El sistema de baliza radar de control de tráfico aéreo ( ATCRBS ) es un sistema utilizado en el control de tráfico aéreo (ATC) para mejorar el seguimiento por radar de vigilancia y la separación del tráfico aéreo. Consiste en una antena terrestre giratoria y transpondedores en aviones. La antena terrestre barre un estrecho haz vertical de microondas alrededor del espacio aéreo. Cuando el haz incide en una aeronave, el transpondedor transmite una señal de retorno que proporciona información como la altitud y el código Squawk, 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 le solicita. Esta información puede incluir la designación del número de vuelo y la altitud de la aeronave. ATCRBS ayuda a los radares de vigilancia del control de tráfico aéreo (ATC) adquiriendo información sobre la aeronave que se está monitoreando y proporcionándola a los controladores de radar. Los controladores pueden utilizar la información para identificar los retornos de radar de las aeronaves (conocidos como objetivos ) y distinguir esos retornos del desorden terrestre .
El sistema consta de transpondedores , instalados en aeronaves, y radares secundarios de vigilancia (SSR), instalados en las instalaciones de control del tráfico aéreo. El SSR a veces comparte ubicación con el radar de vigilancia primario , o PSR. Estos dos sistemas de radar trabajan en conjunto para producir una imagen de vigilancia sincronizada. El SSR transmite interrogatorios y escucha las respuestas. Los transpondedores que reciben una interrogación la decodifican, deciden si responden y luego responden con la información solicitada cuando corresponde. Tenga en cuenta que en el uso informal común, el término "SSR" se utiliza a veces para referirse a todo el sistema ATCRBS; sin embargo, este término (como se encuentra en publicaciones técnicas) se refiere propiamente únicamente al radar terrestre en sí.
Una estación terrestre ATC consta de dos sistemas de radar y sus componentes de soporte asociados. El componente más destacado es el PSR. También se le conoce como radar de pintura de piel porque no muestra símbolos de objetivo sintéticos o alfanuméricos, sino puntos o áreas brillantes (o coloreadas) en la pantalla del radar producidas por los reflejos de energía de RF de la "piel" del objetivo. Este es un proceso no cooperativo, no se necesitan dispositivos de aviónica adicionales. El radar detecta y muestra objetos reflectantes dentro del alcance operativo del radar. Los datos del radar meteorológico se muestran en modo de pintura de piel. El radar de vigilancia primario 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 cooperante 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 determinado. El transpondedor también puede enviar información codificada sobre la aeronave, como identidad y 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) están agrupadas como antena izquierda y derecha, y cada lado se conecta a un dispositivo híbrido que combina las señales en canales de suma y diferencia. Otros sitios tienen antenas de suma y diferencia y una antena Omni. Los aviones de vigilancia, por ejemplo los AWACS, tienen sólo antenas de suma y diferencia, pero también pueden estabilizarse en el espacio desplazando la fase del haz hacia abajo o hacia arriba cuando se inclina o se gira. La antena SSR normalmente se instala en la antena PSR, por lo que apuntan en la misma dirección en la que giran las antenas. La antena omnidireccional se monta cerca y en lo alto, generalmente encima del radomo, si está equipado. Los interrogadores en Modo S requieren los canales de suma y diferencia para proporcionar la capacidad de monopulso para medir el ángulo fuera de puntería de la respuesta del transpondedor.
El SSR transmite interrogaciones repetidamente mientras la antena del radar giratorio escanea el cielo. La interrogación especifica qué tipo de información debe enviar un transpondedor de respuesta mediante un sistema de modos. Históricamente se han utilizado varios modos, 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 aviones 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 es utilizado por aviones militares para el sistema de identificación de amigo o 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 en 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 típica de radar SSR, las interrogaciones ATCRBS, IFF y modo S se transmitirán todas de forma entrelazada. Algunas instalaciones militares y/o aviones también utilizarán el Modo S.
Los retornos de ambos radares en la estación terrestre se transmiten a la instalación ATC mediante un enlace de microondas , un enlace coaxial o (con radares más nuevos) un digitalizador y un módem . Una vez recibida en las instalaciones del ATC, 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 el alcance del radar.
El equipo instalado en la aeronave es considerablemente más sencillo y consta del propio transpondedor, normalmente montado en el panel de instrumentos o 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, para que pueda transmitir la información a la instalación ATC. El codificador utiliza 11 cables para pasar información de altitud al transpondedor en forma de código Gillham , un código Gray binario modificado.
El transpondedor tiene un pequeño conjunto de controles requeridos 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 graznido , y un control para transmitir una identificación , que se realiza a pedido del controlador (ver pulso SPI a continuación). Los transpondedores suelen tener 4 modos de funcionamiento: apagado, en espera, encendido (modo A) y alternativo (modo C). Los modos On y Alt se diferencian únicamente en que el modo On inhibe la transmisión de cualquier información de altitud. El modo de espera permite que la unidad permanezca encendida y calentada, pero inhibe cualquier respuesta, ya que el radar se utiliza para buscar la aeronave y su ubicación exacta.
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 escaneo en la frecuencia de repetición de pulsos (PRF) asignada al radar. Los interrogatorios se realizan normalmente a una velocidad de 450 a 500 interrogaciones/segundo. Una vez transmitida una interrogación, viaja por el espacio (a la velocidad de la luz) en la dirección en la que apunta la antena hasta llegar a un avión.
Cuando la aeronave reciba 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 la respuesta e identificará la aeronave. El alcance de la aeronave se determina a partir del retraso entre la respuesta y el interrogatorio. El azimut de la aeronave se determina a partir de la dirección a la que apunta la antena cuando se recibió la primera respuesta, hasta que se recibe la última respuesta. Esta ventana de valores de azimut luego se divide por dos para obtener el acimut "centroide" calculado. Los errores en este algoritmo hacen que la aeronave vibre a lo largo del alcance del controlador, lo que se conoce como "jitter de seguimiento". El problema de la fluctuación hace que los algoritmos de seguimiento del software sean problemáticos y es la razón por la que se implementó el monopulso.
Los interrogatorios constan de tres impulsos, de 0,8 μs de duración, denominados P1, P2 y P3. El tiempo entre los pulsos P1 y P3 determina el modo (o pregunta) de la interrogación y, por tanto, cuál debe ser 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 P1 a P3 de 8,0 μs, y se utiliza para solicitar el código de baliza , que fue asignado a la aeronave por el controlador 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 espacio de 5 μs y solicita a la aeronave que transmita su código de identificación militar. Este último sólo se asigna a aviones militares, por lo que sólo un pequeño porcentaje de aviones responde realmente a una interrogación en 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 mediante la presencia o ausencia de un pulso de 0,45 μs en cada ranura. Estos están etiquetados 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 son transmitidos por el transpondedor de la aeronave. El interrogador los utiliza para identificar respuestas legítimas. Estos están espaciados 20,3 μs.
Los impulsos A4, A2, A1, B4, B2, B1, C4, C2, C1, D4, D2, D1 constituyen la "información" contenida en la respuesta. Estos bits se utilizan de diferentes maneras para cada modo de interrogación.
Para 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, las ranuras A están reservadas para el primer dígito, B para el segundo, y así sucesivamente.
En una respuesta en modo C, la altitud está codificada por una interfaz Gillham , código Gillham , que utiliza código Gray . La interfaz Gillham es capaz de representar una amplia gama de altitudes, en incrementos de 30 m (100 pies). La altitud transmitida es la altitud de presión y corregida para el ajuste del altímetro en las instalaciones del ATC. Si no hay ningún codificador conectado, el transpondedor puede opcionalmente transmitir sólo pulsos de encuadre (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, ya que se transmiten 4 dígitos entre 0 y 7. El término modo 3 es utilizado por los militares, mientras que el 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. Esta broca puede ser utilizada 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" del transpondedor de la cabina del avión activa el pulso SPI cuando lo solicita el control de tráfico aéreo. El controlador de tránsito aéreo puede solicitar al piloto que se identifique, y cuando se activa el control de identidad, el bit SPI se agregará a la respuesta durante aproximadamente 20 segundos (de 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 "filtrará" niveles más bajos de energía de RF en direcciones fuera del eje. Estos se conocen como lóbulos laterales . Cuando los aviones 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 les apunta. Esto puede causar imágenes fantasma , donde el objetivo de una aeronave puede aparecer en más de una ubicación en el alcance del radar. En casos extremos, se produce un efecto conocido como círculo , donde el transpondedor responde en exceso, lo que da como resultado un arco o círculo de respuestas centrado en el sitio del radar.
Para combatir estos efectos, se utiliza la supresión de los lóbulos laterales (SLS). SLS emplea un tercer pulso, P2, espaciado 2 μs 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 potencia de salida de la antena omnidireccional está calibrada de modo que, cuando lo reciba una aeronave, el pulso P2 sea más fuerte que P1 o P3, excepto cuando la antena direccional apunte directamente a la aeronave. Al comparar las intensidades relativas de P2 y P1, los transpondedores aéreos pueden determinar si la antena apunta o no a la aeronave cuando se recibió la interrogación. La potencia del patrón de antena diferencial (para sistemas así equipados) no se ajusta a partir de la de los pulsos P1 y P3. En los receptores terrestres se utilizan algoritmos para eliminar las respuestas en el borde de los dos patrones de haces.
Para combatir estos efectos más recientemente, todavía se utiliza la supresión de los lóbulos laterales (SLS), pero de forma diferente. El nuevo y mejorado SLS emplea un tercer pulso, espaciado 2 μs antes de P3 (una nueva posición P2) o después de P3 (que debería llamarse P4 y aparece en las especificaciones del radar Modo S y TCAS). Este pulso se transmite desde la antena direccional de la estación terrestre y la potencia de salida de este pulso es la misma que la de los pulsos P1 y P3. La acción a 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 impulsos con el espaciado adecuado y la acción de supresión debe poder reiniciarse durante toda su 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 la señal recibida entre 3 db por encima del nivel mínimo de activación y 50 db por encima de ese nivel y al recibir interrogaciones espaciadas adecuadamente cuando la amplitud recibida de P2 es igual o superior a la recibió una amplitud de P1 y una separación de 2,0 ± 0,15 microsegundos desde P3.
Cualquier requisito en el transpondedor para detectar y actuar sobre un pulso P2 2 μs después de P1 se ha eliminado de la nueva y mejorada especificación TSO C74c.
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 espaciados 2,0 microsegundos que estén por encima del umbral del 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 y también cumple con las disposiciones del C74c nuevo y mejorado.
La FAA se refiere a la falta de capacidad de respuesta de los transpondedores nuevos y mejorados que cumplen con TSO C74c a los radares compatibles con Modo S y TCAS como "El problema Terra", y ha emitido Directivas de aeronavegabilidad (AD) contra varios fabricantes de transpondedores, a lo largo de los años, en varios momentos. sin un calendario predecible. Los problemas de imágenes fantasma y anillos se han repetido en los radares más modernos.
Para combatir estos efectos últimamente se presta gran atención a 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 reciente, ya que se informó que un avión mostraba su altitud en el plan de vuelo presentado en el documento previo al vuelo, y no la altitud asignada por el controlador ATC. (consulte los informes y observaciones contenidos en la referencia siguiente Estudio de pasajeros de aviones controlados por ATC sobre cómo funciona 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 el estudio técnico de la FAA de transpondedores in situ.
Históricamente, el código de baliza y la altitud se mostraban palabra por palabra en el alcance 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 ese código de baliza se recibe de una aeronave, la computadora puede asociarlo con la información del plan de vuelo para mostrar datos inmediatamente útiles, como el indicativo de llamada de la aeronave , la siguiente posición de navegación de la aeronave, asignada y actual. altitud, etc. cerca del objetivo en un bloque de datos . Aunque el ATCRBS no muestra el rumbo de la aeronave. [1]
El Modo S, o selección de modo , a pesar de que también se le llama modo, es en realidad un sistema radicalmente mejorado destinado a reemplazar al ATCRBS por completo. Unos pocos 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 denominarse sistema de transpondedor de reemplazo para ATCRBS, es en realidad un protocolo de paquetes de datos que puede usarse para aumentar el equipo de posicionamiento del transpondedor ATCRBS (radar y TCAS).
Una mejora importante del Modo S es la capacidad de interrogar a un solo avión a la vez. Con la antigua tecnología ATCRBS, todas las aeronaves dentro del patrón de haz de la estación de interrogación responderán. En un espacio aéreo con múltiples estaciones de interrogación, los transpondedores ATCRBS de los aviones pueden verse abrumados. Al interrogar un avión a la vez, la carga de trabajo del transpondedor del avión se reduce considerablemente.
La segunda mejora importante es una mayor precisión del azimut. Con los PSR y los SSR antiguos, el azimut de la aeronave se determina mediante el método de mitad dividida (centroide). El método de media división se calcula registrando el acimut de la primera y última respuesta de la aeronave, a medida que el haz del radar pasa por su posición. Luego, el punto medio entre el acimut de inicio y de parada se utiliza para la posición de la aeronave. Con MSSR (radar de vigilancia secundario monopulso) y 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, determinada por la suma y diferencia de los elementos de la antena, y se denomina monopulso. Este método de monopulso da como resultado una resolución de acimut superior y elimina la fluctuación del objetivo de la pantalla.
El sistema Modo S también incluye un protocolo de comunicaciones más robusto, para una variedad más amplia de intercambio 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 Diversidad Modo S 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 darán como resultado un rendimiento degradado en relación con el que habría producido un solo sistema con una antena montada en la parte inferior.
El Modo S se desarrolló como una solución a la congestión de frecuencias en las frecuencias de enlace ascendente y descendente (1030 y 1090 MHz). La alta cobertura del servicio de radar disponible hoy significa que algunos sitios de radar reciben respuestas de transpondedor de interrogaciones iniciadas por otros sitios de radar cercanos. Esto da como resultado FRUIT , o Falsas Respuestas Unincrónicas en el Tiempo [1], que es la recepción de respuestas en una estación terrestre que no se corresponden con una interrogación. Este problema ha empeorado con la creciente prevalencia de tecnologías como TCAS , en las que aviones individuales se interrogan entre sí para evitar colisiones. Por último, las mejoras tecnológicas han hecho que los transpondedores sean cada vez más asequibles, de modo que hoy en día casi todos los aviones están equipados con ellos. Como resultado, ha aumentado el gran número de aviones que responden a los SSR. El circuito Defruiter borra FRUTA de la pantalla.
El Modo S intenta reducir estos [ ¿cuáles? ] problemas al asignar a la aeronave una dirección permanente en modo S, derivada del número de registro asignado internacionalmente a la aeronave . [ cita necesaria ] Luego proporciona un mecanismo mediante el cual se puede seleccionar o interrogar una aeronave de manera que ninguna otra aeronave responda.
El sistema también tiene disposiciones para transferir datos arbitrarios tanto hacia como desde un transpondedor. [ cita necesaria ] Este aspecto del modo S lo convierte en un componente básico para muchas otras tecnologías, como TCAS 2, Servicio de información de tráfico (TIS) y Transmisión-vigilancia dependiente automática . [ cita necesaria ]
[…] El Comité del Premio Pionero de la Sociedad de Sistemas Electrónicos y Aeroespaciales del IEEE ha nombrado a […] Allan Ashley […] Joseph E. Hermann […] James S. Perry […] como ganadores del Premio Pionero de 1983 en reconocimiento a la aportaciones muy significativas realizadas por ellos. "PARA AVANZAR EN EL ESTADO DEL ARTE DE LAS RADIOCOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA DE VOZ Y DATOS" El Premio fue entregado en NAECON el 18 de mayo de 1983. […](9 páginas)