Historycznie, łączność była drugim najbardziej poszukiwanym wymogiem po nawigacji. Była używana do kontrolowania ruchu i zapobiegania kolizjom, rozpowszechniania informacji pogodowych i obsługi komunikatów operacyjnych.

Na początku kontroler ruchu lotniczego mógł skontaktować się z samolotem i poprosić o jego pozycję, która została określona przez załogę lotniczą z jego systemów nawigacyjnych. Ponieważ pozycja z tych źródeł nie była bardzo dokładna, samoloty podlegające kontroli ruchu lotniczego (ATC) musiały być znacznie oddalone od innych samolotów, aby zapobiec kolizjom w pobliżu zatłoczonych głównych węzłów komunikacyjnych. Jakaś metoda lokalizacji samolotów nie wymagająca komunikacji głosowej z załogą była bardzo potrzebna.

Radio detection and ranging(radar pierwotny) został opracowany podczas 2 wojny światowej w tym celu. Wysokość i pozycję samolotu obliczano na podstawie kąta elewacji (ε) radaru i odległości (R) między radarem a samolotem (którą szacowano na podstawie czasu podróży fali radiowej pomnożonego przez prędkość światła). Jest to uproszczony wzór, jednak oryginalny wzór uwzględnia krzywiznę ziemi i załamanie fal radiowych w atmosferze.

Drugim problemem były trudności z pozytywną identyfikacją samolotu. Pierwotne odbicia radarowe zarówno wrogich jak i przyjaznych samolotów były mniej więcej takie same. Identyfikacja Friend or Foe(IFF) wraz z radarem wtórnym została opracowana w celu rozwiązania tego problemu.

Mode A i Mode C

System IFF posiada 5 trybów, od Mode 1 do Mode 5. W tym artykule skupimy się na Trybie 3, ponieważ jest on najbardziej popularny i jest przyjęty przez cywilne samoloty również.

Tryb 3 ma dwa różne podtody. Pierwszy z nich to tryb A, który jest 4 cyfry, kod ósemkowy (cyfry są między 0-7), który zapewnia tymczasową tożsamość. Tryb C jest informacją o wysokości ciśnienia samolotu.

UrządzenieIFF jest nazywane transponderem, skrót od transmiter-responder. Przed lub w trakcie każdego lotu, piloci mogą być instruowani przez personel ATC do „Squawk XXXX”. XXXX w tym kontekście kod trybu 3/A. Kod Mode 3/A jest tymczasową identyfikacją samolotu dla danego ATC. Pilot ustawia wtedy swój transponder Mode 3/A code na żądany kod. Kod ten jest następnie wysyłany jako odpowiedź na zapytania ATC w trybie 3/A. Kody modu 3/A mogą być wykorzystywane do celów innych niż identyfikacja. Niektóre ważne kody modu 3/A używane do celów innych niż identyfikacja to:

• 1200: Generalnie używany przez statki powietrzne w ramach Visual Flight Rules(VFR)
• 7700: Używany w sytuacjach awaryjnych
• 7600: Użytkownik, gdy komunikacja radiowa zawodzi
• 7500: Używany podczas porwania (bezprawna ingerencja) samolotu

Tryb 3/C to informacja o wysokości ciśnienia, która jest używana razem z trybem 3/A. Tryb 3/A może być używany samodzielnie, ale Tryb 3/C może być używany tylko z Trybem 3/A. Ta informacja o wysokości ma przyrosty 100 stóp.

Piloci mogą aktywować lub dezaktywować odpowiedzi Trybu 3/A i Trybu 3/C z transpondera. Ale jeśli są one aktywowane, transponder odpowiada na zapytania Mode 3/A i Mode 3/C z odpowiedziami Mode 3/A i Mode 3/C, aby udostępnić informacje o identyfikacji i wysokości.

Secondary Surveillance Radar (SSR) jest używany do przesłuchiwania transponderów samolotu. SSR jest zazwyczaj umieszczony na radarze głównym, dlatego patrzą one w tym samym kierunku. System ten nazywany jest Systemem Radarowej Radiolatarni Kontroli Ruchu Lotniczego (ATCRBS). Oba radary obracają się w tym samym czasie/kierunku, a SSR wysyła zapytania w wiązce fal radiowych. Każdy samolot przelatujący przez tę wiązkę odpowiednio zareaguje. W ten sposób kierunek samolotu (oszacowany przez radar główny) i dane identyfikacyjne/wysokościowe z transpondera mogą być skorelowane w celu pozytywnej identyfikacji samolotu i uzyskania 3-wymiarowej poprawki pozycji samolotu.

Wady trybu 3/A i trybu 3/C

Ale chociaż te wczesne systemy pomogły rozwiązać problem identyfikacji i 3-wymiarowej poprawki, były one z natury niewystarczające.

• Podpowiedzi trybu 3/C nie miały wykrywania/korekcji błędów. Aby to naprawić, wykonano wiele zapytań, aby wybrać najbardziej „popularną” odpowiedź jako poprawną odpowiedź wysokościową. Spowodowało to rozdęcie częstotliwości odpowiedzi.
• Wielu samolotów w tym samym kierunku radaru odpowiadałoby na zapytania jednocześnie. To tworzy garble, trudne do rozstrzygnięcia, która odpowiedź należy do którego statku powietrznego.
• Kody trybu 3/A stają się niewystarczające w niektórych zatłoczonych regionach, ponieważ składa się tylko z 4 cyfr ósemkowych (8⁴ szans).

Tryb S

Federalna Administracja Lotnictwa (FAA) opracowała nowy system, który pozwala na unikalną tożsamość, selektywne przesłuchania i pojedynczą odpowiedź. Specyfikacje tego nowego systemu były następujące:

• Selektywne przesłuchiwanie: Aby zmniejszyć garble, każdy samolot może być selektywnie przesłuchiwany z ich unikalny 24-bitowy adres Mode S.
• Większy zestaw danych: System Mode S obsługuje znacznie większy zestaw danych niż prosta identyfikacja / para wysokości.
• Kompatybilność wsteczna: System Mode S może współpracować z systemami Mode 3 A/C (ATCRBS). Używają tego samego pasma częstotliwości dla interrogacji i odpowiedzi z tego powodu.
• Wykrywanie błędów: 24-bitowy mechanizm CRC jest używany do wykrywania błędów w Mode S wiadomości, umożliwiając solidną komunikację. Eliminuje to potrzebę wielokrotnych zapytań i odpowiedzi, które są używane w systemach Mode 3 A/C.
• Wydajność widma: Dzięki selektywnemu przepytywaniu i wykrywaniu błędów widmo jest wykorzystywane bardziej efektywnie.

Rodzaje przepytywania w trybie S

Systemy trybu S mają dwa rodzaje przepytywania: nieselektywne i selektywne. Zobaczmy ich specyfikację i przypadki użycia.

Wywołania nieselektywne w trybie S

Systemy trybu S z ich wsteczną zdolnością mają te nieselektywne typy interrogacji.

• ATCRBS All Call: Transpondery modu A/C odpowiadają na tę interrogację normalnie. Transpondery modu S odpowiadają na tę interrogację tak, jakby były transponderami modu A/C, z tym samym kształtem fali.
• ATSCRBS/Mode S All Call: Transpondery Mode A/C odpowiadają z danymi ID/ wysokości. Transpondery Mode S odpowiadają z danymi ID/altitude i informacjami o adresie Mode S w formie fali Mode S.
• ATCRBS Only All Call: Tylko transpondery Mode A/C zdolne odpowiedzieć na to przesłuchanie danymi ID/Altitude. Transpondery modu pozostają nieme
• Mode S Only All Call: Tylko transpondery Mode S odpowiadają na tę interrogację. Transpondery modu A/C nie odpowiadają.

Mode S Selective Interrogation

Gdy adres Mode A samolotu docelowego jest znany przez system Mode S, jest on dodawany do roll-call, puli adresów Mode S samolotów do selektywnego przesłuchiwania. Selektywne przesłuchiwanie odbywa się w celu pozyskania różnych części zbioru danych modu S.

Przykładowe zastosowanie przesłuchań modu S

Załóżmy, że system przesłuchiwania modu S zaczyna się na zimno, bez wcześniejszych informacji przechowywanych. Istnieją transpondery modu A/C i transpondery modu S na statkach powietrznych w przestrzeni powietrznej.

1. ATCRBS All Call jest stosowany do uzyskania tożsamości modu A i wysokości wszystkich statków powietrznych.
2. ATSCRBS/Mode S All Call lub Mode S Only All Call jest stosowany do uzyskania wszystkich adresów modu S statków powietrznych zdolnych do trybu S. Te adresy modu S są rejestrowane w przechyle. Te adresy trybu S są rejestrowane na liście wywoławczej do późniejszego wykorzystania. Zarejestrowane statki powietrzne mogą być zablokowane od przyszłych wywołań Mode S All Calls, aby ograniczyć niepotrzebne odpowiedzi.
3. W tym momencie system przesłuchujący wie, który statek powietrzny ma jaką zdolność. Statki powietrzne modu A/C są przepytywane za pomocą wywołania ATCRBS Only All Call. Samoloty przystosowane do modu S są przesłuchiwane selektywnym przesłuchiwaniem modu S z pomocą listy wywołań rolkowych.

Zestaw danych modu S

Systemy modu S obsługują więcej danych niż transpondery modu A/C. Dane te są umieszczone w jednym z 255 rejestrów Mode S, każdy o długości 56 bitów. Raz ważne dane są umieszczone w tych rejestrach, mogą one być selektywnie przesłuchiwane przez systemy Mode S dla ich zawartości. Systemy modu S zapewniają dwie różne możliwości; Elementary Surveillance (ELS) i Enhanced Surveillance (EHS). Systemy zdolne do EHS zapewniają zdolność ELS plus inne dane.

• ELS: System musi zapewniać automatyczne raportowanie tożsamości statku powietrznego, raport o zdolności transpondera, status lotu (w powietrzu/na ziemi), raport o wysokości.
• EHS: System zapewnia ELS capability, plus Selected Altitude w rejestrze (4,0), Roll Angle, Track Angle Rate, True Track Angle, Ground Speed w rejestrze (5,0), Magnetic Heading, Indicated Airspeed/Mach No, Vertical Rate w rejestrze (6,0).

Uwaga: Każda wiadomość modu S, włączając wiadomości ADS-B objaśnione w następnej sekcji, posiada 24-bitowy adres Mode S nadawcy.

ADS-B

ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) to funkcja dla samolotów pokładowych lub naziemnych, lub innych pojazdów naziemnych działających w obszarze ruchu naziemnego lotniska, które okresowo przesyłają swój wektor stanu (pozycja pozioma i pionowa, prędkość pozioma i pionowa) oraz inne informacje, zgodnie z RTCA DO-260B.

• Automatyczne: Nie jest potrzebny żaden bodziec zewnętrzny(jak przesłuchania Mode S).
• Zależny: Polega na pokładowych źródłach nawigacji i podsystemach nadawczych(głównie GPS, ADC).
• Nadzór: Dostarcza informacji o nadzorze dla innych użytkowników
• Broadcast: System ADS-B może, ale nie musi mieć wiedzy o tym, którzy użytkownicy odbierają jego transmisję.

Systemy ADS-B transmitują dane zgrupowane w określonych rejestrach poniżej;

• Rejestr 0,5: Wysokość lotu, szerokość i długość geograficzna.
• Rejestr 0,6: Ruch nad powierzchnią ziemi, Kurs, Szerokość i Długość geograficzna.
• Rejestr 0,8: Identyfikacja i kategoria statku powietrznego.
• Rejestr 0,9: Prędkość Wschód-Zachód i Prędkość Północ-Południe lub Kurs i Prędkość lotu (w zależności od podtypu), Prędkość pionowa, Geometryczna różnica wysokości od wysokości barometrycznej.

Do roku 2020 wszystkie komercyjne statki powietrzne i statki powietrzne latające w przestrzeni powietrznej klasy A, B & C muszą być wyposażone w transpondery posiadające zdolność ADS-B out, co oznacza, że muszą mieć zdolność nadawania, ale niekoniecznie zdolność odbierania i dekodowania komunikatów ADS-B.

Mode S i TCAS

TCAS to skrót od Traffic Alert and Collision Avoidance System (system ostrzegania o ruchu i unikania kolizji). TCAS używają interrogacji trybu S powietrze-powietrze do komunikacji między sobą. System ocenia zagrożenie kolizją na podstawie zasięgu, prędkości, toru lotu i wysokości innych statków powietrznych. Systemy TCAS odpytywane są w zakresie od 20 Nm do 40 Nm. Wykorzystują one przesłuchania ATSCRBS/Mode S All Call. Transponder Mode S przenoszący statek powietrzny może być przesłuchiwany selektywnymi zapytaniami w celu uzyskania większej ilości danych.

Traffic Advisory (T.A.) jest aktywowany, gdy istnieje możliwość kolizji obliczona w ciągu 40 sekund. W tym przypadku wybór należy do załogi, ponieważ łatwo jest wykryć intruza (inny samolot) wizualnie w ciągu 40 sekund. Traffic advisory to po prostu Traffic! vocal alert.

Resolution Advisory(R.A.) jest aktywowany w ciągu 25 sekund do możliwej kolizji, kiedy załoga nie manewruje samolotem w sposób zmniejszający prawdopodobieństwo kolizji. R.A. oznacza, że nie ma wystarczająco dużo czasu na wizualne zauważenie intruza. SystemTCAS rozgłasza R.A. poprzez tryb S do innych samolotów. Samolot odbierający może obliczyć swoje własne R.A., które zapobiegnie kolizji. For example, if an aircraft decides to climb as R.A. and broadcasts it, receiving aircraft will decide descend as its R.A. so they would avoid collision.

Conclusion

Although Mode S was developed to answer to the problem of overcrowded airspace, in some locations it became insufficient. Cytując bezpośrednio Pana Douwe Lambersa;

Wprowadzenie wielu dronów z ADS-B spowoduje zalanie pasma 1090 MHz komunikatami. Spowoduje to degradację wszystkich systemów pracujących na częstotliwości 1090 MHz, takich jak Mode A/C, 1/2/3/4/5, S i TCAS. Zakłócenia są prawdopodobne, a w zatłoczonych obszarach, takich jak Frankfurt czy dorzecze Los Angeles, częstotliwość jest już przeciążona bez ruchu dronów.

To było pytanie, czy możemy zintegrować drony z możliwością ADS-B z obecnym systemem nadzoru. FAA idzie na inny system dla dronów, aby osiągnąć ten sam cel, zwany Zdalnej Identyfikacji. Ale problem z obecnych systemów Mode S pozostaje, czy będzie to wymagać aktualizacji w przyszłości?

Uwaga: Możesz przeczytać mój artykuł o Integracja COTS Drones do sieci ATC więcej informacji na ten temat.

.