Sekundärradar
Ein Sekundärradar ist ein Radar, das mit aktiven Zielen arbeitet. Im Gegensatz zum Primärradar, bei welchem am Ziel nur eine (passive) Reflexion stattfindet, empfängt beim Sekundärradar ein so genannter Transponder das Signal und sendet eine „aktive Antwort“. Anwendung finden Sekundärradargeräte hauptsächlich in der Luftfahrt, jedoch wurden mit der Zeit auch andere Anwendungsgebiete erschlossen. Sie dienen der Radarüberwachung, vorwiegend im Verkehrswesen.
Funktionsweise
Das Sekundärradarprinzip ist ein Ortungsverfahren mit Laufzeitmessung, das im Gegensatz zur herkömmlichen Radartechnik nicht mit dem passiven Echo eines Zieles arbeitet, sondern bei dem sich an Bord des Zieles ein aktives Antwortgerät (Transponder) befindet. Bei einem Sekundärradar antworten also aktive Ziele auf ein empfangenes Radarsignal mit dem Aussenden einer Antwort auf der gleichen oder einer anderen Frequenz.
Hierzu wird der Radarimpuls mit einer Antenne empfangen und löst die Ausstrahlung eines charakteristischen „Echos“ über die gleiche Antenne aus. Diese Antwort kann eine charakteristische Modulation oder ein Datenpaket sein. Im einfachsten Fall ist dies der verzögerte Radarimpuls selbst, bei ersten Systemen zur Freund-Feind-Kennung wurde ein doppelter Punkt auf dem Radarschirm geschrieben - einen Punkt vom passiven Reflexionssignal und dahinter einen weiteren vom (verzögerten) Sekundärradar.
Beide Systeme haben auf Grund der unterschiedlichen Prinzipien verschiedene Vor- und Nachteile. Wesentlicher Vorteil des Sekundärradars gegenüber dem Primärradar ist dessen deutlich höhere Reichweite sowie die Möglichkeit der Identifizierung des Zieles. Mit dem Primärradar werden sichere Informationen über Richtung, Höhe und Entfernung der Ziele und das völlig unabhängig vom Ziel gewonnen. Ein Sekundärradar stellt zusätzliche Informationen, wie Kennung, Identifizierung und ebenfalls Höhe der Ziele bereit. Allerdings ist dazu die Mitarbeit des Ziels notwendig. Fehlt diese Mitarbeit, zum Beispiel weil der Transponder defekt ist, so ist das Sekundärradar nicht arbeitsfähig und dieses Flugobjekt wird nicht erkannt. Deshalb arbeiten die meisten Sekundärradargeräte in einer Kombination mit einem Primärradar.
Blockschaltbild
Das Verfahren besteht aus zwei Geräten: dem Abfragegerät (Interrogator) und dem Antwortgerät (dem Transponder). In der Luftfahrt sind die Abfragegeräte teilweise Bodenstationen, teilweise (vor allem bei Jagdflugzeugen) kann ein Interrogator auch wie die Transponder in einem Flugzeug eingerüstet sein.
Der Interrogator sendet abhängig von der jeweiligen Modulationsart (dem sogenannten Mode) eine beispielsweise mit verschiedenen Impulsen verschlüsselte Abfrage aus. Diese Impulse werden vom Transponder empfangen und ausgewertet. Je nach dem Inhalt der Abfrage wird eine Antwort generiert, wieder verschlüsselt und ausgesendet.
Durch die Laufzeitmessung zwischen Sendeimpulsen und dem Antworttelegramm kann die Entfernung zwischen Abfragegerät und Antwortgerät errechnet werden. Durch die im Transponder durch Decodierung und Codierung verursachten Verzögerungen ist diese Entfernungsberechnung nur korrekt, wenn diese zusätzliche Verzögerungszeit bekannt ist.
Reichweitenkalkulation
Durch aktive Mitarbeit des Ziels kann eine drastische Reduzierung der notwendigen Sendeleistung bei gleicher Reichweite erreicht werden, da bei Primärradar die Freiraumdämpfung mit dem Hin- und Rückweg in die Radargleichung eingeht, bei Sekundärradar nur mit dem Hinweg, da der Rückweg als eigenständige Funkverbindung zählt. Im Gegensatz zum Primärradar, bei dem die Reichweite durch die vierte Wurzel in der Radargleichung geprägt wird, wird beim Sekundärradar die Reichweite durch eine Funktion mit einer Quadratwurzel berechnet. Als Richtwert kann hier ein Faktor um 1000 angenommen werden. Daraus folgt ein erheblich einfacherer, kleinerer und vor allem billigerer Sender. Die in der Praxis übliche Sendeimpulsleistung eines Sekundärradars liegt zwischen 250 und maximal 2000 Watt. In der gleichen Größenordnung liegt auch die Sendeleistung der Transponder.
Gleichzeitig kann der Empfänger unempfindlicher sein, da die Leistungen der aktiven Antworten höher ist als die der passiven Echos. Bei einem Primärradar erreicht die Empfängerempfindlichkeit bei guten Radarempfängern Werte von −110 dBm ... −120 dBm. Bei einem Sekundärradar sind Werte um −65 dBm optimal, um ausreichend empfindlich und gleichzeitig auch ausreichend störsicher zu sein.
Betriebsorganisation
Das Sekundärradarverfahren wird in der zivilen und militärischen Luftfahrt mit einander kompatiblen Systemen angewendet:
- zivil: „SIF“ für Selective Identification Feature sowie „SSR“ für Secondary Surveillance Radar
- militärisch: „IFF“ für Identification Friend or Foe - Freund-Feind-Erkennung)
Sekundärradar bietet in der Luftfahrt zusätzliche Informationen über ein Flugzeug, welches ein Primärradar nicht beziehungsweise nicht in der Qualität ermitteln kann. Es ist ein kooperatives Verfahren, das heißt:
- Das Flugzeug muss bei dem Verfahren mitarbeiten und
- die einzelnen Schritte des Verfahrens müssen standardisiert sein, damit Flugzeug und Bodenstation einander verstehen.
Standard Mark X
Durch die International Civil Aviation Organization (ICAO) werden verbindliche Standards definiert, die das Sekundärradarverfahren regeln. Ein solcher Standard ist als Mark X (sprich: Mark ten) bekannt. In diesem Standard sind die klassischen Mode und Code definiert. Das Ziel dieser Abfrage ist eine Identifizierung des Flugzeuges und die Abfrage der Zusatzinformation Flughöhe.
Abfrageformat
Die Abfrage wird oft auch als Mode bezeichnet. Die Frage lautet etwa: „Wer bist du?“ Der Transponder im Flugzeug antwortet darauf mit einem Transpondercode. Alternativ dazu kann auch abgefragt werden „Wie hoch fliegst du?“ (Diese Frage ergab sich daraus, dass die meisten Radargeräte früher nur 2D-Radargeräte waren.) Das Flugzeug antwortet darauf mit einem weiteren Code. Mode und Code gehören immer zusammen, denn wenn die Frage nicht bekannt ist, dann ist der geantwortete Zahlenwert nicht eindeutig. Der Mode wird durch den Abstand zwischen zwei kurzen Sendeimpulsen kodiert übertragen und hat folgende Bedeutungen:
| Mode | Abstand zwischen P1 - P3 |
Verwendung | |
|---|---|---|---|
| militärisch | zivil | ||
| 1 |  3 (±0.2) µs |
Militärische Identifikation
Dieser Mode unterstützt nur 32 verschiedene Codes (obwohl ebenfalls 4096 Codes technisch möglich sind). Im Normalfall werden durch diese Codes Informationen über Einsatzzweck, -aufgabe und Typ übermittelt. Wird in Friedenszeiten kaum genutzt. | |
| 2 |  5 (±0.2) µs |
Militärische Identifikation
Der Mode 2 enthält 4096 verschiedene Codes für militärische Zwecke (wie Mode A). Im Normalfall werden durch diese Codes ein individueller Code des Flugzeuges (militärische Kennung) übermittelt. | |
| 3 | A |  8 (±0.2) µs |
Zivile und militärische Identifikation
Die Antwort auf den Mode A (Code) ist eine vierstellige Zahl (oktal 0000 bis 7777; drei Bit beziehungsweise Pulse pro Stelle BCD-Kodiert) zur Identifikation des Flugzeugs. Er wird vom Piloten am Transponder direkt oder an der abgesetzten Bedieneinheit eingegeben. (War mal als Individualcode gedacht, reicht aber für diese Aufgabe heute nicht mehr aus.) |
| B |  17 (±0.2) µs |
nicht verwendet | |
| C |  21 (±0.2) µs |
Barometrische Höhenangabe
Höhe des Flugzeuges in 100-Fuß-Schritten. Dieser Wert wird von einem barometrischen Höhenmesser ermittelt, der in allen Flugzeugen der Welt die selbe Standardeinstellung hat (ICAO Standard Atmosphere). Der Wert wird technisch ähnlich wie der Mode 3/A übertragen, jedoch nicht direkt oktal codiert, sondern im so genannten Gilham- oder Gray-Code (Wertebereich -1000 bis 127.000 Fuß). | |
| D |  25 (±0.2) µs |
nicht verwendet | |
Bei den Anfragen, die bei diesem Verfahren generell auf 1030 MHz gesendet werden, ist jeweils noch ein kleinerer "Störschutzimpuls P2" integriert, damit eventuelle Störungen durch benachbarte Radargeräte oder falsch eingestellte Antennen erkannt und eliminiert werden können.
Antworttelegramm
Das Antworttelegramm ist bei allen bisher genannten Modi 20,3 µs lang und wird auf der Frequenz 1090 MHz übertragen. Bei dieser Antwort muss ein größerer Toleranzbereich akzeptiert werden, weil zum Beispiel in großen Höhen bei starker Kälte die frequenzbestimmenden Bauteile des Transponders größere Abweichungen vom Sollwert haben.
Das Antwort- Telegramm besteht aus 2 bis 15 Impulsen mit einer Impulsdauer von je 0,45 µs (±0,1 µs). Die beiden Rahmenimpulse F1 und F2 im Abstand von 20,3 µs müssen mindestens vorhanden sein, damit vom Empfänger diese Impulse als gültige Antwort erkannt werden. Zwischen den Rahmenimpulsen gibt es im Abstand von 1,45 µs insgesamt 13 Positionen für die Codierimpulse. Von diesen werden im Mode A und C nur maximal 12 für die Übertragung der gewünschten Information in einem Oktalcode genutzt. Die drei Leerstellen dürfen nicht durch Impulse belegt sein, da sonst manche Decoder die gesamte Antwort als Störung interpretieren und somit verwerfen. Das Antwort- Telegramm enthält jedoch keinerlei Information über den Mode. Der Decoder des Sekundärradars geht immer davon aus, dass die empfangene Antwort zu dem als letztes abgefragten Mode passt!
Die Impulse zwischen den Rahmenimpulsen beinhalten den Code, der abhängig vom Abfragemode die gewünschte Information als Oktalzahl enthält. Durch die Anzahl von 12 möglichen Impulsen ist der Wertevorrat der eindeutigen Informationen auf begrenzt.
Der SPI- Impuls (Special Purpose Identification) wird in der Flugsicherung dafür genutzt, die Antwort zur Identifizierung besonders hervorzuheben. Auf Anforderung des Bodenpersonals drückt der Pilot am Bedienpult des Transponders einen Knopf und dann wird für eine bestimmte Zeit (18±1 s lang) der SPI-Impuls an das Antwort- Telegramm angefügt. Durch die aus historischen Gründen außerhalb der Rahmenimpulse gewählte Position entstehen einige Probleme in der weiteren Verarbeitung. Gemäß ICAO wird der SPI-Impuls nur bei einer Antwort auf den Mode A generiert.
Die Verschachtelung der Impulse und die Leerstelle in der Mitte sind aus historischen Gründen enthalten. Der Vorläufer dieses Verfahrens hatte nur die Möglichkeit, zwei Oktalzahlen zu übertragen. Später wurden aus Kompatibilitätsgründen die zusätzlichen Oktalzahlen in die Zwischenräume der alten Antwort gelegt.
Anzeige
Im einfachsten Fall wird auf dem Radarschirm hinter dem Zielzeichen des Primärradargerätes ein weiteres, meist etwas dünneres Zielzeichen angezeigt. Der Abstand entsprach anfangs der zusätzlichen Verzögerungszeit im Transponder. Später konnte er individuell am Sichtgerät eingestellt werden. Die Zahlenwerte des Identifizierungscodes und die Höhenangabe müssen auf einem zusätzlichen Display aus Leuchtdioden am Sekundärradar oder an einer abgesetzten Anzeige neben dem Primärradarbildschirm abgelesen werden. Einige Radargeräte können diese Zusatzinformationen auch auf dem Bildschirm selbst als Zahlenangabe einblenden.
Moderne digitale Radargeräte können die Informationen des Sekundärradars mit dem Zielzeichen des Primärradargerätes zusammenfügen. Hier werden beide Radarinformationen in je einen Plotextraktor zu einem digitalen Datenwort verarbeitet, welche dann im Radar Data Processor zu einem Datensatz korreliert werden. Die Anzeige erfolgt also auf dem digitalen Bildschirm des Primärradargerätes. Da die Signalverzögerungszeiten nun auch in der Bodenstation sich erheblich unterscheiden, muss die Antenne des Sekundärradargerätes mit einem kleinen Winkelversatz auf der Primärradarantenne montiert werden.
Standard Mark XII (Mode S)
Ein weiterer durch die ICAO definierter verbindlicher Standard wird als Mark XII (sprich: Mark twelve) bezeichnet. Diese neue Standardisierung wurde erforderlich, weil durch den angestiegenen Flugverkehr der Wertevorrat für Mode 3/A (mit nur 4096 verschiedenen Codes) zu klein wurde. Er beinhaltet die Normen für den Mode S, welcher einen Individualcode für jedes zugelassene Flugzeug ermöglicht. Dieser ist ähnlich strukturiert wie der militärische Mode 4.
Der Mode S ermöglicht eine individuelle selektive (deshalb das „S“ im Namen) Adressierung von Flugzeugen. Dieser Standard wurde durch die ICAO festgelegt und ist derzeit für Flugzeugneuzulassungen vorgeschrieben.
„Die individuelle SSR Mode S Adresse soll eine von 16.777.214 möglichen 24-Bit Adressierungen sein, die durch die ICAO oder einer staatlichen oder einer anderen bevollmächtigten allgemeinen Registrierungsbehörde zugeteilt werden.“[1]
Unten: Flugzeug der CSA mit zusätzlichen Mode-S- Informationen
Das bisherige Identifizierungssystem im Mode 3/A hat durch den verwendeten vierstelligen Oktalcode nur einen Wertevorrat von 4.096 verschiedenen Identifizierungscodes. Deshalb musste dieser Code dynamisch zugewiesen werden, das heißt, beim Durchflug durch verschiedene Zuständigkeitszonen wurden dem Flugzeug ein jeweils neuer Identifizierungscode zugewiesen. Das hat bisher die Gefahr von Verwechslungen auf dem Radarschirm verursacht.
Das Mode S System kann als Basisprotokoll für die Kommunikation zwischen dem Transponder im Flugzeug und dem Sekundärradar am Boden definiert werden. Neben dem Identifizierungscode, der nun individuell (ähnlich wie ein KFZ-Kennzeichen) für ein Flugzeug vergeben wird, können sehr viel mehr Informationen über den aktuellen Flugzustand an das Sekundärradar übertragen werden. Der militärische Mode 4 ist für zivile Geräte nicht auswertbar, da die Antworten kodiert sind und der Inhalt klassifiziert ist.
Ein wesentlicher Vorteil des Systems ist, dass die Bodenstationen die abgefragten Informationen über ein Netzwerk austauschen können. Das verringert die Abfragehäufigkeit und somit auch die gegenseitigen Störungen durch Fruit. Das setzt allerdings vorraus, dass wenn die selektive Abfrage eines Flugzeuges erfolgt ist, dessen Antwort einem Primärecho zugeordnet wird und eine weitere Abfrage unterbleibt. Die Abfrage muss wieder abwärtskompatibel sein. Ein alter Mark X- Transponder darf durch die Mode-S Abfragen nicht verwirrt werden. Deshalb werden diese alten Transponder wie bisher abgefragt, allerdings wird dem Protokoll ein vierter Impuls (P4) angehängt, der einen Mode S Transponder für diese Abragen sperrt. Die alten Transponder kennen diesen Impuls nicht und ignorieren ihn.
Die Abfragemöglichkeiten einer Mode S- fähigen Bodenstation werden grob in zwei Typen klassifiziert:
All-call interrogations
- „All-call interrogations” erwarten von allen Flugzeugen im Auffassungsbereich eine Antwort. Doch unter bestimmten Bedingungen kann der Mode S Transponder diese Antworten sperren. Zum Beispiel kann eine erfolgreiche Abfrage bewirken, dass die diese Abfrage auslösende Bodenstation keine Antworten auf diesen Abfragemode mehr erhält. Der Transponder erwartet von dieser Bodenstation nun eine „Roll-call interrogation”.
Roll-call interrogations
- „Roll-call interrogations” sind individuell (selektiv) adressierte Abfragen, auf die nur der eine angesprochene Mode S Transponder reagiert. Die Antwort auf diese selektive Abfrage ist ein Telegramm aus bis zu 112 Bit, welches diverse Informationen wie Kurs, Geschwindigkeit oder Ausweichempfehlungen vom bordeigenen Kollisionswarnsystem (siehe TCAS) enthalten können. Der genaue Inhalt kann vom Fluglotsen aus einem Pool von Möglichkeiten ausgewählt werden.
Übertragungsprotokolle
Uplink
Neben der eigentlichen Mode S Abfrage müssen durch die Bodenstationen auch zum Mark X System kompatible Impulsmuster gesendet werden, die in der folgenden Tabelle gezeigt werden:
| Impulsdauer von P4 | Mode S inter mode | |
|---|---|---|
 kein P4 |
Mode A reply | Diese Abfrage wird abwärtskompatibel für nicht Mode S-fähige Transponder gesendet. Da der Transponder nicht erkennen kann, ob eine Mode-S fähige Bodenstation abfragt, antwortet er auch. |
 0,8 µs |
no replay | Deshalb wird durch Mode S-fähige Abfragestationen ein kurzer P4-Impuls gesendet, dann antwortet ein Mode S Transponder nicht. Alte Transponder kennen diesen Impuls nicht und antworten. |
 1,6 µs |
all-call reply | Ein langer P4-Impuls wird gesendet, um eine „All-call interrogation“ auszulösen. Dieser Mode wird selten verwendet, da es andere und bessere Möglichkeiten gibt, den Individualcode zu erfassen und eine gezielte Mode S Abfrage auszulösen. |
 kein P4 dafür großer P2 |
Mode S reply | Das Radar sendet einen P2-Impuls mit gleicher Amplitude wie der P1-Impuls. Das aktiviert Mode S Transponder zu dem Empfang des P6-Impulses mit dem Datenblock. Für nicht Mode S-fähige Transponder erscheint diese Abfrage wie als aus einer Nebenkeule und wird deswegen durch die erfüllte ISLS- Bedingung nicht beantwortet. |
Als Übertragungsprotokoll wird auf dem sogenannten Uplink- Weg (Abfrage von der Bodenstation hoch zum Flugzeug) innerhalb des P6- Impulses eine Impulsmodulation mit differenzieller Phasenumtastung (DPSK) genutzt. Da der P2 Impuls nun zur Sperrung der alten Transponder verwendet wird, muss die Nebenkeulenunterdrückung anders gelöst werden. Ein fünfter Impuls wird wie früher der P2-Impuls über eine Antenne mit Rundstrahlcharakteristik ausgesendet. Dieser Impuls überdeckt das Synchron-Bit im P6-Impuls. Ist der P5 Impuls zu groß, dann kann der Transponder den Impuls P6 nicht decodieren. Der P6-Impuls kann entweder 56 oder 112 Bit enthalten.
Technisch ist es auch möglich, über den Uplink Informationen an Flugzeuge zu schicken, beispielsweise Wetterdaten, Informationen über sich annhähernde Flugzeuge (TIS, traffic information service, in den USA), Flugfreigaben etc. Diese Möglichkeiten werden in der EU derzeit allerdings nicht ausgenutzt.
Downlink
Auf dem Downlink- Weg (Antwort vom Flugzeug zum Abfragenden) ist es ungünstig, ebenfalls die differenzielle Phasenumtastung (DPSK) zu verwenden. Die Übertragungssicherheit wird durch die extremen Temperaturschwankungen, denen ein Transponder in großen Flughöhen ausgesetzt wird, ungünstig beeinflusst. Deshalb wird eine weniger anfällige Modulation, die Pulse Position Modulation (PPM) verwendet. Immer dann, wenn in einem dem Antwortdiagramm als Zeitraster hinterlegten Synchrontakt eine fallende Flanke erkannt wird, dann liegt eine logische „1“ an. Bei einer steigenden Flanke wird eine logische „0“ erkannt. Auch auf dem Antwortweg werden so entweder 56 oder 112 Bit übertragen.
Squitter-Mode
Eine Besonderheit der Mode S- fähigen Transponder ist der sogenannte Squitter-Mode, bei dem der Transponder unabhängig von einer Abfrage und in regelmäßigen Abständen zum Beispiel GPS- Position und Identifizierung als Rundspruch sendet (ADS-B Automatic Dependent Surveillance - Broadcast). Die Unterstützung dieses Modes ist in Deutschland jedoch keine Pflicht. Auch sind noch nicht alle Mode S- fähigen Transponder technisch in der Lage, eine solche Nachricht zu versenden.
Dieser Mode ermöglicht, mit einem einfachen über eine USB-Schnittstelle an einen Computer angeschlossenen Empfänger auf der Frequenz 1090 MHz ein virtuelles Radar aufzubauen, welches mit einer kleinen Stabantenne die kommerziellen Flüge im Umkreis von etwa 40 km auf dem Computerdisplay in Echtzeit darstellen kann. Durch die Verknüpfung vieler solcher kleinen Empfangsstationen über ein Netzwerk sind lückenlose Darstellungen der Bewegungen im Luftraum möglich. [2]
Ausrüstungsvorschriften
In Deutschland ist ein Transponder vorgeschrieben:
- Bei IFR-Flügen (§ 3 FSAV)
- Bei VFR-Flügen in den Lufträumen C und D (nicht Kontrollzone) (§ 4 FSAV)
- Bei VFR-Flügen in Lufträumen mit vorgeschriebener Transponderschaltung (Transponder Mandatory Zone - TMZ) (§ 4 FSAV)
- Bei VFR-Flügen bei Nacht im kontrollierten Luftraum (§ 4 FSAV)
- Bei VFR-Flügen mit motorgetriebenen Luftfahrzeugen oberhalb 5000 ft über NN oder oberhalb einer Höhe von 3500 ft über Grund (§ 4 FSAV)
Weitere Anwendungen
Neben der Luftfahrt, die sicherlich den größten Anwender der Radartechnologie darstellt, werden Radarsysteme (sowohl primäre als auch sekundäre) auch in luftfahrtfremden Bereichen eingesetzt. Neben vielen anderen Transponderanwendungen werden nur diejenigen als Sekundärradar bezeichnet, bei denen auch eine Entfernungsbestimmung mittels einer Laufzeitmessung durchgeführt wird.
Sekundärradar in der Automobiltechnik
Moderne Automobile verwenden ein sekundäres FMCW-Radar, um die Entfernung eines Funkschlüssels zum Kraftfahrzeug festzustellen. Dabei wird neben der Laufzeitmessung des Signals auch eine Datenübertragung durchführt, die den Schlüssel gegenüber dem Fahrzeug identifiziert. Erst bei erfolgreicher Identifikation und geringer Entfernung des Schlüssels zum Fahrzeug wird das Schließsystem der Türen entriegelt. Eine zusätzliche Innen-Außenraum-Erkennung stellt sicher, dass der Antrieb nur gestartet werden kann, wenn sich der Schlüssel innerhalb des Fahrzeugs befindet.
Siehe auch
Weblinks
- www.dfs.de Ausführliche Zusammenfassung der Ausrüstungsvorschriften
- www.radartutorial.eu (Virtueller Lehrgang „Radargrundlagen“, Abschnitt SSR und MSSR)
- www.kinetic-avionics.co.uk SBS-1™ Real-Time Virtual Radar
Quellen
- ↑ ICAO- Standard Annex 10 Volume III Chapter 9, Ergänzungen 71ff.
- ↑ SBS-1 Real-Time Virtual Radar Receiver für Aircraft Transponder Signale, THIECOM
