Radar-Altimeter

Mit Radar-Altimeter oder Radarhöhenmesser wird ein bordgestütztes Radargerät bezeichnet, das die exakte Flughöhe eines Satelliten oder eines Flugzeuges nach dem Radarverfahren misst. Es gehört zur Navigationsausrüstung größerer Flugzeuge, misst die Flughöhe über Grund mittels kurzer elektromagnetischer Wellen und ergänzt die üblichen barometrischen Altimeter.

Prinzip eines Radar Altimeters: Ein Sender strahlt ein Signal in Richtung Boden, dort wird es diffus reflektiert, ein Teil der Leistung des ausgestrahlten Signals wird als Echosignal wieder empfangen, die Laufzeit des Signals ist ein Maß für die Höhe.

Radar-Altimeter nutzen für ihre Aussendungen den von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) in der VO Funk dem Navigationsfunkdienst zugewiesenen Frequenzbereich 4.200 bis 4.400 MHz.

Radar-Altimeter-Steuergerät (links) und Antennen (rechts)

Radarhöhenmesser arbeiten insbesondere bei geringer Höhe sehr exakt und messen im Gegensatz zu den barometrischen Altimetern nicht die Höhe über Meeresniveau (QNH), sondern die reale Höhe über Grund. Die in Verkehrsflugzeugen üblichen Radar-Altimeter arbeiten in der Regel bis in eine Höhe von 2500 Fuß. Es gibt jedoch auch Geräte, die bis 7.500 Fuß arbeiten. In Militärflugzeugen gibt es sogar Geräte, die bis in einer Höhe von 50.000 Fuß verwendet werden.

Radar-Altimeter mit FMCW-Verfahren

Radar-Altimeter verwenden für geringe Flughöhen meist das FMCW-Verfahren. Dabei sendet ein Sender an Bord eines Flugzeugs ein linear frequenzmoduliertes Signal aus.

Das Signal wird am Erdboden reflektiert und in abgeschwächter Form von einem Empfänger an Bord des Flugzeugs wieder empfangen. Der Frequenzverlauf des empfangene Signals ist bedingt durch die Laufzeit in seinem Frequenzverlauf zeitlich verschoben. Die Zeitdifferenz Δt zwischen den Frequenzsprüngen ist dabei proportional zur Entfernung zum reflektierten Erdboden.

FMCW-Verfahren

Da Radar-Altimeter fest mit dem Flugzeug verbunden sind, würde bei einer scharfen Bündelung des Sendesignals in eine feste Richtung durch Rollen und Nicken des Flugzeuges ein Messfehler entstehen. Deshalb werden Antennen mit einer relativ geringen Richtwirkung genutzt, die unabhängig von der Fluglage sicher in Richtung Erdboden strahlen. In der Radarsignalverarbeitung wird hier nur die geringste gemessene Differenzfrequenz zur Höhenberechnung verwendet. Diese zeigt immer auf die reflektierende Fläche mit der kürzesten Entfernung zum Flugzeug.

Um eine verhältnismäßig große Sendeleistung zu ermöglichen, werden Sendeantenne und Empfangsantenne möglichst weit auseinander in den Tragflächen eingebaut. Der Rumpf bildet eine zusätzliche Abschirmung zwischen beiden Antennen und verhindert so ein direktes Überkoppeln von der Sendeantenne zur Empfangsantenne.

Anzeigeinstrument eines Altimeters

Beim Tiefflug kann in Militärflugzeugen am Radarhöhenmesser eine Warnhöhe stufenlos eingestellt werden (Terrainfolgeradar). Beim Unterschreiten dieser Höhe wird der Pilot durch ein Signal (optisch oder akustisch) gewarnt. Bei Instrumentenanflügen von Militär- oder Zivilflugzeugen wird ebenfalls ein Minimum eingestellt, bei dem der Radarhöhenmesser einen Alarm gibt. Hat der Pilot die Landebahn dann nicht in Sicht, muss er durchstarten. Der Radarhöhenmesser ist Vorschrift für einen CAT II oder CAT III Approach (siehe auch: Instrumentenlandesystem); das Gelände für einen solchen Anflug ist dafür kartiert (Precision Approach Terrain Chart; PATC), um die Anzeige richtig interpretieren zu können.

Radar-Altimeter im Impulsbetrieb

Der Echoimpuls verliert durch die Vergrößerung der reflektierenden Fläche (in der Grafik die violetten Flächen) mit der Zeit seine steile Impulsflanke

Wird ein Radar-Altimeter von einem Flugzeug in großer Höhe oder von einem Satelliten eingesetzt, so wird nicht das FMCW-Verfahren genutzt, sondern das Impulsradarverfahren. Durch die Besonderheit, dass kein einzelner Punkt angestrahlt wird, sondern eine Fläche, verformt sich das Echosignal während der Reflexion. Bei der großen Höhe der Satelliten kann diese Verformung schon so wesentlich sein, dass eine spezielle Radarsignalverarbeitung erforderlich wird. Die angestrahlte Fläche vergrößert sich allmählich, bis in der Mitte der ausgeleuchteten Fläche der Sendeimpuls bereits beendet ist, während am Rand der ausgeleuchteten Fläche erst die Reflexion des Sendeimpulses beginnt.

Die ehemals steile Flanke des Sendeimpulses ist bei dem Echosignal nicht mehr zu erkennen. Der ehemals kurze Sendeimpuls verliert sich in der steigenden Flanke des Echosignals. Die Impulsdauer des Echosignals kann sich auf ein Vielfaches der Dauer des Sendeimpulses vergrößern. Als Messpunkt für die Zeitnahme zur Laufzeitmessung wird der Punkt genutzt, an dem die steigende Flanke des Echosignals in das Impulsdach übergeht. Das ist vor allem bei der Nutzung von Intrapulsmodulation ein großes Problem, da sich verschiedene Abschnitte der Modulation zeitlich verschoben überlagern. Eine Phasenmodulation ist für Radaraltimeter deshalb nicht zweckmäßig, da die Phasencodierung spätestens im Impulsdach des Echosignales durch Interferenz verloren geht.

Kompatibilitätsprobleme mit 5G-Mobilfunk

Seit ca. 2022 werden verstärkt potentielle Probleme der Funkverträglichkeit (elektromagnetische Kompatibilität) zwischen 5G-Mobilfunk und Radar-Altimetern diskutiert. Es gibt Pläne zahlreicher Staaten in der Nachbarschaft des Radar-Altimetern-Frequenzbandes 4.200 bis 4.400 MHz neue Mobilfunksignale abzustrahlen. Die USA erlauben bereits unter Auflagen (Mindestabstände von Flughäfen) bereits 5G-Mobilfunk im Frequenzband 3.450 bis 3.980 MHz (220 MHz Abstand von der Unterkante des Radar-Altimterfrequnezbands bei 4.200 MHz). Unterdessen wird in Europa die Nutzung des Bandes 3.400 bis 3.800 MHz (400 MHz Abstand von der Unterkante des Radar-Altimeterfrequenzbands bei 4.200 MHz) für 5G erwogen. Studien zeigen, dass insbesondere ältere Radar-Altimeter durch 5G-Mobilfunk gestört werden könnte, wenn der rechnerisch notwendige geografische Abstand zwischen Mobilfunkstation und Landebahn und der Frequenzabstand zwischen Mobilfunkfrequenz und Radar-Altimeterfrequenz nicht ausreichend sind. Die Analysen, Messungen und Diskussionen in den zuständigen internationalen Arbeitsgruppen dazu dauern noch an (Stand August 2024). Auch das oberhalb des Radar-Altimeter-Frequenzbands gelegene Band 4.400 bis 4.900 MHz wird von der Mobilfunkindustrie für die Nutzung von 5G geprüft. Außer der Vorgabe, dass Mobilfunk-Basisstationen zum Schutz von Radar-Altimetern landender Flugzeuge einen Mindestabstand in der Frequenz, sowie einen Mindestabstand von der Landebahn einzuhalten haben wird in den zuständigen Arbeitsgruppen bei RTCA und EUROCAE auch eine notwendige Verbesserung der Bandfilter in Radar-Altimetern vorbereitet.