mini|Monopuls-LVA-Antenne für eines monopuls-fähigen Standalone Mode S-Sekundärradar-Interrogator/-Sensors ohne Primär-Radar der Deutschen Flugsicherung (DFS) bei Neubrandenburg / Mecklenburg-Vorpommern mini|hochkant|L-Band-PSR-Antenne des Primärradars vom Typ SRE-M der DFS auf dem Deister. Die balkenförmige Monopuls-LVA-Antenne für einen monopuls-fähigen Mode S-Sekundärradar-Interrogator/-Sensors ist oberhalb der Primärradar-Antenne montiert. mini|Bedienfeld von einem SSR Mode A- und C -fähigen Transponder in einem Privatflugzeug. Darüber Bedienfeld für VHF-COM-Transceiver und VHF-NAV-Empfänger. Darüber wiederum Garmin-GPS-Gerät, kombiniert mit VHF-Flugfunk-Empfänger.
Ein Secondary Surveillance Radar (SSR, dt. Sekundärradar) und das militärische Äquivalent IFF (engl. Identification Friend or Foe, dt. Freund-Feind-Erkennung) sind Radar-Systeme, die nur aktive und kooperierende Ziele detektieren können, wozu an Bord eines Luftfahrzeuges ein funktionierender und eingeschalteter SSR- oder IFF-Transponder vorhanden sein muss. SSR ist ein von ICAO (engl. International Civil Aviation Organization, dt. Internationale Zivilluftfahrtorganisation) in ICAO Annex 10, Volume IV (anfänglich bestand Annex 10 nur aus einem Volume) und zugehörigen ICAO-Dokumenten standardisiertes System.
Die Detektierung für Flugverkehrskontrolle (engl. Air Traffic Control, ATC) oder Air Defense (AD, dt. Luftverteidigung) erfolgt, indem SSR- oder IFF-Interrogator (dt. Abfrager) die SSR- oder IFF-Transponder von Luftfahrzeugen abfragen. Je nach ausgesandtem Abfrage-Mode eines SSR- oder IFF-Interrogators, werden in folgenden Modes relevante Informationen vom Transponder eines Luftfahrzeuges übermittelt:
SSR-Mode A bzw. IFF Mode 3A: liefert die vom zuständigen Fluglotse (engl. Controller) in einer ATC- oder AD-Kontrollstelle die dem Luftfahrzeug zugeteilte Kennung (engl. identification, ID). Ursprünglich wurden nur zwei Oktalzahlen (64 ID-Codes) definiert während diese später auf die bis heute aus vier Oktalzahlen (4096 ID-Codes) bestehenden Id erweitert wurden. SSR Mode C und IFF Mode C: liefert die barometrische Höhe des Luftfahrzeuges vom barometrischen Höhenmesser. Beim Durchfliegen der Transition Altitude im Sinkflug muss am barometrischen Höhenmesser der lokal herrschende Luftdruck eingestellt werden, sowie beim Durchfliegen der Transition Altitude im Steigflug der Luftdruck der ICAO-Standardatmosphäre 1013,25 hPa. SSR Mode S und IFF Mode S: Mode S-Interrogatoren können auch die Legacy Modes A und Mode C von nicht-Mode S-fähigen Transpondern abfragen. Zusätzlich erlaubt die Abfrage durch die Mode S-Modi dass Mode S-fähige Transponder z. B. die gezielte Abfrage eines Luftfahrzeuges mithilfe der weltweit eindeutigen dem Luftfahrzeug zugeteilten 24 Bit-Adresse als auch Nutzung als Data Uplink. Im Gegensatz zu Mode A in der nur die 4 stellige ID und Mode C in der nur der Flight Level (FL) zurückgemeldet wird, beinhalten die Mode-S-Antworten die u. a. eine eindeutige 24-Bit-ID des Luftfahrzeuges sowie viele weitere Informationen.
Die in Mode S verfügbaren Funktionen werden auch für die auf SSR Mode S-basierenden Flugsicherungssysteme ADS-B (engl. Automatic Dependent Surveillance – Broadcast), ACAS (engl. Airborne Collision Avoidance System), MLAT (MultiLATteration) Systems verwendet.
Für rein militärische Nutzung stehen der militärischen Flugsicherung (engl. Air Traffic Control, ATC) und Air Defense (AD, dt. Luftverteidigung) noch verschiedene Modi des IFF-Systems zur Verfügung. Diese setzen jedoch einen IFF-Transponder in einem Luftfahrzeug voraus, der den jeweils abgefragten Mode und Level unterstützt, weshalb keine zivilen SSR-Transponder auf die IFF-Abfragen in diesen Modi antworten. Es gibt folgende IFF-Modi:
IFF Mode 1: ID, bestehend aus zwei Oktalzahlen (64 ID-Codes) oder, wenn unterstützt, auch vier Oktalzahlen (4096 ID-Codes). IFF Mode 2 aus vier Oktalzahlen (4096 ID-Codes). IFF Mode 4 erlaubt eine gesicherte Abfrage (eng. secure interrogation). IFF Mode 5 ist das gesicherte militärische Pendant zu SSR Mode S.
SSR- und IFF-Interrogatoren benötigen im Vergleich zu einem Primary Surveillance Radar (PSR, Primärradar) eine um circa den Faktor 1000 kleinere EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power, dt. Äquivalente Isotrope Strahlungsleistung), da ein PSR-Sender am Ziel (z. B. einem Luftfahrzeug) eine ausreichend starke Reflexion verursachen muss, damit das Echo noch im Empfänger eines PSR-Sensors als Ziel verarbeitet werden kann. Da bei (absichtlichen) Störungen, defektem oder absichtlich deaktivierten SSR- bzw. IFF-Transponder keine Antworten ausgesendet werden, oder keine Antworten empfangen oder erfolgreich verarbeitet werden können, werden in der Regel jeweils ein PSR- und ein SSR-/IFF-Sensor paarweise zusammen am gleichen Standort betrieben. Dadurch kann bei Zielausfällen bei einem der beiden Sensoren zumindest eine Zielbestätigung zu erhalten. Da jedoch die PSR-Echos auch weitaus schwächer als SSR- und IFF-Antworten sind, können auch noch sehr schwache (ggf. absichtliche) Störungen die PSR-Erfassung beeinträchtigen oder unmöglich machen.
Zusätzlich erfassen SSR- und IFF-Sensoren, wie auch Primärradar-Sensoren (engl. Primary Radar Surveillance Radar, PSR), die Schrägentfernung (engl. Slant Range) und den Azimut-Winkel in Bezug auf das erfasste Luftfahrzeuges. Die Schrägentfernung wird wegen des, im Vergleich zu einem Primärradar-Sensor (der lediglich reflektierte Signale empfängt) stärkeren Empfangssignals, mit einer besseren Genauigkeit geliefert.
Hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit des Azimut-Winkels hatten Primäradar-Sensoren dank ihrer, bezogen auf die Wellenlänge, sehr großen Parabolantennen mit schmalen horizontalen Antennenkeulen und cosec²-förmigen Elevations-Antennendiagrammen erhebliche Vorteile gegenüber den zu erst verwendeten Hoghtrough-Antennen-Arrays. So besitzen Primärradar-Antennen einen Antennengewinn im Azimut von ca. 36 dBi bzw. eine Halbwertsbreite (-3 dB) der Hauptkeule des Antennendiagramms von ca. 1,2°. Dahingegen besitzen SSR- und IFF-Hogtrough-Antennen-Arrays bis zu ca. 6° (-3 dB) breite Antennendiagramme bei ca. ≥17 dBi Antennengewinn. Ein weiteres Problem von Hoghtrough-Antennen-Arrays ist, das die Hälfte der abgestrahlten Leistung unterhalb der horizontalen Ebene der Antenne abgestrahlt wird, was zu unerwünschten Aufzipfelungen der vertikalen Antennendiagramme führt und einer Reduzierung der Reichweite. Durch die später eingeführte Mitnutzung des Parabolspiegels der Primärradar-Antenne konnten auch für Sekundärradarsensoren cosec²-förmige Elevations-Antennendiagramme erzielt werden, bzw. bei Verwendung von zwei Feeds für SSR auch Monopulsfähigkeit erreicht werden. Mit Einführung von monopuls-fähigen SSR- und IFF-Interrogatoren (siehe Monopulsverfahren) und Aufteilung bestehender Hogtrough- oder Parabolantennen in eine linke und eine rechte Hälfte, die in mehreren Empfängern separat als Summen- und Differenzdiagramm verarbeitet wurden, war eine Verringerung der Breite der Azimut-Antennenkeule äquivalent zu der Breite von PSR-Antennen möglich. Durch Entwicklung von zweidimensionalen LVA-Antennen-Arrays die sowohl cosec²-förmige, vertikale Antennendiagramme als auch Antennengewinne im Azimuth von bis zu 27 dBi besaßen kombiniert mit monopuls-fähigen SSR- und IFF-Antennen und -Radarsensoren können solche Anlagen auch ohne zusätzliche PSR-Radarsensor zur genauen Ermittlung des Azimut eines Luftfahrzeuges verwendet werden.
Militärische IFF-Transponder liefern auf die Abfrage von militärischen IFF-Interrogatoren in militärischen Modi der militärischen Flugsicherung oder Taktischen Kontrolle in Mode 1, 2 temporär zugeordnete Identifikation. IFF bei Mode 4 und Mode 5 verfügen über Krypto-Möglichkeit bzw. Mode 5 über die Möglichkeit der Abfrage und Übertragung von weiteren Daten.
Das bei Sekundärradar genutzte Interrogator/Transponder-Prinzip, wobei der Interrogator sich in der Regel am Boden und der Transponder in Luftfahrzeugen befinden, wurde nahezu zeitgleich auch für das erste von ICAO standardisierte DME (Distance Measuring Equipment) im Jahr 1950, sowie einige Jahre später für das militärische TACAN (TACtical Air Navigation) verwendet, jedoch mit dem Unterschied, dass sich bei diesen beiden ARNS-zugehörigen Systemen (engl. Aeronautical Radio Navigation Systems) die Transponder am Boden und die Interrogatoren im Luftfahrzeug befinden.
Mit der Zeit wurden für das beim Sekundärradar genutzte Interrogator/Transponder-Prinzip weitere Anwendungsgebiete erschlossen, z. B. zur Bestimmung der Entfernung von Raumsonden, oder das automatischen Identifizieren und Lokalisieren von Objekten über sehr kurze Distanzen mit 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.
Bei den ersten IFF-Systemen (IFF Mark I und Mark II) sendeten die IFF-Transponder nach dem Empfang des Abfragepulses des IFF-Interrogators diesen verstärkt wieder aus, wobei der IFF-Transponder nur auf Anforderung eingeschaltet wurde. Da das eigene Flugzeug wegen der internen Signal-Laufzeit im Transponder auf dem Radarschirm doppelt dargestellt wurde, waren im Radargerät keine technischen Erweiterungen nötig. Erst ab dem System IFF Mark III wurde die Antwort in einem eigenen Frequenzband, damals zwischen 157 und 187 MHz, abgestrahlt. 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 B.V. 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 die heutigen IFF/SIF-Systeme. Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips wurde als Mark X bezeichnet, wobei X als Platzhalter für eine später zu verwendende Bezeichnung genutzt wurde. Das System arbeitete auf 12 verschiedenen Kanälen mit einem Frequenzabstand zwischen Interrogation und Reply 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 (64 Id-Codes), Mode 2 (4096 Id-Codes) und seit Definition des zivilen SSR Systems durch ICAO in Annex 10 auch Mode A (mit 4096 Id-Codes, militärische Bezeichnung Mode 3A) bis Mode D, erlaubte durch Nutzung von impulskodierten Antworten eine individuelle Identifikation von Luftfahrzeugen. Anders als zuvor sendeten alle Transponder nun ihre Replies auf 1090 MHz, während alle Interrogations auf 1030 MHz erfolgten.
IFF Mark X wurde in den USA entwickelt und die Spezifikationen wurden 1952 für andere NATO-Staaten zur Verfügung gestellt. Die Ergänzung durch das Selective Identification Feature (SIF) zur selektiven Identifizierung von Luftfahrzeugen, ist das Äquivalent zum, von ICAO spezifizierten SSR SPI Pulse und wurde durch die USA 1959 bekannt gegeben. Das Zeichen X war ursprünglich wie auch bei dem vorigen System als Platzhalter für eine später noch festzulegende Bezeichnungen gedacht, wurde aber später als die römische Zahl X für "Zehn" umgedeutet. Die Bezeichnung IFF Mark XI wurde nur kurzzeitig verwendet für die Nutzung von kodierten Abfragen und Antworten. Bis zur Einführung des Nachfolgesystems IFF Mark XII wurde jedoch die Bezeichnung IFF Mark X verwendet.