Formaty sygnałów zapytania

Stacja naziemna musi wytwarzać sygnały zapytania adekwatne do żądanej informacji, dlatego muszą być przynajmniej dwa rodzaje zapytywania (mody) i dwa formaty sygnałów zapytania wysyłane w kierunku statków powietrznych, wymuszające właściwe odpowiedzi. Sygnał zapytania składa się z par impulsów, a każda para generowana jest synchronicznie z generowanym przez radar pierwotny impulsem sondującym. Szerokość impulsów wynosi 1 µs (w niektórych materiałach źródłowych 0,8 µs) i jest stała, zmienny jest natomiast przedział czasowy między impulsami każdej pary i zależy właśnie od rodzaju zapytania. Lista poniżej prezentuje odstępy czasowe między pierwszym impulsem pary (nazywanym P1) i drugim impulsem (P3) oraz odpowiadające im rodzaje zapytań.

3µs → Mod 1 (wojskowy)

5µs → Mod 2 (wojskowy)

8µs → Mod 3/A (cywilno-wojskowy: numer rozpoznawczy)

21µs → Mod C (cywilno-wojskowy: poziom lotu)

Poniżej wyjaśniam, dlaczego drugi impuls pary został oznaczony symbolem P3, teraz kilka słów na temat nazewnictwa modów. W początkowym okresie istnienia systemu SSR zamierzano wprowadzić trzy cywilne mody dla identyfikowania statków powietrznych, które nazwano literami A, B, D oraz mod C dla przykazywania informacji o wysokości lotu (właściwie jest to poziom lotu – ang. FL czyli Flight Level). Ostatecznie przyjęły się jedynie mody A i C. Mody wojskowe oznaczano już wcześniej kolejnymi cyframi i ze zrozumiałych względów nie będę o nich wiele pisał, istotne jest tylko, że wojskowy mod 3 jest kompatybilny z cywilnym modem A (dlatego często jest nazywany modem 3/A) oraz, że w wojsku również wykorzystywany jest mod C. Nie jestem karciarzem, ale wiem, że są takie gry w 3, 5, 8 oraz w oczko, zatem każdy amator kart łatwo zapamięta odstępy między impulsami.

Przeplot modów

Najczęściej kontrolerzy ruchu lotniczego chcą mieć jednocześnie dane identyfikujące statek powietrzny oraz informację o jego poziomie lotu. Najłatwiej je uzyskać nadając pary impulsów zapytania na zmianę w modach 3/A i C. Pozornie może się wydawać, że najbardziej optymalną sekwencją zmiany modów jest ACACAC. Jednak mod A jest ważniejszy, ponieważ oprócz przekazywania informacji identyfikującej cel, bierze udział w procesie jego wykrywania i śledzenia, dlatego w praktyce stosowana jest sekwencja AACAACAAC. Taka zmiana modów nazywa się pracą z przeplotem (ang. Mode Interlace). Oczywiście praca dekodera, będącego jednym z podzespołów interrogatora, jest uzależniona od rodzaju zapytania. Jeżeli ostatnie wysłane zapytanie było w modzie 3/A, to dekoder zakłada, że sygnał odpowiedzi bezpośrednio po nim odebrany zawiera numer identyfikacyjny i będzie go dekodował w tym modzie. Analogicznie wygląda sytuacja w przypadku zapytania w modzie C.

Określanie odległości i kąta azymutu systemem SSR

Interrogator jest radarem impulsowym i posiada kierunkową antenę, dlatego zasada pomiaru odległości i azymutu jest podobna do tej z radaru pierwotnego. Odległość jest obliczana na podstawie pomiaru czasu opóźnienia między sygnałem zapytania, a sygnałem odpowiedzi. Ponieważ jednak w tym przypadku w każdym okresie powtarzania z ziemi emitowana jest para impulsów, to czas opóźnienia mierzy się między końcem impulsu P3,a początkiem serii impulsów sygnału odpowiedzi (czoło impulsu F1, o czym za chwilę). Transponder reaguje na zapytanie z pewnym opóźnieniem, potrzebuje czasu na odbiór sygnału, przełączenie się do odpowiedniego modu i zakodowanie odpowiedzi, ale czas ten jest znany i uwzględnia się go przy obliczaniu odległości. Pomiaru azymutu natomiast dokonuje się przy wykorzystaniu kierunkowych właściwości anteny, w najprostszym przypadku metodą namiaru na maksimum sygnału, w nowszych konstrukcjach metodą monoimpulsową (MSSR – Monopulse SSR).

Format sygnału odpowiedzi w modzie 3/A

Sygnał odpowiedzi nadawany przez transponder w rezultacie odebrania sygnału zapytania w modzie 3/A ma następujące parametry:

Kodowanie sygnału odpowiedzi w modzie A

Każdy, kto chodził do szkoły podstawowej, potrafi liczyć w systemie dziesiętnym. Dano nam do dyspozycji 10 znaków zwanych cyframi (od 0 do 9) i na przykład 1852 tak naprawdę jest symbolicznym zapisem liczby, którą można przedstawić w postaci: 1* 1000 + 8 * 100 + 5 * 10 + 2 * 1. Patrząc na liczbę od prawej strony, cyfry ją tworzące mają swoje współczynniki wagowe będące kolejnymi potęgami podstawy liczenia, czyli w tym przypadku liczby 10 (100 = 1, 101 =10, 102 = 100, 103 =1000).

Elektronicznym układom liczącym, np. komputerom, dano tylko dwie cyfry 0 i 1 i kazano im liczyć. Taki system numeryczny nosi nazwę dwójkowego lub binarnego i np. 101 jest symbolicznym zapisem liczby, którą w tym przypadku, posiłkując się cyframi układu dziesiętnego, można przedstawić w postaci: 4 * 1 + 2 * 0 + 1 * 1 = 5, czyli współczynniki wagowe kolejnych cyfr tworzących liczbę są kolejnymi potęgami liczby 2, bo taka jest podstawa liczenia (20 = 1, 21 = 2, 22 = 4).

format sygnału odpowiedzi w modzie A

Patrząc na rysunek obok przedstawiający sygnał odpowiedzi (wartości liczbowe w mikrosekundach) widać, że każdy z dwunastu impulsów niosących informację jest oznaczony symbolem składającym się z litery i cyfry:

A1 A2 A4

B1 B2 B4

C1 C2 C4

D1 D2 D4

Symbole te oczywiście mają swoje znaczenie. Impulsy zostały podzielone na cztery grupy nazwane kolejnymi literami alfabetu. Każda grupa składa się z trzech impulsów, a numer jest jego współczynnikiem wagowym w dwójkowym systemie liczenia. Każda grupa niesie informację o jednej z cyfr czterocyfrowej liczby dziesiętnej ABCD. Na przykład, jeżeli w sygnale odpowiedzi istnieją wszystkie impulsy informacyjne, to każdy z nich reprezentuje cyfrę 1, jeżeli w ciągu impulsów któregoś nie będzie na przeznaczonym mu miejscu, to jego nieobecność reprezentuje cyfrę 0, oczywiście mamy dwa stany: impuls jest = 1, impulsu nie ma = 0, czyli kombinacja impulsów istniejących i nieistniejących na przeznaczonych im miejscach jest binarnie zakodowaną czterocyfrową liczbą identyfikującą samolot. Z przykładu podanego wyżej wynika, że przy obecności wszystkich dwunastu impulsów, na wyświetlaczu cyfrowym podłączonym do wyjścia dekodera interrogatora, pojawi się liczba 7777 i jest to maksymalna liczba, którą można w ten sposób zakodować. Jeżeli w sygnale odpowiedzi nie będzie żadnego impulsu (oczywiście za wyjątkiem impulsów ramki), to odpowiada to liczbie 0000. Wszelkie inne kombinacje obecności i nieobecności impulsów oznaczają liczby z zakresu od 0000 do 7777. Trzy bity informacji, czyli trzy impulsy, to niestety za mało, żeby zakodować cyfry 8 i 9, maksymalnie można więc uzyskać 4096 liczb (212 = 4096).

Kodowanie sygnału odpowiedzi modzie C

Jak wiadomo, ciśnienie atmosferyczne maleje ze wzrostem wysokości. W lotnictwie od dawna stosowane są wysokościomierze ciśnieniowe (barometryczne) do pomiaru wysokości lotu i każdy statek powietrzny jest w taki wyposażony. Właściwie są to barometry wyskalowane tak, że przekładają zmierzone ciśnienie na wysokość wyrażoną w metrach lub stopach. Ponieważ jednak ciśnienie w dowolnym punkcie na powierzchni ziemi jest zmienne w zależności od tego, czy jesteśmy w strefie niżu lub wyżu, wyposażono wysokościomierze w element regulacyjny, którym pilot przed startem ustawia ciśnienie panujące na lotnisku startu, a przed lądowaniem ciśnienie panujące na lotnisku docelowym, otrzymując ich wartości drogą radiową od kontrolerów lotnisk.

kodowanie wysokości

Jeżeli samolot jest wyposażony w transponder, to ma na pokładzie drugi wysokościomierz, ale bez możliwości zmiany ustawień. Jest on fabrycznie wyskalowany na ciśnienie 1013,2 hPa (hektopaskale) i jest to ciśnienie panujące na wysokości średniego poziomu morza (pływy spowodowane grawitacją Księżyca) w tzw. atmosferze standardowej, czyli o parametrach uśrednionych na podstawie wieloletnich obserwacji meteorologicznych. Samoloty na całym świecie latające w przestrzeni kontrolowanej przez Służby Kontroli Ruchu Lotniczego, powyżej pewnej wysokości, zwanej wysokością przejściową, mają wysokościomierze ustawione właśnie na ciśnienie atmosfery standard i jest to bardzo inteligentne rozwiązanie stosowane w celu zapewnienia separacji wysokościowej między samolotami.

„Etatowy” wysokościomierz, czyli ten, z którego korzysta pilot, jest umieszczony na tablicy przyrządów, ma wyskalowaną tarczę, i ruchomą wskazówkę umocowaną na osi podobnie jak w zegarze. Wysokościomierz transpondera ma za zadanie zakodować informację o wysokości, która zostanie przesłana na ziemię, dlatego wskazówka nie jest mu potrzebna. Na jego osi umocowana jest okrągła tarcza kodowa, która jest podzielona na pierścienie, każdy pierścień odpowiada za jeden bit informacji, a pierścienie te są w niektórych miejscach przezroczyste, a w niektórych nieprzezroczyste dla światła. Z jednej strony tarczy są umieszczone punktowe źródła światła (np. diody świecące), a z drugiej elementy wrażliwe na światło (fotodiody lub fototranzystory). Pary dioda – fotodioda umieszczone są promieniowo nad kolejnymi pierścieniami. W zależności od wysokości zmienia się położenie kątowe tarczy kodowej, a na wyjściach fotoelementów pojawiają się napięcia elektryczne zawierające zakodowaną informację o poziomie lotu. Napięcia te przekładane są na obecność lub nieobecność impulsów w sygnale odpowiedzi, podobnie jak miało to miejsce w modzie 3/A.

Nie mam dokładnych informacji o sposobie kodowania, mogę się tylko domyślać, że jest to kod Graya, czyli taki kod binarny, w którym dwie sąsiednie liczby różnią się wartością tylko jednego bitu, a który został wymyślony do takich właśnie celów. Wiem natomiast, że nie wszystkie impulsy spośród dwunastu wcześniej opisanych, biorą udział w przesyłaniu informacji o wysokości, a mimo to system przekazuje ją z dokładnością 100 stóp, czyli z grubsza 30 metrów w przedziale wysokości od -1200 stóp (ok. -400 m) do prawie 20 km. Rozważania nad ujemną wysokością pozostawiam bez wyjaśnienia, jeśli ktoś cierpi na bezsenność, na pewno do tego dojdzie (podpowiedź: atmosfera standard).