Nedostaci Primarnog Radara

Kada se pojavio klasični radar poznatiji kao Primarni Radar činilo se kao čudo što se po prvi put moglo detektirati brodove i zrakoplove na velikim udaljenostima i po noći. Nakon 2. Svjetskog rata pojavila se primjena primarnih radara u ATC svrhe, koji sa porastom prometa u zračnom prostoru više nisu bili dovoljni za taj posao i to zbog:

• Davali su samo dvodimenzionalnu poziciju zrakoplova, bez visine.
• Nepostojanje mogućnosti identifikacije odnosno određivanja “tko je tko” među velikim brojem ciljeva u malom zračnom prostoru, što su kontrolori tada najčešće određivali pomoću putanje leta cilja.
• Metode identifikacije koje su korištene često su bile podložne ozbiljnim pogreškama.
• Skoro polovina osmotrenih ciljeva na pokazivaču nisu bili kontrolirani zrakoplovi te je razdvajanje između “poznatih” i “nepoznatih” vodilo do velikih restrikcija u manevriranju.
• Uz zrakoplove na pokazivaču s pojavljivao i veliki broj odraza-smetnji od planina, prepreki, tornjeva, mostova itd.
• Bio je neophodan intenzivni radio kontakt sa pilotima u svrhu potvrđivanja potrebnih ATC elemenata poput visina / nivo leta / smjer / brzina itd.

Početci Sekundarnog radara

Oko 1950-55 zbog sličnih problema vojnog zrakoplovstva sa razlikovanjem prijateljskih od neprijateljskih zrakoplova, dodan je određeni tip poruke postojećoj informaciji primarnog radara, a koji se dobivao pomoću drugačijeg tipa uređaja. Taj uređaj postao je poznatiji kao Sekundarni radar koji u početku nije zamišljen kao radarski sustav nego tek kasnijim razvojem jer je osiguravao sredstva identifikacije mete na specifičnoj poziciji. Tako je taj novi uređaj mogao dati :

• 2-Dimenzionalnu poziciju PLUS Nivo leta zrakoplova što praktički odgovara 3-Dimenzionalnoj poziciji.
• Sredstva identifikacije pomoću podešavanja specifičnog signala od strane pilota, koji se zove SSR kod a koji tada kontrolor leta može vidjeti na svom pokazivaču. 

Uspjesi Sekundarnog radara

Od tada uspjesi SSR-a potvrđivani su na svakom koraku, a kada je tehnologija stupila u računalnu eru, SSR je postao središnjicom ATC sustava zbog velikog broja razloga :

• Osiguravao je čitljivu markicu pridodanu prikazu pozicije zrakoplova, a koja je sadržavala puni broj leta, nivo leta i ostale podatke poput Brzina, Smjer, Informaciju o destinaciji i podatke o koordinaciji.
• Pomagao je bržem i sigurnijem pračenju svih ciljeva u zračnom prostoru od strane računalnih sustava.
• Pokazao se i financijski povoljnim za opremanje velikog broja postaja.
• Mogao je pokriti velike udaljenosti.
• Tijekom analize signala, odbacivao je lažne odraze, te osigurao daleko čišći prikaz bez praktički i jednog neželjenog odraza šuma/smetnje.

Problemi sekundarnog radara 

Kontrolori leta bili su iznimno sretni za ovo tehničko dostignuće te se posao drastično pojednostavnio, do čega je i moralo doći jer stari primarni radar više nije mogao biti pouzdano oruđe u sve prometnijem zračnom prostoru. 

Ali, tehnologija je sama po sebi kompromis. Pod nekim određenim uvjetima, pojavili su se problemi sa SSR-om.... 

• Kada su zrakoplovi u velikoj blizini, njihovi se SSR odgovori mogu preklopiti, odnosno zemaljski se dekoder “zbuni” i tada dolazi do gubitka informacije. Taj izraz poznatiji je kao Garbling (Iskrivljeno prikazivanje)
• Kad ima puno SSR postaja u području “zrakoplovnih odgovora” primljenih od strane drugih SSR postaja koje nisu tražile taj odgovor, te informacije se primaju i izračunavaju kao valjane te stoga dolazi do konfuzije i na kraju do odbacivanja zbog pogreške. Taj fenomen zove se FRUIT i rezultat je činjence da zrakoplovni SSR odgovor ne prima samo postaja koja je poslala upit nego i sve ostale postaje koje se nalaze u okolici. Neočekivani odgovor tako dolazi do tih SSR-ova u istom području što rezultira krivim dekodiranjem i/ili nekonzistentnim mjerenjem pozicije, što dalje prisiljava računalo da odbaci tu SSR informaciju. Ukupni broj različitih SSR kodova koji se može dodijeliti različitim zrakoplovima je 4096 a sastoji se od 12 impulsa i čini se velikim ( rezultat od 8X8X8X8=4096 ) odnosno 2¹² (=4096 , za 12 impulsa za broj koji može imati dva stanja - impuls ON ili OFF ). Ali za praktičnu uporabu i sadašnje potrebe taj je broj već nedovoljan jer je veći broj rezerviran za razne jedinice i dolaske u različitim vremenima. Kada bi se isti SSR kod koristio u susjednim područjima, tada računalni sustavi imaju problem u alociranju 2 različita leta, što obično ne uspjevaju ili ih se mora redizajnirati da prihvačaju oba leta ali uvijek u zadanim i koordiniranim ograničenjima brojeva (code families)  

Nažalost dobra koordinacija susjednih ATC-a nije pravilo, i pravilna dodjela SSR kodova ne funkcionira čak i unutar susjednih jedinica. Izvedivost tehničkih dostignuća u teoriji nažalost u praksi ne funkcionira zbog neefektivnosti vlastitih ATC sustava i neharmoničnosti različitih tehnologija.

Monopulsni SSR 

Inžinjeri su pokušali riješiti Garbling problem 70-ih godina na taj način da barem unaprijede SSR u azimutnoj preciznosti. Sposobnost radara da razlikuje ciljeve po širini kuta snopa zračenja. Unatoč postojanju paraboličnih reflektora snop se ne fokusira točno u jednu liniju nego se raspršuje oko 2-3 stupnja u smjeru. Prirodno je da zrakoplovi koji se nađu na manjoj razlici neće biti viđeni kao dva različita zrakoplova od strane SSR-a, te će njihovi odgovori biti pomješani i izgubljeni.

Dostignuća tehnologije ovdje su dala rješenja pomoću kombinacije elektronike i matematike, odnosno analizom i usporedbom elemenata faze dolaska impulsa signala SSR odgovora. Kao rezultat računala povezanog sa SSR prijemnikom a koji analizira primljene signale, može se izmjeriti i detektirati azimutna razlika od oko 0.5 do 0.8 stupnjeva unutar 2 do 3 stupnja širine radarskog snopa. Ovo dostignuće smanjilo je Garbling efekt za skoro 90% kod starih konvencionalnih SSR-a . 

Sada kada je izračunatapozicija, nije se moralo ponovo isto prolaziti za sve impulse odgovora. U teoriji dovoljan je samo jedan impuls. Ova činjenica stvorila je ime Monopulsni SSR ili MSSR. U svakom slučaju ovo je smanjilo potrebu za višestruke odgovore! Stari SSR tražio je oko 450 odgovora u sekundi a Monopulsni mogao je obaviti isti posao sa oko 50 u sekundi smanjujući na taj način mogućnosti događanja FRUIT efekta. Novi SSR je konačno :

• Utrostručio azimutnu točnost naspram starih konvencionalnih SSR
• Smanjio Garbling i FRUIT efekt za oko 90% 

Točnost i smanjenje Garbling efekta dopustilo je i manju minimalnu separaciju. Trenutni višeradarski sustavi koji su promjenili svoje SSR-ove u MSSR-ove smanjili su minimalnu separaciju sa 10 NM u području kontrole na 5 NM i kod APP sa 5 NM na 3 NM. Kriteriji separacije ne ovise samo o kvaliteti SSR-a nego i o uvjetima višestrukog pokrivanja, omjeru osvježavanja podacima te metodama višestrukog pračenja koje nisu iste za sve sustave.

Nastanak Moda- S  

Primjena MSSR-a dala je daljnju nadu inžinjerima i projektantima. Postojale su neke stare ideje za koje se sad pružila prilika da se materijaliziraju. Zašto imati samo 2 elementa informacije sa SSR-a ili MSSR-a , odnosno Identitet i Nivo leta kad možemo prenijeti doslovce i bilo koju drugu informaciju? Zašto koristiti MSSR samo za primanje odgovora sa zrakoplova a ne također poslati poruku zrakoplovu? Drugim rječima, Podatkovna Veza Zrak-Zemlja (Air-to-Ground Data-Link) može postati realnost koja će nas spasiti od konstantne okupiranosti sve više rastućem radio kontaktom sa pilotima.

Odgovor je : Da , može se osigurati da signal MSSR odgovora postane dulji i sadrži dodatne impulse za ekstra podatke. Stari SSR, MSSR odgovori od oko 21 mikrosekunde i 14 impulsa sada su postali 112 mikrosekunde sa 56 impulsa i sve zahvaljujući sposobnosti MSSR-a da poništi garble preklapajuće odgovore. Naravno, za stari SSR više nema mjesta u takvom poslu, te je krajem 1999 potpisano okončavanje SSR-a u 21. stoljeću . 

Ipak , ovaj novi kanal kontakta između kontrolora i pilota ne ne prihvaća mogućnost greške čak i od samo nekoliko % i koji naravno mora biti jedinstven, jer se odnosi samo na jedan specifični zrakoplov i obrnuto. To je razlog zašto je nova metoda “pozivanja”zrakoplova uspostavljena na taj način da je u signal pozivanja i odgovaranja uvrštena identifikacija. 

Jedan je identitet za radar pozivaoc i jedan sličan za zrakoplov koji odgovara. Na takav način se uspostavlja Jedinstveni jedan-na-jedan kontakt (unique one-to-one contact). Svi drugi radari ili zrakoplovi koji ne identificiraju svoje vlastite brojeve nisu uključeni u ovu “diskusiju, razgovor”, kao što postoji Selektivno adresiranje kao kad zovete drugi mobilni telefonski broj koji pripada nekoj osobi. Riječ Selektivno označava prvo slovo S za ovaj novi način kontaktiranja ili mod, koji tako postaje Mod-S. U stvari Mod-S je nastavak ili nadogradnja na stari SSR i može se smatrati kao Super-SSR koji se može implementirati jedino primjenom MSSR-a .

Jedinstveno adresiranje, odnosno kontakt jedan-na–jedan, je po definiciji potpuna neprisutnost garbling i FRUIT efekta s obzirom da je samo jedan odgovor u jedinici vremena koji se mora procesirati od strane MSSR-a i nema ni jednog drugog koji bi mogao zbuniti taj proces.

No koje informacije bi se mogle razmjenjivati između kontrolora leta i pilota zrakoplova. Popis je impresivan :

• Bilo koje odobrenje zrakoplovu 
• Bilo koji zahtjev pilota
• Svi podaci iz kokpita, bez potrbe za upitom.
• Svi podaci koji nisu vezani uz kontrolu poput ATIS, METAR, Route-info, SLOTS itd. Mogu biti direktno primljeni bez potrebe za upitom
• Mnogi parametri zrakoplova koji se mogu poslati u sustav za pračenje i pripomoći u preciznom određivanju brzine i pozicije.

Identifikacija preko Mod-S sustava održava se preko 24 impulsa koji dozvoljavaju da se ukupni broj kodova popne na 2²⁴ = (4096)² = 16999716 kodova !!! To znači da svi zrakoplovi na svijetu mogu permanentno imati svoj vlastiti jedinstveni adresni kod bez potrebe za promjenom. Korelacija se izvodi procesiranjem sa planom leta koji se sastoji od pozivnog znaka i jedinstvenog zrakoplovnog koda. To znači da SSR kodovi više nisu potrebni kao ni squawkovi ! 

Prvi zrakoplov koji je eksperimentalnio poletio sa Mod S linkom je BAC-111, i to još 1993 godine !

Problemi sa Modom-S, VHF Linkom i ADS-om 

No uvijek postoje problemi. Mod-S sustav ne treba toliko pažnje u zraku koliko na zemlji. Danas su svi moderni zrakoplovi opremljeni Mod-S transponderima, no zemaljske instalacije još nisu zbog vrlo velike cijene. Osnovno oruđe, MSSR postupno zamjenjuje sve poznate SSR-ove a svi novi kupci također naručuju samo MSSR-ove.

Mod-S mora koristiti selektivno pozivanje (Roll-Call) za zrakoplove ali na određenim intervalima mora ispitivati u klasičnom SSR načinu (All-Call) da bi detektirao nove zrakoplove koji su mu još nepoznati. Čak i tada sve veze se ostvaraju se po rotaciji antene, jer se instrukcije pilotu od strane kontrolora mogu ostvariti tek kada se radar okrene prema zrakoplovu.

I dok govorimo o Modu-S, sateliti polako pokazuju svu svoju impresivnu snagu u svezi Zrak-Zemlja veze i korištenja standardnih VHF odašiljanja. Sustav postaje još jednostavniji jer zrakoplov može odašiljati i primati podatke kao korisnik na drugom kraju telefonske linije bez ovisnosti o rotaciji radarske antene.

ADS (Automatic Dependent Surveillance) koje se temelji na satelitima dalo je jednostavno rješenje za detekciju zrakoplova i komunikaciju: Pozicija se umjesto da se dobiva od radara može se jednostavno dobiti vezom ostvarenom sa samog zrakoplova odnosno pomoću FMS (Flight management System). 

Natjecanje između ova 2 načina završeno je pobjedom VHF Data-Link-a jer se pojavio prvi i lakše se primjenjivao dok se  ADS još bori za svoju poziciju u ATC-u. Ovaj eksperimentalni VHF-Data Link postoji u MASS UAC Eurocontrola od 1996 i radi na jednostavan način – trenutno je oko 40% prometa opremljeno sa novim transponderima.

Povratak Moda-S !

Razmišljanja oko Moda-S su podjeljena . Da bi smanjili potrebu za R/T, radio kontakt između pilota i kontrolora leta, VHF Data-Link je bolji . ADS može zamjeniti radar barem u područjima gdje je nemoguće vršiti pokrivanje te opremiti pilote sa radarskim pokazivačima koji bi im omogućili nadzor prometa oko njih.

Ali…

Mod-S je još uvijek prisutan zbog svojih prednosti:

• Zadržava svoje mjesto zbog 112 impulsa koji sadrže više informacija nego ostala 2
• Izbjegava potrbu za SSR kodovima
• Pomaže da se radarsko praćenje izvodi brže i preciznije
• Mod-S radi u pozadini bez potrebe za ljudskom intervencijom

Također možete zamjetiti da  :

1. Mod-S još uvijek koristi radar kao uređaj za detekciju i vezu.
2. VHF-Link se koristi samo za komunikaciju i zamjenjuje samo običnu R/T
3. ADS pokušava zamjeniti oboje – ali je još uvijek u razvoju i nije službeno potvrđen.