3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống radar thứ cấp gồm đài radar thứ cấp đặt dới mặt đất và máy phát đáp Transponder đặt trên máy bay.
Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ Transponder.
Trạm radar thứ cấp dới đất có thể chia làm 5 phần:
Phân hệ máy phát có các khối: tạo mã hỏi, tiền điều chế, tạo dao động phát, điều chế, khuyếch đại công suất phát.
Phân hệ máy thu có các khối: khuyếch đại cao tần, trộn tần, khuyếch đại trung tần, tách sóng, khuyếch đại video, tạo dao động ngoại sai, giải mã trả lời.
Phân hệ điều khiển và hiển thị: tạo nhịp đồng bộ, máy tính điều khiển, màn hiển thị thông số.
Phân hệ anten: chuyển mạch thu phát, anten. Phân hệ nguồn. Giải mã Tìm mã trả lời Mã hoá Máy thu 1090MHz 1030MHzMáy phát Chuyển mạch thu/phát Anten Anten Chuyển mạch thu/phát KDCS phát Điều chế Trộn tần KD cao tần phát
Tạo mã hỏi Tiền điều chế KD trung tần
Tạo nhịp đồng bộ KD video Tách sóng Giải mã trả lời Tạo sóng mang Tạo dao động ngoại sai
Hình 3.2 Sơ đồ khối tổng quát trạm radar dới đất.
3.1.2 Nguyên lí làm việc
Muốn biết thông tin về máy bay là dân sự hay quân sự, mã hiệu (tên) gì, đang ở độ cao bao nhiêu...đài radar thứ cấp cần phát đi tín hiệu hỏi thuộc mode hỏi tơng ứng.
Mode hỏi là các xung có độ rộng xung và khoảng cách xung tuân theo quy luật cụ thể ứng với mục đích hỏi. Tổ hợp này thông thờng gồm 3 xung P1, P2 và P3 có cùng độ rộng xung 0.8±0.1às. Trong đó P2 chậm sau P1 khoảng 2às và giữ vai trò là xung kiểm tra, khảng cách P1-P3 hình thành nên mode hỏi.
Các xung này đợc tạo ra bởi khối chức năng tạo mã hỏi và tiền điều chế, có tần số thấp, không thể truyền lan xa trong không gian nên bắt buộc phải đổi lên cao tần nhờ điều chế với sóng mang cao tần (1030MHz), sau đó phát qua anten định hớng đến Transponder trên máy bay. Để làm việc này các xung hỏi tần thấp lần kợt đợc gia công trong các tầng điều chế, khuyếch đại công suất rồi chuyển đến phân hệ Anten.
Việc điều chế thờng phải trải qua 2 bớc sau:
Bớc một điều chế ra tín hiệu xung cao tần 1030MHz.
Bớc hai sẽ cắt gọt sờn xung cao tần để có đợc độ rộng và độ dốc sờn xung thoả mãn yêu cầu kĩ thuật.
Tầng KDCS sẽ khuyếch đại công suất phát tín hiệu sao cho phù hợp với yêu cầu về tầm phủ sóng trong không gian tơng ứng với địa hình hoạt động cụ thể. Việc điều chỉnh KĐCS do chơng trình đợc lập trình trong máy tính điều khiển đảm nhiệm.
Trớc khi chính thức đa vào vận hành tại một địa điểm xác định, ngời ta sẽ tiến hành khảo sát địa hình không gian xung quanh (trong mặt phẳng phơng vị) để biết đợc các vị trí địa vật lồi lõm gây lệch đờng truyền tín hiệu, tạo ra các tia phản xạ không mong muốn (nó làm cho đài radar xác định nhầm vị trí mục tiêu trả lời). Căn cứ vào đó ngời ta lập trình chơng trình điều khiển mức công suất phát ra trong mỗi sector trong mặt phẳng phơng vị sao cho giảm thiểu các ảnh h- ởng xấu do địa vật gây nên.
Hình 3.3 Điều chỉnh công suất phát theo địa vật quanh đài.
Anten của trạm mặt đất thực hiện cả phát tín hiệu hỏi lẫn thu tín hiệu trả lời từ máy bay. Nguyên tắc thu phát tin là qua các búp sóng chính có tính định hớng cao.
Máy bay được hỏi bởi tia trực tiếp
Máy bay được hỏi bởi tia phản xạ có công suất đủ lớn sẽ trả lời và gây ra hiện tượng bóng ma
Giảm công suất trong vùng có địa vật gây phản xạ sẽ giảm sự phản xạ và loại trừ hiện tượng bóng ma Giả Vị trí thật Địa vật gây phản xạ
Transpondor trên máy bay khi thu đợc tín hiệu hỏi là các xung cao tần phát từ đài radar thứ cấp sẽ thực hiện kiểm tra, xử lí, giải mã tín hiệu này rồi tìm mã trả lời tơng ứng để phát đáp thông qua anten thu phát vô hớng. Tần số tín hiệu trả lời là 1090MHz.
Trở lại trạm radar mặt đất, thông tin trả lời từ transponder thu qua anten thứ cấp sẽ đợc xử lí qua các công đoạn KDCT, trộn tần với dao động nội trong máy thu để đổi về trung tần, khuyếch đại trung tần rồi tách sóng, tách ra tín hiệu video cũng nh tín hiệu trả lời, gửi vào phân hệ điều khiển và hiển thị để có những thông tin mong muốn. Quá trình xử lí trong máy thu là quá trình xử lí tín hiệu t- ơng tự. Các tín hiệu tơng tự này sẽ đợc chuyển đổi thành tín hiệu số và đợc xử lí tại khâu cuối trong phân hệ điều khiển và hiển thị.
Phân hệ điều khiển và hiển thị giữ vai trò trái tim. Nó thực hiện chuyển đổi A/D để kiểm tra, xử lí các thông tin tách đợc trong máy thu, cho ra kết quả cuối cùng và đa lên hiển thị cũng nh chuyển giao kết quả này đến các bộ phận liên quan cần thiết. Phân hệ này không những cấp tín hiệu đồng bộ hoạt động giữa khối thu và khối phát mà còn thực hiện phân tích tín hiệu thu, tín hiệu phát để có những thông tin về trạng thái hoạt động của các phân hệ chức năng từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển điều khiển trở lại tác động vào các phận hệ này để ổn định hoạt động của trạm mặt đất cũng nh đa ra các cảnh báo khẩn cấp khi có sự cố về thiết bị.
Để đảm bảo an toàn cũng nh tính liên tục trong hoạt động, trạm radar mặt đất có cấu trúc dự phòng cho cả phân hệ phát, phân hệ thu và phân hệ điều khiển.
3.1.3 Các Mode cơ bản của radar Thứ cấp
3.1.3.1 Các đặc trng của tín hiệu hỏi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tần số sóng mang : 1030MHz±0.2MHz. Tính chất phân cực : phân cực đứng.
Dạng điều chế : điều chế xung.
Các mode hỏi : có 7 mode hỏi là mode1, mode 2, mode3/A, mode B, mode C, mode D và mode S.
Để mỗi đài SSR phân biệt đợc các tín hiệu trả lời mong muốn tơng ứng với tín hiệu hỏi của đài với các tín hiệu trả lời tơng ứng với các tín hiệu hỏi từ đài khác, mỗi trạm SSR ở mặt đất đợc đăng kí làm việc ở một tần số Ft quy định. Nhờ vậy dễ dàng lọc bỏ đợc các tín hiệu trả lời không đồng bộ với tín hiệu trả lời đồng bộ với tín hiệu của đài SSR.
MODE A P1 P2 P2 31 P1 P2 P3 2às 8à s
Hình 3.4 Minh hoạ Mode.
Mode hỏi τmode(às) τx(às) Chức năng Sử dụng 1 3±0.1 0.8±0.1 Bảo vệ Quân sự 2 5±0.1 0.8±0.1 Bảo vệ Quân sự 3/A 8±0.1 0.8±0.1 Nhận dạng QS/Dân sự B 17±0.1 0.8±0.1 Nhận dạng Dân sự C 21±0.1 0.8±0.1 Độ cao QS/DS D 25±0.1 0.8±0.1 Cha xác định DS
Bảng 3.1 Cho biết τmode xác định khoảng cách xung P1-P3, độ rộng xung τx của các mode.
3.1.3.2 Các đặc trng tín hiệu trả lời
Tần số sóng mang : 1090±3 MHz. Tính chất phân cực : phân cực đứng.
Dạng điều chế : điều chế xung. Các mã trả lời
Mỗi tổ hợp mã bao gồm 2 xung khung F1, F2 và các xung mang thông tin nằm giữa chúng. Khoảng cách giữa 2 xung khung luôn luôn là τkhung=20.3às. Trong khoảng cách đó có 13 vị trí cách đều nhau 1.45às (=1/14τkhung) trừ vị trí giữa khung không có xung, còn 12 vị trí còn lại có thể có hoặc không có xung thông tin tuỳ thuộc vào thông tin chung của tổ hợp mã trả lời. Tổ hợp mã trả lời đợc sắp xếp theo thứ tự của 4 tổ hợp con {A}, {B}, {C}, {D}. Mỗi tổ hợp con đều là tổ hợp mã 3 bit nhị phân {A1, A2, A4}{B1, B2, B4}{C1, C2, C4}{D1, D2, D4} có phân bố vị trí đan xen nhau trong tín hiệu trả lời theo quy định nh hình 3.5. Nh vậy mỗi tổ hợp con 3 số nhị phân nằm trong khoảng [000,111] khi chuyển sang hệ thập phân sẽ tơng ứng trong khoảng [0,7].
Ví dụ:
{A}, {B}, {C}, {D}={0,1,0}, {1,0,1}, {0,1,0}, {1,1,1}=2527.
Hình 3.5 Tổ hợp mã xung trả lời.
Nh vậy từ 12 vị trí (không kể vị trí giữa) sẽ tạo thành 212=4096 tổ hợp mã. Nếu thêm xung thông tin ở vị trí giữa (X) thì tạo đợc 213=8192 tổ hợp mã khác nhau. Hiện các xung {C}, {D}, X chỉ sử dụng cho mục đích kiểm tra một số tổ hợp mã đặc biệt.
7700 – Máy bay cần cấp cứu
7600 – Máy bay hỏng thông tin liên lạc
F1 C1 A1 C2 A2 C4 A4 X B1 D1 B2 D2 B4 D4 F2 Vị trí trống 20.3às 0.45às 1.45às F1 0 0 1 1 0 0 X 1 1 0 1 1 1 F2
7500 – Máy bay bị không tặc
Khi kiểm soát viên không lu có thêm yêu cầu nhận dạng máy bay thì trong tổ hợp mã trả lời xuất hiện thêm xung nhận dạng (SPI – Special position dentification) ở phía sau và cách xung khung một khoảng 4.32às.
3.1.4 Giải mã thời gian thực
Mọi câu trả lời từ Transponder có dữ liệu đợc mô tả trong một số hoặc tất cả 12 vị trí xung thông tin giữa hai xung khung F1 và F2. Độ dài khung luôn là 20.3às. Cặp xung hỏi nhận đợc (P1, P3) đợc phân tích bởi transponder và nó sẽ tạo câu trả lời sau 3±0.5às sau khi nhận đợc xung P3. Bộ giải mã gồm các mạch làm trễ xung vào 20.3às và tìm kiếm xung đi đôi với nó sau khoảng trễ này (cặp xung F1/ F2). Mỗi xung vào F1 đi đôi với xung F2 sau 20.3às. Nếu có sự trùng khớp giữa F1 và F2 thì hệ thống hiểu là câu trả lời từ transponder đúng bất kể là mã gì và bộ giải mã sẽ cho ra 1 xung có độ rộng 1às. Nếu transponder tiếp tục trả lời thì sự trùng khớp sẽ đợc phát hiện và bộ giải mã cho một xung ra.
Các xung ra này, xác định là có mục tiêu, và đợc gửi tới màn hiển thị hiện lên là 1 cung sáng nhỏ trong thời gian thực. Cung sáng hiện lên trong suốt thời gian chiếu rọi và mục tiêu. Do đó ta có đợc dấu hiệu về mục tiêu nh là khoảng cách và góc phơng vị.
Dữ liệu mã trong cặp xung khung đợc lấy ra thế nào? Có một thiết bị gọi là “light pen”. Nó giống nh 1 cây bút ngoại trừ là nó dùng để đọc! Đầu bút là một cảm biến tác động rất nhanh. Khi xung sáng đầu tiên hiện lên, tế bào cảm nhận đợc và lập tức phát ra một xung nhấn, rồi một xung cổng hình thành để bắt lấy câu trả lời lặp lại từ transponder. Xung cổng này có tác dụng ngăn cách câu trả lời này với câu trả lời khác trong khoảng thời gian hỏi. Bởi vì thời gian lặp lại câu hỏi đợc biết trớc, cho nên xung cổng sẽ xuất hiện cùng lúc với câu trả lời tiếp theo từ transponder. Xem hình 3.6
T T
3 2
1 Thời gian hỏi
Mục tiêu trả lời
Light pen Xung trễ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.6 Sự phát xung cổng giải mã thời gian thực, dùng để ngăn cách các câu trả lời. Light pen sẽ cảm biến khi xuất hiện sự trùng lập F1/F2.
Light pen chỉ bắt các xung trả lời của cùng một transponder. Trong thời gian của xung cổng thì 12 vị trí xung trong khung đợc kiểm tra. Nếu một xung xuất hiện tại vị trí xung nào đó thì nó đợc phân chia vào các nhóm xung A,B,C,D. Mạng tính toán sẽ tính các giá trị kí hiệu xung trong mỗi nhóm và cho kết quả về dấu hiệu của mục tiêu. Quá trình này gọi là giải mã chủ động thời gian thực.
Sau khi có đợc mã theo phơng pháp chủ động, ngời điều hành sẽ thiết lập một bộ lọc mã bị động. Nó gồm 5 chuyển mạch lựa chọn. Một cái dùng để lựa chọn mode, bốn cái còn lại là bản sao của chúng đợc sử dụng trên transponder để lựa chọn mã trong vị trí đầu tiên. Nếu mã đợc xác định theo phơng pháp chủ động là: modeA, 2235 thì các chuyển mạch của bộ lọc bị động sẽ đợc thiết lập tơng ứng. Tất cả các câu trả lời có nội dung mã nh trên sẽ đợc đi qua bộ lọc. Quá trình này nh là việc cho chìa khoá vào ổ khoá. Nếu đúng khoá thì cửa mở ra. Mỗi khi mã này đợc đi qua, bộ lọc phát 1 xung ra riêng để xác định là có mục tiêu. Vì vậy câu trả lời đợc tách từ bộ lọc là hai xung sáng, xung này ngay sau xung kia (khoảng 3 lần thời gian của xung). Theo phơng pháp này thì một mục tiêu độc lập sẽ đợc phân biệt trong một nhóm các mục tiêu. Quá trình này gọi là giải mã bị động thời gian thực.
3.1.5 Giải mã và tách dữ liệu tự động
Phơng pháp này cho kết quả là hiển thị mục tiêu không theo thời gian thực nhng nó cho phép ngời dùng có thể đọc, trực tiếp từ màn hình, tất cả các dữ liệu liên quan. Các dữ liệu gồm có: vị trí, nhận dạng, độ cao và lịch sử của mục tiêu.Có rất nhiều thiết bị đợc sử dụng và đợc chỉ ra trong hình 3.7
Quá trình vận hành đợc mô tả nh sau. Câu trả lời đợc đa tới bộ giải mã theo thời gian thực. Chúng đợc kiểm tra xem có phù hợp với định dạng chuẩn quốc tế sau đó đợc xác định là mã có giá trị. Các mã đợc đa tới một bộ định dạng mẫu dữ liệu (partical plot former). Tại đây chỉ các câu trả lời tơng ứng với câu hỏi của nó mới đợc lu trữ, những câu hỏi khác bị loại bỏ. Việc này đợc thực hiện bằng xử lí tơng quan khoảng cách và chỉ những câu hỏi có cùng khoảng cách đợc giữ lại làm dữ liệu.
Các mẫu dữ liệu đợc đa tới bộ định dạng dữ liệu có hiệu lực (valid plot former). Tại đây quá trình mục tiêu đợc quét bởi búp sóng anten đợc kiểm tra, sử dụng sự tơng thích về góc phơng vị. Trong quá trình xử lí, góc phơng vị của mục tiêu đợc tính toán và việc kiểm tra đạt đợc độ tin cậy cho phép thì khối này sẽ cho tín hiệu ra. Tín hiệu ra là dạng số, nó mô tả khoảng cách, góc phơng vị, độ cao, và mã của mục tiêu (và mode hỏi). Tín hiệu số đợc tập hợp theo một định dạng chuẩn để truyền dẫn nh là bản tin số nối tiếp. Định dạng này cho phép bộ nhận dữ liệu hiểu đợc ý nghĩa của các chuỗi số ‘0’ và ‘1’.
Tại nơi nhận đầu cuối của tuyến truyền dẫn mỗi bản tin đi qua xử lí lựa chọn “sorting”. Các dữ liệu về khoảng cách, góc phơng vị đợc đa tới máy phát hiển thị vị trí (position generator) và chuyển dạng từ R,θ sang giá trị điện thế làm lệc X,Y, nên vị trí mục tiêu sẽ hiển thị là một kí hiệu trên màn hình. Các dữ liệu mã thì đợc đa vào bộ phát kí tự (charater generator), bộ này sẽ viết ra các kí tự Alphanumeric ngay bên cạnh kí hiệu vị trí của mục tiêu.
Kết hợp với bộ xử lí lựa chọn là bộ xử lí lu trữ (storage process). khi có plot (dữ liệu về khoảng cách và góc phơng vị) mới vào hệ thống thì các plot cũ sẽ đợc hiển thị là một chấm nhỏ theo sau kí hiệu vị trí. Vì vậy một máy bay có quỹ đạo thẳng sẽ hiển thị trên màn hình là 1 kí hiệu và theo sau khoảng 5 chấm sáng. Mạng này cho ta các dữ liệu sau, cập nhật tại mỗi vòng quay của anten:
Vị trí (mô tả là hình vuông, tròn, thoi,..., kí hiệu) Vị trí trớc đó (mô tả là các chấm sáng)
Mode và mã (một kí tự kèm theo 4 số, ví dụ: A 2201)
Độ cao (3 chữ số, mô tả độ cao của mục tiêu tới hàng trăm feet). Câu hỏi
vào Giải mã
Định dạng
các mẫu plot Định dạng plot có hiệu lực Định dạng
dữ liệu ra Truyền dẫn(modem)
R,θ Dữ liệu R,θ,Mode,Code, Độ cao Tương quan Có hiệu lực Tương quan Bộ phát
kí tự Lựa chọn dữ liệu modem
Tuyến truyền dẫn
Hình 3.7 Hệ thống giải mã và tách dữ liệu tự động.
3.1.6. Tính toán khoảng cách của radar thứ cấp
3.1.6.1. Khoảng cách đờng lên
St: mức công suất tín hiệu nhỏ nhất yêu cầu tại đầu vào transponder