Toisiotutka

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Toisiotutka Neubrandenburgin (ICAO:ETNU) sotilaslentokentällä Saksassa/Länsi-Pommerissa. Toisiotutka käyttää LVA-antennia.

Toisiotutkajärjestelmä (engl. SSR - Secondary Surveillance Radar) on radiomajakka, joka määrittelee kohteen etäisyyden radiomajakan lähettämän kyselypulssin ja lentokoneen toisiotutkavastaajan lähettämän vastauksen aikaeron perusteella.

Toisiotutka tarvitsee kaksi osaa. Maa-asema (interrogator) koostuu pyörivästä tutka-antennista ja lähetin/vastaanotinyksiköstä. Se lähettää jatkuvasti kysymyspulsseja. Toinen osa on kohteessa (lentokoneessa) oleva toisiotutkavastaaja, transponderi (engl. transponder, sanoista transmitter ja responder), joka automaattisesti lähettää vastauspulssin. Toisiotutkan antenni on toisinaan asennettu ensiötutkan kanssa samaan pyörityskoneistoon.[1]

Käyttötarkoitus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toisiotutkan kehittely alkoi toisen maailmansodan aikoihin, oli tarve tunnistaa omat lentokoneet vihollisista: IFF (Identify Friend or Foe), suomeksi omatunnuslaite. Samaa toisiotutkatekniikkaa käyttää edelleen moni laite kuten: Distance Measuring Equipment, RACON, SART ja aktiivinen tutkaheijastin. Kielenkäyttöön, varsinkin ilmailussa, on kuitenkin vakiintunut SSR ja toisiotutka käsitteenä, jolla tarkoitetaan nimenomaan lennonjohtolaitetta.

Toisiotutkajärjestelmä muodostaa nykyisin siviililennonvarmistuksen perustan. Lennonjohto tunnistaa ilmassa liikkuvat ilma-alukset lennonjohdon niille antaman transponderikoodin perusteella. Lennonjohtojärjestelmä yhdistää koodiin lentosuunnitelman. Lentosuunnitelmassa kerrotaan lentokoneen lähtö ja määräkentät sekä noudatettava lentoreitti ja radiokutsu. Siksi lentokone näkyy tutkaseurannan laitteilla, ilmatilannetta esittävällä tietokoneen näytöllä, yksilöitynä merkkinä ja lennonjohtaja voi valvoa lennon sujumista. Jos lentokoneen transponderi kytketään pois päältä katoaa lentokone lennonjohdon toisiotutkan näytöltä. Ensiötutkalla se voi silti näkyä. Vikaantumisen varalta interrogatorit ja transponderit on usein kahdennettu.

Toisiotutkan suorituskyky[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Koska toisiotutkan transponderi vastaa interrogatorin lähettämään pulssisarjaan, ei tarvita kohteesta heijastuvaa kaikua kuten ensiötutkalla. Toisiotukalle siis riittää kun maa-asema lähettää riittävän tehon, kilovatteja, jotta transponderi kuulee interrogaattorin pulssisarjan vastaanottimellaan. Transponderin puolestaan on oltava niin lähellä, että sen lähettämä radiosignaali on riittävän voimakas interrogaattorin vastaanottimelle. Molemmat signaalit siis etenevät ja vaimenevat vain yhden kerran maalin ja maa-aseman välisen matkan. Kun signaalin etenemisvaimennus on verrannollinen etäisyyden neliöön toisiotutkan suurin kantama on kääntäen verrannollinen etäisyyden toiseen potenssiin, eikä se riipu maalin koosta.[2]

Ensiötutkalla täytyy lähettää niin paljon tehoa, megavatteja, että se heijastuessaan maalista vieläkin riittää tutkan vastaanottimelle. Signaali siis kulkee kaksi kertaa ja vaimenee kaksi kertaa saman vaimennuksen, joka on suoraan verrannollinen etäisyyden neliöön. Ensiötutkalla on siis suurin kantama tutkayhtälön mukaisesti kääntäen verrannollinen etäisyyden neljänteen potenssiin ja riippuu suuresti maalin koosta.[2]

Näistä syistä toisiotutkalla on selvästi parempi ulottuvuus kuin ensiötutkalla. Kummallakin on rajoituksena aivan samalla tavalla maanpinnan kaarevuus. Maalin on siis oltava horisontin yläpuolella. Jos lentokoneen korkeus on 10 km se näkyy hyvin toisiotutkalla 500 km:n päästä. Ensiötutkalla se näkyy vain jos maalin heijastuspinata-ala on riittävän suuri. Toisaalta, ensiötutkalla näkyvät myös ne maalit joilla ei ole transponderia.[3][4] Toisin kuin toisiotutka, ensiötutka voi myös olla yli horisontin näkevä OTH-tutka, jolla voi olla tuhansien kilometrien ulottuvuus.[5]

Koska lentokoneita on samaan aikaan ilmassa monta myös transponderin vastauksia tulee niistä kaikista, ja myös interrogatorin antennin sivukeilojen herättämänä. Jotta nämä tarpeettomat (sivukeilojen) vastaukset eivät täyttäisi laitteiden kapasiteettia ne täytyy eliminoida. Siksi nykyisin lähes kaikki toisiotutkat ovat monopulssitutkia (MSSR). Monopulssiperiaatteella on kaksi tarkoitusta. Tärkein on moninkertaisen transponderivastauksen ongelman poistaminen. Se tehdään interrogatorin lähetyskoodaukseen liitetyn vertailupulssin avulla. Vertailupulssi lähetetään omalla pienellä antennillaan, jonka keilakuvio on ympärisäteilevä ja voimakkuus suurimman sivukeilan luokkaa, mutta pääkeilaa heikompi.[6] Siten voidaan eritellä pääkeilasta ja sivukeilasta tulleet kyselypulssit, eikä transponderi vastaa sivukeilan pulssiin. Näin saadaan yhden kyselyn (yhden antennikierroksen) perusteella kaikki maalien paikat vain kerran.[7] Vanhanmallinen toisiotutka vaati vähintään neljä (4) vastausta lentokoneelta ennen kuin Maa-asema hyväksyi lentokoneen vastauksen oikeaksi. Toinen tarkoitus on tarkan maalin suunnan määritys. Siinä toisiomonopulsitutka ei periaatteeltaan poikkea ensiötutkan vastaavasta ominaisuudesta.[8]

Ensiötutka[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Ensiötutka

Ilmatilassa liikkuu suuri määrä lentokoneita ja erilaisia ilma-aluksia, joissa ei ole toisiotutkan tutkavastaajaa ja jotka siksi eivät näkyisi lennonjohdoissa, esimerkiksi useimmat harrasteilmailun koneet, kuumailmapallot ja lannoituskoneet. Siksi toisiotutkan lisänä usein on ensiötutka.

Ensiötutkajärjestelmissä kohteen etäisyys määritetään tutkan lähettämän suurtehoisen sähkömagneettisen pulssin (megawatteja) ja kohteesta heijastuneen sähkömagneettisen pulssin (pikowatteja) aikaerona, suunta saadaan antennin suuntasynkrolta. Ensiötutka havaitsee kaikki kantamansa piirissä olevat kohteet, jotka siis ovat kyllin suuria ja riittävän korkealla eivätkä ole liian kaukana. Metallinen lentokone näkyy parhaiten, mutta purjekonekin näkyy vaikka on lasikuitua sillä se poikkeaa riittävästi ympäröivän ilman sähköisistä ominaisuuksista. Mehiläisparvikin saattaa näkyä jopa 80 km:n etäisyydeltä. Myös "tyhjästä" ilmasta saattaa tulla tutkakaikuja, koska ilmassa on turbulessien aiheuttamia paikallisia tiheyseroja. Näitä häiriöiksi luokiteltavia maaleja operaattorit kutsuvat "enkeleiksi". Myös maamaalit (metsät mäet rakennukset) näkyvät ensiötutkassa ja kaiken tämän tarpeettoman informaation poistamiseksi joudutaan siihen rakentamaan paljon tekniikkaa. Toisiotutka ilmaisee vain tutkavastaajat, joten siltä tämä vaikeus puuttuu kokonaan.

PSR tutkan monopulssiperiaate

Toisiotutkan monopulssitekniikkaa ja ensiötutkan monopulssitekniikkaa ei saa käsitteinä sekoittaa keskenään koska ne tarkoittavat eri asioita. Molemmilla on silloin kysymys tarkasta maalin suunnan mittaamisesta jakamalla antennin keila kahteen osaan monopulssiantennin avulla. Tutka lähettää yhden summakeilan ja vastaanotettaessa kuunnellaan kahta erotuskeilaa, jotka ovat erivaiheiset keskenään. Niitä vertaamalla voidaan määrittää maalin suunta hyvin tarkasti.[9][10] Toisiotutkalla monopulssitekniikalla pyritään tarkan suunnan mittaamisen lisäksi eliminoimaan sivukeilamaalit, jotta lennonjohto ei täyttyisi harhamaaleilla[8][6].

Toisiotutkan toiminta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Maa-asema lähettää kyselypulssiparin, johon kohteessa oleva toisiotutkavastain (transponderi) vastaa lähettämällä vastauspulssit. Maa-asema havaitsee vastauspulssin kehyksen ja tulkitsee kehyspulssien sisällä olevat neljä oktaalinumeroa.

Lentokoneessa oleva lähetin toimii eri taajuudella kuin maa-asema ja tällä lentokoneen lähetinyksiköllä on 50 mikrosekuntia aikaa muotoilla vastaus. Maa-asema "lähettää kyselypulssiparin" taajuudella 1030 MHz ja ilma-aluksessa oleva vastaaja koodaa lähetyksen ja lähettää taajuudella 1090 MHz vastauksen maa-asemalle.[11]

Toisiotutkavastain[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Cessna ARC RT-359A transponderi (vaalea laatikko) VHF-radion alla vuoden 1970 mallin Grumman American AA-1 Yankee lentokoneen ohjaamossa.

Toisiotutkavastain eli transponderi (engl. transponder, sanoista transmitter ja responder) on lentokoneen signaalilähetin, jolla tutkakenttään saapunut kone automaattisesti lähettää tutkaa ylläpitävälle lennonjohdolle tai ilmavalvonnalle tunnisteen eli nelinumeroisen toisiotutkakoodin ja mahdollisesti lisätietoja.

Toisiotutkavastaimen moodit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Moodi Vastauspulssin tiedot
A Toisiotutkakoodi
C Toisiotutkakoodi ja ilma-aluksen korkeus (merenpinnan tasossa)
S Toisiotutkakoodi, ilma-aluksen korkeus (merenpinnan tasossa) ja ilma-aluksen kansainvälinen tunnus, mahdollisuus luokitella miltä transpondereilta vastaus halutaan, ACAS tärmäyksenestojärjestelmän välttämätön osa.

Moodi 3/A[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yleensä maa-asema kysyy 3/A tietoa joka on lentokoneen toisiovastauskoodi. Toisiovastauskoodi muodostuu neljästä oktaalinumerosta joten maailmassa on 4096 kappaletta näitä koodeja. Lennonjohtaja kertoo lähtöselvityksen yhteydessä lentokoneelle toisiokoodin.

Toisiotutkan transponderin ohjain

Muutama koodi on osoitettu tiettyyn käyttöön, koska eri koodien lukumäärä on hyvin rajallinen.

Yleismaailmallisesti tilanteet ovat saaneet oman toisiokoodin:

  • Kaappaus (7500)
  • Radiovika (7600)
  • Yleinen hätä (7700)

Suomessa kansallisesti siviilialuksia vaaditaan käyttämään VFR-lennoilla koodia 2000, sotilaat lentävät VFR-lentoja koodilla 3000.

Koodi 0000 oli kylmänsodan ilmoituskoodi, silloin kun ao. maan ilmapuolustus osoitti että olet havaittu - vakoilukone asetti toisiotutkavastaajan päälle ja kone "koodasi" 0000.[12]

Moodi C[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toisiotutkavastain voi lähettää myös lentokoneen korkeustiedon (eri kyselypulssipari maa-asemalta "moodi C") jos lentokoneen korkeusmittarissa on ao. toiminto mahdollinen. Korkeustieto saadaan lentokoneen korkeusmittausyksiköstä (barometriyksikkö) eli ilmanpainemittarista. Korkeustieto "koodataan" käyttäen gray-koodia.[13]

Moodi S[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toiselta nimeltään moodi select. Vaatii edistyksellisen transponderin, jollainen on lähes kaikissa isoissa liikennekoneissa. Tässä moodissa tietoa voidaan lähettää enemmän. Lennonjohto voi yksilöidä ne transponderit, joilta vastaus halutaan jokaisella antennikierroksella ja ne, joilta vastaus tulee harvemmin.[14] Näin saadaan vähennettyä vilkkaalla liikennealueella vastausten "tulvaa" ja myös tarpeetonta "radioaaltosaastetta". S-moodissa toimiva transponderi on myös välttämätön osa lentoliikenteen yhteentörmäysvaaraa vähentävää järjestelmää ACAS (airborne collision avoidance system). Tällä menetelmällä myös samalla alueella olevien koneiden transponderit liikennöivät keskenään ja varoittavat törmäysvaarasta.[3][15]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Christian Wolff: Functional Block Diagram of Secondary Radar radartutorial.eu. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  2. a b Christian Wolff: SSR vs. PSR Radartutorial.eu. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  3. a b created by the author Douglas Adams: Primary and Secondary Radar H2G2. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  4. created by the author Douglas Adams: The Radar Equation H2G2. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  5. created by the author Douglas Adams: Over The Horizon Radar (OTH) H2G2. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  6. a b created by the author Douglas Adams: Side Lobe Suppression H2G2. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  7. Christian Wolff: Side Lobe Suppression Radartutorial.eu. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  8. a b Christian Wolff: Monopulse Antenna Radartutorial.eu. Viitattu 13.3.2014. englanniksi
  9. Skolnik, Merrill, I: "Introduction to Radar Systems", Sivut: 160-166, ISBN 0-07-057909-1
  10. Greg Goebel: [3.1 MONOPULSE RADAR / RANGE TRACKING / PULSE DETECTION] Vectors. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  11. Christian Wolff: Transponder radartutorial.eu. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  12. Christian Wolff: Uplink-Formats radartutorial.eu. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  13. Christian Wolff: The Reply Message radartutorial.eu. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  14. Christian Wolff: Mode S Uplink Formats radartutorial.eu. Viitattu 18.3.2014. englanniksi
  15. created by the author Douglas Adams:: Airborne Collision Avoidance H2G2. Viitattu 18.3.2014. englanniksi