Toisiotutka

Toisiotutkan kehittely alkoi toisen maailmansodan aikoihin, oli tarve tunnistaa omat lentokoneet vihollisista: IFF (identification friend or foe), suomeksi omatunnuslaite. Samaa toisiotutkatekniikkaa käyttää edelleen moni laite kuten: DME, 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 interrogaattorit ja transponderit on usein kahdennettu.

Koska toisiotutkan transponderi vastaa interrogaattorin lähettämään pulssisarjaan, ei tarvita kohteesta heijastuvaa kaikua kuten ensiötutkalla. Toisiotukalle siis riittää kun maa-asema lähettää riittävän tehon, kilowatteja, 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, megawatteja, 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 interrogaattorin 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 interrogaattorin 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 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

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 turbulenssien 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].

Maa-asema lähettää kyselypurskeen, johon kohteessa oleva toisiotutkavastain (transponderi) vastaa lähettämällä vastauspurskeen. Maa-asema havaitsee vastauspurskeen datakehyksen ja tulkitsee sen 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 kyselypurskeen taajuudella 1 030 MHz ja ilma-aluksessa oleva vastaaja koodaa lähetyksen ja lähettää taajuudella 1 090 MHz vastauksen maa-asemalle.[11]

Pääartikkeli: Toisiotutkavastain

Cessna ARC RT-359A -transponderi (vaalea laatikko) ilmailu-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.