Sistema de balizas de radar de control de tráfico aéreo

Una estación terrestre de control de tráfico aéreo (ATC) consta de dos sistemas de radar y sus componentes de soporte asociados. El componente más importante es el radar de detección de superficie (PSR). También se le conoce como radar de pintura superficial , ya que no muestra símbolos de objetivos sintéticos o alfanuméricos, sino puntos o áreas brillantes (o de color) en la pantalla del radar, producidos por las reflexiones de la energía de radiofrecuencia de la superficie del objetivo. Este es un proceso no cooperativo, por lo que no se necesitan dispositivos de aviónica adicionales. El radar detecta y muestra objetos reflectantes dentro de su rango operativo. Los datos del radar meteorológico se muestran en modo de pintura superficial. El radar de vigilancia primaria se rige por la ecuación del radar que establece que la intensidad de la señal disminuye con la cuarta potencia de la distancia al objetivo. Los objetos detectados mediante el PSR se conocen como objetivos primarios.

El segundo sistema es el radar de vigilancia secundario (SSR), que depende de un transpondedor instalado en la aeronave que se está rastreando. El transpondedor emite una señal cuando el radar secundario lo detecta. En un sistema basado en transpondedor, la señal disminuye con el inverso del cuadrado de la distancia al objetivo, en lugar de con la cuarta potencia como en los radares primarios. Como resultado, el alcance efectivo aumenta considerablemente para un nivel de potencia determinado. El transpondedor también puede enviar información codificada sobre la aeronave, como su identidad y altitud.

El SSR está equipado con una antena principal y una antena omnidireccional ("Omni") en muchos emplazamientos antiguos. Las antenas más modernas (como la de la imagen adjunta) se agrupan en una antena izquierda y otra derecha, y cada lado se conecta a un dispositivo híbrido que combina las señales en canales de suma y diferencia. Otros emplazamientos cuentan con antenas de suma y diferencia, además de una antena Omni. Los aviones de vigilancia , como los AWACS, solo disponen de antenas de suma y diferencia, pero también pueden estabilizarse espacialmente desplazando la fase del haz hacia arriba o hacia abajo al cabecear o alabear. La antena SSR suele estar acoplada a la antena PSR, de modo que apuntan en la misma dirección al girar. La antena omnidireccional se monta cerca y en una posición elevada, normalmente sobre el radomo, si lo tiene. Los interrogadores Modo S requieren los canales de suma y diferencia para proporcionar la capacidad monopulso y medir el ángulo fuera del eje de la respuesta del transpondedor.

El SSR transmite interrogaciones repetidamente mientras la antena de radar giratoria escanea el cielo. La interrogación especifica qué tipo de información debe enviar un transpondedor de respuesta mediante un sistema de modos. Históricamente se han utilizado varios modos, pero actualmente se utilizan cuatro: modo 1, modo 2, modo 3/A y modo C. El modo 1 se utiliza para clasificar objetivos militares durante las fases de una misión. El modo 2 se utiliza para identificar misiones de aeronaves militares. El modo 3/A se utiliza para identificar cada aeronave en el área de cobertura del radar. El modo C se utiliza para solicitar/informar la altitud de una aeronave.

Otros dos modos, el modo 4 y el modo S, no se consideran parte del sistema ATCRBS, pero utilizan el mismo hardware de transmisión y recepción. El modo 4 lo utilizan las aeronaves militares para el sistema de identificación amigo-enemigo (IFF). El modo S es una interrogación selectiva discreta, en lugar de una transmisión general, que facilita el TCAS para aeronaves civiles. Los transpondedores del modo S ignoran las interrogaciones que no se dirigen con su código de identificación único, lo que reduce la congestión del canal. En una instalación típica de radar SSR, las interrogaciones de ATCRBS, IFF y modo S se transmitirán de forma entrelazada. Algunas instalaciones y/o aeronaves militares también utilizarán el modo S.

Las señales de retorno de ambos radares en la estación terrestre se transmiten a la instalación de control de tráfico aéreo (ATC) mediante un enlace de microondas , un enlace coaxial o (en radares más modernos) un digitalizador y un módem . Una vez recibidas en la instalación de ATC, un sistema informático conocido como procesador de datos de radar asocia la información de respuesta con el objetivo principal correspondiente y la muestra junto al objetivo en la pantalla del radar.

El equipo instalado en la aeronave es considerablemente más sencillo y consta del transpondedor, generalmente montado en el panel de instrumentos o en el bastidor de aviónica , y una pequeña antena UHF de banda L , montada en la parte inferior del fuselaje . Muchas aeronaves comerciales también cuentan con una antena en la parte superior del fuselaje, y la tripulación de vuelo puede seleccionar una o ambas antenas.

Las instalaciones típicas también incluyen un codificador de altitud, un pequeño dispositivo conectado tanto al transpondedor como al sistema estático de la aeronave. Este codificador proporciona la altitud de presión de la aeronave al transpondedor para que este pueda transmitir la información al centro de control de tráfico aéreo (ATC). El codificador utiliza 11 cables para transmitir la información de altitud al transpondedor en forma de código Gillham , una variante del código Gray binario.

El transpondedor tiene un pequeño conjunto de controles necesarios y es sencillo de operar. Dispone de un método para introducir el código de transpondedor de cuatro dígitos , también conocido como código de baliza o código squawk , y un control para transmitir una identificación , que se realiza a petición del controlador (véase el pulso SPI más abajo). Los transpondedores suelen tener 4 modos de funcionamiento: Apagado, En espera, Encendido (Modo A) y Alt (Modo C). Los modos Encendido y Alt se diferencian únicamente en que el modo Encendido inhibe la transmisión de cualquier información de altitud. El modo En espera permite que la unidad permanezca encendida y caliente, pero inhibe cualquier respuesta, ya que el radar se utiliza para buscar la aeronave y su ubicación exacta.

Los interrogatorios constan de tres pulsos de 0,8 μs de duración, denominados P1, P2 y P3. El intervalo entre los pulsos P1 y P3 determina el modo (o pregunta) del interrogatorio y, por lo tanto, la naturaleza de la respuesta. El pulso P2 se utiliza para la supresión de lóbulos laterales, que se explicará más adelante.

El modo 3/A utiliza un intervalo de P1 a P3 de 8,0 μs y se emplea para solicitar el código de baliza , asignado a la aeronave por el controlador para su identificación. El modo C utiliza un intervalo de 21 μs y solicita la altitud de presión de la aeronave, proporcionada por el codificador de altitud. El modo 2 utiliza un intervalo de 5 μs y solicita a la aeronave que transmita su código de identificación militar. Este último solo se asigna a aeronaves militares, por lo que solo un pequeño porcentaje de aeronaves responde a una consulta en modo 2.

Las respuestas a las interrogaciones constan de 15 intervalos de tiempo, cada uno de 1,45 μs de ancho, que codifican 12 + 1 bits de información. La respuesta se codifica mediante la presencia o ausencia de un pulso de 0,45 μs en cada intervalo. Estos se etiquetan de la siguiente manera:

F1 C1 A1 C2 A2 C4 A4 X B1 D1 B2 D2 B4 D4 F2 SPI

Los pulsos F1 y F2 son pulsos de trama y son transmitidos siempre por el transpondedor de la aeronave. El interrogador los utiliza para identificar respuestas legítimas. Estos pulsos se emiten con un intervalo de 20,3 μs.

Los pulsos A4, A2, A1, B4, B2, B1, C4, C2, C1, D4, D2 y D1 constituyen la "información" contenida en la respuesta. Estos bits se utilizan de diferentes maneras para cada modo de interrogación.

En el modo A, cada dígito del código del transpondedor (A, B, C o D) puede ser un número del cero al siete. Estos dígitos octales se transmiten en grupos de tres pulsos cada uno, reservándose las ranuras A para el primer dígito, las B para el segundo, y así sucesivamente.

En una respuesta de modo C, la altitud se codifica mediante una interfaz Gillham , código Gillham , que utiliza código Gray . La interfaz Gillham puede representar un amplio rango de altitudes, en incrementos de 100 pies (30 m) . La altitud transmitida es la altitud de presión, corregida según el ajuste del altímetro en la instalación de control de tráfico aéreo. Si no hay un codificador conectado, el transpondedor puede transmitir opcionalmente solo pulsos de trama (la mayoría de los transpondedores modernos lo hacen). 

En una respuesta de modo 3, la información es la misma que en una respuesta de modo A, ya que se transmiten 4 dígitos entre 0 y 7. El término modo 3 es utilizado por los militares, mientras que el modo A es el término civil.

Actualmente, el bit X solo se utiliza para blancos de prueba. Este bit fue transmitido originalmente por misiles BOMARC que se usaban como blancos de prueba lanzados desde el aire. Este bit también podría ser utilizado por aeronaves no tripuladas.

El pulso SPI se sitúa 4,35 μs después del pulso F2 (3 intervalos de tiempo) y se utiliza como "Pulso de Identificación Especial". El pulso SPI se activa mediante el "control de identidad" del transpondedor en la cabina de la aeronave cuando lo solicita el control de tráfico aéreo. El controlador de tráfico aéreo puede solicitar al piloto que se identifique, y cuando se activa el control de identidad, el bit SPI se añade a la respuesta durante unos 20 segundos (dos a cuatro rotaciones de la antena interrogadora), resaltando así la trayectoria en la pantalla del controlador.

Los transpondedores de diversidad Modo S pueden implementarse para mejorar la vigilancia y las comunicaciones aire-aire. Dichos sistemas emplearán dos antenas, una montada en la parte superior y otra en la inferior de la aeronave. También se proporcionarán canales de conmutación y procesamiento de señales adecuados para seleccionar la mejor antena en función de las características de las señales de interrogación recibidas. Estos sistemas de diversidad, en su configuración instalada, no deberán degradar el rendimiento en comparación con el que produciría un sistema único con una antena montada en la parte inferior.

El Modo S se desarrolló como solución a la congestión de frecuencias tanto en el enlace ascendente como en el descendente (1030 y 1090  MHz). La amplia cobertura del servicio de radar disponible actualmente implica que algunas estaciones de radar reciben respuestas de transpondedor de interrogaciones iniciadas por otras estaciones de radar cercanas. Esto da lugar a FRUIT , o Respuestas Falsas No Síncronas en el Tiempo, que es la recepción de respuestas en una estación terrestre que no corresponden a una interrogación. Este problema se ha agravado con la creciente prevalencia de tecnologías como TCAS , en la que las aeronaves individuales se interrogan entre sí para evitar colisiones. Finalmente, las mejoras tecnológicas han hecho que los transpondedores sean cada vez más asequibles, de modo que hoy en día casi todas las aeronaves están equipadas con ellos. Como resultado, ha aumentado el número de aeronaves que responden a los SSR. El circuito de eliminación de frutas borra FRUIT de la pantalla.

El Modo S intenta reducir estos problemas asignando a las aeronaves una dirección permanente de Modo S, derivada del número de registro internacional asignado a la aeronave . A continuación, proporciona un mecanismo mediante el cual se puede seleccionar o interrogar a una aeronave de forma que ninguna otra responda.

El sistema también cuenta con disposiciones para transferir datos arbitrarios tanto hacia como desde un transpondedor. Este aspecto del modo S lo convierte en un componente fundamental para muchas otras tecnologías, como TCAS 2, el Servicio de Información de Tráfico (TIS) y la Vigilancia Dependiente Automática por Radiodifusión (ADS-B ).