DE2146498B2 - Sekundaer-radar-system mit zusaetzlicher uebertragung von ortungsinformationen zu luftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sekundär-Radar-System mit Abfrage- und Antwortimpulsgruppen zur Zielerfassung und Zielidentifikation der im Erfassungsbereich der Bodenstation liegenden Luftfahrzeuge, wobei alle Positionen von Luftfahrzeugen in einem bestimmten Luftbereich, die durch Primär- und/oder Sekundärradar-Abtastung in der Bodenstation bekannt sind, in erdfeste Zielkoordinaten (Koordinaten der Luftfahrzeuge) umgerechnet und den errechneten Zielkoordinaten Identifikationssignale (Kennung des jeweiligen Luftfahrzeuges) und bekannte oder unbekannte Höheninformationen für je ein Luftfahrzeug zugeordnet werden.

Die zunehmende Verkehrsdichte im Luftraum erfordert es, daß neben der Überwachung des Luftraumes durch eine Bodenstation auch dem l.uftfahrzeugführer eine L.uftiagedarstellung an Bord des Luftfahrzeuges dargeboten wird, um ihm die Führung des Luftfahrzeuges längs eines kollisionsfreien Kurses zu erleichtern.

Bisher wurden aus Raum- und Kostengründen bei kleineren Flugzeugen nur Streckennavigationsverfahren wie VOR, ADF u. ä. eingesetzt. Flächennavigationsverfahren wie z. B. Inertialnavigationsverfahren, Verfahren unter Zuhilfenahme von Bordcomputern sind aus obengenannten Gründen nur größeren Luftfahrzeugen vorbehalten.

Die zunehmende Verkehrsdichte macht es aber wünschenswert, möglichst alle Luftfahrzeuge mit Einrichtungen zur Durchführung einer Flächennavigation auszurüsten, um eine bessere Luftraumnutzung zu erreichen.

In der US-PS 27 60 187 wird darauf hingewiesen, daß Maßnahmen zur Selbst-Identifizierung eines Luftfahrzeugs notwendig sind. Hierzu wird ein besonderes Identifizierungssignal übertragen, beispielsweise durch eine Erhöhung der Signalamplitudcn bei den Antwortsignalen.

Es ist bekannt (»Bücherei der Funkortung«, Band 5 VI, Dortmund 1955, Seiten 43 bis 51), eine Übertragung von Bildschirminformationen von einer Bodenstelle zu einem Flugzeug durchzuführen (»Teleran-System«). Hierzu wird die am Boden durch Primär- und Sekundärradar gewonnene Luftlageninformation auf Radarbildschirmen dargestellt und über Fernsehkameras abgetastet. Die so erhaltenen Fernsehsignale werden über einen besonderen Fernsehsender zu den Flugzeugen übertragen, welche entsprechende Empfangseinrichtungen aufweisen. Dem Piloten wird auf einem speziellen Bildschirm das ihn interessierende Fernsehbild wiedergegeben. Die verschiedenen Schirmbilder können z. B. jeweils unterschiedliche Höhenschichten wiedergeben. Durch einen besonderen Lichtpunkt kann die jeweilige Bildschirmdarstellung registriert werden, die zu der vom jeweiligen Flugzeug benutzten Höhenschicht gehört. Dadurch ist es für den Piloten möglich, aus den verschiedenen Fernsehbildern das für ihn höhenmäßig zutreffende herauszufinden.

Da bei den bekannten Verfahren eine zusätzliche

Fcrnseh-Sendestation bei der Bodenstelle und zusätzliche Fcrnseh- Empfangseinrichtungen beim Flugzeug vergesehen sein müssen, ist der Aufwand hierfür sehr hoch.

Der Erfindung, welche sich auf ein Sekundär-Radar-System der eingangs genannten Art bezieht, liegt die Aufgabe zugrunde, mit wesentlich geringerem Aufwand die Übertragung der am Boden vorhandenen Zielinformation zum Luftfahrzeug durchzuführen. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die gebildeten Zielinformations-Impulsgruppen in eine Modulationsform überführt werden, die geeignet ist, diese Zieliniormations-Impulsgruppen von der Sekundärradar-Bodenstation innerhalb der Pausen zwischen zwei Abfrageimpulsgruppen des Sekundärradarsystems in den durch dieses bedeckten Luftraum abzustrahlen.

Auf diese Weise lassen sich ohne größeren Aufwand, d. h. mit Hilfe eines nur geringfügig zu modifizierenden Sekundär-Radar-Systems, alle die Informationen zu dem Objekt übertragen, die dort zu einer Luftlagedarstellung notwendig sind. Auch die bordseitigen Antwortgeräte (»Transponder«) sind mit geringem Aufwand auf ihre zusätzliche Aufgabe umrüstbar.

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Luftlagedarstellung an Bord ein ausgezeichnetes Hilfsmittel, Kollisionen mit anderen innerhalb dieses Luftraumes befindlichen Luftfahrzeugen zu vermeiden.

Die Zielinformations-Impulsgruppen können sowohl über das Rundstrahl- als auch über das Richtstrahldiagramm ties Sekundärradarsystems abgestrahlt werden.

Um die Luftlagedarstellung oder -anzeige möglichst übersichtlich zu gestalten, ist es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung möglich, diese nur für bestimmte Flughöhenbereiche durchzuführen.

Unabhängig davon können unbekannte Flugobjekte, also solche Luftfahrzeuge, denen keine bestimmte Höhe zuzuordnen ist und die daher jede beliebige Höhe besitzen können, vom Flugzeugführer erkannt und damit umflogen werden.

Darüber hinaus ist von besonderem Vorteil, daß kein anderes und kein größeres Frequenzband als das des bisherigen Sekundärradarsystems benutzt wird, und daß das Verfahren ohne störende Beeinträchtigung des Sekundär-Radar-Systems durchführbar ist.

Mit Hilfe der Erfindung wird also die Flugsicherheit erhöht und die Navigation erleichtert.

Alles Nähere über die Erfindung ergibt sich aus der Beschreibung und der Zeichnung, in der in Verbindung mit einem an sich bekannten Sekundärradarsystem die Erfindung beschrieben ist. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Sekundärradars als Bodenstation;

Fig. 2 eine in der Bodenstation zum Einsatz gelangende Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 3 eine an Bord des Flugzeugs zum Einsatz gelangende Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

F i g. 4 einen Impulsplan.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, sei vorab die Funktion eines Sekundärradarsystems beschrieben. Eine Bodenstation 10, vgl. Fig. 1, sendet in regelmäßigem Abstand, z. B. alle 5 ms, über eine sich im Azimut mit etwa 10 U/min drehende Richtantenne 11 und eine zweite Rundstrahlantenne IM (die aus zeichentechnischen Gründen nicht näher dargestellt ist), Abfrageimpulsgruppen 12 aus, und zwar Impulse Pi, Pi über die Richtantenne, P₂ über die Rundstrahlantenne IM, die von einem im Flugzeug 14 enthaltenen, hier nicht näher dargestellten Transpondersystem 30 empfangen und dekodiert werden. In diesem Transponder wird aus dem Abstand des ersten Impulses P\ zum dritten Impuls Pz der Abfrageimpulsgruppe der Modus (»mode«) ermittelt, in welchem die Bodenstation 10 arbeitet Dieser Modus gibt dem Flugzeug den Inhalt der Antwortimpulsgruppe 15 vor, die sein Transponder auf die Abfrage auszusenden hat. Zur Zeit wird mit dem »Modus A/3« — Impulsabstand Ρι-Ρ₃ = 8μ5 — und dem »Modus c« — Impulsabstand P\ — Pi = 2) μς — gearbeitet.

Wird mit dem Modus A gearbeitet, so ist im Transponder 30 des Flugzeugs die Antwortimpulsgruppe 15 mit einem Identifikationscode zu versehen, wird mit dem Modus C gearbeitet, so ist vom Transponder der Antwortimpulsgruppe die vom Flugzeug geflogene barometrische Höhe aufzukodieren; diese Eigenschaften eines Transponders sind z. B. in der US-Rahmenvorschrift »Federal Aviation Regulations, Part 37 — Technical Standard Order Authorizations, Section 37 180« vorgeschrieben, der auch weitere Einzelheiten zu entnehmen sind.

In der Bodenstation wird aus der Laufzeit der Abfrageimpulsgruppe und der in der Bodenstation empfangenen Antwortimpulsgruppe des Flugzeugs in Verbindung mit der momentanen Stellung der Sendeantenne Il automatisch die Entfernung des Flugzeuges, sein Azimutwinkel gegen Nord, seine Identität und seine barometrische Flughöhe ermittelt. Diese Informationen werden dem im hier nicht dargestellten »Tower« befindlichen Flugsicherungslotsen auf einem Bildschirm oder anderen Anzeigeeinheiten dargestellt, der so Informationen über all diejenigen Luftfahrzeuge erhält, die mit einem Sekundärradartransponder ausgerüstet sind.

Er kann daher die für den reibungslosen und sicheren Ablauf des Luftverkehrs notwendigen genauen Standorte — Azimutwinkel, Entfernung und Höhe — der Luftfahrzeuge und ihre Identität in dem zu überwachenden Luftraum erkennen und gibt diese samt seinen Anweisungen per Sprechfunk dem jeweiligen Flugzeugführer bekannt, falls dies erforderlich ist.

Um nun unter Benutzung des im Flugzeug vorhandenen Transponders eine Luftlagedarstellung auch an Bord des Flugzeugs durchführen zu können — im einfachsten Falle in Form einer Ziffernanzeige für ein oder mehrere Luftfahrzeuge — werden die vom Sekundärradar gemessenen oder von einem nicht dargestellten mitlaufenden Primärradar her bekannten Zielkoordinaten, nämlich die Schrägentfernung R, der Azimut λ, die barometrische Höhe h, die Identifikation k, wie F i g. 2 zeigt, einer mit einem Rechner versehenen Datenverarbeitungsanlage 20 übermittelt, wo sie in geographische Koordinaten umgerechnet werden. Im nächstmöglichen als empfangsfrei erkannten Zeitintervall werden diese Daten als Zielinformation — Impulsgruppe 16 — über das Rundstrahldiagramm der Bodenstation 10 wieder abgestrahlt und können vom Flugzeug empfangen werden.

Nach einer vollen Antennenumdrehung der Richtantenne 11 sind somit alle im Erfassungsbereich der Bodenanlage liegenden Zielkoordinaten ermittelt, berechnet und wieder abgestrahlt worden. Damit sind an Bord jedes im Erfassungsbereich der Bodenanlage befindlichen und mit einem Transponder versehenen Luftfahrzeuges die Zielkoordinaten bekannt und werden nach jeder Antennenumdrehung erneuert.

Um die Impulsgruppe 16 von der Abfrage-Impulsgruppe 12 unterscheiden zu können, wird für diese eine größere Impulslänge von ca. 1,6 μϊ mit einer Pause von 0,8 μς gewählt; vgl. Fig.4. Es werden dieselben Impulsflanken vorgesehen wie bei den Abfrageimpulsen Pi, P2· P3, um innerhalb der Sekundärradarbandbreite zu bleiben.

Infolge der vergrößerten Impulslänge führen diese verlängerten Impulse zu keiner Antwortauslösung am Transponder des Flugzeuges, da die Impulslänge dder Impulse der Impulsgruppe 16 stets den zeitlichen Bereich der Impulse P\ und Pi der Abfrageimpulsgruppe 12 überdecken und pflichtgemäß damit eine Antwortauslösung unterdrücken. Zweitens werden durch Impulslängendiskrimination diese Impulse im Transponder aufgrund ihrer größeren Dauer als Informationspulse erkannt. Die Länge des gesamten Pulszuges 16 nimmt je nach Informationsinhalt, Anzahl der notwendigen Bit, Werte zwischen etwa 7(^sund 110 μ%ΆΧ\; vgl. Fig. 4.

Die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignete Bodenstation weist u.a. die schon genannte Antenne II des Sekundärradarsystems, die über eine Weiche 21 mit einem Sender 22 und einem Empfänger 23 verbunden ist, einen Modulator 24 und die ebenfalls schon erwähnte Datenverarbeitungsanlage 20 auf; vgl. F i g. 2.

Da die Genauigkeit der Entfernungs- und Azimutbestimmung bei dem Sekundärradar schlechter als beim Primärradar ist, bei dem bekanntlich die vom angestrahlten Objekt reflektierte Energie empfangen wird, und z. B. wegen Ausfalls nicht alle Transponder auswertbar antworten könnten, ist meistens für die Luftraumüberwachung neben dem Sekundärradar auch das schon erwähnte Primärradar vorhanden. Die Trigger- und Zielimpulse zusammen mit den Winkelinformationen der hier nicht dargestellten Prirnärradaranlage werden über Leitungen 29 und 25 der Datenverarbeitungsanlage 20 zugeführt, die im vorliegenden Falle einen Radarzielextraktor beinhalten muß zur Umsetzung der originären Radarinformationen in eine datenverarbeitungsfähige Form.

Auf diese Weise können in der Datenverarbeitungsanlage 20 auch andere als nur vom Sekundärradar erhaltene Luftfahrzeugpositionen an Zielinformationen aufbereitet und wie vorher beschrieben abgestrahlt werden.

Die modulierten Impulsgruppen 16 werden immer innerhalb der Pausen zwischen zwei Abfrageimpulsgruppen 12 abgestrahlt, in denen aufgrund vorheriger Messungen keine Antwortimpulse von angemessenen Luftfahrzeugen zu erwarten sind.

Die Impulsgruppen 16 können dabei sowohl über das Rundstrahldiagramm als auch in einer modifizierten Version über das Richtdiagramm des Sekundärsystems abgestrahlt werden.

Der im Flugzeug zu verwendende, in F i g. 3 nur schematisch dargestellte Transponder 30, der u.a. ebenfalls mindestens eine Antenne 31 aufweist, die über eine Weiche 32 mit einem Empfänger 33 und mit einem Sender 34 verbunden ist welche z. B. von einem gemeinsamen Oszillator 36 gespeist werden können, wobei der Sender zusätzlich einen Modulator 37 aufweist, ist zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens mit zusätzlichen Baugruppen zu versehen. Dies sind eine Einrichtung 40 zur Pulslängen- und Zielinformationsdekodierung, die über eine Leitung 41 mit dem Empfänger 33 verbunden ist, eine Einrichtung 42 zur Zielhöhendiskriminierung und eine Einrichtung 43 zur Identitätsdiskriminierung. Beide Einrichtungei sind mit der Einrichtung 40 direkt verbunden. Dii Ausgänge 45,46 und 47 der Einrichtungen 40,42 und 4; führen zu einem Schaltwerk S, über das die Luftlagean Zeigevorrichtung 48 gespeist wird. Über die Einrichtung 43 zur Identitätsdiskriminierung kann ferner eint Einrichtung 49 zur Anzeige des eigenen Standorte gespeist werden.

Die an Bord des Flugzeuges über den beschriebener Transponder eingegangene Zielinformaüon — Impulsgruppe 16 — wird also nach ihrer Dekodierung zur Anzeige gebracht, wobei je nach Anzeigewünschen sowohl eine Anzeige aller Ziele, also der kompletten Luftlage (Ausgang 45), als auch nur die Anzeige von Zielen in bestimmten Flughöhenbereichen (Ausgang 46) oder nur der eigenen Zielinformation (Ausgang 47) unter Vermittlung des Schalters Süber die Anzeigevorrichtung 48 durchgeführt werden kann. Durch den Zielhöhendiskriminator 42 werden nur die in einer bestimmten Flughöhe liegenden Ziele und durch den Identitätsdiskriminator 43 nur der eigen«: Standort aus der empfangenen Impulsgruppe 16 ermittelt, so daß mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens sowohl durch Dekodierung des Identitätsteils eine Navigationshilfe als auch durch die Anzeige anderer im eigenen Lufthöhenbereich fliegender Ziele durch Dekodierung im Zielhöhendiskriniinator eine Kollisionswarnung an Bord des Flugzeuges durchgeführt werden kann.

Da gleichzeitig auch die von der Primürradaranlage ermittelten Ziele von der Datenverarbeitungsanlage 20 aufbereitet und den Zielinformationen aufgeschaltet werden, sind diese an Bord des Luftfahrzeuges als besonders gefährliche Ziele erkennbar, da sie auf die Sekundärradarabfrage als im Modus C nicht auswertbar antwortend, jede beliebige Flughöhe haben können. Dies wird an Bord dadurch erkannt, daß im Zielhöhendiskriminator eine entsprechend erhaltene Information abgeleitet wird.

Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens können auf einfache und kostensparende Weise vor allem auch kleinere Flugzeuge mit einem Flächen-Navigations- und Kollisionswarnsystem ausgestattet werden, das die Führung des Luftfahrzeuges erheblich erleichtert. Es ist lediglich sicherzustellen, daß das für das Sekundärradar benützte Frequenzband durch die zusätzliche Pulsübertragung nicht erweitert und die Antwortwahrscheinlichkeit der Transponder aufgrund der zusätzlichen Zielinformationen nicht zulässig beeinflußt wird, was ohne besondere Schwierigkeiten eingehalten werden

kann. Damit ist das beschriebene Verfahren als Ergänzung zum bisher bekannten Sekundärradarsystem durchführbar, ohne daß dieses störend beeinträchtigt wird.

Die Sendefrequenz des Transponders liegt normge-

maß bei 1090 MHz, die Sendefrequenz der Sekundärradarbodenstation auf 1030 MHz. Bei zu starker Belegung der Sekundärradar-Sendefrequenz wird die Zielinformation bei einem alternativen Vorschlag auf einer Sendefrequenz von 1150MHz von der Bodenstation ausgesendet.

In diesem Fall ist im Transponder eine zweite Eingangsstufe 50 für diese Empfangsfrequenz 1150 MHz vorgesehen, die durch eine Schalterstufe 51 von der Antenne 31 getrennt werden kann. Der

Zwischenverstärker ist wieder gemeinsam. Diese Lösung hat den Vorteil, daß im Transponder der Empfang von Zielinformation abgeschaltet werden kann und der Transponder wie bisher arbeitet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

/ι Patentansprüche:

1. Sekundär-Radar-System mit Abfrage- und Antwortimpulsgruppen zur Zielerfassung und Zielidentifikation der im Erfassungsbereich der Bodenstation liegenden Luftfahrzeuge, wobei alle Positionen von Luftfahrzeugen in einem bestimmten Luftbereich, die durch Primär- und/oder Sekundärradar-Abtastung in der Bodenstation bekannt sind, in erdfeste Zielkoordinaten (Koordinaten der Luftfahrzeuge) umgerechnet und den errechneten Zielkoordinaten Identifikationssignale (Kennung des jeweiligen Luftfahrzeuges) und bekannte oder unbekannte Höheninformationen für je ein Luftfahrzeug zugeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die so gebildeten Zielinformations-Impulsgruppen (16) in eine Modulationsform überführt werden, die geeignet isi, diese Zielinformations-lmpulsgruppen von der Sekundärradar-Bodenstation (10) innerhalb der Pausen zwischen zwei Abfrageimpulsgruppen (12) des Sekundärradarsystems in den durch dieses bedeckten Luftraum abzustrahlen.

2. Sekundär-Radar-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierten Zielinformationsimpulsgruppen (16) innerhalb der Pausen zwischen zwei Abfrageimpulsgruppen (12) zu Zeitpunkten abgestrahlt werden, in denen aufgrund vorheriger Messungen keine Anlwortimpulse (15) von angemessenen Luftfahrzeugen zu erwarten sind.

3. Sekundär-Radar-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierten Zielinformations-Impulsgruppen (16) über das Rundstrahldiagramm des Sekundärradarsystems abgestrahlt werden.

4. Sekundär-Radar-System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierten Zielinformations-Impulsgruppen über das Richistrahldiagramm des Sekundärradarsystems abgestrahlt werden.

5. Sekundär-Radar-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftlagedarstellung lediglich für vorbestimmte Flughöhenbereiche durchgeführt wird.

6. Sekundär-Radar-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftlagedarstellung nur für die mit bestimmten Identifikationen versehenen Ziele durchgeführt wird.

7. Sekundär-Radar-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierten Zielinformations-Impulsgruppen (16) auf der Sekundärradar-Abfragefrequenz 5ü (1030 MHz) gesendet werden.

8. Sekundär-Radar-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierte Zielinformations-Impulsgruppe (16) auf einer um 60MHz über der Transponder (30)-Ant-Wortfrequenz liegenden Frequenz (1150MHz) gesendet werden.

9. Sckundär-Radar-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierten Zielinformations-lrnpulsgrup- < >:; pen (16) an Bord des Luftfahrzeuges durch Pulslängendiskrimination als Frage- oder Mitteilunesimrjuls identifiziert werden.

10. Sekundär-Radar-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß unerwünschte Antworten auf Zielinformationsiinpulse durch Ausnützung der Seitenzipfelunterdrükkungsschaltung an der Bordstation des Luftfahrzeuges verhindert werden.