Лекция 5 система за вторична радиолокация

Към допълнителната информация за въздухоплавателните средства се отнасят данните за номера на полета, барометричната височина, остатъка от гориво и др. Тази информация, заедно с координатната такава се получава чрез запитващо устройство и приемник, разположени в наземна РЛС и приемно и отговарящо устройства, разположени на борда на самолета.

Съвкупността от наземното запитващо и бордовите отговарящи устройства, обединени с каналите за връзка, се нарича СИСТЕМА ЗА ВТОРИЧНА РАДИОЛОКАЦИЯ (СВРЛ), която е основно средство за получаване на информация в автоматизираните системи за УВД, наред с първичните радиолокационни станции (ПРЛС).

СВРЛ имат съкратено наименование ATCRBS – Air Traffic Control Radar Beacon Sistem. Принципът им на действие е основан на използването на метода на активната радиолокация (фиг.1.).

Антената на вторичната РЛС (ВРЛС) се върти по азимут и има тяснонасочена в азимуталната плоскост диаграма на насоченост (ДНА). Запитващото устройство излъчва чрез антената на честотата на запитването (f_ЗАП = 1030 MHz) кодирани запитващи импулси. Тези импулси се приемат от приемниците на борда на всички подвижни обекти, намиращи се в зоната на действие на запитващото устройство.

Отговарящото устройство на борда на подвижния обект има ненасочена ДНА. Приетите запитващи импулси се декодират и се формират кодирани отговарящи сигнали за установяване на исканата от запитвача информация. Кодираните отговарящи сигнали, носещи координатната и исканата допълнителна информация, се излъчват на носеща честота f_ОТГ = 1090 MHz от същата антена, с която са приети кодираните запитващи импулси.

Приемното устройство на ВРЛС на земята приема отговарящите сигнали от всички подвижни обекти, които са запитани. След декодиране и обработка координатната и исканата допълнителна информация се изобразяват на индикатора и на цифрово табло.

В качеството на запитвач се използва вторична РЛС, която по принципа си на действие и функционалната си връзка с първичната РЛС може да бъде автономна или вградена в първичната РЛС.

Ако ВРЛС е автономна, тя обикновено работи съвместно с ПРЛС. Техните антени се въртят синхронно и синфазно, а запитващите импулси на ВРЛС са синхронизирани със сондиращите радиоимпулси на ПРЛС.

Вградената ВРЛС използва част от апаратурата на ПРЛС, а антените им са монтирани на една обща основа (въртяща се платформа).

КОДЪТ е съвкупност от импулси, разположени съгласно правила, установяващи съотношението между параметрите на тази съвкупност и информацията, предавана чрез нея.

За импулсните ВРЛС в качеството на кодиращи признаци, отличаващи сигналите помежду им, могат да се използват практически всякакви параметри на радиосигнала в определена комбинация, например:

• 
  продължителност на импулсите;
  
• 
  количество на импулсите;
  
• 
  временно разстояние (закъснение) между импулсите;
  
• 
  носеща честота и фаза;
  
• 
  наличие или отсъствие на импулси на определена позиция и др.
  

Известно е, че колкото е по-голям броят на импулсите в кода, толкова е по-малка вероятността някой да набере точно този код, т.е. по-малка е вероятността за лъжливо запитване или отговор като комбинация. Обаче при това е необходимо да се има предвид, че нарастването на броя на импулсите в кода увеличава вероятността за подавянето му от смущения в случай на наслагване на импулсите на смущението върху импулсите на кода. В такъв случай за непреминаване на кода е достатъчно да бъде подавен макар и само един импулс от кодовата комбинация. Затова е необходимо да се избере код, който има необходимата вероятност за преминаване при допустимо ниво на лъжливите сигнали в прогнозираните шумови условия.

В СВРЛ се използват два вида кодиране: време-импулсно и позиционно.

ВРЕМЕ-ИМПУЛСНОТО (ИНТЕРВАЛНО-ВРЕМЕННОТО) КОДИРАНЕ се използва в наземния запитващ канал на ВРЛС. При този метод за кодиране на всяко значение на информацията, подлежаща на предаване, се присвоява свой временен интервал между импулсите в кода. Броят на вариантите в запитващите сигнали е неголям (запитване за номер на полета, за височина и остатък от гориво), затова в запитващия канал се използва ДВУИМПУЛСЕН КОД.

ПОЗИЦИОННОТО КОДИРАНЕ се използва в отговарящия канал, т.к. предаваната информация е значително по-голяма, при това обемът от информация е постоянен. При позиционното кодиране значението на кода се определя от мястото (позицията ) на разположението на символите на кода на временната ос. Позиционният метод е удобен за кодиране защото носителят на отговарящата информация е число (десетично или двоично), например номерът на полета, височината в метри или футове, остатъкът от гориво в литри.

За представяне на тези числа се използва позиционната система за смятане, в която значенията на разрядите на числата зависят от мястото, определено за всяка от цифрите при записване на числото.

Като пример ще разгледаме десетичната и двоичната позиционна системи.

В най-общ вид записът за което и да е десетично число е следният:

x = a_n . 10ⁿ + a_n-1 . 10^n-1 + … + a₁ . 10¹ + a₀ . 10⁰ + a_-1 . 10^-1 + …+ a_-n . 10^-n,

където а е един от базисните символи (цифри 0, 1, 2, ... 9).

По аналогичен начин може да бъде записано всяко число и в друга система за смятане, т.е. при друга основа. При наличие на два базисни символа се говори за двоична система за представяне на числата:

x = a_n . 2ⁿ + a_n-1 . 2^n-1 + … + a₁ . 2¹ + a₀ . 2⁰ + a_-1 . 2^-1 + …+ a_-n . 2^-n,

където а е един от базисните символи (цифри 0 или 1).

При кодиране на отговарящата информация се използва т.н. двоично-десетична система.

Цялата допълнителна информация от борда на самолета се представя в десетична система. В наземната апаратура изобразяването на тази информация също трябва да се представи в десетична система като най-удобна за възприемане, оценка и използване от оператора.

За предаване от борда тя трябва да бъде закодирана. Кодирането и разкодирането на десетични числа технически е многократно по-сложно, отколкото при двоичните. Затова предварително допълнителната информация се преобразува от десетична в двоична система, като ВСЕКИ РАЗРЯД НА ДЕСЕТИЧНОТО ЧИСЛО (всяка една цифра в него) СЕ ПРЕДСТАВЯ В ДВОИЧНО ЧИСЛО ПООТДЕЛНО. Например:

3 4 5	–	011	100	101
		3	4	5

Удобството за предаване на информацията в двоично-десетичен код се състои в това, че отсъства необходимостта от пресмятане на цялото десетично число в двоично и обратно, за което би било необходимо в отговарящото устройство на самолета да има специално електронно-сметачно устройство.

Всяко десетично число се представя в двоичен код в определен брой разряди. Количеството значения на дискретната информация N, което може да бъде представено в двоичен код в зависимост от неговата разрядност m, може да бъде пресметнато по формулата:

N = 2^m.

Така например за представяне на числата от 0 до 7 (N = 8), необходимият брой разряди е m= 3; за предаване на числата 8 и 9 вече ще е необходим още един разряд.

При предаване на позиционния код на двоичното число на всеки от неговите разряди трябва да бъде присвоено място (позиция). Възможни са два метода за представяне на позиции за предаване на двоични числа: метод на пасивната пауза и метода на активната пауза.

При МЕТОДА НА ПАСИВНАТА ПАУЗА на всеки разряд се предоставя една временна позиция. Единицата се представя с наличието на импулс на тази позиция. Нулата се представя с отсъствието на импулс на същата позиция, например за числото 4 в четиризначен код ще имаме:

При МЕТОДА НА АКТИВНАТА ПАУЗА на всеки разряд на двоичното число се предоставят две позиции. Едната от позициите е предназначена за предаване на нулите, а втората – за предаване на единиците. За същото число 4 в 4-значен двоичен код ще имаме:

Продължителността на импулсите в запитващите кодове по нормите на ICAO е 0,7 – 0,9 μs. Сигналите за запитване могат да бъдат кодирани с четири кода (фиг.2).

Фиг. 2. Структура на международните запитващи кодове

A, B – запитване за номер на полета;

C – запитване за височина;

D – резервен (за използване в перспективни СВРЛ).

Всеки от горепосочените кодове задължително се състои от два информационни импулса Р1 и Р3, като временният интервал между тях определя смисловото съдържание на запитването. Кодовете А и В са предназначени за опознаване на летателния апарат При запитване с тези кодове бордовото отговарящо устройство съобщава номера на полета на летателния апарат. С код С се извършва запитване за височината на полета. При запитване с този код бордовото отговарящо устройство съобщава текущото показание на барометрическия висотомер, отрегулиран на стандартно налягане на атмосферата от 1,013.10⁵ Ра. Код D е резервиран за използване в перспективни СВРЛ. На този етап неговото смислово съдържание не е уточнено. Използването на международните запитващи кодове А и С е задължително за всички съществуващи и нови СВРЛ.

В структурата на запитващите кодове като правило се включва и импулс Р2, задържан на 2μs спрямо Р1 и предназначен за подавяне на лъжливите запитващи сигнали, излъчвани по страничните листове на ДН на антената.

Поредността на следване на запитващите кодове може да бъде зададена от програмно устройство на вторичния радиолокатор или от диспечера.

Кодовете на номерата на полетите според нормите на ICAO (четиризначни десетични числа) се назначават (присвояват) от диспечерите при излитане на самолетите или при влизането им в летищната зона от количеството кодове, отделени за дадено летище.
4. Структура на международните отговарящи кодови съобщения

Структурата на отговарящия код по нормите на ICAO е показана на фиг. 3

Фиг. 3. Структура на международните отговарящи кодове

Отговарящият код се състои от опорни импулси F1, F2 и информационни импулси, разположени между опорните.

Опорните импулси представляват координатния код. Те са предназначени за определяне на координатите (аналогично на сондиращите за ПРЛС сигнали) азимут и разстояние. Временният интервал между опорните импулси е 20,3 μs.

На 4,35 μs след импулса F2 е разположен специален импулс за опознаване – SP1. Излъчва се в отговор на запитване по радиото от земята в течение на 10 – 30 s. Този сигнал се различава от другите и служи за идентификация на единната координатна отметка и кода на номера на полета на екрана на индикатора.

Същинската информация за кода на номера или височината на самолета се предава чрез информационните импулси За тяхното формиране е приложен (използван) пасивният позиционен метод за кодиране (метод на пасивната пауза).

За обозначаване на кода на номера и височината се използват четиризначни десетични числа. Затова отговарящият код има четири декади, обозначени със символите А, B, С, Д.

Всяка декада има три позиции за трите разряда на двоичното число: А1, А2, А4; В1, В2, В4; С1, С2, С4; Д1, Д2, Д4. Освен тези дванадесет позиции, точно в средата на кадъра F1F2, има още една, тринадесета, позиция X, която на този етап не се използва.

Временният интервал между позициите е 1,45 μs. Продължителността на импулсите в отговарящия код е 0,45 ± 0,1 μs. Разликата в мощността им трябва да е не повече от 1 dB.

ЕДНИ И СЪЩИ ПОЗИЦИИ НА КОДА СА ПРЕДНАЗНАЧЕНИ ЗА КОДИРАНЕ НА ИНФОРМАЦИЯ ЗА КОДА НА НОМЕРА НА ПОЛЕТА И ЗА НЕГОВАТА ВИСОЧИНА.

*За обозначаване на кода на номера на полета се използва десетично-двоичен код, при който десетичните цифри се предават в двоична система. Декадата А (А1, А2, А4) е за предаване на цифрите, означаващи хиляди, В (В1, В2, В4) – стотици, С (С1, С2, С4) – десетици и Д (Д1, Д2, Д4) – единици.

С трите позиции (разряди) на двоичното число във всяка декада могат да се предадат ОСЕМ цифри: от 0 до 7. Затова най-големият номер на полета може да бъде 7777. Т.к. с триразряден код предаването на цифрите 8 и 9 е невъзможно, то максимално възможният брой на номерата на полетите се намалява от 7777 на 4096.

В отговор на запитващите кодове А и В е предвидена възможност за предаване и на специални съобщения от борда на летателния апарат: за аварийно състояние – 7700; за отсъствие на радиовръзка – 7600; за незаконна намеса в действията на екипажа – 7500. Кодовете 0000 и 2000 са запазени за регионално използване. Всички горепосочени кодове не могат да бъдат използвани за предаване на номер на полета.

Символите на двоичните числа 0 и 1 се предават по метода на пасивната пауза, т.е. само с предаване на символа 1. Значението на символа 0 се обозначава с отсъствие на импулс на възможните позиции.

При предаване на кода на номера на полета отляво надясно вървят младшите разряди в декадите. Така цената на разрядите във всяка декада е: А1 – 1000; А2 – 2000; А4 – 4000; В1 – 100; В2 – 200; В4 – 400; С1 – 10; С2 – 20; С4 – 40; Д1 – 1; Д2 – 2; Д4 – 4.

* Значенията на височината на полета постъпват в отговарящото устройство от барометрическия висотомер във вид на аналогов електрически сигнал. Той се преобразува в двоичен код в преобразувател “напрежение – код” (аналого-цифров преобразувател – АЦП), влизащ в състава на шифратора под името “преобразувател на височина”.

При набиране на височина и снижаване височината е сравнително бързо изменящ се параметър. В тези условия обикновеният двоичен код за предаване на информация за височината е недостатъчно устойчив. При изменение на десетичната цифра в декадата с една единица се изисква в някои случаи изменението едновременно на повече разряди на двоичното число в съответната декада. Така, например, при предаване на осем значения на десетичните числа (от 0 до 7) в двоичните числа трябва да бъдат изменени по два разряда при преминаване от 1 към 2 (001 – 010) и от 5 към 6 (101 – 110) и три разряда едновременно при преминаване от 3 към 4 (011 – 100). Преходните процеси в системата и възможното наслагване един върху друг във времето кодове от други близко летящи самолети, могат да предизвикат грешки (неправилно изменение на двоичното число в този разряд, в който трябва да се извърши промяна на символа). Затова, например, при преминаване от 3 към 4, по принцип е възможно образуването на който и да е от кодовете 000 до 111. Това на свой ред би довело до големи грешки в значението на височината, особено ако се случи в старшите декади.

Във връзка с това за предаване (кодиране) на височината се използва СПЕЦИАЛЕН КОД НА ГИЛЛХЕМ, представляващ съвкупност от рефлексен тридекаден код на Грей и специален триразряден рефлексен код с цифров капацитет 5 единици с градации по 100 фута (30,48m). Този код, както и натуралният двоичен код, се образува с помощта на символите 0 и 1, като СЪСЕДНИТЕ ПО ГОЛЕМИНА ЧИСЛА СЕ РАЗЛИЧАВАТ САМО С ЕДНА ПОЗИЦИЯ (таблица 1)

Таблица1

Десетично число	0	1	2	3	4	5	6	7
Натурален двоичен код	000	001	010	011	100	101	110	111
Натурален код на Грей	000	001	011	010	110	111	101	100
Огледален код на Грей	100	101	111	110	010	011	001	000

В този случай при грешка даже в старшия разряд на числото (например вместо 010 се е образувало 110), грешката в значението на височината не може да бъде повече от една градация (в случая вместо 3 се е образувало 4 по натуралния код на Грей).

* Кодът на Гилхем представлява съвкупност от натуралния код на Грей и огледалния код на Грей.

* Натуралният код на Грей се образува с помощта на символите 0 и 1. За да се запише десетичното число (например, 7), във вид на натуралния код на Грей са необходими три стъпки:

1) десетичното число 7 се представя в натурален двоичен код:

7 – 111;

111 – 11;

3) извършва се поразрядно сумиране на натуралния неизместен двоичен код с изместения такъв без пренос на разряд в разряд

111

100

* За да се определи кое десетично число е записано в натурален код на Грей, е необходимо да се определи теглото на разрядите, в които е записана 1 и техния знак, а след това да се извърши тяхното алгебрично сумиране в десетичен код.Теглото на разрядите, в които е записана 0 е равно на нула.

Q_i = 2ⁱ – 1,

където i е номер на разряда.

Знакът на теглото на разряда се определя по следното правило. Ако, започвайки от i-тия разряд включително и наляво от него, броят на единиците е четно число, знакът на разряда е минус (-); в противен случай – плюс (+).

Пример: Кое десетично число е записано с натуралния код на Грей 101?

1) За младшия (първи) разряд:

Q₁ = 2¹ – 1 = 1.

Брой единици вляво от 1 разряд включително: 2 (четно) – знак минус (-).

2) За втори разряд: Q₂ = 0

3) За трети разряд: Q₃ = 7

Брой единици вляво от 3 разряд включително: 1 (нечетно) – знак плюс (+).

След сумиране на теглото на трите разряда, получаваме:

x = (-1) + (0) + (+7) = 6.

* Огледалният код на Грей се образува, като от числото 7 се извади търсеното число и резултатът се записва в натурален код на Грей.

За записване на информацията за височината се използват четири декади – Д, А, В, С. От тях декада Д е старша, а декада С е младша. Декадите А, В и С са триразрядни като се обозначават съответно – А1, А2, А 4; В1, В2, В4; С1, С2, С4. Младши разряди в декадите са А4, В4, С4. Старши разряди са А1, В1, С1.

Декада Д също има три разряда, но се използват само два – Д2 и Д4. С двата разряда на декада Д може да се запише всяко число от 0 до 3. Записът се извършва само в натурален код на Грей. Старшият разряд Д1 не се използва защото максималното значение на предаваната височина е 30000 метра. Значението на декада Д (Д2 и Д4) равно на 3, съответства на 3 х 10000 метра височина на полета.

* В декадите Д, А и В информацията се кодира с рефлексен тридекаден код на Грей.

* В декада С, информацията се кодира с рефлексен триразряден код на Грей.

* С трите разряда на декадите Д, А, В, може да се запише по едно число от 0 до 7. Те може да се запишат и с рефлексен код.

* В декада С, числото 7 се записва като число 5, а вместо числото 6 се записва 0.

В съответствие с максималното значение на десетичното число, което може да се запише във всяка декада, ЦИФРОВИЯТ КАПАЦИТЕТ на всяка декада ще бъде:

• 
  декада Д – три единици с градация на всяка единица по 32000 фута;
  
• 
  декада А – седем единици с градация на всяка единица по 4000 фута;
  
• 
  декада В – седем единици с градация на всяка единица по 500 фута;
  
• 
  декада С – пет единици с градация на всяка единица по 100 фута.
  

• 
  декада Д – 32000 : 100 = 320 градации;
  
• 
  декада А – 4000 : 100 = 40 градации;
  
• 
  декада В – 500 : 100 = 5 градации;
  
• 
  декада С – 100 : 100 = 1 градация.
  

3 х 320 + 7 х 40 + 7 х 5 + 5 х1 = 1280 градации.

При записване на информацията за височината запълването на декадите се извършва в съответствие с градациите и цифровия капацитет на всяка декада. Например, в декада С с градация 100 фута с цифрите от 0 до 7 (напомняме, че в тази декада числата 5 и 6 отсъстват, а числото 7 се счита за число 5), представени в натурален или огледален код на Грей, се записва височина от 0 до 500 фута.

След запълването на декада С, значението на височината 500 фута се предава в декада В като една градация, т.е. като число 1. При това декада С се освобождава и е готова за записване на следващите 500 фута и т.н.

Всяка височина на полета съответства на определена структура на отговарящия код. Например, за височина 10000 метра тя ще бъде:

Алгоритъмът за разчитане на записаната в този отговарящ код височина включва следните стъпки:

1) Определяне на числата записани в четирите декади. При това се счита , че те са записани в натурален код на Грей.

Д: 001 = 1;

А: 100 = 7;

В: 110 = 4;

С: 001 = 1.

2) Определяне на вида на кода, с който са записани числата в декадите.

Ако в старшата декада е записано четно число, то в предидущата младша декада числото е записано в натурален код на Грей.

Ако в старшата декада е записано нечетно число, то в предидущата младша декада числото е записано в огледален код на Грей.

В нашия случай в декада Д е записано числото 1, което е нечетно. Следователно в декада А числото 100 е представено в огледален код на Грей.

За преминаване от огледален в натурален код на Грей (за декада А) е необходимо от числото 7 да се извади получилото се в декадата число по т. 1) от алгоритъма (считайки, че то е било записано в натурален код на Грей).

И така, в декада А ще имаме 7 – 7 = 0 записано в натурален код на Грей.

След като числото в декада А е 0 (по т. 2), т.е. то е четно число, в декада В числото е в натурален код на Грей, т.е. остава 4 (четно).

Следователно в декада С остава по същото правило числото 1.

Ако се окаже, че в декада С числото е записано в огледален код, то при преминаване от огледален в натурален код в тази декада е необходимо от числото 6 да се извади числото, което се е определяло в декада С като в натурален код.

3) Изчисляват се градациите по 100 фута всяка:

1 х 320 + 0 х 40 + 4 х 5 + 1 х 1 = 341 градации по 100 фута всяка.

При техническото обслужване на отговарящото устройство с цел проверка на неговата работоспособност, определянето на височината в съответствие със структурата на отговарящия сигнал се извършва по специални таблици.
ЛИТЕРАТУРА:

1. В. Г. Лаптев, Н. Т. Тучков. Трассовые первичные РЛС и системьi вторичной РЛ. Учебное пособие. Ленинград, 1981.

2. 
   Давыдов П. С., Сосновский А. А., Хаймонович И. А. Авиационная радиолокация. Справочник. 2001.