Flughafenradar. Einführung in Radarsysteme

Inhaltsverzeichnis

0. Begriffe
0.1 Frequenz

1. Allgemein
1.1 Physikalische Grundprinzipien

2. Prinzip Radargerät
2.1 Duplexer

3. Einteilung Radargeräte
3.1 Primärradar
3.1.1 Vorteile
3.1.2 Nachteile
3.1.3 Daten und Verwendung
3.2 Sekundärradar
3.2.1 Vorteile
3.2.2 Nachteile
3.2.3 Daten und Verwendung

4. Auswertung der Signale

5. Radargeräte in der Flugsicherung
5.1 En Route Radar
5.2 Airport Surveillance Radar
5.3 Präzisions Anflug- und Landeradarsysteme

6. Berechnung der Seiten- und Höhenwinkel
6.1 Seitenwinkel
6.2 Höhenwinkel
6.2.1 Zielhöhe (Höhe über Grund)
6.3 Entfernung
6.4 Weitere Daten

7. Radargleichung
7.1 Rückstrahlfläche

8. Antennen
8.1 Parabolantenne
8.1.1 Funktionsweise
8.2 Phased Array Antenne
8.2.1 Funktionsweise

9. Exkurs: ADS-B
9.1 Funktionsweise
9.2 Mögliche Flugdaten

10. Quellen
10.1 Internetquellen
10.2 Buchquellen
10.3 Bildquellen
10.4 Weitere Quellen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Physikalische Grundprinzipien

Abbildung 2: Flugzeug

Abbildung 3: Seitenwinkel

Abbildung 4: Zielhöhe

Abbildung 5: Gruppenantenne

0. Begriffe

In diesem Abschnitt werden wiederkehrende Begrifflichkeiten kurz erklärt, um ein besseres Verständnis der nachfolgenden Erklärungen zu ermöglichen.

0.1 Frequenz

Frequenzen geben bei elektromagnetischer Strahlung die Schwingungen pro Zeiteinheit (Sekunde) an. Die Frequenz ist von der Ausbreitungsgeschwindigkeit c und der Wellenlänge abhängig, wobei c im Medium Luft ca. beträgt.￫ f -

Je niedriger die Frequenz ist, desto besser sind das Durchdringungsvermögen, die Beugung und damit die Reichweite (höher).

1. Allgemein

Radar steht als Abkürzung für Radio Detecting and Ranging. Das Wort kommt ursprünglich aus dem Militärischen und bedeutet Sinnhaft das Detektieren und Vermessen mittels Radiowellen. Damit lassen sich viele Anwendungen in mehreren Bereichen realisieren, wie zum Beispiel

- Rundsicht- und Bordradar für den Flug- und Schiffsverkehr
- Wetterradar
- Abstandsregelsysteme, Kollisionswarner im Straßenverkehr

Dazu werden verschiedene physikalische Grundprinzipien genutzt.

1.1 Physikalische Grundprinzipien

Bei der Radartechnik wirken drei grundlegende physikalische Gegebenheiten:

1. Elektromagnetische Wellen breiten sich geradlinig aus. Das bedeutet die (Empfangs-)Richtung kann bei entsprechender Bündelung durch Antennen genau gemessen werden. Somit ist eine Ortung in Richtrung und Höhe möglich.
2. Elektromagnetische Wellen werden an leitenden Grenzflächen reflektiert. Damit wird ein Echo erzeugt welches wiederrum durch einen geeigneten Empfänger detektiert werden kann. Das ist der Beweis für die Existenz eines Hindernisses.
3. Elektromagnetische Wellen breiten sich mit einer konstanten Geschwindigkeit aus. Diese beträgt (in Luft) annähernd Lichtgeschwindigkeit von bzw. genau . So lässt sich aus der Laufzeit der Signale die Entfernung berechnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Physikalische Grundprinzipien

Diese drei Größen ermöglichen die Grundfunktionalität eines Radarsystems zur Messung der Richtung, Entfernung und Höhe eines Ziels.

2. Prinzip Radargerät

Der Sender erzeugt eine hochfrequente Schwingung, welche von einem Duplexer zur Radarantenne weitergeleitet wird. Die Antenne strahlt dann diese Leistung in der Hauptstrahlrichtung ab, die elektromagnetische Welle breitet sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit aus und trifft auf ein Hindernis. Ein vom Ziel reflektiertes Echo erreicht anschließend die Antenne. Während dieser Zeit (kurz nach der Abstrahlung des Impulses) schaltet der Duplexer auf Empfang und kann die Signale verstärken. Dadurch können diese auf einem Bildschirm angezeigt werden oder mit einem Computersystem verarbeitet werden.

Die Anzeige erfolgt traditionell auf einem PPI (Plan Position Indicator)- Anzeigegerät. Dort wird ausgehend von der Mitte ein Strahl, rundlaufend in Richtung der Hauptkeule der Antenne, angezeigt.

2.1 Duplexer

Duplexer werden verwendet, um einen Sender und einen Empfänger bidirektional an einem Übertragungskanal (z. B. einer Antenne) zu betreiben. Dies kann beispielswiese mit einem Relais als Trenneinheit / Umschalter geschehen. Die Regel zur richtigen Ansteuerung von Sender und Empfänger wird häufig in Abhängigkeit der Zeit festgelegt (Zeitmultiplex) -so auch bei Radarsystemen. Allerdings kann eine mechanische Umschaltung durch die hohe Schaltfrequenz bei Radarsystemen nicht mehr erfolgen. Stattdessen werden Lösungen wie Branch-Duplexer (Leitungsresonanzen) oder Balanced-Duplexer (Phasenlaufzeiten) verwendet.

3. Einteilung Radargeräte

Radargeräte werden nach unterschiedlichen Kriterien unterschieden. In diesem Abschnitt werden die zwei Hauptgruppen aus technischer Sicht abgegrenzt.

3.1 Primärradar

Das Primärradar ist das System, welches die eigentlichen physikalischen Grundprinzipien benutzt. Das bedeutet hochfrequente elektromagnetische Wellen werden ausgesendet. Diese treffen dann auf ein Hindernis und erzeugen ein Echo, welches von einem Empfänger am Radarsystem detektiert wird. Es ist also das „klassische“ Radar (siehe Physikalische Grundprinzipien), mit einer passiven Arbeitsweise.

3.1.1 Vorteile

Da nur physikalische Gesetzmäßigkeiten benutzt werden, kann jedes (technisch mögliche) Ziel erkannt werden. Dies ist notwendig, um auch defekte Flugzeuge (z. B. keine Funkverbindung) oder, im militärischen Bereich, auch gegnerische Flugzeuge zuverlässig zu orten.

Des Weiteren ist ein Frequenzwechsel bei Störungen möglich. Das bedeutet eine Radaranlage kann bei sehr starkem Rauschen oder anderen Störimpulsen selbstständig die Frequenz (innerhalb des zulässigen Frequenzbands) wechseln.

3.1.2 Nachteile

Nur Informationen aus der Berechnung aus Laufzeit und Geschwindigkeit (der Wellen) werden erlangt. Außerdem muss die elektromagnetische Strahlung die Strecke vom Radargerät bis zum Ziel und zurück (als durch die Sendeleistung erzeugtes Echo) überwinden. Dabei wird diese beim Hinweg, bei der Reflexion und auf dem Rückweg gedämpft. Deshalb sind große Sendeleistungen von Nöten, um ein noch detektierbares Signal am Empfänger zu erzielen.

3.1.3 Daten und Verwendung

Folgende Informationen können gewonnen werden:

- Richtung
- Entfernung
- Höhe

Weitere Daten sind durch die Nutzung von Computersystemen möglich (siehe Weitere Daten Kapitel 6.4).

In folgenden Bereichen findet meist das Primärradar Verwendung:

- Flugverkehr
- Schiffsverkehr
- Straßenverkehr (Geschwindigkeitsmessung)
- Militär

3.2 Sekundärradar

Das Sekundärradar ist eher eine Kommunikationsverbindung zwischen einem Empfänger und einem Sender, wobei die Rollen wechseln. Das heißt das Radar sendet einen Impuls aus, worin eine Frage (nach der Höhe, Geschwindigkeit etc.) enthalten ist. Diese wird von einem Transponder im Flugzeug empfangen und dekodiert. Dort wird dann die notwendige Information als Antwort generiert und an das Radar zurückgeschickt. Somit handelt es sich um eine aktive Arbeitsweise. Die Fragen und Antworten sind festgelegt, also können nur Informationen aus einem definierten Katalog übertragen werden. Theoretisch wären allerdings alle Daten möglich. Die Abfrage wird auf der Frequenz 1030 MHz übertragen, die Antwort bei 1090 MHz.

3.2.1 Vorteile

Jede Information (bzw. der feste Katalog) kann auf einfache Weise übertragen werden. Damit wird das Einsatzspektrum des Radarsystems um viele weitere Daten erweitert. Außerdem wird eine geringere Sendeleistung benötigt, da nur die einfache Strecke (und nicht Hin- und Rückweg) überbrückt werden muss. Dies ermöglicht außerdem kleinere Sender und Empfänger oder aber höhere Reichweiten.

3.2.2 Nachteile

Durch die bidirektionale Datenverbindung ist eine aktive Mitarbeit des Ziels notwendig. D. h. nicht jedes Ziel, beispielsweise ein feindliches Militärflugzeug, wird geortet. Außerdem muss die Sende- und Empfangsfrequenz festgelegt sein, somit kann bei Störungen kein Wechsel auf andere, störungsfreie Frequenzbereiche stattfinden.

3.2.3 Daten und Verwendung

Folgende und weitere Informationen können übermittelt werden:

- Position (durch eigenständige Bestimmung mittels GPS, GLONAS oder BeiDou)
- Flugkennung
- Flugzeugtyp
- Geschwindigkeit
- Flughöhe
- Kurs
- Ziel
- Feind / Freund Erkennung
- …

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