Radar-Altimeter

Mit Radar-Altimeter (RA, dt. Radarhöhenmesser) werden seit 1938^[1] Radar-Sensoren bezeichnet, die die Höhe eines Luftfahrzeuges oder Satelliten über Grund (engl. Above Ground Level, AGL) die im Gegensatz zu Primär-Radar-Anlagen (Primary Surveillance Radar, PSR) nur die Höhe AGL durch die Laufzeit zwischen der Aussendung von hochfrequenten Signalen durch den Radar-Altimeter-Sender und dem Empfang eines am Erdboden reflektierten Echos im Radar-Alitmeter-Empfänger bestimmen.

Barometrische Höhenmesser (engl. Barometric Altimeter) werden zwar auch zur Höhenmessung eines Luftfahrzeuges über Grund verwendet, wobei die Anzeige aus dem Luftdruck abgeleitet wird, der auf den Luftdruck in Höhe des Meeresspiegel (QNH, 1013 hPa) definiert wurde. Da jedoch lokal der Luftdruck variieren kann, muss anders als beim Radar-Altimeter bei Nutzung des Barometric Altimeter während des Anflugs dieser auf den aktuell an einem Flugplatz herschenden Platzluftdruck eingestellt werden.

Barometric Altimeter und Radar-Altimeter gehören mitlerweile zur Navigationsausrüstung von kommerziell genutzten Luftfahrzeugen. Im Gegensatz zu barometrischen Höhenmessern werden Radar-Altimeter in der Regel nur während des Anflugs bis zur Landung eines Luftfahrzeuges in Höhen von max. 2500 ft (engl. feet, dt. Fuß) genutzt. Obwohl manche FMCW-Radar-Altimeter auch bis 5000 ft oder höher die Höhe über AGL messen konnten, erfolgt die Messung derzeit nur noch bis 2500 ft. Da Radar-Altimeter mit einer analogen Schnittstellen gemäß dem Standard ARINC-552 A auf 2500 ft begrenzt waren im Gegensatz zur Nutzung der digitalen ARINC Daten-Schnittstelle.^{[2]S.3ff, [3]} Radar Altimeter nach dem FMCW-Prinzip (Erklärung siehe unten) wurden auch schon für maximal Höhen von 20 000 ft AGL gebaut^[4]S.8ff, während gepulste Radar Altimeter bis 70 000 ft AGL oder mehr gebaut wurden, z. B. der Typ AN/APN-159.^[5]

Vereinzelt wurde die Messung der Höhe auch als Distance (dt. Entfernung) und Radar-Altimeter daher als Distance Meassuring Equipment bezeichnet, was jedoch zu Verwechslung mit dem von ICAO seit 1950 in ICAO Annex 10 standardisierten Distance Meassuring Equipment führen konnte. ICAO DME nutzen im Gegensatz zu PSR-Sensoren für die Messung der Schrägentfernungen zwischen den in Luftfahrzeugen eingebauten Interrogatoren (dt. Abfrager) die aktiven Antworten auf die Abfragen, die von verzögert antworteten Transponder am Boden ausgestrahlt werden.^[6]

Je nach Alter, technischen Anforderungen, z. B. geforderte max. Höhe über Grund, Genauigkeit und geforderte Auflösung der Höhenmessung oder der Update-Rate-Messwerte werden unterschiedliche-Modulationsarten verwendet. Dabei unterscheidet man zwischen:

• FMCW-Radar-Altimeter (engl. Frequency Modulated Continuous Wave Radio Altimeter, FMCW-RA) und
• Puls-Radar-Altimeter (engl. Pulsed Radar 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 eines Luftfahrzeuges über Grund.

Für FM-CW-Radar-Altimeter für Luftfahrzeuge wurde von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) dem Flug-Navigationsfunkdienst (en. Aeronautical Radionavigation) der Frequenzbereich von 4,2 GHz bis 4,4 GHz weltweit zugewiesenen.^[7] In Deutschland ist diese Zuweisung in der Vollzugsordnung für den Funkdienst (VO Funk) geregelt.^[8]

Puls-Radar-Altimeter für Luftfahrzeuge arbeiten, je nach Alter, technischen Anforderungen und Design, z. B. im L-Band bei 1,63 GHz^[5] oder im X-Band zwischen 9,345 GHz und 9,406 GHz.^[9]

Soll nicht nur die Höhe über grund (AGL) für ein einzelnes Luftfahrzeug, sondern die Gelände-Topographie mittels eines Luftfahrzeuges oder Satelliten vermessen werden, ist der Aufwand um die gewünschte Auflösung zu erhalten (je nach geforderderter Auflösung der Höhe und der Größe der erfassten Flächenzellen hierfür), weitaus höher. Die durch Messung erhaltene Daten werden dabei in einem digitalen Höhenmodell (engl. Digital Elevation Model, DEM)^[10] zusammengefasst. Daraus kann man ein dreidimensionales Modell der Erdoberfläche berechnen. Bei der Berechnung des digitalen Höhenmodells versucht man meist störende Höhen-Messwerte, die von Reflexion von Objekten auf der Erdoberfläche, wie z. B. Bäume, Gebäude, Hochspannungsleitungen stammen, herauszufiltern.^[11]

Außer traditioneller Methoden und Radar-Altimeter-Daten werden manchmal zur Erstellung von digitalen Höhenmodellen auch Messdaten verwendet, die mit Hilfe von LIDAR (engl. Light Detection and Ranging) oder SAR (engl. Synthetic Aperture Radar) erfasst wurden.^[12] Bekannt sind z. B. DEM-Daten die während der Space Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) erfasst wurden, durch das Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) oder der Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI).

Digitale Geländemodelle dienen z. B. auch zur Erstellung von topografischen Karten.

Radar-Altimeter-Steuergerät (links) und die Sende- bzw. Empfangsantenne (rechts)

FMCW-Radar-Altimeter für Luftfahrzeuge

Radar-Altimeter verwenden für Flughöhen bis 5000 ft meist das FMCW-Verfahren, jedoch existieren auch gepulste Radar-Altimeter.^{[1], [13]} Dabei strahlt der Sender eines Radar-Altimeters an Bord eines Flugzeugs ein linear frequenzmoduliertes Hochfrequenz-Signal (zwischen 4200 MHz bis 4400 MHz) über eine Antenne bezogen auf die horizontale Achse des Luftfahrzeuges senkrecht nach unten ab.

Das Signal wird am Erdboden reflektiert und in abgeschwächter Form über eine zweite Antenne von dem Empfänger des Radar-Altimeter an Bord des Flugzeugs empfangen, wobei es auch FMCW-Radar-Altimeter Designs gibt die nur eine Antenne benötigen, z. B. Sperry SPA-10.^[14] 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.^{[2]S.3ff,[13]}

FMCW-Verfahren bei der die Betriebsfrequenz eines Radar-Altimeters linear über das Band ansteigt.

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.

Da FMCW-Radar-Altimeter im Gegensatz zu gepulsten Radar-Altimetern kontinuierlich senden werden konstruktionsbedingt bei den meisten FMCW-Radaren jeweils eine separate Sendeantennne und eine Empfangsantenne verwendet, damit die schwachen Echos vom Erdboden nicht durch die von der Sendeantenne abgestrahlte Leistung maskiert werden. Um eine ausreichende Entkopplung zwischen der Sende und der Empfangsantenne zu erreichen, werden beide mit ausreichendem großem Abstand 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 Landeanflug gemäß CAT II oder CAT III (siehe auch: Instrumentenlandesystem); das Gelände für einen solchen Anflug ist dafür kartiert (Precision Approach Terrain Chart; PATC), um die Anzeige richtig interpretieren zu können.

Gepulste Radar-Altimeter für Luftfahrzeuge

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^[13] wie auch bei PSR-Radar Sensoren, jedoch wird bei gepulsten Radar-Altimetern im Gegensatz zu anderen PSR-Radar-Sensoren, nur die Entfernung zwischen einem Luftfahrzeug oder Satelliten und dem Erdboden ausgewertet. Mit zunehmender Höhe über Grund weitet sich das Antennendiagram am Boden auf, wodurch kein einzelner Punkt angestrahlt wird, sondern eine Fläche. Je nach Beschaffenheit des Terrains, z. B. Form und Reflektionseigenschaften, verformt sich das Echosignal während der Reflexion mehr oder weniger stark. Mit zunehmender Höhe über Grund, z. B. Satelliten, kann diese Verformung schon so stark 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 zwischen 5G-Mobilfunk und FMCW-Radar-Altimetern in Luftfahrzeugen

Seit ca. 2022 werden verstärkt potentielle Probleme der Funkverträglichkeit (elektromagnetische Kompatibilität) zwischen 5G-Mobilfunk und Radar-Altimetern von Flugzeugen diskutiert.^[8][15] Es gibt Pläne zahlreicher Staaten in der Nachbarschaft des Radar-Altimetern-Frequenzbandes 4.200 bis 4.400 MHz neue Mobilfunksignale abzustrahlen.^[8][15] 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).^[15] 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.

Messungen und Studien zeigen, dass insbesondere ältere Radar-Altimeter durch 5G-Mobilfunk gestört werden können. Bis zur Zuweisung der benachbarten Frequenzbereiche für 5G-Basistationen nur wenige Sender in den benachbarten Frequenzbereichen Radar-Altimeter sendeten, wurde in den Standards für RADAR-Altimeter nur eine mäßig starke Dämpfung für Signale ober- und unterhalb des von Radar-Altimetern-Empfängern für Aussendung und Empfang der Radar-Echos genutzten Frequenzbereiches von 4200 MHz bis 4400 MHz definiert. Die Empfindlichkeit der Radar-Altimeter Empfänger gegenüber 5 G-Signalen variiert zusätzlich mit dem verwendeten Empfänger-Design. Abhängig von der notwendigen Unterdrückung von 5 G-Signalen und der vorhandenen Außerband-Dämpfung in älteren Radar-Altimeter Empfängern auf der jeweiligen Betriebsfrequenz eines 5G-Senders, ergibt sich eine mehr oder weniger große fehlende Marge die zur Unterdrückung der abgestrahlten 5G-Signale fehlt.

Da bereits zertifizierte und in Betrieb befindliche Radar-Altimeter auch mittelfristig weiter genutzt werden. Bevor ein Mandat zur Nachrüstung durch eine neue robustere Radar-Altimeter Generation erfolgen kann müssen jedoch die Standards für Radar-Altimeter überarbeitet und veröffentlicht werden.

Die fehlende Unterdrückung von 5G-Signalen kann daher nur durch eine ausreichend große Freiraumdämpfung (en. Free-Space-Propagation-Attenuation) die einen mehr oder weniger großen Schrägentfernungsabstand erfordert. Die Berechnung des notwendige geografische Abstandes (Schrägentfernung) zwischen 5G-Mobilfunkstation und dem Anflugbereich in dem Radar-Altimeter genutzt werden, erfordert ide Berücksichtigung der Dämpfung der Radar-Altimeter-Empfänger in dem Frequenzabstand zwischen der Mobilfunkfrequenz und dem genutzten Radar-Altimeter-Frequenzbereich und die Freiraumdämpfung auf der Betriebsfrequenz der 5G-Basisstaion. Für eine ausreichend große Dämpfung sind z. T. größere Schrägentfernungsabstände notwendig um Störungen in allen Radar-Altimeter Empfängern ausschließen zu können.^[8]

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 zum von Radar-Altimetern in Luftfahrzeugen während des Anfluges genutzten Anflubereichs einzuhalten haben, wird in den zuständigen Arbeitsgruppen bei RTCA und EUROCAE auch eine notwendige Verbesserung der Bandfilter in Radar-Altimetern vorbereitet.^{[16][13][17][18]}