航空交通管制レーダービーコンシステム

航空交通管制（ATC）地上局は、2 つのレーダー システムとそれらに関連するサポート コンポーネントで構成されています。最も重要なコンポーネントは PSR です。これは、合成または英数字のターゲットシンボルではなく、ターゲットの「表面」からの RF エネルギーの反射によって生成される明るい (または色付き) の点滅または領域をレーダー画面に表示するため、スキン ペイント レーダーとも呼ばれます。これは非協力的なプロセスであり、追加の航空電子機器は必要ありません。レーダーは、レーダーの動作範囲内の反射物体を検出して表示します。気象レーダーデータはスキン ペイント モードに表示されます。プライマリ監視レーダーは、信号強度がターゲットまでの距離の 4 乗に反比例して減少するというレーダー方程式に従います。PSR を使用して検出された物体は、プライマリ ターゲットとして知られています。

2つ目のシステムは、追跡対象の航空機に搭載されたトランスポンダと連携する二次監視レーダー（SSR）です。トランスポンダは、二次レーダーから問い合わせを受けると信号を発信します。トランスポンダ方式のシステムでは、信号強度は一次レーダーのように目標までの距離の4乗に比例するのではなく、2乗に反比例して減衰します。そのため、一定の出力レベルであれば有効範囲が大幅に拡大します。また、トランスポンダは、航空機の識別情報や高度などの符号化された情報を送信することもできます。

SSRには、メインアンテナと、多くの古いサイトでは無指向性「オムニ」アンテナが装備されています。新しいアンテナ（隣の写真のように）は、左右のアンテナとしてグループ化され、各側は信号を和と差のチャネルに結合するハイブリッドデバイスに接続されています。和と差のアンテナとオムニアンテナの両方を備えているサイトもあります。AWACS などの監視航空機には、和と差のアンテナしかありませんが、ピッチングやロール時にビームを上下に位相シフトすることで空間安定化することもできます。SSRアンテナは通常PSRアンテナに取り付けられているため、アンテナが回転しても同じ方向を向きます。無指向性アンテナは、装備されている場合は通常レドームの上部など、高い位置に設置されます。モードSインターロゲーターは、トランスポンダ応答のオフボアサイト角を測定するためのモノパルス機能を提供するために、和と差のチャネルを必要とします。

SSRは、回転するレーダーアンテナが空をスキャンする間、繰り返し質問を送信します。質問では、応答するトランスポンダがどのような種類の情報を送信すべきかを、モードシステムを使用して指定します。歴史的に多くのモードが使用されてきましたが、現在ではモード1、モード2、モード3/A、モードCの4つが一般的に使用されています 。モード1は、任務の各段階で軍事目標を分類するために使用されます。モード2は、軍用機の任務を識別するために使用されます。モード3/Aは、レーダーのカバーエリア内の各航空機を識別するために使用されます。モードCは、航空機の高度を要求/報告するために使用されます。

他の 2 つのモード、モード 4 とモード S は ATCRBS システムの一部とはみなされませんが、同じ送信および受信ハードウェアを使用します。モード 4は、軍用機の敵味方識別(IFF) システムで使用されます。 モード Sは、一般放送ではなく、個別の選択的質問であり、民間航空機のTCAS を容易にします。モード S トランスポンダは、固有の識別コードでアドレス指定されていない質問を無視し、チャネルの混雑を軽減します。一般的な SSR レーダー設備では、ATCRBS、IFF、およびモード S の質問はすべてインターレース方式で送信されます。一部の軍事施設や航空機もモード S を使用します。

地上局にある両レーダーからの応答信号は、マイクロ波リンク、同軸ケーブル、または（最新のレーダーでは）デジタイザとモデムを使用して航空管制施設に送信されます。航空管制施設で受信されると、レーダーデータプロセッサと呼ばれるコンピュータシステムが応答情報を適切な主要目標と関連付け、レーダースコープ上の目標の横に表示します。

航空機に搭載される機器はかなり簡素で、通常は計器盤またはアビオニクスラックに取り付けられるトランスポンダー本体と、胴体下部に取り付けられる小型のLバンドUHFアンテナで構成されています。多くの民間航空機では胴体上部にもアンテナが備えられており、操縦士はどちらか一方、または両方のアンテナを選択できます。

一般的な設置構成には、高度エンコーダも含まれます。これは、トランスポンダと航空機の静圧システムの両方に接続される小型装置です。このエンコーダは、航空機の気圧高度をトランスポンダに提供し、トランスポンダはその情報を航空管制施設に中継します。エンコーダは11本のワイヤを使用して、改良型バイナリグレイコードであるギルハムコードの形式で高度情報をトランスポンダに送信します。

トランスポンダは、必要な制御項目が少なく、操作も簡単です。4桁のトランスポンダコード（ビーコンコードまたはスクォークコードとも呼ばれる）を入力する方法と、管制官の要求に応じて識別情報を送信する制御機能があります（下記のSPIパルスを参照）。トランスポンダには通常、オフ、スタンバイ、オン（モードA）、高度（モードC）の4つの動作モードがあります。オンモードと高度モードの違いは、オンモードでは高度情報の送信が禁止される点のみです。スタンバイモードでは、レーダーは航空機の捜索と正確な位置特定に使用されるため、ユニットは電源が供給され、ウォームアップされた状態を維持しますが、応答は禁止されます。

質問信号は、P1、P2、P3と呼ばれる、持続時間0.8μsの3つのパルスで構成されます。パルスP1とP3の間隔によって質問モード（または質問内容）が決まり、それによって応答の内容も決まります。P2は、後述するサイドローブ抑制に使用されます。

モード3/AはP1とP3の間隔を8.0μsとし、航空機を識別するために管制官によって割り当てられたビーコンコードを要求するために使用されます。モードCは間隔を21μsとし、高度エンコーダから提供される航空機の圧力高度を要求します。モード2は間隔を5μsとし、航空機に軍用識別コードの送信を要求します。後者は軍用機にのみ割り当てられているため、モード2の質問に実際に応答する航空機はごくわずかです。

質問に対する応答は、幅1.45μsの15個のタイムスロットで構成され、12+1ビットの情報が符号化されます。応答は、各スロットにおける0.45μsパルスの有無によって符号化されます。これらは次のようにラベル付けされます。

F1 C1 A1 C2 A2 C4 A4 X B1 D1 B2 D2 B4 D4 F2 SPI

F1パルスとF2パルスはフレーミングパルスであり、航空機のトランスポンダによって常に送信されます。これらは、質問者が正当な応答を識別するために使用されます。これらのパルスの間隔は20.3マイクロ秒です。

A4、A2、A1、B4、B2、B1、C4、C2、C1、D4、D2、D1の各パルスは、応答に含まれる「情報」を構成します。これらのビットは、各照会モードに応じて異なる方法で使用されます。

モードAでは、トランスポンダコードの各桁（A、B、C、またはD）は0から7までの数字になります。これらの8進数はそれぞれ3つのパルスのグループとして送信され、Aスロットは最初の桁、Bスロットは2番目の桁、といった具合に割り当てられます。

モードC応答では、高度はギルハム・インターフェース（ギルハム・コード）によって符号化され、グレイコードが使用されます。ギルハム・インターフェースは、 100フィート（30メートル）刻みで広範囲の高度を表現できます。送信される高度は気圧高度であり、 ATC施設での高度計設定値に基づいて補正されます。エンコーダが接続されていない場合、トランスポンダはオプションでフレーミング・パルスのみを送信できます（最新のトランスポンダのほとんどはそうしています）。 

モード3の応答では、0から7までの4桁の数字が送信されるという点で、モードAの応答と同じ情報が送信されます。モード3という用語は軍事分野で使用され、モードAは民間で一般的に使用される用語です。

Xビットは現在、試験標的にのみ使用されています。このビットは元々、空中発射型試験標的として使用されていたBOMARCミサイルによって送信されていました。このビットはドローン航空機で使用される可能性があります。

SPIパルスはF2パルスから4.35μs（3タイムスロット）後に配置され、「特殊識別パルス」として使用されます。SPIパルスは、航空管制からの要求に応じて、航空機のコックピットにあるトランスポンダの「識別制御」によってオンになります。航空管制官はパイロットに識別を要求することができ、識別制御が作動すると、SPIビットが約20秒間（質問アンテナの2～4回転分）応答に追加され、管制官のディスプレイ上で機体番号が強調表示されます。

ダイバーシティモードSトランスポンダは、航空機間の監視および通信を改善する目的で導入することができる。このようなシステムは、航空機の上部と下部にそれぞれ1つずつ、計2つのアンテナを使用する。受信した質問信号の特性に基づいて最適なアンテナを選択するための適切なスイッチングおよび信号処理チャネルも備えなければならない。このようなダイバーシティシステムは、設置された構成において、下部にアンテナを備えた単一システムと比較して性能が低下してはならない。

モードSは、アップリンク周波数とダウンリンク周波数（1030MHzと1090MHz）の両方における周波数混雑の解決策として開発されました。現在利用可能なレーダーサービスのカバー範囲が広いため、一部のレーダーサイトは、近隣の他のレーダーサイトによって開始された質問に対するトランスポンダ応答を受信します。これは、FRUIT （ False Replies Unsynchronous In Time：時間的に同期しない偽応答） を引き起こします。これは、地上局で受信される応答が質問と一致しないことを意味します。この問題は、個々の航空機が衝突を回避するために互いに質問し合うTCASのような技術の普及に伴い悪化しています。最後に、技術の進歩によりトランスポンダがますます手頃な価格になり、今日ではほとんどすべての航空機に搭載されています。その結果、SSRに応答する航空機の数自体が増加しました。デフルータ回路はディスプレイからFRUITを消去します。

モードSは、航空機に国際的に割り当てられた登録番号から派生した永続的なモードSアドレスを割り当てることで、これらの問題を軽減しようと試みています。そして、他の航空機が応答しないような、特定の航空機を選択または照会 できる仕組みを提供します。

このシステムには、トランスポンダとの間で任意のデータを転送する機能も備わっています。モードSのこの特性により、TCAS 2、交通情報サービス（TIS）、自動従属監視放送（ADS-B）など、他の多くの技術の基盤となっています。