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Multilateration

Bild 1: Funktionsweise der Multilateration
(hier Spezialfall der Trilateration: drei Entfernungen zu drei bekannten Punkten bestimmen eine neue Position)

Bild 1: Funktionsweise der Multilateration
(hier Spezialfall der Trilateration: drei Entfernungen zu drei bekannten Punkten bestimmen eine neue Position)

Multilateration

Multilateration ist ein Verfahren, bei welchem die Position eines Objektes durch Entfernungsmessung von bekannten Punkten aus bestimmt wird. Die Entfernungsmessung erfolgt in der Flugsicherung mittels verschiedener Radarverfahren durch Geräte, die an diesen bekannten Punkten installiert sind. Direkte Seitenwinkelmessungen (und damit große Richtantennen) sind nicht notwendig.

Funktionsweise

Zeitsynchrone Messungen

Das zu vermessene Objekt wird angestrahlt (Primärradarverfahren) oder strahlt auf Abfrage ein Signal aus (Sekundärradarverfahren). Dieses Echo oder das Antwortsignal wird von einem fest installierten Empfänger empfangen. Die Laufzeit des Signals ist ein Maß für eine Entfernung. Da eine Richtungsbestimmung noch nicht möglich ist, befindet sich das zu vermessene Objekt irgendwo auf einer kreisförmigen Linie rings um den Empfänger mit dem Radius der gemessenen Entfernung.

Der gleiche Vorgang mittels eines zweiten Empfängers ergibt eine zweite kreisförmige Linie um dessen feste Position herum. Das zu vermessene Objekt muss sich auf einem der beiden Schnittpunkte dieser Kreise befinden. Das Messergebnis ist also noch mehrdeutig. Erst ein dritter Empfänger von einer dritten festen Position aus ergibt ein eindeutiges Ergebnis, weil drei Kreise nur einen gemeinsamen Schnittpunkt haben können.

Eine Synchronität wird hergestellt durch den Zeitpunkt der gesendeten Abfrage. Wenn jeder Empfänger die Abfrage selbst aussendet, ist die Entfernungsmessung einfach wie bei einem monostatischen Radar. Bei der Berechnung der einfachen Entfernung ist diese die einzige Unbekannte. Wenn nur ein zentraler Abfragesender arbeitet, wird die Entfernungsmessung etwas komplizierter wie bei einem bistatischen Radar. Es gibt jetzt zwei unbekannte Größen bei der Berechnung: Die Entfernung vom Sender zum Objekt (die dann zu jedem Empfänger konstant ist) und die Entfernung vom Objekt zu dem jeweiligen Empfänger.

Bild 2: nichtsynchrone Multilateration, auch Hyperbelortung genannt

Bild 2: nichtsynchrone Multilateration, auch Hyperbelortung genannt

Nicht zeitsynchrone Messungen

Es gibt auch die Möglichkeit, dass das zu vermessene Objekt ohne eine Abfrage regelmäßig ein Signal aussendet (z.B.: ADS-B). Hier ist den Empfängern der genaue Sendezeitpunkt nicht bekannt. Sie kennen nur die exakte Ankunftszeit des verwendeten Sendesignals. Es kann somit keine Laufzeit zwischen dem zu vermessenen Objekt und einem einzelnen Empfänger gemessen werden, sondern nur der Laufzeitunterschied im Vergleich zwischen der Ankunftszeit in den zwei Empfängern. (Die Laufzeiten in den Kabelverbindungen zwischen den Empfängern und dem Server sind kalibriert und können herausgerechnet werden.)

Zwischen zwei Empfängern werden die unterschiedlichen Laufzeitdifferenzen als eine individuelle Schar von Hyperbeln dargestellt. Jede Hyperbel in dieser Schar entspricht genau einer gemessenen Laufzeitdifferenz. Das heißt, bei dieser Laufzeitdifferenz kann sich das zu vermessene Objekt irgendwo auf dieser Hyperbel befinden (siehe Bild 2).

Weitere Empfängerpaare messen ebenfalls einen Laufzeitunterschied und erhalten ebenfalls eine Hyperbel aus ihrer individuellen Hyperbelschar. Der Schnittpunkt aller dieser ausgewählten Hyperbeln ist die gesuchte Position.

Technische Realisierung

Für eine Anwendung der Multilateration zur Erkennung beweglicher Hindernisse auf Flugplätzen können mehrere Frequenzbereiche verwendet werden. Es wird empfohlen, statt den SSR-Frequenzen einen UAT-Link auf der Frequenz 978 MHz zu verwenden.

Häufig wird doch die Squitter-Funktion des Mode-S Standards auf der Frequenz 1090 MHz verwendet. Dazu befindet sich in jedem Fahrzeug auf dem Flugplatz ein ähnlicher Transponder, wie in Flugzeugen vorgeschrieben ist. Jeder Flugplatz kann dazu einen Block von 200 der 24-Bit-Adressen beantragen und auf seine Fahrzeuge verteilen.[1]

Die Standortbestimmung des Fahrzeuges hat nun zwei unabhängige Quellen: einmal das in dem Transponder integrierte GPS und zusätzlich die Multilateration. Um die stark genutzte Antwortfrequenz des Sekundärradars (1090 MHz) nicht unnötig zu belasten, schaltet das GPS das ADS-B ab, wenn sich das Fahrzeug nicht auf Taxiways oder dem Rollfeld befindet.

Messfehler

Durch eine sehr große Anzahl von derartigen Empfängern auf dem Flugfeld können Messfehler schon statistisch unterdrückt werden. Messfehler treten vor allem auf, wenn starkes Rauschen oder aktive Störungen die Messung der Empfangszeit verfälschen. Weiterhin kann auch eine Mehrfachreflexion die Messung der Laufzeit beeinträchtigen. Die Wahrscheinlichkeit für solche Messfehler verringert sich mit der Verringerung der zu messenden Entfernung. Deshalb werden nur Messergebnisse mit kurzer Laufzeit für die Standortbestimmung herangezogen.

Einzelnachweis:

  1. ICAO: Airport Ground Vehicle Automatic Dependent Surveillance – Broadcast (ADS-B) Out Squitter Equipment — 11/14/2011, (online)