DE2821583A1

DE2821583A1 - Verfahren und anordnung zur ortung von radartranspondern im wirkungsbereich eines sekundaerrundsichtradars

Info

Publication number: DE2821583A1
Application number: DE19782821583
Authority: DE
Inventors: George Barrett Lichford
Original assignee: Litchstreet Co
Current assignee: Litchstreet Co
Priority date: 1977-05-17
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1979-01-11
Also published as: FR2391475B1; FR2391475A1; GB1566390A

Description

Verfahren und Anordnung zur Ortung von Radartranspondern im Wirkungsbereich eines Sekundärrundsichtradars

Die Erfindung bezieht sich auf die Funkortung von beweglichen Beförderungsmitteln wie Flugzeugen, die mit Transpondern ausgestattet sind.

Zur Überwachung und Kontrolle von Flugzeugen, die Transponder tragen, werden seit vielen Jahren überall in der Welt Sekundärrundsicht-Badarsysteme (SSE—Systeme) verwendet, die in diesem Zusammenhang mit der international gebräuchlichen Abkürzung ATCEBS (Air Traffic Control Eadar Beacon System) bezeichnet werden. Die Arbeitsfrequenzen, Signalformate und Betriebsverfahren sind durch internationale Übereinkommen standardisiert. Das System wird gewöhnlich in Verbindung mit einem bodenfesten Eontrollzentrum betrieben, wo Fluglotsen sitzen, welche die Flugbewegungen in zugeordneten Sektoren überwachen und über Funk dirigieren. Am Ort oder in der Nähe größerer Flughäfen befinden sich Stationsradars für die lokale Überwachung, während die Überlandluftstraßen durch Streckenradars bedient werden, die an günstig gelegenen Orten installiert sind. In den USA sind zur Zeit etwa sechshundert SSE-Systeme im Einsatz. Alle diese Systeme senden Abiragen auf einer Trägerfrequenz von 1030 ΜΞζ und empfangen frans· ponderantworten auf einer Trägerfrequenz von 1090 MHz. Viele Gegenden, insbesondere wo dichter Flugverkehr herrscht, werden durch überlappende Erfassungsbereiche mehrerer SSE-Systeme überzogen. Ein in Eeiseflughöhe befindliches Flugzeug antwortet oft auf viele Eadars, die manchmal hundert Meilen oder mehr entfernt

809882/0654

sind. Ein gemeinsamer Betrieb von sich überlappenden ßadarsystemen auf derselben Trägerfrequenz wird ermöglicht, indem man denverschiedenen Eadarsystemen jeweils verschiedene Strahlumdrehungsperioden und verschiedene Abfrage-Viederholungsmuster (Geschwindigkeiten und/oder Sequenzen) zuordnet. Auf diese Weise kann jedes Radar die Antworten auf seine eigenen Abfragen identifizieren und verarbeiten und die von anderen Eadars ausgelösten Antworten zurückweisen.

Die vorstehend genannten Mittel sind zwar bei der existierenden Eadarsituation erfolgreich, jedoch gibt es gewisse Grenzen für die Anzahl zusätzlicher Eadars, die man noch aufnehmen könnte, ohne die Leistungsfähigkeit des Plugverkehrskontrollsystems über Gebühr zu beeinträchtigen. Ein weiteres Hindernis sind die hohen Kosten einer Radaranlage. Viele zweitrangige Flughafen für allgemeine Luftfahrt wurden vom SSE-Dienst profitieren, wenn dies wirtschaftlich möglich wäre.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nutzungsmöglichkeit von SSE-Systemen zu erweitern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Eine Anlage zur Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patentanspruch 6 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit der Erfindung kann z.B. an einem kleinen Flughafen für allgemeine Luftfahrt ein Dienst simuliert werden, der im wesentlichen gleichwertig mit dem Dienst eines lokalen SSE-Systems ist, indem man die Abfragen, die von einem woanders vorhandenen SSE-System (z.B. an einem meilenweit entfernten Hauptflughafen) kommen, und außerdem die auf diese Abfragen hin ausgesendeten Transponderantworten empfängt. Die zeitlichen Beziehungen zwischen den empfangenen Signalen und der bekannte Abstand sowie die Eichtung des vorhandenen SSE-Systems beinhalten alle notwendigen Informationen, um die Positionen der Transponder bezüglich eines Bezugsorts (z.B. bezüglich des kleinen Flughafens) anzuzeigen. Am Bezugsort selbst braucht keine Eadaraussendung zu erfolgen.

— 3 — 809882/0654

Die Zeit zwischen dem. Empfang einer Abfrage und dem Empfang einer Transponderantwort auf diese Abfrage definiert als geometrischen Ort für die Position des betreffenden Transponders eine besondere Ellipse, die ihren einen Brennpunkt am Ort des SSE und ihren anderen Brennpunkt am Ort des Empfängers hat. Die Zeit zwischen dem Augenblick des Durchgangs der Hauptstrahlachse des SSR durch den Ort des Transponders und dem Augenblick des Durchgangs dieser Achse durch den Bezugsort ist ein Maß für den Azimutalwinkel zwischen diesen beiden Orten aus der Sicht des SSE, der den Punkt des Standorts des Transponders auf der Ellipse definiert. Die Positionen der transpondertragenden Flugzeuge rund um den Bezugsort können zweckmäßigerweise durch die Ellipsen- und die SSE-EadiuskoOrdinate angezeigt werden. Es ist jedoch in einfacher Weise möglich und im allgemeinen auch vorzuziehen, die Positionen in Polarkoordinaten anzuzeigen, die den Bezugsort als Zentrum, haben.

In Fällen, wo der Bezugsort gegenüber dem Eadar verdeckt liegt, z.B. durch dazwischenliegendes bergiges Gelände, kann an irgendeinem Zwischenort ein normaler Transponder als Eelais installiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als Blockschaltbild;

Figur 2 ist eine geometrische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Figur 1.

Gemäß der Figur 1 ist ein 1030-MEz-Empfanger 1, der Abfragen von einem ausgewählten,irgendwo anders stehenden Sekundärrundsicht-Eadar (SSE) empfangen kann, über einen Abfragedecoder 4 und von dort über einen Umschalter 17 und einen Wähler 2 für die Pulswiederholungscharakteristik (PEC-Wähler) mit einem Hüllkurvendetektor 3 gekoppelt. Ein 1090-MHz-Empfanger 5j der Transponderantworten auf die vom ausgewählten SSE gesandten Abfragen empfangen kann, ist mit einem Antwortdecoder 8 und über einen PEC-

809882/0654 " ⁴ "

Wähler 6 mit einem Hüllkurvendetektor 7 gekoppelt. Der 1090-MHz-Empfanger 5 ist außerdem mit einem Belaisdecoder Ί8 gekoppelt, der in bekannter Weise konstruiert ist, um nur auf einen vorwählbaren der 4096 verfügbaren Transponderantwortcodes anzusprechen. Der Decoder 18 ist mit dem Umschalter 17 verbunden, der in der gezeigten Weise angeschlossen ist, um entweder den Ausgang des Abfragedecoders 4 oder den Ausgang des Eelaisdecoders 18 auf den PEC-Wähler 2 zu geben.

Der Ausgang des Hüllkurvendetektors 3 führt zum Start-Eingang eines Intervallzeitgebers 9₅ und der Ausgang des Hüllkurvendetektors 7 führt zum Stop-Eingang dieses Intervallzeitgebers.

Der Zeitgeber 9 kann so ausgebildet sein, wie es in der USA-Patentschrift 3 757 324 in Verbindung mit der dortigen Figur 6 beschrieben ist. Die PEC-Wähler und der Antwortdecoder 8 sind ähnlich wie die Geräte, die in herkömmlichen SSE-Systemen verwendet werden, um die Antworten auf ihre eigenen Abfragen auszuwählen und zu decodieren. Der Abfragedecoder 4 ist ähnlich dem entsprechenden Decoder eines herkömmlichen Transponders und dient dazu, auf den Empfang einer gültigen Abfrage hin einen Antwortauslöseimpuls zu liefern.

Ein Pulswiederholungscharakteristik-Generator (PEC-Generator) 10 erzeugt Impulse synchron mit den Abfragen vom ausgewählten SSE, wenn diese Abfragen empfangen werden, und fährt mit der Erzeugung solcher Impulse fort, während keine Abfragen empfangen werden. Bei der gezeigten Stellung des Umschalters 17 wird der Generator 10 jedes Mal neu mit dem SSE synchronisiert, wenn der rotierende Eadarstrahl vorbeistreicht, so daß ein Zustand aufrechterhalten wird, der in guter Näherung die Impulse simuliert, die erscheinen wurden, wenn vom ausgewählten SSE ständig Abfragen empfangen werden wurden.

Auf jede Transponderantwort hin, die durch eine Abfrage vom ausgewählten SSE ausgelöst und vom Empfänger 5 empfangen wird, gibt der Antwortdecoder 8 einen Impuls auf die Leitung 11. In die Leitung 11 ist eine Verzögerungseinrichtung 21 eingefügt, die durch einen Schalter 22 überbrückt wird, wenn dieser Schalter in der ge-

zeigten geschlossenen Stellung ist. Bei geschlossenem Schalter 22 werden das Ausgangs signal des PEC-G-enerators 10 und die Impulse auf der Leitung 11 über ein "erweitertes Azimut-Tor 13? das von dem in der USA-Patentschrift 3 735 4-08 "beschriebenen Typ sein kann, auf den Start-Eingang bzw. den Stop-Eingang eines Intervallzeitgebers 12 gegeben. Der Zeitgeber 12 ist ähnlich wie der Zeitgeber 91 er ist jedoch zur Messung kürzerer Intervalle, z.B. bis zu 100 Mikrosekunden, ausgelegt. Sein Ausgangssignal gibt die Zeitdifferenz t an, die zwischen der Ankunft eines eine Abfrage vom ausgewählten SSR anzeigenden oder simulierenden Impulses und der Ankunft einer vom Empfänger 5 empfangenen Antwort auf diese Abfrage besteht.

Im Bild der Figur 2 befindet sich die in Figur 1 dargestellte Einrichtung an der Stelle V, die z.B. der Standort eines kleinen Plughafens für allgemeine Luftfahrt sei. Der Abstand D und der Azimutwinkel Z des Orts V von einem arbeitenden SSE sind bekannt, z.B. aus einer Landkarte. Der Punkt T sei die Position eines mit [Transponder ausgestatteten Flugzeuges irgendwo in der Nähe von V. E ist die Entfernung und B ist der Peilwinkel von V nach T. A ist die Azimutdifferenz,X der Entfernungsunterschied zwischen V und T, vom Ort des SSE aus gesehen. Im dargestellten Fall ist sowohl A als auch X positiv. Venn T näher am SSE liegen würde als V, dann wäre X als negativ anzusehen.

Jede am Ort V empfangene Antwort von dem bei T befindlichen ponder folgt um das Zeitintervall t nach dem Empfang oder der Simulation der entsprechenden Abfrage vom SSE. Unter der Voraussetzung, daß systemeigene Verzögerungen kompensiert oder bereits berücksichtigt sind, gilt die Beziehung:

et = E + X _;

worin c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funkwellen ist. Somit ist die Ausgangsgröße des Intervallzeitgebers 12 (Figur 1) ein Maß für E + X.

Wenn sich in der Sicht der Figur 2 der Eadarstrahl des SSE im Uhrzeigersinn dreht, dann beleuchtet er zunächst den Ort V und ein gewisses Zeitintervall später den Transponder am Ort T. Die

809882/0654

— 6 —

Ausganggröße des IntervallZeitgebers 9 (Figur 1) ist somit ein Maß für die Azimutdifferenz A.

Die Geometrie der Figur 2 definiert den Ort von T als einen Punkt auf einer Ellipse E, die ihren einen Brennpunkt am Ort des SSE und ihren anderen Brennpunkt am Ort V hat. Die Entfernung zwischen den Brennpunkten ist D. Die Hauptachse, deren Länge gleich et + D ist, verläuft im Winkel Z zur Bezugsrichtung H",und die Exzentrizität ist gleich D/(ct + D). Der Standort T ist der Schnittpunkt der Ellipse E mit der Linie F, die radial vom SSB ausgeht und den Azimutdifferenzwinkel A mit der Verbindungslinie zwischen dem SSE und V bildet. Mit den bekannten Größen D und Z und mit den gemessenen Größen A und t ist also die Planposition (d.h. die Position in der Horizontalprojektion) von T in Figur 2 vollständig bestimmbar.

In der Anordnung nach Figur 1 werden Eingangssignale, welche die oben genannten Parameter darstellen, einem Koordinatenumsetzer eingegeben, der Ausgangssignale E und B liefert, welche die Position des Transponders T in Polarkoordinaten, zentriert auf den Ort V, angeben. Die Eingangsgröße Z wird dem Koordinatenumsetzer über eine Addierschaltung 20 zugeführt, worin dieser Größe eine Größe M hinzuaddiert wird. Im vorliegenden Fall sei die Größe M auf Null eingestellt. Der Umsetzer 14 ist ein einfacher Analogoder Digitalrechner, der in bekannter Veise zur Durchführung der Operation ausgelegt ist.

Man muß damit rechnen, daß in der Umgebung des Orts V gleichzeitig mehrere mit Transpondern ausgestattete Flugzeuge vorhanden sind. Wie bei einem üblichen SSE-System werden auch hier die Antworten der einzelnen Transponder gewöhnlich zu verschiedenen Zeiten empfangen, ohne sich gegenseitig zu stören. Auf jede empfangene Antwort hin liefert der Koordinatenumsetzer 14 die entsprechenden Werte von E und B an einen Bildprozessor 15. Der Prozessor 15 empfängt außerdem die jeweils zugehörige Kenn- und/oder Höheninformation vom Antwortdecoder 8 und ordnet diese Information der Positionsinformation in einem Sichtgerät 16 zu. Der Prozessor 15 und das Sichtgerät 16 können wie die entsprechenden Einrichtungen bei herkömmlichen SSE-Systemen ausgebildet sein.

303832/0654 - 7 -

In manchen Fällen kann das SSR gegenüber dem Bezugsort verdeckt sein, z.B. durch zwischen!iegende Bodenerhebungen. In einem solchen Fall kann ein normaler Flugzeugtransponder als Relais verwendet werden, um die SSR-Abfragen zum Bezugsort zu übertragen. Der Transponder wird an irgendeinem bekannten erhöhten Ort J wie z.B. auf einem Berggipfel installiert, der allgemein zwischen dem SSR und dem Bezugsort liegt, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Die Sichtweiten des Punkts J vom SSR und vom Bezugsort V sind mit den Linien P bzw. Q angegeben. Der Azimutwinkel des Punkts J vom SSR ist gleich W. Dieser Winkel ist beim dargestellten Beispiel um das Maß M kleiner als der Winkel Z.

Die Entfernungen D, P und Q und die Winkel M und Z werden Z.B. aus einer Landkarte ermittelt. Die Verzögerungseinrichtung 21 wird so eingestellt, daß sie eine Verzögerung

d = l/c(P + Q - D) + t₀

bringt, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funkwellen und t die systemeigene Verzögerung im Relais-Transponder ist, die typischerweise bei etwa drei Mikrosekunden liegt. Der Winkel M wird auf die Addierschaltung 20 gegeben. Der Relais-Transponder ist so eingestellt, daß er mit einem Kenncode arbeitet, der nicht anderweitig vergeben ist. Der Relaisdecoder 18 ist so eingestellt, daß er diesen Code decodiert. Der Umschalter 17 wird in seine rechte Stellung gebracht, und der Schalter 22 wird geöffnet.

Wenn die Anordnung in der Relais-Betriebsart mit dem SSR zusammenwirkt und wenn der Relais-Transponder und der Bezugsort V die in Figur 2 dargestellten Positionen haben, dann überstreicht der Radarstrahl zunächst den Relais-Transponder und anschließend nach einem dem Winkel M entsprechenden Intervall den Bezugsort V und dann, nach einem weiteren, dem Winkel A entsprechenden Intervall, den Transponder T. Infolgedessen wird der Intervallzeitgeber 9 um eine dem Winkel M entsprechende Zeit früher gestartet, so daß seine Ausgangsgröße das Maß A + M anstatt das Maß A darstellt. Dies wird dadurch kompensiert, daß in der Addierschaltung 20 das Maß M zur Größe Z hinzuaddiert wird.

Wenn der Radarstrahl den am Ort J befindlichen Relais-Transponder

609832/0654 _ ₈ ..

/rl

beleuchtet, dann sendet dieser Transponder Antworten auf dem. ausgewählten Antwortcode, wodurch das Pulswiederholungsmuster des SSR nachgebildet wird. Diese Antworten werden an der Bezugsstation V um die Zeitspanne d später empfangen, als wenn sie über den direkten Weg vom SSE gesendet worden wären. Dies wird dadurch kompensiert, daß in der Yerζögerungseinrichtung 21 den über die Leitung 11 kommenden decodierten Antworten des Transponders T eine äquivalente Verzögerung zusätzlich mitgeteilt wird.

Mit den vorstehend beschriebenen Anordnungen zur Kompensation der versetzten Lage des Relais-Transponders arbeitet das System im wesentlichen wie weiter oben beschrieben, um die Positionen von Transpondern bezüglich dem Bezugsort Y darzustellen. Die Position des Relais-Transponders am Punkt J wird ebenfalls dargestellt, was eine bequeme Überprüfung des Betriebs des Systems erlaubt.

- 9 809882/0654

Leerseife

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Bestimmen der Position eines Transponders "bezüglich eines bekannten Bezugsorts innerhalb des Wirkungsbereichs eines Sekundärrundsichtradars (SSE), dadurch gekennzeichnet,

a) daß Abfragen vom SSR empfangen werden;

b) daß Transponderantworten auf diese Abfragen empfangen werden;

c) daß die Azimutdifferenz A aus dem Zeitintervall ermittelt wird, das zwischen dem Empfang einer Gruppe von Abfragen und dem Empfang einer Gruppe von Transponderantworten liegt;

d) daß die Eintreffzeitdifferenz t aus dem Zeitintervall ermittelt wird, das zwischen jeder Abfrage bzw. der Simulation einer solchen Abfrage und der entsprechenden Antwort liegt;

e) daß aus den Größen A und t und aus der Entfernung D und dem Azimut Z des Bezugsorts vom SSE die Position des betreffenden Transponders errechnet wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt a) die Abfragen vom SSE indirekt empfangen werden, indem sie über eine an einem bekannten Standort befindliche Relaisstation zum Bezugsort übertragen werden, und daß beim Schritt c) die azimutale Versetzung des Relaisstandorts von der direkten Linie zwischen dem SSR und dem Bezugs ort kompensiert wird und daß beim Schritt d) die durch die Relaisübertragung eingeführte zusätzliche Laufzeit kompensiert wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des Schritts e) folgendermaßen vorgegangen wird:

f) die Position des Transponders wird in zwei Koordinaten ausgerechnet, deren eine "ein Radius vom SSR ist und deren andere eine Ellipse ist, die das SSR und den Bezugsort als Brennpunkte hat;

- 10 -

ORIGINAL INSPECTED

g) die Transponderposition wird in zwei andere Koordinaten umgesetzt, die auf den Bezugsort bezogen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3>_? dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt g) darin besteht, die Transponderposition in eine Entfernungskoordinate und eine WinkeIkoOrdinate des Transponders gegenüber dem Bezugsort umzusetzen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

f) daß die Transponderantworten decodiert werden, um Kenndaten und/oder Höhendaten vom Transponder zu erhalten;

g) daß diese Daten mit der Information über die Position des Transponders kombiniert werden;

h) daß die kombinierten Transponderdaten und Positionsinformationen gemeinsam dargestellt werden.

6. Anordnung zum Anzeigen der Position eines Transponders bezüglich eines bekannten Bezugs or ts innerhalb des Wirkungsbereichs eines Sekundärrundsichtradars (SSE), gekennzeichnet durch:

a) eine Abfragen-Empfangseinrichtung (1,4; J, 5? 18), um Abfragen vom SSE zu empfangen;

b) eine Antwort-Empfangseinrichtung (5) zum Empfang von Transponderantworten, die auf die Abfragen hin gegeben werden;

c) eine erste Meßeinrichtung (9) zum Messen des Zeitintervalls zwischen dem Empfang einer Gruppe von Abfragen und dem Empfang einer Gruppe von Transponderantworten, um die Azimutdifferenz A zu bestimmen;

d) eine zweite Meßeinrichtung (12) zum Messen der Zeitdifferenz t zwischen einer Abfrage oder einer Simulation derselben und der entsprechenden Transponderantwort;

e) eine Eecheneinrichtung (14, 15), die aus den Größen A und t und aus der Entfernung D und dem Azimut Z des bekannten Orts gegenüber dem SSE die Position des betreffenden Transponders (T) errechnet.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die

809882/0654

- 11 -

Abfragen-Errrofangseinrichtung eine an einem bekannten Standort befindliche Eelaisstation (J) umfaßt, um die Abfragen vom SSE über diese Station indirekt zu empfangen, und daß die erste Heßeinrichtung Mittel (20) enthält, um die azimutale Versetzung des Standorts der Eelaisstation von der direkten Linie zwischen dem SSE und dem Bezugsort zu kompensieren, und daß die zweite Meßeinrichtung Mittel (21) enthält, um die zusätzliche Laufzeit zu kompensieren, die sich durch den Betrieb der Eelaisstation und durch die zusätzlichen Weglängen des über die Eelaisstation gehenden Umweges vom SSE zum Bezugsort ergibt.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eeebeneinrichtung einen Koordinatenumsetzer (14) aufweist, um die Transponderposition in Koordinaten darzustellen, die auf den Bezugsort (V) bezogen sind.

9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eecheneinrichtung einen Koordinatenumsetzer (14) aufweist, um die Transponderposition in Koordinaten darzustellen, welche die Zntf ernung (E; und den Hichtuagsv;inkel (B; des -Transponders (T) vom Bezugsort(V) angeben.

10. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende weitere Einrichtungen:

f) eine Einrichtung (δ), welche die Transponder antworten decodiert, um Daten über die Identität und/ oder die Höhe des Transponders zu erhalten;

g) einen Wiedergabeprozessor (15) zum Kombinieren dieser Transponder da ten mit den Informationen über die Position des Transponders;

h) eine Einrichtung (16) zur Sichtanzeige der Transponderposition in Kombination mit den Transponderdaten.

809882/0654

ORIGINAL. INSPECTED-