Система радиолокационного маяка управления воздушным движением - Air traffic control radar beacon system

В система радиолокационного маяка управления воздушным движением (ATCRBS) - это система, используемая в управления воздушным движением (ATC) для усиления наблюдения радар мониторинг и разделение воздушного движения. Он состоит из вращающейся наземной антенны и транспондеры в самолете. Наземная антенна охватывает узкий вертикальный луч микроволны вокруг воздушного пространства. Когда луч попадает в самолет, транспондер передает ответный сигнал, дающий информацию, такую ​​как высота и код Squawk, четырехзначный код, назначаемый каждому самолету, который входит в регион. Информация об этом летательном аппарате затем вводится в систему и затем добавляется на экран контроллера для отображения этой информации при запросе. Эта информация может включать номер рейса обозначение и высота самолета. ATCRBS помогает управления воздушным движением (УВД) обзорные радары, получая информацию о самолет отслеживаются и предоставляют эту информацию диспетчерам радаров. Диспетчеры могут использовать эту информацию для определения отраженных радаров от самолетов (известных как цели) и отличить эти доходы от беспорядок на земле.

Части системы

Система состоит из транспондеры, установленный в самолетах, и вторичные обзорные радары (SSR), устанавливаемые на объектах управления воздушным движением. SSR иногда совмещают с радар первичного наблюдения, или PSR. Эти две радиолокационные системы работают вместе для создания синхронизированного изображения наблюдения. SSR передает запросы и ожидает ответов. Приемоответчики, которые получают запрос, декодируют его, решают, отвечать ли, а затем при необходимости отвечают запрошенной информацией. Обратите внимание, что в общепринятом неофициальном использовании термин «SSR» иногда используется для обозначения всей системы ATCRBS, однако этот термин (как можно найти в технических публикациях) правильно относится только к самому наземному радару.

В антенна система типового РЛС управления воздушным движением ASR-9. Изогнутая рефлекторная антенна внизу - это радар первичного наблюдения (PSR), а плоская антенна сверху - это вторичный обзорный радар (ССР). Во время работы антенна вращается вокруг вертикальной оси, охватывая вертикальный веерообразный пучок микроволн вокруг местного воздушного пространства для обнаружения и отслеживания самолетов.

Оборудование для наземного допроса

Наземная станция УВД состоит из двух радиолокационных систем и связанных с ними вспомогательных компонентов. Самый важный компонент - это PSR. Его также называют кожа краска радар потому что он показывает не синтетические или буквенно-цифровые символы цели, а яркие (или цветные) точки или области на экране радара, создаваемые отражениями РЧ-энергии от «кожи» цели. Это не совместный процесс, никаких дополнительных бортовых устройств не требуется. Радар обнаруживает и отображает отражающие объекты в пределах рабочего диапазона радара. Метеорологический радар данные отображаются в режиме раскрашивания кожи. РЛС первичного наблюдения подлежит уравнение радара это говорит о том, что мощность сигнала падает как четвертая степень расстояния до цели. Объекты, обнаруженные с помощью PSR, известны как основные цели.

Вторая система - это вторичный обзорный радар, или SSR, который зависит от сотрудничающих транспондер установлен на отслеживаемом самолете. Транспондер издает сигнал, когда его опрашивает вторичный радар. В системе на основе транспондера сигналы падают как обратный квадрат расстояния до цели, вместо четвертой степени в первичных радарах. В результате эффективный диапазон значительно увеличивается для данного уровня мощности. Транспондер также может отправлять закодированную информацию о летательном аппарате, такую ​​как идентификатор и высоту.

ССР оснащен основным антенна, и всенаправленный Антенна «Омни» на многих старых сайтах. Более новые антенны (как на соседнем рисунке) сгруппированы как левая и правая антенны, и каждая сторона подключается к гибридному устройству, которое объединяет сигналы в суммарный и разностный каналы. На других сайтах есть как суммирующая, так и разностная антенны, а также всенаправленная антенна. Самолет наблюдения, например ДРЛО имеют только суммирующую и разностную антенны, но также могут иметь пространственную стабилизацию за счет сдвига фазы луча вниз или вверх при наклоне или перекате. Антенна SSR обычно устанавливается на антенну PSR, поэтому они указывают в том же направлении, что и антенны. Всенаправленная антенна устанавливается рядом и высоко, обычно на верхней части обтекателя, если таковой имеется. Запросчикам режима S требуются каналы суммы и разности для обеспечения моноимпульс возможность измерения угла отклонения от оси отклика транспондера.

SSR периодически передает запросы, пока вращающаяся антенна радара сканирует небо. В запросе указывается, какой тип информации должен отправлять отвечающий транспондер, используя систему режимов. Исторически существовало 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 обозначения 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 для передачи и приема. Режим 4 используется военными самолетами для Идентификация друга или врага (IFF) система. Режим S представляет собой дискретный выборочный допрос, а не общую рассылку, что облегчает TCAS для гражданской авиации. Приемоответчики режима S игнорируют запросы, не адресованные с их уникальным идентификационным кодом, уменьшая перегрузку канала. При типовой установке РЛС ВОРЛ запросы ATCRBS, IFF и режима S будут передаваться чересстрочно. Некоторые военные объекты и / или самолеты также будут использовать режим S.

Ответные сигналы от обоих радаров на наземной станции передаются в средство УВД с помощью микроволновая печь ссылка, а коаксиальный ссылку или (с новыми радарами) a цифровой преобразователь и модем. После получения в центре УВД компьютерная система, известная как процессор данных радара связывает ответную информацию с соответствующей основной целью и отображает ее рядом с целью на прицеле радара.

Бортовое транспондерное оборудование

Оборудование, устанавливаемое в самолет, значительно проще и состоит из самого транспондера, обычно устанавливаемого на приборной панели или авионика стеллаж и небольшой L группа УВЧ антенна, установленная в нижней части фюзеляж. Многие коммерческие самолеты также имеют антенну в верхней части фюзеляжа, и летный экипаж может выбрать одну или обе антенны.

Типичные установки также включают датчик высоты, который представляет собой небольшое устройство, подключенное как к транспондеру, так и к статической системе самолета. Обеспечивает самолету барометрическая высота к транспондеру, чтобы он мог передать информацию в средство УВД. Кодировщик использует 11 проводов для передачи информации о высоте на транспондер в виде Кодекс Гиллхэма, модифицированный двоичный код Грея.

Транспондер для легкого самолета

Транспондер имеет небольшой необходимый набор элементов управления и прост в эксплуатации. В нем есть метод ввода четырехзначного код транспондера, также известный как код маяка или же код звукового сигнала, и элемент управления для передачи идентификатор, который выполняется по запросу контроллера (см. ниже SPI-импульс). Транспондеры обычно имеют 4 режима работы: выключен, режим ожидания, включен (режим A) и альтернативный (режим C). Режимы On и Alt отличаются только тем, что режим On 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 его точного местоположения.

Теория Операции

Шаги, необходимые для выполнения запроса ATCRBS, следующие: Во-первых, ATCRBS следователь периодически опрашивает воздушное судно на частоте 1030 МГц. Это осуществляется с помощью вращающейся или сканирующей антенны на назначенной РЛС Частоте повторения импульсов (PRF). Допросы обычно выполняются со скоростью 450-500 запросов в секунду. После того, как запрос был передан, он перемещается в пространстве (со скоростью света) в направлении антенны, пока не будет достигнут самолет.

Когда самолет получает запрос, самолет транспондер отправит ответ на частоте 1090 МГц после задержки 3,0 мкс с указанием запрошенной информации. Затем процессор дознавателя декодирует ответ и идентифицирует самолет. Дальность полета самолета определяется по задержке между ответом и запросом. Азимут воздушного судна определяется по направлению, в котором указывает антенна, когда был получен первый ответ, до последнего ответа. Это окно значений азимута затем делится на два, чтобы получить вычисленный азимут "центроида". Ошибки в этом алгоритме вызывают дрожание самолета в пределах действия контроллеров, что называется "дрожанием трека". Проблема джиттера делает программные алгоритмы отслеживания проблематичными и является причиной реализации моноимпульса.

Допрос

Запросы состоят из трех импульсов длительностью 0,8 мкс, обозначаемых как P1, P2 и P3. Время между импульсами P1 и P3 определяет режим (или вопрос) запроса и, следовательно, характер ответа. P2 используется для подавления боковых лепестков, как описано ниже.

Режим 3 / A использует интервал от P1 до P3 8,0 мкс и используется для запроса код маяка, который был назначен самолету диспетчером для его идентификации. В режиме C используется интервал 21 мкс и запрашивается барометрическая высота самолета, полученная от датчика высоты. Режим 2 использует интервал 5 мкс и запрашивает у летательного аппарата свой военный идентификационный код. Последний назначается только военным самолетам, поэтому только небольшой процент самолетов фактически отвечает на запрос режима 2.

Ответ

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

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

Импульсы F1 и F2 обрамление импульсы и всегда передаются транспондером самолета. Они используются дознавателем для идентификации правильных 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 запроса.

Для режима A каждая цифра в код транспондера (A, B, C или D) может быть числом от нуля до семи. Эти восьмеричный цифры передаются группами по три импульса каждая, слоты A зарезервированы для первой цифры, B - для второй и так далее.

В ответе в режиме C высота кодируется Gillham интерфейс, Код Гиллхема, который использует Код Грея. Интерфейс Gillham может отображать широкий диапазон высот с шагом 100 футов (30 м). Передаваемая высота является барометрической высотой с поправкой на высотомер установка на объекте УВД. Если кодировщик не подключен, транспондер может опционально передавать только кадрирующие импульсы (это делает большинство современных транспондеров).

В ответе режима 3 информация такая же, как и в ответе режима A, поскольку между 0 и 7 передаются 4 цифры. Термин «режим 3» используется военными, тогда как режим A - гражданский термин.

Бит X в настоящее время используется только для тестовых целей. Этот бит был первоначально передан Ракеты BOMARC которые использовались в качестве испытательных целей с воздуха. Этот бит может использоваться дронами.

Импульс SPI располагается на 4,35 мкс после импульса F2 (3 временных интервала) и используется как «импульс специальной идентификации». Импульс SPI включается "контролем идентификации" на транспондере в кабине самолета по запросу диспетчера воздушного движения. Диспетчер управления воздушным движением может запросить у пилота идентификацию, и когда контроль идентичности активирован, бит SPI будет добавлен к ответу примерно на 20 секунд (от двух до четырех оборотов антенны запросчика), тем самым выделив трек на дисплее диспетчера. .

Подавление боковых лепестков

Направленная антенна SSR никогда не бывает идеальной; неизбежно будет "утечка" более низких уровней радиочастотной энергии во внеосевых направлениях. Они известны как боковые доли. Когда воздушное судно находится близко к наземной станции, сигналы боковых лепестков часто бывают достаточно сильными, чтобы вызвать ответ от их ретрансляторов, когда антенна не направлена ​​на них. Это может вызвать привидение, где цель самолета может появиться более чем в одном месте на радаре. В крайних случаях эффект, известный как кольцо вокруг происходит, когда приемоответчик отвечает на избыточное количество ответов, в результате чего образуется дуга или круг ответов с центром в месте расположения радара.

Чтобы бороться с этими эффектами, подавление боковых лепестков (SLS) используется. SLS использует третий импульс P2, расположенный через 2 мкс после P1. Этот импульс передается от ненаправленной антенны (или разностного канала антенны) наземной станцией, а не от направленной антенны (или суммарного канала). Выходная мощность всенаправленной антенны откалибрована таким образом, чтобы при приеме самолетом импульс P2 был сильнее, чем P1 или P3, Кроме когда направленная антенна направлена ​​прямо на самолет. Сравнивая относительную силу P2 и P1, бортовые транспондеры могут определить, направлена ​​ли антенна на самолет, когда был получен запрос. Мощность разностной диаграммы направленности антенны (для систем, оборудованных таким образом) не регулируется по мощности импульсов P1 и P3. В наземных приемниках используются алгоритмы для удаления ответов на краю двух диаграмм направленности.

В последнее время для борьбы с этими эффектами все еще используется подавление боковых лепестков (SLS), но по-другому. В новом и улучшенном SLS используется третий импульс, разнесенный на 2 мкс перед P3 (новая позиция P2) или после P3 (который следует называть P4 и указывать в спецификациях радара режима S и TCAS). Этот импульс передается направленной антенной на 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 как:

2.6 Производительность декодирования. C. Подавление боковых лепестков. Транспондер должен быть заблокирован на период 35 ± 10 микросекунд после получения пары импульсов с правильным интервалом, и действие подавления должно быть способно повторно инициировать на полную продолжительность в течение 2 микросекунд после окончания любого периода подавления. Транспондер должен подавляться с эффективностью 99% в диапазоне амплитуд принятого сигнала от 3 дБ выше минимального уровня запуска до 50 дБ выше этого уровня, а также при приеме правильно разнесенных запросов, когда принимаемая амплитуда P2 равна или превышает получил амплитуду P1 и разнесен на 2,0 ± 0,15 мкс от P3.

Любое требование к транспондеру для обнаружения и воздействия на импульс P2 через 2 мкс после того, как P1 был удален из новой и улучшенной спецификации TSO C74c.

Большинство «современных» транспондеров (производимых с 1973 г.) имеют схему «SLS», которая подавляет ответ при получении любых двух импульсов в любом запросе, разнесенных на 2,0 микросекунды и превышающих порог минимального уровня запуска MTL дискриминатора амплитуды приемника (P1-> P2 или P2-> P3 или P3-> P4). Этот подход использовался для соответствия оригинальному 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, как "проблему Terra", и издавало директивы летной годности (AD) против различных производителей транспондеров на протяжении многих лет и в разное время. без предсказуемого графика. Проблемы с ореолом и кольцевым сигналом повторялись на более современных радарах.

В последнее время для борьбы с этими эффектами большое внимание уделяется программным решениям. Весьма вероятно, что один из этих программных алгоритмов был непосредственной причиной столкновения в воздухе недавно, поскольку один самолет, как сообщалось, показывал свою высоту в соответствии с предполетным планом полета, а не высоту, назначенную диспетчером УВД. (см. отчеты и наблюдения, содержащиеся в приведенном ниже справочном исследовании, посвященном работе радара, управляемому УВД).

Обратитесь к справочному разделу ниже, чтобы узнать об ошибках в стандартах производительности транспондеров ATCRBS в США.

См. Справочный раздел ниже для исследования приемоответчиков на месте техническим специалистом FAA.

Дисплей радара

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

Код маяка и высота исторически отображались дословно на радаре рядом с целью, однако модернизация расширила процессор данных радара с помощью процессор полетных данных, или FDP. FDP автоматически назначает коды радиомаяков для планы полетов, и когда этот код маяка получен от самолета, компьютер может связать его с информацией плана полета, чтобы немедленно отобразить полезные данные, такие как самолет позывной, следующая навигационная точка самолета, назначенная и текущая высота и т. д. рядом с целью в блок данных.Хотя ATCRBS не отображает курс самолета.[1]

Режим S

Смотрите также: Вторичный обзорный радар § Режим S

Режим S или выбор режимаНесмотря на то, что она также называется режимом, на самом деле это радикально улучшенная система, предназначенная 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 он называется заменой транспондерной системы для ATCRBS, на самом деле является протоколом пакетов данных, который может использоваться для дополнения оборудования определения местоположения транспондера ATCRBS (радар и TCAS).

Одним из основных улучшений режима S является возможность опроса одного воздушного судна за раз. При использовании старой технологии ATCRBS все воздушные суда в пределах диаграммы направленности станции опроса будут отвечать. В воздушном пространстве с несколькими станциями опроса транспондеры ATCRBS в самолетах могут быть перегружены. Посредством опроса одного самолета за раз нагрузка на транспондер самолета значительно снижается.

Второе важное улучшение - повышение точности азимута. При использовании 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 своего местоположения. Затем средняя точка между начальным и конечным азимутами используется для определения местоположения самолета. В режиме MSSR (вторичный моноимпульсный обзорный радар) и в режиме S радар может использовать информацию одного ответа для определения азимута. Он рассчитывается на основе РЧ фазы ответа воздушного судна, определяемой суммой и разностью антенных элементов, и называется моноимпульсом. Этот моноимпульсный метод обеспечивает превосходное азимутальное разрешение и устраняет дрожание цели с дисплея.

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

Приемоответчики режима S с разнесением могут быть реализованы с целью улучшения наблюдения и связи "воздух-воздух". В таких системах должны использоваться две антенны, одна из которых установлена ​​сверху, а другая - снизу. Также должны быть предусмотрены соответствующие каналы переключения и обработки сигналов для выбора наилучшей антенны на основе характеристик полученных сигналов запроса. Такие системы разнесения, в их установленной конфигурации, не должны приводить к ухудшению характеристик по сравнению с теми, которые были бы произведены одиночной системой, имеющей антенну, установленную снизу.

Перегрузка частоты, FRUIT

Режим S был разработан как решение проблемы перегрузки частот как на восходящей, так и на нисходящей линиях (1030 и 1090 МГц). Доступный сегодня широкий охват радиолокационной службы означает, что некоторые радиолокационные станции получают ответы транспондеров на запросы, инициированные другими близлежащими радиолокационными станциями. Это приводит к ФРУКТЫ, или же Несинхронные во времени ложные ответы[1], который представляет собой прием ответов на наземной станции, не соответствующих запросу. Эта проблема усугубилась с распространением таких технологий, как TCAS, в котором отдельные самолет опрашивать друг друга, чтобы избежать столкновений. Наконец, технологические усовершенствования сделали транспондеры все более доступными, и сегодня почти все самолеты оснащены ими. В результате количество самолетов, отвечающих на SSR, увеличилось. Defruiter схема убирает ФРУКТЫ с дисплея.

Режим S как решение проблемы перегрузки

В режиме S эти проблемы устраняются путем присвоения воздушному судну постоянного адреса режима S, полученного из его адреса. международный регистрационный номер. Затем он обеспечивает механизм, с помощью которого самолет может быть выбранный, или допросили так, что никакой другой самолет не ответил.

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, Traffic Information Service (TIS) и Автоматическое зависимое наблюдение-трансляция.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Jeppesen

дальнейшее чтение

  • Эшли, Аллан (сентябрь 1960). Изучение сообщений о высоте через систему радиолокационных маяков УВД. Дир-Парк, Нью-Йорк, США: Лаборатория бортовых приборов. Отчет 5791-23. Сложить резюме (стр. 62-45) – Сводные тезисы технических отчетов: Общее распространение. 1957–1962 (1962). (59 страниц)
  • Эшли, Аллан (декабрь 1961 г.). «Конфигурация кода для автоматического сообщения о высоте через ATCRBS». Сделки IRE по аэрокосмической и навигационной электронике. Мелвилл, Нью-Йорк, США: Институт Радиоинженеров. АНЭ-8 (4): 144–148. Дои:10.1109 / TANE3.1961.4201819. eISSN  2331-0812. ISSN  0096-1647. (5 страниц)
  • "Премия пионера 1983 года". IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам. IEEE. AES-19 (4): 648–656. Июль 1983 г. В архиве из оригинала на 2020-05-16. Получено 2020-05-16. […] Комитет по присуждению премий «Пионер» Общества аэрокосмических и электронных систем IEEE назначил […] Аллана Эшли […] Джозефа Э. Херманна […] Джеймса С. Перри […] лауреатами Премии «Пионер» 1983 года в знак признания весьма значительный вклад, сделанный ими. «ЗА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ГОЛОСОВ И ДАННЫХ РАДИОСВЯЗИ И ЭЛЕКТРОНИКИ» Премия была вручена на выставке NAECON 18 мая 1983 года. […] (9 стр.)

внешняя ссылка