Кіріспе

Әуе қозғалысын бақылаудың бөлігі
Әуе қозғалысын бақылаудың радиолокациялық маяк жүйесі (ATCRBS) – әуе қозғалысын бақылауда (ATC) әуе қозғалысын қадағалаудың радиолокациялық бақылауын және бөлуді жақсартуға арналған жүйе. Ол айналмалы жер антеннасынан және ұшақтардағы транспондерлерден тұрады. Жердегі антенна ауа кеңістігінде тар тік бұрышты микротолқынды сәулемен шарпып жібереді. Сәуле ұшаққа тиген кезде, транспондер биіктігі және Squawk Code сияқты ақпаратты жіберетін кері сигналды жібереді. Бұл код аймаққа кіретін әр ұшаққа тағайындалатын төрт таңбалы код. Осы ұшақ туралы ақпарат жүйеге енгізіліп, кейіннен бақылаушының экранына қосылады, сұралған кезде бұл ақпарат көрсетіледі. Бұл ақпаратқа рейстің нөмірі және ұшақтың биіктігі кіруі мүмкін. ATCRBS бақылаудағы ұшақтар туралы ақпаратты алу арқылы әуе қозғалысын бақылаудың (ATC) радиолокациялық бақылауына көмектеседі және осы ақпаратты радиолокациялық бақылаушыларға жеткізеді. Бақылаушылар бұл ақпаратты ұшақтардан (мақсаттар деп аталатын) келетін радиолокациялық сигналдарды анықтау және оларды жер бетіндегі кедергілерден ажырату үшін пайдалана алады.

Жүйенің бөлшектері

Жүйе ұшақтарға орнатылған транспондерлерден және әуе қозғалысын басқару орталықтарына орнатылған екінші реттік бақылау радарларынан (SSR) тұрады. SSR кейде негізгі бақылау радарымен (PSR) бірге орналасады. Бұл екі радар жүйесі бірлесіп жұмыс істейді, синхронды бақылау суретін құрайды. SSR сұрау жібереді және жауап күтеді. Сұрау алған транспондерлер оны түсіндіріп, жауап беруге болатынын анықтайды, содан кейін қажет болған жағдайда сұралған ақпаратты жібереді. Ескеріңіз, күнделікті сөйлеу тілінде "SSR" термині кейде ATCRBS жүйесінің барлығын білдіреді, бірақ бұл термин (техникалық басылымдарда) жердегі радарға ғана қатысты.

Жердегі тергеу құралдары

АТК жер станциясы екі радар жүйесі және оларға қосымша қолдау компоненттерінен тұрады. Ең маңызды компонент – PSR. Ол сондай-ақ «тері бояу» радары деп аталады, себебі ол синтетикалық немесе альфа-цифрлық нысана белгілерін емес, нысананың «терінен» радиожиілік энергияның шағылысуынан туындаған радар экранындағы жарқын (немесе түрлі түсті) нүктелерді немесе аймақтарды көрсетеді. Бұл өзара әрекеттеспейтін процесс, қосымша авиациялық құрылғылар қажет емес. Радар, радардың жұмыс істеу диапазонындағы шағылыстыратын объектілерді анықтап, экранда көрсетеді. Ауа райы радар деректері «тері бояу» режимінде көрсетіледі. Басты бақылау радарын радар теңдеуі басқарады, онда сигналдың күші нысанаға дейінгі қашықтықтың төртінші дәрежесімен төмендейді. PSR арқылы анықталған нысандар негізгі нысаналар деп аталады. Екінші жүйе – екінші бақылау радарын (SSR) құрайды, ол бақылаудағы ұшақта орнатылған, өзара жұмыс істейтін транспондерге тәуелді. Транспондер, екінші радар сұраған кезде сигнал жібереді. Транспондерлік жүйеде сигналдар төртінші дәреже орнына нысанаға дейінгі қашықтықтың кері квадратына пропорционалды түрде төмендейді. Нәтижесінде, берілген қуат деңгейінде тиімді қашықтық едәуір ұлғаяды. Транспондер сондай-ақ ұшақтың идентификациясы және биіктігі сияқты кодталған ақпаратты жібере алады. SSR негізгі антеннамен және көптеген ескі орналасқан жерлерде барлық бағыттарды қамтитын «Омни» антеннасымен жабдықталған. Жаңа антенналар (суретте көрсетілгендей) сол және оң антенналар болып топтастырылған, әрбір жағы сигналды жиынтық және айырмашылық арналарға біріктіретін гибридтік құрылғыға қосылады. Басқа орналасқан жерлерде жиынтық және айырмашылық антенналарымен қатар Омни антеннасы да бар. Бақылау ұшақтары, мысалы, AWACS, тек жиынтық және айырмашылық антенналарын ғана пайдаланады, бірақ ұшақ қисайғанда немесе домалағанда сәулені төмен немесе жоғары жылжыту арқылы кеңістіктік тұрақтандыруға болады. SSR антеннасы әдетте PSR антеннасына орнатылады, осылайша олар антенналар айналғанда бір бағытта бағытталады. Барлық бағыттарды қамтитын антенна жақын және биік орналасқан, әдетте жабдықталған болса, радомның үстіне орнатылады. S режиміндегі сұрау салушылар, жауап сигналының бағыттан ауытқу бұрышын өлшеу үшін моноимпульсті мүмкіндікті қамтамасыз ету үшін жиынтық және айырмашылық арналарын қажет етеді. Радардың айналмалы антеннасы аспанды сканерлеген кезде SSR қайта-қайта сұрау жібереді. Сұрау, жауап беретін транспондердің қандай ақпаратты жіберу керектігін режимдер жүйесі арқылы анықтайды. Тарихи түрде көптеген режимдер қолданылған, бірақ бүгінде төрт режим кеңінен қолданылады: 1-режим, 2-режим, 3/A режимі және C режимі. 1-режим миссия кезеңдерінде әскери нысаналарды сұрыптау үшін қолданылады. 2-режим әскери ұшақтарды анықтау үшін қолданылады. 3/A режимі радардың қаптама аймағындағы әрбір ұшақты анықтау үшін қолданылады. C режимі ұшақтың биіктігін сұрау/хабарлау үшін қолданылады. Басқа екі режим, 4-режим және S режимі, ATCRBS жүйесінің бөлігі болып саналмайды, бірақ олар бірдей тарату және қабылдау жабдықтарын пайдаланады. 4-режимді әскери ұшақтар досты немесе жауды анықтау (IFF) жүйесі үшін пайдаланады. S режимі – бұл жалпы хабарлама емес, дискретті таңдамалы сұрау, ол азаматтық ұшақтар үшін TCAS-ты жеңілдетеді. S режиміндегі транспондерлер олардың бірегей идентификациялық кодымен адрестелмеген сұрауларды елемейді, бұл арналық жүктемені азайтады. Типик SSR радар орнатылымында ATCRBS, IFF және S режимдерінің сұраулары өзара кезекті түрде жіберіледі. Кейбір әскери нысандар мен/немесе ұшақтар S режимін де пайдаланады.

Жердегі станцияның екі радарынан түсетін сигналдар АТК мекемесіне микротолқынды байланыс, коаксиалды байланыс немесе (жаңа радарлармен) цифрлық түрлендіргіш және модем арқылы жіберіледі. АТК мекемесінде алынғаннан кейін, радарлық деректерді өңдеуші деп аталатын компьютерлік жүйе жауап ақпаратын тиісті негізгі нысанамен байланыстырып, радар экранында нысананың жанында көрсетеді.

Әуедегі транспондерлік жабдық

Ұшаққа орнатылған жабдық айтарлықтай қарапайым, ол көбінесе аспаптар панеліне немесе авиаэлектроника тірегіне орнатылған транспондерден және фюзеляждың төменгі жағына орнатылған кішкентай L диапазонындағы UHF антеннасынан тұрады. Көптеген коммерциялық ұшақтарда фюзеляждың үстіңгі жағында да антенна болады, ал ұшу экипажы антенналардың бірін немесе екеуін де таңдауға болады. Типик қондырғыларға сонымен қатар биіктік кодтаушы да кіреді, ол транспондерге және ұшақтың статикалық жүйесіне қосылған шағын құрылғы. Ол ұшақтың қысымдық биіктігін транспондерге жібереді, осылайша ол ақпаратты әуе қозғалысын басқару орталығына (АТҚ) жеткізе алады. Кодтаушы 11 сым арқылы биіктік туралы ақпаратты Гиллхам коды түрінде, модификацияланған екілік Грей коды ретінде транспондерге жібереді. Транспондерде қарапайым басқару элементтері бар және оны пайдалану оңай. Онда төрт таңбалы транспондер кодын енгізу тәсілі бар, ол сондай-ақ маяк коды немесе сыңғырлау коды деп те аталады, және диспетчердің сұрауы бойынша жіберілетін идентификаторды (ідентификациялық сигналды) беруге арналған басқару құралы бар (төмендегі SPI импульсін қараңыз). Транспондерлер әдетте 4 жұмыс режиміне ие: Өшірулі, Күту, А (Mode A) және Алт (Mode C). А және Алт режимдерінің айырмашылығы тек А режимінде биіктік туралы ақпаратты жіберуге тыйым салынатынында. Күту режимі құрылғының қосылып, жылынатынына мүмкіндік береді, бірақ радар ұшақты іздеуге және оның нақты орнын анықтауға қолданылғандықтан, кез келген жауаптарды тоқтатады.

Жұмыс істеу теориясы

ATCRBS сұрауын жүзеге асыру келесі қадамдарды қамтиды: Біріншіден, ATCRBS сұраушысы 1030 МГц жиілігінде ұшақтарды үнемі сұрайды. Бұл радиолокатордың белгіленген импульстік қайталану жиілігінде (PRF) айналмалы немесе сканерлеу антеннасы арқылы жасалады. Сұраулар әдетте секунд сайын 450-500 реттен жүзеге асырылады. Сұрау жіберілгеннен кейін, антенна бағытталған бағытта жарық жылдамдығымен кеңістікте таралып, ұшаққа жетеді. Ұшақ сұрауды алғанда, ұшақтың транспондері 3,0 мкс кешігумен 1090 МГц жиілігінде сұралған ақпаратты көрсететін жауап жібереді. Сұраушының процессоры жауапты декодтап, ұшақты анықтайды. Ұшақтың қашықтығы жауап пен сұрау арасындағы уақыт айырмасы бойынша анықталады. Ұшақтың азимуты антеннаның алғашқы жауапты алған сәтінен бастап соңғы жауапты алғанға дейін көрсеткен бағыты бойынша анықталады. Бұл азимут мәндерінің диапазоны екіге бөлінеді, нәтижесінде есептелген "орталық" азимут алынады. Бұл алгоритмдегі қателер ұшақтың оператор экранында тербелуіне себеп болады, бұл "жол тербелуі" деп аталады. Тербелу мәселесі бағдарламалық қамтамасыз етуді бақылау алгоритмдерін қиындатады және Monopulse жүзеге асырылуының себебі осы.

Сұрау салу

Сұраулар 0,8 мкс ұзақтықтағы үш импульстан тұрады, олар P1, P2 және P3 деп аталады. P1 және P3 импульстері арасындағы уақыт сұраудың режимін (немесе сұрақты) анықтайды, осылайша жауаптың қандай болу керектігі белгіленеді. P2 жақтан келетін бөгеттерді жою үшін қолданылады, бұл туралы кейін түсіндіріледі. 3/A режимінде P1 мен P3 аралығы 8,0 мкс-қа тең, және бұл әуе кемесін анықтау үшін диспетчер тағайындаған маяк кодын сұрау үшін пайдаланылады. C режимінде 21 мкс аралық қолданылады және биіктік кодтағышымен берілген әуе кемесінің қысымдық биіктігін сұрайды. 2-режим 5 мкс аралықты пайдаланады және әуе кемесінен оның әскери идентификациялық кодын беруді сұрайды. Бұл код тек әскери ұшақтарға ғана беріледі, сондықтан ұшақтардың шағын бөлігі ғана 2-режимдегі сұрауға жауап береді.

Бүйір жапырақтың қысылуы

SSR-дің бағыттаушы антеннасы ешқашан кемелсіз болмайды; ол міндетті түрде төменгі деңгейдегі радиожиілік (РЖ) энергиясын осінен тыс бағытта "шығарып" алады. Бұлар бүйірлік лепектер деп аталады. Ұшақтар жердегі станцияға жақын болған кезде, антенна оларға бағытталмағанда, олардың транспондерлерінен жауап алу үшін бүйірлік лепектердің сигналдары жиі күшті болады. Бұл "көлеңкелердің" пайда болуына себеп болады, онда ұшақтың нысанасы радар экранында бірнеше жерде көрінуі мүмкін. Ерекше жағдайларда, "шеңбер" деп аталатын әсер пайда болады, онда транспондерлер шамадан тыс жауап береді, нәтижесінде радиолокациялық станцияға ортақталған жауаптардың доғасы немесе шеңбері пайда болады. Бұл әсерлермен күресу үшін бүйірлік лепектерді басу (SLS) қолданылады. SLS үшін P1 импульсінен кейін 2 мкс аралықта үшінші импульс, P2 қолданылады. Бұл импульс бағыттаушы антеннадан (немесе жиынтық арнадан) емес, жердегі станция арқылы барлық бағыттағы антеннадан (немесе антеннаның айырмашылық арнасынан) жіберіледі. Барлық бағыттағы антеннаның қуаты, ұшақ қабылдаған кезде P2 импульсі P1 немесе P3 импульсінен күшті болады, бірақ бағыттаушы антенна ұшаққа тікелей бағытталған кезде ғана. P2 және P1 импульстарының салыстырмалы күшін салыстыра отырып, ұшақтағы транспондерлер антенна сұраныс алынған кезде ұшаққа бағытталған-бағытталмағанын анықтай алады. Антеннаның айырмашылық үлгісіне (осылай жабдықталған жүйелер үшін) қуаты P1 және P3 импульстарынан реттелмейді. Жердегі қабылдағыштардағы алгоритмдер екі сәуле үлгісінің шетіндегі жауаптарды жою үшін қолданылады. Соңғы уақытта осы әсерлермен күресу үшін бүйірлік лепектерді басу (SLS) әлі де қолданылады, бірақ өзгеше. Жаңа және жақсартылған SLS үшін P3 импульсінен бұрын (жаңа P2 орны) немесе P3 импульсінен кейін (P4 деп аталуы керек және S режиміндегі радар мен TCAS техникалық сипаттамаларында кездеседі) 2 мкс аралықта үшінші импульс қолданылады. Бұл импульс жердегі станциядағы бағыттаушы антеннадан жіберіледі, ал осы импульстің қуаты P1 және P3 импульстарымен бірдей болады. Жаңа және жақсартылған C74c техникалық сипаттамасында орындалуға тиіс әрекеттер:

Жаңа және жақсартылған C74c техникалық сипаттамасынан P1 импульсінен кейін 2 мкс аралықта P2 импульсін анықтау және оған әрекет ету қажеттілігі алынып тасталды. Көптеген "заманауи" транспондерлер (1973 жылдан бері өндірілген) "SLS" схемасымен жабдықталған, ол қабылдағыш амплитудалық дискриминаторының MTL ең төменгі триггерлік деңгейінен жоғары 2,0 микросекунд аралықтағы кез келген сұраныста кез келген екі импульсты қабылдағанда жауап беруді тоқтатады (P1 > P2 немесе P2 > P3 немесе P3 > P4). Бұл тәсіл бастапқы C74c техникалық сипаттамасына сәйкес келу үшін қолданылды, сонымен қатар жаңа және жақсартылған C74c техникалық сипаттамасының талаптарына да сәйкес келеді. FAA жаңа және жақсартылған TSO C74c техникалық сипаттамасына сәйкес транспондерлердің Mode S үйлесімді радарларға және TCAS жүйелеріне жауап бермеуін "Терра мәселесі" деп атайды және жылдар бойы әртүрлі транспондер өндірушілеріне қарсы әртүрлі уақытта болжамсыз кесте бойынша ұшуға жарамдылық туралы директивалар (AD) шығарды. "Көлеңкелер" және "шеңбер" мәселелері заманауи радарларда қайта орын алды. Осы әсерлермен күресу үшін соңғы уақытта бағдарламалық қамтамасыз ету шешімдеріне басымдық берілуде. Жақында болған ортадағы соқтығысқа себепкер болғандардың бірі осы бағдарламалық алгоритмдердің бірі болуы мүмкін, өйткені бір ұшақтың биіктігі ұшу алдындағы жоспарда көрсетілген, ал емес АТК бақылаушысы тағайындаған биіктік (қараңыз, төмендегі сілтемелердегі АТК бақыланатын ұшақ жолаушыларының зерттеуіндегі есептер мен байқаулар, радар қалай жұмыс істегені туралы). АҚШ-тағы ATCRBS транспондерлері үшін орындау стандарттарындағы қателер туралы ақпаратты төмендегі сілтемелер бөлімінен қараңыз. FAA техникалық қызметкерлері үшін in situ транспондерлерін зерттеу туралы ақпаратты төмендегі сілтемелер бөлімінен қараңыз.

Радарлық дисплей

Маяк коды мен биіктігі бұрын радиолокациялық экранында нысанамен бірге тікелей көрсетіліп келді, бірақ жаңарту радиолокациялық деректерді өңдегішті ұшу деректерін өңдегішпен немесе FDP-мен толықтырды. FDP ұшу жоспарларына маяк кодтарын автоматты түрде тағайындайды, және осы маяк коды ұшақтан алынғанда, компьютер оны ұшу жоспары туралы мәліметтермен байланыстырып, дереу пайдалы ақпаратты – мысалы, ұшақтың шақыру таңбасын, ұшақтың келесі навигациялық нүктесін, берілген және ағымдағы биіктігін және т.б. нысананың жанындағы дерек блогында көрсетуге мүмкіндік береді. ATCRBS ұшақтың бағытын көрсетпейді.

S режімі

Mode S немесе mode select, режим деп аталуына қарамастан, шын мәнінде ATCRBS жүйесін толыққанды алмастыруға бағытталған радикалды жақсартылған жүйе. Бірнеше елде Mode S міндетті болып табылады, ал көптеген елдер, АҚШ-ты қоса алғанда, осы жүйеге көшу үшін ATCRBS-ті кезең-кезеңмен тоқтатуды бастады. Mode S қолданыстағы ATCRBS технологиясымен толық үйлесімді болу үшін жасалған. Mode S, ATCRBS-тің алмастыру транспондері жүйесі деп аталғанына қарамастан, ATCRBS транспондерлік позициялау жабдықтарын (радар және TCAS) толықтыруға арналған деректер пакетінің протоколы болып табылады. Mode S-тің маңызды артықшылығы – бір уақытта бір ғана ұшақты сұрау мүмкіндігі. Ескі ATCRBS технологиясында сұрау станциясының сәулелі шегіндегі барлық ұшақтар жауап беретін. Көптеген сұрау станциялары бар әуе кеңістігінде ATCRBS транспондерлері жүктемеге шалынуы мүмкін. Бір уақытта бір ұшақты сұрау арқылы ұшақ транспондерінің жүктемесі айтарлықтай төмендейді. Екінші маңызды артықшылық – азимуттың дәлдігінің жоғарылауы. PSR және ескі SSR-лерде ұшақтың азимуты жартылай бөліну (центроид) әдісімен анықталады. Жартылай бөліну әдісі радар сәулесі ұшақтың орнынан өтетін кезде, ұшақтың алғашқы және соңғы жауаптарының азимутын тіркеу арқылы есептеледі. Содан кейін ұшақтың орнын анықтау үшін бастапқы және соңғы азимуттардың ортасы қолданылады. MSSR (моноимпульстік екінші реттік қадағалау радарі) және Mode S жүйелерінде радар азимутты анықтау үшін бір жауаптан алынған ақпаратты пайдалана алады. Бұл антенна элементтерінің қосындысы мен айырмасы арқылы анықталатын ұшақтың радиожиіліктік фазасына сүйене отырып есептеледі және моноимпульс деп аталады. Бұл моноимпульстік әдіс азимуттың жоғары ажыратымдылығын қамтамасыз етеді және дисплейдегі нысананың тербелісін жояды. Mode S жүйесі сонымен қатар кең ауқымды ақпарат алмасуды қамтамасыз ететін сенімді байланыс протоколын қамтиды. 2009 жылдан бастап бұл мүмкіндік Еуропа бойынша міндетті болып келеді, ал кейбір мемлекеттер оны пайдалануды талап етеді.

Түрлілік операциялары

Әуеден әуеге бақылау және байланысты жақсарту үшін әртүрлілік режиміндегі S транспондерлері қолданылуы мүмкін. Мұндай жүйелер екі антеннаны пайдаланады, біреуі ұшақтың үстіне, екіншісі астына орнатылады. Алынған сұрау сигналдарының ерекшеліктеріне сүйене отырып, ең жақсы антеннаны таңдау үшін тиісті коммутациялық және сигналды өңдеу каналдары да қарастырылуы тиіс. Мұндай әртүрлілік жүйелері орнатылған күйінде, төменгі жағына орнатылған антеннасы бар бір жүйенің қампаздаған өнімділігінен нашар болмауы керек.

Жиілік тығыны, ЖӘНЕК

S режимі жоғары және төменгі жиіліктерде (1030 және 1090 МГц) жиіліктердің тығыздалуына шешім ретінде әзірленді. Бүгінгі таңда радарлық қызметтердің кең қамтуы салдарынан, кейбір радар станциялары басқа жақын орналасқан радар станциялары жолдаған сұрауларға жауап ретінде транспондерлерден жауаптар алады. Бұл FRUIT, яғни False Replies Unsynchronous In Time – сұрауға сәйкес келмейтін жауаптардың жер станциясына түсуіне себеп болады. TCAS сияқты технологиялардың кеңінен қолданылуымен бұл мәселе одан да ушықты, онда әрбір ұшақ қақтығыстарды болдырмау үшін бір-бірін сұрайды. Сонымен қатар, технологияның дамуы транспондерлерді қолжетімдірек етті, нәтижесінде бүгінде көбісінің барлық ұшақтары осы құрылғылармен жабдықталған. Осының салдарынан, SSR сұрауларына жауап беретін ұшақтардың саны артты. FRUIT-ты жою схемасы дисплейден FRUIT-ты тазартады.

S режімі тығындар үшін шешім ретінде

Mode S бұл проблемаларды ұшаққа халықаралық түрде берілген тіркеу нөмірінен туындайтын тұрақты S адресін тағайындау арқылы азайтуға тырысады. Содан кейін ол бір ғана ұшаққа жауап беруі үшін, басқа ұшақтардың жауап бермейтіндей етіп таңдауға немесе сұрауға мүмкіндік береді. Жүйеде кез келген деректерді транспондерге және одан алу үшін де мүмкіндіктер қарастырылған. Mode S-тің осы ерекшелігі TCAS 2, Қозғалыс туралы ақпарат қызметі (TIS) және Автоматты тәуелді бақылау хабарламаларын тарату сияқты көптеген басқа технологиялардың құрылыс бөлігіне айналдырады.