WO2014008876A1 - Verfahren zur luftraumüberwachung um ein fluggerät - Google Patents

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    • G01S13/87—Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
    • G01S13/878—Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector

Definitions

  • Aircraft are known to have various radar devices to monitor the airspace surrounding them. In addition, they use the data of any ground stations or, where appropriate, other aircraft that continuously transmit ADS-B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast) data.
  • ADS-B Automatic Dependent Surveillance - Broadcast
  • Flight Aircraft The aircraft's system engineering requirements for prophylactic and profound analysis and foresight of avoidable potential collision events are constantly growing to prevent collisions or near collisions for all on-flight aircraft.
  • an improvement of the warning scope and the decision level by means of appropriate system technology is necessary, which detects in practice selected flight data or attitudes according to the current airspace conditions of ground stations and aircraft in the near-flight space, analyzed and - without overburdening the reaction speed of an operator - Provide decision support on one or more displays in a timely manner. This enables the pilot of an aircraft to initiate a flight maneuver in the short term to prevent an aircraft collision.
  • ATC Air Traffic Control
  • TCAS Traffic Collision Avoidance System
  • equipping an aircraft with a conventional radar is capable of indicating to the pilot nearby other aircraft (even those not equipped with TCAS) and warning the pilot of collisions.
  • US 2011/016984 A1 describes a method for detecting missiles. It is a bi-static radar concept in which radar signals are emitted from a satellite of known position, which reflect on the missile to be located and the reflected signals are received by the user of the positioning system (e.g., aboard an aircraft).
  • WO 2011/157723 A1 describes a system for avoiding collisions between a vehicle and an obstacle, the obstacle emitting transponder signals. By means of a plurality of receiving antennas arranged on the vehicle, the location of the obstacle can be detected from the received transponder signal.
  • the object of the invention is to provide a method with which it is possible for an aircraft to monitor the airspace surrounding it on approaching approaching other aircraft with high reliability, without it even emits electromagnetic waves.
  • the invention describes a method for detecting a missile by means of an aircraft without the aircraft itself transmitting electromagnetic waves.
  • transmission signals of a secondary radar device as well as signals reflected or emitted by the missile are received with a passive radar device located on the aircraft and the distance, position and movement of the missile relative to the aircraft are determined from the transit times of the signals received in the aircraft.
  • the secondary radar device can be a stationary device on the ground or a moving device on the ground or a floating device or a flying device. The position of the secondary radar device must be known to the aircraft at all times.
  • the aircraft is referred to as that aircraft which monitors its surrounding air space by means of receiving electromagnetic waves without itself transmitting electromagnetic waves.
  • a missile is the aircraft which is located in the air space around the aircraft and possibly approaches it.
  • the reception of electromagnetic waves on board the aircraft expediently by means of an omni-directional antenna and / or a directional antenna.
  • the antennas are expediently arranged on the aircraft such that detection from the entire solid angle range is possible.
  • ADS-B signals are taken into account in determining the distance of the missile from the aircraft.
  • Automatic Dependent Surveillance means automatic on-board monitoring and is an air traffic control system for displaying air traffic in the airspace.
  • the aircraft autonomously determine their position, for example via satellite navigation systems such as GPS and EGNOS.
  • the position and other flight data such as flight number, aircraft type, time signal, speed, flight altitude and planned flight direction, are emitted continuously - typically once per second - and non-directionally.
  • the method is thus called ADS-B (broadcast), more precisely as ADS-B out for output.
  • the secondary radar principle is known to be a positioning method with transit time measurement, which, in contrast to conventional radar technology, does not work with the energy reflected at the target, ie the passive echo of a target, but instead has an active transponder on board the target.
  • the secondary radar targets actively respond to a received radar signal by transmitting a response on the same or a different frequency.
  • the polling on the frequency becomes 1030 MHz and transmit the answer on the frequency 1090 MHz.
  • the radar pulse is received by an antenna and triggers the emission of a characteristic "echo" via the same antenna
  • the secondary radar is used as the illuminator of the missile for the passive radar device.
  • the passive radar device uses the signals reflected at the missile of the transmitted signals emitted by the secondary radar device.
  • the passive radar of the aircraft receives as the first signal the direct signal of the secondary radar and as a second signal the reflected signal on the missile of the secondary radar.
  • the signals from these two sources i. Secondary radar and missile as a reflection object, have a low pulse repetition frequency (PRF, in particular less than 1000 pps - pulses per second -, in particular 500 pps). This can ensure that no ambiguities occur in the received signals.
  • the signals of a secondary radar typically consist of a few short pulses (in particular with a pulse width smaller than 2 ⁇ , for example with a pulse width of 0.8 ⁇ ).
  • the short pulse lengths have the effect that, with correspondingly large path length differences (in the example given a pulse width of ⁇ , ⁇ , the required path length difference is greater than 240 m), the direct and reflected signals do not overlap one another (as would be the case, for example, with continuously transmitting radio transmitters as illuminators) ).
  • the reflected signal of the missile (second signal) of the secondary radar is received by the aircraft with respect to the signal received directly from the secondary radar (first signal) with a time delay.
  • the time delay between the first signal and the second signal is proportional to the sum of the distance between the secondary radar and missile and the distance between the aircraft and missile minus the distance between the
  • the passive radar device uses response signals of a transponder located on board the missile.
  • the passive radar of the aircraft receives the response signal of the aircraft
  • Transponder of the missile to the interrogation signal of the secondary radar and evaluates this in connection with the directly received signal of the secondary radar according to methods of passive radar technology.
  • the transponder of the missile is known to respond to the interrogation signal of the secondary radar after a specified time delay.
  • the passive radar thus receives as the first signal, the interrogation signal of the secondary radar and the second signal emitted by the missile time-delayed response signal.
  • the time delay between the first signal and the second signal is thus the sum of a fixed time delay caused by the transponder in the missile, and a time delay proportional to the sum of the distance between the secondary radar and the missile and the distance between the aircraft and missile minus the distance between the secondary radar and the aircraft.
  • Mode S or Mode C data of the received response signal can be used. This makes it possible, in addition to the removal of the missile from the aircraft also directly determine the height, the relative position and the extrapolated vertical velocity of the missile. The invention will be explained in more detail with reference to drawings. Show it:
  • Fig. 2 is a schematic representation of the principle according to the invention in a second variant.
  • EA e.g. equipped with omnidirectional and / or directional antennas.
  • the interrogation signals AS are received by a transponder T on board the missile FK.
  • the missile FK transmits via corresponding antennas a response signal ANS.
  • This response signal ANS is received and processed by the passive radar PR of the aircraft FG.
  • the signals RS, ANS reflected or emitted by the missile FK do not overlap one another in time with the signals SA directly received by the aircraft FG. by virtue of the low pulse repetition frequency of the Sekundärradar réelles reflected or emitted by the missile FK signals RS, ANS can be clearly assigned to the associated directly received signals.
  • the correlation of the direct signal with the reflected or emitted signal is thereby substantially facilitated and the detection performance of the passive radar device is increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Flugkörpers (FK) mittels eines Fluggeräts (FG), das zu diesem Zweck selbst keine elektromagnetische Wellen aussendet, wobei mit einem sich an Bord des Fluggeräts (FG) befindlichen Passivradargerät (PR) Sendesignale (AS) eines Sekundärradargeräts (SR) bekannter Position sowie eine der beiden folgenden Signale empfangen werden: - die vom Flugkörper (FK) reflektierten Reflexionssignale (RS) der von dem Sekundärradargerät (SR) emittierten Sendesignale (AS) oder - Antwortsignale (ANS) eines an Bord des Flugkörpers (FK) befindlichen Transponders (T) als Antwort auf die Sendesignale (AS) des Sekundärradargeräts (SR), und dass von dem Passivradargerät aus den Laufzeiten der im Fluggerät empfangenen Signale (AS, RS; AS.ANS) die Entfernung, die Position und die Bewegung des Flugkörpers (FK) relativ zum Fluggerät (FG) bestimmt wird.

Description

Verfahren zur Luftraumüberwachung um ein Fluggerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Luftfahrzeuge verfügen bekanntermaßen über diverse Radar-Einrichtungen um den sie umgebenden Luftraum zu überwachen. Zusätzlich bedienen sie sich der Daten etwaiger Bodenstationen oder gegebenenfalls anderer Luftfahrzeuge, welche kontinuierlich ADS-B (Automatic Dependend Surveillance - Broadcast) Daten aussenden.
Mit zunehmender Dichte des Flugverkehrs wächst der Gefahrenbereich unvorhersehbarer Situationen der Kollision eines im Luftraum befindlichen Fluggeräts, z.B. Flugzeug oder UAV (unmanned aerial vehicle) mit anderen in dessen nahen
Flugraum befindlichen Luftfahrzeugen. Die Anforderungen an die Systemtechnik eines Fluggeräts bezüglich einer prophylaktischen und profunden Analyse und Vorausschau vermeidbarer möglicher Kollisionsereignisse wachsen ständig, um Zusammenstöße oder Beinahzusammenstöße für alle auf Flugrouten verkehrenden Fluggeräte zu verhindern. Um das Unheil derartiger Luftfahrtdesaster abzuwenden ist eine Verbesserung des Warnumfanges und des Entscheidungsniveaus mittels geeigneter Systemtechnik notwendig, die in der Praxis ausgewählte Flugdaten oder Fluglagen entsprechend den aktuellen Luftraumbedingungen von Bodenstationen und Luftfahrzeugen im flugnahen Raum erfasst, analysiert und - ohne die Reaktionsgeschwindigkeit eines Flugzeugführers zu überfordern - Entscheidungshilfen auf einem oder mehreren Displays rechtzeitig darstellt. Damit ist der Pilot eines Flug- zeuges in die Lage versetzt, kurzfristig ein Flugmanöver zur Verhinderung einer Flugzeugkollision einzuleiten.
Im durch Air Traffic Control (ATC) kontrollierten Luftraum geschieht die Vermeidung von Kollisionen in erster Linie durch die Koordination der Flugzeuge durch ATC Fluglotsen vom Boden aus. Die Kommunikation Flugzeug ATC benutzt dabei im Flugzeug einen Transponder oder Sprachkommunikation mittels Funkgeräten. Darüber hinaus sind Lösungen bekannt, bei denen ein in Flugzeugen installiertes "Traffic Collision Avoidance System" (TCAS) ein Kollisionswarngerät darstellt.
Dessen situationsdarstellende Anzeige auf dem Display gibt dem Piloten einen Überblick über die in seiner Umgebung befindlichen Flugzeuge, soweit diese ebenfalls mit TCAS ausgerüstet sind. In kritischen Situationen initiiert es eine Kollisionswarnung bei gleichzeitiger Anzeige des Kollisionsflugzeuges, und schlägt dem Piloten ein vertikales Ausweichmanöver vor.
Auch die Ausstattung eines Luftfahrzeugs mit einem konventionellen Radargerät ist geeignet, dem Piloten in seiner Nähe befindliche andere Luftfahrzeuge anzuzeigen (auch solche, die nicht mit TCAS ausgerüstet sind) und den Piloten vor Kollisionen zu warnen.
Die US 2011/016984 A1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Flugkörpern. Es handelt sich um ein bi-statisches Radarkonzept, bei der von einem Satelliten bekannter Position Radarsignale emittiert werden, welche an dem zu ortenden Flugkörper reflektiert und die reflektierten Signale von dem Nutzer des Ortungssystems (z.B. an Bord eines Flugzeugs) empfangen werden. Die WO 2011/157723 A1 beschreibt ein System zur Vermeidung von Kollisionen zwischen einem Fahrzeug und einem Hindernis, wobei das Hindernis Transponder- signale aussendet. Mittels mehrerer am Fahrzeug angeordneter Empfangs- Antennen kann aus dem empfangenen Transpondersignal der Ort des Hindernisses detektiert werden.
Beim Einsatz von UAVs in militärischen Überwachungsgebieten sind diese Systeme allerdings nicht anwendbar, da diese Systeme auf dem Prinzip des Aussendens von elektromagnetischen Wellen basieren. Dadurch besteht die Gefahr der frühzeitigen Entdeckung des UAVs. Insbesondere Radargeräte sind außerdem teuer, schwer und manchmal schwer in ein Luftfahrzeug einbaubar. Neben aktiven Radargeräten (mono-statische Radargeräte) sind auch sogenannte Passivradare bekannt. Diese verfügen über keine eigene Sendeeinheit, sondern verwenden zur Zielbeleuchtung andere, nicht-kooperative Sender (z.B. FM-, DAB-, DVB-T-, GSM-Sender, etc.). Die Zieldetektion des Passivradars basiert auf einem Korrelationsprozess des am Ziel, z.B. eines Flugkörpers reflektierten Signals mit dem direkt vom Beleuchter empfangenen Signal.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem es für ein Fluggerät möglich ist, den es umgebenden Luftraum auf sich etwaig nähernde andere Fluggeräte mit hoher Zuverlässigkeit zu überwachen, ohne dass es dazu selbst elektromagnetische Wellen aussendet.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des geltenden Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Detektion eines Flugkörpers mittels eines Fluggeräts, ohne dass das Fluggerät dazu selbst elektromagnetische Wellen sendet. Gemäß der Erfindung werden mit einem sich an Bord des Fluggeräts befindlichen Passivradargerät Sendesignale eines Sekundärradargeräts sowie vom Flugkörper reflektierte oder emittierte Signale empfangen und es wird aus den Laufzeiten der im Fluggerät empfangenen Signale die Entfernung, Position und Bewegung des Flugkörpers relativ zum Fluggerät bestimmt. Bei dem Sekundärradargerät kann es sich um ein stationäres Gerät am Boden handeln oder um ein bewegtes Gerät am Boden oder um ein schwimmendes Gerät oder um ein fliegendes Gerät. Die Position des Sekundärradargeräts muss dem Fluggerät zu jedem Zeitpunkt bekannt sein. Im Weiteren wird als Fluggerät dasjenige Luftfahrzeug bezeichnet, welches mittels Empfang von elektromagnetischen Wellen seinen sich umgebenden Luftraum überwacht, ohne dazu selbst elektromagnetische Wellen zu senden. Als Flugkörper wird dasjenige Luftfahrzeug bezeichnet, welches sich im Luftraum um das Flugge- rät befindet und sich diesem eventuell nähert.
Der Empfang von elektromagnetischen Wellen erfolgt an Bord des Fluggeräts zweckmäßig mittels einer omni-direktionalen Antenne und/oder einen richtungsabhängigen Antenne. Die Antennen sind an dem Fluggerät zweckmäßig derart angeordnet, dass eine Detektion aus dem gesamten Raumwinkelbereich möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden potentiell empfangene ADS-B Signale bei der Bestimmung der Entfernung des Flugkörpers vom Fluggerät berücksichtigt. Automatic Dependent Surveillance (ADS) bedeutet automatische bordabhängige Überwachung und ist ein System der Flugsicherung zur Anzeige der Flugbewegungen im Luftraum. Die Luftfahrzeuge bestimmen selbständig ihre Position, beispielsweise über Satellitennavigationssysteme wie GPS und EGNOS. Die Position und andere Flugdaten, wie Flugnummer, Flugzeugtyp, Zeitsignal, Geschwindigkeit, Flughöhe und geplante Flugrichtung, werden kontinuierlich - typischerweise einmal pro Sekunde - und ungerichtet abgestrahlt. Das Verfahren wird somit ADS-B (broadcast), genauer als ADS-B out für Output bezeichnet.
Das Sekundärradarprinzip ist bekanntermaßen ein Ortungsverfahren mit Laufzeit- messung, das im Gegensatz zur herkömmlichen Radartechnik nicht mit der am Ziel reflektierten Energie, also dem passiven Echo eines Zieles arbeitet, sondern bei dem sich an Bord des Zieles ein aktives Antwortgerät (Transponder) befindet. Dem Sekundärradar antworten die Ziele aktiv auf ein empfangenes Radarsignal mit dem Aussenden einer Antwort auf der gleichen oder einer anderen Frequenz. Bei dem in der Zivilluftfahrt verwendeten System wird die Abfrage auf der Frequenz 1030 MHz und die Antwort auf der Frequenz 1090 MHz übertragen. Hierzu wird der Radarimpuls mit einer Antenne empfangen und löst die Ausstrahlung eines charakteristischen„Echos" über die gleiche Antenne aus. Bei der Erfindung wird das Sekundärradar als Beleuchter des Flugkörpers für das Passivradargerät verwendet.
In einer ersten Variante der Erfindung verwendet das Passivradargerät die am Flugkörper reflektierten Signale der von dem Sekundärradargerät emittierten Sendesignale. Mit anderen Worten, das Passivradar des Fluggeräts empfängt als erstes Signal das direkte Signal des Sekundärradars und als zweites Signal das am Flugkörper reflektierte Signal des Sekundärradars.
Die Signale dieser beiden Quellen, d.h. Sekundärradar und Flugkörper als Reflek- tionsobjekt, haben eine niedrige Pulswiederholfrequenz (PRF, insbesondere kleiner als 1000 pps - pulses per second -, insbesondere 500 pps). Dadurch kann gewährleistet werden, dass keine Mehrdeutigkeiten in den empfangenen Signalen auftreten. Die Signale eines Sekundärradars bestehen typischerweise aus wenigen, kurzen Pulsen (insbesondere mit einer Pulsbreite kleiner als 2με, z.B. mit einer Pulsbreite von 0,8με). Die kurzen Pulslängen bewirken, dass sich bei entsprechend großen Weglängenunterschieden (im genannten Beispiel einer Pulsbreite von Ο,βμε ist der benötigte Weglängenunterschied größer als 240m) die direkten und reflektierten Signale nicht gegenseitig überlagern (wie dies z.B. bei kontinuierlich sendenden Rundfunksendern als Beleuchter der Fall wäre).
Das von dem Flugkörper reflektierte Signal (zweite Signal) des Sekundärradars wird von dem Fluggerät gegenüber dem direkt von dem Sekundärradar empfangenen Signal (erste Signal) mit einer Zeitverzögerung empfangen. Die Zeitverzögerung zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal ist proportional zur Summe aus der Entfernung zwischen Sekundärradar und Flugkörper und der Entfernung zwischen Fluggerät und Flugkörper abzüglich der Entfernung zwischen dem
Sekundärradar und dem Fluggerät.
In einer zweiten Variante der Erfindung verwendet das Passivradargerät Antwortsignale eines an Bord des Flugkörpers befindlichen Transponders. Mit anderen Worten, das Passivradar des Fluggeräts empfängt das Antwortsignals des
Transponders des Flugkörpers auf das Abfragesignal des Sekundärradars und wertet dieses in Verbindung mit dem direkt empfangenen Signal des Sekundärradargeräts nach Methoden der Passivradartechnik aus.
Der Transponder des Flugkörpers antwortet bekanntermaßen auf das Abfragesignal des Sekundärradars nach einer festgelegten Zeitverzögerung. Das Passivradar empfängt somit als erstes Signal das Abfragesignal des Sekundärradars und als zweites Signal das von dem Flugkörper ausgesendete zeitverzögerte Antwortsignal.
Die Zeitverzögerung zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal ist somit die Summe aus einer festen Zeitverzögerung, hervorgerufen durch den Transponder im Flugkörper, und einer Zeitverzögerung proportional zur Summe aus der Entfernung zwischen Sekundärradar und Flugkörper und der Entfernung zwischen Fluggerät und Flugkörper abzüglich der Entfernung zwischen dem Sekundärradar und dem Fluggerät.
In einer geeigneten Ausführung der zweiten Variante können Mode S bzw. Mode C Daten des empfangenen Antwortsignals verwendet werden. Dadurch ist es möglich, zusätzlich zur Entfernung des Flugkörpers vom Fluggerät auch direkt die Höhe, die relative Lage sowie die extrapolierte vertikale Geschwindigkeit des Flugkörpers zu bestimmen. Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips in einer ersten Variante,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips in einer zweiten Variante.
Ein z.B. am Boden befindliches, stationäres Sekundärradar SR sendet periodisch Abfragesignale AS aus. Diese Abfragesignale AS treffen auf einen Flugkörper FK. Die Abfragesignale AS erreichen auf direktem Weg auch ein mit Passivradar ausgestattetes Fluggerät FG, welches sich in der Umgebung des Flugkörpers FK befindet. In einer ersten Variante der Erfindung (Fig.1 ) werden die Abfragesignale AS von dem Flugkörper FK reflektiert. Diese Reflektionssignale RS empfängt das Passivradar des Fluggeräts FG. Zum Empfang dieser Signale RS ist das Fluggerät FG mit einem Empfangsantennen EA, z.B. omni-direktionalen und/oder richtungsabhängigen Antennen ausgestattet.
In einer zweiten Variante der Erfindung (Fig.2) werden die Abfragesignale AS von einem Transponder T an Bord des Flugkörpers FK empfangen. Der Flugkörper FK sendet über entsprechende Antennen ein Antwortsignal ANS aus. Dieses Antwortsignal ANS wird von dem Passivradar PR des Fluggeräts FG empfangen und verarbeitet.
Aufgrund der Signaleigenschaften des Sekundärradars (insbesondere die Eigenschaft einer pulsförmigen Abstrahlung, wie oben beschrieben) überlagern sich die vom Flugkörper FK reflektierten oder emittierten Signale RS, ANS zeitlich mit den durch das Fluggerät FG direkt empfangen Signalen SA nicht gegenseitig. Aufgrund der niedrigen Pulswiederholfrequenz des Sekundärradargeräts können die vom Flugkörper FK reflektierten oder emittierten Signale RS, ANS eindeutig den zugehörigen direkt empfangenen Signalen zugeordnet werden. Die Korrelation des direkten Signals mit dem reflektierten oder emittierten Signal wird dadurch wesent- lieh erleichtert und die Detektionsleistung des Passivradargeräts gesteigert.

Claims

Verfahren zur Detektion eines Flugkörpers (FK) mittels eines Fluggeräts (FG), das zu diesem Zweck selbst keine elektromagnetische Wellen aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass
mit einem sich an Bord des Fluggeräts (FG) befindlichen Passivradargerät (PR) Sendesignale (AS) eines Sekundärradargeräts (SR) bekannter Position sowie eine der beiden folgenden Signale empfangen werden:
- die vom Flugkörper (FK) reflektierten Reflexionssignale (RS) der von dem Sekundärradargerät (SR) emittierten Sendesignale (AS) oder
- Antwortsignale (ANS) eines an Bord des Flugkörpers (FK) befindlichen Transponders (T) als Antwort auf die Sendesignale (AS) des Sekundärradargeräts (SR), und dass von dem Passivradargerät aus den Laufzeiten der im Fluggerät empfangenen Signale (AS, RS; AS.ANS) die Entfernung, die Position und die Bewegung des Flugkörpers (FK) relativ zum Fluggerät (FG) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Passivradargerät (PR) eine omni-direktionale Antenne und/oder eine richtungsabhängige Antenne (EA) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich ADS-B Signale des Flugkörpers (FK) empfangen werden und die empfangenen ADS-B Signale bei der Bestimmung der Entfernung, Position und Bewegung des Flugkörpers (FK) vom Fluggerät (FG) berücksichtigt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mode C und/oder Mode S Daten des Antwortsignals (ANS) verwendet werden.
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