ATC空中交通管制应答机

第七章空中交通管制应答机7.1空中交通管制雷达系统的基本工作原理7.2常规应答机的基本工作原理7.3S模式系统用途空中交通管制应答机（ATCTRANSPONDER）是空中交通管制雷达信标系统（ATCRBS）的机载设备，它的功用是与地面二次雷达相配合，向地面管制中心报告飞机的识别代码和飞机的气压高度。一、空中交通管制的概念空中交通管制：机场终端区空域的空中交通管制与航路（走廊）的空中交通管制。机场终端区的空中交通管制范围：通常为以机场为中心的大约150km范围中的空中交通管制。目的：有秩序地组织和实施空中交通，保持飞机之间的安全间隔，防止飞机相撞，同时提高终端区空域的利用效率。二、空中交通管制的目的和任务：（1）保证一切飞机的飞行活动，随时受地面指挥调度的管制，严格按计划（航线和高度）飞行。（2）有效地利用空间，保证空中交通有秩序地进行。（3）保证准确与安全的导航勤务，防止飞机在空中相撞或与地面障碍物相撞。（4）提供有助于保障飞行安全的有效信息和情报，识别进入航管区域飞机的有关参数据和代号，以便及时采取必要措施。三、空中交通管制系统：广义讲，它包括地面的各种监视雷达和飞机上的应答机，以及有关的通信、导航设备，而对从事航空电子人员来说，“空中交通管制“这个术语仅狭义地单指飞机上的“空中交通管制应答机”四、空中交通管制雷达系统中交通管制雷达系统包括：一次监视雷达(PSR)和空中交通管制雷达信标系统（ATCRBS）—航管二次监视雷达系统.通常，把地面二次监视雷达简称为二次雷达，而把机载应答机称为应答机。一次监视雷达PSR工作方式：一次监视雷达（PSR）是依靠目标对雷达天线所辐射的射频脉冲能量的反射而探测目标的。一次监视雷达的天线以一定速率在360°范围内旋转扫掠，把雷达发射信号形成方向性很强的波束辐射出去。提供信息：距离、方位一次雷达的优点：可在雷达荧光屏显示器上用光点提供飞机的方位和距离，不管飞机上是否装有应答机，都能正确地显示，故仍为空中交通管制不可缺少的设备。缺点：不能识别飞机的代号和高度，且反射回波较弱，易受固定目标的干扰。二次雷达SSR美国称其为空中交通管制雷达信标系统，简称航管雷达信标系统（ATCRBS）工作方式：由地面二次雷达——询问器与机载应答器配合，采用问答方式工作。两次有源辐射：二次雷达系统必须经过两次有源辐射（询问与应答各一次），才能实现其功能。提供信息：飞机识别码、气压高度和一些紧急告警信息，如飞机发生紧急故障、无线电通讯失效或飞机被劫持等。工作频率：二次监视雷达的发射信号频率与接收频率不等，其询问发射频率为1030MHz，接收频率则为1090MHz。这就是通常所说的L波段。SSR（实例）地面二次雷达与一次雷达系统在同时装备有二次雷达与一次雷达的空中交通管制系统中，通常总是使二次雷达与一次监视雷达协同工作的。二次雷达的条形天线安装在一次雷达天线上方，二者同步扫掠，见图7－1。二次雷达与一次雷达共用定时电路与显示终端，以实现同步工作。雷达信标系统简化方块图虚线表示航路管制区，双线表示航路和走廊，中央双图形表示，机场跑道位置年和方向，航路上小点代表导航台的位置，其他小点为地标。一种实际航管雷达显示器二次雷达的优点（1）不受目标有效反射面积的限制，回答脉冲比一次雷达回波强很多。（2）询问和回答信号的格式和频率是不同的，消除了地面杂波和气象反射的干扰；（3）能够用事先编排好的代号为多达4000多架飞机进行准确的识别和特殊的位置识别。（4）能够提供准确的飞机即时飞行高度。（5）在收到旁瓣抑制（SLS）信号时，抑制应答机的回答，避免荧光屏上出现假信号。二次雷达的询问信号地面二次雷达发射的是射频脉冲信号。这种信号由间隔不同的脉冲对信号组成。脉冲信号的脉冲编码方式称为询问模式。A模式的询问用来识别空中飞机的代号。B模式用来识别民航飞机的代号（现尚未分配）C模式的询问用来识别飞机的高度。D模式尚未分配。ATCRBS的询问信号（模式）图中画出了一对脉冲P1与P3，实际上在P1脉冲之后还有一个幅度较小的P2脉冲，它的作用将在旁瓣抑制一段中说明。模式A的脉冲间隔为8μs，C模式为21μs，各模式脉冲的脉冲宽度为0.8μs。7.1.5机载应答机的应答信号——识别码与高度码机载应答机在收到地面二次雷达的有效询问信号后，将根据询问模式产生相应的应答发射信号。当地面二次雷达所发射的是A模式的识别询问时，应答机产生识别码应答信号；对于C模式高度询问，则回答飞机的实时气压高度编码信息。有效询问信号，(1)指在规定范围中地面二次雷达的主瓣询问信号，(2)询问模式与应答机置定模式相符合，即应答机只对事先约定的识别询问模式产生识别应答信号。P179图7-8高度询问模式C，在应答机控制盒上的高度报告开关（ALT）置于接通位的情况下，应答机是自动应答的。P179图7-8一、应答信号的格式频率、脉冲宽度和间隔：应答机产生的识别应答信号或高度应答信号的频率与脉冲宽度是相同的：都是1090MHz，脉冲宽度为0.45us的脉冲编码信号。应答脉冲的宽度为0.45μs，间隔为1.45μs的整数倍。如图7－5所示但识别应答信号与高度应答信号所采用的编码方式和内容是不同的。应答信号的格式如图7－5所示。应答信号由信息脉冲和两个帧脉冲等组成。信息脉冲共有12个，分为A、B、C、D四组，每组三个脉冲。分别为A1、A2、A4，B1、B2、B4，C1、C2、C4，D1、D2、D4。这12个脉冲在应答脉冲序列中的排列顺序为C1、A1、C2、A2、C4、A4、B1、D1、B2、D2、B4、D4。帧脉冲F1、F2为应答信号的标志脉冲，不表示信息内容，用以容纳信息脉冲。不论应答内容如何，帧脉冲F1、F2总是存在的。SPI脉冲在帧脉冲F2之后的4.35μs处，可能会出现一个特别位置识别脉冲——SPI脉冲。它是在飞行员按下应答机控制合面板上的识别（IDENT）按钮后出现在应答脉冲序列中的。P179图7-8当对A模式询问作回答时，驾驶员根据地面要求短时按下此按钮，则导致应答机在回答编码中加发这个识别脉冲15——30秒，因而使地面航管中心荧光屏上该飞机标志显示特别亮（或显示目标中心向外扩散的同心圆环），给调度指挥人员获得该飞机当时的位置和特别显示。二、识别询问与识别应答码对于有效的识别询问（模式A的询问），应答机自动地应答飞机的识别码。识别码是空中交通管制中用于表明飞机身份的代码，由空中交通管制部门指定。识别码为四位八进制码。飞行员可利用应答机控制盒面板上的识别码设定旋钮来设定识别码。12个信息脉冲的编码状态,每个脉冲都有1和0两种状态,12个信息脉冲共有212=84=4096个识别代码.把12个信息脉冲分成A,B,C,D四组,每组表示四位识别码中的一位.A组表示第一位,B组表示第二位,C组表示第三位,D组表示第四位.四组脉冲从高到低的顺序是ABCD.这一顺序与脉冲在实际脉冲串中的位置顺序不同.每组脉冲都可以有三个信息脉冲,用三个信息脉冲表示八进制数.例如,控制盒上所设定的识别代码为7162,A组码为A1A2A4=111,B组码为1,B1B2B4=100,C组码为6,C1C2C4=011,D组码为2,D1D2D4=010.代码脉冲串为:A1C2A2C4A4B1D2.应答码中的一些码组7500、7600、7700等为空管部门指定的危急紧急代码7500_表示飞机被劫持7600_表示无线电通讯失效7700_表示飞机发生紧急故障.机载应答机的应答信号识别码：212=84=4096A4A2A1B4B2B1C4C2C1D4D2D1（0000~7777）高度码：（-1000~126700ft，每100ft）D1D2D4A1A2A4B1B2B4C1C2C4三、高度询问与高度应答码当应答机回答模式C的询问时，它的应答脉冲串表示飞机的气压高度信息。气压高度信息是由大气数据计算机提供的，由高度编码电路编码。虽然高度码也是包含在框架脉冲之间的信息脉冲组合，但其编码规则与上述飞机识别代码不同。在代表飞机高度信息时，四组信息脉冲也是分成A、B、C、D四组的，但四组脉冲的组成顺序和编码方式与识别代码不同。根据民用飞机的飞行高度，国际民航组织规定的高度编码范围是-1000至126700ft。规定高度编码的增量为100ft。这样，只需1278组高度编码，即只需利用4096种编码中的一小部分。为此，规定不用脉冲D1；C1和C4脉冲不能同时为1，但C组脉冲必须有一个为1。这样，D组脉冲有2个，可编4个码组；A组与B组各3个，可各编8个码组，C组则可编5个码组，总共可得到4*8*8*5=1280组高度码，可满足上述高度范围编码的要求。实际上，民航所使用的高度范围从-1000到62700ft就足够了，所以高度编码中的D2脉冲实际上也总是为零的。高度编码中的D、A、B组所采用的码制为格雷码，码组的增量为500ft；C组所采用的码制为为“五周期循环码”，可编成5个码组，增量为100ft。旁瓣抑制（SLS）目的：机载应答机只有在飞机被二次雷达天线主瓣照射时产生应答信号,接收到天线旁瓣信号时，不应答.以免在显示器上出现多个目标的错误显示.实现方法：采用三脉冲旁瓣抑制系统.（1）地面二次雷达所产生的询问信号有三个射频脉冲组成,其中P1与P3脉冲由方向性的天线辐射,旁瓣抑制脉冲P2则由无方向性的天线辐射。（2）控制P1,P3脉冲与P2脉冲的辐射功率比例,使得在方向性天线主瓣范围内的飞机所接收到的P1、P3脉冲幅度高于P2脉冲。（3）在机载应答机接收电路中设置有旁瓣抑制电路。电路对P1脉冲和P2脉冲的幅度进行比较。如果P1脉冲高于P2脉冲的幅度9dB,即表明飞机处于二次雷达天线的主波瓣法线方向上，产生应答信号；P2脉冲大于P1脉冲，则表明P1脉冲是旁瓣照射产生的，不产生应答信号；应答机在模糊区的应答概率随P1脉冲的增大而增大。7.2常规应答机的基本工作原理机载应答机系统7.2.1机载应答机系统机载应答机系统由应答机、控制盒及天线三个组件组成的。民用飞机通常装备两套相同的应答机，以保证对询问信号的可靠应答。二套应答机共用一个控制盒，由控制盒上的系统选择电门决定由哪一套应答机产生应答信号。一、应答机应答机安装在电子舱内。应答机面板上通常设置有故障指示器及自检按钮。故障指示器是用以表明收发组或天线系统是否存在或发生过故障。其中的天线故障显示器（ANT）在排除故障后，可按压复位按钮（RESET）使故障指示器复位。自检按钮（SELFTEST）用以在电子舱内对应答机进行自检。自检正常时，控制盒上的绿色信号灯亮。应答机在应答高度询问时的飞机高度信息，是由大气数据计算机提供的。两套大气数据计算机均可向正在工作的应答机提供数字式的气压高度信息。二、天线应答机的天线为L波段的短刀型天线。飞机上装有两部应答机天线。通过控制盒的系统选择开关街道所选定的应答辩机上。在有的飞机上，两部天线是分别供两部应答机使用的。天线安装在机身下部中心线的前段。应答机天线为无方向性天线，它在水平面内的方向性图为对称的圆。应答机天线与测距机天线是相同的，可以互换。。三、控制盒机载应答机使用一部控制盒来控制两部应答机的工作。在现代飞机上，应答机控制盒还同时用于控制防撞系统（TCAS）的工作。7.2.2应答机的性能与技术参数一方面要求应答机能对有效的询问信号进行正常的应答，产生参数符合要求的应答脉冲信号；另一方面，还要求应答机能够抑制旁瓣触发，抑制各种噪声和干扰信号的触发，以尽可能避免产生虚假应答。一、对接收电路的基本要求应答机的接收译码电路应能满足频率、询问模式、脉冲宽度、幅度等方面的要求。1、频率接收机的中心频率为1030MHz。2、接收机灵敏度典型应答机接收机的灵敏度为-76dBmW，一般为-69至-77dBmW。3、脉冲宽度鉴别接收机应能鉴别询问脉冲的宽度，滤除小于0.4μs的窄脉冲和大于1.5μs的宽脉冲，以避免被噪声及L波段的其他信号所触发。4、旁瓣抑制与应答抑制接收机应能鉴别脉冲的相对幅度，以抑制旁瓣询问。此外，当接收机判明一个正常询问后，还将接收机抑制