航空管制レーダービーコンシステム

航空交通管制レーダービーコンシステム（ATCRBS ）は、航空交通の監視レーダーモニタリングと分離を強化するために航空交通管制（ATC）で使用されるシステムです。回転する地上アンテナと航空機のトランスポンダで構成されます。地上アンテナは、空域の周囲にマイクロ波の狭い垂直ビームを走査します。ビームが航空機に当たると、トランスポンダは高度やスクォークコード（領域に入る各航空機に割り当てられる4桁のコード）などの情報を含む返信信号を送信します。次に、この航空機に関する情報がシステムに入力され、その後、照会時にこの情報を表示するために管制官の画面に追加されます。この情報には、 航空機のフライト番号の指定と高度を含めることができます。ATCRBSは、監視対象の航空機に関する情報を取得し、この情報をレーダー管制官に提供することで、航空交通管制（ATC）監視レーダーを支援します。管制官は、この情報を使用して、航空機（ターゲットと呼ばれる）からのレーダーリターンを識別し、それらのリターンを地上クラッターと区別することができます。

このシステムは、航空機に搭載されたトランスポンダーと、航空管制施設に設置された二次監視レーダー(SSR) で構成されています。SSR は、一次監視レーダー(PSR) と同じ場所に設置されることもあります。この 2 つのレーダー システムは連携して動作し、同期した監視画像を生成します。SSR は質問を送信し、応答を待ちます。質問を受信するトランスポンダーは、質問を解読し、応答するかどうかを決定し、適切な場合に要求された情報で応答します。一般的な非公式な用法では、「SSR」という用語は ATCRBS システム全体を指すために使用されることがありますが、この用語 (技術出版物で使用されている用語) は、地上レーダー自体のみを指すものであることに注意してください。

ATC 地上局は、2 つのレーダー システムと、それ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。最も目立つコンポーネントは PSR です。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「スキン」からの RF エネルギー反射によって生成される明るい (または色付きの) ブリップまたは領域をレーダー画面に表示するので、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 モードで表示されます。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 乗で低下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 ターゲットと呼ばれます。

2 つ目のシステムは、追跡対象の航空機に搭載された連携トランスポンダーに依存する二次監視レーダー(SSR)です。トランスポンダーは、二次レーダーによって照会されると信号を発します。トランスポンダー ベースのシステムでは、信号は、一次レーダーの 4 乗ではなく、ターゲットまでの距離の 2 乗に反比例して減衰します。その結果、特定の電力レベルで有効範囲が大幅に増加します。トランスポンダーは、航空機の ID や高度などのエンコードされた情報も送信できます。

SSR にはメインアンテナが装備されており、多くの古いサイトでは全方向性の「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ており、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 デバイスに接続します。さらに他のサイトでは、和と差のアンテナとオムニ アンテナの両方が装備されています。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、ピッチングまたは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、アンテナが回転するのと同じ方向を向きます。全方向性アンテナは、装備されている場合は通常レドームの上部に、近くて高い位置に取り付けられます。モード S インタロゲータでは、トランスポンダ応答のオフ ボアサイト角度を測定するための モノパルス機能を提供するために、和と差のチャネルが必要です。

SSR は、回転するレーダー アンテナが空をスキャンするたびに、繰り返し質問を送信します。質問では、応答トランスポンダーが送信する情報の種類を、モード システムを使用して指定します。これまではさまざまな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、ミッションのフェーズ中に軍事目標を分類するために使用されます。モード 2は、軍事航空機のミッション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見なされませんが、同じ送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、一般ブロードキャストではなく、離散的な選択的質問であり、民間機のTCASに役立ちます。モード S トランスポンダーは、固有の識別コードで処理されない質問を無視し、チャネルの混雑を軽減します。一般的な SSR レーダー設置では、ATCRBS、IFF、およびモード S 質問はすべてインターレース方式で送信されます。一部の軍事施設および/または航空機もモード S を使用します。

地上局の両方のレーダーからの応答は、マイクロ波リンク、同軸リンク、または（新しいレーダーの場合は）デジタイザーとモデムを使用して ATC 施設に送信されます。ATC 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ー システムが応答情報を適切な主要ターゲットに関連付け、レーダー スコープ上のターゲットの横に表示します。

航空機に搭載されている機器はかなり単純で、通常は計器盤または航空電子機器ラックに搭載されているトランスポンダー自体と、胴体の底部に取り付けられた小さなL バンド UHFアンテナで構成されています。多くの民間航空機には胴体の上部にもアンテナがあり、どちらかまたは両方のアンテナを飛行乗務員が選択できます。

一般的な設備には、トランスポンダーと航空機の静的システムの両方に接続された小型デバイスである高度エンコーダーも含まれます。このエンコーダーは航空機の気圧高度をトランスポンダーに提供し、その情報を ATC 施設に中継します。エンコーダーは 11 本のワイヤを使用して、修正されたバイナリ グレイ コードであるGillham コードの形式で高度情報をトランスポンダーに渡します。

トランスポンダーに必要なコントロールのセットは少なく、操作は簡単です。トランスポンダーには、ビーコン コードまたはスクォーク コードとも呼ばれる4 桁のトランスポンダー コードを入力する方法と、コントローラーの要求に応じて実行されるIDを送信するコントロールがあります (下記の SPI パルスを参照)。トランスポンダーには通常、オフ、スタンバイ、オン (モード A)、および Alt (モード C) の 4 つの動作モードがあります。オン モードと Alt 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という点だけです。スタンバイ モードでは、ユニットは電源が投入されウォームアップ状態のままになりますが、レーダーは航空機の検索と航空機の正確な位置のために使用されるため、応答が禁止されます。

ATCRBS の質問を実行する手順は次のとおりです。まず、ATCRBS質問機が1030 MHz の周波数で航空機を定期的に質問します。これは、レーダーに割り当てられたパルス繰り返し周波数 (PRF) で回転アンテナまたはスキャン アンテナを介して行われます。質問は通常、1 秒あたり 450 ～ 500 回の質問で実行されます。質問が送信されると、質問はアンテナが向いている方向に (光の速度で) 空間を移動し、航空機に到達します。

航空機が問い合わせを受信すると、航空機トランスポンダは3.0 μs の遅延後に 1090 MHz で応答を送信し、要求された情報を示します。次に、問い合わせ機のプロセッサが応答をデコードし、航空機を識別します。航空機の範囲は、応答と問い合わせの間の遅延から決定されます。航空機の方位角は、最初の応答を受信したときのアンテナの向きから、最後の応答を受信するまでで決定されます。次に、この方位角の値のウィンドウを 2 で割って、計算された「重心」方位角を算出します。このアルゴリズムのエラーにより、航空機はコントローラのスコープ全体でジッタを起こし、「トラック ジッタ」と呼ばれます。ジッタの問題により、ソフトウェア トラッキング アルゴリズムが問題になり、モノパルスが実装された理由となっています。

質問は、P1、P2、P3 と呼ばれる、持続時間が 0.8 μs の 3 つのパルスで構成されます。パルス P1 と P3 の間のタイミングによって、質問のモード (または質問) が決まり、応答の内容も決まります。P2 は、後で説明するサイドローブ抑制に使用されます。

モード 3/A は、P1 から P3 までの間隔を 8.0 μs にし、航空機を識別するために管制官が航空機に割り当てたビーコン 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 21 μs にし、高度エンコーダによって提供される航空機の気圧高度を要求します。モード 2 は間隔を 5 μs にし、航空機に軍用識別コードを送信するように要求します。後者は軍用航空機にのみ割り当てられるため、実際にモード 2 の問い合わせに応答する航空機はごくわずかです。

問い合わせに対する応答は 15 個のタイムスロットで構成され、各スロットの幅は 1.45 μs で、12 + 1ビットの情報がエンコードされます。応答は、各スロットの 0.45 μs パルスの有無によってエンコードされます。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 および F2 パルスはフレーミングパルスであり、航空機トランスポンダによって常に送信されます。これらは、正当な応答を識別するためにインタロゲータによって使用されます。これらのパルスの間隔は 20.3 μs です。

A4、A2、A1、B4、B2、B1、C4、C2、C1、D4、D2、D1 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、各問い合わせモードごとに異なる方法で使用されます。

モード A の場合、トランスポンダー コード(A、B、C、または D) の各桁は 0 から 7 までの数字になります。これらの8 進数字はそれぞれ 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用に予約され、B スロットは 2 番目の桁用に予約されます。

モード C 応答では、高度は、グレイ コードを使用するギルハム インターフェイス、ギルハム コードによってエンコードされます。ギルハム インターフェイスは、100 フィート (30 メートル) 単位の広範囲の高度を表すことができます。送信される高度は気圧高度であり、 ATC 施設の高度計設定に合わせて補正されます。エンコーダが接続されていない場合、トランスポンダー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 (ほとんどの最新のトランスポンダーはこれを行います)。

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、情報はモード A の応答と同じです。モード 3 という用語は軍隊で使用され、モード A は民間用語です。

X ビットは現在、テスト ターゲットにのみ使用されます。このビットは元々、空中発射テスト ターゲット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場合があります。

SPI パルスは、F2 パルス (3 つのタイム スロット) の 4.35μs 後に配置され、「特別識別パルス」として使用されます。SPI パルスは、航空管制から要求されると、航空機コックピットのトランスポンダーの「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でき、識別制御がアクティブになると、SPI ビットが約 20 秒間 (インタロゲータ アンテナの 2 ～ 4 回転) 応答に追加され、それによって管制官のディスプレイでトラックが強調表示されます。

SSR の指向性アンテナは完璧ではありません。必然的に、軸外方向に低レベルの RF エネルギーが「漏れ」ます。これらはサイドローブと呼ばれます。航空機が地上局に近い場合、サイドローブ信号は、アンテナが航空機を向いていないときにトランスポンダーからの応答を引き起こすほど強力になることがよくあります。これによりゴーストが発生し、航空機のターゲットがレーダースコープの複数の場所に表示されることがあります。極端な場合、リングアラウンドと呼ばれる効果が発生し、トランスポンダーが過剰に応答し、レーダーサイトを中心に円弧または円状の応答が発生します。

これらの影響に対処するために、サイドローブ抑制(SLS) が使用されます。SLS は、P1 の 2μs 後に間隔を置いた 3 番目のパルス P2 を使用します。このパルスは、地上局によって指向性アンテナ (または合計チャネル) からではなく、全方向性アンテナ (またはアンテナ差チャネル) から送信されます。全方向性アンテナからの出力電力は、指向性アンテナが航空機に直接向けられている場合を除き、航空機で受信されたときに P2 パルスが P1 または P3 のいずれよりも強くなるように調整されます。P2 と P1 の相対的な強度を比較することにより、航空機搭載トランスポンダは、問い合わせを受信したときにアンテナが航空機に向けられていたかどうかを判断できます。差アンテナ パターン (そのように装備されているシステムの場合) への電力は、P1 および P3 パルスからの電力によって調整されません。地上受信機では、2 つのビーム パターンのエッジにある応答を削除するアルゴリズムが使用されます。

最近では、これらの影響に対処するために、サイドローブ抑制 (SLS) が使用されていますが、その方法は異なります。新しく改良された SLS では、P3 の前 (新しい P2 位置) または P3 の後 (モード S レーダーおよび TCAS 仕様では P4 と呼ばれています) に 2μs 間隔で配置された 3 番目のパルスが使用されます。このパルスは地上局の指向性アンテナから送信され、このパルスの出力は P1 および P3 パルスと同じ強度です。新しく改良された C74c では、実行すべきアクションが次のように指定されています。

2.6 デコード性能。c. サイドローブ抑制。トランスポンダは、適切な間隔のパルスペアを受信した後、35 ±10 マイクロ秒間抑制されなければならず、抑制期間の終了後 2 マイクロ秒以内に、抑制動作を全期間にわたって再開できなければなりません。トランスポンダは、最小トリガー レベルより 3 db 上とそのレベルより 50 db 上の間の受信信号振幅範囲で、および P2 の受信振幅が P1 の受信振幅と等しいかそれを超え、P3 から 2.0 ±0.15 マイクロ秒の間隔で適切な間隔で行われた問い合わせを受信したときに、99 パーセントの効率で抑制されなければなりません。

トランスポンダーで P1 の 2μs 後に P2 パルスを検出してそれに応じて動作するという要件は、新しく改良された TSO C74c 仕様から削除されました。

ほとんどの「最新」トランスポンダー (1973 年以降に製造) には、「SLS」回路があり、これは、受信機振幅弁別器の MTL 最小トリガー レベルしきい値 (P1->P2 または P2->P3 または P3->P4) を超える、2.0 マイクロ秒間隔の任意の質問における 2 つのパルスの受信時に応答を抑制します。このアプローチは、元の C74c に準拠するために使用されましたが、新しく改良された C74c の規定にも準拠しています。

FAA は、新しい改良型 TSO C74c 準拠トランスポンダーがモード S 互換レーダーおよび TCAS に応答しない問題を「Terra 問題」と呼んでおり、長年にわたってさまざまな時期に、予測できないスケジュールでさまざまなトランスポンダー製造業者に対して耐空性指令 (AD) を発行してきました。ゴーストとリング アラウンドの問題は、より最新のレーダーで再発しています。

最近では、こうした影響に対処するために、ソフトウェア ソリューションに重点が置かれています。最近の空中衝突の直接的な原因は、こうしたソフトウェア アルゴリズムの 1 つである可能性が非常に高いです。1 機の飛行機が、ATC 管制官が指定した高度ではなく、飛行前に提出された飛行計画書どおりの高度を表示していたことが報告されたためです (レーダーの動作に関する以下の参考資料、ATC 管制飛行機乗客調査に含まれるレポートと観察を参照してください)。

米国の ATCRBS トランスポンダーの性能基準の誤りについては、以下の参考セクションを参照してください。

現場トランスポンダーに関する FAA 技術者の調査については、以下の参考セクションを参照してください。

ビーコンコードと高度は歴史的にはターゲットの横にあるレーダースコープにそのまま表示されていましたが、近代化によりレーダーデータプロセッサがフライトデータプロセッサ（FDP）に拡張されました。FDPはビーコンコードをフライトプランに自動的に割り当て、そのビーコンコードを航空機から受信すると、コンピューターはそれをフライトプラン情報と関連付けて、航空機のコールサイン、航空機の次の航法フィックス、割り当てられた高度と現在の高度など、ターゲット付近ですぐに役立つデータをデータブロックに表示します。ただし、ATCRBSは航空機の方向を表示しません。^[1]

モード S またはモード セレクトは、モードとも呼ばれますが、実際には ATCRBS を完全に置き換えることを目的とした、大幅に改良されたシステムです。いくつかの国ではモード S が義務付けられており、米国を含む他の多くの国では、このシステムを採用して ATCRBS を段階的に廃止し始めています。モード S は、既存の ATCRBS 技術と完全に下位互換性があるように設計されています。

モード S は、ATCRBS の代替トランスポンダー システムと呼ばれていますが、実際には、ATCRBS トランスポンダー測位装置 (レーダーおよび TCAS) を補強するために使用できるデータ パケット プロトコルです。

モード S の大きな改善点の 1 つは、一度に 1 機の航空機を照会できる点です。従来の ATCRBS 技術では、照会ステーションのビーム パターン内のすべての航空機が応答します。複数の照会ステーションがある空域では、航空機の ATCRBS トランスポンダーが過負荷になる可能性があります。一度に 1 機の航空機を照会することで、航空機トランスポンダーの作業負荷が大幅に軽減されます。

2 つ目の大きな改善点は、方位精度の向上です。PSR と旧型の SSR では、航空機の方位は半分割 (重心) 方式で決定されます。半分割方式は、レーダー ビームが航空機の位置を通過するときに、航空機からの最初の応答と最後の応答の方位を記録することによって計算されます。次に、開始方位と終了方位の中間点が航空機の位置として使用されます。MSSR (モノパルス二次監視レーダー) とモード S では、レーダーは 1 つの応答の情報を使用して方位を決定できます。これは、アンテナ要素の和と差によって決定される航空機応答の RF 位相に基づいて計算され、モノパルスと呼ばれます。このモノパルス方式により、優れた方位分解能が得られ、ディスプレイからターゲットのジッターが除去されます。

モード S システムには、より幅広い情報交換を可能にする、より堅牢な通信プロトコルも含まれています。2009 年現在、^[update]この機能はヨーロッパ全域で義務化されつつあり、一部の国ではすでにその使用が義務付けられています。

ダイバーシティ モード S トランスポンダーは、空対空の監視および通信を改善する目的で実装できます。このようなシステムでは、航空機の上部と下部に 1 つずつ、合計 2 つのアンテナを使用します。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 チャネルと信号処理チャネルも用意する必要があります。このようなダイバーシティ システムは、設置構成において、下部にアンテナが取り付けられた単一のシステムによって生成されるパフォーマンスと比較して低下することはありません。

モード S は、アップリンク周波数とダウンリンク周波数 (1030 MHz と 1090 MHz) の両方における周波数輻輳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 サービスのカバレッジが広いため、一部のレーダー サイトでは、近くの他のレーダー 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ー応答を受信します。この結果、FRUIT ( False Replies Unsynchronous In Time [1]) が発生します。これは、質問に対応しない応答を地上局で受信することを意味します。この問題は、個々の航空機が衝突を回避するために相互に質問するTCASなどのテクノロジの普及とともに悪化しています。最後に、テクノロジの改善によってトランスポンダーがますます手頃な価格になり、今日ではほぼすべての航空機に装備されています。その結果、SSR に応答する航空機の数が増加しました。デフルータ回路は、ディスプレイから FRUIT をクリアします。

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 アドレスを航空機に割り当てることによって、これらの^{[どれ？ ]}問題を軽減しようとします。^{[要出典]次に、航空機を}選択したり、他の航空機が応答しないように問い合わせたり できるメカニズムを提供します。

このシステムには、トランスポンダーとの間で任意のデータを転送するための規定もあります。^{[引用が必要]モード S のこの側面により、TCAS 2、交通情報サービス (TIS)、}自動従属監視ブロードキャストなど、他の多くのテクノロジの基盤となっています。^{[引用が必要]}

• 航空電子工学における頭字語と略語

• モード S の物語: 航空管制データリンク技術 (2000 年 12 月 15 日) - MITリンカーン研究所におけるモード S の開発の物語
• EUROCONTROL モード S および ACAS プログラム - 欧州モード S および ACAS 実装調整プログラムのホームページ
• FAA TSO C74c (1973 年 2 月 20 日) - 米国における ATCRBS トランスポンダーの最低性能基準 (履歴)
• FAA 管制官 レーダーの仕組みを研究
• 「The Terra Problem」の詳細 (2016 年リンク切れ)
• モード S AIS-P のストーリー: 航空管制測位技術の強化 - TailLight コンソーシアムにおける AIS-P 開発のストーリー
• AlliedSignal Aerospace (1996) Bendix/King KT76A/78A ATCRBS トランスポンダー メンテナンス マニュアル(Rev. 6) (2016 年リンク切れ)
• RTCA/DO-181C、2001 年 6 月 12 日:「航空交通管制レーダー ビーコン システム/モード選択 (ATCRBS/MODE S) 航空機搭載機器の最小運用性能基準」

• アシュリー、アラン (1960 年 9 月)。ATC レーダー ビーコン システムによる高度報告の研究 (レポート)。ニューヨーク州ディア パーク: 航空計器研究所。レポート 5791-23。（59ページ）
  • 一般向け要約: 「ATC レーダー ビーコン システムによる高度報告の研究」。技術レポートの統合概要: 一般配布。1957 ～ 1962 年 (概要)。第 1 巻。ワシントン DC: 連邦航空局。1963 年 1 月。45 ページ。
• アシュリー、アラン (1961 年 12 月)。「ATCRBS による自動高度報告のコード構成」。IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics。ANE - 8 (4)。メルヴィル、ニューヨーク、米国: 無線技術者協会: 144–148。doi : 10.1109 /TANE3.1961.4201819。eISSN 2331-0812。ISSN  0096-1647。S2CID 51647765  。（5ページ）
• 「1983 パイオニア賞」。IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems。AES -19 (4)。IEEE : 648–656。1983 年 7 月。doi :10.1109/TAES.1983.309363。2020 年 5 月 16 日にオリジナルからアーカイブ。2020 年5 月 16 日に取得。[…] IEEE Aerospace and Electronic Systems Society のパイオニア賞委員会は、[…] Allan Ashley、[…] Joseph E. Hermann、[…] James S. Perry、[…] の 3 名を、彼らの非常に重要な貢献を認めて 1983 パイオニア賞受賞者に選出しました。「音声およびデータ無線通信とエレクトロニクスの最先端の進歩に対して」この賞は、1983 年 5 月 18 日に NAECON で授与されました。[…]（9ページ）

• 「航空電子工学」は、 1963 年のRREシステムに関する 1971 年のFlight の記事です。