ATC（空中交通管制）系统详解：从雷达到应答机的工作原理

ATC（空中交通管制）系统详解：从雷达到应答机的工作原理

空中交通管制（ATC）系统是确保航空安全、提高飞行效率的关键设施。它通过雷达和应答机的配合，实现对空中交通的实时监控和管理。本文将详细介绍ATC系统的工作原理和构成，帮助读者深入了解这一复杂而精密的航空管理系统。

学习ATC系统之前，我们首先要了解雷达。
雷达这个名字，来源于二战时期，是无线电探测和测距的缩写，radar=radio detectionand ranging。

雷达，可以认为是一个高频无线电发射机，是通过从天线发送高能信号，碰到飞机表面反射回来，通过时间差和光速的乘积就能算出精确的距离。同时，叠加雷达天线旋转时的相位，就能定位出飞机的相对位置。
雷达的探测能力，不是取决于飞机的大小，而是取决于反射面的大小，所以，不同的角度，相对位置，障碍物等都会影响雷达波的反射效果，造成信号干扰。

航线监控雷达：用来监控航路上的飞机，这种雷达旋转很慢，以便于可以用更长的时间去探测到更远的飞机。
机场监控雷达：简称ASR=Airport Surveillance Radar，用来进行机场终端区域的管理。这种雷达旋转很快，以便快速刷新短距离的目标数据，这种雷达灵敏度太高。
以上说的航空管制雷达，都是属于一次雷达，通过接收发射信号反射的回波工作。
航空管制方面还有二次雷达，也叫空管雷达信标系统。二次雷达有一个单独的系统和一次雷达一起工作。二次雷达在地面需要询问雷达，那么就要求在飞机上要有应答机，雷达显示屏上还需要有解码器。
二次雷达的工作原理：
二次询问雷达有发射机和接收机，发射短脉冲信号，但是这些信号是有编码的询问信号，就像是电子加密的一样。
地面上的询问雷达发射信号，飞机上的应答机接收信号，译码，应答机被触发并发射脉冲信号进行回复。回复的信号包括飞机的基本信息（比如飞机的气压高度），这些信号被地面的二次雷达接收后，译码，处理，并显示在雷达显示屏上。
二次雷达的运用：
管制员让飞行员设置应答机的代码（目前可以设定4096个代码，以防止代码重复），管制员就可以在雷达显示屏上看到飞机的代码了，就可以便于识别这架飞机了。而飞行员要始终保持代码正确，不管是目视飞行还是仪表飞行。以便于管制员在需要的时候，地面上的询问雷达可以触发飞机上的应答机回复信息。
当设置这些特殊识别码时，说明飞机出现了紧急情况：7500，用于识别劫机事件；7600，表示无线电静默（通讯故障）；7700，表示飞机处于紧急状态，如机械故障，人员疾病，但并一定处于非常危险的情况。
二次雷达只会显示有回复的目标，这加强了雷达的性能。在交通拥挤时，有应答机的飞机可以被识别，增强了管制能力。二次雷达可以显示飞机的基本信息，比如高度。
自动雷达终端ART：会把二次雷达应用到计算机数据处理设备上。每架飞机装备的应答机都有高度编码器，把高度信号传给计算机进行译码，并自动显示高度在雷达显示屏上。用数字，字母，符号来表示，给管制员提供信息，增强了管制员的处理能力，减少了语言上的交流时间，增加了交通管制的效率。
只要应答机设定了代码之后，那么飞机的信息就会通过触发的应答机和ART系统发送给管制员。
下面我们再来看看ATC系统：
ATC系统主要用于接收地面或其他空中系统询问信号，自动发出应答信号。应答信号用于识别，监视和确定飞机的位置等数据，这些信号显示在地面雷达显示器和装有TCAS飞机的显示器上。
应答机通过天线接受询问信号，处理后送出飞机的识别码和高度给地面台。相关信息也通过单独的数据总线送到TCAS计算机，并从TCAS计算机接收信息。
ATC系统是地面管制台使用空中交通管制系统(ATC)，监视并控制空中交通。而其控制的手段，就是这两种雷达:一次监视雷达(PSR)和二次监视雷达(SSR)。
一次监视雷达(PSR)：是利用发射信号遇到飞机被反射回来，从而确定飞机距离。PSR 的发射功率较大，但不能显示目标的高度，不能识别目标。
二次监视雷达(SSR):利用机载应答机，与地面SSR进行交流。应答机实际上就是一个收发机，它能够接收并应答脉冲编码，机载应答机根据不同的询问模式，给出识别应答和高度应答信号。
空中交通管制应答机（ATC）应答信号分为三种不同的模式，即模式A，模式C和模式S：
模式A:信号发送时，应答机能够发送一个四位数的飞机识别码，地面管制人员能够通过这个飞机识别码来确认飞机的识别信息。
模式C:信号发送时，应答机能够发送飞机的气压高度，地面管制人员能够通过这个信息来确认飞机的气压高度。
S模式:是一个最新的系统，能够帮助地面管制系统在未来控制不断增加的交通量，同时它也是交通警报和避碰系统（简称TCAS）所需要的。S模式应答器发送的应答信号，可以包含飞机各种信息，用于回应来自空中交通管制地面站和其他飞机TCAS的询问。装备了S模式应答机的飞机有一个唯一的飞机地址码，该代码由管理局在飞机认证期间给出，并设置在航空电子舱的程序模块上。地面站或其它飞机可以利用这个地址码，对ATC进行选择性询问。
ATC的系统构成：
空中交通管制系统的部件有：
— 顶部天线
— 底部天线
— ATC同心电门（2个）
— ATC/TCAS控制板
— ATC应答机（2个）
两个天线从ATC应答机发射信号，并将接收到的信号送给应答机。这些信号通过ATC同轴电门。
ATC/TCAS控制板将控制和识别数据送给应答机。ATC/TCAS控制板也用以选定1号或2号应答机（应答机每次只工作一部，不能同时工作）。
大气数据惯性基准组件（ADIRU）向ATC应答机提供气压高度数据。
ATC应答机和TCAS避撞系统接口。
ATC应答机从抑制同轴三通发出并接收抑制脉冲，用以防止ATC的发射干扰测距仪DME和避撞系统（TCAS）的工作。
ATC应答机、避撞系统（TCAS）和测距仪（DME）询问机都工作于相同的频带上，因此在这些部件之间有抑制接口，以防止在发射信号时损坏接收电路。抑制电路也防止从其他机载设备的响应。
第一个发射的组件，首先送出一个抑制脉冲到同轴三通。同轴三通将此抑制脉冲分送到不同组件或分送到另一个同轴三通。此抑制脉冲防止另一个组件中的接收电路进入工作。


应答机选择电门是一个双位电门，用以选定1号应答机或2号应答机作为生效应答机。当机组选定1号位置后，控制板仅向2号应答机的待用/接通离散线上送去一个接地信号，2号应答机进入待用状态。而1号应答工作生效。
当机组选定2号位置后，控制板向2号应答机的待用/接通离散线断开，2号应答机进入工作生效。并且还向1号应答机的待用/接通离散线送去接地信号，以及向ATC同轴电门送去一个天线转换离散信号，此时使1号应答机进入待用，且ATC天线继电器接通到2号应答机。选定的ATC系统在液晶显示器上表明。
全球所有的空中交通管制应答机接收的询问信号频率为1030兆赫，应答机的应答频率为1090兆赫。
所有的空中交通管制应答机在飞机底部都有一个天线。它与测距机（简称DME）天线相同，也可以与DME天线互换，因为它们的工作频段相同。

对于有S模式应答机，在机身顶部也有一个天线，允许和更高高度的其他飞机的TCAS通信。
ATC应答机也对其他飞机或地面站的交通避撞系统（TCAS）的S模式询问作应答。
当一个地面站或一架其他飞机上的TCAS计算机询问本ATC系统时，应答机发射一个脉码回答信号，从回答信号中可判别和表明这架飞机及其高度。
— 最大空速
— 避撞协调
— 高度
— A模式识别码
— 24位地址。