Radar kontroli zbliżania firmy Marconi S511H

Radar Marconi S511H

Zdecydowałem się opisać ten radar, bo był on eksploatowany także na polskich lotniskach cywilnych, min. w Gdańsku i Krakowie, mam też kilka zdjęć , które zrobił mój dyplomant. Nie wiem jak jest w Krakowie, natomiast na lotnisku w Gdańsku od kilku lat nie pracuje już S511H. Został zastąpiony radarem ASR10 produkcji Raytheon, współpracującym z SSR Indra IRS20. Niestety nie mam stabelaryzowanych danych dotyczących opisanego poniżej zestawu.

Radar składa się z trzech głównych systemów i podsystemów:

  1. Radar pierwotny S511H
  2. Radar wtórny (SSR) „Messenger”
  3. Podsystem procesora pogodowego S7150

Radar pierwotny

Radar S511H pracuje w paśmie częstotliwości S. Ma dwa kanały nadawczo-odbiorcze, pracujące z rozstawem (diversity) częstotliwości. System składa się z dwóch głównych podsystemów:

  • podsystemu anten i kanałów nadawczo-odbiorczych;
  • podsystemu zdalnego sterowania, monitorowania i dystrybucji informacji radiolokacyjnej.

Pierwszy z nich jest bezobsługowy, tzn. jest sterowany oraz monitorowany ze wskaźnika wynośnego. Składa się z dwóch kanałów nadawczo-odbiorczych typu S2055. Połączone są one z anteną o podwójnej krzywiźnie za pośrednictwem zwrotnicy mikrofalowej. Antena kształtuje główną wiązkę zarówno dla nadawania, jak i odbioru oraz wiązkę pomocniczą tylko dla odbioru.

Każdy kanał nadawczo-odbiorczy jest wyposażony w adaptacyjny procesor sygnałowy typu S7113, który wytwarza impulsy synchronizujące i przetwarza sygnały echa w wizję czarno-białą (Cz/B) zobrazowywaną na wskaźnikach. Standardowo kanał nr 1 jest kanałem nadrzędnym (master) i odbiera sygnały z kanału podrzędnego nr 2 (slave), który wraz z sygnałem kanału nr 1 jest przetwarzany w procesorze. Jeżeli procesor kanału nr 1 ulegnie uszkodzeniu, procesor kanału 2 przejmuje jego funkcję jako źródło impulsów synchronizujących oraz dostarcza wizję Cz/B do wskaźników.

Zestaw antenowy składa się z wieży z umieszczoną na szczycie kabiną będącą podstawą anten radaru pierwotnego i wtórnego oraz mieszczącą układ napędu anten. Układ ten zawiera dwa silniki 3-fazowe obracające anteny poprzez przekładnię z prędkością 15 obr/min. Wielokanałowe złącza obrotowe (falowodowe i kablowe) łączą falowody i kable z antenami.

Reflektor o podwójnej krzywiźnie oświetlany jest przez 2-tubowy promiennik, wytwarzając dwulistkową wiązkę, główną i dodatkową, ta druga jest wykorzystywana tylko do odbioru sygnałów echa.

Energia mikrofal jest dostarczana do tub promieniujących odpowiednio za pośrednictwem falowodu i kabla koncentrycznego. W każdej tubie zainstalowana jest na stałe głowica szumowa (źródło sygnału szumów), zapewniając możliwość manualnego i automatycznego pomiaru współczynnika szumów torów odbiorczych.

Nadajniki zbudowane są na chłodzonych powietrzem i mechanicznie przestrajanych hystronach (podejrzewam, że jest to udoskonalony magnetron), umieszczonych w polu magnetycznym wytworzonym przez magnes stały.

Dostrajanie magnetronu do zadanej częstotliwości odbywa się za pośrednictwem układu ARCz (Automatycznej Regulacji Częstotliwości), zbudowanego z zastosowaniem generatora STALO na bazie dwóch rezonatorów kwarcowych. Pozwala to na wybór jednej z dwóch częstotliwości nadajnika, a wyboru dokonuje się zdalnie. Częstotliwość nadajnika jest równa różnicy częstotliwości generatora STALO i częstotliwości pośredniej odbiornika. Próbka sygnału wyjściowego z nadajnika oraz sygnał wyjściowy STALO podlegają procesowi przemiany częstotliwości. Sygnał p.cz. (pośredniej częstotliwości) uzyskany w efekcie przemiany częstotliwości, jest sygnałem wejściowym układu ARCZ, a także odpowiedniego procesora sygnałowego.

Procesor sygnału - Sygnał p.cz. z odbiornika jest doprowadzany do heterodyny koherentnej (COHO), która generuje koherentny sygnał odniesienia o częstotliwości pośredniej dla układów tłumienia ech stałych (TES), przy czym warto wspomnieć, że detektor fazy tego układu jest układem kwadraturowym (eliminuje zjawisko „ślepych faz”).

Adaptacyjny procesor sygnałowy przystosowuje się do zmian środowiska radiolokacyjnego, używając dwóch kanałów przetwarzających, każdy na jeden filtr:

  • pierwszy kanał jest czteroimpulsowym filtrem MTI (Moving Target Indication), zapewniającym eliminowanie zakłóceń biernych;
  • drugi kanał jest kanałem niekoherentnym, dostarcza on sygnałów wizji z obszarów pozbawionych zakłóceń biernych oraz eliminuje zjawisko ślepych prędkości.

Każdy kanał zapewnia sygnał wizyjny logarytmiczny, poddawany detekcji progowej, w celu stłumienia zakłóceń biernych. Cyfrowe sygnały wyjściowe z obu kanałów są łączone w celu dostarczenia wizji zintegrowanej do wskaźników. Procesor jest również źródłem impulsów synchronizujących radaru, z sześciokrotną przemianą częstotliwości powtarzania.

Radar wtórny (SSR)

Radar wtórny jest dwukanałowym, monoimpulsowym (MSSR), zainstalowanym obok radaru pierwotnego systemem, zapewniającym informacje o statkach powietrznych z dużą dokładnością określania ich położenia. Echa radaru wtórnego są zobrazowane wraz z danymi z radaru pierwotnego.

Antena SSR typu LVA (Large Vertical Aperture) jest otwartą konstrukcją planarną i jest ustawiona nad anteną radaru pierwotnego. Dwie anteny obracają się synchronicznie, wprawiane w ruch wspólnym napędem . Składa się ona z 35-ciu pionowych elementów promieniujących zamontowanych na sztywnej belce poziomej. Każdy z tych elementów składa się z dziesięciu dipoli umieszczonych jeden nad drugim. Sygnały sumacyjny (Σ), różnicowy (Δ) i kontrolny (Ω) formowane są przez sieć hybrydową.

Podsystem procesora pogodowego

Jest to jednokanałowy podsystem o jednolistkowej charakterystyce antenowej, pozwalający zobrazować obszary występowania opadów deszczu oraz ich intensywności.

W celu zapewnienia jak najlepszego wykrywania i zobrazowania małych statków powietrznych, system przetwarzania sygnałów echa zapewnia tłumienie zakłóceń biernych, pochodzących zarówno od obiektów stałych, jak i poruszających się (opady). Zakłócenia te są dodatkowo redukowane dzięki zastosowaniu kołowej polaryzacji fal elektromagnetycznych. Kołowo spolaryzowane sygnały generowane przez nadajniki radaru dają następujące korzyści:

  • małe statki powietrzne i inne cele odbijające kołowo spolaryzowane sygnały sondujące nie zmieniają ich polaryzacji (kierunku wirowania wektora pola);
  • krople deszczu odbijają w/w sygnały z odwrotną polaryzacją (zmiana kierunku wirowania wektora pola).

Polaryzator, umieszczony w torze przesyłowym przed wejściem głównego odbiornika, przekształca echa pochodzące od opadów deszczu na sygnały o liniowej polaryzacji – ortogonalnej (przesuniętej o 90 stopni), do tej, dla której falowód jest w stanie przesyłać fale, powodując stłumienie sygnałów echa pochodzących od deszczu. Jednakże zobrazowanie obszarów oraz intensywności deszczu pozwoliłoby kontrolerowi ocenić warunki pogody i kierować ruchem tak, by statki powietrzne mogły omijać obszary występowania turbulencji. Aby to zapewnić, bezpośrednio za polaryzatorem znajduje się sonda umożliwiająca pobieranie sygnału ortogonalnego (od deszczu). Sygnał ten jest następnie przetwarzany w procesorze pogodowym i zobrazowany na wskaźniku.

Imitator transpondera

Bardzo pomocnym urządzeniem, pozwalającym testować radar wtórny, jest imitator typu S2111. Stanowi on zresztą jego część. Rozwinięty w pewnej odległości od anteny SSR, generuje i emituje sygnały odpowiedzi ze znanej odległości i kąta azymutu, tym samym pozwalając kalibrować radar wtórny oraz w sposób ciągły monitorować poprawność jego działania, tj. dokładność pomiaru współrzędnych i skuteczność działania układu kompensacji listków bocznych (RSLS – Receiver Side Lobe Supression). Urządzenie to symuluje pracę transpondera pokładowego – sygnały zapytania są dekodowane i inicjują wysyłanie zakodowanych sygnałów odpowiedzi reprezentujących odległy obiekt.

Kilka innych (niestety niewiele) zdjęć radaru umieściłem w galerii.

Radar Kontroli Zbliżania „Surveyor”

Surveyor

Radary produkowane przez Marconi Radar Systems (Wielka Brytania) zmieniły tradycyjny pogląd, że radary kontroli ruchu lotniczego wymagają stosowania kosztownych nadajników dla uzyskania niezbędnego poziomu tłumienia zakłóceń biernych. Rezultatem kilku lat badań jest nowa lampa mikrofalowa dużej mocy – hystron. Zapewnia ona radarom pierwotnym właściwości dorównujące lub nawet przewyższające te, reprezentowane przez znacznie bardziej kosztowne radary ATC.

Długożywotny hystron i modulator zbudowany przy zastosowaniu technologii ciała stałego (tranzystory polowe FET), zapewniają dużą stabilność częstotliwości i fazy generowanych sygnałów sondujących. Takie rozwiązanie jest proste, pewne i bezpieczne – nie występują tu źródła wysokiego napięcia, brak jest układów kompresji impulsów – stąd łatwość eksploatacji i wysoka niezawodność za cenę satysfakcjonującą potencjalnych nabywców.

Marconi jest pionierem w zastosowaniu włókien węglowych w konstrukcji radarów dla ATC i ciągle rozwija tę technologię. Odporna na korozję antena radaru „Surveyor” oraz przekładnia napędu anteny o żywotności 100 000 godzin są najlepszym przykładem dążenia firmy do zredukowania zaplanowanych i niezaplanowanych remontów systemu.

Zdublowane kanały nadawczo-odbiorcze pozwalają na pracę radaru w systemie z rozstawem częstotliwości (frequency diversity), efektem czego jest zwiększenie zasięgu wykrywania celów przy zachowaniu tej samej wartości prawdopodobieństwa poprawnego wykrycia (patrz wykres pokrycia).

Podstawowe parametry radaru:

  • zasięg wykrywania celów o małej wartości skutecznej powierzchni odbicia większy niż 100 mil morskich (NM – Nautical Miles);
  • minimalny zasięg wykrywania mniejszy niż 0,5 NM;
  • w pełni adaptacyjne przetwarzanie MTD;
  • współczynnik poprawy większy niż 50dB;
  • praca jedno lub dwukanałowa;
  • średnia żywotność lampy nadawczej (hystron) 25 000 godzin;
  • zdalne sterowanie i monitorowanie pracy radaru;
  • bezobsługowe działanie;
  • przewidziano możliwość zainstalowania anteny radaru wtórnego (SSR);
  • oddzielny, odbiorczy kanał pogodowy;
  • światłowodowa transmisja danych.

Maksymalizowanie bezpieczeństwa lotów

Bezpieczeństwo lotów jest czynnikiem najwyższej wagi w konstruowaniu systemów kontroli ruchu lotniczego. Radar „Surveyor” zapewnia spełnienie najbardziej wymagających wymogów dokładności pomiaru współrzędnych obiektów oraz niezawodności, odpowiadające standardom ICAO i zapewniając nieprzerwane zabezpieczenie radiolokacyjne bez względu na warunki meteorologiczne.

Zaprojektowany tak, żeby spełnić specyficzne wymagania cywilnej kontroli ruchu lotniczego, radar „Surveyor” jest elastyczny, tzn. czuły na szybki wzrost natężenia ruchu lotniczego i w konsekwencji zmiany standardów separacji. Spełnienie tych krytycznych wymagań narzuca warunek wykrywania najmniejszych statków powietrznych przy występowaniu ekstremalnych warunków meteorologicznych i silnych zakłóceń z nimi związanych.

Minimalizowanie kosztów

Koszty nabycia i eksploatacji radaru zminimalizowano poprzez staranne zaprojektowanie zarówno samego urządzenia, jak i metod jego serwisowania. Osiągnięto to dzięki zastosowaniu hystronu jako wyjściowej lampy mikrofalowej dużej mocy w nadajniku. Za cenę mniejszą niż ¼ ceny nadajnika na bazie lamp z wiązką liniową (LFB), osiągnięto porównywalne lub nawet lepsze parametry.

Koszty eksploatacji zminimalizowano, ponieważ „Surveyor” nie wymaga przeprowadzania rutynowych przeglądów technicznych oraz zawiera system szybkiej lokalizacji uszkodzeń i modułową konstrukcję, pozwalającą na szybką wymianę uszkodzonych podzespołów.