DE4109981A1 - Sekundaer-radarsystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Sekundär-Radarsystem
insbesondere für den Mode-S-Betrieb, wie es in der
Luftfahrt zur Luftraumüberwachung verwendet wird und
nach der ICAO-Spezifikation, Annex 10, Teil 1, Kapitel
3.8.2. gefordert ist.
Aufbau und Arbeitsweise von Sekundär-Radarsystemen, im
folgenden SSR-Systeme genannt, sind aus dem Buch
"Sekundär-Radar", Verlag Siemens AG 1971, von Peter
Honold bekannt. SSR-Systeme bestehen unter anderem aus
Bodenstationen und aus Bordstationen. Die
Bodenstationen senden mit Hilfe einer rotierenden,
scharfbündelnden Antenne Abfragesignale aus. Werden
diese Abfragesignale von einer Bordstation empfangen,
sendet diese nach Ablauf einer bestimmten
Verzögerungszeit Antwortsignale. Diese Antwortsignale
enthalten beispielsweise Angaben über Höhe, Temperatur
und Geschwindigkeit des Flugzeuges, indem sich die
Bordstation, auch Transponder genannt, befindet. Die
Bodenstation ermittelt aus der Laufzeit zwischen dem
Absenden des Abfragesignals und dem Empfang des
Antwortsignals und aus der im Antwortsignal enthaltenen
Höhenangabe den Standort des Flugzeuges. Die noch
fehlende Richtungsinformation wird aus der Stellung der
rotierenden Antenne abgeleitet. Das bisher beschriebene
System wird in seiner Fähigkeit, Daten zu übertragen,
erheblich verbessert, wenn die auf den Flugzeugen
befindlichen Transponder von den Bodenstationen gezielt
angesprochen werden, wenn also auf die von den
Bodenstationen gesendeten Abfragesignale nicht alle im
Einzugsbereich einer Bodenstation befindlichen
Transponder antworten, sondern nur die, deren Adresse
im Abfragesignal enthalten war. Dabei sind die Adressen
den Bodenstationen entweder aus dem Flugplan oder aus
den von den Transpondern in Abständen von 0,8 bis 1,2
Sekunden abgestrahlten Squittersignalen bekannt.
SSR-Systeme, wie eben beschrieben, haben jedoch den
Nachteil, daß zwischen Bodenstation und Bordstation
immer nur dann Informationen ausgetauscht werden
können, wenn die Keule der rotierenden Antenne den
Bereich überstreicht, in dem sich das betreffende
Flugzeug oder der betreffende Transponder befindet. Mit
zunehmender Luftverkehrsdichte ist das eine unter
Umständen sicherheitsrelevante Einschränkung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein SSR-System so zu
schaffen, daß eine Übertragung von Informationen
zwischen Bodenstation und Bordstation jederzeit möglich
ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein SSR-System mit der
Merkmalskombination der unabhängigen Ansprüche. Das
erfindungsgemäße System hat den Vorteil, daß eine
Erstakquisition von Flugzeugen ohne Aussenden von
Abfragesignalen möglich ist. Die genaue Ortung wird
dann mit Hilfe des Abstandes des Flugzeuges zu
wenigstens zwei Bodenstationen und mittels der in den
Antwortsignalen enthaltenen Höhenangabe vorgenommen.
Dadurch entfallen die sonst erforderlichen
kostspieligen und anfälligen rotierenden Antennen.
Die Unteransprüche enthalten weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung. So ermöglicht der in
Anspruch 5 gegebene zellulare Aufbau des Netzes von
Bodenstationen die lückenlose Überwachung des
Luftraumes und damit eine erhöhte Sicherheit. Anspruch
9 enthält eine Ausgestaltung der Erfindung, die eine
Abstandsmessung von Flugzeug zu Flugzeug mit einfachen
Mitteln erlaubt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der
Fig. 1 bis 4 beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a Netzwerk von Bodensationen mit
Abfrageeinrichtungen,
Fig. 1b charakteristische Entfernungen für aktiven und
passiven Betrieb der Abfrageeinrichtungen,
Fig. 2 Systemarchitektur,
Fig. 3 Aufbau einer Bodenstation mit Antenne,
Fig. 4a Impulsdiagramm mit Vorverlegung der
Abfrageimpulse (Pre-Delay); eine Bordstation,
mehrere Bodenstationen,
Fig. 4b Impulsdiagramme wie 4a, eine Bodenstation,
mehrere Bordstationen.
In Fig. 1a, einem Netzwerk von Bodenstationen und
Abfrageeinrichtungen, sind mit 1, 2, 3 und 4
hexagonale Zellen eines zellularen Netzwerkes
bezeichnet. Das gesamte Netzwerk besteht jedoch aus
mehr als vier Zellen, wie durch die offenen Zellen in
der Figur angedeutet. Im Mittelpunkt jeder Zelle
befindet sich jeweils eine Bodenstation. Die
Bodenstationen sind hier mit 5, 6, 7 und 8 bezeichnet.
Über dem zellularen Netz von Bodenstationen befinden
sich zwei Flugzeuge 9 und 10. Auf dem Flugzeug 9
befindet sich ein mit 9′ bezeichneter Transponder, auf
dem Flugzeug 10 ein mit 10′ bezeichneter. Die
Bodenstationen 5, 6, 7 und 8 enthalten
Abfrageeinrichtungen, die auf einen hochfrequenten
Träger aufmodulierte Abfrageimpulse aussenden. Werden
diese Impulse von den Transpondern 9′ oder 10′
empfangen, so antworten die Transponder darauf mit dem
Aussenden von Antwortsignalen. Im Mode-S-Betrieb, es
steht hier für selektiv, enthält das von einer
Bodenstation ausgesandte Abfragetelegramm eine Adresse,
die es ermöglicht, einzelne Flugzeuge (Transponder)
gezielt anzusprechen.
Fig. 1b gibt einen Überblick über die
Größenverhältnisse der Zellen nach Fig. 1a. In dem hier
beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die
Entfernung für aktive Abfragen Ri einer Bodenstation
120 km, während die Empfangsreichweite Rr doppelt so
groß, also 240 km ist.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der
Systemarchitektur. Mit 11 bis 15 sind
Abfrageeinrichtungen bezeichnet, wie sie sich in den
Bodenstationen 5, 6, 7 oder 8 nach Fig. 1a befinden. Zu
jeder Abfrageeinrichtung gehört eine Antenne, die zum
Aussenden der Abfragetelegramme und zum Empfang der
Antworttelegramme dienen. Die Antennen sind mit 16 bis
20 bezeichnet. In den Abfrageeinrichtungen 11 bis 20
werden die Abfragetelegramme aufbereitet, und die
Antworttelegramme verarbeitet. Jede Abfrageeinrichtung
ist mit einem oder mehreren der Prozessoren 21, 22 oder
23 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist die
Abfragestation 13 über eine Leitung 26 mit dem
Prozessor 21, über eine Leitung 28 mit dem Prozessor 22
und über eine Leitung 27 mit dem Prozessor 23
verbunden. Die Prozessoren selbst sind an eine
gemeinsame Datenleitung 24 angeschlossen. Die
gemeinsame Datenleitung 24 steht über eine
Verbindungsleitung 32 mit einem Kontrollzentrum 25 in
Verbindung. Das System nach Fig. 2 arbeitet wie folgt:
Die auf den Flugzeugen 9 oder 10 befindlichen
Transponder 9′ oder 10′ senden in Abständen zwischen
0,8 und 1,2 Sekunden Squittersignale aus, die in
verschlüsselter Form die Identität des Flugzeuges
enthalten. Wenn wenigstens drei auf Systemzeit
synchronisierte Bodenstationen, beispielsweise die
Bodenstationen 6, 7 und 8 in Fig. 1a, ein
Squittersignal des Transponders 9′ empfangen, ermitteln
sie aus den Differenzen der Eintreffzeiten nach dem
Hyperbelschnittverfahren grob den Standort des
Transponders. Gemäß Fig. 1a befindet sich das Flugzeug
9 mit dem Transponder 9′ in Zelle 4, in der sich die
Bodenstation 8 befindet. Diese Zelle wird nun zur
aktiven Zelle. Die zur Bodenstation gehörende
Abfrageeinrichtung sendet ein an den Transponder 9′
direkt gerichtetes Abfragetelegramm aus. Das
Abfragetelegramm wird empfangen und nach Ablauf einer
festen Verzögerungszeit antwortet der Transponder 9′
mit dem Aussenden eines Antworttelegramms. Die Dauer
zwischen dem Aussenden des Abfragetelegramms und dem
Eintreffen des Antworttelegramms wird in der
Bodenstation gemessen. Wegen der Kenntnis der
Signalgeschwindigkeit und einer bekannten
Verzögerungszeit im Transponder liefert diese Dauer den
Abstand des Flugzeuges von der Bodenstation. In dem
hier beschriebenen Ausführungsbeispiel befindet sich
die Abfrageeinrichtung 11 aus Fig. 2 in der
Bodenstation 8 nach Fig. 1a. Nach Ermittlung der
Laufzeit oder der Entfernung gibt die Bodenstation 11
diese Information
an mehrere Prozessoren, hier an den Prozessor 21,
weiter. Die Abfrageeinrichtungen 11 bis 15 sind auf
alle auf ein und dieselbe feste Systemzeit
synchronisiert. Diese Systemzeit wird beispielsweise
über geostationäre Satelliten übertragen.
Fig. 4a zeigt einen aus den Teilen I und II bestehenden
Rahmen zu zwei Millisekunden der allen
Abfrageeinrichtungen gemeinsamen Systemzeit. Im Teil I
senden die Bodenstationen, in Teil II empfangen sie.
Zum Verständnis von Fig. 4a wird vorausgesetzt, daß die
Bodenstation 8 in Zelle 4 nach Fig. 1a nach erfolgter
Grobortung von Flugzeug 9 zur aktiven Bodenstation
wird. Bodenstation 8 hat ein Abfragetelegramm
ausgesandt, und aus der Zeitdifferenz zwischen
Aussenden des Abfragetelegramms und Eintreffen des
Antworttelegramms eine Entfernung von 60 km zum
Flugzeug 9 ermittelt. Mit Hilfe eines der Prozessoren
21, 22 oder 23 ist daraufhin der Zeitpunkt für das
Aussenden eines Abfrageimpulses so gewählt worden, daß
er 328 Mikrosekunden vom Beginn des Bereiches II des
Zeitrahmens entfernt liegt. Die schwarzen Blöcke in
Fig. 4a bezeichnen Sendeimpulse, die schraffierten
eintreffende Empfangsimpulse. Bei den schmalen Blöcken
handelt es sich um Telegramme, die von den
Bodenstationen ausgesendet werden, bei den breiten
Blöcke um Telegramme von den Transpondern. Die Laufzeit
des von der Bodenstation 8 abgestrahlten
Abfragetelegrammes beträgt 200 Mikrosekunden. Nach
einer Verzögerungszeit von 128 Mikrosekunden, also
exakt am Beginn von Teil II des Zeitrahmens sendet der
Transponder 9′ ein Antworttelegramm. Dieses
Antworttelegramm erreicht die Bodenstation 8, die 60 km
vom Transponder entfernt ist nach 200 Mikrosekunden.
Dasselbe Antworttelegramm erreicht die Bodenstation 7,
die 180 km entfernt ist, erst nach 600 Mikrosekunden.
Und die
Bodenstation 6, die 150 km entfernt ist, empfängt das
Signal nach 500 Mikrosekunden. Durch die Wahl des
Absendezeitpunktes für das Abfragetelegramm bei der
Bodenstation 8 in der Art, daß das vom Transponder
erzeugte Antwortsignal exakt an den Anfang von Teil II
eines Zeitrahmens fällt, sind die Eintreffzeiten der
Antwortsignale bei den Bodenstationen 6, 7 und 8 ein
direktes Maß für den Abstand der Bodenstationen zu
Transponder 9′. Die einzige aktive Bodenstation ist
Bodenstation 8. Die Bodenstationen 6 und 7 empfangen
nur passiv das Antworttelegramm. Einer der Prozessoren
21, 22 oder 23, dem die Entfernungen des Transponders
9′ zu zwei Bodenstationen übermittelt wird, kann daraus
sofort den Standort des Flugzeuges 9 in der Ebene, und
mit der im Antworttelegramm enthaltenen Höhenangabe die
Position des Flugzeuges bestimmen. Sendete der
Transponder 9′ sein Antworttelegramm nicht zum Beginn
eines Zeitrahmens (oder zu einem festen Bezugspunkt
innerhalb des Zeitrahmens), so müßten mindestens zwei
Bodenstationen aktiv werden, um den genauen Standort
des Flugzeuges angeben zu können.
Fig. 4b zeigt eine Variante des in Fig. 4a
beschriebenen Impulsdiagrammes. Diesmal befinden sich
drei Flugzeuge im Einzugsbereich einer Bodenstation,
was diesen durch die bereits beschriebene Grobortung
mit Hilfe der Squittersignale bereits bekannt ist. Die
Bodenstation hat in einem ersten Abfrageantwortzyklus
die Abstände zu diesen Flugzeugen mit 120 km, 90 km und
30 km bestimmt. Daran anschließend sendet sie
Abfrageimpulse an die Transponder, die 528
Mikrosekunden, 428 Mikrosekunden und 228 Mikrosekunden
vor dem Beginn eines neuen Zeitrahmens liegen. Dadurch
wird erreicht, daß alle drei Transponder ihre
Antwortsignale exakt am Beginn des darauffolgenden
Zeitrahmens aussenden. Die
Eintreffzeiten der Antwortsignale an der Bodenstation
sind jetzt direkt proportional zur Entfernung der drei
Transponder. Das gilt für alle im Netz vorhandenen
Bodenstationen. Damit reicht wiederum eine aktive
Bodenstation aus, um die Standorte der Flugzeuge durch
Messung der Eintreffzeiten zu bestimmen. Die von den
Prozessoren berechneten Daten über die Standorte der
Flugzeuge werden auf die gemeinsame Datenleitung 24
gegeben und stehen damit im Kontrollzentrum 25 zur
Auswertung zur Verfügung.
In Fig. 3 wird der Aufbau einer Bodenstation
beschreiben. Mit 33 ist ein mehrkanaliger Empfänger
bezeichnet, der über einen Satz von Schaltern 34, ein
Koppelnetzwerk 35 und eine Buttlermatrix 36 mit einer
aus 16 Strahlern bestehenden Antenne 37 verbunden ist.
Die 16 Strahler der Antenne 37 sind auf einem Kreis von
1 bis 2m Durchmesser angeordnet. Im Empfänger 33
befinden sich 16 erste Mischer 38, von denen hier
jedoch nur vier gezeichnet sind. Diese ersten Mischer
38 mischen das von der Antenne 37 stammende Signal mit
dem Ausgangssignal eines Oszillators 39. Die
gezeichnete Schalterstellung des Schalters 34 ist die
Empfangsstellung. Die Ausgangssignale der ersten
Mischer 38 gelangen auf Zwischenfrequenzstufen 40,
deren Ausgangssignale anschließend in Mischern 41 mit
dem Signal eines Oszillators 42 gemischt werden. Die
Ausgangssignale der Mischer 41 werden in einem
Analog-Digital-Wandler 43 digitalisiert und einem
digitalen Signalprozessor 44 zur Weiterverarbeitung
zugeführt. Die Ausgangssignale des digitalen
Signalprozessors 44 gelangen zur Weiterverarbeitung in
einen oder mehrere der Prozessoren 21 bis 23. Im
Sendebetrieb steht einer der Schalter 34 in der nicht
gezeichneten Schaltstellung.
In diesem Fall wird die Antenne 37 für die
angeschaltete Richtung mit den Ausgangssignalen eines
Senders 45 versorgt. Das Trägersignal für den Sender 45
ist das Ausgangssignal des Oszillators 39. Die
Informationen, die der Sender abstrahlen soll, stammen
aus einem der Prozessoren 21 bis 23. Das gesamte System
kann nun so betrieben werden, daß ein Flugzeug, nachdem
es geortet worden ist, in Verbindung mit derjenigen
Bodenstation bleibt, deren Zelle es überfliegt. An der
Zellengrenze erfolgt dann vermittelt durch die
Datenleitung 24 ein Handover von einer Bodenstation zur
nächsten. Da in den Bodenstationen Antennen mit
fächerartig überlappenden Richtdiagrammen verwendet
werden, können jederzeit Informationen zwischen
Bodenstation und Transponder ausgetauscht werden. Die
Beschränkung, die durch eine rotierende, scharf
bündelnde Antenne auferlegt wird, entfällt.
Das beschriebene Sekundar-Radarsystem läßt sich auch
dazu verwenden, Flugzeuge über die Entfernung zu
anderen in der Luft befindlichen Flugzeugen zu
unterrichten. Dies ist unter dem Namen Airborne
Collision Avoidance System = ACAS bekannt.
Vorausgesetzt wird hier, daß ein Flugzeug mit Hilfe der
Squittersignale grob geortet wurde. Daraufhin hatte die
Bodenstation, in deren Zelle sich das Flugzeug
befindet, ein Abfragesignal so ausgesandt, daß das vom
Flugzeug ausgestrahlte Antwortsignal in den gemeinsamen
Systemzeitrahmen fällt. Da nicht nur die
Bodenstationen, sondern auch die Transponder auf die
gemeinsame Systemzeit synchronisiert sind, genügt die
Auswertung der Eintreffzeit der von dem aktivierten
Transponder ausgesandten Antwortsignale in anderen
Flugzeugen, um den Abstand dieser beiden Flugzeuge
voneinander zu bestimmen.
Claims (9)
1. Sekundär-Radarsystem für den Mode-S-Betrieb mit
mehreren am Boden befindlichen Abfrageeinrichtungen
(11, 12, ..), die über Antennen (16, 17, ..)
Abfragesignale aussenden und Antwortsignale empfangen,
und mit Bordstationen (9′, 10′), die ein die Identität
eines mit der Bordstation verbundenen Fahrzeuges
enthaltendes Signal aussenden,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Abfrageeinrichtungen untereinander auf eine Systemzeit
mit einem festen Zeitrahmen synchronisiert und mit
Rechenmitteln verbunden sind, die aus den von
wenigstens drei Abfrageeinrichtungen gemessenen
Eintreffzeiten von Signalen derselben Bordstation den
Ort der Bordstation mittels Hyperbelschnittverfahren
bestimmen.
2. Sekundär-Radarsystem für den Mode-S-Betrieb mit
mehreren, am Boden befindlichen Abfrageeinrichtungen
(11, 12, ..), die über Antennen (16, 17, ..)
Abfragesignale aussenden und Antwortsignale empfangen,
und mit Bordstationen (9′, 10′), die auf empfangene
Abfragesignale Antwortsignale aussenden, weiterhin mit
Meßmitteln in den Abfrageeinrichtungen, die
Signallaufzeiten zwischen dem Senden von
Abfragesignalen und dem Empfang von Antwortsignalen
messen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageeinrichtungen
(11, 12, ..) untereinander auf eine Systemzeit mit
einem festen Zeitrahmen synchronisiert und miteinander
verbunden sind und Steuermittel enthalten, die nach
Messen der Signallaufzeit von der Abfrageeinrichtung zu
einer Bordstation (9′, 10′) und zurück den Zeitpunkt
zum Senden weiterer Abfrageimpulse so bestimmen, daß
das von der Bordstation gesendete Antwortsignal in den
Systemzeitrahmen fällt.
3. Sekundär-Radarsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch
2, gekennzeichnet durch Antennen an den
Abfrageeinrichtungen, die aus einer Vielzahl von
Strahlern bestehen, die über ein oder mehrere Netzwerke
derart gespeist werden, daß in der Horizontal-Ebene ein
Fächer von sich überlappenden Diagrammen entsteht.
4. Sekundär-Radarsystem nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch mit mehreren Abfrageeinrichtungen
verbundenen Rechenmitteln (21, 22, ..), die aus von
wenigstens zwei Abfrageeinrichtungen im
Systemzeitrahmen empfangenen Antwortsignalen derselben
Bordstation den Standort dieser Bordstation bestimmen.
5. Sekundär-Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch ein zellular aufgebautes Netz von
Abfrageeinrichtungen mit je einer Abfrageeinrichtung
pro Zelle.
6. Sekundär-Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageeinrichtungen
mit Hilfe geostationärer Satelliten auf die Systemzeit
synchronisiert sind.
7. Sekundär-Radarsystem nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichent, daß diejenige Abfrageeinrichtung (8)
Abfragesignale sendet, in deren Zelle (4) sich die
Bordstation (9′) befindet.
8. Sekundär-Radarsystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abfrageeinrichtungen und die
Bordstationen Informationen austauschen.
9. Sekundär-Radarsystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß in jeder Bordstation (9′, 10′)
Rechenmittel vorhanden sind, die aus im
Systemzeitrahmen abgestrahlten Antwortimpulsen
Entfernungen berechnen (ACAS = Airborne Collision
Avoidance System).
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Legal Events
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Owner name: ALCATEL SEL AKTIENGESELLSCHAFT, 7000 STUTTGART, DE |
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8141 | Disposal/no request for examination |