, указаны в новом и улучшенном C74c следующим образом:
2.6 Производительность декодирования. c. Подавление боковых лепестков. Транспондер должен быть подавлен на период 35 ± 10 микросекунд после получения пары импульсов с надлежащим интервалом, а действие подавления должно быть способно быть повторно инициировано на полную продолжительность в течение 2 микросекунд после окончания любого периода подавления. Транспондер должен быть подавлен с эффективностью 99 процентов в диапазоне амплитуды принятого сигнала между 3 дБ выше минимального уровня срабатывания и 50 дБ выше этого уровня и при получении надлежащим образом разнесенных опросов, когда принятая амплитуда P2 равна или превышает принятую амплитуду P1 и отстоит на 2,0 ± 0,15 микросекунды от P3.
Из новой и улучшенной спецификации TSO C74c было удалено любое требование к транспондеру по обнаружению и реагированию на импульс P2 через 2 мкс после P1.
Большинство «современных» транспондеров (выпускаемых с 1973 года) имеют схему «SLS», которая подавляет ответ при получении любых двух импульсов в любом запросе, разнесенных на 2,0 микросекунды, которые превышают порог минимального уровня срабатывания MTL амплитудного дискриминатора приемника (P1->P2 или P2->P3 или P3->P4). Этот подход использовался для соответствия исходному C74c, но также соответствует положениям нового и улучшенного C74c.
FAA называет невосприимчивость новых и улучшенных транспондеров, совместимых с TSO C74c, к радарам, совместимым с режимом S, и TCAS «проблемой Terra» и выпускает директивы по летной годности (AD) против различных производителей транспондеров на протяжении многих лет, в разное время и по непредсказуемому графику. Проблемы с ореолом и кольцевым эффектом повторялись на более современных радарах.
Для борьбы с этими эффектами в последнее время большое внимание уделяется программным решениям. Весьма вероятно, что один из этих программных алгоритмов был непосредственной причиной недавнего столкновения в воздухе, поскольку сообщалось об одном самолете, который показывал свою высоту, как в плане полета, поданном на предполетном документе, а не высоту, назначенную диспетчером УВД (см. отчеты и наблюдения, содержащиеся в приведенной ниже ссылке ATC Controlled Airplane Passenger Study о том, как работал радар).
Информацию об ошибках в стандартах производительности транспондеров ATCRBS в США см. в справочном разделе ниже.
См. раздел справочной информации ниже для изучения техническим специалистом FAA приемопередатчиков на месте.
Код маяка и высота исторически отображались дословно на радаре рядом с целью, однако модернизация расширила процессор данных радара процессором полетных данных или FDP. FDP автоматически назначает коды маяка планам полета , и когда этот код маяка получен от самолета, компьютер может связать его с информацией плана полета, чтобы немедленно отобразить полезные данные, такие как позывной самолета , следующую навигационную точку самолета, назначенную и текущую высоту и т. д. рядом с целью в блоке данных . Хотя ATCRBS не отображает направление самолета. [1]
Режим S, или выбор режима , несмотря на то, что его также называют режимом, на самом деле является радикально улучшенной системой, предназначенной для полной замены ATCRBS. Несколько стран ввели режим S, а многие другие страны, включая США, начали постепенно отказываться от ATCRBS в пользу этой системы. Режим S разработан с учетом полной обратной совместимости с существующей технологией ATCRBS.
Режим S, несмотря на то, что его называют заменой транспондерной системы для ATCRBS, на самом деле представляет собой протокол пакетной передачи данных, который может использоваться для дополнения оборудования позиционирования транспондера ATCRBS (радара и TCAS).
Одним из основных усовершенствований режима S является возможность опрашивать один самолет за раз. При использовании старой технологии ATCRBS все самолеты в пределах диаграммы направленности запрашивающей станции будут отвечать. В воздушном пространстве с несколькими запрашивающими станциями транспондеры ATCRBS на самолетах могут быть перегружены. Опрашивая один самолет за раз, нагрузка на транспондер самолета значительно снижается.
Второе важное улучшение — это повышенная точность азимута. В PSR и старых SSR азимут самолета определяется методом половинного разделения (центроида). Метод половинного разделения вычисляется путем записи азимута первого и последнего ответов от самолета, когда луч радара проходит мимо его позиции. Затем средняя точка между начальным и конечным азимутом используется для определения положения самолета. В MSSR (моноимпульсный вторичный обзорный радар) и режиме S радар может использовать информацию одного ответа для определения азимута. Он рассчитывается на основе фазы радиочастот ответа самолета, определяемой суммой и разностью элементов антенны, и называется моноимпульсным. Этот моноимпульсный метод обеспечивает превосходное разрешение по азимуту и устраняет дрожание цели с дисплея.
Система Mode S также включает более надежный протокол связи для более широкого обмена информацией. С 2009 года [update]эта возможность становится обязательной по всей Европе, и некоторые государства уже требуют ее использования.
Транспондеры режима S с разнесением могут быть реализованы с целью улучшения наблюдения и связи «воздух-воздух». Такие системы должны использовать две антенны, одна из которых должна быть установлена сверху, а другая снизу самолета. Также должны быть предусмотрены соответствующие каналы коммутации и обработки сигналов для выбора наилучшей антенны на основе характеристик принимаемых сигналов запроса. Такие системы с разнесением в их установленной конфигурации не должны приводить к ухудшению производительности по сравнению с той, которая была бы получена от одной системы с антенной, установленной снизу.
Режим S был разработан как решение проблемы перегрузки частот как на частотах восходящей, так и нисходящей линии связи (1030 и 1090 МГц). Высокий охват радиолокационного обслуживания, доступный сегодня, означает, что некоторые радиолокационные станции получают ответы транспондера на запросы, которые были инициированы другими близлежащими радиолокационными станциями. Это приводит к FRUIT или ложным ответам, несинхронным во времени [1], что представляет собой прием ответов на наземной станции, которые не соответствуют запросу. Эта проблема усугубилась с ростом распространенности таких технологий, как TCAS , в которых отдельные самолеты опрашивают друг друга, чтобы избежать столкновений. Наконец, технологические усовершенствования сделали транспондеры все более доступными, так что сегодня ими оснащены почти все самолеты. В результате увеличилось общее количество самолетов, отвечающих на SSR. Схема дефрутера очищает FRUIT с дисплея.
Режим S пытается уменьшить эти [ какие? ] проблемы, назначая воздушному судну постоянный адрес режима S, полученный из международного регистрационного номера воздушного судна . [ необходима ссылка ] Затем он предоставляет механизм, с помощью которого воздушное судно может быть выбрано или опрошено таким образом, что ни одно другое воздушное судно не ответит.
Система также имеет возможности для передачи произвольных данных как на транспондер, так и с него. [ требуется ссылка ] Этот аспект режима S делает его строительным блоком для многих других технологий, таких как TCAS 2, служба информации о дорожном движении (TIS) и автоматическое зависимое наблюдение-вещание . [ требуется ссылка ]
[…] Комитет по премиям Pioneer Общества аэрокосмических и электронных систем IEEE назвал […] Аллана Эшли […] Джозефа Э. Германа […] Джеймса С. Перри […] лауреатами премии Pioneer Award 1983 в знак признания их весьма значительного вклада. «ЗА РАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННОГО УРОВНЯ РАДИОСВЯЗИ И ЭЛЕКТРОНИКИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ГОЛОСОВЫХ И ДАННЫХ» Премия была вручена на NAECON 18 мая 1983 года. […](9 страниц)