Universitatea Politehnica din Bucuresti Facultatea de Inginerie Aerospatiala

Conf.

Transponder Mode Sdr.dr. Octavian Thor Pleter, MBA

Proiect la disciplina Sisteme de Radionavigatie

Mihai Sergiu Emilian, Grigore Vlad Indrumator: Conf.dr.dr. Octavian Thor Pleter, MBA

1. IntroducereModul de interogare al unui transponder de aviatie se defineste ca fiind o secventa de impulsuri emise de catre un radar SSR (Secondary Surveillance Radar) sau de un sistem similar si un raspuns, numit adesea Code, dat de un transponder. Interogarea urmareste obtinerea de informatii detaliate despre o aeronava echipata cu un astfel de transponder. In forma cea mai simpla, un Mode sau tip de interogare, este determinat de distanta dintre doua sau mai multe impulsuri de interogare. Acestea sunt clasificate in Mode 1 5 pentru aviatia militara si Mode A, B, C, D, S pentru aviatia civila. In functie de protocolul de comunicatie exista: Mode 1 furnizeaza 2 cifre pe 5 biti (codul misiunii) Mode 2 furnizeaza un cod in baza 8 de 4 cifre Mode 3/A furnizeaza un cod de identificare al aeronavei in baza 8 de 4 cifre atribuit de catre turnul de control (utilizat atat de aviatia miliatara cat si de cea civila) Mode 4 furnizeaza 3 impulsuri la o interogare cu cod criptat Mode 5 furnizeaza informatii securizate asupra pozitiei si ID-ului aeronavei Mode C furnizeaza un cod in baza 8 de 4 cifre reprezentand altitudinea barometrica a aeronavei (utilizat atat de aviatia militara cat si de cea civila) Mode S furnizeaza informatii multiple la interogari selective. Fiecare aeronava are o adresa fixa de 24 de biti. (utilizat atat militar cat si civil).

Caracteristici si specificatii principale In timp ce statiile radar SSR interogheaza toate aeronavele ce patrund in raza lor de actiune, Mode S (Selectare) transmite interogari selective si specifice aeronavelor din zona. Interogarea selectiva imbunatateste calitatea si integritatea detectarii, indentificarii si altitudnii aeronavei. Aceste optimizari asigura sporirea sigurantei, capacitatii si eficientei zborului si vor facilita in viitor densitatea mare a traficului in spatiul aerian european. In Europa, SSR Mode S este in momentul de fata implementat in doua etape: Mode S Elementary Surveillance (ELS) si Mode S Enhanced Surveillance (EHS).

Mode S Elementary Surveillance (ELS) Cerintele spatiului aerian european Mode S: Aeronavele care intentioneaza sa zboare IFR (Instrument Flight Rules) in categoria GAT (General Air Traffic) trebuie sa fie compatibile Mode S ELS Aeronavele care intentioneaza sa zboare VFR (Visual Flight Rules) State aircrafts aeronave care se incadreaza in Principiul 1 al Deciziei Consiliului Provizoriu sesiunea 11 din 12/07/01

Functionalitate Aeronavele conforme cu Mode S ELS au urmatoarele aspecte functionale numite si Base Functionality (Functionalitati de Baza): Raport automat asupra identitatii aeronavei reprezentat prin indicativul aeronavei, este folosit in zbor si este afisat automat pe ecranul controlorului de trafic; Raportul de capabilitate al transponderului o functie tehnica utilizata de sistemele de sol pentru a verifica capacitatea transponderului de transmitere a datelor; Raport de altitudine la intervale de 25ft functie de capabilitatea aeronavei; Starea de zbor la sol/in aer (functie tehnica); Capabilitate de cod SI functie tehnica pentru identificarea transponderelor capabile sa opereze in zona de cod SI (Surveillance Identifier)(permite reducerea complexitatii infrastructurii de la sol). Functionalitatea de baza si capacitatea de operare SI reprezinta un nivel minim ce trebuie atins pentru a opera o aeronava in spatiul aerian european.

Beneficii Aeronavele conforme cu Mode S ELS furnizeaza urmatoarele beneficii in operare: Identificarea concreta a aeronavei cele 17 milioane de adrese distincte coroborate cu raspunsul automat la interogarea de identitate permite identificarea clara a aeronavei independent de codurile atribuite de Mode 3/A; Integritate sporita a datelor de supraveghere interogarea selectiva si rezolutia superioara

impreuna cu sistemele SSR si MSSR: a) va elimina synchronous garble (In cazul in care traiectoriile a doua aeronave se intersecteaza in apropierea (2 mile) unui interogator de sol, raspunsurile lor se vor suprapune iar interferentele cauzate vor face ca identificarea acestora sa fie dificila)

fig 0 *9+ SSR b) va rezolva problema efectelor interogarii prelungite ; c) va simplifica identificarea aeronavei in cazul reflexiilor radar. O imagine si capacitate de urmarire a traficului aerian sporite controlorii de trafic vor avea la dispozitie o imagine de ansamblu mul mai buna datorita sistemelor de achizitie a identitatii aeronavelor si tehnicilor avansate de urmarire. Acuratetea sporita a radarelor Mode S, datorata erorilor prevazute sau erorilor sistematice si impreuna cu realizarea unor vectori de viteza mult mai stabili, imbunatatesc capabilitatea de urmarire a traficului aerian atat in plan vertical cat si orizontal; Atenuarea deficitului de cod folosind Mode 3/A capabilitatea sistemului Mode S de a adresa fiecarei aeronave un cod unic va ajuta la combaterea deficitului de coduri ale sistemului SSR; Imbunatatirea Plaselor de siguranta (ex. STCA) prin eliminarea synchronous garbling, prin calcularea unor vectori de viteza mai stabili si obtinerea altitudinii aeronavei in incremente de 25ft. Aceste imbunatatiri vor ajuta la reducerea numarului de alerte neplacute si va spori integritatea sigurantei in ceea ce priveste spatiul dintre aeronave; Imbunatatirea controlului spatiului aerian pentru a putea suporta atat traficul aerian

curent cat si cel previzionat, radarele Mode S sunt capabile sa proceseze de doua ori mai multe rute aeriene decat instalatiile MSSR conventionale.

Mode S Enhanced Surveillance (EHS) Cerintele spatiului aerian european Mode S: Toate aeronavele cu aripa fixa avand greutatea maxima la decolare mai mare de 5700 kg sau o viteza de croaziera adevarata mai mare de 250 kts care intentioneaza sa zboare IFR in GAT trebuie sa fie compatibile Mode S EHS Toate aeronavele care intentioneaza sa zboare VFR State aircraft Functionalitate Toate aeronavele compatibile cu Mode S EHS asigura atat specificatiile functionalitatii de baza cat si urmatorii opt parametrii DAP (Downlinked Aircraft Parameters):

Beneficii Pe langa beneficiile sistemului Mode S ELS, identificate mai sus, aeronavele compatibile Mode S EHS prezinta urmatoarele avantaje: Optimizarea imaginii de ansamblu creaza o imagine mult mai clara si o supraveghere imbunatatita a spatiului aerian, iar accesul direct la informatii al controlorului de trafic il vor ajuta sa aprecieze mai repede si cu o mai mare acuratete evenimentele aeriene; Reducerea progresiva a volumului de munca R/T per aeronava Sporirea sigurantei accesul controlorilor la informatii precum altitudinea selectata vor facilita verificarea respectarii instructiunilor de urcare/coborare si va face posibila evitarea potentialelor incidente datorate deviatiei de altitudine. Principiul de functionare Radarul secundar de supraveghere (SSR) se bazeaza pe o adresa a aeronavelor ICAO pe 24 de biti pentru interogarea selectiva a unei singure aeronave. Sunt alocate 16,777,214 de adrese, de catre ICAO, tarii de inregistrare sau a unei autoritati de inregistrare comuna. Aeronavele echipate cu transponder Mode S trebuie sa aiba incorporata optiunea de Aircraft Identification pentru a permite echipajului sa seteze indentificarea aeronavei, cunoscut sub numele de Flight ID, pentru a fi transmis prin transponder. Transmisia ID-ului aeronavei trebuie sa corespuna cu ID-ul specificat in item-ul 7 al planului de zbor ICAO sau, in cazul in care nu a fost creat un plan de zbor, cu numarul de inregistrare al aeronavei. In plus fata de identificarea aeronavei, care este o prerechizita pentru ELS (Mode S Elementary Surveillance), alti parametri specificati (DAP - downlink parameters) pot fi obtinuti de sistemul de la sol pentru a intalni cerintele EHS (Mode S Enhanced Surveillance). Sistemul Mode S necesita ca fiecare interogator sa aiba un cod de identificare (IC - Identifier Code) care poate fi purtat pe o frecventa de 1030 (interogare) / 1090 (raspuns) MHz. Raspunsul cu ID-ul transponderului aeronavei este realizat prin obtinerea adresei unice ICAO pe 24 biti a aeronavei. Figura 1, de mai jos, exemplifica functionarea transponderului Mode S:

Fig 1. *1+

2. ISTORICIdentification: Friend or Foe (IFF) In principiu termenul IFF se refera la orice sistem care are ca scop deosebirea inamicilor de prieteni (aliati). In practica, incepand cu anul 1935 se refera la o tehnica bazata pe radio in care tintele, a caror prezenta a fost determinata de un senzor primar asociat (de obicei un radar primar), sunt interogate in vederea obtinerii unui semnal radio la care platformele prietenilor raspund cu un cod de identificare.

Robert Watson-Watt (1935), Inventatorul IFF (Figura 2 *2+)

TRANSPONDER US NAVY ABA IFF 470MHz (anul 1940)

Figura 3 *2+

Circuitul de baza al TRANSPONDERULUI BRITISH IFF Mk. I

Figura 4 *2+

USN ABK IFF k.III TRANSPONDER 1944; Peste 200,000 de unitati construite in principiu de HAZELTINE

Figura 5 *2+ SSR2100 Primul SSR TRANSPONDER MICROMINIATURA (IFF2800 elicoptere RAF) (anul 1980)

Figura 6 *2+

SSR 1500 IFF TRANSPONDER DEZVOLTAT PENTRU TSR-2 -1961

Figura 7 *2+ INTEROGATOR RAYTHEON AN/TPX-56 SHORAD Actual este inlocuit de un interrogator compatibil MODE 5 (AN/TPX57)

Figura 8 *2+

Noua generatie de TRANSPONDER IFF Mk.XII (MODE S LEVEL 3 / MODE 5) produs de BAE SYSTEMS

Figura 9 *2+ Toate aeronavele care zboara in spatiu controlat sunt obligate sa fie echipate cu un Transponder compatibil cu Mode S level 2.

Toate aeronavele militare de transport sunt obligate sa fie echipate cu ACAS II Momentan sunt patru moduri de operare in uz pentru aeronavele militare plus un submod: Mode 1 este o metoda low-cost nesigura, fiind utilizata de nave maritime pentru a urmari aeronave sau alte nave. Mode 2 este folosit de aeronave pentru a face approachuri controlate la portavioane, in cazul vremii nefavorabile Mode 3 este un sistem standard folosit si de aeronavele comerciale pentru a-si semnala pozitia pentru ATC. Mode 4 este un IFF incriptat (singura metoda adevarata de determinare FOF) Mode C este decodorul de altitudine

Codurile nesecurizate sunt setate manual de pilot dar desemnate de ATC.

Figura 10 *2+

Figura 11 *2+

Figura 12 [2]

Figura 13 [2]

In urma unor coliziuni in aer la mijlocul anilor `80, mode S a devenit o parte integrala a transportului aerian din zilele noastre. Cu toate ca aviatia reprezinta cea mai sigura metoda de a calatori, cresterea traficului conduce la cresterea cantitatii de informative necesara in zbor. Care este originea Mode S? Conceptul Mode S a fost in mare parte dezvoltat de MIT Lincoln Lab, coordonat de catre FAA, AOPA (Aircraft Owners and Pilots Association) si de catre producatorii de transpondere. Tehnologia a fost dezvoltata la mijlocul anilor 1970 dar nu a fost raspandita pana la inceputul anilor 1980. Ideea era de a se crea o cale prin care sa se utilizeze acelasi SSR care era utilizat si la modurile A si C dar sa fie adresabil, mai prcis si de mai mare incredere, cu o capacitate de operare marita. PSR (Radarul de supraveghere primar) este inca utilizat pentru a picta cadrul cu un impuls radar si sa plaseze o tinta pe PPI (plan position indicator) care este displayul ATC. Prin urmare, utilizarea combinata a PSR si SSR asigura o supraveghere mai buna fara upgradeuri majore ale PSR/SSR existente. Aceasta asigura mai multe moduri de a obtine aceleasi informatii ca in cazul mode A si C. Aceast tehnologie noua (S Mode) este similara cu telefoanele celulare digitale. Similar modurilor A si C, cu multi ani in urma exista celularul analogic care permitea comuncatii cu optiuni minime. Telefonul celular actual ofera practic aceleasi comunicatii dar are o capacitate mai mare (sms, GPS, internet). Cam asa este si in cazul supravegherii Mode S, acum poate raporta identitatea, intentia, capabilitatea si locatia.

3. Structura sistemuluiSistemul Transponder e alcatuit dintr-un transponder, un controller, doua antene si hardware de instalare. Comunicatiile de la controller la transponderul remote se face printr-o magistrala ARINC (429). Daca transponderul face parte din TCAS, este utilizata de asemenea o comunicatie ARINC pe doua cai intre transponder si TCAS. Modurile de operare ale transponderului (TEST, STBY, ALT ON, and ALT OFF) sau daca este cazul cele ale TCAS (TEST, STBY, TA and TA/RA) sunt selectate din control unit. Modul STBY este comun si la transponder si la TCAS. Transponderul va efectua functii ATC normale chiar daca este sau nu parte a sistemului TCAS, insa TCAS-ul nu poate functiona fara transponder. In plus fata de modul selection, control unit-ul de asemenea transmite codul 4096 pe magistrala ARINC transponderului. Acest cod este manual selectat de operator folosind patru butoane concentrice de pe panoul frontal al control unitului si afisate pe displayul control unitului. Codul

consta in patru numere in baza 8 care sunt selectabile de la 0 la 7. Aceasta asigura un maxim 4096 de posibilitati. Transponderul primeste altitudinea barometrica a aeronavei de la traductorii de la bord. Aceasta altitudine este reportata de transponder cand raspunde la interogarile Mode S si ATCRBS care necesita altitudinea la raspuns. Altitudinea este de asemenea trimisa la procesorul TCAS. Unitatile compatibile DAP si ADS-B pot primi date de la urmatoarele surse: IRS (Inertial Reference System) FMS (Flight Management System) GPS (Global Positioning System) ADC (Air Data Computer) ADLP (Airborne Data Link Processor) Data Concentrator

Descrierea componentelor sistemului

ATC Transponder (TRA-67A) Transponderul, bazat pe microprocessor, consta intr-un receiver-transmitter de banda L, configurat sa opereze in o configuratie cu doua antene. Un microrprocesor este utilizat pentru procesarea semnalelor si monitorizare. Un buton de test de pe panoul transponderului indica status-ul operational. Un circuit intern de comutatie a antenei alimenteaza antenele superioara si inferioara, amandoua putand fi folosite pentru a primi si transmite semnale RF (dar nu simultan). Control Units

Unitatea pentru controlul transponderelor contine tot ce este necesar pentru functionarea transponderului. Un comutator este localizat in coltul superior si este utilizat pentru a selecta modul S. Unitatea are de asemenea un switch ATC pentru a allege transponder 1 sau 2. Pot fi unitati de control pentru un transponder si un TCAS, pentru doua TCAS sau panouri de control pentru a controla pana la 2 transpondere ATC si TCAS. Pot fi inalnite urmatoarele functii:

ATC code entry Flight Identification code entry (Flight ID) Mode S Transponder mode selection TCAS mode selection and system test Mode S Transponder selection (if equipped) Altitude Source selection (if equipped) ATC Ident transmission (if equipped) Above/Normal/Below Limit selection (if equipped) TCAS Range Selection (if equipped) Flight Level Setting These functions are accessed through the following panel displays, switches and pushbuttons: Multi-position rotary Mode Select switch Dual concentric rotary transponder code/Flight ID encoder (Rotary version only) 10-pushbutton keypad (Keypad version only) Eight character 14-segment alphanumeric display ATC FAIL status annunciator Transponder Identification pushbutton (IDENT) Range select pushbuttons (RNG UP, RNG DN) * Mode S transponder select pushbutton (ATC) * Altitude Source select pushbutton (ALT) * Display function and data

Figura 14 *3+

Fig 19 *3+

4. SPECIFICATII RADIOTEHNICEARINC 718-A *14+ Air / Ground Logic input Pinul TP-5J este desemnat pentru intrarea discreta Air/Ground #2 iar TP-5K este desemnat lui Air/Ground Discrete Input #1. Transponderul Mark 4 ar trebui sa interpreteze atunci cand aeronava este la sol si sa afiseze. Un open ar trebui sa indice transponderului ca aeronava este in aer. Informatia poate fi utilizata pentru a activa alte functii cum ar fi identificarea fazei zborului ptr BITE.

ARINC 718-A (Mark 4 Mode S Transponder) Circuitul electric Nu ar trebui sa fie niciun master switch on\off la transponderul Mode S. Orice utilizator care doreste comutarea ar trebui sa gaseasca solutii pentru a intrerupe alimentarea cu AC a echipamentului. In cele mai multe cazuri nu sunt necesare comutatoare on\off iar energia va fi condusa direct la echipament de la panoul de CB-uri.

Moduri operationale ale Mark 4 Transponder Transponderul Mark 4 va avea trei moduri operationale: 1. Power off mode In acest mod transponderul nu primeste putere primara. Mod valabil pentru cazul in care avionics este oprit sau CB-ul este scos. Transponderul ar trebui sa fie capabil sa mentina date specifice interne minim 500m iar toate configuratiile pana la 3 ani de zile. 2. standby Mode In acest mod transponderul primeste putere electrica dar nu transmite RF. Transponderul este operational dar are capabilitati limitate si ar trebui sa nu raspunda interogarilor. BITE-ul este operational in standby mode, dar poate fi redus in functionalitate din cauza inabilitatii de a transmite. 3. Power on Mode In acest mod Mark 4 transponder primeste putere primara si este capabil sa raspunda interogarilor si sa stabileasca conexiuni logice cu aplicatiile necesare.

ARINC Document - 718 - A Achizitia transmisiilor squitter ar trebui efectuata o data pe secunda, la intervale aleatoare, uniform distribuite de la 0.8 la 1.2 secunde fata de achizitia precedenta. Achizitia squitter consta in raspunderea la toate apelurile Mode S. Extended Squitter Surface Position Cand este activata, pozitia squitter este emisa cand aeronava este la sol. Pozitia squitter contine informatia pozitiei derivata din sistemele de navigatie. Datele continute sunt descrise in ICAO Annex 10 and RTCA DO-260 register 0,6. Squitterul extins pentru pozitia de zbor este transmis Downlink in format 17.

Extended Squitter Disable Discrete Input Extended_Squitter_Disable Discrete este folosit pentru a dezactiva toate functiile Extended Squitter. Cand pinul este pus la masa functiile Extended Squitter sunt dezactivate iar cand este deschis functiile sunt activate. Diversity Antenna Selection Sunt prevazute doua receivere independente care includ si procesarea video si detectia prealabila. Antena pentru decodarea interogarilor Mode S si transmisia raspunsului este aleasa dupa urmatoarele reguli: a. Antena superioara trebuie sa fie aleasa daca semnalul primit pe antenna superioara depaseste nivelul minim de declansare (MTL) al transponderului cu 10dB sau mai mult

b. Altfel, se selecteaza antena care a receptionat cel mai puternic semnal. Aceste reguli inclina balanta in favoarea antenei superioare cand sunt receptionate semnale puternice pe ambele antene.

Semnalul care poarta interogatia este modulat in faza (DPSK) pe 1030MHz iar transponderul raspunde pe 1090MHz cu o modulatie in impulsuri (PPM). Modulatia in faza este o modulatie digitala care consta in schimbarea fazei semnalului purtator. Orice schema de modulatie digitala utilizeaza un numar finit de semnale distincte pentru a reprezenta datele digitale. PSK foloseste un numar finit de faze, fiecareia fiindu-i desemnat un pattern unic binary. De obicei, fiecare faza codifica un numar egal de biti. Fiecare pattern de biti formeaza simbolul care este reprezentat de faza respectiva. Demodulatorul, care este proiectat specific pentru setul de simboluri utilizat de modulator determina faza semnalului receptionat si identifica simbolul pe care il reprezinta, recuperand astfel datele originale. Aceasta necesita ca receptorul sa fie capabil sa compare fazele semnalului repectionat cu un semnal de referinta, un astfel de sistem fiind numit coerent. (CPSK) Alternativ, in locul operarii fata de o unda constanta de referinta, unda emisa poate opera avandu-se ca referinta chiar pe ea. Schimbarile de faza ale unei singure unde emise pot fi considerate un semnal util. In acest sistem demodulatorul determina schimbarile de faza ale semnalului receptionat, mai degraba decat faza (relativa la o unda de referinta). Avand in vedere ca schema depinde de diferenta dintre faze successive modulatia este denumita modulatie diferentiala de faza (DPSK). DPSK poate fi semnificativ mai simplu de implementat decat orice alt PSK din moment ce nu este necesar ca demodulatorul sa aiba o copie a unui semnal de referinta in vederea determinarii fazei exacte a semnalului receptionat. In schimb, prin aceasta metoda, demodularile pot fi eronate. Modulatia in impulsuri este o forma de modulare a semnalelor in care M biti sunt codificati prin transmiterea unui singur puls in doua perioade 2M de timp posibile. Acest proces se repeta la fiecare T secunde, astfel incat rata de transfer este M/T bps. Este utila in primul rand pentru comunicatiile optice, unde interferentele sunt aproape zero. Una dintre problemele cheie ale implementarii acestei tehnici este ca receiverul trebuie sa fie sincronizat pentru a alinia clockul local cu inceputul fiecarui simbol. Astfel, este adesea implementat diferential ca modulatia in impulsuri diferentiala, caz in care fiecare impuls este codificat relativ la anteriorul, astfel incat receiverul trebuie sa masoare doar diferenta dintre perioadele in care ajung diferitele impulsuri. Este posibila limitarea propagarii erorilor simbolurilor adiacente astfel incat eroarea masurarii de intarziere diferentiala a unui impuls va afecta doar doua simboluri, in loc sa afecteze toate masuratorile succesive. Problemele RF Interogarea este in mod obisnuit selectiva si omni-direcitonala (cu toate ca exista si antene sectorizate cvasi-directionale). Calea optima este de a interoga cu suficienta putere numai pentru a ajunge la tinta particulara selectata pentru a cauza un efect cat mai mic posibil in

mediul RF. Interogarile selective sunt trimise de catre statiile de sol pentru a obtine informatii aditionale despre curs si pentru a mentine sau reobtine o tinta sub acoperire. Din cauza posibilelor interferente RF aschizitia pe UF=11 prin sisteme multilaterale ar putea cauza probleme RF semnificative. Sunt disponibile o varietate mai mare de configuratii de antene transmitatoare. Oricare antena care are directionalitate limitata va imbunatati cu siguranta mediul RF. Este o diferenta considerabila intre cerintele SSR al aeroportului local si multilateratia activa. In special este cazul in care SSR local este Mode S. Trebuie avut in vedere ca este necesara interogarea de catre doua sisteme. Sistemele au de asemenea abilitatea de multilateratie in mediul Mode A/C si au potentialul de a utiliza interogatii SSR clasice active la fel ca Intermode sau Mode S. Aces fapt ar putea fi util pentru a creste distanta (range-ul) sistemului dar poate avea efecte negative asupra mediului RF.

Figura 21 *8+

Figura 22 *8+

Figura 23 *8+

Figura 24 *8+

Figura 25 *8+

Functionarea interogarii si raspunsului Sistemul ATCRBS se bazeaza pe pulsatii in radio frecventa ca si mijloace de comunicatie. Aceste impulsuri au o durata de 0.8 s iar spatiul dintre ele este de 0.8 s si 21 s pentru Mode A si respectiv Mode C. Impulsul SLS (Side Lobe Suppression) este de asemenea transmis omnidirectional si este folosit pentru a suprima raspunsurile interogarilor lobilor laterali aparuti din cauza reflexiei. Sistemul SSR Mode S va interoga folosind o purtatoare de frecventa 1030 MHz modulata DPSK (Differential Phase Shift Keying). Modularea DPSK ii permite frecventei de interogare o mai mare eficienta in a transmite informatii fara insa a interfera cu interogarile modurilor Mode A si C. De asemenea modularea DPSK are o capacitate de 4 Mbps de transmisie de date. Dupa emiterea semnalului acesta va fi receptionat de aeronava. Transponderul aceasteia va verifica cererea si integritatea semnalului si va raspunde pe frecventa de 1090 MHz cu un semnal modulat PPM (Pulse Positioning Modulation).

Radarul SSR este cea mai importanta componenta a sistemului Mode S. Interogarile acestui sistem sunt generate la o rata de 50 de ori pe secunda sau 50 Hz PRF (Pulse Repetition Frequency) si aproximativ 230 Hz pentru interogarile Mode A/C. Raspunsul se va transmite cu acelasi PRF cu toate ca radarul SSR Mode S are capacitatea de a comanda transponderului sa nu raspunda fiecarei solicitari. De indata ce sistemul SSR a primit raspunsul va decoda modul (A, C sau S) si va demodula informatia continuta in fiecare dintre acestea.

Exista 3 tipuri de interogari emise de radarul SSR Mode S: 1. ATCRBS all call: aceasta interogare consta in pulsurile P1, P3 si un puls P4 de 0.8 s. Pulsul P2 SLS este transmis normal. Toate transpondere ATCRBS raspund cu codul de identificare 4096 la interogarile Mode A si informatia de altitudine pentru interogarile Mode C. Transponderele Mode S nu raspund la aceasta interogare. 2. ATCRBS/Mode S all call: aceasta interogare este identica celei de la punctul 1 cu exceptia pulsului P4 care dureaza 1.6 s. Transponderele ATCRBS raspund solicitarii cu codul 4096 sau informatia de altitudine, iar transponderele Mode S transmit un cod special ce contine identitatea si adresa unica a aeronavei. 3. Interogarea discreta Mode S: aceasta interogare este adresata unui transponder Mode S specific. Interogarea consta in impulsurile P1, P2 si P6. Impulsul P2 este transmis de antena directionala si va avea aceeasi amplitudine ca impulsurile P1 si P3. In acest mod transponderele ATCRBS vor fi impiedicate sa raspunda interogarii. Impulsul P6 este de fapt un bloc de date DPSK care contine un mesaj pe 52 de biti sau un mesaj pe 112 biti. Modulatia DPSK produce un semnal cu spectrul raspandit, fiind astfel imun interferentelor.

Cand transponderul receptioneaza o interogare discreta si valida Mode S acesta va raspunde printr-un semnal emis la 128 s dupa primirea interogarii. Raspunsul va fi transmis pe o frecventa de 1090 MHz si va folosi o transmisie PPM de 56 sau 112 biti.

Fiecare interogare Mode S va contine adresa unica pe 24 de biti a aeronavei si 24 de biti pentru validare. Atunci cand sistemul Mode S opereaza in modul de baza informatia este limitata la raportarea altitudinii (DF0), a indicativului aeronavei (DF4) si a informatiilor de baza privind structura

aeronavei (DF11).

Ce e un squitter? Squitterul este un raspuns emis fara ca o interogare sa fi avut loc in prealabil. Aceste raspunsuri nesolicitate sunt folosite de catre aeronavele echipate cu sistem TCAS II la preluarea adresei discrete a aeronavei ce emite semnalele squitter in vederea descoperirii si urmaririi acesteia folosind formatele Mode S UF/DF0 si UF/DF16.

Squitterul isi are originea in transmisiile echipamentelor de masurare a distantei (DME). Statia de sol DME emite raspunsuri nesolicitate sau squittere. Cand un interogator DME strabate raza de actiune a statiei, acesta receptioneaza squitterul, va interoga statia si va receptiona raspunsul de la aceasta cu scopul de a-si afla distanta fata de ea. Aceasta procedura are rolul de a limita transmisiile inutile de semnale si de a optimiza capacitatea de functionare a statiei. Sistemul TCAS II se foloseste de semnalele squitter in aceeasi maniera. Acesta asculta squitterii DF11 care contin adresa discreta a aeronavei ce ii emite, reducand astfel nevoie de interogare continua. Adresa odata obtinuta va fi tinuta in evidenta pentru a i se supraveghea traseului. Tehnologia Mode S foloseste doua tipuri de squittere, unul scurt (56 de biti) DF11 si unul extins(112 biti) DF17.

UF si DF Componentele functionale ale sistemului Mode S sunt formatele uplink (UF) si downlink (DF). UF este o interogare specifica emisa de SSR sau o aeronava solicitand informatii specifice despre alta aeronava. DF este raspunsul aeronavei interogate. UF 0, 4, 5, 11 si 16 alcatuiesc supravegherea de baza. Mesajele supravegherii de baza sunt compuse din indicativul aeronavei, biti de paritate si un cuvant de 56 de biti sub numele de interogare sau raspuns scurt.

UF0 este o supraveghere scurta aer-aer pentru sistemele TCAS/ACAS. Raspunsul DF0 va include informatia Mode C de altitudine si adresa aeronavei. Pentru a testa DF0, altitudinea si adresa din raspuns vor fi verificate cu altitudinea reiesita din Mode C si respectiv cu adresa din Mode S. De asemenea criptate in DF0 se regasesc VS(Vertical Status) si campul RI(Reply Information).

UF4 este o cerere scurta de la o statie de sol pentru determinarea altitudinii similara interogarii UF0. Verificarea raspunsului DF4 se face verificand altitudinea si adresa din modurile C si respectiv S. De asemenea criptate in DF4 se regasesc campurile FS(Flight Status), DR(Downlink Request), UM(Utility Message) si AC(Altitude Code).

UF5 este o interogare scurta emisa de statia de sol cu scopul de a determina identitatea aeronavei. Indicativul primit prin raspunsul DF5 este comparat cu codul 4096 Mode A pentru validitate. De asemenea in criptate in DF5 se regasesc campurile FS(Flight Status), DR(Downlink Request), UM(Utility Message) si ID(Identification).

UF11 va solicta adresa Mode S a aeronavei. Raspunsul DF11 (raspunsul all-call) va contine adresa aeronavei si urmatoarele campuri: CA(Capability), PI(Parity/Interrogator Identifier), II(Interrogator Identifier) si SI(Surveillance Identifier).

UF16 este o interogare lunga, aer-aer folosita de ACAS si reprezinta varianta extinsa a interogarii UF0. Daca raspunsul DF0 consta in 56 de biti, raspunsul DF16 contine 112 biti. Acesta din urma va cuprinde: altitudinea Mode C si adresa Mode S. In vederea testarii validitatii informatiilor raspunsului altitudinea DF0 este comparata cu altitudinea Mode C, iar adresa comparata cu adresa Mode S. De asemenea criptate in raspuns se regasesc: VS(Vertical Status), RI(Reply Information), AC(Altitude Code) si MV(Message comm V).

UF20 reprezinta forma lunga(pe 112 biti) a interogarii UF4. Raspunsul DF20 se mai regaseste sub numele de cererea Comm A de altitudine. Tot in DF20 se afla un mesaj cuprins din 56 de biti folositt pentru a transferarea DAPS (Downlined Aircraft Parameters). Validitatea raspunsului se verifica daca acesta contine RR(Reply Request) 17, un DI(Designator Identifier) egal cu 7 si un RRS(Request Subfield) egal cu 0. Componenta importanta a mesajului DF20 o reprezinta campul Comm B(MB) care cuprinde AA(Aircraft Adress), DR(Downlink Request), FS(Flight Status) si AC(Altitude Code). Acesti parametri se verifica cu raspunsul DF11 pentru validitate. Un transponder care nu are un subsistem activ pentru receptionarea datelor Comm A nu va raspunde interogarii UF20.

Interogarea UF21 reprezinta forma lunga(112 biti) a UF5 si se mai gaseste sub numele de cererea

Comm A de identitate. Este similara interogarii UF20 validand insa informatia primita cu semnalul UF21.

Prescurtari si explicatii: VS Vertical Status: 1 pentru aeronava pe sol, 0 pentru aeronava in aer RI Reply Information: cuvant pe 4 biti continand capabilitatea de viteza adevarata a aeronavei FS Flight Status: cuvant pe 3 biti cuprinzand 8 conditii diferite de zbor, alerte si indicatoare de pozitionare speciale DR - Downlink Request: cuvant pe 5 biti ce contine cererea de a descarca anumite informatii despre aeronava UM - Utility Message: cuvant pe 6 biti in alcatuirea caruia intra statutul de comunicatie al transponderului AC - Altitude Code: cuvant pe 13 biti ce contine altitudinea aeronavei impreuna cu criptari specifice pentru unitati metrice sau imperiale si rezolutia de 25 sau 100 ft. ID Identification: cuvant pe 24 de biti ce contine indicativul Mode A al aeronavei PI Parity/Interrogator: cuvant pe 24 de biti care va raspunde cu codul de identificare suprapus cu paritatea, pentru control II Interogator Identifier: cuvant pe 4 biti, de la 0 la 15, cuprinzand codul de identificare al interogatorului SI Surveillance Identifier: cuvant pe 6 biti, de la 0 la 63, folosit pentru a identifica tipurile de supraveghere MV Message Comm V: contine informaii folosite in schimburile aer-aer (mesaj de raspuns coordonat)

Ce este identificatorul de zbor(Flight ID)? Acest indicator este standardizat de ICAO(International Civil Aeronautics Organization). Este format din 8 caractere si introdus de catre pilot via CDU (Control Display Unit). Flight ID-ul poate sa contina numarul unui zbor specific efectuat de o companie aeriana, iar in cazul in care aceasta nu exista, ID va fi acelasi cu numarul avionului. Acest identificator de zbor este inclus in adresa discreta de 24 de biti si este folosit de ATC (Air Traffic Control) in scopuri de monitorizare.

Ce este ADS-B? Raspunsul DF17 reprezinta partea integrala a sistemului ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast). Spargand acronimul in termenii componenti avem: Automatic interogarea nu este necesara pentru ca transponderul sa inceapa o transmisie de date sau squitter Dependent se subordoneaza navigatiei onboard si echipamentului de transmisie broadcast pentru a furniza informatii altor utilizatori ADS-B Surveillance se rezuma la supravegherea si coordonarea traficului aerian Cu ajutoarul tehnologiei ADS-B se poate face o mai buna exploatare a spatiului aerian, se pot supraveghea indeaproape aeronavele aflate la sol si se sporeste siguranta zborului.

Uplink Extended Length Messaging (UELM) Se mai cunoaste sub denumirea de capabilitatea Comm C a transponderului. Un transpnder trebuie sa fie de nivel 3 pentru a accepta mesaje UELM. UELM opereaza cu interogarea UF24 ceea ce ii permite sa trimita mesaje lungi de la statia de sol la aeronava. UF24 functioneaza similar oricarei interogari cu o singura exceptie. Mesajul UELM este capabil sa transmita segmente de mesaj de la 16 pana la 80 de biti. Aceasta se bazeaza pe campul Comm C (MC).

Downlink Extended Length Messaging (DEL M) Se mai cunoaste si sub numele de capabilitatea Comm D a transponderului. Un transponder trebuie sa fie de nivel 4 pentru a transmite mesaje DELM. DELM opereaza cu raspunsul DF24 ceea ce ii permite sa transmita informatii de la aeronava la statia de sol. DF24 functioneaza similar oricarui raspuns cu o singura exceptie. Mesajul DELM este capabil sa transmite segmente de mesaj de la 16 pana la 80 de biti. Aceast se bazeaza pe campul Comm D (MD).

Nivelurile transpoderelor: 4. Nivel 1 capabilitati supraveghere de baza: UF0, UF4, UF5, UF11 nu are suport pentru datalink si nici pentru mesaje extinse 5. Nivel 2 aceleasi specificatii ca transponderul nivel 1 + UF16, UF20, UF21 sau protocol Comm A/B majoritatea tranpoderelor sunt nivel 2 6. Nivel 3 aceleasi specificatii ca transponderul nivel 2 + Uplink Extended Length Messaging (UELM) capabil sa receptioneze mesaje UELM de la statia de sol in format Comm C(UF24) dar nu poate raspunde direct. Mesajul de reply va contine o parte din interogare 7. Nivel 4 cel mai avansat model de transponder aceleasi specificatii ca transponderul nivel 3 + Downlink Extended Length Messaging

5. Functionalitate si eroriFiabilitate, disponibilitate si mentenabilitate

Fiabilitatea, disponibilitatea si mentenabilitatea (in engleza RAM Reliability, Availability, Maintainability) sunt caracterisitici alea intregului sistem care au nevoie sa fie specificate, proiectate, implementate, testate, validate si documentate.

Disponibilitatea este definita ca fiind raportul dintre timpul total in care sistemul este capabil sa-si desfasoare misiunea si timpul in care sistemul este nevoit sa o efectueze, exprimata in procente. Acest calcul exclude reparatiile planificate. Aceasta se calculeaza cu urmatoarea formula: Ao=(MTBF)/(MTBF+MTTR+MRT), unde: MTBF = Mean Time Between Failures (media de timp dintre defectiune exprimata in ore) MTTR = Mean Time To Repair (media de timp pentru reparatii exprimata in ore) MRT = Mean Response Time (media de timp de la notificarea defectiunii pana la sesizarea acesteia de catre un tehnician si inceperea lucrarilor, de asemenea exprimata in ore)

Definitia Defectiunii Sistemul Mode S se considera defect atunci cand transponderul nu mai este capabil sa transmita ATCului informatii radar complete si coerente.

Disponibilitatea Sistemului

Disponibilitatea operationala privind informatiile radar coerente si complete ale statiei de sol Mode S trebuie sa fie mai mare de 99.98%. Disponibilitatea fiecarei componente a statiei Mode S de sol trebuie sa fie mai mare de 20000 de ore MTBF, iar MTTR trebuie sa fie de 30 de minute.

Urmatoarele specificatii au ca scop evaluarea intreprinsa de ofertant: MRT sa fie 3.5 ore; Timpul maxim pentru o reparatie sa nu depaseasca 8 ore in 95% din cazuri; Timpul maxim de sesizare si incepere a reparatiei sa nu depaseasca 8 ore.

Fiabilitatea Fiabilitatea este probabilitatea ca un sistem sa-si indeplineasca functia fara eroare, sub anumite conditii impuse si pentru o perioada de timp specificata.

Mentenabilitatea Mentenabilitatea este o masura a abiliitatii unui sistem de a fi readus sau restaurat la o conditie specifica dupa ce i s-a intreprins mentenanta de catre personalul calificat, folosind proceduri si resurse bine stabilite pentru fiecare nivel de mentenanta si reparatie. Furnizorul are obligatia de a satisface si imbunatati MTTR pentru urmatoarele arii functionale: Antena Mode S 4 ore; Rulmentul Principal 8 ore; Motoare si encodere 4 ore; Parti electronice ale Mode S 0.5 ore; Monitorul pentru afisaj 1 ora;

Analiza erorilor sistemului Furnizorul sistemului Mode S are obligatia sa includa in oferta o analiza detaliata a erorilor cu calcule si presupuneri specifice. Aceasta analiza va tine cont de urmatoarele surse de erori: 1. Antennas (Antene) Wind deflection (deflexia cauzata de vant) Beam skewing (distorsiunea razei de semnal)

Mechanical alignment (alinieri mecanice) Turning moment (moment de rotatie) Target elevation angle (unghiul de elevatie al tintei) Beam defocusing (defocusarea razei de semnal) 2. Antenna Turning Gear (componente ce deservesc la rotirea antenei) Tower deflection/twist (deflexia/rasucirea turnului) Drive gear backlash Drive shaft twist Azimuth encoding (criptarea azimutului) 3. Rotating Joint Insertion loss variation per channel and cross channel mis-match. Phase variation per channel and cross channel mis-match. 4. Mode S Cabling Antenna to Tx/Rx Cable delays. Insertion loss per channel and cross channel mis-match. Phase variations per channel and cross channel mis-match. Insertion loss/phase variation with age. Insertion loss/phase variation with temperature. 5. Mode Transmitter-Receiver/PAF Interrogator mode to mode jitter. Receiver signal/noise ratio. Receiver gain, frequency and phase drift. Cross channel receiver gain, frequency and phase mis-match. Local oscillator drift. Quantisation clock drift. Target input signal strength.

Target input frequency. Pulse sampling error. Analogue to digital conversion error. Off boresight angle table calibration error. Pulse quantisation error. (Mode A/C) or synch phase reversal (Mode S) P3 (mode A/C) or synch phase reversal (Mode S) start range error. Range clock accuracy. Pulse to reply OBA averaging error. Reply to plot azimuth calculation error. Transponder delay variation.

Radarul Mode S trebuie sa asigure acoperire continua si fara lacune a 360 si pe o distanta incepand cu 0.5 NM pana la 256 NM. Limita superioara de acoperire trebuie sa fie 66000 ft. Este de asteptat ca din cauza conditiilor de relief si a curburii pamantului limita inferioara de acoperire sa nu fie orientata orizontal pe toata distanta de 256 NM. Golul de zenit, nu trebuie sa se extinda sub elevatia de 45 deasupra orizontalei.

Performanta de detectie a pozitiei Probabilitatea de detectie (Pd) este determinata de raportul dintre numarul de tinte care au pozitia masurata si numarul total de rapoarte preconizate. Rapoartele preconizate sunt rapoartele care se afla intre primul si ultimul raport ale aceleiasi aeronave inainte ca acestea sa fie analizate. Standardul de supraveghere european recomanda ca probabilitatea de detectie a SSR in cazul supravegherii sa fie mai mare de 97% si ca validarea codurilor sa fie realizata in proportie de 98% pentru Mode 3/A si 96% pentru Mode C. Echipamentul Mode S trebuie sa functioneze astfel incat aceste procente sa fie satisfacute pentru toata suprafata de acoperire.

Performantele siteului Mode S In ceea ce priveste tintele Mode S, rapoartele de curs achizitionate de la senzori adiacenti vor fi considerate ca informatii extrapolate si nu vor fi luate in considerare ca si raport al tintei cu pozitia masurata. La statia de sol, probabilitatea de detectie va fi masurata atunci cand statia opereaza fara ajutor de retea. Luand in considerare parametrii folositi la punerea in functiune a radarului, probabilitatea de detectie Mode S trebuie sa fie cel putin 99% pentru urmatoarele grupuri de aeronave: cele aflate in volumul de masurat (acesta se defineste ca fiind aria de sub FL500, deasupra FL100 pana la distanta de 100 NM, deasupra FL200 intre 100 NM si 135 NM, deasupra FL300 intre 135 NM si 170 NM.); cele ce nu se afla in lacuna de zenit (unghiul de elevatie sub 40); cele care nu se afla foarte aproape unele de celelalte .

Probabilitatea de detectie de 99% trebuie asigurata pentru roll-call, in medie, 2 cereri GICB(Ground Initiated Comm-B) per aeronava. Procesarea tintelor false Rapoartele SSR considerate ca fiind rapoarte false de tinte sunt: FRUIT (false reply uncorrelated in time) Ecouri care se intorc pentru a doua oara. Ratia de tinte false se defineste ca fiind numarul de rapoarte ale tintelor false raportate la numarul tintelor detectate. Aceasta ratie nu trebuie sa depaseasca 0.1%. Rapoartele multiple Mode S/SSR trebuie sa includa toate acele rapoarte generate de: raspunsurile de la o aeronava interogata de radar pe o cale indirecta (reflexie); raspunsurile de la o aeronava interogata printr-un lob lateral al antenei directionale si care nu a fost oprit de antena de suprimare a lobilor laterali; tinta descompusa in mai multe secvente atat in azimut cat si in distanta.

Rata de tinte multiple Mode S/SSR masurata in decursul unei ore nu trebuie sa depaseasca limita medie de o tinta/scanare.

Supravegherea acuratetii pozitiei Acuratetea distantei Erorile senzorului Mode S pentru oricare dintre cele 3 moduri (3/A, C sau S) trebuie sa se regaseasca intre urmatoarele limite: Erori Sistematice Slant range bias < +1/128 NM (+14 metri) Erori Aleatoare Toate erorile aleatoare SSR trebuie sa fie mai mici de 30 m RMS (1 sigma) Toate erorile aleatoare Mode S trebuie sa fie mai mici de 15 m RMS (1 sigma) Valoarea vitezei luminii este un parametru dependent de site ce poate fi programat asigurandu-i-se 2 valori: Valoarea vitezei luminii in vid (singura valoare recunoscuta international): c=299792.458 m*s^(-1) O valoare specificata de agentie. Acuratetea azimutala Toate tintele detectate pentru oricare dintre cele 3 moduri (3/A, C, S), masurate in conditii de trafic real sau folosind transpondere test trebuie sa se regaseasca intre urmatoarele limite: 1) Erori sistematice Biasul de azimut pentru unghiuri de elevatie intre 0 si +6 trebuie sa fie mai mic de 1 AU (0.022 ) unde 1 AU reprezinta 360/16384 Biasul de azimut pentru unghiuri de elevatie intre 6 si +10 trebuie sa fie mai mic de 0.033 (excluzand gheata si efectele vantului asupra antenei) 2) Erori aleatoare Toate erorile aleatoare legate de azimut trebuie sa fie mai mici de 0.068 (1 sigma) Biasul de azimut nu trebuie pentru unghiuri de elevatie mai mari de 10 sa se mareasca cu mai mult de valoarea atribuita antenei. (ex. Efecte de raspnadire a razei egale in general cu inversul cosinusului

unghiului de elevatie)

Stabilitatea si reglarea biasului Ajustarea de zero a biasului atat pentru distanta cat si pentru azimut se face in concordanta cu locatia unde se afla amplasat sistemul. Ajustarile de bias pentru canalele redundante trebuie sa poata fi facute independent in asa fel incat specificatiile de bias ale sistemului sa fie indeplinite indiferent de cananlul folosit. Din momentul in care valoarea de bias a sistemului este nula, driftul de bias trebuie sa se regaseasca intre limitele specificate indiferent de canalul folosit. Compensatia angulara trebuie sa fie ajustata in vederea calibrarii masurarii unghiulare a sistemului Mode S la 1 AU (0.022)

Precizia de distanta si azimut Distanta tintei trebuie raportata cu o precizie de cel putin 1/128 NM pentru toate distantele. Azimutul tintei trebuie raportat cu o precizie de cel putin 360/16384 (0.022) indiferent de distanta si azimut.

Salturi Salturile se definesc ca fiind rapoartele de pozitie cu eroarea mai mare de 1 in azimut sau 700 de m in distanta. Rata totala de salturi, definita ca fiind numarul de salturi divizat la numarul de raporturi detectate, trebuie sa fie mai mic de 0.05%.

Detectia Mode S cu raspuns distorsionat Indiferent de poztia celor 2 tinte, radarul trebuie sa mentina probabilitatea de detectie specificata mai sus atunci cand sunt utilizate interogari de supraveghere selectiva. Daca doua raspunsuri sunt receptionate simultan de catre radar, furnizorul echipamentului trebuie sa specifice functie de timpul (t) de suprapunere atat probabilitatea de detectie a semanlului scurt Mode S cat si pe cea a semnalului lung garbled (distorsionate): t