Sekundärradar

Sekundärradar der Deutschen Flugsicherung (DFS) mit LVA-Antenne (bei Neubrandenburg / Mecklenburg-Vorpommern)

Antennen des SRE-M-Radars der DFS auf dem Deister. Die balkenförmige Sekundärradar-Antenne (LVA-Antenne) ist oberhalb der Primärradar-Antenne montiert.

Transponder in einem privaten Flugzeug, darüber VHF-Flugfunk und Garmin-GPS (ebenfalls mit VHF-Flugfunk)

Ein Sekundärradar ist ein Radar, das mit aktiven und kooperierenden Zielen arbeitet und deshalb mit relativ geringer Leistung arbeiten kann. Im Gegensatz zum Primärradar (Primary Surveillance Radar, oder PSR), bei dem am Ziel nur eine (passive) Reflexion stattfindet, sendet beim Sekundärradar ein Abfragegerät (Interrogator) ein Datensignal, das aktiv vom Transponder in der Zieleinheit mit einer „Antwort“ erwidert wird.

Als Secondary Surveillance Radar (SSR) in der zivilen Luftfahrt liefert das Transpondersignal im Gegensatz zum Primärradar nicht nur Azimut und Entfernung eines Luftfahrzeuges in Bezug auf den Radar-Sensor. Es liefert weitere für die Flugverkehrskontrolle notwendige Zusatzinformationen wie z. B. ein dem Flugzeug (fest) zugeordneter Kode und die Flughöhe. Das militärische Äquivalent zu SSR dient der Freund-Feind-Erkennung (Interrogation Friend or Foe, IFF) und besitzt optional weitere IFF-Modi mit denen zusätzliche für militärische Nutzung relevante (z. T. verschlüsselte) Informationen gesendet werden können.

Das bei Sekundärradar genutzte Interroagtor/Transponder Prinzip wurde mit der Zeit für weitere Anwendungsgebiete erschlossen, z. B. zur Bestimmung der Entfernung von Raumsonden, oder über sehr kurze Distanzen für RFID.

Entwicklung

Das Sekundärradarverfahren hat sich aus einem militärischen System entwickelt, dessen ursprüngliche Aufgabe die Unterscheidung von Freund und Feind auf dem Radarschirm war. Während des Zweiten Weltkriegs bestand für die englische Luftabwehr die dringende Notwendigkeit, zwischen eigenen und gegnerischen Zielzeichen auf dem Radarschirm unterscheiden zu können. Deshalb wurde von Frederic Calland Williams und dem später für seine Verdienste geadelten Bertram Vivian Bowden ein System entwickelt, das später als Identification Friend Foe (IFF) bekannt wurde.

Die ersten Systeme (IFF Mark I und Mark II) haben nur den Sendeimpuls des Radargerätes empfangen und verstärkt wieder ausgesendet. Der Transponder wurde nur auf Anforderung eingeschaltet. Da das eigene Flugzeugwegen der internen Signal-Laufzeit im Transponder wurde auf dem Radarschirm doppelt dargestellt wurde, waren im Radargerät keine technischen Erweiterungen nötig. Erst ab dem System IFF Mark III wurde die Antwort auf einem eigenen Frequenzband, damals auf 157 bis 187 MHz, gesendet. Ab diesem Zeitpunkt war ein spezieller Empfänger im Radargerät nötig.

Ab 1943 wurde als gemeinsames britisch-amerikanisches Projekt im United States Naval Research Laboratory unter Federführung des nach Washington umgezogenen Doktor Bowden das IFF Mark V entwickelt, welches unter der Bezeichnung United Nations Beacon (UNB) für eine Serienproduktion angepasst wurde. Dieses IFF System arbeitete im Frequenzbereich 950 bis 1150 MHz wie das moderne IFF/SIF. Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips wurde schon als Mark X bezeichnet. Das System war eher einfach strukturiert und arbeitete auf 12 verschiedenen Kanälen mit einem Frequenzabstand von 17 MHz. Dieses Mark X (IFF) konnte noch keine individuelle Identifikation eines Flugzeuges übermitteln.

Die Weiterentwicklung zu dem IFF Mark X  System mit Mode 1, Mode 2 und Mode 3 erlaubte durch Nutzung von impulskodierten Antworten eine individuelle Identifikation von Luftfahrzeugen. IFF Mark X wurde in den USA entwickelt und die Spezifikationen in 1952 NATO für Nutzung in anderen NATO-Staaten übergeben. Die Ergänzung durch das Selective Identification Feature (SIF) zur selektiven Identifizierung von Luftfahrzeugen, ist das Äquivalent zum ICAO SSR SPI Pulse und wurde durch die USA in 1959 bekannt gegeben. Das Zeichen X war ursprünglich als Platzhalter für eine später noch festzulegende Bezeichnungen verwendet, wurde aber später als römische Zahl Zehn gedeutet. Die Bezeichnung IFF Mark XI wurde nur kurzzeitig verwendet für die Nutzung von kodierten Abfragen und Antworten^{AN/APX-35 Transponder}. Bis zur Einführung des Nachfolgesystems IFF Mark XII wurde die Bezeichnung IFF Mark X verwendet.

Aufbauend auf IFF Mark X begann die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO)1954 beim 5^th ComDiv (CommunicationsDivision) meeting Montreal mit der Standardisierung des SSR-Systems. ^{S.IV-4 ff.} Die Festlegung von 1030,0 MHz und 1090,0 MHz war wichtig, da nur so eine störungsfreie Koexistenz mit dem bereits 1950 von ICAO in Annex 10 definierten und international genutzten ersten ICAO DME-System möglich war, da das erste ICAO DME (1950) Interrogations (Abfragen) nur zwischen 936,5 und 986 MHz und Replies (Antworten) nur zwischen 1188,5 und 1211,0 MHz aussendete. Das heutige ICAO DME/N (N für Narrow Spektrum) basiert aber auf den TACAN Spezifikationen, welche Nutzungen des gesamten Bereichs von 962 MHz bis 1213 MHz in 1 MHz Schritten definierte und erst in ICAO Annex 10 ed.6 standardisiert wurde. ^{Nr. IV-4} Da es bei gleichzeitiger Nutzung von DME/N und SSR gegenseitigen Störungen auftreten, wurde die Nutzung von DME/N Kanälen untersagt bei denen mindestens eine der Sendefrequenzen im Bereich um 1030 MHz und 1090 MHz liegen. ^S.3-1 Weitere Parameter, z. B. SLS (Side Lobe Suppression, dt. Nebenkeulenunterdrückung) wurde vom 7.ComDiv meeting 1962 beschlossen.

Aufgrund der nur 4096 impulskodierten Antworten eine individuelle Identifikation von Luftfahrzeugen bei SSR Mode A wurde für die U.S. FAA (Federal Aviation Administration) mit der Entwicklung eines neuen Modes begonnen. Bis zur Standardisierung als SSR Mode S durch ICAO in ICAO Annex 10 Vol.I Am.67 in 1987 wurde das System während der Entwicklung als Discrete Address Beacon System (DABS) bezeichnet.

Aus damaliger Sicht wurde ein Adressumfang von 24 Bit als ausreichend angesehen damit allen Luftfahrzeuge eine eigene eindeutigen Identifikation zugewiesen werden kann. Die verfügbaren 24 Bit werden jedoch mittlerweile z. T. schon voll ausgeschöpft, da zusätzlich zu IFR-ausgerüsteten Luftfahrzeugen, auch weitere Luftfahrzeuge z. B. UAV und Segelflugzeuge in bestimmten Lufträumen mit ADS-B fähigen Transpondern ausgerüstet sein müssen, oder weil nun auch Bodenfahrzeuge mit ADS-B fähigen Squitter-Boxen ausgerüstet werden, die jeweils eine eigene 24 Bit Adresse benötigen.

Zusätzlich wurden selektive Abfragen von Mode Transpondern sowie ein Daten-Link für den Up- und Downlink definiert. Während der Entwicklung in den USA wurde das System als Discrete Address Beacon System (DABS) verwendet, bis es von ICAO als SSR Mode S standardisiert wurde.

Filterkiste mit den 12 Filterpaaren für das Kremni-2-System

Im gleichen Zeitraum wurde in der ehemaligen Sowjetunion ebenfalls ein Sekundärradar als Kennungsgerät entwickelt. Hier wurde unter der Systembezeichnung Kremni auf einer Frequenz im UHF-Bereich ein drei- und manchmal vierstelliges Impulsmuster ausgesendet, das durch den Transponder empfangen, bei Vorliegen einer gültigen Codierung (nur drei Impulse sind eine gültige Abfrage, der vierte Impuls ist zur Täuschung) mit einer Niederfrequenz moduliert und wieder ausgesendet wurde. Diese Niederfrequenz stellte die Kennung dar und wurde durch zwölf steckbare Codefilter realisiert. Diese verschiedenen Filter wurden in den Streitkräften des Warschauer Paktes nach einem zentral vorgegebenen geheimen, pseudo-zufälligen Schema im Abstand von zwei bis sechs Stunden gewechselt. Von Russlands Pazifikküste über Europa bis nach Kuba wurden diese Codefilter unabhängig von der lokalen Zeitzone gleichzeitig gewechselt. Eine zivile Nutzung war eigentlich nicht vorgesehen, aber da die zivile Luftfahrt staatlich organisiert war und alle zivilen Flugzeuge im Falle einer Mobilmachung als Militärtransporter verwendet werden sollten, waren auch alle zivilen Flugzeuge mit diesem Transponder ausgestattet.

Eine ausschließliche militärische Nutzung von IFF Modi ist i.d.Regel nur in rein militärischen Übungsräumen möglich. Die Transponder von militärischen Luftfahrzeuge müssen für den Flug in den von zivilen Flugsicherungen kontrollierten Lufträumen der im jeweiligen Land geforderten Ausrüstungsverordnung entsprechen. Daher müssen alle militärischen Transponder und Transponder/Interrogatoren in militärischen Luftfahrzeugen die im jeweiligen Land geforderten Modi und Mode S basierte Systeme in der jeweils gültigen Version unterstützen, z. B. in Deutschland ICAO SSR Modi A, Mode C, Mode S, ACAS 7.1. Aufgrund der zusätzlichen Arbeitslast für Fluglotsen nicht nach den Vorgaben ausgerüstete Luftfahrzeuge zu führen kann nur in wenigen Ausnahmefällen und dann auch nur auf Antrag erfolgen. Die IFF Modi 3/A, Mode C und Mode S entsprechen Vorgaben von ICAO SSR Mode A und C und sind wie IFF Mode 1 und Mode 2 aufgrund ihrer Modulation nicht sicher. Deshalb wurden für sichere militärische Anwendungen IFF Mode 4 entwickelt. Das später entwickelte Mode 5 erlaubt einen größeren Codeumfang und durch Kryptorechnern verschlüsselte Übertragung von Daten und Funktionen equivalent zu den auf SSR Mode S basierenden Systemen. Aus der militärischen Begriffswelt stammen die Bezeichnungen der Mark-Systeme. Sie fassen mehrere Identifizierungsmodi in einem Namen zusammen und wurden in den jeweilig gültigen Revisionen im Standardization NATO Agreement 4193 (STANAG 4193 Part I – VI) beschrieben.

• Mark X oder MkX (sprich „mark ten“) umfasst die Modi 1, 2, 3/A;
• Mark XA oder MkXA umfasst die Modi 1, 2, 3/A, C;
• Mark XII oder MkXII umfasst die Modi 1, 2, 3/A, C, 4;
• Mark XII-A oder MkXII-A umfasst die Modi 1, 2, 3/A, C, 4, 5;
• Mark XII-A/S oder MkXII-AS umfasst die Modi 1, 2, 3/A, C, 4, 5, S

Funktionsweise

Sekundärradar-Antenne für Flugzeuge, abgestimmt für 1030 MHz – 1090 MHz

Das Sekundärradarprinzip ist ein Ortungsverfahren mit Laufzeitmessung, 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. Bei einem 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. Diese Antwort kann eine charakteristische Modulation oder ein Datenpaket sein. Im einfachsten Fall ist dies der verzögerte Radarimpuls selbst, bei ersten Systemen zur Freund-Feind-Kennung wurde ein doppelter Punkt auf den Radarschirm geschrieben – ein Punkt vom passiven Reflexionssignal und dahinter ein weiterer vom (verzögerten) Sekundärradar.

Beide Systeme haben auf Grund der unterschiedlichen Prinzipien verschiedene Vor- und Nachteile. Wesentlicher Vorteil des Sekundärradars gegenüber dem Primärradar ist dessen deutlich höhere Reichweite sowie die Möglichkeit der Identifizierung des Zieles. Mit dem Primärradar werden sichere Informationen über Richtung, Höhe und Entfernung der Ziele und das völlig unabhängig vom Ziel gewonnen. Ein Sekundärradar stellt zusätzliche Informationen, wie Kennung, Identifizierung und ebenfalls Höhe der Ziele bereit. Allerdings ist dazu die Mitarbeit des Ziels notwendig. Fehlt diese Mitarbeit, zum Beispiel weil der Transponder defekt ist, so ist das Sekundärradar nicht arbeitsfähig und dieses Flugobjekt wird nicht erkannt. Deshalb arbeiten die meisten Sekundärradargeräte in einer Kombination mit einem Primärradar.

Blockschaltbild

Blockschaltbild eines in der Luftfahrt verwendeten Sekundärradarverfahrens

Das Verfahren besteht aus zwei Geräten: dem Abfragegerät (Interrogator) und dem Antwortgerät (dem Transponder). In der Luftfahrt sind die Abfragegeräte teilweise Bodenstationen, teilweise (vor allem bei Jagdflugzeugen) kann ein Interrogator wie die Transponder in einem Flugzeug eingerüstet sein.

Der Interrogator sendet abhängig von der jeweiligen Modulationsart (dem sogenannten Mode) eine beispielsweise mit verschiedenen Impulsen verschlüsselte Abfrage aus. Diese Impulse werden vom Transponder empfangen und ausgewertet. Je nach dem Inhalt der Abfrage wird eine Antwort generiert, wieder verschlüsselt und ausgesendet.

Durch die Laufzeitmessung zwischen Sendeimpulsen und dem Antworttelegramm kann die Entfernung zwischen Abfragegerät und Antwortgerät errechnet werden. Durch die im Transponder durch Decodierung und Codierung verursachten Verzögerungen ist diese Entfernungsberechnung nur korrekt, wenn diese zusätzliche Verzögerungszeit bekannt ist.

Reichweitenkalkulation

Durch aktive Mitarbeit des Ziels kann eine drastische Reduzierung der notwendigen Sendeleistung bei gleicher Reichweite erreicht werden, da bei Primärradar die Freiraumdämpfung mit dem Hin- und Rückweg in die Radargleichung eingeht, bei Sekundärradar nur mit dem Hinweg, da der Rückweg als eigenständige Funkverbindung zählt. Im Gegensatz zum Primärradar, bei dem die Reichweite durch die vierte Wurzel in der Radargleichung geprägt wird, wird beim Sekundärradar die Reichweite durch eine Funktion mit einer Quadratwurzel berechnet. Als Richtwert kann hier ein Faktor um 1000 angenommen werden. Daraus folgt ein erheblich einfacherer, kleinerer und vor allem billigerer Sender. Die in der Praxis übliche Peak Power Output (Spitzen Impulsleistung) eines Sekundärradar-Interrogators am Senderausgang liegen zwischen 250 Watt und maximal 2000 Watt, wobei der Antennengewinn bis über 28 dBi liegen kann. Zivile SSR Transponder erreichen Peak Power Outputs am Senderausgang von bis zu 500 W, wobei militärische Transponder und Transponder/Interroagtor auch bis zu 2000 Watt erreichen können.

Bei einem Primärradar erreicht die Empfängerempfindlichkeit am Empfängereingang, abhängig von der Empfängerbandbreite, bei guten Radarempfängern Werte von −110 dBm … −120 dBm. Die Empfängerempfindlichkeit bei zivilen SSR Empfängern kann um ca. 30 dB niedriger sein, variiert aber z. B. mit dem Modi, der definierten Wahrscheinlichkeit zur Erfassung von Interroagtions und/oder Replies, sowie anderen Faktoren z. B. der zu erfassenden Reichweite. Bei Sekundärradar-Empfängern sind Empfängerempfindlichkeiten für Signale am Empfängereingang von besser als P_e= −90 dBm möglich.

Die Reichweite für ein Primär-Radar wird nach der Formel:

R= Reichweite
P_s= Sendeleistung
P_e= Empfangsleistung
G_s= Gewinn der Sendeantenne
G_e= Gewinn der Empfangsantenne
λ= Wellenlänge (hier etwa 29 cm)

L= Verluste (englisch: Losses)

$R={\sqrt {\frac {P_{s}\cdot G_{s}\cdot G_{e}\cdot \lambda ^{2}}{(4\pi )^{2}\cdot P_{e}\cdot L}}}$

berechnet.

Da beim Sekundärradar wie beim Primärradar die Sende- und Empfangsantennen (und somit die in die Formel einzusetzenden Antennengewinne) sowohl auf dem Abfrageweg als auch auf dem Antwortweg gleich sind, ist hier der einzige Unterschied durch die verschiedenen Wellenlängen bei 1030 MHz (Abfrageweg) und 1090 MHz (Antwortweg) gegeben. Der Transponder kann durch die geringfügig höhere Sendefrequenz mit einer geringfügig niedrigeren Sendeleistung arbeiten, da beide Antennen für die Antwortfrequenz eine effektivere Wirkfläche besitzen.

Aus der Reichweitenformel ist vor allem die notwendige Sendeleistung des Abfragegerätes zu berechnen. Die Transponder müssen immer mit voller Leistung (knapp 2 kW) antworten, da dem Transponder die Entfernung des Abfragesenders nicht bekannt ist. Nur im Abfragesender ist bekannt, bis zu welcher Reichweite die IFF/SIF-Informationen überhaupt dargestellt werden können. Deswegen kann die Reichweitenformel nach der Sendeleistung des Abfragesenders umgestellt werden:

$P_{s}={\frac {P_{e}\cdot L}{G_{s}\cdot G_{e}}}\left({\frac {4\pi \cdot R}{\lambda }}\right)^{2}$

Der Term im Quadrat ist hier die Freiraumdämpfung bei einer konstanten Wellenlänge als Funktion der Entfernung. Die Verluste L können in interne Verluste von der Antenne bis zum Plotextraktor (insgesamt etwa −3,5 dB) und externe Verluste durch die Diagrammform (siehe -3 dB-Grenzen) der Antenne, durch Interferenzen beim Vorliegen von Reflexionen (durchschnittlich mit −4 dB) oder dem Einfluss eines Radoms (etwa −0,2 dB) eingeteilt werden. Unter sehr ungünstigen Bedingungen können die internen und externen Verluste insgesamt bis zu −9 dB erreichen.

Empfängerempfindlichkeit	- 65 dBm
Freiraumdämpfung für 278 km (abgerundet)	+ 140 dB
Antennengewinne	- (+ 27 dB)
Verluste (aufgerundet)	+ 9 dB
= notwendige Sendeleistung	57 dBm

Mit Einberechnung der Antennengewinne und der Verluste können vom Sender zum Empfänger für eine Reichweite von 150 nautischen Meilen (= 278 km) Dämpfungen von 122 dB angenommen werden. Die Empfängerempfindlichkeit der Transponder beträgt mindestens −65 dBm. Der Sender muss für diese Entfernung demzufolge eine Impulsleistung von

$57\,\mathrm {dBm} =27\,\mathrm {dBW} =500\,{\text{Watt}}$

aufbringen. Eine größere Sendeleistung als 500 Watt für die maximal darstellbare Entfernung von 150 nautischen Meilen hat keinen Einfluss mehr auf die Reichweite und bewirkt lediglich eine Vergrößerung der gegenseitigen Störungen durch Fruit. Die Sender der Sekundärradargeräte sind in der Flugsicherung meist für eine Impulsleistung von 2000 Watt ausgelegt, können jedoch in -3 dB Schritten in der Sendeleistung reduziert werden. Wenn das Primärradar zum Beispiel nur eine begrenzte Reichweite hat, dann ist eine Vergrößerung der Sendeleistung des Sekundärradars kontraproduktiv.

Betriebsorganisation

Das Sekundärradarverfahren wird in der zivilen und militärischen Luftfahrt mit einander kompatiblen Systemen angewendet:

• zivil: „SIF“ für Selective Identification Feature sowie „SSR“ für Secondary Surveillance Radar
• militärisch: „IFF“ für Identification Friend or Foe – Freund-Feind-Erkennung

Sekundärradar bietet in der Luftfahrt zusätzliche Informationen über ein Flugzeug, die ein Primärradar nicht beziehungsweise nicht in der Qualität ermitteln kann. Es ist ein kooperatives Verfahren, das heißt:

• Das Flugzeug muss bei dem Verfahren mitarbeiten und
• die einzelnen Schritte des Verfahrens müssen standardisiert sein, damit Flugzeug und Bodenstation einander verstehen.

Standard Mark X

Durch die ICAO werden verbindliche Standards definiert, die das Sekundärradarverfahren regeln. Ein solcher Standard ist als Mark X (sprich: Mark ten) bekannt. In diesem Standard sind die klassischen Mode und Code definiert. Das Ziel dieser Abfrage ist eine Identifizierung des Flugzeuges und die Abfrage der Zusatzinformation Flughöhe.

Abfrageformat

Die Abfrage wird oft auch als Mode bezeichnet. Die Frage lautet etwa: „Wer bist du?“ Der Transponder im Flugzeug antwortet darauf mit einem Transpondercode. Alternativ dazu kann auch abgefragt werden „Wie hoch fliegst du?“ (Diese Frage ergab sich daraus, dass die meisten Radargeräte früher nur 2D-Radargeräte waren.) Das Flugzeug antwortet darauf mit einem weiteren Code. Mode und Code gehören immer zusammen, denn wenn die Frage nicht bekannt ist, ist der geantwortete Zahlenwert nicht eindeutig. Der Mode wird durch den Abstand zwischen zwei kurzen Sendeimpulsen kodiert übertragen und hat folgende Bedeutungen:

Mode		Abstand zwischen P1–P3	Verwendung
militärisch	zivil
1		3 (±0,2) µs	Militärische Identifikation Dieser Mode unterstützt nur 32 verschiedene Codes (obwohl ebenfalls 4096 Codes technisch möglich sind). Im Normalfall werden durch diese Codes Informationen über Einsatzzweck, -aufgabe und Typ übermittelt. Wird in Friedenszeiten kaum genutzt.
2		5 (±0,2) µs	Militärische Identifikation Der Mode 2 enthält 4096 verschiedene Codes für militärische Zwecke (wie Mode A). Im Normalfall werden durch diese Codes ein individueller Code des Flugzeuges (militärische Kennung) übermittelt.
3	A	8 (±0,2) µs	Zivile und militärische Identifikation Die Antwort auf den Mode A (Code) ist eine vierstellige Zahl (oktal 0000 bis 7777; drei Bit beziehungsweise Pulse pro Stelle BCD-Kodiert) zur Identifikation des Flugzeugs. Er wird vom Piloten am Transponder direkt oder an der abgesetzten Bedieneinheit eingegeben. (War mal als Individualcode gedacht, reicht aber für diese Aufgabe heute nicht mehr aus.)
	B	17 (±0,2) µs	Abfrage Pulsekode wurde ohne Definition für eine Nutzung standardisiert Nr. 3.9.3.1.4.1
	C	21 (±0,2) µs	Barometrische Höhenangabe Höhe des Flugzeuges in Schritten zu 30,5 m (100 ft). Dieser Wert wird von einem barometrischen Höhenmesser ermittelt, der in allen Flugzeugen der Welt dieselbe Standardeinstellung hat (ICAO Standard Atmosphere). Der Wert wird technisch ähnlich wie der Mode 3/A übertragen, jedoch nicht direkt oktal codiert, sondern mittels Gillham-Code. Der Wertebereich umfasst Angaben von −304,8 m (−1000 ft) bis 38,7 km (127.000 ft).
	D	25 (±0,2) µs	Abfrage Pulsekode wurde ohne Definition für eine Nutzung standardisiert Nr. 3.8.4.3

Bei allen zivilen SSR-Abfragern (1030 MHz), wird zusätzlich ein SLS (Side Lobe Suppression) Puls P2 ausgesendet. Im Gegensatz zu den Abfragepulsen P1/P3 die über Antenne mit einem hohen Antennengewinn von typisch um die 28 dBi Antennengewinn ausgestrahlt werden, wird der SLS Puls P2 meistens über ein Rundstrahldiagramm ausgesendet. Da hierzu ein zusätzlicher Kanal an der Hohleiterdrehkupplung der drehenden Radarantenne benötigt wird, unterstützen nicht alle Antennen von IFF-Abfragern die Aussendung von SLS Pulse. Durch Amplitudenvergleich der Pulse P1/P3 mit dem P2 werden, soweit möglich, Abfragen von Luftfahrzeugen, die sich in Nebenkeulen der Antenne befinden, oder die die Abfrage Pulse über Reflexionen empfangen reduziert. Es gab weitere SLS-Verfahren, die zusätzlich weitere Pulse nutzten.

Antworttelegramm

Das Antworttelegramm ist ohne Berücksichtigung der erlaubten Toleranzen und Nutzung des SPI bei SSR Mode A bis Mode D circa 20,75 µs lang, bezogen auf die positiven (ansteigenden) Pulsflanken zwischen F1 und F2 Pulsen plus 0,45 µs für die Puls-Breite des F2 Pulses. Mit SPI Puls erhöht sich die Länge auf 25,1 µs, bezogen auf die positiven (ansteigenden) Pulsflanken zwischen F1 und SPI plus 0,45 µs für die Puls-Breite des SPI. Alle SSR Antworten werden auf der Frequenz 1090 MHz übertragen. Bei dieser Antwort muss ein größerer Toleranzbereich akzeptiert werden, weil zum Beispiel in großen Höhen bei starker Kälte die frequenzbestimmenden Bauteile des Transponders größere Abweichungen vom Sollwert haben.

Antworttelegramm des Transponders

Das Antwort-Telegramm besteht aus 2 bis 15 Impulsen mit einer Impulsdauer von je 0,45 µs (±0,1 µs). Die beiden Rahmenimpulse F1 und F2 im Abstand von 20,3 µs müssen im SSR-Empfänger detektiert sein, damit vom Empfänger diese Impulse als gültige SSR Mode A bis Mode D Antwort erkannt werden. Zwischen den Rahmenimpulsen gibt es im Abstand von 1,45 µs insgesamt 13 Positionen für die Codierimpulse. Von diesen werden im Mode A und C nur maximal 12 für die Übertragung der gewünschten Information in einem Oktalcode genutzt. Die drei Leerstellen dürfen nicht durch Impulse belegt sein, da sonst manche Decoder die gesamte Antwort als Störung interpretieren und somit verwerfen. Das Antwort-Telegramm enthält jedoch keinerlei Information über den Mode. Der Decoder des Sekundärradars geht immer davon aus, dass die empfangene Antwort zu dem als letztes abgefragten Mode passt.

Die Impulse zwischen den Rahmenimpulsen beinhalten den Code, der abhängig vom Abfragemode die gewünschte Information als Oktalzahl enthält. Durch die Anzahl von 12 möglichen Impulsen ist der Wertevorrat der eindeutigen Informationen auf 4096₁₀ begrenzt.

Antworttelegramm - SSR Mode A

Der erste IFF-Mode 1 und später der ICAO Mode A ^{Nr. 3.9.3.2} nutzten nur 2 Oktalzahlen und 6 Pulse (jeweils 3 Pulse für die Oktalzahl A und B), wodurch nur 64 Kodes für die Identifizierung möglich waren. Zur Erhöhung der Kapazität wurde das Antworttelegram in IFF Mode 2 und ICAO Mode A ^{Nr. 3.8.6.2.1} um 2 weitere Oktalzahlen, bzw. 6 weitere Pulse ergänzt (jeweils 3 Pulse für die Oktalzahl C und D), den Umfang auf 4096 Kodes für die Identifizierung erhöhte. Die 6 zusätzlichen Pulse wurden in den verbleibenden Zwischenräumen zwischen den Pulsen für A und B ausgesandt, jedoch verblieb die Mittenposition für eine mögliche zukünftige Nutzung reserviert ^{Nr. 3.8.6.2.1}, wurde aber nie für eine Nutzung von ICAO standardisiert. Da die Empfänger von einigen SSR-Interrogatoren die X-Position für interne Messungen verwenden, kommt es durch Empfang eines Pulses an der X-Position zu Störungen. Daher wurde aufgrund von aufgetretenen Störungen durch testweise Nutzung eines X-Pulses in den letzten Jahren von ICAO nochmals explizit durch ICAO eine Nutzung der X-Position für die Aussendung eines Pulses untersagt.

Der SPI-Impuls (special position identification pulse) wird beim „squawk ident“, nach manuellen drücken des Piloten der Taste „IDENT“ im Bedienfeld des Transponders, 4,35 µs (drei Rasterintervalle) nach dem Rahmenimpuls F2 platziert. Dadurch blinkt z. B. bei DERD-Radarbildschirmen das Kopfsymbol des SSR-Ziels auf.

Antworttelegramm - SSR Mode B

Mit ICAO Annex 10, Ed.5 im Oktober 1963 wurde der Abfrage Pulsekode für Mode B definiert, ^{Nr. 3.9.3.1.4.1} jedoch erfolgte keine Definition für die Nutzung oder das Antworttelegramm.

Antworttelegramm - SSR Mode C

Die Definition für eine Automatic Pressure Altitude (Antwort des gemessenen Luftdrucks) erfolgte erst in ICAO Annex 10 Ed.7 im August 1963 ^{Nr. 2.5}. Für die Höhencodierung wurden das für Mode A definierte Pulsdiagram übernommen jedoch eine andere Codierung verwendet. Es wurden 12 Pulse (ABC alled Pulse, D2 und D4 gepaart mit SPI) für 100 ft Inkremente verwendet ^{Nr.3.8.7.12.4}. Neun der Pulse wurde für die Kodierung der Höhe zwischen -1000 ft und 126 750 ft in Inkrementen von 500 ft definiert. Die zwei verbleibenden Pulse D1- und die Kombination von D2- mit dem SPI-Pulse ^{Table B} wurden für die Kodierung der Höheninkremente in 100 ft Schritten verwendet ^{Nr. 3.8.7.12.4.1}. Mit Einführung von Annex 10 Vol.I wurde die Nutzung von SPI aus der in Table B die die Höhenkodierung definiert entfernt.

Antworttelegramm - SSR Mode D

Mit ICAO Annex 10, Ed.7 im Oktober 1963 ^{Nr. 3.8.4.3} wurde der Abfrage Pulsekode für Mode D für zukünftige Nutzung definiert, jedoch erfolgte keine Definition für die Nutzung oder das Antworttelegramm.

Anzeige

Anzeige der Identifikation auf einem PPI-scope

Im einfachsten Fall wird auf dem Radarschirm hinter dem Zielzeichen des Primärradargerätes ein weiteres, meist etwas dünneres Zielzeichen angezeigt. Der Abstand entsprach anfangs der zusätzlichen Verzögerungszeit im Transponder. Später konnte er individuell am Sichtgerät eingestellt werden. Die Zahlenwerte des Identifizierungscodes und die Höhenangabe müssen auf einem zusätzlichen Display aus Leuchtdioden am Sekundärradar oder an einer abgesetzten Anzeige neben dem Primärradarbildschirm abgelesen werden. Einige Radargeräte können diese Zusatzinformationen auf dem Bildschirm selbst als Zahlenangabe einblenden.

Moderne digitale Radargeräte können die Informationen des Sekundärradars mit dem Zielzeichen des Primärradargerätes zusammenfügen. Hier werden beide Radarinformationen in je einen Plotextraktor zu einem digitalen Datenwort verarbeitet, die dann im Radar Data Processor zu einem Datensatz korreliert werden. Die Anzeige erfolgt also auf dem digitalen Bildschirm des Primärradargerätes. Da sich die Signalverzögerungszeiten nun auch in der Bodenstation erheblich unterscheiden, muss die Antenne des Sekundärradargerätes mit einem kleinen Winkelversatz auf der Primärradarantenne montiert werden.

Standard Mark XII (Mode S)

Ein weiterer durch die ICAO definierter verbindlicher Standard (Mark XII – sprich: Mark twelve) wird auch als Mode S (Mode Selektive) bezeichnet. Diese neue Standardisierung wurde erforderlich, weil die bisherigen Systeme durch den angestiegenen Flugverkehr an ihre Kapazitätsgrenzen gelangt waren. Gründe waren: Überschreitung der maximalen Zahl der verarbeitbaren Ziele, falsche Radarechos (z. B. durch ACAS-Abfragen generierter Fruit), begrenzte Azimutauflösung. Dies führte in mehreren Fällen dazu, dass Flugzeuge auf dem Radarschirm falsch oder gar nicht dargestellt wurden („lost targets“). Ein weiterer Punkt war, dass der Wertevorrat für Mode 3/A (mit nur 4096 verschiedenen Codes) zu klein wurde.

Beim Mode S hat jeder Transponder eine fest einprogrammierte individuelle Adresse. Der Standard sieht vor, dass bei einer Abfrage nicht mehr alle Transponder antworten, sondern nur noch diejenigen, die ausdrücklich über ihre Adresse angesprochen werden. Dadurch wird die Anzahl der Antwortsignale massiv gesenkt. Außerdem enthält auch das Antwortsignal die Adressinformation, so dass es eindeutig dem jeweiligen Flugzeug zugeordnet werden kann und Fruit ausgeschlossen wird. Dieser Standard wurde durch die ICAO festgelegt und ist für Flugzeugneuzulassungen vorgeschrieben.

„Die individuelle SSR Mode S Adresse soll eine von 16.777.214 möglichen 24-Bit Adressierungen sein, die durch die ICAO oder einer staatlichen oder einer anderen bevollmächtigten allgemeinen Registrierungsbehörde zugeteilt wird.“

Oben: Darstellung eines Flugzeuges mit Mode 3/A und Mode C
Unten: Flugzeug der CSA mit zusätzlichen Mode-S-Informationen

Das bisherige Identifizierungssystem im Mode 3/A hat durch den verwendeten vierstelligen Oktalcode nur einen Wertevorrat von 4.096 verschiedenen Identifizierungscodes. Deshalb musste dieser Code dynamisch zugewiesen werden, das heißt, beim Durchflug durch verschiedene Zuständigkeitszonen wurde dem Flugzeug ein jeweils neuer Identifizierungscode zugewiesen. Das hat bisher die Gefahr von Verwechslungen auf dem Radarschirm verursacht.

Das Mode-S-System kann als Basisprotokoll für die Kommunikation zwischen dem Transponder im Flugzeug und dem Sekundärradar am Boden definiert werden. Neben dem Identifizierungscode, der nun individuell (ähnlich wie ein Kfz-Kennzeichen) für ein Flugzeug vergeben wird, können sehr viel mehr Informationen über den aktuellen Flugzustand an das Sekundärradar übertragen werden. Der militärische Mode 4 ist für zivile Geräte nicht auswertbar, da die Antworten kodiert und der Inhalt daher klassifiziert (classified/geheim) ist.

Ein wesentlicher Vorteil des Systems ist, dass die Bodenstationen die abgefragten Informationen über ein Netzwerk austauschen können. Das verringert die Abfragehäufigkeit und somit auch die gegenseitigen Störungen durch Fruit. Das setzt allerdings voraus, dass wenn die selektive Abfrage eines Flugzeuges erfolgt ist, dessen Antwort einem Primärecho zugeordnet wird und eine weitere Abfrage unterbleibt. Die Abfrage muss wieder abwärtskompatibel sein. Ein alter Mark-X-Transponder darf durch die Mode-S-Abfragen nicht verwirrt werden. Deshalb werden diese alten Transponder wie bisher abgefragt, allerdings wird dem Protokoll ein vierter Impuls (P4) angehängt, der einen Mode-S-Transponder für diese Abfragen sperrt. Die alten Transponder kennen diesen Impuls nicht und ignorieren ihn.

Die Abfragemöglichkeiten einer mode-S-fähigen Bodenstation werden grob in zwei Typen klassifiziert:

Radarbild Mode-S-System

All-call interrogations

„All-call interrogations“ erwarten von allen Flugzeugen im Auffassungsbereich eine Antwort. Doch unter bestimmten Bedingungen kann der Mode-S-Transponder diese Antworten sperren. Zum Beispiel kann eine erfolgreiche Abfrage bewirken, dass die diese Abfrage auslösende Bodenstation keine Antworten auf diesen Abfragemode mehr erhält. Der Transponder erwartet von dieser Bodenstation nun eine „Roll-call interrogation“.

Roll-call interrogations

„Roll-call interrogations“ sind individuell (selektiv) adressierte Abfragen, auf die nur der eine angesprochene Mode-S-Transponder reagiert. Die Antwort auf diese selektive Abfrage ist ein Telegramm aus bis zu 112 Bit, das diverse Informationen wie Kurs, Geschwindigkeit oder Ausweichempfehlungen vom bordeigenen Kollisionswarnsystem (siehe TCAS) enthalten kann. Der genaue Inhalt kann vom Fluglotsen aus einem Pool von Möglichkeiten ausgewählt werden.

Übertragungsprotokolle

Uplink

Neben der eigentlichen Mode-S-Abfrage müssen durch die Bodenstationen auch zum Mark-X-System kompatible Impulsmuster gesendet werden, die in der folgenden Tabelle gezeigt werden:

Impulsdauer von P4	Mode S inter mode
kein P4	Mode A reply	Diese Abfrage wird abwärtskompatibel für nicht mode-S-fähige Transponder gesendet. Da der Transponder nicht erkennen kann, ob eine mode-S-fähige Bodenstation abfragt, antwortet er auch.
0,8 µs	no reply	Deshalb wird durch Mode S-fähige Abfragestationen ein kurzer P4-Impuls gesendet, dann antwortet ein Mode-S-Transponder nicht. Alte Transponder kennen diesen Impuls nicht und antworten.
1,6 µs	all-call reply	Ein langer P4-Impuls wird gesendet, um eine „All-call interrogation“ auszulösen. Dieser Mode wird selten verwendet, da es andere und bessere Möglichkeiten gibt, den Individualcode zu erfassen und eine gezielte Mode-S-Abfrage auszulösen.
kein P4 dafür großer P2	Mode S reply	Das Radar sendet einen P2-Impuls mit gleicher Amplitude wie der P1-Impuls. Das aktiviert Mode S Transponder zu dem Empfang des P6-Impulses mit dem Datenblock. Für nicht Mode-S-fähige Transponder erscheint diese Abfrage wie aus einer Nebenkeule und wird deswegen durch die erfüllte ISLS-Bedingung nicht beantwortet.

Als Übertragungsprotokoll wird auf dem sogenannten Uplink-Weg (Abfrage von der Bodenstation hoch zum Flugzeug) innerhalb des P6-Impulses eine Impulsmodulation mit differenzieller Phasenumtastung (DPSK) genutzt. Da der P2-Impuls nun zur Sperrung der alten Transponder verwendet wird, muss die Nebenkeulenunterdrückung anders gelöst werden. Ein fünfter Impuls P5 wird wie früher der P2-Impuls über eine Antenne mit Rundstrahlcharakteristik ausgesendet. Dieser Impuls überdeckt das Synchron-Bit im P6-Impuls. Ist der P5-Impuls zu groß, dann kann der Transponder den Impuls P6 nicht decodieren. Der P6-Impuls kann entweder 56 oder 112 Bit enthalten. Der Upling hat eine Datenrate von 4 Mega Bit/Sekunde.

Technisch ist es auch möglich, über den Uplink Informationen an Flugzeuge zu schicken, beispielsweise Wetterdaten, Informationen über sich annähernde Flugzeuge (TIS, traffic information service, in den USA), Flugfreigaben etc. Diese Möglichkeiten werden in der EU noch nicht ausgenutzt. Insgesamt sind 25 verschiedene Abfragen mit Mark-XII möglich; ebenso gibt es 25 individuelle Antwortmöglichkeiten.

Antworttelegramm - SSR Mode S und ADS-B Squitter

Mode-S-Antwort mit Pulse Position Modulation

Auf dem Downlink-Weg (Antwort vom Flugzeug zum Abfragenden) ist es ungünstig, ebenfalls die differenzielle Phasenumtastung (DPSK) zu verwenden. Die Übertragungssicherheit wird durch die extremen Temperaturschwankungen, denen ein Transponder in großen Flughöhen ausgesetzt wird, ungünstig beeinflusst. Deshalb wird eine weniger anfällige Modulation, die Pulse Position Modulation (PPM) verwendet. Immer dann, wenn in einem dem Antwortdiagramm als Zeitraster hinterlegten Synchrontakt eine fallende Flanke erkannt wird, dann liegt eine logische „1“ an. Bei einer steigenden Flanke wird eine logische „0“ erkannt. Auch auf dem Antwortweg werden so entweder 56 oder 112 Bit übertragen. SSR Mode S besitzt derzeit nur eine Datenrate von 1 Mega Bit/Sekunde

Antworttelegramm - SSR Mode S Phase Overlay

SSR Mode S besitzt derzeit nur eine Datenrate von 1 Mega Bit/Sekunde. Da derzeit schon allen Bits im Mode S Telegramm feste Funktionen zugeordnet worden sind, wird derzeit an der Standardisierung einer Erweiterung gearbeitet. Durch zusätzliche D8PSK Modulation eines jeden Daten-Pulses soll die Datenrate auf 4 Mega Bit/Sekunde erhöht werden.

Die Angabe der Datenrate ist jedoch im Vergleich zu anderen Übertragungsverfahren irreführend, da die Informationen nicht durch z. B. eine Kette von ASCII-Zeichen übertragen wird, sondern relevante Informationen durch Änderung auch nur eines einzelnen Bits im Antworttelegramm signalisiert werden kann. Die Effektivität pro Bit ist bei SSR Mode S daher um ein vielfaches höher als die eigentliche Datenrate vermuten lässt.

ADS-B Squitter

Eine Besonderheit der Mode-S-fähigen Transponder ist der sogenannte Squitter-Mode, bei dem der Transponder unabhängig von einer Abfrage und in regelmäßigen Abständen zum Beispiel GPS-Position und Identifizierung als Rundspruch sendet (ADS-B Automatic Dependent Surveillance – Broadcast). Die Unterstützung dieses Modes ist in Deutschland jedoch keine Pflicht. Auch sind noch nicht alle Mode-S-fähigen Transponder technisch in der Lage, eine solche Nachricht zu versenden.

Dieser Mode ermöglicht, mit einem einfachen über eine USB-Schnittstelle an einen Computer angeschlossenen Empfänger auf der Frequenz 1090 MHz ein virtuelles Radar aufzubauen, das mit einer kleinen Stabantenne die kommerziellen Flüge im Umkreis von etwa 40 km auf dem Computerdisplay in Echtzeit darstellen kann. Durch die Verknüpfung vieler solcher kleinen Empfangsstationen über ein Netzwerk sind lückenlose Darstellungen der Bewegungen im Luftraum möglich.

Ausrüstungsvorschriften

In Deutschland ist ein Transponder vorgeschrieben:

• Bei IFR-Flügen (§ 3 FSAV) ^{§3 (1) 4.} "einem Sekundärradar-Antwortgerät (Transponder), das für den Abfragemodus A mit 4 096 Antwortcodes und für den Abfragemodus C mit automatischer Höhenübermittlung ausgestattet ist. Spätestens ab dem 31. März 2004 für neue Luftfahrzeuge und ab dem 31. März 2005 für alle Luftfahrzeuge ist die Mode-S-Technik gemäß dem gültigen internationalen Standard (mindestens Level 2 mit SI Code und Elementary Surveillance ELS Funktionalität) erforderlich. Für alle Luftfahrzeuge, die eine höchstzulässige Startmasse von mehr als 5.700 Kilogramm aufweisen oder mit einer wahren Eigengeschwindigkeit (True Airspeed, TAS) von mehr als 250 Knoten betrieben werden, ist ab dem 31. März 2007 zusätzlich die Funktionalität Enhanced Surveillance (EHS) gefordert;"
• Bei VFR-Flügen sind die Anforderungen gemäß FSAV ^§4 "Der Transponder muss über den Abfragemodus A mit 4 096 Antwortcodes und den Abfragemodus C mit automatischer Höhenübermittlung verfügen. Spätestens ab dem 31. März 2005 für neue Luftfahrzeuge und ab dem 31. März 2008 für alle Luftfahrzeuge ist für den Transponder die Mode-S-Technik gemäß gültigem internationalen Standard (mindestens Level 2 mit SI-Code und Elementary Surveillance (ELS) Funktionalität) erforderlich. Ausnahmen zu den Nummern 1 und 2 werden vom Flugsicherungsunternehmen in den Nachrichten für Luftfahrer bekannt gemacht." Dies gilt für:

1. - Lufträumen C und D (nicht Kontrollzone) (§ 4 FSAV) ^{§4 (5) 1.}
2. - Bei VFR-Flügen in Lufträumen mit vorgeschriebener Transponderschaltung (Transponder Mandatory Zone – TMZ) (§ 4 FSAV)^{§4 (5) 2.}
3. - Bei VFR-Flügen bei Nacht im nicht kontrollierten und kontrollierten Luftraum (§ 4 FSAV) ^{§4 (5) 3.}
4. - Bei VFR-Flügen mit motorgetriebenen Luftfahrzeugen, ausgenommen in der Betriebsart Segelflug, oberhalb 5 000 Fuß über NN oder oberhalb einer Höhe von 3 500 Fuß über Grund, wobei jeweils der höhere Wert maßgebend ist. (§ 4 FSAV) ^{§4 (5) 4.}

Weitere Anwendungen

Neben der Luftfahrt, die sicherlich den größten Anwender der Radartechnologie darstellt, werden Radarsysteme (sowohl primäre als auch sekundäre) auch in luftfahrtfremden Bereichen eingesetzt. Neben vielen anderen Transponderanwendungen werden nur diejenigen als Sekundärradar bezeichnet, bei denen auch eine Entfernungsbestimmung mittels einer Laufzeitmessung durchgeführt wird.

In der Schifffahrt arbeitet ein Radar Beacon nach einem ähnlichen Prinzip, wobei der Transponder dabei an den Seezeichen angebracht ist.

Sekundärradar in der Automobiltechnik

Moderne Automobile verwenden ein Sekundärradar, um die Annäherung eines Funkschlüssels zum Kraftfahrzeug festzustellen. Dabei wird neben der Laufzeitmessung des Signals auch eine Datenübertragung durchgeführt, die den Schlüssel gegenüber dem Fahrzeug identifiziert. Erst bei erfolgreicher Identifikation und geringer Entfernung des Schlüssels zum Fahrzeug wird das Schließsystem der Türen entriegelt. Eine zusätzliche Innen-Außenraum-Erkennung stellt sicher, dass der Antrieb nur gestartet werden kann, wenn sich der Schlüssel innerhalb des Fahrzeugs befindet. Das Entfernen vom Fahrzeug führt nicht zum erneuten Verriegeln der Türen, dies muss manuell ausgelöst (gesteuert) werden.

Literatur

• Michael Stevens: Secondary Surveillance Radar (Artech House Radar Library). Artech House Publishers, ISBN 0-89006-292-7
• Peter Honold: Sekundär Radar, Grundlagen und Gerätetechnik. Siemens, Berlin / München 1971
• Eurocontrol: ICAO Annex 10 Volume IV (Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems). Ausgabe 77
• Verordnung über die Flugsicherungsausrüstung der Luftfahrzeuge (FSAV). 26. November 2004 (BGBl. I S. 3093)

Weblinks

Commons: Sekundärradar – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• dfs.de (PDF) Ausführliche Zusammenfassung der Ausrüstungsvorschriften
• radartutorial.eu (Virtueller Lehrgang „Radargrundlagen“, Abschnitt SSR und MSSR)
• lba.de Luftfahrt-Bundesamt
• eurocontrol.int (Memento vom 10. Juni 2007 im Internet Archive) Mode-S-FAQ von Eurocontrol