Radarhöhenmesser

Ein Radarhöhenmesser ( RA ), auch Funkhöhenmesser ( RALT ), elektronischer Höhenmesser , Reflexionshöhenmesser oder Niedrigbereichs-Funkhöhenmesser ( LRRA ) genannt, misst die Höhe über dem Gelände unterhalb eines Flugzeugs oder Raumfahrzeugs. Er misst die Zeit, die ein Funkwellenstrahl benötigt, um zum Boden zu gelangen, reflektiert zu werden und zum Fluggerät zurückzukehren. Dieser Höhenmessertyp liefert die Entfernung zwischen der Antenne und dem Boden direkt darunter. Im Gegensatz dazu misst ein barometrischer Höhenmesser die Entfernung über einem definierten vertikalen Bezugspunkt , üblicherweise dem mittleren Meeresspiegel .

Wie der Name schon sagt, ist Radar ( Funkortung und -entfernungsmessung ) das grundlegende Prinzip des Systems. Das System sendet Radiowellen zum Boden und misst die Zeit, die diese benötigen, um zum Flugzeug zurückreflektiert zu werden. Die Flughöhe über dem Boden wird aus der Laufzeit der Radiowellen und der Lichtgeschwindigkeit berechnet . [ 1 ] Radarhöhenmesser ^{benötigten ein einfaches} System zur Messung der Flugzeit, das sich mit herkömmlichen Instrumenten darstellen ließ, im Gegensatz zur Kathodenstrahlröhre, die üblicherweise in frühen Radarsystemen verwendet wurde.

Dazu sendet der Sender ein frequenzmoduliertes Signal, dessen Frequenz sich im Laufe der Zeit ändert und innerhalb einer vorgegebenen Zeit T zwischen zwei Frequenzgrenzen, F_{_min} und F _{_max, ansteigt und abfällt. In den ersten Geräten wurde dies mithilfe eines} LC-Schwingkreises mit einem von einem kleinen Elektromotor angetriebenen Abstimmkondensator realisiert. Das Ausgangssignal wird anschließend mit dem Hochfrequenz -Trägersignal gemischt und über die Sendeantenne ausgesendet. ^{[ 1 ]}

Da das Signal eine gewisse Zeit benötigt, um den Boden zu erreichen und zurückzukehren, ist die Frequenz des empfangenen Signals im Vergleich zum ausgesendeten Signal leicht verzögert. Die Differenz dieser beiden Frequenzen kann in einem Frequenzmischer extrahiert werden . Da die Differenz der beiden Signale auf die Verzögerung beim Empfang und der Rückkehr zurückzuführen ist, kodiert die resultierende Ausgangsfrequenz die Flughöhe. Die Ausgangsfrequenz liegt typischerweise im Bereich von Hunderten von Hertz, nicht Megahertz, und kann problemlos auf analogen Instrumenten dargestellt werden. ^{[ 2 ]} Dieses Verfahren ist als frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (FMCD) bekannt .

Radarhöhenmesser arbeiten üblicherweise im E-Band , K _- Band oder, für präzisere Meeresspiegelmessungen, im S-Band . Sie bieten zudem eine zuverlässige und genaue Methode zur Höhenmessung über Wasser bei langen Seeflügen. Dies ist insbesondere für den Einsatz bei Flügen zu und von Ölplattformen unerlässlich.

Die vom Gerät angegebene Höhe entspricht nicht der angezeigten Höhe eines Standard-barometrischen Höhenmessers. Ein Radarhöhenmesser misst die absolute Höhe : die Höhe „ über Grund “ (AGL).

Seit 2010 verwenden alle kommerziellen Radarhöhenmesser linear frequenzmodulierte Dauerstrichverfahren (LFMCW oder FMCW), und etwa 25.000 Flugzeuge in den USA verfügen über mindestens einen Funkhöhenmesser. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Das Grundkonzept des Radarhöhenmessers wurde unabhängig vom weiteren Radarfeld entwickelt und hat seinen Ursprung in einer Studie zur Ferntelefonie bei den Bell Labs . In den 1910er Jahren hatte Bell Telephone mit Signalreflexionen zu kämpfen, die durch Impedanzänderungen in Telefonleitungen verursacht wurden, typischerweise an den Anschlussstellen der Geräte. Dies war besonders bei Relaisstationen relevant, wo schlecht angepasste Impedanzen große Teile des Signals reflektierten und die Ferntelefonie erschwerten. ^{[ 5 ]}

Den Ingenieuren fiel auf, dass die Reflexionen ein unregelmäßiges Muster aufwiesen. Bei jeder gegebenen Signalfrequenz war das Problem nur dann relevant, wenn sich die Geräte an bestimmten Punkten der Leitung befanden. Daraus entstand die Idee, ein Testsignal in die Leitung einzuspeisen und dessen Frequenz so lange zu ändern, bis deutliche Echos auftraten. Dadurch ließ sich die ungefähre Entfernung zum Gerät bestimmen, sodass es selbst in Leitungen mit vielen Repeaterstationen identifiziert und repariert werden konnte. ^{[ 5 ]}

Lloyd Espenschied arbeitete bei den Bell Labs, als er die Idee entwickelte, dieses Phänomen zur Entfernungsmessung in einem Draht zu nutzen. Eine seiner ersten Entwicklungen auf diesem Gebiet war ein Patent aus dem Jahr 1919 (erteilt 1924) ^{[ 6 ]} , das die Idee beschrieb, ein Signal in Eisenbahnschienen zu senden und die Entfernung zu Unterbrechungen zu messen. Diese Messungen konnten zur Erkennung von Gleisbrüchen verwendet werden oder, falls sich die Entfernung schneller änderte als die Geschwindigkeit des Zuges, vor anderen Zügen auf derselben Strecke warnen. ^{[ 5 ]}

Zur gleichen Zeit gab es in der Physik eine große Debatte über die Natur der Funkwellenausbreitung. Guglielmo Marconis erfolgreiche transatlantische Übertragungen schienen unmöglich. Untersuchungen von Funksignalen zeigten, dass sie sich zumindest über große Entfernungen geradlinig ausbreiteten. Die Sendung aus Cornwall hätte also im Weltraum verschwinden müssen, anstatt in Neufundland empfangen zu werden . 1902 postulierten Oliver Heaviside in Großbritannien und Arthur Kennelly in den USA unabhängig voneinander die Existenz einer ionisierten Schicht in der oberen Atmosphäre, die das Signal zur Erde zurückreflektierte, sodass es empfangen werden konnte. Diese Schicht wurde als Heaviside-Schicht bekannt . ^{[ 7 ]}

Obwohl die Idee verlockend war, fehlten direkte Beweise. 1924 gelang es Edward Appleton und Miles Barnett in einer Reihe von Experimenten, die sie in Zusammenarbeit mit der BBC durchführten, die Existenz einer solchen Schicht nachzuweisen . Nach Ende der planmäßigen Sendungen sendete ein BBC-Sender in Bournemouth ein Signal aus, dessen Frequenz langsam anstieg. Dieses Signal wurde von Appletons Empfänger in Oxford aufgefangen , wo zwei Signale auftraten. Das eine war das direkte Signal des Senders, die Bodenwelle, während das andere, die Raumwelle, erst später empfangen wurde, nachdem es die Heaviside-Schicht durchlaufen und wieder verlassen hatte. ^{[ 7 ]}

Für die Demonstration war es notwendig, die von der Raumwelle zurückgelegte Strecke präzise zu messen und so nachzuweisen, dass sie sich tatsächlich im Himmel befand. Dies war der Zweck der Frequenzänderung. Da das Bodensignal eine kürzere Strecke zurücklegte, war es aktueller und somit näher an der Frequenz, die in diesem Moment gesendet wurde. Die Raumwelle hingegen, die eine längere Strecke zurücklegen musste, war verzögert und hatte daher die Frequenz von vor einiger Zeit. Durch Mischen der beiden Signale in einem Frequenzmischer entsteht ein drittes Signal mit einer eigenen, charakteristischen Frequenz, die die Differenz der beiden Eingangssignale kodiert. Da die Differenz in diesem Fall auf den längeren Weg zurückzuführen ist, gibt die resultierende Frequenz direkt die Weglänge an. Obwohl technisch anspruchsvoller, handelte es sich letztendlich um dieselbe grundlegende Technik, die Bell zur Messung der Entfernung zu den Reflektoren im Draht verwendete. ^{[ 7 ]}

1929 begann William Littell Everitt , Professor an der Ohio State University , die Verwendung von Appletons grundlegender Technik als Basis für ein Höhenmessersystem in Betracht zu ziehen. Er beauftragte zwei Studenten im höheren Semester, Russell Conwell Newhouse und M. W. Havel, mit der Durchführung der Arbeiten. Ihr experimentelles System ähnelte eher den früheren Arbeiten bei Bell, da es Frequenzänderungen zur Messung der Entfernung zum Ende von Drähten nutzte. Die beiden verwendeten es als Grundlage für ihre gemeinsame Abschlussarbeit im Jahr 1929. ^{[ 8 ]}

Everitt meldete das Konzept dem US-Patentamt an , reichte aber zu diesem Zeitpunkt kein Patent ein. Anschließend wandte er sich an den Daniel Guggenheim Fund for the Promotion of Aeronautics, um Fördermittel für die Entwicklung zu erhalten. Jimmy Doolittle , Sekretär der Stiftung, bat Vannevar Bush von den Bell Labs um eine Einschätzung. Bush war skeptisch, ob das System zu diesem Zeitpunkt entwickelt werden könne, schlug aber dennoch vor, dass die Stiftung die Entwicklung eines funktionsfähigen Modells finanzieren solle. Dies ermöglichte es Newhouse, eine Versuchsmaschine zu bauen, die die Grundlage für seine Masterarbeit von 1930 bildete, die er gemeinsam mit J. D. Corley verfasste. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Das Gerät wurde nach Wright Field gebracht und dort von Albert Francis Hegenberger , einem anerkannten Experten für Flugzeugnavigation, getestet . Hegenberger stellte fest, dass das System wie beworben funktionierte, merkte jedoch an, dass es für den praktischen Einsatz mit höheren Frequenzen arbeiten müsse. ^{[ 8 ] [ a ]}

Espenschied hatte auch die Anwendung von Appletons Idee zur Höhenmessung erwogen. 1926 schlug er die Idee sowohl zur Höhenmessung als auch als zukunftsorientiertes System zur Geländevermeidung und Kollisionserkennung vor. Allerdings war die Frequenz der damals verfügbaren Funksysteme, selbst im sogenannten Kurzwellenbereich , rechnerisch fünfzigmal niedriger als für ein praktisches System erforderlich. ^{[ 5 ] [ 9 ]}

Espenschied meldete die Idee schließlich 1930 zum Patent an. ^{[ 9 ]} Zu diesem Zeitpunkt hatte Newhouse die Ohio State University verlassen und eine Stelle bei den Bell Labs angenommen. Dort lernte er Peter Sandretto kennen , der sich ebenfalls für Funknavigation interessierte. Sandretto verließ Bell 1932 und wurde Leiter der Kommunikationsabteilung bei United Air Lines (UAL), wo er die Entwicklung kommerzieller Funksysteme leitete. ^{[ 8 ]}

Espenschieds Patent wurde erst 1936 erteilt ^{[ 10 ]} , und seine Veröffentlichung stieß auf großes Interesse. Etwa zur gleichen Zeit arbeitete Bell Labs an neuen Röhrenkonstruktionen, die zwischen 5 und 10 Watt bei bis zu 500 MHz liefern konnten – ideal für diesen Zweck. ^{[ 9 ]} Daraufhin kontaktierte Sandretto Bell mit seiner Idee, und 1937 wurde eine Partnerschaft zwischen Bell Labs und UAL gegründet, um eine praxistaugliche Version zu entwickeln. Unter der Leitung von Newhouse hatte ein Team Anfang 1938 ein funktionsfähiges Modell in der Testphase, und Western Electric (Bells Produktionsabteilung) bereitete bereits die Serienproduktion vor. Newhouse meldete zudem mehrere Patente für technische Verbesserungen an, die auf dieser Arbeit basierten. ^{[ 11 ]}

Das System wurde am 8. und 9. Oktober 1938 öffentlich vorgestellt. ^{[ 12 ]} Während des Zweiten Weltkriegs übernahm RCA die Serienproduktion und produzierte die Geräte unter den Bezeichnungen ABY-1 und RC-24. In der Nachkriegszeit nahmen viele Unternehmen die Produktion auf, und das System wurde zum Standardinstrument in vielen Flugzeugen, da Blindlandungen üblich wurden. ^{[ 11 ]}

Im darauffolgenden Jahr veröffentlichten Espenschied und Newhouse gemeinsam eine Arbeit, in der das System beschrieben wurde. Die Arbeit untersucht Fehlerquellen und kommt zu dem Schluss, dass der ungünstigste eingebaute Fehler bei etwa 9 % liegt ^{[ 13 ]} , dieser Wert jedoch bei Flügen über unwegsames Gelände wie bebaute Stadtgebiete bis zu 10 % betragen kann ^{[ 13 ] .}

Bei den ersten Flügen des Systems wurde festgestellt, dass sich das Muster der auf einem Oszilloskop sichtbaren Echos je nach Geländetyp unter dem Flugzeug deutlich unterschied. Dies eröffnete die Möglichkeit vielfältiger weiterer Einsatzmöglichkeiten für dieselbe Technologie, darunter Bodenabtastung und Navigation. Bell konnte diese Konzepte jedoch zu diesem Zeitpunkt nicht weiterverfolgen. ^{[ 12 ]}

Seit dem späten 19. Jahrhundert war bekannt, dass Metall und Wasser hervorragende Reflektoren für Radiosignale sind, und es gab seither zahlreiche Versuche, Schiffs-, Zug- und Eisbergdetektoren zu entwickeln. Die meisten dieser Geräte wiesen aufgrund der Verwendung niederfrequenter Signale, die große Antennen für eine zufriedenstellende Leistung erforderten, erhebliche praktische Einschränkungen auf. Das Bell-Gerät, das mit einer Basisfrequenz von 450 MHz arbeitete, gehörte zu den Systemen mit der höchsten Frequenz seiner Zeit und war daher wesentlich nützlicher. ^{[ 13 ] [ b ]}

In Kanada begann der Nationale Forschungsrat (NRC) mit der Entwicklung eines bordgestützten Radarsystems auf Basis des Bell-Höhenmessers. Dies überraschte britische Forscher bei ihrem Besuch im Oktober 1940 im Rahmen der Tizard-Mission sehr , da sie damals glaubten, als Einzige an diesem Konzept zu arbeiten. Da die Idee bereits kein Geheimnis mehr war, präsentierte die Mission dem NRC ihre serienreifen Entwürfe. Der auf dem Bell-Höhenmesser basierende Entwurf wurde zugunsten des vollständig entwickelten britischen ASV Mark II , der mit deutlich höherer Leistung arbeitete, aufgegeben. ^{[ 14 ]}

In Frankreich führten Forscher der französischen Niederlassung von IT&T ähnliche Radarexperimente durch, als die deutsche Invasion die Labore in Paris erreichte. Die Labore wurden absichtlich zerstört, um zu verhindern, dass die Forschungsergebnisse in deutsche Hände fielen. Die deutschen Teams fanden die Antennen in den Trümmern und verlangten eine Erklärung. Der Forschungsdirektor von IT&T zerstreute den Verdacht, indem er ihnen das Höhenmesser-Gerät auf dem Cover einer Zeitschrift zeigte und sie dafür rügte, nicht auf dem neuesten Stand der Navigationstechniken zu sein. ^{[ 11 ]}

Radarhöhenmesser werden häufig von Verkehrsflugzeugen für Anflug und Landung eingesetzt, insbesondere bei eingeschränkter Sicht (siehe Instrumentenflugregeln ) und bei automatischen Landungen im Gleitpfad -Erfassungsmodus unterhalb von 61–91 m (200–300 ft) über Grund [ ^{15 ] .} Dadurch kann der Autopilot den Zeitpunkt für das Abfangmanöver bestimmen . Die Radarhöhenmesser liefern Daten an die automatische Schubregelung , die Teil des Flugcomputers ist .

Radarhöhenmesser liefern im Allgemeinen nur Messwerte bis zu einer Höhe von 760 m (2.500 Fuß) über Grund. Häufig kann das Wetterradar nach unten gerichtet werden, um Messwerte aus einer größeren Entfernung, bis zu 18.000 m (60.000 Fuß) über Grund, zu erfassen. Seit 2012 sind alle Verkehrsflugzeuge mit mindestens zwei, möglicherweise aber auch mehr Radarhöhenmessern ausgestattet, da diese für die automatische Landung unerlässlich sind. (Seit 2012 ist die Höhenbestimmung über andere Methoden wie GPS gesetzlich nicht mehr zulässig.) Ältere Verkehrsflugzeuge aus den 1960er-Jahren (wie die British Aircraft Corporation BAC 1-11 ) und kleinere Flugzeuge mit weniger als 50 Sitzplätzen (wie die ATR 42 und die BAe Jetstream- Serie) sind ebenfalls damit ausgestattet.

Radarhöhenmesser sind ein wesentlicher Bestandteil von Bodenannäherungswarnsystemen (GPWS) und warnen den Piloten, wenn das Flugzeug zu tief fliegt oder zu schnell sinkt. Radarhöhenmesser können jedoch nur das Gelände darunter erfassen, nicht das direkt vor dem Flugzeug. Für diese Funktion ist entweder die Kenntnis der Position und des Geländes an dieser Position oder ein nach vorne gerichtetes Geländeradar erforderlich. Die Antennen von Radarhöhenmessern haben einen relativ großen Hauptkeulenwinkel von etwa 80°, sodass das Radar bei Querneigungswinkeln bis zu etwa 40° die Entfernung vom Flugzeug zum Boden (genauer gesagt zum nächstgelegenen großen reflektierenden Objekt) misst. Dies liegt daran, dass die Entfernung anhand des ersten Signalrücklaufs jedes Abtastintervalls berechnet wird. Die Schrägentfernung wird erst ab etwa 40° Querneigung oder Nickwinkel erfasst. Dies ist bei der Landung unproblematisch, da Nick- und Rollwinkel normalerweise 20° nicht überschreiten.

In der zivilen Luftfahrt eingesetzte Funkhöhenmesser arbeiten im IEEE-C-Band zwischen 4,2 und 4,4 GHz. ^{[ 16 ]}

Anfang 2022 verursachten mögliche Störungen durch 5G-Mobilfunktürme einige Flugverspätungen und wenige Flugausfälle in den Vereinigten Staaten.

Radarhöhenmesser werden auch in Militärflugzeugen eingesetzt , um in sehr geringer Höhe über Land und Meer zu fliegen und so der Radarerfassung und dem Beschuss durch Flugabwehrkanonen oder Boden-Luft-Raketen zu entgehen . Eine verwandte Anwendung der Radarhöhenmessertechnologie ist das Geländefolgeradar , das es Jagdbombern ermöglicht, in sehr niedrigen Höhen zu fliegen.

Die F-111 der Royal Australian Air Force und der US Air Force verfügen über ein nach vorne gerichtetes, geländefolgendes Radarsystem (TFR), das über einen Digitalrechner mit dem Autopiloten verbunden ist . Unterhalb der Radarkuppel befinden sich zwei separate TFR-Antennen, die jeweils individuelle Informationen an das Zweikanal-TFR-System liefern. Für den Fall eines Systemausfalls verfügt die F-111 über ein Backup-Radarhöhenmessersystem, das ebenfalls mit dem Autopiloten verbunden ist. Sollte die F-111 aus irgendeinem Grund die voreingestellte Mindestflughöhe ( z. B. 15 Meter) unterschreiten, leitet der Autopilot einen steilen Steigflug mit 2G ein, um einen Aufprall auf Gelände oder Wasser zu verhindern. Selbst im Kampf ist die Kollisionsgefahr weitaus größer als die Gefahr, vom Feind entdeckt zu werden. Ähnliche Systeme werden von den F/A-18 Super Hornet- Flugzeugen Australiens und der Vereinigten Staaten eingesetzt.

Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) definiert Funkhöhenmesser in Artikel 1.108 der ITU-Funkordnung (RR) als „Funknavigationsgeräte an Bord von Luftfahrzeugen oder Raumfahrzeugen zur Bestimmung der Höhe des Luftfahrzeugs oder Raumfahrzeugs über der Erdoberfläche oder einer anderen Oberfläche“ . ^{[ 17 ]} Funknavigationsgeräte werden nach dem Funkdienst klassifiziert , in dem sie dauerhaft oder vorübergehend eingesetzt werden. Die Verwendung von Funkhöhenmessern zählt zu den lebensrettenden Diensten , muss vor Störungen geschützt werden und ist ein wesentlicher Bestandteil der Navigation .

• Laser-Höhenmesser
• Satellitenaltimetrie

• Espenschied, Lloyd; Newhouse, Russell (Januar 1939). „Ein Geländefreiheitsanzeiger“. The Bell System Technical Journal . 18 (1): 222–234 . doi : 10.1002/j.1538-7305.1939.tb00813.x .
• "Historische Premieren: Funkhöhenmesser" (PDF) . Bell Labs : 18. –19. Januar 1948.
• Colin, Robert (Juli 1967). „1967 Pioneer Award: Lloyd Espenschied und Russell C. Newhouse“. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems . AES-3 (4): 736–742 . doi : 10.1109/TAES.1967.5408855 .