モードA/C、モードS、ADS-B、二次監視のアルファベットスープ

当初、航空管制官は航空機に連絡し、その位置を要求することができましたが、それは飛行乗務員がそのナビゲーションシステムから決定したものでした。しかし、その位置は精度が低いため、混雑するハブ空港などでは、他の航空機との衝突を防ぐために、管制官と航空機の距離を大きく離す必要がありました。そこで、乗員との交信を必要とせず、航空機の位置を特定する方法として、第二次世界大戦中に開発されたのが電波式探知機（プライマリーレーダー）です。レーダーの仰角（ε）とレーダーと航空機の距離（R）（電波の伝播時間に光速をかけたもの）で航空機の高度と位置を計算する。

Simple triangular relation between elevation and height (by courtesy of radartutorial.eu)

A second problem was difficult to positive identification a aircraft.This is simplified formula although the original formula requires curature the earth and refraction of the radioowaves in atmosphere into account.

Simple triangular relation between elevation and height (by courtesy of radartutorial.eu)

The second problem was difficult of positively identification a aircraft.This is simplified formula is the simple triangular relationship between the radioowaves in the radioowaves in the air.ahead. 敵機も味方機も一次レーダー反射はほぼ同じである。 7148>

Mode AとMode C

IFF システムには、Mode 1からMode 5までの5つのモードがあります。

Mode 3には2種類のサブモードがあり、最も一般的で民間機にも採用されているMode 3を取り上げます。まず、Mode Aは4桁の8進コード（0〜7）で、一時的なIDを提供するものである。

IFF 機器はトランスポンダと呼ばれ、トランスミッタ-レスポンダの略称です。飛行前や飛行中に、パイロットはATC職員から「Squawk XXXX」と指示されることがあります。ここでいうXXXXはMode 3/Aコードです。 Mode 3/Aコードとは、そのATCのための航空機の一時的なIDである。パイロットはトランスポンダのMode 3/Aコードを要求されたコードに設定する。このコードは、ATCからのMode 3/A問い合わせに対する返答として送信される。モード3/Aコードは、識別以外の目的にも使用することができる。識別以外の目的で使用される重要なMode 3/Aコードには、

1200がある。 1200：一般的にVisual Flight Rules(VFR)の航空機が使用するコード
7700: 緊急時に使用
7600：無線通信に失敗したときに使用
7500: ハイジャック（不法侵入）時に使用

トランスポンダをスコーク1200に設定（by courtesy of avionicsmasters.com）

Mode 3/C は圧力高度情報ですが Mode 3/A とともに使用されるようです。モード3/Aは単独でも使用可能ですが、モード3/Cはモード3/Aと併用しないと使用できません。この高度情報は100フィート単位です。

パイロットはトランスポンダからのMode 3/AとMode 3/Cの応答をアクティブにしたり、非アクティブにすることができます。 7148>

Secondary Surveillance Radar(SSR)は、航空機のトランスポンダに問い合わせるために使用されます。 SSRは一般的にプライマリレーダーの上に設置され、同じ方向を見ることになります。この方式を航空管制レーダービーコン方式（Air Traffic Control Radar Beacon System：ATCRBS）と呼びます。両レーダーは同じ時間・方向で回転し、SSRは電波ビームで質問状を送ります。そのビームを通過する航空機は、適切に応答します。 7148>

Disadvantages of Mode 3/A and Mode 3/C

These early systems helped resolve identification and 3-dimensional fix problem, they inherent insufficient.

Mode 3/C replies have not error detection/correction. この問題を解決するために、複数回の問い合わせを行い、最も「人気のある」応答を正しい高度応答として選択します。
レーダーの同じ方向にいる複数の航空機が、同時に問い合わせに応答することがありました。
Mode 3/Aコードは8進数4桁（8⁴チャンス）だけなので、一部の過密地域では不十分になっています。

Mode S

Federal Aviation Administration(FAA) は、ユニークID、選択的問い合わせ、単一応答を可能にする新しいシステムを開発しました。この新システムは、

Selective Interrogationという仕様である。ガーブルを減らすため、各航空機に24ビットのモードSアドレスで選択的に問い合わせることができる。
後方互換性：Mode Sシステムは、単純な識別や高度カップルよりもはるかに大きなデータセットを処理します。モードSシステムは、モード3 A/C(ATCRBS)システムと連携することができます。
Error Detection: 24 bit CRC mechanism is used to detect errors in Mode S messages, allowing robust communication.このため、同じ周波数帯を使用して問い合わせと応答を行うことができます。これにより、Mode 3 A/Cシステムで使用される多重の質問と応答の必要性がなくなります。
スペクトル効率。

Mode S Interrogation Types

Mode Sシステムには、非選択的と選択的の2種類の問い合わせがあります。 7148>

Mode S Non-Selective Interrogations

Mode Sシステムのバックワード機能には、以下のNon-Selective Interrogation Typeがあります。モードA/Cのトランスポンダは、この問い合わせに通常通り応答します。

ATSCRBS/Mode S All Call：モードA/Cトランスポンダは、この問い合わせに対して、同じ波形を用いてモードA/Cトランスポンダであるかのように応答します。モードA/Cトランスポンダは、ID/高度データで応答する。 Mode SトランスポンダはMode S波形でID/AltitudeとMode S Address情報を返信します。

ATCRBS Only All Call: モードA/C対応トランスポンダのみ、この問い合わせにID/Altitudeデータで応答する。モード別トランスポンダは無音

Mode S Only All Call: モードSトランスポンダーのみがこの問い合わせに応答します。モード A/C のトランスポンダーは答えない。

Mode S Selective Interrogation

Mode Sシステムにより、ターゲット機のモードAアドレスが判明すると、選択的尋問のために航空機モードSアドレスプールに追加されます。 7148>

Mode S Interrogationの使用例

Mode S Interrogatingシステムが、事前情報を保存せずにコールドスタートしたと仮定してみましょう。

ATCRBS All Callは全航空機のMode A Identityと高度を取得するために使用します。
ATSCRBS/Mode S All CallまたはMode S Only All CallはモードS対応航空機の全モードSアドレスを取得するために使用します。これらのMode Sアドレスは、ロールコールリストに登録され、後で使用することができます。
この時点で、照会システムはどの航空機がどのような能力を持っているかを知ることができます。モードA/Cの航空機は、ATCRBS Only All Callで問い合わせを受ける。

Mode S Dataset

Mode SシステムはMode A/C transpondersより多くのデータを扱います。これらのデータは、それぞれ56ビット長の255個のモードSレジスタのうちの1つに入れられます。有効なデータがこれらのレジスタに入れられると、モードSシステムによってその内容を選択的に問い合わせることができます。モードSシステムは、初歩的な監視（ELS）と強化された監視（EHS）の2つの異なる能力を提供します。 EHSは、ELSの機能に加え、他のデータも提供します。システムは、自動航空機識別報告、トランスポンダ能力報告、飛行状況（空中/地上）、高度報告を提供しなければならない。

EHS：ELS機能に加え、レジスタ（4,0）の選択高度、ロール角、トラック角レート、真のトラック角、レジスタ（5,0）の対地速度、磁気ヘディング、表示対気速度/機番、レジスタ（6,0）の垂直レートが提供されること。

Detailed Mode S ELS/EHS Datasets (by courtesy of eurocontrol.int)

ADS-B

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast)は、RTCA DO-260Bに従って、空港表面移動エリア内を飛行中の航空機またはその他の地上車両がその状態ベクトル（水平・垂直位置、水平・垂直速度）およびその他の情報を周期的に送信する機能であり、

自動。自動：外部からの刺激（Mode S interrogationなど）を必要としない。
Dependent:
監視：オンボードのナビゲーションソースと送信サブシステム（主にGPS、ADC）に依存する。
ブロードキャスト：他のユーザーへ監視情報を提供します。

ADS-Bシステムは、以下のレジスタにグループ化されたデータをブロードキャストします。

Register 0,9: East-West Speed and North-South Speed or Heading and Airspeed (depending on subtype), Vertical Rate, Geometric Height Difference from Barometric Altitude.などです。

2020年までに、すべての民間航空機とクラスA、B、Cの空域を飛行する航空機は、ADS-Bアウト機能を持つトランスポンダの搭載が義務付けられています（放送機能は必要ですが、ADS-Bメッセージを受信してデコードする機能は必要ありません）。

Mode S と TCAS

TCAS とは Traffic Alert and Collision Avoidance System の略で、トラフィックの回避を目的としたシステムです。 TCASは、Air-to-Air Mode S interrogationを使用して相互に通信します。 TCASはAir-to-Air Mode Sで通信を行い、他の航空機の距離、速度、軌道、高度から衝突の危険性を判断します。 ATSCRBS/Mode S All Callの問い合わせを使用します。 7148>

Traffic Advisory(T.A.)は、40秒以内に衝突の可能性があると判断された場合に作動するものである。この場合、40秒以内であれば侵入者（他機）を目視で発見しやすいため、選択は乗員に委ねられています。 Traffic advisoryは、Traffic！の発声の注意喚起である。

Resolution Advisory(R.A.)は、衝突の可能性がある25秒前に、乗員が衝突の可能性を減らすように操縦しない場合に発動されるもの。 R.A.は、侵入してきた航空機を目視で確認する時間がないことを意味する。解決勧告は、Climb！またはDescend！です。

TCASシステムは、Mode Sを通じてR.A.を他の航空機にブロードキャストします。受信した航空機は、衝突を防ぐためのR.A.を自ら計算することができます。

結論

Mode Sは過密な空域に対応するために開発されましたが、場所によっては不十分となることもあります。 Douwe Lambers氏の言葉をそのまま引用すると、

ADS-Bを搭載した多くのドローンを導入すると、1090MHz帯がメッセージで溢れることになる。これは、モードA/C、1/2/3/4/5、S、TCASなど、1090MHzで動作するすべてのシステムを劣化させるでしょう。フランクフルトやロサンゼルス盆地のような混雑した地域では、ドローンのトラフィックがなくてもすでに周波数が混雑しています。

これは、ADS-B機能を備えたドローンを、現在の監視システムに統合できるかという質問でした。 FAAは、同じ目標を達成するために、ドローンにはRemote Identificationと呼ばれる別のシステムを採用しようとしています。しかし、現在のMode Sシステムの問題は残っており、将来的にアップグレードが必要になるのでしょうか。

注：このトピックに関する詳細については、COTSドローンをATCネットワークに統合するについての私の記事をお読みください。