Priča o Modu S:
ATC Data-Link tehnologija

1960-ih godina, Sustavi ATC SAD-a bili su u neredu. Povećavala su se kašnjena, efektivnost je bila niska, a zračni promet je narastao do te mjere da sustav jednostavno nije mogao funkcionirati. Do kraja dekade, određen broj faktora utjecao je na rješenje tog problema. Rješenje je Mod S, ATC tehnologija podatkovnih veza dizajnirana od strane MIT Lincoln Labaratorija u svrhu rješavanja postojećih problema te susretanje sa izazovima sutrašnjice. Danas, Mod S je integralna komponenta Traffic Collision Avoidance System (TCAS), koji je međunarodni standard za komercijalno zrakoplovstvo.

Za Mod S, sporo prihvaćanje novih ATC tehnologija, desilo se zbog mnogih razloga, izazvanih međuoperativnošću kao pokretačkom silom koja je stajala iza tehnologije Moda S. Nije samo Mod S morao prihvatiti potrebe nadolazećih dekada, nego je I morao biti perfektno međuoperativan sa svojim prethodnikom, Air Traffic Control Radar Beacon System (ATCRBS).

Mod S Tehnologija

MIT Lincoln Laboratory dobio je zadaću razvoja Discrete Address Beacon system (DABS), koji je preporučen od strane Air Traffic Control Advisory Committee (ATCAC) kao daljnja zamjena za današnje ATC motrilačke sustave (31. Listopad, 1973)

Mod S je tehnologija podatkovnih veza (datalink) koja koristi diskretno adresirane upite. Oprema za Mod S uključuje zemaljsku postaju sa senzorima i transponderima na zrakoplovima. Upiti koje zemaljske postaje šalju zrakoplovima uključuju informaciju o identifikaciji ciljanog zrakoplova. Ova metoda osigurava da drugi zrakoplovi ne odgovaraju na taj upit. U odzivima može se nalaziti i informacija o visini zrakoplova.

U razvoju moda S, međuoperativnost je bila ključna točka između više tipova dizajna. Primarni razlog za to bio je zahtjev zrakoplovne industrije, koja je sama po sebi jedna ogromna zajednica što rezultira određenim skepticizmom i konzervativnošću u dizajniranju ATC sustava. Kao prvo, razvoj nove ATC tehnologije je uvijek postupan; uvijek će postajati dugi prijelazni period tijekom kojeg stari i novi sustav moraju koegzistirati. Prihvat nove ATC tehnologije traži nadogradnju stotina zemaljskih postaja, instalaciju nove opreme u tisuće zrakoplova, te obučavanje na desetine tisuća ljudi. Kao drugo, može se očekivati da neće svaki zrakoplov biti usaglašen sa novim ATC sustavom ili da neće imati najnoviju ATC tehnologiju.

Kod hibridnog sustava, oba sustava moraju funkcionirati u sprezi sa komponentama drugog sustava, radi sigurnosti za sve zrakoplove u datom zračnom prostoru, te su stoga inžinjeri Linkolnovog laboratorija svjesni tog problema, izradili ATC tehnologiju koja funkcionira bez obzira na postojeći sustav.

Ovdje je navedeno nekoliko specifičnih konstrukcijskih rješenja koja su rezultat međuoperativnosti:

Frekvencija
Izabrana je frekvencija od 1030/1090 MHz tako da Mod S i ATCRBS mogu komunicirati na istom kanalu
Modulacija
Modulacijska shema izabrana je djelomično zbog minimaliziranja efekata interferencija zbog djeljenja frekvencijskog kanala
Formati signala
Signal Moda S mora biti dizajniran tako da bude transparentan za postojeće transpondere
Korekcija greške
Ograničenost ATCRBS-a prisilila je da signal Moda S bude kratak, tako da paritet i adresiranje bitova kroz slojeve poveća veličinu podatkovnog bloka.

Fekvencija

Pregled

Stari ATCRBS sustav radio je na 2 frekvencije: 1030 i 1090 MHz. Zemaljske postaje koriste 1030 MHz za “ispitivanje” zrakoplova u blizini, i zrakoplove koji odgovaraju na 1090 MHz. Da bi Mod S međudjelovao, morao je koristiti iste ove frekvencije.

Cijena je također igrala glavnu ulogu u korištenju ATCRBS frekvencija od 1030 i 1090 MHz za kanale ispitivanja I odgovora. 1973, istraživači su pitali nekoliko velikih proizvođača poput Bendix Avionics, Hazeltine, Collins, i Bendix Communications da procijene cijenu razvoja transpondera koji koriste 970 i 1153 MHz kanale. Pronašli su da je cijena oko 20-30% veća, što je pomoglo u opravdanju nastavka korištenja 1030/1090 MHz frekvencija.

Elektromagnetska kompatibilnost

Glavni dio procesa dizajniranja Moda S su istraživanja kompatibilnosti. Istraživači Lincoln Laboratorija morali su istražiti efekte odašiljanja Moda S na ATCRBS, te degradacije performanci veze izazvane smetnjama radio frekvencija stvorenih od strane ATCRBS-a. Te smetnje također su igrale glavnu ulogu u odabiru odgovarajuće modulacije za Mod S.

Iako se oba sustava koriste istom frekvencijom za komunikaciju, signal Moda S mora biti transparentan za postojeću ATCRBS opremu. Drugim riječima, signal Moda S mora biti napravljen tako da ATCRBS oprema ne pokušava dekodirati te signale. Usprkos problemu, istraživači Lincoln Labs-a pronašli su siguran način da iskoriste postojeće odlike ATCRBS sustava i osiguraju transparentnost.

Testiranja Transpondera

Kada je Lincoln Labs odabrao korištenje iste 1030/1090 MHz frekvencije, Problem dizajna Moda S postao je puno izazovniji, zato jer bi Mod S moao dijeliti komunikacijski kanal sa postojećim ATCRBS sustavom. Najočitije riješenje bilo bi stvaranje Mod S vala koji bi bio ignoriran ili neprimjećen od strane ATCRBS transpondera.

Početna ideja nije imala nikakvog negativnog financijskog utjecaja, jer nebi bile potrebne nikakve modifikacije za postojeće transpondere. Istraživači su eksperimentirali sa raznim modulacijskim shemama uključujući “frequency shift keying” (FSK) i “phase shift keying” (PSK) nadajući se da će ATCRBS transponderi jednostavno ignorirati te signale. Dalje, pokušali su mjenjanjem širine impulsa i vremenskog intervala između impulsa, u potrazi za valom koji neće okidati “odgovor”.

Opći testovi transpondera koji su se tada provodili pokazali su da ne postoji univerzalno nevidljivi val. Niti jedan signal nije prošao neprimjećen od strane raspoloživih transpondera. Jedan od problema bio je i 500 tipova transpondera koji su se tada nalazili na tržištu za komercijalne vojne i privatne zrakoplove. Tvrtke koje su proizvele te transpondere, uključujući Collins, Bendix, i Wilcox tvrdile su da su ih napravile prema specifikacijama zacrtanim prema FAA-ovom Nacionalnom Zrakoplovnom Standardu (8. Ožujak 1971). Većinom su bili kompatibilni, ali su i dalje “odgovarali” na većinu “dodatnih” signala.

Eksperimenti su otkrili temeljnu pogrešku kod FAA-ovog Nacionalnog Zrakoplovnog Standarda. Standard je govorio puno stvari o tome što bi ATCRBS transponder trbao raditi ali nije govorio ništa o tome što nije trebao raditi. Na primjer, nekoliko transpondera je “odgovaralo” na sinusne valove iako su oni vrlo jednostavni i nisu čak pomenuti u specifikacijama. Pošto su transponderi izvodili tako širok spektar ponašanja, pronaći i dokazati primjenjivost univerzalno nevidljivog signala bilo je gotovo nemoguće. Istraživači Lincoln Laboratorija morali su pronaći odgovor no, ironično, riješenje problema vodilo je pun krug nazad na postojeće odlike ATCRBS sustava poznate kao potiskivanje sporednih latica snopova odnosno sidelobe suppression.

Dizajn Modulacije

Kod digitalnih komunikacija, modulacija je proces kod kojeg se protok bitova konvertira u valni oblik kompatibilan sa kanalom odašiljanja.

Neki izbori u dizajniranju, poput modulacije, bili su indirektno pogođeni potrebom za međuoperativnošću. Modulacija je proces gdje je signal kodiran za prijenos putem podatkovne veze (data link), a demodulacija je proces dekodiranja od strane primatelja u svrhu daljeg procesiranja. Različite sheme modulacije imaju različite mogućnosti potiskivanja šuma I smetnji. U slučaju Moda S, izbor korištenja međuoperativnih frekvencija utjecao je na modulaciju jer je utjecaj smetnji postala veća briga. No ipak najlakši način za osiguranje kompatibilnosti, bilo je napraviti nekoliko izmjena na opremi. Na kraju, postignut je kompromis koji je sadržavao kombinaciju starih i novih modulacijskih tehnika.

Da bi se smanjila cijena transpondera, dizajneri Moda S eksperimentirali su samo sa binarnim modulacijskim shemama, poput impulsna amplitudna modulacija “pulse amplitude modulation” (PAM), “frequency shift keying” (FSK), i “phase shift keying” (PSK). Sofisticiranije tehnike danas se mogu naći u bežičnim komunikacijskim sustavima.

Istraživaču su vjerovali da uplink i downlink odašiljanje treba koristiti impulsnu modulaciju koja se koristila kod ATCRBS sustava. Dalje, elektronika za oba načina bila jeftina i lako se instalirala. Tako, ako su istraživači iz Lincoln Labsa htjeli koristiti različitu shemu, morali su prvo uvjeriti FAA i proizvođače transpondera.

Upit:

Frekvencija	1030 MHz
Modulacija	Differential Phase-Shift Keying (DPSK)
Data Rate	4 Mbps

Da bi se ispitala osjetljivost kandidata za Mod S modulacijske sustave na smetnje, ili sa ATCRBS odašiljanja ili višestrukih odraza, učinjeni su matematički modeli. Istraživači iz LL ispitali 3 tipa okruženja: dodatni bijeli šum, ATCRBS sa šumnim smetnjama na valu, i ATCRBS sa šumnim smetnjama. Rezultati su indicirali da DPSK ima prednost u performancama nad PAM i FSK.

Sada je slijedila bitka da se uvjeri FAA i proizvođači transpondera da koriste DPSK modulaciju. Postavljalo se I pitanje dali se može DPSK demodulacija primjeniti uz razumne troškove. Problem sa DPSK je taj da treba uvjeriti FAA i proizvođače transpondera da se ti jeftini demodulatori mogu I izraditi. Također su morali pokazati da ti demodulatoriimaju performance jednake teoretskom optimumu. Na kraju, istraživači LL-a uspjeli su uvjeriti da će cijena implementacije DPSK za uplink modulaciju biti samo nešto veća od korištenja PAM. S obzirom da je DPSK imao dobre performance I daje bio manje osjetljiv na od PAM, odabir je pao na DPSK za Mod S uplink.

Odgovor

Frekvencija	1090 MHz
Modulacija	Pulse Position (PPM)
Data Rate	1 Mbps

No ipak, preporuke za downlink bile su da se ne koristi DPSK. Dodatni odašiljač koji bi bio potreban na transponderu povećao bi cijenu za više od 20%. Rezultat je odabir “pulse-position modulation” (PPM), kao forma PAM modulacije sa malo boljom otpornošću na ATCRBS smetnje.

Odabir modulacijske sheme direktni je produkt želje za međuoperativnošću, a kroz izbor frekvencije. Kod straog ATCRBS sustava, zemaljske postaje često su primale odgovore čak i kad nisu skoro poslale upit, što je rezultiralo situacijama poznatim kao FRUIT (False Replies Uncorrelated in Time) “Lažni Odgovori Nekorelirani u Vremenu”. Istraživači LL-a morali su odabrati DPSK zato jer je osiguravao najveću otpornost na smetnje izazvane ATCRBS FRUIT okružjem. Kada su limiti koštanja obeshrabrili korištenje ove modulacije za downlink odašiljanja, istraživači su odlučili koristiti PPM, koji je osiguravao malo bolju otpornost od PAM.

Formati signala

Da bi se Mod S signali učinili transparentnima, istraživači LL-a koristili su sidelobe suppression da onemoguće ATCRBS transpondere dok se šalju Mod S signali.

Mod S Upiti

Mod S upiti uključuju sidelobe suppression početni niz bitova (P2 je ekvivalentan ili jači od P1), pračen sa podatkovnim blokom koji sadrži 56 ili 112 bitova podataka.

Mod S format upita

Upiti prema-svima (All-Call Interrogations)

ATCRBS senzorske zemaljske obično šalju "All-Call" upite prema zrakoplovima u blizni. Zrakoplovi koji prime te upite odgovaraju sa svojom identifikacijom ili informacijom o visini. Kod originalnog ATCRBS sustava, all-call upiti su imali 2 impulsa (P1, P3).

Ka su dizajnirali Mod S, istraživači su koristili sličan format za signal koji je poslan os strane Mod S senzora koji su tražili odgovore samo od zrakoplova sa Mod S opremom. Taj format ima dodatni impuls (P4).

Zrakoplovi sa ATCRBS transponderima ignoreiraju taj zadnji impulse, odgovarajući samo na normalne ATCRBS all-call pozive. Mod S transponderi vide taj dodatni impulse i prepoznaju signal kao Mod S upit, i odgovaraju sa Mod S odgovorom.

Bez ove tehnike, zrakoplovi opremljeni sa Modom S nemogu razlikovati ATCRBS i Mod S upit. Odnosno neće znati koji odgovor poslati, i tako ne mogu međudjelovati sa različitim senzorima na zemlji.

Mod S Odgovori

Kada Mod S transponder primi all-call ili normalni upit, on odgovara istim signalom. Signal ima početni niz od 4 impulsa i sadrži podatkovni blok od 56 ili 112 bitova informacija. Taj početni niz od 4 impulsa je ono što identificira Mod S odgovor.

(Informacija bazirana na ATC-42)

Dizajn ispravljanja greške

Da bi se dopustila korekcija pogreške kod poruka Moda S, format signala je dizajniran da uključuje provjeru pariteta (parity check). No, “prozor” odašiljanja je limitiran (zbog metode sidelobe suppression). Da bi se sačuvali bitovi, Mod S paritet i adresiranje su prekriveni.

Razlozi za paritet

Paritetno kodiranje kod poruka Moda S predstavlja značajnu prednost; u slučaju kada se pojavi greška, senzor izbjegava ponovno odašiljanje. Odnosno, dizajneri Moda S morali su osigurati određeni oblik “viška, zaliha” kod kodiranja poruka, da bi se zaštitilo od mogućeg uplita smetnji.

Paritet/adresa prekrivanje

Pošto su istraživači LL-a koristili sidelobe supression, prcijenili su da bi mogli poslati samo maksimum 112 bitova u podatkovnom bloku. Jedan od načina na koji su htjeli sadržati broj bitova je taj da kombiniraju adresna i paritetna polja. Umjesto da transponder provjerava 2 zasebna polja poruke za određivanje da li da primljena poruka bude prilkazana, kombinirana adresa-paritet polja dopuštaju transponderu da provjeravaju samo jedno polje.

Pojavljivanje greške uzrokuje da dekodirana adresa bude modificirana; kao rezultat, čak i zrakoplov kojem je poruka i namjenjena ignorira upit.

Kod odabran za Mod S uplink je ciklični kod koji generira 24 paritetne bitove provjere, koji mogu korigirati mnoštvo grešaka, do 24 bita. Kod dizajniranja Moda S, istraživači LL-a pretpostavili su da ATCRBS impulsi mogu izazvati erupcije grešaka i do 5 bitova, i TACAN /DME impulsi mogu uzrokovati erupcije grešaka i do duljine od 19 bitova. Tako da je ova metoda provjere pariteta dobro opremljena za okružje smetnji.

Polinomski generator

Poseban ciklični kod koji se koristi opisn je pomoću slijedećeg polinoma:

g(x) = 1 + x^3 + x^10 + x^12 + x^13 + x^14 + x^15 + x^16 + x^17 + x^18 + x^18 + x^19 + x^20 + x^21 + x^22 + x^23 + x^24

Ovaj kod otkrio je Kasami 1964; dokazani je da može korigirati bilo koju 12-bitnu pogrešku. Taj kod također garantira korekciju bilo koje 24-bitne pogreške bilo koje duljine.

Kako radi

Niz provjere pariteta kodirane poruke kombinira se sa adresom transpondera pomoću dvomodulo zbroja. Transponder može izbaciti bitove provjere pariteta pomoću modulo zbroja. Ako su bitovi provjere pariteta kalkulirani u transponderu jednaki bitovima provjere pariteta kombiniranih u adresi, rezultat ovog zbroja stvara adresu transpondera.

Ako postoji greška, izračunava se netočna adresa transpondera. S obzirom da adresa neće odgovarati adresi transpondera, transponder će jednostavno ignorirati poruku.

Rječnik pojmova

ADS-B: Automatic Dependent Survelliance Broadcast. Slijedeća generacija ATC sustava koji dopuštaju komunikaciju zrak-zrak i koordinaciju zračnog prometa baz uplitanja zemaljskih postaja.

AOPA: Aircraft Owners and Pilots Association – Udruženje pilota i vlasnika zrakoplova

ATC: Air Traffic Control – Kontrola zračnog prometa

ATCAC: Air Traffic Control Advisory Committee – Savjetodavno tjelo za kontrolu zračnog prometa

ATCRBS: Air Traffic Control Radar Beacon System

DABS: Discrete Address Beacon System (poznat i kao "Super Beacon", "Mod S")

FAA: Federal Aviation Administration – Federalna uprava za zrakoplovstvo (SAD)

FRUIT: False Replies Uncorrelated in Time - Lažni Odgovori Nekorelirani u Vremenu

Garble: netočnost podataka uzrokovana primanjem višestrukih signala odgovora kada se očekuje samo jedan.

IFF: Identify Friend or Foe – Identifikacija Prijatelj Neprijatelj – Sustav za elektronsko razlikovanje između prijateljskih i neprijateljskih zrakoplova.

LL: Lincoln Labs

Modulation - modulacija: proces kod kojeg se bitstream pretvara u valni oblik kompatibilan sa kanalom odašiljanja.

Mode A: Odašiljanje unikatnog identifikatora kod ATCRBS-a od strane zrakoplova. Također se koristi i kod Moda S.

Mode C: Odašiljanje visine kodATCRBS-a od strane zrakoplova. Također se koristi i kod Moda S.

Mode S: Mode Select – dvosmjerna jedan-na-jedan podatkovna zemlja-zrak veza.

SLS: Sidelobe Suppression – Prigušivanje sporednih, postraničnih snopova. Tehnika koja se koristi kod ATCRBS-a a bazirana je na Modu S koja privremeno prigušuje odgovore zrakoplova na signale upita koji su “procurili” sa upita prema drugom zrakoplovu (sidelobe). To spriječava da zrakoplovi odgovaraju na signale koji nisu namjenjeni njima.

TACAN: Tactical Air Navigation System – Taktički sustav za zrakoplovnu navigaciju

TCAS: Traffic Collision Avoidance System - Sustav za izbjegavanje sudara u zraku

TIS: Traffic Information System - Sustav niske cijene za izbjegavanje i prevenciju od sudara baziran na Mod S podatkovnoj vezi

Priča o Modu S: ATC Data-Link tehnologija