Mode A/C, Mode S și ADS-B, supa alfabetară a supravegherii secundare

În mod istoric, comunicațiile au fost a doua cea mai căutată cerință după navigație. Ea a fost folosită pentru a controla traficul și a preveni coliziunile, pentru a disemina informații meteorologice și pentru a gestiona mesajele operaționale.

La început, un controlor de trafic aerian putea contacta o aeronavă și solicita poziția acesteia, care era determinată de echipajul de zbor din sistemele sale de navigație. Deoarece poziția provenită din aceste surse nu era foarte precisă, aeronavele aflate sub controlul traficului aerian(ATC) trebuiau să fie foarte mult separate de alte aeronave pentru a preveni coliziunile în apropierea hub-urilor majore aglomerate. Era extrem de necesară o metodă de localizare a aeronavelor care să nu necesite comunicare vocală cu echipajul.

În acest scop, în timpul celui de-al Doilea Război Mondial a fost dezvoltată o metodă de detectare și localizare prin radio (radar primar). Altitudinea și poziția aeronavei erau calculate cu ajutorul unghiului de elevație( ε) al radarului și a distanței(R) dintre radar și aeronavă(care era estimată prin timpul de deplasare a undelor radio înmulțit cu viteza luminii). Aceasta este o formulă simplificată, însă formula originală ia în considerare curbura Pământului și refracția undelor radio în atmosferă.

Relație triunghiulară simplă între elevație și înălțime(prin amabilitatea radartutorial.eu)

O a doua problemă a fost dificultatea de a identifica pozitiv o aeronavă. Reflexiile radar primare ale aeronavelor ostile și ale celor prietene erau aproximativ aceleași. Identificarea prietenului sau dușmanului (IFF) împreună cu radarul secundar este dezvoltată pentru a rezolva această problemă.

Modul A și modul C

Sistemul IFF are 5 moduri, de la modul 1 la modul 5. În acest articol ne vom concentra pe modul 3, deoarece este cel mai popular și este adoptat și de aeronavele civile.

Modul 3 are două submode diferite. Primul este Modul A, care este un cod octal din 4 cifre (cifrele sunt cuprinse între 0-7) care oferă o identitate temporară. Modul C este informația privind altitudinea de presiune a aeronavei.

Echipamentul IFB se numește transponder, prescurtare de la transmițător-responder. Înainte sau în timpul fiecărui zbor, piloții pot fi instruiți de către personalul ATC să „Squawk XXXX”. XXXX în acest context Codul de mod 3/A. Codul Mode 3/A reprezintă identitatea temporară a aeronavei pentru acel ATC. Pilotul își setează apoi codul Mod 3/A al transponderului la codul solicitat. Acest cod este apoi trimis ca răspuns la interogările Mod 3/A de către ATC. Codul Mod 3/A poate fi utilizat în alte scopuri decât identificarea. Unele coduri importante de Mod 3/A utilizate în alte scopuri decât cele de identificare sunt:

1200: Utilizat în general de aeronavele aflate sub regulile de zbor la vedere (VFR)
7700: Utilizat în caz de urgență

7600: Utilizat atunci când comunicarea radio eșuează

7500: Utilizat în timpul deturnării(interferență ilegală) aeronavei

Transponder setat la squawk 1200(prin amabilitatea avionicsmasters.com)

Modul 3/C este o informație despre altitudinea presiunii care este utilizată împreună cu modul 3/A. Modul 3/A poate fi utilizat singur, dar modul 3/C poate fi utilizat numai cu modul 3/A. Aceste informații de altitudine au incremente de 100 de picioare.

Piloții pot activa sau dezactiva răspunsurile Mod 3/A și Mod 3/C de la transponder. Dar dacă acestea sunt activate, transponderul răspunde la interogările Mode 3/A și Mode 3/C cu răspunsuri Mode 3/A și Mode 3/C pentru a împărtăși informații de identificare și altitudine.

Secondary Surveillance Radar(SSR) este utilizat pentru a interoga transponderele aeronavelor. SSR este în general plasat deasupra radarului primar, prin urmare acestea privesc în aceeași direcție. Acest sistem se numește Air Traffic Control Radar Beacon System(ATCRBS). Ambele radare se rotesc în același timp/direcție, iar SSR trimite interogări într-un fascicul de unde radio. Orice aeronavă care zboară prin acel fascicul va răspunde în mod corespunzător. În acest fel, direcția aeronavei (estimată de radarul primar) și datele de identificare/altitudine de la transponder pot fi corelate pentru a identifica pozitiv aeronava și pentru a obține fixarea poziției tridimensionale a aeronavei.

Dezavantajele Modului 3/A și Modului 3/C

Deși aceste sisteme timpurii au ajutat la rezolvarea problemei identificării și fixării tridimensionale, ele erau în mod inerent insuficiente.

Răspunsurile Modului 3/C nu aveau detectarea/corecția erorilor. Pentru a remedia acest lucru, se fac interogări multiple pentru a alege răspunsul cel mai „popular” ca răspuns corect de altitudine. Acest lucru a făcut ca frecvența de răspuns să fie umflată.
Multe aeronave aflate în aceeași direcție a radarului răspundeau simultan la interogări. Acest lucru creează confuzie, greu de rezolvat care răspuns aparține cărei aeronave.
Codurile de mod 3/A devin insuficiente în unele regiuni supraaglomerate, deoarece constau doar din 4 cifre octale (8⁴ șanse).

Modul S

Administrația Federală a Aviației (FAA) a dezvoltat un nou sistem care permite identitate unică, interogare selectivă și răspuns unic. Specificațiile acestui nou sistem au fost următoarele;

Interogare selectivă: Pentru a reduce interferențele, fiecare aeronavă poate fi interogată selectiv cu adresa unică pe 24 de biți Mode S.
Set de date mai mare: Sistemul Mode S gestionează un set de date mult mai mare decât un simplu cuplu identificare/altitudine.
Compatibilitate retroactivă: Sistemul Mod S poate funcționa cu sistemele Mod 3 A/C (ATCRBS). Din acest motiv, acestea utilizează aceeași bandă de frecvență pentru interogare și răspunsuri.
Detectarea erorilor: Mecanismul CRC pe 24 de biți este utilizat pentru a detecta erorile din mesajele Mode S, permițând o comunicare robustă. Acest lucru elimină necesitatea interogărilor și răspunsurilor multiple care sunt utilizate în sistemele A/C de Mod 3.
Eficiența spectrului: Datorită interogării selective și detectării erorilor, spectrul este utilizat mai eficient.

Tipuri de interogare Mod S

Sistemele Mod S au două tipuri de interogare: neselectivă și selectivă. Să vedem specificațiile și cazurile de utilizare ale acestora.

Interogări neselective de Mod S

Sistemele de Mod S cu capacitatea lor de retrocedare au aceste tipuri de interogare neselectivă.

ATCRBS All Call: Transponderele Mod A/C răspund în mod normal la această interogare. Transponderele Mod S răspund la această interogare ca și cum ar fi transpondere Mod A/C, cu aceeași formă de undă.
ATSCRBS/Mod S All Call: Transponderele Mod A/C răspund cu date ID/altitudine. Transponderele Mod S răspund cu informații ID/altitudine și adresă Mod S în forma de undă Mod S.
ATCRBS Only All Call: Numai transponderele capabile de Mod A/C răspund la această interogare cu date ID/altitudine. Transponderele de mod rămân tăcute
Mode S Only All Call: Numai transponderele Mod S răspund la această interogare. Transponderele Mod A/C nu răspund.

Principiul interogării selective Mod S (prin amabilitatea eurocontrol.int)

Interogare selectivă Mode S

După ce adresa Mode A a aeronavei țintă este cunoscută de către sistemul Mode S, aceasta este adăugată la roll-call, un grup de adrese Mode S ale aeronavelor pentru interogare selectivă. Interogarea selectivă se face pentru a dobândi diferite porțiuni din setul de date Mode S.

Exemplu de utilizare a interogărilor Mode S

Să presupunem că sistemul de interogare Mode S pornește la rece, fără informații anterioare stocate. Există transpondere de Mod A/C și transpondere de Mod S pe aeronavele din spațiul aerian.

ATCRBS All Call este utilizat pentru a obține identitățile și altitudinile de Mod A ale tuturor aeronavelor.
ATSCRBS/Mode S All Call sau Mode S Only All Call este utilizat pentru a obține toate adresele de Mod S ale aeronavelor capabile de Mod S. Aceste adrese Mod S sunt înregistrate în lista de apeluri pentru utilizare ulterioară. Aeronavele înregistrate pot fi blocate de la viitoarele Mode S All Call pentru a reduce răspunsurile inutile.
În acest moment, sistemul de interogare știe ce aeronavă are ce capacitate. Aeronavele din modul A/C sunt interogate cu ATCRBS Only All Call. Aeronavele capabile de modul S sunt interogate cu interogarea selectivă a modului S cu ajutorul listei de apeluri.

Mode S Dataset

Sistemele de mod S gestionează mai multe date decât transponderele de mod A/C. Aceste date sunt introduse într-unul din cele 255 de registre Mode S, fiecare cu o lungime de 56 de biți. Odată ce datele valide sunt introduse în aceste registre, ele pot fi interogate în mod selectiv de către sistemele Mod S pentru a le verifica conținutul. Sistemele Mod S oferă două capacități diferite: Supraveghere elementară (ELS) și Supraveghere îmbunătățită (EHS). Sistemele cu capacitate EHS oferă capacitatea ELS plus alte date.

ELS: Sistemul trebuie să asigure raportarea automată a identității aeronavei, raportarea capacității transponderului, starea zborului (în aer/la sol), raportarea altitudinii.
EHS: Sistemul asigură capacitatea ELS, plus altitudinea selectată în registru (4,0), unghiul de ruliu, rata unghiului de traiectorie, unghiul de traiectorie adevărat, viteza la sol în registru (5,0), direcția magnetică, viteza aerului indicată/nr. de mașină, rata verticală în registru (6,0).

Nota: Fiecare mesaj de Mod S, inclusiv mesajele ADS-B explicate în secțiunea următoare, poartă adresa de 24 de biți a emițătorului de Mod S.