El sistema de balizas de radar de control de tráfico aéreo ( ATCRBS ) es un sistema utilizado en el control de tráfico aéreo (ATC) para mejorar el control de radar de vigilancia y la separación del tráfico aéreo. Consiste en una antena terrestre giratoria y transpondedores en aeronaves. La antena terrestre barre un haz vertical estrecho de microondas alrededor del espacio aéreo. Cuando el haz golpea una aeronave, el transpondedor transmite una señal de retorno que proporciona información como la altitud y el código de transpondedor, un código de cuatro dígitos asignado a cada aeronave que ingresa a una región. Luego, la información sobre esta aeronave se ingresa en el sistema y posteriormente se agrega a la pantalla del controlador para mostrar esta información cuando se consulta. Esta información puede incluir la designación del número de vuelo y la altitud de la aeronave. ATCRBS asiste a los radares de vigilancia de control de tráfico aéreo (ATC) adquiriendo información sobre la aeronave que se está monitoreando y proporcionándola a los controladores de radar. Los controladores pueden usar la información para identificar los retornos de radar de las aeronaves (conocidos como objetivos ) y para distinguir esos retornos de los ecos del suelo .
El sistema consta de transpondedores , instalados en aeronaves, y radares de vigilancia secundarios (SSR), instalados en las instalaciones de control del tráfico aéreo. El SSR a veces se ubica junto con el radar de vigilancia primario , o PSR. Estos dos sistemas de radar funcionan en conjunto para producir una imagen de vigilancia sincronizada. El SSR transmite interrogaciones y escucha las respuestas. Los transpondedores que reciben una interrogación la decodifican, deciden si responder y luego responden con la información solicitada cuando corresponde. Tenga en cuenta que en el uso informal común, el término "SSR" a veces se usa para referirse a todo el sistema ATCRBS, sin embargo, este término (como se encuentra en las publicaciones técnicas) se refiere correctamente solo al radar terrestre en sí.
Una estación terrestre de control del tráfico aéreo consta de dos sistemas de radar y sus componentes de apoyo asociados. El componente más destacado es el PSR. También se lo conoce como radar de pintura superficial porque no muestra símbolos sintéticos o alfanuméricos de objetivos, sino puntos o áreas brillantes (o de color) en la pantalla del radar producidos por los reflejos de energía de radiofrecuencia de la "piel" del objetivo. Este es un proceso no cooperativo, no se necesitan dispositivos aviónicos adicionales. El radar detecta y muestra objetos reflectantes dentro del rango operativo del radar. Los datos del radar meteorológico se muestran en modo de pintura superficial. El radar de vigilancia principal está sujeto a la ecuación del radar que dice que la intensidad de la señal disminuye como la cuarta potencia de la distancia al objetivo. Los objetos detectados mediante el PSR se conocen como objetivos primarios.
El segundo sistema es el radar de vigilancia secundario , o SSR, que depende de un transpondedor cooperativo instalado en la aeronave que se está rastreando. El transpondedor emite una señal cuando es interrogado por el radar secundario. En un sistema basado en transpondedor, las señales caen como el cuadrado inverso de la distancia al objetivo, en lugar de la cuarta potencia en los radares primarios. Como resultado, el alcance efectivo aumenta considerablemente para un nivel de potencia dado. El transpondedor también puede enviar información codificada sobre la aeronave, como la identidad y la altitud.
El SSR está equipado con una antena principal y una antena omnidireccional "Omni" en muchos sitios más antiguos. Las antenas más nuevas (como en la imagen adyacente) se agrupan como una antena izquierda y una derecha, y cada lado se conecta a un dispositivo híbrido que combina las señales en canales de suma y diferencia. Aún otros sitios tienen tanto la antena de suma y diferencia, como una antena Omni. Las aeronaves de vigilancia, por ejemplo, AWACS, solo tienen las antenas de suma y diferencia, pero también se pueden estabilizar espacialmente desplazando la fase del haz hacia abajo o hacia arriba cuando se inclina o gira. La antena SSR generalmente se ajusta a la antena PSR, de modo que apunten en la misma dirección en la que giran las antenas. La antena omnidireccional se monta cerca y en alto, generalmente en la parte superior del radomo si está equipado. Los interrogadores de modo S requieren los canales de suma y diferencia para proporcionar la capacidad monopulso para medir el ángulo fuera del eje de puntería de la respuesta del transpondedor.
El SSR transmite interrogaciones de forma repetitiva mientras la antena de radar giratoria explora el cielo. La interrogación especifica qué tipo de información debe enviar un transpondedor que responde mediante un sistema de modos. Se han utilizado varios modos históricamente, pero cuatro son de uso común en la actualidad: modo 1, modo 2, modo 3/A y modo C. El modo 1 se utiliza para clasificar objetivos militares durante las fases de una misión. El modo 2 se utiliza para identificar misiones de aeronaves militares. El modo 3/A se utiliza para identificar cada aeronave en el área de cobertura del radar. El modo C se utiliza para solicitar/informar la altitud de una aeronave.
Otros dos modos, el modo 4 y el modo S, no se consideran parte del sistema ATCRBS, pero utilizan el mismo hardware de transmisión y recepción. El modo 4 lo utilizan los aviones militares para el sistema de identificación amigo-enemigo (IFF). El modo S es una interrogación selectiva discreta, en lugar de una transmisión general, que facilita el TCAS para aviones civiles. Los transpondedores del modo S ignoran las interrogaciones que no se abordan con su código de identidad único, lo que reduce la congestión del canal. En una instalación de radar SSR típica, las interrogaciones ATCRBS, IFF y del modo S se transmitirán de forma entrelazada. Algunas instalaciones y/o aviones militares también utilizarán el modo S.
Las respuestas de ambos radares en la estación terrestre se transmiten a la instalación de control del tráfico aéreo mediante un enlace de microondas , un enlace coaxial o (en el caso de los radares más modernos) un digitalizador y un módem . Una vez recibidas en la instalación de control del tráfico aéreo, un sistema informático conocido como procesador de datos de radar asocia la información de respuesta con el objetivo principal adecuado y la muestra junto al objetivo en la pantalla del radar.
El equipamiento instalado en el avión es considerablemente más sencillo, y está formado por el propio transpondedor, normalmente montado en el panel de instrumentos o en el bastidor de aviónica , y una pequeña antena UHF de banda L , montada en la parte inferior del fuselaje . Muchos aviones comerciales también tienen una antena en la parte superior del fuselaje, y la tripulación de vuelo puede seleccionar una o ambas antenas.
Las instalaciones típicas también incluyen un codificador de altitud, que es un pequeño dispositivo conectado tanto al transpondedor como al sistema estático de la aeronave. Proporciona la altitud de presión de la aeronave al transpondedor, de modo que pueda transmitir la información a la instalación de ATC. El codificador utiliza 11 cables para pasar información de altitud al transpondedor en forma de un código Gillham , un código Gray binario modificado.
El transpondedor tiene un pequeño conjunto de controles necesarios y es fácil de operar. Tiene un método para ingresar el código de transpondedor de cuatro dígitos , también conocido como código de baliza o código de squawk , y un control para transmitir un ident , que se realiza a pedido del controlador (ver pulso SPI a continuación). Los transpondedores normalmente tienen 4 modos de funcionamiento: Apagado, En espera, Encendido (Modo A) y Alt (Modo C). El modo Encendido y Alt difieren solo en que el modo Encendido inhibe la transmisión de cualquier información de altitud. El modo En espera permite que la unidad permanezca encendida y calentada, pero inhibe cualquier respuesta, ya que el radar se utiliza para buscar la aeronave y la ubicación exacta de la aeronave.
Los pasos necesarios para realizar una interrogación ATCRBS son los siguientes: primero, el interrogador ATCRBS interroga periódicamente a las aeronaves en una frecuencia de 1030 MHz. Esto se hace a través de una antena giratoria o de exploración en la frecuencia de repetición de pulsos (PRF) asignada al radar. Las interrogaciones se realizan normalmente a 450 - 500 interrogaciones por segundo. Una vez que se ha transmitido una interrogación, viaja a través del espacio (a la velocidad de la luz) en la dirección en la que apunta la antena hasta que se alcanza una aeronave.
Cuando la aeronave recibe la interrogación, el transpondedor de la aeronave enviará una respuesta en 1090 MHz después de un retraso de 3,0 μs indicando la información solicitada. El procesador del interrogador decodificará entonces la respuesta e identificará la aeronave. El alcance de la aeronave se determina a partir del retraso entre la respuesta y la interrogación. El acimut de la aeronave se determina a partir de la dirección en la que apunta la antena cuando se recibió la primera respuesta, hasta que se recibe la última respuesta. Esta ventana de valores de acimut se divide entonces por dos para dar el acimut "centroide" calculado. Los errores en este algoritmo hacen que la aeronave se mueva a través del alcance de los controladores, y se lo conoce como "vibración de seguimiento". El problema de la vibración hace que los algoritmos de seguimiento de software sean problemáticos, y es la razón por la que se implementó el monopulso.
Las interrogaciones constan de tres pulsos de 0,8 μs de duración, denominados P1, P2 y P3. La temporización entre los pulsos P1 y P3 determina el modo (o pregunta) de la interrogación y, por lo tanto, la naturaleza de la respuesta. P2 se utiliza en la supresión de lóbulos laterales, como se explica más adelante.
El modo 3/A utiliza un espaciado de P1 a P3 de 8,0 μs y se utiliza para solicitar el código de baliza que el controlador asignó a la aeronave para identificarla. El modo C utiliza un espaciado de 21 μs y solicita la altitud de presión de la aeronave, proporcionada por el codificador de altitud. El modo 2 utiliza un espaciado de 5 μs y solicita a la aeronave que transmita su código de identificación militar. Este último solo se asigna a aeronaves militares, por lo que solo un pequeño porcentaje de aeronaves responde realmente a una interrogación del modo 2.
Las respuestas a las interrogaciones constan de 15 intervalos de tiempo, cada uno de 1,45 μs de ancho, que codifican 12 + 1 bits de información. La respuesta se codifica por la presencia o ausencia de un pulso de 0,45 μs en cada intervalo. Estos se etiquetan de la siguiente manera:
F1 C1 A1 C2 A2 C4 A4 X B1 D1 B2 D2 B4 D4 F2 SPI
Los pulsos F1 y F2 son pulsos de encuadre y siempre los transmite el transpondedor de la aeronave. El interrogador los utiliza para identificar respuestas legítimas. Tienen una separación de 20,3 μs.
Los pulsos A4, A2, A1, B4, B2, B1, C4, C2, C1, D4, D2, D1 constituyen la "información" contenida en la respuesta. Estos bits se utilizan de forma diferente para cada modo de interrogación.
En el modo A, cada dígito del código del transpondedor (A, B, C o D) puede ser un número del cero al siete. Estos dígitos octales se transmiten como grupos de tres pulsos cada uno, reservándose las ranuras A para el primer dígito, B para el segundo, y así sucesivamente.
En una respuesta en modo C, la altitud se codifica mediante una interfaz Gillham , código Gillham , que utiliza el código Gray . La interfaz Gillham es capaz de representar una amplia gama de altitudes, en incrementos de 100 pies (30 m). La altitud transmitida es la altitud de presión y se corrige para la configuración del altímetro en la instalación ATC. Si no se conecta ningún codificador, el transpondedor puede transmitir opcionalmente solo pulsos de trama (la mayoría de los transpondedores modernos lo hacen).
En una respuesta en modo 3, la información es la misma que en una respuesta en modo A, en el sentido de que se transmiten 4 dígitos entre 0 y 7. El término modo 3 lo utiliza el ejército, mientras que el término modo A es el término civil.
Actualmente, el bit X solo se utiliza para objetivos de prueba. Este bit fue transmitido originalmente por misiles BOMARC que se utilizaron como objetivos de prueba lanzados desde el aire. Este bit puede ser utilizado por aviones no tripulados.
El pulso SPI se coloca 4,35 μs después del pulso F2 (3 intervalos de tiempo) y se utiliza como un "pulso de identificación especial". El "control de identidad" activa el pulso SPI en el transpondedor de la cabina del avión cuando lo solicita el control de tráfico aéreo. El controlador de tráfico aéreo puede solicitar al piloto que se identifique y, cuando se activa el control de identidad, se agregará el bit SPI a la respuesta durante aproximadamente 20 segundos (dos a cuatro rotaciones de la antena interrogadora), resaltando así la pista en la pantalla del controlador.
La antena direccional del SSR nunca es perfecta; inevitablemente "perderá" niveles más bajos de energía de RF en direcciones fuera del eje. Estas se conocen como lóbulos laterales . Cuando las aeronaves están cerca de la estación terrestre, las señales de los lóbulos laterales suelen ser lo suficientemente fuertes como para provocar una respuesta de sus transpondedores cuando la antena no está apuntando hacia ellos. Esto puede causar imágenes fantasma , donde el objetivo de una aeronave puede aparecer en más de una ubicación en el visor del radar. En casos extremos, se produce un efecto conocido como " ring-around" , donde el transpondedor responde en exceso, lo que da como resultado un arco o círculo de respuestas centradas en el sitio del radar.
Para combatir estos efectos, se utiliza la supresión de lóbulos laterales (SLS). La SLS emplea un tercer pulso, P2, espaciado 2μs después de P1. Este pulso se transmite desde la antena omnidireccional (o el canal de diferencia de antena) por la estación terrestre, en lugar de desde la antena direccional (o el canal de suma). La salida de potencia de la antena omnidireccional se calibra de modo que, cuando lo recibe una aeronave, el pulso P2 es más fuerte que P1 o P3, excepto cuando la antena direccional apunta directamente a la aeronave. Al comparar las intensidades relativas de P2 y P1, los transpondedores aerotransportados pueden determinar si la antena está apuntando o no a la aeronave cuando se recibió la interrogación. La potencia del patrón de antena de diferencia (para sistemas equipados de esta manera) no se ajusta a partir de la de los pulsos P1 y P3. Se utilizan algoritmos en los receptores terrestres para eliminar las respuestas en el borde de los dos patrones de haz.
Para combatir estos efectos, más recientemente, se sigue utilizando la supresión de lóbulos laterales (SLS), pero de forma diferente. La nueva y mejorada SLS emplea un tercer pulso, espaciado 2μs antes de P3 (una nueva posición P2) o después de P3 (que debería llamarse P4 y aparece en las especificaciones del radar de modo S y TCAS). Este pulso se transmite desde la antena direccional en la estación terrestre, y la potencia de salida de este pulso es de la misma intensidad que los pulsos P1 y P3. La acción que se debe tomar se especifica en el nuevo y mejorado C74c como:
2.6 Rendimiento de decodificación. c. Supresión de lóbulos laterales. El transpondedor debe suprimirse durante un período de 35 ±10 microsegundos después de recibir un par de pulsos con el espaciamiento adecuado y la acción de supresión debe poder reiniciarse durante toda la duración dentro de los 2 microsegundos posteriores al final de cualquier período de supresión. El transpondedor debe suprimirse con una eficiencia del 99 por ciento en un rango de amplitud de señal recibida entre 3 db por encima del nivel de activación mínimo y 50 db por encima de ese nivel y al recibir interrogaciones espaciadas adecuadamente cuando la amplitud recibida de P2 sea igual o superior a la amplitud recibida de P1 y esté espaciada 2,0 ±0,15 microsegundos desde P3.
Se ha eliminado de la nueva y mejorada especificación TSO C74c cualquier requisito en el transpondedor para detectar y actuar sobre un pulso P2 2μs después de P1.
La mayoría de los transpondedores "modernos" (fabricados desde 1973) tienen un circuito "SLS" que suprime la respuesta al recibir dos pulsos cualesquiera en cualquier interrogación con una separación de 2,0 microsegundos que estén por encima del umbral de nivel mínimo de activación MTL del discriminador de amplitud del receptor (P1->P2 o P2->P3 o P3->P4). Este enfoque se utilizó para cumplir con el C74c original, pero también cumple con las disposiciones del nuevo y mejorado C74c.
La FAA se refiere a la falta de respuesta de los transpondedores nuevos y mejorados que cumplen con la norma TSO C74c a los radares compatibles con el Modo S y TCAS como "el problema de Terra", y ha emitido Directivas de Aeronavegabilidad (AD) contra varios fabricantes de transpondedores, a lo largo de los años, en varias ocasiones sin un cronograma predecible. Los problemas de imágenes fantasma y de anillos circundantes han vuelto a aparecer en los radares más modernos.
Para combatir estos efectos, recientemente se ha puesto gran énfasis en las soluciones de software. Es muy probable que uno de esos algoritmos de software haya sido la causa inmediata de una colisión en el aire recientemente, ya que se informó que un avión mostraba su altitud como el plan de vuelo presentado en papel antes del vuelo, y no la altitud asignada por el controlador ATC (consulte los informes y observaciones incluidos en el estudio de pasajeros de aviones controlados por ATC que se incluye a continuación sobre cómo funcionaba el radar).
Consulte la sección de referencia a continuación para conocer los errores en los estándares de rendimiento de los transpondedores ATCRBS en los EE. UU.
Consulte la sección de referencia a continuación para conocer el estudio técnico de la FAA sobre transpondedores in situ.
El código de baliza y la altitud se mostraban históricamente textualmente en el visor del radar junto al objetivo, sin embargo, la modernización ha ampliado el procesador de datos del radar con un procesador de datos de vuelo o FDP. El FDP asigna automáticamente códigos de baliza a los planes de vuelo y, cuando se recibe ese código de baliza de una aeronave, la computadora puede asociarlo con la información del plan de vuelo para mostrar inmediatamente datos útiles, como el indicativo de la aeronave , el próximo punto de navegación de la aeronave, la altitud asignada y actual, etc. cerca del objetivo en un bloque de datos . Aunque el ATCRBS no muestra el rumbo de la aeronave. [1]
El modo S, o modo seleccionado , a pesar de que también se lo denomina modo, es en realidad un sistema radicalmente mejorado que pretende reemplazar por completo al ATCRBS. Algunos países han impuesto el modo S y muchos otros, incluido Estados Unidos, han comenzado a eliminar gradualmente el ATCRBS en favor de este sistema. El modo S está diseñado para ser totalmente compatible con la tecnología ATCRBS existente.
El Modo S, a pesar de ser llamado un sistema de transpondedor de reemplazo para ATCRBS, es en realidad un protocolo de paquetes de datos que se puede utilizar para aumentar el equipo de posicionamiento del transpondedor ATCRBS (radar y TCAS).
Una mejora importante del Modo S es la capacidad de interrogar a una sola aeronave a la vez. Con la antigua tecnología ATCRBS, todas las aeronaves dentro del patrón de haz de la estación interrogadora responderían. En un espacio aéreo con múltiples estaciones de interrogación, los transpondedores ATCRBS de las aeronaves pueden verse sobrecargados. Al interrogar a una aeronave a la vez, la carga de trabajo del transpondedor de la aeronave se reduce en gran medida.
La segunda mejora importante es la mayor precisión del acimut. Con los PSR y los antiguos SSR, el acimut de la aeronave se determina mediante el método de división a la mitad (centroide). El método de división a la mitad se calcula registrando el acimut de la primera y la última respuesta de la aeronave, a medida que el haz del radar pasa por su posición. Luego, el punto medio entre el acimut inicial y el final se utiliza para la posición de la aeronave. Con MSSR (radar de vigilancia secundaria monopulso) y el Modo S, el radar puede utilizar la información de una respuesta para determinar el acimut. Esto se calcula en función de la fase de RF de la respuesta de la aeronave, según lo determinado por los elementos de antena de suma y diferencia, y se denomina monopulso. Este método monopulso da como resultado una resolución de acimut superior y elimina la vibración del objetivo de la pantalla.
El sistema Modo S también incluye un protocolo de comunicaciones más robusto, que permite intercambiar una mayor variedad de información. A partir de 2009, [update]esta capacidad se está volviendo obligatoria en toda Europa y algunos estados ya exigen su uso.
Se podrán implementar transpondedores de modo S de diversidad con el fin de mejorar la vigilancia y las comunicaciones aire-aire. Dichos sistemas emplearán dos antenas, una montada en la parte superior y la otra en la parte inferior de la aeronave. También se proporcionarán canales de conmutación y procesamiento de señales adecuados para seleccionar la mejor antena en función de las características de las señales de interrogación recibidas. Dichos sistemas de diversidad, en su configuración instalada, no deberán dar como resultado un rendimiento degradado en relación con el que se habría producido con un solo sistema con una antena montada en la parte inferior.
El modo S se desarrolló como una solución a la congestión de frecuencia tanto en las frecuencias de enlace ascendente como descendente (1030 y 1090 MHz). La alta cobertura del servicio de radar disponible hoy en día significa que algunos sitios de radar reciben respuestas de transpondedor de interrogaciones que fueron iniciadas por otros sitios de radar cercanos. Esto da como resultado FRUIT , o False Replies Unsynchronous In Time [1], que es la recepción de respuestas en una estación terrestre que no corresponden a una interrogación. Este problema ha empeorado con la creciente prevalencia de tecnologías como TCAS , en la que las aeronaves individuales se interrogan entre sí para evitar colisiones. Finalmente, las mejoras tecnológicas han hecho que los transpondedores sean cada vez más asequibles, de modo que hoy en día casi todas las aeronaves están equipadas con ellos. Como resultado, la gran cantidad de aeronaves que responden a los SSR ha aumentado. El circuito Defruiter borra FRUIT de la pantalla.
El modo S intenta reducir estos [ ¿cuáles? ] problemas asignando a la aeronave una dirección de modo S permanente, derivada del número de registro asignado internacionalmente a la aeronave . [ cita requerida ] Luego proporciona un mecanismo por el cual se puede seleccionar una aeronave o interrogarla de manera que ninguna otra aeronave responda.
El sistema también tiene disposiciones para transferir datos arbitrarios tanto hacia como desde un transpondedor. [ cita requerida ] Este aspecto del modo S lo convierte en un elemento básico para muchas otras tecnologías, como TCAS 2, el Servicio de información de tráfico (TIS) y la Vigilancia dependiente automática por radiodifusión . [ cita requerida ]
[…] El Comité del Premio Pionero de la Sociedad de Sistemas Aeroespaciales y Electrónicos del IEEE ha nombrado […] Allan Ashley […] Joseph E. Hermann […] James S. Perry […] como destinatarios del Premio Pionero 1983 en reconocimiento a las contribuciones altamente significativas realizadas por ellos. "POR EL IMPULSO DEL ESTADO DEL ARTE DE LAS COMUNICACIONES POR RADIO DE VOZ Y DATOS Y LA ELECTRÓNICA" El premio se entregó en NAECON el 18 de mayo de 1983. […](9 páginas)