Система бортового ответчика и вторительного радиолокационного дозора (ATCRBS)

Введение

Часть системы управления воздушным движением
Система радиолокационного ответчика управления воздушным движением (ATCRBS) – это система, используемая в управлении воздушным движением (ATC) для повышения эффективности радиолокационного наблюдения и обеспечения разведения воздушного движения. Она состоит из вращающейся наземной антенны и ответчиков на борту воздушных судов. Наземная антенна просматривает воздушное пространство узким вертикальным лучом микроволн. Когда луч попадает на воздушное судно, ответчик передает ответный сигнал, содержащий информацию, такую как высота и код Squawk – четырехзначный код, присваиваемый каждому воздушному судну, входящему в определенный район. Информация об этом воздушном судне затем вносится в систему и впоследствии отображается на экране диспетчера по запросу. Эта информация может включать бортовой номер рейса и высоту воздушного судна. ATCRBS помогает радиолокационным станциям наблюдения управления воздушным движением (ATC) получать информацию о контролируемых воздушных судах и предоставлять ее диспетчерам. Диспетчеры могут использовать эту информацию для идентификации радиолокационных отражений от воздушных судов (известных как цели) и для отделения этих отражений от помех на земле.

Части системы

Система состоит из транспондеров, установленных на воздушных судах, и вторичных обзорных радаров (VOR), установленных на объектах управления воздушным движением. VOR иногда располагается совместно с первичным обзорным радаром, или POR. Эти две радарные системы работают согласованно для создания синхронизированной картины воздушной обстановки. VOR передает запросы и ожидает ответа. Транспондеры, получив запрос, декодируют его, определяют, следует ли отвечать, и при необходимости отвечают запрошенной информацией. Следует отметить, что в обычной неофициальной практике термин "VOR" иногда используется для обозначения всей системы ATCRBS, однако в технических публикациях этот термин правильно относится только к самому наземному радару.

Наземное оборудование для допросов

Наземная станция управления воздушным движением состоит из двух радиолокационных систем и связанных с ними вспомогательных компонентов. Наиболее заметным компонентом является импульсно-доплеровский радар (PSR). Он также известен как радар отображения "кожи", поскольку отображает не синтетические или буквенно-цифровые символы целей, а яркие (или цветные) отражения или области на экране радара, создаваемые отражением радиочастотной энергии от "поверхности" цели. Это некооперативный процесс, не требующий дополнительного авионического оборудования. Радар обнаруживает и отображает отражающие объекты в пределах рабочего диапазона радара. Данные метеорологического радара отображаются в режиме отображения "кожи". Импульсно-доплеровский радар подчиняется радарному уравнению, согласно которому мощность сигнала уменьшается пропорционально четвертой степени расстояния до цели. Объекты, обнаруженные с помощью PSR, называются первичными целями. Вторая система – это вторичный обзорный радар (SSR), который зависит от сотрудничающего ответчика, установленного на отслеживаемом воздушном судне. Ответчик излучает сигнал при запросе со стороны вторичного радара. В системе, основанной на ответчике, мощность сигнала уменьшается пропорционально обратному квадрату расстояния до цели, а не в четвертой степени, как в первичных радарах. В результате эффективная дальность значительно увеличивается при заданном уровне мощности. Ответчик также может передавать закодированную информацию о воздушном судне, такую как идентификационный номер и высота. SSR оснащен основной антенной и всенаправленной антенной "Omni" на многих старых объектах. Более новые антенны (как показано на соседнем рисунке) сгруппированы в левую и правую антенны, и каждая сторона соединена с гибридным устройством, которое объединяет сигналы в суммарные и разностные каналы. На некоторых объектах имеются как суммарно-разностная антенна, так и всенаправленная антенна. Самолеты наблюдения, например, AWACS, имеют только суммарно-разностные антенны, но также могут быть пространственно стабилизированы путем фазового сдвига луча вниз или вверх при тангаже или крене. Антенна SSR обычно устанавливается на антенну PSR, поэтому они указывают в одном направлении при вращении антенн. Всенаправленная антенна обычно устанавливается высоко, обычно на вершине радиолокационного купола, если он имеется. Для допросов в режиме S требуются суммарные и разностные каналы для обеспечения возможности измерения угла отклонения от оси ответа ответчика. SSR непрерывно передает запросы, пока вращающаяся антенна радара сканирует небо. Запрос определяет, какой тип информации должен отправить отвечающий ответчик, используя систему режимов. Исторически использовалось множество режимов, но в настоящее время обычно используются четыре: режим 1, режим 2, режим 3/A и режим C. Режим 1 используется для сортировки военных целей на различных этапах выполнения задания. Режим 2 используется для идентификации задач военных самолетов. Режим 3/A используется для идентификации каждого воздушного судна в зоне покрытия радара. Режим C используется для запроса/сообщения высоты воздушного судна. Два других режима, режим 4 и режим S, не считаются частью системы ATCRBS, но используют то же передающее и приемное оборудование. Режим 4 используется военными самолетами для системы идентификации "свой-чужой" (IFF). Режим S – это дискретный селективный запрос, а не общая трансляция, который облегчает работу TCAS для гражданских самолетов. Ответчики режима S игнорируют запросы, не адресованные их уникальному идентификационному коду, что снижает перегрузку канала. На типичной установке SSR запросы ATCRBS, IFF и режима S передаются в переплетенном режиме. Некоторые военные объекты и/или самолеты также используют режим S.

An ATC ground station consists of two radar systems and their associated support components. The most prominent component is the PSR. It is also referred to as skin paint radar because it shows not synthetic or alpha numeric target symbols, but bright (or colored) blips or areas on the radar screen produced by the RF energy reflections from the target's "skin." This is a non cooperative process, no additional avionic devices are needed. The radar detects and displays reflective objects within the radar's operating range. Weather radar data is displayed in skin paint mode. The primary surveillance radar is subject to the radar equation that says signal strength drops off as the fourth power of distance to the target. Objects detected using the PSR are known as primary targets. The second system is the secondary surveillance radar, or SSR, which depends on a cooperating transponder installed on the aircraft being tracked. The transponder emits a signal when it is interrogated by the secondary radar. In a transponder based system signals drop off as the inverse square of the distance to the target, instead of the fourth power in primary radars. As a result, effective range is greatly increased for a given power level. The transponder can also send encoded information about the aircraft, such as identity and altitude. The SSR is equipped with a main antenna, and an omnidirectional "Omni" antenna at many older sites. Newer antennas (as in the adjacent picture), are grouped as a left and right antenna, and each side connects to a hybrid device which combines the signals into sum and difference channels. Still other sites have both the sum and difference antenna, and an Omni antenna. Surveillance aircraft, e. g. AWACS, have only the sum and difference antennas, but can also be space stabilized by phase shifting the beam down or up when pitched or rolled. The SSR antenna is typically fitted to the PSR antenna, so they point in the same direction as the antennas rotate. The omnidirectional antenna is mounted near and high, usually on top of the radome if equipped. Mode S interrogators require the sum and difference channels to provide the monopulse capability to measure the off boresight angle of the transponder reply. The SSR repetitively transmits interrogations as the rotating radar antenna scans the sky. The interrogation specifies what type of information a replying transponder should send by using a system of modes. There have been a number of modes used historically, but four are in common use today: mode 1, mode 2, mode 3/A, and mode C. Mode 1 is used to sort military targets during phases of a mission. Mode 2 is used to identify military aircraft missions. Mode 3/A is used to identify each aircraft in the radar's coverage area. Mode C is used to request/report an aircraft's altitude. Two other modes, mode 4 and mode S, are not considered part of the ATCRBS system, but they use the same transmit and receive hardware. Mode 4 is used by military aircraft for the Identification Friend or Foe (IFF) system. Mode S is a discrete selective interrogation, rather than a general broadcast, that facilitates TCAS for civilian aircraft. Mode S transponders ignore interrogations not addressed with their unique identity code, reducing channel congestion. At a typical SSR radar installation, ATCRBS, IFF, and mode S interrogations will all be transmitted in an interlaced fashion. Some military facilities and/or aircraft will also utilize Mode S.

Сигналы от обоих радаров на наземной станции передаются в центр управления воздушным движением по микроволновому каналу, коаксиальному кабелю или (с использованием более новых радаров) с помощью цифрового преобразователя и модема. По прибытии в центр управления воздушным движением компьютерная система, известная как процессор радиолокационных данных, связывает информацию ответа с соответствующей первичной целью и отображает ее рядом с целью на экране радара.

Воздушное транспондерное оборудование

Оборудование, установленное на борту самолета, значительно проще и состоит из самого транспондера, обычно устанавливаемого в приборную панель или стойку авионики, и небольшой L-диапазонной УВЧ-антенны, установленной на нижней части фюзеляжа. Многие коммерческие самолеты также имеют антенну на верхней части фюзеляжа, и летный экипаж может выбирать любую из них или обе. Типичные установки также включают высотный кодировщик – небольшое устройство, подключенное как к транспондеру, так и к статической системе самолета. Он передает транспондеру данные о высоте давления, чтобы тот мог ретранслировать эту информацию в центр управления воздушным движением. Кодировщик использует 11 проводов для передачи данных о высоте транспондеру в виде кода Гилхэма – модифицированного двоичного кода Грея. Транспондер имеет минимальный необходимый набор органов управления и прост в эксплуатации. Он позволяет вводить четырехзначный код транспондера, также известный как код маяка или код отклика, и имеет управление для передачи сигнала "Идентификация", выполняемое по запросу диспетчера (см. импульс SPI ниже). Транспондеры обычно имеют 4 режима работы: Выключен, Режим ожидания, Включен (Режим A) и Высота (Режим C). Режимы Включен и Высота отличаются только тем, что режим Включен блокирует передачу данных о высоте. Режим ожидания позволяет устройству оставаться включенным и прогретым, но блокирует любые ответы, поскольку радар используется для поиска самолета и определения его точного местоположения.

Теория действия

Шаги, связанные с проведением опроса ATCRBS, следующие: во-первых, опрашиватель ATCRBS периодически опрашивает воздушные суда на частоте 1030 МГц. Это осуществляется посредством вращающейся или сканирующей антенны на присвоенной радару частоте повторения импульсов (PRF). Опросы обычно выполняются со скоростью 450–500 опросов в секунду. После передачи опроса он распространяется в пространстве (со скоростью света) в направлении, на которое указывает антенна, пока не достигнет воздушного судна. Получив опрос, транспондер воздушного судна отправляет ответ на частоте 1090 МГц с задержкой 3,0 мкс, содержащий запрошенную информацию. Процессор опрашивателя затем декодирует ответ и идентифицирует воздушное судно. Расстояние до воздушного судна определяется по задержке между опросом и ответом. Азимут воздушного судна определяется по направлению, на которое была направлена антенна в момент получения первого ответа, до момента получения последнего ответа. Этот диапазон значений азимута затем делится на два, чтобы получить вычисленный азимут "центроида". Ошибки в этом алгоритме приводят к тому, что положение воздушного судна на экране контроллера незначительно колеблется, что называется "дрожанием трассы". Проблема дрожания трассы затрудняет использование программных алгоритмов сопровождения, и именно поэтому была разработана моноимпульсная система.

Допрос

Допросы состоят из трех импульсов длительностью 0,8 мкс, обозначаемых как P1, P2 и P3. Временной интервал между импульсами P1 и P3 определяет режим (или вопрос) допроса и, следовательно, характер ожидаемого ответа. P2 используется для подавления боковых лепестков, что будет объяснено далее. Режим 3/A использует интервал между P1 и P3 в 8,0 мкс и предназначен для запроса кодового сигнала ответчика, присвоенного воздушному судну диспетчером для его идентификации. Режим C использует интервал в 21 мкс и запрашивает показанную высоту воздушного судна, предоставляемую высотомером. Режим 2 использует интервал в 5 мкс и запрашивает у воздушного судна передачу его военного идентификационного кода. Этот код присваивается только военной авиации, поэтому лишь небольшая часть воздушных судов отвечает на допрос в режиме 2.

Супрессия боковых долей

Направленная антенна SSR никогда не бывает идеальной; неизбежно она будет "пропускать" более низкие уровни радиочастотной энергии в направлениях вне оси. Эти явления известны как боковые лепестки. Когда воздушные суда находятся близко к наземной станции, сигналы боковых лепестков часто достаточно сильны, чтобы вызвать ответ от их транспондеров, даже когда антенна не направлена на них. Это может приводить к появлению "призраков" – отображению цели воздушного судна в нескольких местах на экране радиолокатора. В крайних случаях возникает эффект, известный как "кольцо вокруг", когда транспондер выдает избыточные ответы, формируя дугу или окружность ответов, центрированную вокруг местоположения радара. Для борьбы с этими эффектами используется подавление боковых лепестков (SLS). SLS использует третий импульс, P2, с интервалом в 2 мкс после P1. Этот импульс передается всенаправленной антенной (или каналом разности антенн) с наземной станции, а не направленной антенной (или суммарным каналом). Выходная мощность всенаправленной антенны калибруется таким образом, чтобы при приеме воздушным судном импульс P2 был сильнее, чем P1 или P3, за исключением случаев, когда направленная антенна направлена непосредственно на воздушное судно. Сравнивая относительную силу P2 и P1, бортовые транспондеры могут определить, направлена ли антенна на воздушное судно в момент получения запроса. Мощность, подаваемая на антенну разности (для систем, оснащенных ею), не регулируется относительно импульсов P1 и P3. В наземных приемниках используются алгоритмы для удаления ответов на границе двух диаграмм направленности. В последнее время для борьбы с этими эффектами по-прежнему используется подавление боковых лепестков (SLS), но с изменениями. Усовершенствованный SLS использует третий импульс, расположенный с интервалом в 2 мкс либо перед P3 (новое положение P2), либо после P3 (который следует называть P4 и встречается в спецификациях радаров Mode S и TCAS). Этот импульс передается с направленной антенны на наземной станции, а его выходная мощность соответствует мощности импульсов P1 и P3. Требования к действиям, которые необходимо предпринять, указаны в новой и улучшенной спецификации C74c: любое требование к транспондеру обнаруживать и реагировать на импульс P2 через 2 мкс после P1 было исключено из новой и улучшенной спецификации TSO C74c. Большинство "современных" транспондеров (произведенных с 1973 года) имеют схему "SLS", которая подавляет ответ при получении любых двух импульсов в любом запросе с интервалом в 2,0 микросекунды, превышающих пороговое значение минимального уровня запуска (MTL) амплитудного дискриминатора приемника (P1 > P2 или P2 > P3 или P3 > P4). Этот подход использовался для соответствия первоначальной спецификации C74c и также соответствует положениям новой и улучшенной спецификации C74c. FAA называет невосприимчивость новых и улучшенных транспондеров, соответствующих требованиям TSO C74c, к радарам, совместимым с Mode S, и TCAS "проблемой Terra" и на протяжении многих лет выпускала директивы о летной годности (AD) в отношении различных производителей транспондеров по непредсказуемому графику. Проблемы с "призраками" и "кольцами вокруг" вновь возникают на более современных радарах. В последнее время для борьбы с этими эффектами основное внимание уделяется программным решениям. Весьма вероятно, что один из этих программных алгоритмов недавно стал непосредственной причиной столкновения в воздухе, поскольку у одного самолета отображалась высота, указанная в предварительном плане полета, а не высота, назначенная диспетчером УВД (см. отчеты и наблюдения, содержащиеся в нижеприведенном исследовании пассажиров самолетов, контролируемых УВД, о работе радара). См. раздел "Ссылки" ниже для информации об ошибках в стандартах производительности транспондеров ATCRBS в США. См. раздел "Ссылки" ниже для технического исследования FAA транспондеров in situ.

The SSR's directional antenna is never perfect; inevitably it will "leak" lower levels of RF energy in off axis directions. These are known as side lobes. When aircraft are close to the ground station, the side lobe signals are often strong enough to elicit a reply from their transponders when the antenna is not pointing at them. This can cause ghosting, where an aircraft's target may appear in more than one location on the radar scope. In extreme cases, an effect known as ring around occurs, where the transponder replies to excess resulting in an arc or circle of replies centered on the radar site. To combat these effects, side lobe suppression (SLS) is used. SLS employs a third pulse, P2, spaced 2μs after P1. This pulse is transmitted from the omnidirectional antenna (or the antenna difference channel) by the ground station, rather than from the directional antenna (or the sum channel). The power output from the omnidirectional antenna is calibrated so that, when received by an aircraft, the P2 pulse is stronger than either P1 or P3, except when the directional antenna is pointing directly at the aircraft. By comparing the relative strengths of P2 and P1, airborne transponders can determine whether or not the antenna is pointing at the aircraft when the interrogation was received. The power to the difference antenna pattern (for systems so equipped) is not adjusted from that of the P1 and P3 pulses. Algorithms are used in the ground receivers to delete replies on the edge of the two beam patterns. To combat these effects more recently, side lobe suppression (SLS) is still used, but differently. The new and improved SLS employs a third pulse, spaced 2μs either before P3 (a new P2 position) or after P3 (which should be called P4 and appears in the Mode S radar and TCAS specifications). This pulse is transmitted from the directional antenna at the ground station, and the power output of this pulse is the same strength as the P1 and P3 pulses. The action to be taken is specified in the new and improved C74c as:

Any requirement at the transponder to detect and act upon a P2 pulse 2μs after P1 has been removed from the new and improved TSO C74c specification. Most "modern" transponders (manufactured since 1973) have an "SLS" circuit which suppresses reply on receipt of any two pulses in any interrogation spaced 2.0 microseconds apart that are above the MTL Minimum Triggering Level threshold of the receiver amplitude discriminator (P1 >P2 or P2 >P3 or P3 >P4). This approach was used to comply with the original C74c and but also complies with the provisions of the new and improved C74c. The FAA refers to the non responsiveness of new and improved TSO C74c compliant transponders to Mode S compatible radars and TCAS as "The Terra Problem", and has issued Airworthiness Directives (ADs) against various transponder manufacturers, over the years, at various times on no predictable schedule. The ghosting and ring around problems have recurred on the more modern radars. To combat these effects most recently, great emphasis is placed upon software solutions. It is highly likely that one of those software algorithms was the proximate cause of a mid air collision recently, as one airplane was reported at showing its altitude as the pre flight paper filed flight plan, and not the altitude assigned by the ATC controller (see the reports and observations contained in the below reference ATC Controlled Airplane Passenger Study of how radar worked). See the reference section below for errors in performance standards for ATCRBS transponders in the US. See the reference section below for FAA Technician Study of in situ transponders.

Радарный дисплей

Код маяка и высоту исторически отображали дословно на экране радара рядом с целью. Однако модернизация расширила процессор радиолокационных данных процессором данных о полёте, или FDP. FDP автоматически присваивает коды ответчиков планам полёта, и когда этот код ответчика принимается от воздушного судна, компьютер может связать его с информацией из плана полёта для отображения рядом с целью в блоке данных сразу полезных сведений, таких как позывной самолета, следующая точка маршрута, назначенная и текущая высота и т.д. Хотя ATCRBS не отображает курс воздушного судна.

Режим S

Mode S, или mode select, несмотря на то, что также называется режимом, на самом деле является радикально улучшенной системой, предназначенной для полной замены ATCRBS. Некоторые страны ввели обязательное использование Mode S, и многие другие, включая Соединенные Штаты, начали поэтапный отказ от ATCRBS в пользу этой системы. Mode S разработан с полной обратной совместимостью с существующей технологией ATCRBS. Mode S, несмотря на то, что называется заменой транспондерной системы ATCRBS, фактически является протоколом передачи данных, который может использоваться для расширения возможностей оборудования позиционирования транспондеров ATCRBS (радаров и TCAS). Одним из основных преимуществ Mode S является возможность опрашивать один самолет за раз. При использовании старой технологии ATCRBS на запрос отвечают все самолеты, находящиеся в зоне действия луча допрашивающей станции. В воздушном пространстве с несколькими допрашивающими станциями транспондеры ATCRBS на самолетах могут быть перегружены. Опрос одного самолета за раз значительно снижает нагрузку на бортовой транспондер. Второе важное улучшение – повышенная точность определения азимута. В системах PSR и старых SSR азимут самолета определяется методом полурасщепления (центроида). Метод полурасщепления вычисляется путем регистрации азимута первого и последнего ответов от самолета по мере прохождения радиолокационного луча мимо его местоположения. Затем для определения местоположения самолета используется средняя точка между начальным и конечным азимутом. В системах MSSR (моноимпульсной вторичной радиолокации) и Mode S радар может использовать информацию одного ответа для определения азимута. Это вычисляется на основе фазы радиосигнала ответа самолета, определяемой суммирующими и разностными антенными элементами, и называется моноимпульсным методом. Этот моноимпульсный метод обеспечивает превосходное разрешение по азимуту и устраняет дрожание цели на индикаторе. Система Mode S также включает в себя более надежный протокол связи для обмена более широким спектром информации. По состоянию на 2009 год эта возможность становится обязательной по всей Европе, а некоторые государства уже требуют ее использования.

Операции по разнообразию

Транспондеры Diversity Mode S могут быть использованы для повышения эффективности наблюдения и связи между воздушными судами. Такие системы должны включать две антенны, одна из которых устанавливается сверху, а другая – снизу воздушного судна. Также должны быть предусмотрены соответствующие каналы переключения и обработки сигналов для выбора оптимальной антенны на основе характеристик принимаемых ответных сигналов. Такие системы с антенным разнообразием в установленной конфигурации не должны ухудшать характеристики по сравнению с системой, имеющей одну антенну, установленную снизу.

Загрузка частоты, ПЛОДЫ

Режим S был разработан как решение проблемы перегрузки частот как на восходящих, так и на нисходящих частотах (1030 и 1090 МГц). Широкое покрытие радиолокационных служб означает, что некоторые радарные станции получают ответы транспондеров на запросы, инициированные другими близлежащими радарными станциями. Это приводит к явлению FRUIT – ложным, несинхронизированным по времени ответам, то есть приёму ответов на наземной станции, не соответствующих исходному запросу. Эта проблема усугубилась с ростом популярности таких технологий, как TCAS, где отдельные самолеты самостоятельно опрашивают друг друга для предотвращения столкновений. Наконец, технологический прогресс сделал транспондеры всё более доступными, в результате чего практически все самолеты сегодня ими оснащены. Соответственно, увеличилось общее количество самолетов, отвечающих на запросы вторичного радиолокатора (SSR). Схема подавления FRUIT очищает дисплей от ложных ответов.

Режим S как решение проблемы заторы

Mode S пытается решить эти проблемы, присваивая воздушным судам постоянный адрес Mode S, полученный на основе международного регистрационного номера самолета. Он также предоставляет механизм для выбора конкретного самолета или запроса к нему таким образом, чтобы на него отвечал только он. Система также предусматривает передачу произвольных данных как в транспондер, так и от него. Благодаря этому Mode S является основой для многих других технологий, таких как TCAS 2, служба информации о воздушном движении (TIS) и автоматическая зависимая трансляция наблюдения (ADS-B).