二次監視レーダー
LVA-MSSR (大型垂直アレイ- モノパルス二次監視)メクレンブルク/西ポメラニアのノイブランデンブルクにあるドイツ空軍のアンテナ アレイ
モードAおよびCトランスポンダーは、民間航空機のスクワッキング2000 [ 1 ] COM / NAV機器の下に搭載されています[ 2 ]

二次監視レーダー（SSR）[ 3 ]は航空交通管制（ATC）で使用されるレーダーシステムであり、検出された無線信号の反射を使用してターゲットの方位と距離を測定する一次監視レーダー（ PSR ）システムとは異なり、レーダートランスポンダーを備えたターゲットに依存し、レーダートランスポンダーは、モードAでの4桁の8進数としての識別コード、モードCでの航空機の気圧センサーからの航空機の高度、他のモードでの一意の24ビットアドレスとその他の情報を含むパルス電報を送信することにより、質問パルスコードに対応するモードを応答します。 SSRは、当初米国で標準化され、後にNATO（北大西洋条約機構）で採用された軍の敵味方識別（IFF）に基づいていますが、最初のIFFシステムは第二次世界大戦にまで遡ります 。 SSRモードA、C、Sは、IFFモード3A、C、Sと互換性があります。SSRモードBおよびDは、現在ICAO附属書10で使用が規定されていません。SSRモードSをベースとするその他のシステムには、ADS-B、TCAS、マルチラテレーションシステム（MLAT）、およびADS-Bメッセージを使用する衛星ベースの監視があります。

概要

一次レーダー

戦時中における一次監視レーダー（ PSR ）の急速な発展は、接近する敵を探知するための防空（AD）や、航空交通管制（ATC）における航空交通配置の継続的な探知監視手段としての明らかに応用された。敵機の位置を正確に知ることで、ADは戦闘機を敵機の方向に誘導することができ、ATCにとっては、通常の手順上の間隔基準を縮小することが可能となり、その結果、航空路システムの効率が大幅に向上するとともに、精密進入レーダー（PAR）を使用した地上管制進入（GCA）のための飛行場への進入中も効率が向上することが期待された。 [ 4 ] 7.8 、 p.248 ff .

PSR は、送信されたレーダーエネルギーの十分な量を PSR レーダーセンサーに向けて反射する物体の位置を検出し、報告できます。PSR の設計に応じて、航空機、船舶、鳥、雨雲、その他の気象現象、地形、人工物などの移動物体および/または静止物体を検出できます。航空交通管制の目的では、これは利点でもあり欠点でもあります。利点は、ターゲットが協力する必要がなく、そのカバレッジ内にいて電波を反射できればよいことです。欠点は、PSR レーダーセンサーと物体間の斜距離しか測定できないことです。方位角は、アンテナが指している方位角から導出されます。特殊な 3D レーダーを使用すると、限られた範囲内で航空機の高度を検出できます。これにより、PSR センサーに対するターゲットの位置を検出することはできますが、ターゲットが敵か味方か、またはどの航空機が検出されたかを識別することはできません。

一次レーダーが唯一のレーダーであった時代、個々のレーダー反射と特定の航空機との相関関係は、通常、管制官が航空機の旋回を観測することによって達成されていました。一次レーダーは、SSRによる航空機の検知が失敗した場合（例えば、SSRの検知失敗／二次監視レーダーの補完システム）、航空機にSSRが搭載されていない場合、トランスポンダーに欠陥がある場合、またはトランスポンダーが意図的に操作または破壊された場合など）のバックアップとして、現在でも航空管制官によって監視の主要手段として使用されています。[ 5 ]、[ 6 ]、[ 7 ]

二次レーダー

二次監視 LVA アンテナ アレイ(平らな長方形、上) は、ASR-9 一次空港監視レーダー パラボラ アンテナ(湾曲した長方形、下)に取り付けられています。

航空機をより容易かつ確実に識別する必要性から、戦時中にもう一つのレーダー開発が行われました。それは、友軍機を未知の航空機から確実に識別する手段として開発されたIFF（Iidentification Friend ）システムです。最初のシステムであるMark IとMark IIは、送信されたパルスを受信し、増幅後に再送信する機能に限定されていました。トランスポンダーは命令があった場合にのみ作動しました。

Mark III システム以降、応答は別の周波数帯域 (157 MHz ～ 187 MHz) で送信されたため、レーダー装置にはこの帯域用の受信機が必要になりました。

1943年、ヴィヴィアン・ボウデン率いるアメリカ海軍研究所の英米共同プロジェクトにより、IFF Mark Vが開発され、United Nations Beacon ( UNB )の名称で量産化されました。IFF Mark Vシステムは既にLバンドの950MHzから1150MHzの周波数帯域を使用していました。その後、開発が進められMark Xへと発展しましたが、それでもまだ非常に基本的なシステムであり、12チャンネル（チャンネル間の周波数間隔は17MHz）を使用していましたが、航空機の個体識別はまだできませんでした。

さらなる開発により、モード1、モード2、モード3を備えたIFFマークXシステムが生まれました。これは、パルスコード化された質問を使用してモードを指定し、パルスコード化された応答で航空機に64の個別の識別情報を提供しました。米国の仕様は、 NATO諸国によるシステムの採用と使用のために1952年にNATOに提供されました。[ 8 ]、[ 9 ] Xは、後に決定される最終的な指定のためのプレースホルダーの意図でしたが、後にローマ数字システムの数字10になりました。結果として、新しいバージョンはその後、モードXIとモードXIIと呼ばれます。ただし、 IFFマークXIはコード化された質問と応答の使用に短期間使用されただけでした。[ 10 ] AN/APX-35トランスポンダーとほぼ直接IFFマークXIIになりました。航空機の選択的識別機能（ SIF ）の追加は、後にICAOで規定されたSPIパルスと同等であり、1959年に米国からNATO諸国に提供されました。[ 11 ]

国際民間航空機関（ICAO）は、 IFF Mark X を基にして、 1954 年にモントリオールでの第 5 回通信部門会議で SSR（二次監視レーダー）システムの標準化を開始しました。[ 12 ] p. IV-4 ff.重要な決定は、1950 年に採用された最初の距離測定装置[ 13 ]との干渉のない共存を保証するために、質問周波数に 1030.0 MHz、応答周波数に 1090.0 MHz を選択したことでした。これは、960 MHz から 1215 MHz の帯域で動作する装置です。質問は 936.5 MHz から 986.0 MHz の間の 10 チャネルで送信され、応答は 1188.5 MHz から 1211.0 MHz の間で送信されました。したがって、SSR は 1950 年の最初の ICAO DMEシステムに対して十分な周波数分離を備えていました。

ICAOは機密解除されたTACAN規格を使用して今日のDME/N（Nはn軸スペクトル）を定義しましたが、これは962MHzから1213MHzまでの全周波数範囲を1MHzステップで使用していました。DME/NはICAOの附属書10、第6版で標準化されました。[ 14 ] Nr. IV-4 DME/N、TACAN、SSR間の干渉を避けるため、陸上でSSR機器が稼働している場合、質問、応答、または両方の周波数がSSR質問機とトランスポンダー受信機の受信帯域幅内にあるDME/Nチャネルの使用は制限されました。[ 15 ] S.3-1 1962年の第7回ComDiv会議では、例えばSLS（サイドローブ抑制）などのさらなるパラメータが採用されました。 [ 15 ]

ICAO SSRシステムのモードAからDの質問は、質問パルス間のパルスペア間隔が異なる点においてのみ、IFFモード1および2と異なります。IFFモード1のパルス符号化応答、および後に登場した初期のSSRモードA応答は、2つの8進数のみを使用していたため、航空機識別に使用できるIDコードは64種類しかありませんでした。[ 16 ] Nr. 3.9.3.2 IFFモード2およびSSRモードA（IFFモード3A）では、4つの8進数を使用し、航空機識別に4096種類のIDコードを使用できました。[ 17 ] Nr. 3.8.6.2.1

ICAO の SSR システムのモード A から D の呼称は米国では広く航空交通管制レーダービーコンシステム (ATCRBS) と呼ばれています。4 つの質問モード A から D のうち、現在ICAOによって国際的に標準化されているのは、識別用のモード A と、航空機トランスポンダーからの気圧測定用のモード C のみです。民間航空機および軍用航空機には、SSRおよびIFF 質問機による探知を可能にするために、運用可能なモード A および C 対応のトランスポンダーが搭載されている必要があります。トランスポンダーは無線受信機と送信機が一体となったもので、1030 MHz で質問を受信し、モードの要求情報を含む応答を 1090 MHz で送信します。対象航空機のトランスポンダーは、質問機 (通常は地上局ですが、必ずしもそうとは限りません。地上局は一次監視レーダーと併設されていることが多いです) からの信号に応答し、使用されている質問モードの要求情報を含むコード化された応答信号を送信します。[ 18 ]

独立二次監視レーダー（ISSR）、名称：YMT、カナダ、ケベック州チブガマウ北部

当初は識別用の4096個のIDコードで十分と思われていましたが、実用トランスポンダーを搭載した航空機の増加と、それぞれが利用可能な4096個のIDコードの中から独自のIDコード群を必要とするAD、民間、軍事の航空管制機関の増加により、すぐに日常的な管制に必要なIDコード供給量を超えてしまいました。米国FAA（連邦航空局）は、将来の拡張性、例えば空中衝突を回避するための追加システムなどを考慮した、より洗練されたSSRシステムの開発に着手しました。米国における新システムの開発中、このシステムはDABS（離散アドレスビーコンシステム）と呼ばれていました。

しかし、新たに開発されたモードがICAOによって承認、標準化され、第1巻第10附属書67修正として公表されるまでには、1987年までかかりました。この新しいモードは選択的（Selective）モードSと名付けられ、各航空機がそれぞれ独自の24ビットアドレスを持つことが想定されていました。さらに、モードSでは、1機のみまたは全機（オールコール）を選択的に照会すること、航空管制（ATC）や後には空中衝突回避システムに関連する追加情報を送信すること、そしてモードS対応の航空機トランスポンダーと地上のインタロゲーター間のデータリンクとして使用することが可能になります。

各州には、民間航空および軍用航空に割り当てる24ビットアドレスの番号バンドが割り当てられました。しかし、モードSアドレスの標準化当時は、24ビットですべての民間商業航空（CA）および軍用機に独自のIDを提供するのに十分と思われていましたが、今日では、モードS対応トランスポンダーを搭載したグライダーなどの一般航空（GA）航空機の数が増加しており、モードS空域を飛行するUAV（無人航空機）の数も増加しています。また、空港ベースのMLAT （マルチLAT）システムを介して、モードS ADS-B対応トランスポンダーを搭載した地上車両を識別する利用も増加しています（たとえば、空港あたり300台以上の車両）。これらのことから、モードSシステムの定義時には予見できなかった24ビットアドレス範囲の限界がすでに明らかになっています。

民間の SSR と軍の IFF はどちらも戦時中のものに比べてはるかに複雑になっていますが、互いに互換性を保っており、特に軍用機が民間空域で運航できるようにしています。 SSR は、航空機の高度など、より詳細な情報を提供できるだけでなく、衝突回避のために航空機間でデータを直接交換することもできます。 ほとんどの SSR システムは、航空機の圧力高度を報告するモード Cトランスポンダーに依存しています。圧力高度はパイロットの高度計の設定とは無関係であるため、[ 19 ]高度計が誤って調整された場合に誤った高度の送信を防ぐことができます。航空交通管制システムは、必要に応じて、独自の圧力基準に基づいて、報告された圧力高度を実際の高度に再計算します。

味方を確実に識別するという軍事上の主な役割を考えると、IFF は敵による「なりすまし」を防ぐためにより安全な（暗号化された）メッセージを備えており、航空機、海上車両、陸上車両を含む多くの種類の軍事プラットフォームで使用されています。

規格と仕様

国際民間航空機関（ICAO）は、カナダのケベック州モントリオールに本部を置く国連の専門機関です。ICAOは国際民間航空条約の付属書を発行しています。この条約の付属書10は、航空電気通信に関する標準および勧告事項を規定しています。その目的は、国境を通過する航空機が、訪問する可能性のあるすべての国の航空交通管制システムと互換性があることを保証することです。第3巻第1部では、付属書10はモードSのデータリンク機能を含むデジタルデータ通信システムに関するものであり、第4巻ではその運用と宇宙における信号を規定しています。[ 20 ]

アメリカ航空無線技術委員会(RTCA) と欧州民間航空設備機構 (Eurocae) は、 ICAO 附属書 10 に規定された基準に従い、地上機器と航空機搭載機器の両方に対する最低運用性能基準を作成しています。両組織は頻繁に協力し、共通の文書を作成しています。

ARINC（航空無線株式会社）は、航空機に搭載される機器の形状、適合性、機能に携わる航空会社が運営する組織です。その主な目的は、航空機の機器室に搭載される機器のサイズ、電力要件、インターフェース、性能を規定することにより、メーカー間の競争を促進することです。

手術

SSRの目的は、航空機の検知・識別能力を向上させ、同時に航空機の飛行高度（気圧高度）を自動的に提供することです。SSR地上局は、アンテナが回転する、または空間内で電子スキャンされる際に、1030MHz（モードAおよびCでは連続、モードSでは選択的に）で質問パルスを送信します。見通し範囲内にある航空機トランスポンダーは、 SSR質問信号を「受信」し、航空機情報を提供する応答を1090MHzで送信します。送信される応答は、質問モードによって異なります。航空機は、測定された方位と距離で、管制官のレーダー画面にタグ付きアイコンとして表示されます。動作中のトランスポンダーを持たない航空機は、プライマリレーダーによって観測される可能性がありますが、SSRから得られたデータは管制官には表示されません。管制空域を飛行するには、通常、動作中のトランスポンダーが必要であり、多くの航空機は、この条件を満たすためにバックアップ・トランスポンダーを搭載しています。[ 21 ]

尋問モード

尋問モードにはいくつかあり、それぞれ2つの送信パルス（P1とP3）の間隔の差で示されます。[ 20 ]各モードは航空機から異なる応答を生成します。3つ目のパルスP2はサイドローブ抑制用であり、後述します。この中には、敵味方識別 で説明されている追加の軍用モード（IFFモード）は含まれていません。

モードAおよびCの尋問形式
モードP1–P3パルス間隔目的
あ8μs身元
B17μs身元
C21μs高度
D25μs未定義
S3.5μs多目的
アンテナビームの合計と制御

モードAの質問では、12パルスの応答が返され、その航空機に関連付けられた識別番号が示されます。12個のデータパルスは、2つのフレーミングパルス（F1とF2）で囲まれています。Xパルスは使用されません。モードCの質問では、11パルスの応答（D1パルスは使用されません）が返され、高度計で示された航空機の高度が100フィート単位で示されます。

ICAOは、第7回ComDiv会議報告書Doc-8226で、モードAとモードBの主な用途は、識別と追跡のためのトランスポンダ応答を開始することであると規定しました。[ 22 ] chp.8、Nr.8.3 SSRモードBの質問の技術的パラメータは、ICAOによって附属書10で定義されましたが、附属書10から削除されるまで運用上の用途は指定されていませんでした。 [ 16 ] Nr. 3.9.3.1.4.1モードBはかつてオーストラリアで使用されていました。

ICAOは、第7回ComDiv会議報告書Doc-8226で、モードDはシステムの将来の拡張のために予約されていると規定しました。[ 22 ] chp.8、Nr.8.3 SSRモードDの技術的パラメータはICAOの付属書10で定義されましたが、モードDが付属書10から削除されるまで、運用上の使用は規定されていませんでした。 [ 17 ] Nr. 3.8.4.3したがって、SSRモードDは運用上使用されたことはありません。

新しいモードであるモードSは、異なる質問特性を持っています。これは、モードAおよびモードCのトランスポンダーが応答しないようにするためにアンテナの主ビームから送信されるパルスP1とP2で構成され、その後に長い位相変調パルスが続きます。[ 20 ]

地上アンテナは指向性が非常に高いが、サイドローブなしでは設計できない。航空機はこれらのサイドローブからの質問信号も検知し、適切に応答することができる。しかし、これらの応答はメインビームからの意図された応答と区別することができず、誤った方位で航空機の誤った表示を引き起こす可能性がある。この問題を克服するために、地上アンテナには、サイドローブの利得を超え、メインビームの利得を超えない、主に全方向性の第2ビームが備えられている。第3のパルスP2は、P1の2μs後にこの第2ビームから送信される。P1よりも強いP2（したがって、サイドローブにあり、誤ったメインローブ方位にある）を検知した航空機は応答しない。[ 20 ]

欠陥

1983年のICAOの出版物「二次監視レーダーモードSに関する勧告回覧」には、いくつかの問題が記載されている。[ 23 ]

モードA

モードAおよびCの応答形式

モードAの応答で利用可能な4,096種類の識別コードは十分に思えるかもしれませんが、緊急時やその他の目的のために特定のコードが確保されると、その数は大幅に減少します。理想的には、航空機は離陸から着陸まで、たとえ国境を越える場合でも、同じコードを使用します。これは、航空交通管制センターでコード/コールサイン変換と呼ばれるプロセスを使用して航空機のコールサインを表示するために使用されているためです。明らかに、同じモードAコードを2機の航空機に同時に付与すべきではありません。地上の管制官に、航空機との通信に誤ったコールサインが付与される可能性があるためです。[ 20 ]

モードC

モードCの応答は100フィート単位の高度増分を提供し、当初は少なくとも1,000フィート離れた航空機を監視するには十分でした。しかし、空域の混雑が進むにつれて、航空機が割り当てられた飛行高度から外れていないかどうかを監視することが重要になりました。数フィートのわずかな変化でも閾値を超え、次の高度増分と100フィートの変化として表示されることがありました。より小さな変化が望まれました。

フルーツ

すべての航空機は同じ周波数1090MHzで応答するため、地上局は他の地上局への応答から発信された航空機からの応答も受信することになります。これらの不要な応答はFRUIT（False Replies Unsynchronized with Interrogator Transmissions、またはFalse Replies Unsynchronized In Time）と呼ばれます。複数のFRUIT応答が連続して受信されると、実際には存在しない航空機の存在を示すように見えることがあります。航空輸送が拡大し、より多くの航空機が空域を占有するにつれて、生成されるFRUITの量も増加します。[ 23 ]

文字化け

FRUIT応答は地上受信機で必要な応答と重複する可能性があり、その結果、含まれるデータの抽出にエラーが発生します。解決策としては、干渉を受けない応答を期待して、より多くの応答を受信するために問い合わせレートを上げることが挙げられます。しかし、このプロセスは自滅的です。応答レートを上げると他のユーザーへの干渉が増加するだけであり、逆もまた同様です。[ 23 ]

同期の文字化け

地上インタロゲーターから約2マイルの斜距離内で2機の航空機の航路が交差すると、それらの応答が重なり、干渉によって重なり合ったSSRパルスメッセージの分離が困難になりますが、技術的に不可能ではありません。SSRプロセッサによっては、片方または両方のターゲット応答が失われる場合があり、フレーミングパルスのみが検出できた場合、管制官が最も綿密に監視する必要があるときに、モードAのIDもモードCの高度もレーダー画面に表示されません。[ 23 ]

捕獲

航空機が地上からの1つの質問に応答している間は、別の質問に応答することができず、探知効率が低下します。モードAまたはCの質問の場合、トランスポンダーの応答から次の質問に応答するまでに最大120μsかかることがあります。[ 23 ]

アンテナ

狭い水平ビームと広い垂直ビームを提供するオリジナルSSRアンテナ
ホグトラフアンテナに似たホグトラフ
地面の反射による干渉により信号が弱い領域

最初のSSRおよびIFFアンテナアレイは、最大6°（-3 dBポイント）[ 24 ]の水平ビームと、水平面を基準とした対称かつ広い垂直ビームを生成しました。しかし、モノパルス対応のアンテナと、1回の質問に対して有効な応答のみを必要とする質問機がまだ存在しなかったため、航空機の方位を決定する精度には限界がありました。

最初のタイプの探知機は、いわゆるスライディングウィンドウ型で、有効な応答の最初と最後の受信位置を記録して方位を定義し、応答の中心をSSRまたはIFFインタロゲーターの位置を基準とした方位角として航空機の飛行方位を決定するものでした。ほとんどの応答が方位ビーム方向を中心にしていない場合は、ターゲットが誤って検出され、ビーム方位の左または右に表示されます。[ 3 ]

アンテナの回転数、最大必要検出範囲、IRF (Interrogation R epetition F requeency)、アンテナの方位ビーム幅、アンテナ ビームがターゲット位置をスキャンして応答を引き出すことができる滞留時間に応じて、最適な条件下でもターゲットから受信できる応答の数が制限されます。

対称型とcosec2型のSSRおよびIFFアンテナの仰角パターンの比較

IRFや放射 EIRP (実効放射電力) の増加は逆効果です。なぜなら、質問によって理論上は検出確率が上がるだけだからです。ほとんどの軍用質問機で IRF や EIRP がこのように上がると、1090 MHz での応答とチャネル負荷は上がりますが、特定の質問機の応答効率は必ずしも上がるわけではありません。これは、他の質問機も航空機トランスポンダによる応答をトリガーする可能性が同じであるため、フルーツ レート (1090 MHz チャネルで他の SSR 質問機や IFF 質問機によって生成される迷惑応答) が上がるからです。EIRP が上がると、トランスポンダが質問される範囲も広がるため、チャネル負荷がさらに上がり、特定の質問機による応答と検出の確率が低下します。 1990年代には、フランクフルト/ドイツのFIR（飛行情報地域）において、高度10,000フィートで飛行検査機によって、例えば70台以上のSSRおよびIFFインタロゲーターが稼働している非常に混雑した空域において、稼働中のインタロゲーターが多数確認されました。そのため、ICAOは最大IRFを450 Hz以下に制限しました。[ 25 ]

初期のシステムでは、ホグトラフと呼ばれるアンテナが使用されていました。水平アンテナアレイの幅、ひいてはアンテナ利得は変動するため、狭い水平ビームを生成するには多数のアンテナ素子を備えた大型アレイが必要でした。垂直寸法は、アレイに使用されているアンテナ素子の高さと同じでした。ホーン型アンテナやLPDアンテナなど、対称仰角パターンを持つアンテナ素子のみが使用されていたため、放射電力の半分はアンテナアレイの水平面の下と上に送信されていました。そのため、水平面に対して対称なアンテナパターンを持つアンテナを使用していた以前のTACANで発生したのと同じタイプの問題が発生しました。問題は次のとおりです。

  1. エネルギーのほぼ半分は地面に向けられ、そこで反射されて上向きのエネルギーと干渉し、特定の仰角で深いゼロ状態を引き起こし、航空機との通信が失われます。
  2. 周囲の地面が傾斜している場合、反射エネルギーは部分的に水平方向にオフセットされ、ビーム形状と航空機の指示方位が歪んでしまいます。これは、方位測定精度が大幅に向上したモノパルスシステムにおいて特に重要でした。[ 26 ]
  3. アンテナを水平面より垂直に傾けることは可能であったが、低い仰角にある目標の検出が多少低下するという欠点があった。
  4. 送信機は、PSRパラボラアンテナ[ 27 ]や、放射電力の大部分を水平面上に集中させるコセック2型仰角パターンのLVA型アンテナアレイと比較して、ホグトラフアンテナアレイに2倍の電力を供給して同じ範囲を達成する必要がある。これは、電力の半分が目標航空機に向かって放射されないためである。
線形ホグトラフアンテナアレイの仕様
配列型 アンテナ利得[dB] 方位ビーム幅（@-3 dB）] 仰角ビーム幅（@-3 dB）] アンテナ素子 幅 身長 メーカー
ホグトラフ ≥23 dB1.9° ±0.2° 35° ホーンアンテナ10.5メートル 0.5メートル テレフンケン[ 24 ]
ホグトラフ ≥21dB2.5°±0.2° 60° LPD9.4メートル 0.2メートル テレフンケン[ 24 ]
ホグトラフ ≥19dB4.0° ±0.4° 60° LPD 6.2メートル 0.2メートル テレフンケン[ 24 ]
ホグトラフ ≥17dB6.0° ±0.6° 60° LPD 4.2メートル 0.2メートル テレフンケン[ 24 ]

注：テレフンケン[ 24 ]はアンテナ利得の基準アンテナを指定しなかったが、当時はdBdやdBiの代わりにdBを使用するのが一般的だった。

米国FAA（連邦航空局）は1976年より前に、PSR-ASRレーダーセンサーの既存のPSRパラボラアンテナを使用し、追加のホーン型フィーダーを取り付けて、cosec 2形状のパターンを持つパラボラアンテナを関連するASR-SSRインタロゲーターにも使用することで、cosec 2タイプの垂直アンテナパターンを実現するための広範なテストを実施しました。[ 27 ]その後のテストで、モノパルスタイプのインタロゲーター、たとえばテキサスインスツルメンツのASR 8レーダーにパラボラアンテナを使用できることが証明されました。パラボラアンテナは、フランクフルト・アム・マイン（ドイツ）のARS-SおよびASR-Nレーダー用のSSR SRT-4インタロゲーターでも使用されました。

欠陥に対処するための開発

モード A と C の欠陥は SSR の使用開始当初から認識されており、1967 年に Ullyatt は論文[ 28 ]を発表し、1969 年にはその拡張論文[ 29 ]でその問題に対処するための SSR の改良を提案した。提案の核心は新しい問い合わせと応答の形式であった。航空機の ID と高度が 1 つの応答に含まれることになっており、2 つのデータ項目の照合は不要になる。エラーを防ぐために単純なパリティ システムが提案された – 「二次監視レーダー – 今日と明日」を参照。[ 30 ]モノパルスを使用して航空機の方位を判定し、アンテナの各スキャンで航空機あたりの問い合わせ/応答の数を 1 つに減らす。さらに、各問い合わせの前に 2 μs 間隔でメイン ビーム パルス P1 と P2 が送信されるため、モード A と C で動作するトランスポンダはそれをアンテナのサイドローブから来るものとみなして応答せず、不要な FRUIT を引き起こさない。[ 29 ]

米国連邦航空局（FAA）も同様の問題を検討していましたが、新たな周波数帯が必要になると想定していました。ウリヤットは、既存の1030MHzと1090MHzの周波数帯を維持し、既存の地上インタロゲーターと航空機搭載トランスポンダーを適切に改造すれば使用できることを示しました。その結果、米国と英国の間で共通システム開発に関する覚書が締結されました。このプログラムは米国ではDABS（Discrete Address Beacon System）、英国ではAdsel（Address Selective）と呼ばれていました。[ 31 ]

モノパルス（単一パルス）は、軍事用の追跡追跡システムで使用されていました。このシステムでは、アンテナを特定の目標に追従させるため、目標をビームの中心に保ちます。ウリヤットは、ビームを連続的に回転させ、パルスがビームのどこに到達しても方位測定を行う方式を提案しました。[ 32 ]

FAAはMITリンカーン研究所にシステムの更なる開発を委託し、同研究所は共同開発の全側面を定義する一連のATCレポートを作成した。[ 33 ]ウリャットの構想には、巡回冗長検査コードを用いたより強力な24ビットパリティシステムの使用が追加された。これは、繰り返しを必要とせずに受信データの精度を保証するだけでなく、重複したFRUIT応答によって発生するエラーを修正することも可能にした。提案された航空機識別コードは24ビットで1600万通りの順列を持つ。これにより、各航空機に独自のアドレスを割り当てることが可能になった。アドレスのブロックは異なる国に割り当てられ[ 34 ]、さらに特定の航空会社に割り当てられるため、アドレスによって航空会社も容易に識別できる。リンカーン研究所のレポートATC 42「モードSビーコンシステム：機能説明」には、提案された新システムの詳細が記載されている。[ 35 ]

両国は共同論文「ADSEL/DABS – 選択アドレス二次監視レーダー」で開発の成果を報告した。[ 31 ]その後、モントリオールのICAO本部で開催された会議で、リンカーン研究所による低電力インターロゲーションテストが英国製の改良型商用SSRトランスポンダーとの通信に成功した。

必要なのは国際的な名称だけだった。提案された新機能については多くの議論があったが、既存の地上SSRインタロゲーターは、改良を加えてはあるものの、引き続き使用されることになり、既存の航空機トランスポンダーも、やはり改良を加えて使用されることになった。これが革命ではなく進化であることを示す最良の方法は、SSRという名称はそのままに、新しいモード名を冠することだった。SはSelect（選択）の頭文字をとったモードSが当然の選択だった。1983年、ICAOは新システムについて解説する回覧文書を発行した。[ 23 ]

改良されたアンテナ

既存の標準的な「ホグトラフ」アンテナの問題は、地面に向かって放射されたエネルギーが上方に反射し、上向きのエネルギーと干渉することでした。解決策は、垂直ビームを整形することでした。

FAAは1976年より前に、PSR-ASRレーダーセンサーの既存のPSRパラボラアンテナを使用し、追加のホーン型フィーダーを取り付けて、コセック2型の垂直アンテナパターンを実現するための広範なテストを実施し、関連するASR-SSRインタロゲーターにもコセック2型パターンのパラボラアンテナを使用しました。[ 27 ]その後のテストで、モノパルス型インタロゲーターにパラボラアンテナを使用できることが証明され、たとえば、フランクフルト・アム・マインのARS-SおよびASR-Nでは、テキサスインスツルメンツ社のASR 8がSSR SRT-4インタロゲーターに使用されました。

その後、スタンドアロンSSRインタロゲーターを可能にするために、各アンテナ素子をコセック2型垂直アンテナパターンを提供する垂直アンテナアレイに置き換えた、いわゆる大型垂直アレイ（LVA）が考案されました。このアレイは、垂直DME/NおよびTACANアンテナアレイで既に使用されているコセック2型垂直アンテナパターンに類似したコセック2型垂直アンテナパターンを提供します。垂直寸法は5フィート（約1.5メートル）が最適であることが判明し、国際標準となりました。[ 26 ]

モノパルス二次監視レーダー

アンテナ主ビームと差ビーム

モードSシステムは、航空機からの単一の応答信号のみで動作することを目的としており、モノパルスと呼ばれるシステムです。添付の​​図は、SSRアンテナの従来のメインビーム（「和」ビーム）に「差」ビームが追加された様子を示しています。和ビームを生成するために、信号はアンテナ開口部全体に水平に分配されます。この給電システムは2つの等しい部分に分割され、2つの部分が再び加算されて元の和ビームが生成されます。しかし、この2つの部分は減算され、差出力も生成されます。アンテナに対して垂直、つまり照準線上に到達する信号は、和ビームの出力が最大になりますが、差ビームの出力はゼロになります。照準線から離れると、和ビームの信号は小さくなりますが、差ビームの信号はゼロではありません。信号の到達角度は、和ビームと差ビームの信号比を測定することで決定できます。差信号は照準線の両側で180°位相が変化するため、照準線の不確かさは解消されます。方位測定は単一のパルス（モノパルス）で行うことができますが、航空機からの応答で受信した複数またはすべてのパルスの測定値を平均化することで精度を向上させることができます。モノパルス受信機[ 32 ]は英国のAdselプログラムの初期に開発され、この設計は現在でも広く使用されています。モードSの応答パルスは、モードAおよびCの応答と意図的に類似するように設計されており、同じ受信機を使用してSSRモードAおよびCシステムの方位測定を改善できます。これにより、問い合わせレートが大幅に低下し、システムの他のユーザーへの干渉が低減されるという利点があります。[ 36 ]

リンカーン研究所は、各応答パルスに個別の方位測定機能を持たせることで、2つの応答が重なり合うことでパルスと2つの応答の関連付けが困難になるという、データの乱れの問題の一部を克服しました。各パルスには個別に方向がラベル付けされているため、この情報を用いて、重なり合う2つのモードAまたはCの応答を解読することができます。このプロセスはATC-65「DABSのATCRBSモード」に記載されています。[ 37 ]このアプローチは、各応答パルスの強度も測定し、それを識別情報として用いることでさらに発展させることができます。[ 3 ] 次の表は、従来のSSR、モノパルスSSR（MSSR）、およびモードSの性能を比較したものです。[ 36 ]

標準SSR モノパルスSSR モードS
スキャンごとの返信数20～304～81
距離精度230 m rms13 m rms7m rms
ベアリング精度0.08° rms0.04° rms0.04° rms
高さ解像度100フィート（30メートル）100フィート25フィート（7.6メートル）
文字化け耐性貧しい良い最高
データ容量（アップリンク）0056～1,280ビット
データ容量（ダウンリンク）23ビット23ビット56～1,280ビット
恒等順列4,0964,0961600万

MSSRは1990年代までに既存のSSRのほとんどに取って代わり、その精度により、航路航空交通管制における最小間隔が10海里（19km、12マイル）から5海里（9.3km、5.8マイル）に短縮されました[ 38 ]

MSSRは、地上システムの変更のみを必要としたため、SSRのシステム問題の多くを解決した。航空機に搭載されている既存のトランスポンダーには影響がなかった。これは間違いなくモードSの遅延につながった。[ 33 ]

モードS

モードSの尋問、短時間と長時間
モードSの返信、短いものと長いもの

モードSのより詳細な説明は、ユーロコントロールの出版物「モードSとインタロゲータコードの原則」[ 21 ]とICAO回覧174-AN/110 「二次監視レーダーモードSに関する助言回覧」 [ 23 ]に記載されている。24ビットの航空機アドレスコードの1600万通りの組み合わせは、各国にブロック単位で割り当てられており、その割り当てはICAO附属書10、第3巻、第9章に記載されている。[ 34 ]

モード S の質問は 0.8 μs 幅のパルス 2 つから構成され[ 35 ] 、モード A および C のトランスポンダでは、このパルスがアンテナのサイドローブから来ていると解釈されるため、応答は不要です。後続の長い P6 パルスは、1.25 μs 後の最初の位相反転で位相変調され、トランスポンダの位相検出器を同期させます。後続の位相反転はデータ ビットが 1 であることを示し、位相反転がない場合はビット値が 0 であることを示します。この形式の変調により、別の地上質問機からの偶然の重複パルスによる破損に対してある程度の耐性が得られます。質問は、主に位置更新を取得するために使用される P6 = 16.125 μs の短いもの、または追加の 56 データ ビットが含まれる場合は P6 = 30.25 μs の長いものにすることができます。最後の 24 ビットには、パリティと航空機のアドレスの両方が含まれます。質問を受信すると、航空機はデータをデコードしてパリティを計算します。残りの部分が航空機のアドレスでない場合、その問い合わせは航空機を対象としていなかったか、または破損していたかのいずれかです。いずれの場合も、地上局は応答しません。地上局が応答を期待していたにもかかわらず応答がなかった場合、地上局は再度問い合わせを行います。[ 23 ]

航空機からの応答[ 35 ]は、重複するモードAまたはCの応答から誤って形成されることのないよう、間隔を空けた4つのパルスからなるプリアンブルで構成されています。残りのパルスには、パルス位置振幅変調（PPM ）を用いたデータが含まれています。1μs間隔はそれぞれ2つの部分に分割されます。前半に0.5μsのパルスがあり、後半にパルスがない場合、バイナリ1が示されます。その逆の場合は、バイナリ0が示されます。実質的には、データは2回送信され、2回目は反転された形式で送信されます。このフォーマットは、他の航空機からの誤送信によるエラーに対して非常に耐性があります。ハードエラーを引き起こすには、1つのパルスをキャンセルし、ビット周期の残りの半分に2つ目のパルスを挿入する必要があります。それよりも可能性が高いのは、両方の半分が混同され、デコードされたビットに「低信頼度」のフラグが付けられることです。[ 37 ]

応答の最後の24ビットには、パリティとアドレスも含まれています。地上局は航空機を追跡し、予測位置を用いて航空機の距離と方位を示し、再度問い合わせを行って位置情報の最新情報を取得します。応答を期待しており、実際に応答を受信した場合、パリティチェックの残りを期待航空機のアドレスと照合します。一致しない場合は、誤った航空機であるため再問い合わせが必要です。あるいは、別の応答によって干渉が混入し、応答が破損しているかのどちらかです。パリティシステムは、24μsを超えない限り、エラーを訂正する能力を備えています。この24μsは、モードSの初期に最も想定されていた干渉源であったモードAまたはCの応答の持続時間を含みます。応答内のパルスには、個別のモノパルス角度測定値が利用可能であり、実装によっては信号強度測定値も取得できます。これらの測定値は、他のビットの大部分と一致しないビットを示し、破損の可能性を示唆する場合があります。これらのビットの一部または全部の状態を反転（0を1に、またはその逆）させることでテストが行​​われ、パリティチェックが成功した場合、変更は永続化され、応答が受け入れられます。失敗した場合は、再問い合わせが必要です。[ 23 ]

モードSは、特定の航空機に固有のアドレスを用いて質問を送信するという原理に基づいて動作します。これにより、単一の応答が返され、応答の受信に要した時間によって航空機の距離が決定され、モノパルスによって正確な方位測定が行われます。航空機に質問するには、そのアドレスを知る必要があります。この要件を満たすために、地上の質問機はオールコール質問も送信します。オールコール質問には2つの形式があります。[ 23 ]

モードA/C/Sオールコール尋問

モードA/C/Sオールコールの一形態は、一見従来のモードAまたはCの質問と似ており、トランスポンダはパルスP3を受信すると応答処理を開始する。しかし、モードSトランスポンダはパルスP4を検出するとこの手順を中止し、代わりに24ビットのアドレスを含む短いモードS応答で応答する。この形式のオールコール質問は、既知の航空機からの応答を取得し続けるため、不要な干渉を引き起こすため、現在はあまり使用されていない。オールコールの代替形態は、16.125μsのデータブロックを持つ短いモードS質問を使用する。これには、質問機がオールコールを送信する際に、航空機が既にこの質問機に応答している場合は、航空機が既に認識されており応答は不要であるため、再度応答しないよう要求する指示を含めることができる。[ 23 ]

モード S の尋問には 3 つの形式があります。

名前形状使用
監視短いポジション更新
コンマ長さ56データビットを含む
通信C長さ最大16個の長い問い合わせを連結して最大1280ビットを送信します

データブロックの最初の5ビットはアップリンクフィールド（UF）と呼ばれ、問い合わせの種類を示します。それぞれの最後の24ビットは、機体アドレスとパリティの組み合わせです。まだすべての組み合わせが割り当てられているわけではありませんが、割り当てられているものを以下に示します。[ 23 ]

アップリンクフィールド（UF） 応用
バイナリ小数点
000000短距離対空監視（TCAS）
001004監視、高度要求
001015監視、モードAの身元要求
0101111モードSのみオールコール
1000016長距離対空監視（TCAS）
1010020高度要求を含む通信A
1010121モードAのID要求を含むComm-A
1100024Comm-C（拡張長メッセージ）

同様にモードSの応答には3つの形式があります: [ 23 ]

名前形状使用
監視短いポジション更新
通信B長さ56データビットを含む
通信D長さ最大16個の長い問い合わせを連結して最大1280ビットを送信します

データブロックの最初の5ビットはダウンリンクフィールド（DF）と呼ばれ、応答の種類を示します。それぞれの最後の24ビットは、航空機アドレスとパリティの組み合わせです。11通りの組み合わせが割り当てられています。[ 23 ]

ダウンリンクフィールド（DF） 応用
バイナリ小数点
000000短距離対空監視（TCAS）
001004監視、高度応答
001015監視、モードAのID応答
0101111航空機の住所を含むオールコール応答
1000016長距離対空監視（TCAS）
1000117拡張スクイッター
1001018TIS-B
1001119軍の拡張スクイッター
1010020高度を含むComm-Bの応答
1010121モードAのIDを含むComm-Bの応答
1011022軍事利用
1100024最大16個の長い応答を連結して最大1280ビットを送信します

通信B応答を送信するためのトランスポンダーには、それぞれ56ビットのデータレジスタが256個搭載されています。これらのレジスタの内容は、機内データソースから入力・保持されます。地上システムがこのデータを必要とする場合、監視または通信Aの質問によって要求されます。[ 23 ]

ICAO附属書10、第3巻、第5章には、現在割り当てられているすべてのレジスタの内容が記載されています。現在の運用上は、割り当てられているレジスタの数が削減されています。[ 39 ] [ 40 ]その他のレジスタは、TCASおよびADS-Bで使用することを目的としています。通信Bデータセレクタ（BDS）の番号は16進数表記です。

登録するデータ
BDS 6,0磁針方向
BDS 6,0指示対気速度
BDS 6,0マッハ数
BDS 6,0垂直速度
BDS 5,0ロール角
BDS 5,0トラック角度速度
BDS 5,0真のトラック角度
BDS 5,0対地速度
BDS 4,0選択された垂直方向の意図

拡張スクイッター

2009年以降、ICAOは「拡張スキッタ」運用モードを定義しました。[ 41 ]これは、ICAO附属書10の第3巻および第4巻に含まれる要件を補完するものです。初版では、拡張スキッタメッセージの以前のバージョンが規定されていました。

バージョン0
モード S を拡張して、基本的な ADS-B 交換を処理し、交通情報ブロードキャスト(TIS-B) 形式の情報と、アップリンクおよびダウンリンクのブロードキャスト プロトコル情報を追加します。
バージョン1
監視精度と整合性の情報（ナビゲーション精度カテゴリ、ナビゲーション整合性カテゴリ、監視整合性レベル）、および TIS-B とADS-B再ブロードキャスト（ADS-R）の追加パラメータをより適切に説明します。
バージョン2
第2版​​では、拡張スキッターフォーマットとプロトコルの新しいバージョンが導入されました。[ 42 ]
  • 報告の完全性と正確性を高める
  • バージョン1でカバーされていないADS-Bの使用に関する特定された運用ニーズをサポートするために、いくつかの追加パラメータを追加します（空港地上アプリケーションをサポートする機能を含む）。
  • いくつかのパラメータを変更し、ADS-Bアプリケーションのサポートに不要になったパラメータをいくつか削除します。

参照

参考文献

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