Primärradar

Primärradar (en. Primary Surveillance Radar, PSR) bezeichnet Radaranlagen, die das Radar-Prinzip ausschließlich und unmittelbar umsetzen, d. h. die unmittelbaren (passiven) Echos des erfassten Objekts der zuvor ausgestrahlten Hochfrequenzimpulse des eigenen Radar-Sensors. Die Richtung zum Ziel wird dabei aus dem Azimut der PSR-Antenne, z. B. (phased) Antennen-Array oder Parabolspiegel, gewonnen und die Schräg-Entfernung (en. Slant Range) über die Laufzeit des Signals zum Ziel-Objekt hin und Empfang des Echos am Zielobjekt. Je nach Einsatzzweck können aus den Echos auch noch weitere Informationen, z. B. Wetterinformationen, oder andere Informationen gewonnen werden, z. B. Ground Penetrating oder Wall Probing Radar.

Entfernungsmessung durch Bestimmung der Laufzeit eines Radarimpulses zwischen seiner Aussendung und Empfang seines Echos

Der Begriff dient der Abgrenzung zum Sekundärradar (en. Secondary Surveillance Radar, SSR), bei der die Zielerfassung von Luftfahrzeugen durch Abfrage (engl. Interrogation) und Auswertung der Antwort (engl. Reply) eines SSR- oder IFF-Transponders eines Luftfahrzeugs erfolgt. In der Flugsicherung erfolgt die Flugverkehrskontrolle von sich in der Luft befindlichen Luftfahrzeugen durch eine Kombination eines PSR- und eines SSR-Sensors z. B. SRE-M-Radar (Surveillance Radar Equipment, Mittelbereichs-PSR) und beim ASR (Airport Surveillance Radar), jedoch werden zunehmend auch nur Monopulse SSR-Sensoren (MSSR) ohne zusätzlichen PSR-Sensor verwendet. Für die Rollfeldführung am Boden werden Primärradare verwendet, die auf Englisch Airport Surveillance Detection Equipment, ASDE bzw. Surface Movement Radar, SMR genannt werden. Zum Teil werden sie in Kombination mit Multi-LATerations-Sensor verwendet, die ADS-B-Squitter-Signale von SSR-Mode-S-fähigen Flugfunktransponder auswerten.

Während in der Regel bei PSR-Sensoren der PSR Sender und Empfänger in der Regel die gleiche Antenne nutzt, sind aber auch geteilte Systeme mit unterschiedlichen Standorten möglich, sowie existieren auch Multi Static Radar Systeme bei denen die Echos von mehreren anderen Sendern, z. B. BC- oder TV-Sendern erzeugten Echos von mehreren Sensoren empfangen und analysiert werden.

Primärradar-Anwendungen sind beispielsweise:

• PSR-Sensoren der zivilen-, militärischen-Flugsicherung und Air Defense dienen zur Erfassung von Luftfahrzeugen, ohne das diese einen SSR- oder IFF-Transponder besitzen müssen, bzw. ob die Transponder aktiviert wurden, diese sind:
  • ASDE-Sensoren zur Rollfeldführung von Luftfahrzeugen auf dem Boden auf Flughäfen und optional als ein Teil eines A-SMGCS (Advanced - Surface Movement Guidance and Control System) Systems
  • PAR (engl. Precision Approach Radar, dt. Präzisionsanflugradar) mit einem PSR-Sensor zur Erfassung des Kurses und einem PSR-Sensor zur Erfassung des Gleitwegs für Präzisions Anflugverfahren von Luftfahrzeugen
  • SRE (Surface Radar Equipment) Mittelbereichs Flugsicherungs Radaranlagen mit Reichweiten bis über 200 NM, vorwiegend für En-Route (dt. Strecken) Flugverkehrskontrolle, optional mit zusätzlichem Empfänger für Verarbeitung von Wetter-Echos, meistens gepaart mit einem SSR-Sensor
  • ASR (Airport Surveillance Radar, dt. Anflugradar) für Anflug, Abflug und Kontrolle des Bereichs um Flughäfen bis über 60 NM, optional mit zusätzlichem Empfänger für Verarbeitung von Wetter-Echos, meistens gepaart mit einem SSR-Sensor
  • 3d-Radar liefern Air Defense zusätzlich zur Entfernung und dem Azimut auch Information zur Höhe eines Zieles
• Primär-Radare an Bord von Luftfahrzeugen sind
  • Radar-Altimeter (Höhenradar) für die Ermittlung der Höhe über Grund, z. B. während des Landeanflugs
  • Wetterradar

• Wetterradare, bzw. Niederschlagsradare, die ausschließlich dazu dienen Wetter Reflexionen, z. B. von Regentropfen zu erfassen.
• Schiff-Radare auf Fluss- und Hochseeschiffen, die dazu dienen fremde Schiffe und Hindernisse zu erfassen.
• Im Straßenverkehr eingesetzte Radar-Anlagen („Radarfalle“), die mittels Doppler-Effekt die gefahrenen Geschwindigkeit messen.
• Synthetic Aperture Radare (SAR) z. B. zur Erfassung der Topographie von Bord von Luftfahrzeugen oder Satelliten
• Ground Penetrating Radar
• Wall Probing Radar
• Bewegungsmelder zur großflächigen Überwachung von Einrichtungen

Funktionsweise

Ein Primärradar kann folgende Informationen durch Messungen erhalten:

• Schräg-Entfernung $r$ zwischen dem Standort der Radarantenne und dem reflektierenden Objekt (z. B. einem Flugzeug) auf der Basis der Laufzeit $\Delta t$ des Radarsignals zum Objekt und vom Objekt zurück. Die Ausbreitungs-Geschwindigkeit $c$ des Radarsignals ist näherungsweise gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Daher gilt:

$r\;=\;{\frac {\Delta t}{2}}c$

• Winkel zwischen der aktuellen Position der drehenden Radarantenne, während sie das Ziel Objekt erfasst und der geographischen Nordrichtung (Azimut) mit Hilfe eines Winkelgebers an der Radarantenne.
• Höhe zwischen der Radarantenne und einem Luftfahrzeug
• Radarquerschnitt, d. h. die effektive Reflexionsfläche des erfassten Objekts. Je größer diese Fläche ist, desto stärker ist das vom Objekt zurück-reflektierte Signal, umso markanter die die erscheints Objekts auf dem Radarschirm (Bildschirm z. B. eines Fluglotsen)
• Radialgeschwindigkeit der erfassten Objekts (Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Radarstrahls) mit Hilfe des Doppler-Effekts

Für die Darstellung des erfassten Objekts auf einem Bildschirm, werden die Entfernungs- und Winkelmesswerte entweder direkt auf einem PPI (Plan Position Indicator) dargestellt oder digitalisiert und in geografische Koordinaten (Längengrad und Breitengrad oder Rechtswert und Hochwert) zur digitalen Weiterverarbeitung oder Darstellung transformiert, optional können weitere Information z. B. Karte, Hindernisse oder SSR-Informationen eingeblendet werden.

Die zuvor erfasste Position des Ziel-Objekts ist bei PPI Displays durch das Verblassen der vorherigen Position auf der Phosphor-Schicht ersichtlich oder wird bei digitaler Verarbeitung und Darstellung als kleineres Label zusätzlich zur aktuell dargestellten Position auf einem Bildschirm dargestellt. Weitere Informationen, die z. B. durch SSR- oder MLAT-Sensoren gewonnen werden können zusätzlich eingeblendet werden, z. B. (24 Bit) Kennung, Speed oder barometrische Höhe.

Antennen der Primärradare arbeiten oft mit Parabolspiegel-Reflektoren (Parabolantennen). Es gibt aber auch balkenförmige Schlitzantennen oder flache Patchantennen mit elektronischer Bündelung des Strahls (Phased-Array-Antenne). PSR-Sensoren drehen das Antennendiagramm entweder kontinuierlich um 360° oder Schwenken (en. Scanning) dieses vertikal und/oder horizontal zur Erfassung eines Zielbereiches. Die Drehung oder das Scanning des Antennen-Diagramms über einen Bereich kann sowohl mechanisch mit Hilfevon Motoren oder elektronisch durch Steuerung der Signalphase von einzelnen Antennenelementen eines Phased-Arrays erreicht werden.

Vorteile des Primärradars

Primärradaranlagen sind nicht darauf angewiesen, dass ein Objekt aktiv Signale generiert, um es erfassen zu können. Dies ist z. B. im Bereich der Flugsicherung von Bedeutung, da Flugzeuge auch bei ausgefallenem oder auch bei absichtlich deaktiviertem SSR- oder IFF-Transponder oder Störung oder Überlastung der Interrogation Frequenz 1030 MHz und der reply-frequenz auf 1090 MHz über die passiven Echos erfasst und deren Flugstrecke nachverfolgt werden können.

• 
  PSR_Antenne eines ASDE der Flugsicherung im X-band
• 
  Kombination von PSR-Antenne (großer Parabol Reflektor) und SSR-LVA-Antenne oberhalb des Parabolspiegels einer SRE-M PSR/MSSR Anlageder Flugsicherung im L-Band
• 
  Kombination von Primärradarantenne (Parabol Reflektor) und SSR-LVA-Antenne oberhalb des Parabolspiegels einer ASR PSR/MSSR-Anlage der Flugsicherung im S-Band
• 
  Bildschirm eines Flughafenradars: Vom Primär-Radar erfasste Objekte erscheinen als Punktwolke. Zusätzlich via Sekundärradar identifizierte Objekte sind mit einem Label versehen
• 
  Schiffsradar
• 
  Bildschirm eines Schiffsradars
• 
  Parabolantenne (PRW-13 „Odd Pair“, sowjetisches Primärradar zur Höhenmessung)
• 
  Flache Radarantenne

In der Zivilluftfahrt verfügen die Primärradare meist über zwei oder mehrere Primär-Radarfrequenzen, z. B. zur Verbesserung der Erfassungswahrscheinlichkeit bei Störungen einer Frequenz oder zur Minimierung der Einflüsse von Blind-Speed und Blind-Phase (z. B. im Radialflug um einen PSR-Sensor).

Nachteile des Primärradars

Primärradar kann nur die aus dem reflektierten Echo ermittelbaren Größen (z. B. Richtung, Entfernung und geg. Geschwindigkeit oder Höhe) feststellen, während der Empfänger bei Sekundärradar weitere z. B. von einem Transponder gelieferte Angaben auswerten kann, z. B. (eindeutige) Kennung, Barometrische-Flughöhe, oder mit einem GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite Service, z. B. Galileo, Glonass, GPS) gemessene Position.

Primärradaranlagen benötigen eine erheblich höhere Sendeleistung als vergleichbare Sekundärradarsysteme, um die gleiche Reichweite erzielen zu können. Die Radar-Gleichung ergibt beim Primärradar eine Leistung des Empfangssignals, die umgekehrt proportional zur 4-ten Potenz des Abstands des Ziels ist oder 1/R⁴. Hingegen ist die Leistung des Empfangssignals beim Sekundärradar lediglich umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands oder 1/R².

Die Bestimmung der Höhe des Ziel-Objekts über der Erde oder dem Wasser ist nur bei hierzu optimierten PSR-Sensoren möglich, sofern diese nicht wie beim 3d-Radar mehrere vertikal übereinander angeordnete Hornstrahler höhenabhängige Antennen-Diagramme zur Auswertung der Höhe liefern, oder das Antennendiagramm vertikal geschwenkt wird, z. B. mechanisch beim Präzisionsanflugradar (engl. Precision Approach Radar, PAR) oder über ein Phased Array.

Ein SSR- oder IFF-Sensor hingegen kann die vom Flugzeug-Transponder ausgesendete Barometrische Höheninformation oder andere Informationen auswerten.

Siehe auch

• Portal:Radartechnik
• Radar
• Primärradare der Flugsicherung:
  • Surveillance Radar Equipment Medium-range, SRE-M
  • Airport Surveillance Radar, ASR
  • Bodenradar (Flugsicherung), Surface Movement Radar (SMR) bzw. Airport Surface Detection Equipment (ASDE)
• Sekundärradar
• Flugsicherungsradar