Радиолокационная система управления воздушным движением

Система радиолокационного маяка управления воздушным движением ( ATCRBS ) — это система, используемая в управлении воздушным движением (УВД) для улучшения радиолокационного наблюдения и разделения воздушного движения. Он состоит из вращающейся наземной антенны и транспондеров в самолетах. узким вертикальным лучом микроволн Наземная антенна охватывает воздушное пространство . Когда луч попадает на самолет, транспондер передает ответный сигнал, предоставляя такую ​​​​информацию, как высота и код Squawk Code, четырехзначный код, присваиваемый каждому самолету, который входит в регион. Информация об этом самолете затем 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 радарам наблюдения за воздушным движением (УВД), получая информацию о контролируемом воздушном судне и предоставляя эту информацию диспетчерам радаров. Диспетчеры могут использовать эту информацию для выявления радиолокационных сигналов от самолетов (известных как цели ) и отличать эти отражения от наземных помех .

Части системы

Система состоит из транспондеров , установленных на самолетах, и радаров вторичного наблюдения (ВОРЛ), установленных на объектах управления воздушным движением. SSR иногда размещается рядом с основным радаром наблюдения или PSR. Эти две радиолокационные системы работают вместе, создавая синхронизированное изображение наблюдения. SSR передает запросы и прослушивает любые ответы. Транспондеры, которые получают запрос, декодируют его, решают, отвечать ли, а затем при необходимости отвечают запрошенной информацией. Обратите внимание, что в обычном неофициальном 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.

Антенная система типичного радара управления воздушным движением АСР-9. Антенна с изогнутым отражателем внизу — это первичный обзорный радар (PSR), а плоская антенна наверху — вторичный обзорный радар (SSR). В процессе работы антенна вращается вокруг вертикальной оси, охватывая вертикальный веерный луч микроволн вокруг местного воздушного пространства для обнаружения и отслеживания самолетов.

Оборудование для наземных допросов

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) пятна или области на экране радара, создаваемые отражениями радиочастотной энергии от «кожи» цели. Это некооперативный процесс, никаких дополнительных бортовых устройств не требуется. Радар обнаруживает и отображает отражающие объекты в радиусе действия радара. Данные метеорологического радара отображаются в режиме окраски кожи. Первичный радар наблюдения подчиняется уравнению радара , которое гласит, что мощность сигнала падает как четвертая степень расстояния до цели. Объекты, обнаруженные с помощью PSR, называются основными целями.

Вторая система — это вторичный радар наблюдения , или SSR, работа которого зависит от сотрудничающего транспондера, установленного на отслеживаемом самолете. Транспондер излучает сигнал при опросе вторичного радара. В системе на основе транспондера сигналы уменьшаются пропорционально квадрату расстояния до цели, а не в четвертой степени в первичных радарах. В результате эффективная дальность значительно увеличивается для данного уровня мощности. Транспондер также может отправлять закодированную информацию о самолете, например его идентификационные данные и высоту.

SSR оснащен основной антенной и всенаправленной «всенаправленной» антенной на многих старых объектах. Новые антенны (как на рисунке рядом) сгруппированы как левая и правая антенна, и каждая сторона подключается к гибридному устройству, которое объединяет сигналы в суммирующий и разностный каналы. На других сайтах есть как суммарная, так и разностная антенна, а также всенаправленная антенна. Самолеты наблюдения, например, системы АВАКС, имеют только суммарную и разностную антенны, но также могут иметь пространственную стабилизацию за счет фазового сдвига луча вниз или вверх при тангаже или крене. Антенна SSR обычно устанавливается на антенну PSR, поэтому они направлены в том же направлении, в котором вращаются антенны. Всенаправленная антенна устанавливается близко и высоко, обычно наверху обтекателя, если он имеется. Запросчикам режима S требуются сумматорный и разностный каналы для обеспечения моноимпульсной возможности измерения угла отклонения от линии визирования ответа транспондера.

ССР периодически 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 определения задач 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 одно и то же оборудование передачи и приема. Режим 4 используется военными самолетами для системы идентификации «свой-чужой» (IFF). Режим S представляет собой дискретный выборочный запрос, а не общую трансляцию, который облегчает использование TCAS для гражданских самолетов. Транспондеры режима S игнорируют запросы, не адресованные их уникальным идентификационным кодом, что снижает перегрузку канала. В типичной радиолокационной установке ВОРЛ запросы ATCRBS, IFF и режима S будут передаваться в чересстрочной развертке. Некоторые военные объекты и/или самолеты также будут использовать режим S.

Сигналы от обоих радаров на наземной станции передаются в центр УВД с помощью микроволновой линии, коаксиальной линии или (в случае более новых радаров) дигитайзера и модема . После получения в центре УВД компьютерная система, известная как процессор радиолокационных данных, связывает ответную информацию с соответствующей основной целью и отображает ее рядом с целью на радаре.

Бортовое транспондерное оборудование

Оборудование, установленное на самолете, значительно проще и состоит из самого транспондера, обычно устанавливаемого на приборной панели или стойке авионики , и небольшой антенны L-диапазона УВЧ- , установленной в нижней части фюзеляжа . Многие коммерческие самолеты также имеют антенну в верхней части фюзеляжа, и летный экипаж может выбрать одну или обе антенны.

Типичные установки также включают в себя датчик высоты, который представляет собой небольшое устройство, подключенное как к транспондеру, так и к статической системе самолета. самолета Он передает транспондеру информацию о барометрической высоте , чтобы тот мог передать информацию в центр УВД. Кодировщик использует 11 проводов для передачи информации о высоте на транспондер в форме кода Гиллхэма , модифицированного двоичного кода Грея.

Транспондер для легких самолетов

Транспондер имеет небольшой необходимый набор органов управления и прост в эксплуатации. Он имеет метод ввода четырехзначного кода транспондера , также известного как код маяка или код короткого сигнала , и элемент управления для передачи идентификатора , который выполняется по запросу контроллера (см. Импульс SPI ниже). Транспондеры обычно имеют 4 режима работы: выключено, режим ожидания, включено (режим-A) и альтернативный режим (режим-C). Режимы «Вкл» и «Альтернативный» отличаются только тем, что режим «Вкл» запрещает передачу любой информации о высоте. Режим ожидания позволяет устройству оставаться включенным и прогретым, но запрещает любые ответы, поскольку радар используется для поиска самолета и точного местоположения самолета.

Теория работы

Шаги, необходимые для выполнения запроса ATCRBS, следующие: во-первых, запросчик ATCRBS периодически опрашивает воздушные суда на частоте 1030 МГц. Это делается с помощью вращающейся или сканирующей антенны на назначенной радару частоте повторения импульсов (PRF). Опросы обычно выполняются со скоростью 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 получит запрос, транспондер самолета отправит ответ на частоте 1090 МГц после задержки 3,0 мкс, указывая запрошенную информацию. Затем процессор запросчика декодирует ответ и идентифицирует самолет. Дальность полета самолета определяется по задержке между ответом и запросом. Азимут самолета определяется от направления, в котором указывает антенна при получении первого ответа, до момента получения последнего ответа. Это окно значений азимута затем делится на два, чтобы получить рассчитанный азимут «центроида». Ошибки в этом алгоритме приводят к дрожанию самолета в пределах действия контроллера, и это называется «дрожанием пути». Проблема джиттера делает проблематичными программные алгоритмы отслеживания и является причиной внедрения моноимпульса.

Допрос

Запросы состоят из трех импульсов длительностью 0,8 мкс, обозначаемых P1, P2 и P3. Время между импульсами P1 и P3 определяет режим (или вопрос) запроса и, следовательно, каким должен быть характер ответа. P2 используется для подавления боковых лепестков, что будет объяснено позже.

В режиме 3/A используется интервал от P1 до P3, равный 8,0 мкс, и он используется для запроса кода радиомаяка , который был присвоен воздушному судну диспетчером для его идентификации. В режиме C используется интервал 21 мкс и запрашивается барометрическая высота самолета, предоставляемая датчиком высоты. Режим 2 использует интервал 5 мкс и запрашивает у самолета передачу своего военного идентификационного кода. Последний предназначен только для военных самолетов, и поэтому лишь небольшой процент самолетов фактически отвечает на запрос режима 2.

Ответ

Ответы на запросы состоят из 15 временных интервалов шириной 1,45 мкс каждый, кодирующих 12+1 бит информации. Ответ кодируется наличием или отсутствием импульса длительностью 0,45 мкс в каждом слоте. Они маркируются следующим образом:

F1 C1 A1 C2 A2 C4 A4 X B1 D1 B2 D2 B4 D4 F2 SPI

Импульсы F1 и F2 являются кадровыми и всегда передаются транспондером самолета. Они используются следователем для определения законных ответов. Они расположены на расстоянии 20,3 мкс друг от друга.

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 запроса.

В режиме A каждая цифра кода транспондера (A, B, C или D) может представлять собой число от нуля до семи. Эти восьмеричные цифры передаются группами по три импульса в каждой, слоты A зарезервированы для первой цифры, B для второй и так далее.

В ответе режима C высота кодируется интерфейсом Гиллхэма , кодом Гиллхэма , который использует код Грея . Интерфейс Gillham способен отображать широкий диапазон высот с шагом 100 футов (30 м). Передаваемая высота представляет собой барометрическую высоту и скорректирована с учетом настроек высотомера в пункте УВД. Если кодер не подключен, транспондер может дополнительно передавать только кадрирующие импульсы (большинство современных транспондеров так и делают).

В ответе в режиме 3 информация такая же, как в ответе в режиме А, поскольку в нем передаются 4 цифры от 0 до 7. Термин «режим 3» используется военными, тогда как режим А является гражданским термином.

Бит X в настоящее время используется только для тестовых целей. Первоначально этот бит был передан ракетами BOMARC , которые использовались в качестве испытательных целей воздушного базирования. Этот бит может использоваться дронами.

Импульс SPI располагается через 4,35 мкс после импульса F2 (3 временных интервала) и используется как «импульс специальной идентификации». Импульс SPI включается «системой контроля идентификации» на транспондере в кабине самолета по запросу службы управления воздушным движением. Авиадиспетчер может запросить у пилота идентификацию, и когда контроль идентификации активирован, бит SPI будет добавлен к ответу примерно на 20 секунд (два-четыре оборота антенны запросчика), тем самым выделяя трек на дисплее диспетчера. .

Подавление боковых лепестков

Направленная антенна ССР никогда не бывает идеальной; неизбежно произойдет «утечка» более низких уровней радиочастотной энергии во внеосевых направлениях. Они известны как боковые лепестки . Когда самолеты находятся близко к наземной станции, сигналы боковых лепестков часто достаточно сильны, чтобы вызвать ответ от их транспондеров, когда антенна не направлена ​​на них. Это может привести к появлению ореолов , когда цель самолета может появиться более чем в одном месте на радаре. В крайних случаях возникает эффект, известный как кольцо вокруг , когда транспондер отвечает на избыток, в результате чего образуется дуга или круг ответов с центром на радиолокационной станции.

Для борьбы с этими эффектами подавление боковых лепестков используется (SLS). SLS использует третий импульс P2, расположенный через 2 мкс после P1. Этот импульс передается наземной станцией не направленной антенной (или суммирующим каналом), а всенаправленной антенной (или антенно-разностным каналом). Выходная мощность всенаправленной антенны откалибрована таким образом, чтобы при приеме самолетом импульс P2 был сильнее, чем P1 или P3, за исключением случаев, когда направленная антенна направлена ​​прямо на самолет. Сравнивая относительные силы P2 и P1, бортовые транспондеры могут определить, направлена ​​ли антенна на самолет в момент получения запроса. Мощность разностной диаграммы направленности антенны (для систем, оборудованных таким образом) не регулируется относительно мощности импульсов P1 и P3. В наземных приемниках используются алгоритмы для удаления ответов на границе двух диаграмм направленности.

Для борьбы с этими эффектами в последнее время все еще используется подавление боковых лепестков (SLS), но по-другому. В новой и улучшенной системе SLS используется третий импульс с интервалом 2 мкс либо перед P3 (новая позиция P2), либо после P3 (который должен называться P4 и появляется в спецификациях радара режима S и TCAS). Этот импульс передается направленной антенной наземной станции, и выходная мощность этого импульса имеет ту же силу, что и импульсы P1 и P3. Действия, которые необходимо предпринять, указаны в новом и улучшенном C74c следующим образом:

2.6. Производительность декодирования. в. Подавление боковых лепестков. Транспондер должен подавляться в течение периода 35 ± 10 микросекунд после получения пары импульсов с правильным интервалом, а действие подавления должно быть способно быть повторно инициировано на полную продолжительность в течение 2 микросекунд после окончания любого периода подавления. Транспондер должен подавляться с эффективностью 99 процентов в диапазоне амплитуд принимаемого сигнала от 3 дБ выше минимального уровня срабатывания до 50 дБ выше этого уровня, а также при получении правильно расположенных запросов, когда полученная амплитуда P2 равна или превышает получил амплитуду P1 и находился на расстоянии 2,0 ± 0,15 микросекунды от P3.

Любое требование к транспондеру обнаруживать импульс P2 и действовать в соответствии с ним через 2 мкс после P1 было удалено из новой улучшенной спецификации TSO C74c.

Большинство «современных» транспондеров (производящихся с 1973 года) имеют схему «SLS», которая подавляет ответ при получении любых двух импульсов в любом запросе с интервалом в 2,0 микросекунды, которые превышают порог минимального уровня запуска MTL амплитудного дискриминатора приемника (P1-> П2 или П2->П3 или П3->П4). Этот подход использовался для соответствия исходному C74c, а также соответствует положениям нового и улучшенного C74c.

ФАУ называет невосприимчивость новых и улучшенных транспондеров, совместимых с TSO C74c, к радарам, совместимым с режимом S, и TCAS, как «проблему Terra» и на протяжении многих лет, в разное время, выпускало директивы по летной годности (AD) против различных производителей транспондеров. по непредсказуемому графику. Проблемы с ореолами и кольцами повторяются и на более современных радарах.

Для борьбы с этими последствиями в последнее время большое внимание уделяется программным решениям. Весьма вероятно, что один из этих программных алгоритмов стал непосредственной причиной недавнего столкновения в воздухе, поскольку сообщалось, что один самолет показывал свою высоту в соответствии с планом полета, представленным в предполетном документе, а не высоту, назначенную диспетчером УВД. (см. отчеты и наблюдения, содержащиеся в приведенном ниже справочном документе «Исследование пассажиров самолета, контролируемого УВД», о том, как работает радар).

См. справочный раздел ниже, чтобы узнать об ошибках в стандартах производительности транспондеров ATCRBS в США.

См. справочный раздел ниже, посвященный исследованию на месте транспондеров техническими специалистами ФАУ.

Радарный дисплей

Деталь экрана радара: цель в режиме окраски кожи (желтый) и в виде синтетического видео (белый)

Код маяка и высота исторически дословно отображались на радиолокационном прицеле рядом с целью, однако модернизация расширила процессор радиолокационных данных 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 о плане полета для немедленного отображения полезных данных, таких как позывной самолета , следующая навигационная точка самолета, назначенная и текущая информация. высота и т. д. вблизи цели в блоке данных . Хотя ATCRBS не отображает курс самолета.

Режим S

См. Также: Вторичный обзорный радар § Режим S.

Режим S, или выбор режима , несмотря на то, что его еще называют режимом, на самом деле представляет собой радикально улучшенную систему, призванную полностью заменить ATCRBS. Несколько стран ввели режим S, а многие другие страны, включая США, начали поэтапный отказ 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 системой замены транспондера для ATCRBS, на самом деле представляет собой протокол пакетов данных, который можно использовать для дополнения оборудования позиционирования транспондера ATCRBS (радар и TCAS).

Одним из основных улучшений режима S является возможность опрашивать один самолет одновременно. Благодаря старой технологии ATCRBS все самолеты, находящиеся в зоне диаграммы направленности запрашивающей станции, будут отвечать. В воздушном пространстве с несколькими станциями опроса транспондеры ATCRBS в самолетах могут быть перегружены. При опросе одного самолета за раз нагрузка на транспондер самолета значительно снижается.

Второе важное улучшение — повышение точности азимута. В PSR и старых SSR азимут самолета определяется методом половинного разделения (центроида). Метод половинного разделения рассчитывается путем записи азимута первого и последнего ответов от самолета, когда луч радара проходит мимо его положения. Затем для определения положения самолета используется средняя точка между азимутами начала и остановки. При использовании MSSR (моноимпульсный вторичный обзорный радар) и режиме S радар может использовать информацию одного ответа для определения азимута. Он рассчитывается на основе радиочастотной фазы ответа самолета, определяемой суммой и разностью антенных элементов, и называется моноимпульсом. Этот моноимпульсный метод обеспечивает превосходное разрешение по азимуту и ​​устраняет дрожание цели на дисплее.

Система Mode S также включает более надежный протокол связи для более широкого обмена информацией. По состоянию на 2009 год эта возможность становится обязательной по всей Европе, и некоторые государства уже требуют ее использования.

Разнообразие операций

Транспондеры режима S с разнесением могут быть реализованы с целью улучшения наблюдения и связи «воздух-воздух». В таких системах должны использоваться две антенны, одна установлен сверху, а другой снизу самолета. Соответствующие каналы коммутации и обработки сигналов для выбора лучшей антенны на основе характеристик также должны быть предоставлены принятые сигналы запроса. Такие системы разнесения в их установленной конфигурации не должны приводить к ухудшению характеристик по сравнению с теми, которые были бы получены при использовании одиночной системы с антенной, установленной снизу.

Перегрузка частоты, FRUIT

Режим S был разработан как решение проблемы перегрузки частот как на восходящей, так и на нисходящей линии связи (1030 и 1090 МГц). Доступный сегодня широкий охват радиолокационных служб означает, что некоторые радиолокационные станции получают ответы транспондера на запросы, инициированные другими близлежащими радиолокационными станциями. Это приводит к FRUIT или ложным ответам, несинхронным во времени [1] , которые представляют 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, и сегодня ими оснащены почти все самолеты. В результате количество самолетов, отвечающих на запросы SSR, увеличилось. Схема дефрутера убирает FRUIT с дисплея.

Режим S как решение проблемы пробок

Режим S пытается уменьшить эти воздушного судна проблемы, связанные с присвоением воздушному судну постоянного адреса режима S, полученного на основе международного регистрационного номера . Затем он обеспечивает механизм, с помощью которого можно выбрать или опросить воздушное судно так, чтобы ни одно другое воздушное судно не ответило.

В системе также предусмотрена возможность передачи произвольных данных как на транспондер, так и с него. 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 вещание наблюдения .

См. также

• Акронимы и сокращения в авионике

Ссылки

• История режима S: технология передачи данных управления воздушным движением (15 декабря 2000 г.) - История разработки режима S в Массачусетского технологического института . лаборатории Линкольна
• Программа EUROCONTROL Mode S и ACAS - домашняя страница европейской программы координации внедрения режима S и ACAS.
• FAA TSO C74c (20 февраля 1973 г.) - Минимальные стандарты производительности для транспондеров ATCRBS в США (исторический)
• Контролер ФАУ Исследование того, как работает его радар
• Подробнее о «Проблеме Терры» (Мертвая ссылка, 2016 г.)
• История режима S AIS-P: расширение технологии позиционирования при управлении воздушным движением - история разработки AIS-P в консорциуме TailLight
• AlliedSignal Aerospace (1996) Руководство по техническому обслуживанию транспондера Bendix/King KT76A/78A ATCRBS. (Ред. 6) (Неактивная ссылка, 2016 г.)
• RTCA/DO-181C, 12 июня 2001 г.: «Минимальные эксплуатационные стандарты для радиолокационной системы управления воздушным движением/выбора режима (ATCRBS/MODE S) бортового оборудования»

Дальнейшее чтение

• Эшли, Аллан (сентябрь 1960 г.). Исследование передачи данных о высоте через систему радиолокационных маяков УВД (Отчет). Дир-Парк, Нью-Йорк: Лаборатория бортовых приборов. Отчет 5791-23. (59 страниц)
  • Разместить резюме в: «Исследование передачи данных о высоте через систему радиолокационных маяков УВД». Сводные рефераты технических отчетов: Общее распространение. 1957–1962 (Реферат). Том. 1. Вашингтон, округ Колумбия: Федеральное авиационное агентство. Январь 1963 г. с. 45.
• Эшли, Аллан (декабрь 1961 г.). «Конфигурация кода для автоматического сообщения о высоте через ATCRBS». IRE Transactions по аэрокосмической и навигационной электронике . АНЭ-8 (4). Мелвилл, Нью-Йорк, США: Институт радиоинженеров : 144–148. дои : 10.1109/TANE3.1961.4201819 . eISSN   2331-0812 . ISSN   0096-1647 . S2CID   51647765 . (5 страниц)
• «Премия пионера 1983 года» . Транзакции IEEE по аэрокосмическим и электронным системам . АЭС-19 (4). ИИЭР : 648–656. Июль 1983 г. doi : 10.1109/TAES.1983.309363 . Архивировано из оригинала 16 мая 2020 г. Проверено 16 мая 2020 г. […] Комитет по премии «Пионер» Общества аэрокосмических и электронных систем IEEE назвал […] Аллана Эшли […] Джозефа Э. Херманна […] Джеймса С. Перри […] лауреатами премии «Пионер» 1983 года в знак признания весьма значительный вклад, внесенный ими. «ЗА РАЗВИТИЕ СОСТОЯНИЯ РАДИОКОММУНИКАЦИЙ И ЭЛЕКТРОНИКИ ГОЛОСОВЫХ И ДАННЫХ» Премия была вручена на конференции NAECON 18 мая 1983 года. […] (9 страниц)

Внешние ссылки

• «Авионика» - статья 1971 года летная о системе РРЭ 1963 года.