Sekundär-Radar, Transponder und Mode-S

Markus Tillmann 02/2007

Die Luftfahrt bedient sich zur Überwachung des Luftraumes und Lenkung des Verkehrs einer seit dem zweiten Weltkrieg bekannten Technik: dem Pulsradar. Sein prinzipieller Mangel besteht darin, dass sich mit ihm bewegliche nicht von festen Zielen unterscheiden lassen. Doch auch, wenn die Festziele weitestgehend bekannt und markiert waren, blieb dem Lotsen die schwierige Aufgabe, die beweglichen, nur als Punkt dargestellten Ziele permanent zu verfolgen, um deren Bahn zuordnen zu können. Das später entwickelte Puls-Doppler-Radar konnte wenigstens entweder Geschwindigkeit oder Entfernung eindeutig erfassen. Schließlich finden das CW (Dauerstrich) –Radar sowie das Doppler-CW-Radar Anwendung, welches mittels Phasendifferenzmessung bzw. Frequenzdifferenzmessung auch Geschwindigkeit und Entfernung gleichzeitig erfassen.

Erschwerend blieb für den Fluglotsen die Zuordnung der Ziele und die Erfassung der Flughöhe. Es wurde das Sekundärradar entwickelt. Es entstammt dem militärischen System zur Freund-Feind-Erkennung. Dieses aktive System baut auf die bestehenden auf und lässt Flugzeuge ihre Kennung und Flughöhe in Form von Daten aussenden, die dem Punkt zugeordnet werden. Derzeit gerät auch dieses System an seine Grenzen, da es nicht genug Kodierungsmöglichkeiten besitzt, um die wachsende Zahl der Flugzeuge eindeutig zu trennen. Mit Mode-S wurde dieser Mangel behoben.

Folgender Beitrag kann und soll nur als Übersicht verstanden werden. Zu tiefgreifend sind die darin angesiedelten Themen zu Wellenausbreitung und Informationstechnik. Weiterführende Informationen sind z.B. in den unten genannten Quellen zu finden. Doch ein Schritt, der ähnlich bedeutend war wie der vom passiven zum aktiven Radar, wurde mit Mode-S gemacht: Es wurde der Grundstein zu einem Kommunikationsnetzwerk gelegt, das sich bereits jetzt in der Broadcast-Funktion zwischen den Luftfahrzeugen äußert.

Unterschieden wird zwischen Nahbereichsradar zur Überwachung bzw. Lenkung von An-, Abflug und Rollbahn, Mittelbereichsradar zur Flughafen-Rundsicht sowie dem Weitbereichsradar. Im weiteren soll das Weitbereichsradar der Luftraumüberwachung (ATC, Air Traffic Control) im L-Band, d.h. im Frequenzbereich von 1,3 GHz betrachtet werden.

Das PSR stellt ein Radar im klassischem Sinne dar. Es erhält Information aus den von der eigenen Bodenantenne gesendeten und an Flugzeugen reflektierten Funkimpulsen. Hier handelt es sich um kohärente Impulse, was jemanden zu Recht zu der Behauptung führt, es handele sich dabei eigendlich nicht um Imulse, sondern um Aussendungen einer bestimmten Trägerfrequenz in Abschnitten mit sehr kurzer Dauer. Diese Impulse hoher Energie treffen den Flugzeugkörper, reflektieren an ihm und werden wieder empfangen. Wie hoch diese Energie sein muss, wird klar, wenn man bedenkt, dass das Signal die Distanz d zum Zielobjekt zweimal durch laufen muss. Damit nimmt die Sendeenergie mit 1/d4 ab. Zudem wird nur ein winziger Anteil der Energie am Flugzeug reflektiert. Dazu werden in der Praxis der Luftraumüberwachung Impulse mit einer Impulsspitzenleistung von über einem Mega-Watt und einer Impulsfolgefrequenz von 450 Hz ausgestrahlt. Anhand der Phasen- oder Frequenzdifferenz der gesendeten und empfangenen Funkimpulse wird die Entfernung und Geschwindigkeit ermittelt, die Richtungsinformation entstammt direkt der Winkelposition der sich drehenden Radarantenne. Neben verwirrenden Störechos, die Geisterbilder auf dem Bildschirm der Lotsen entstehen lassen können, entsteht das besondere Problem, wenn sich zwei Flugzeuge vom Radarstandort aus gesehen hintereinander befinden. Auf dem Bildschirm ist dann nur ein Flugzeug zu sehen.

Die Auflösung des Radars ist durch die Breite der Hauptkeule der Aperturantennen mit rund 3° gegeben. Mit diesem schmalen Sektor wird der Luftraum bis in Höhen von 15 km mit einer Drehrate von üblich 15 U/Minute abgetastet.

Letzt genanntes Problem wird mit dem SSR korrigiert. Zusätzlich zur primären Radarfunktion, auf die auch weiterhin nicht verzichtet werden kann, um ggfls. Flugzeuge mit defektem Transponder wenigstens noch als unbekanntes Ziel wahrnehmen zu können, werden Daten ausgesendet. Es handelt sich beim Sekundär-Radar nicht um ein Radar im eigendlichen Sinne, sondern eher um einen Datenfunk mit einem „Anruf an alle". Dieser Anruf beinhaltet einen Abfrage-Impulscode, für den die rotierende Richtantenne der Bodenstelle eine Impulsspitzenleistung von bis zu 3 kW mit einigen 100 Hz Impulsfolge ausstrahlt. Dieser Uplink erfolgt auf 1030 MHz.

Sie werden vom jedem in Reichweite befindlichen Flugzeug empfangen und mit ihren eigenen Sendeeinrichtungen, dem SSR-Antwortgerät oder üblicherweise Transponder (transmitter + responder) genannten Gerät beantwortet. Der Empfang sowie die Aussendung der Antwort geschieht über eine feste, rundstrahlende Antenne mit einer Impulsspitzenleistung von 500 W und 18.000 Impulsen/s. Dieser Downlink erfolgt auf 1090 MHz. Für die Bodenstelle wird eine Empfangsbandbreite bei 3 dB Dämpfung von 10 MHz angegeben [1].

Die Reichweite des Systems beträgt rund 400 km. Sie ist begrenzt durch den Radiohorizont r, der bedingt durch die Erdkrümmung für quasi-optische Ausstrahlung zu r = 4,12 x wurzel(hZ) in km angenommen werden kann. hZ ist die Flughöhe in Metern. In 5 km Höhe ist damit r rund 300 km, in 10 km rund 400 km abzüglich reichweitenbegrenzender Faktoren wie etwa der Luftfeuchte.

Der Fluglotse erhält nun in Summe sowohl die vom Primär-Radar stammende und nur zweidimensionale Position (Richtung und Entfernung), zusätzlich aber bei einfachster Ausstattung des Flugzeugs, Mode-A, eine eindeutige Kennung. Auf dem Radarbildschirm würde er also bei einer Verdeckung zwar weiterhin nur einen Punkt, aber immerhin zwei Kennungen erhalten.

Die Mindestanforderung an Transponder ist derzeit noch der Mode-A/C, bei dem zusätzlich die Höheninformation des Flightlevels FL übertragen wird. Er bezieht sich auf die Druckhöhe. Nur sie ist für alle Flugzeuge, die sich begegnen könnten relevant, da sie im Gegensatz zur Höhe über Grund für alle Flugzeuge gleich ist und eine eindeutige Unterscheidung von Flughöhen ermöglicht. Der FL ist die Flughöhe in Fuß mal 100. FL070 ist also z.B. 70 * 100 = 7000 ft.

Die Abfrage durch die Bodenstation wird durch die Aussendung zweier Impulse P1 und P3 von je 0,8 µs mit dem Abstand von 21 µs eingeleitet. Nur 2 µs nach P1 wird außerdem der Impuls P2 mit reduzierter Amplitude gesendet. Sie liegt betragsmäßig zwischen derjenigen der Haupt- und der Nebenkeule der Antenne. Da der Transponder nur mit einer Antwort reagiert, wenn P1 und P3 höher ist als P2 ist, ist sichergestellt, dass er nur auf die Hauptkeule der Bodenantenne reagiert.

Die Antwortcodierung des Mode-A/C besteht aus zwei Rahmenimpulsen der Dauer von 0,45 µs mit dem Abstand von 20,3 µs, innerhalb derer maximal 12 Informationsimpulse gleicher Dauer und einem Abstand von 1,45 µs ausgesendet werden können. Ob das Flugzeug den Code für die Kennung oder die Höheninformation aussendet, ist aus dem Telegramm selbst nicht erkennbar. Die Bodenstation kann dagegen diese Information korrekt zuweisen, da das Telegramm einen zeitlichen Bezug zur Abfrage hat, das Telegramm also eine Antwort auf die von ihr gestellte Abfrage ist. Beim passiven Empfang müsste also, um den Code A und C richtig auswerten zu können, sowohl die Bodenstation als auch das Flugzeug empfangbar sein.

Ein besonderes Problem sind Doppeldeutigkeiten, die auftreten, wenn Flugzeuge gleichzeitig antworten oder ein bestimmtes Entfernungsverhältnis zur Bodenstation haben und sich dadurch das Impulsraster der Antworttelegramme deckt. Diese Minimalentfernung ergibt sich bei gleichem Azimut aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funkwellen mit dmin = c * Telegrammdauer / 2 = 300.000 km/s * 20,3 µs / 2 = 3,05 km. Die Rechner der Bodenstelle erkennen zwar anhand des Telegrammschemas, dass dann eine Fehlinformation vorliegt, aber im Ergebnis bedeutet das soviel wie „keine" Information. Aus dieser Minimalentfernung und der durch die Hauptkeule bestimmte Auflösung geht auch die maximale Zielkapazität des Systems hervor.

Mit der Kombination der 12 Informationsimpulse ergeben sich maximal 2^12 = 4096 verschiedene Codieradressen. Diese Beschränkung lässt schon angesichts der steigenden Nachfrage durch den zunehmenden Flugverkehr allgemein, aber auch durch die Ausweitung des Gültigkeitsbereiches der transponderpflichtigen Lufträume die Technik des Mode-A/C hinfällig werden. Hinzu kommt, dass die Systemarchitektur keine weitere Informationsinhalte mehr übertragen lässt, etwa ein persönliches Rufzeichen und weitere Flugdaten.

Der Transponder ist an eine rundstrahlende Schlitzantenne angeschlossen. Die Bedieneinheit im Flugzeug besteht im Wesentlichen aus einem Gerät, an dem nur die vier Code-Ziffern gewählt werden, der Schalterstellungen für Standby, Betrieb, Test, ggfls. einem Dämpfungsglied und der IDENT-Taste, die auf Aufforderung der Flugsicherung betätigt wird. In diesem Fall sendet der Transponder ein zusätzliches Identifizierungssignal aus, das dem Lotsen die Unterscheidung im Falle von Doppeldeutigkkeiten erleichtert.

Mode-S

Ab nächstem Jahr sind Transponder mit Mode-S vorgeschrieben [2] [3] [4], das gilt unter:

- IFR (Instrumentenflugregel) ab dem 31.3.2007 für die Lufträume C, D, E und F und für

- VFR (Sichtflugregel) ab dem 31.3.2008 für die Lufträume C und D (nicht Kontrollzone) oder in der TMZ (Transponder Mandatory Zone). TMZ sind gesondert eingerichtete Gebiete, in denen auch unter VFR die automatische Übermittlung der Höhenangabe erwartet wird. Ferner sind sie vorgeschrieben für Lufträume aller motorgetriebenen Luftfahrzeuge über 5000ft ü.NN oder 3500ft ü. Grund (jeweils der höhere Wert) und für alle Nachtflüge im kontrollierten Luftraum.

Der Luftraum über Deutschland [3]. Die Ausrufezeichen bedeuten, dass in den entsprechenden Lufträumen und unter den gegebenen Flugregeln IFR und VFR die Verpflichtung zur dauerhaften Hörbereitschaft besteht.

Die Übertragungsinhalte von Mode-S bleiben zunächst auf Rufzeichen, SSR-Code und Flughöhe beschränkt (Mode-S elementary), sollen aber weiter ausgebaut werden (Mode-S enhanced). Mit den dann übermittelten Daten ist es den Rechnern der Flugsicherung effektiver möglich, sich anbahnende Konflikte vorrauszuberechnen und davor zu warnen. Folgend eine Übersicht über die SSR-Modes:

* wenn Flugplan aufgegeben wurde mit Bindestrich oder Leerzeichen, so, wie das offizielle Kennzeichen lautet: D-EABC.

Auch denkbar sind im erweiterten Modus die Übermittlung von Steig-und Sinkrate, Winkelrate bei Kursänderung, Rollrate u.v.m., je nach dem, wie umfassend der Transponder vom Luftfahrzeug mit Flugdaten versorgt werden kann. Frankreich, England und Deutschland beabsichtigen den Mode-S-enhanced für Luftfahrzeuge über 5,7 t und Fluggeschwindigkeiten über 250 kt einzuführen. Weitere Informationen dazu aus erster Hand sind in [5] zu finden. Mode-S könnte bis hin zu einem internationalen Netzwerk zur Datenkommunikation ausgebaut werden.

Dem Mode-S liegteine 24-Bit-Adressierung zugrunde. Damit lassen sich 16.777.216 verschiedene Adressen codieren. Allerdings müssen sich die Staaten der Erde diese Anzahl von Adressen teilen, denn jedes Flugzeug wird dabei durch die vom betreffenden Land zuständige Behörde oder einer von ihr beauftragten Institution durch einen Code identifiziert, der nur einmal vergeben wird und durch „feste Verdrahtung" unabänderlich mit einem und nur diesem Flugzeug verbunden ist. Für Deutschland stehen gut eine viertel Millionen, für die USA eine Millionen Codes zu Verfügung.

Die Abfrage durch die Bodenstation wird im Mode-S durch zusätzliche P-Impulse sowie der Variation ihrer Dauer erweitert. Darüber wird einerseits die Abwärtskompatibilität mit Mode-A/C gewährt, aber zusätzlich die Selektivität ermöglicht, mit der Flugzeuge gezielt abgefragt werden können. Das wirkt den o.g. Doppeldeutigkeiten wirksam entgegen. Der Ablauf ist folgender: Mit einer „All-Call"-Abfrage wird jedes Flugzeug, das in Reichweite eines Bodenradars gerät, zu einer Antwort veranlasst. Von da an antwortet der Transponder nur noch auf an ihn adressierte, also selektive „Roll-Call"-Abfragen. Die All-Call- und Roll-Call-Abfragen können sich in abwechselnder Folge mit bis zu 250 Hz wiederholen.

Der eigendliche Abfrageinhalt steckt in P6. Reden wir von „Inhalt" in einem Impuls? Ja, der Impuls ist mehr als nur ein Impuls. Er ist eine 16,25 bzw. 30,25 µs lange Aussendung der Trägerfrequenz, die DPSK-moduliert wird (Differential Phase Shift Keying). Dabei wird die Phasenlage der Trägerfrequenz Bit-bezogen um 180° verschoben. Je nach Dauer, 16,25 bzw. 30,25 µs, entstehen daraus „Datenblöcke" mit 56 bzw. 112 Bit Inhalt, woraus sich eine Übertragungsrate von 3,7 MBit/s errechnet. Die Funktion von P2 des Mode-A/C wird durch P5 ersetzt, der sich innerhalb des P6 versteckt.

Die Bordeinheit von Flugzeugen über 5,7t und über 250kt verfügen über Diversity-Empfang. Dazu ist eine Antenne unter und eine Antenne über dem Rumpf installiert. Die Empfindlichkeit des Empfängers muss mindestens -71 dBm betragen. Das Bordgerät verfügt gegenüber dem Mode-A/C über zusätzliche Funktionen, die vorallem Schnittstellen zu anderen Systemen bietet wie z.B. GPS und dem Anitkollisionswarnsystem TCAS (Traffic Alert and Collision Avoidance System).

Für die Sendeleistung des Transponders sind für den Flug unterhalb 15.000ft 18,5 dBW, darüber 21 dBW gefordert. Die Antworttelegramme sind mit PPM (Pulse Position Modulation) moduliert. Die Information wird ebenfalls als 56- oder 112-Bit-Block ausgesendet. Da jede Pulsposition 1 µs beansprucht (0,5 µs-Puls im 1 µs-Raster), beträgt auch die Dauer des Telegramms 56 µs bzw. 112 µs (plus einer 8 µs langen Präambel). Die Übertragungsrate beträgt somit 1Mbit/s. Dies alles ist grafisch leichter zu verstehen. Deshalb sei an [6] verwiesen.

Eine vollständige Darstellung des Systems würde sowohl hinsichtlich der funktechnischen Umstände als auch des systembedingten Umfangs den Rahmen dieses kleinen Beitrags sprengen. Interessant ist aber folgender Aspekt:

Neben den vom SSR abgefragten Daten zur Identität und Flughöhe sind zusätzlich die ADS-B-Informationen (Automatic Independent Surveillance Broadcast) nicht nur empfangbar, sondern auch auswertbar. Sie werden automatisch von den Luftfahrzeugen ausgesendet, um nicht nur die Bodenstellen, sondern auch andere Flugzeuge zu informieren. Hierrin stecken Informationen wie Position, Geschwindigkeit, Flughöhe und mehr. Der Sinn ist besonders darin zu sehen, dass nun jeder Transponder die Flugdaten Anderer kennt. Soweit TCAS in das System integriert ist, kann es mit den Daten vor Kollisionen warnen und dem Piloten Ausweichempfehlungen geben, ohne dass er auf Anweisungen der Fluglotsen warten muss. Zu dem sind dann Widersprüche ausgeschlossen, die über dem Bodensee zu der tragischen Kollision führten – vorrausgesetzt, die Piloten halten sich „blind" an die Anweisungen des TCAS, so, wie es gefordert wird.

Wie der Name sagt, handelt es sich beim ADS-B um einen Rundfunk. Das heißt, im Gegensatz zum Mode-A/C bzw. Mode-S sind die ADS-B-Informationen unabhängig davon, welche SSR-Abfrage der Aussendung vorrausging. Insbesondere die Positionsangaben versetzt schließlich auch einen Decoder wie den SBS-1 [7] in die Lage, einen „Radarschirm" des ATC (Air Traffic Control) auf den heimischen PC-Monitor zu zaubern. Wenngleich das Telegramm-Protokoll simpel ist, so ist doch auf Grund der sehr kurzen Impulsdauern eine hohe Taktfrequenz zur Dekodierung erforderlich. So dauert das komplette Informationspaket bodenseitig gerade mal 0,00003 s und dies wird bis zu 250 mal pro Sekunde wiederholt. Und die Aussendung des Transponders betreffend will die Position von 0,5 µs-Pulsen innerhalb eines 1 µs-Rasters auch erst sicher detektiert werden.

• [1] „Funkanlagen für Ortung und Navigation", Mansfeld, Transpress 1983
• [2] „Mode-S als Problemlöser?", Karl-Heinz Apel, aerokurier 09/2006
• [3] Flieger-Taschenkalender 2006, Fr. Schiffmann GmmbH & Co. KG, Frechen
• [4] Information zu den Regelwerken der Einführung von Mode-S unter http://www.lba.de/nn_53966/DE/Technik/Avionik/Avionik__Mode__S.html
• 5] Wie das SSR in die Flugplanung eingebunden ist, technische Spezifikationen u.v.m steht in pdf-Files unter http://www.eurocontrol.int/msa/public/standard_page/modes_docs_euro_docs.html
• 6] Eine übersichtliche Darstellung des Mode-S ist hier zusammengefasst: http://www.radartutorial.eu/14.mssr
• [7] Informationen zum SBS-1 sind zu finden unter http://www.javiation.co.uk/
• [8] „Funknavigation", Rolf Wurster / Friedrich Hesse, Hitzeroth-Verlag Marburg 1989
• [9] „Radartechnik, Grundlagen und Anwendungen", Jürgen Göbel, VDE-Verlag 2001