Projekt ESIT

European Simulator of Surveillance Interrogators and Transponders

Flugzeug mit Kondensstreifen — © Schreiber

Photo einer Flugsicherungsradar-Antenne — © Noël Magis - Fotolia.com

Radarschirm eines Flugsicherungs-Controllers — © Austro Control GmbH

Bei ESIT handelt es sich um eine Forschungs- und Entwicklungsaktivität im Auftrag der EUROCONTROL. Die österreichische Flugsicherung Austro Control GmbH. hat die Ausschreibung zu diesem Projekt gewonnen und führt dieses mit der deutschen Firma SeRo Systems GmbH. und dem IHF - beide als Sub-Auftragnehmer - durch.

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Hintergrund

Die zivile Luftraumüberwachung basiert gegenwärtig zum Großteil auf Daten die von Sekundärradaranlagen (ATCRBS ... Air Traffic Control Radar Beacon System) geliefert werden. Dabei handelt es sich um eine Positionsbestimmung, die auf aktive Antworten sogenannter Transponder angewiesen ist, die in den Luftfahrzeugen eingebaut sind. Dies erlaubt zusätzlich die Übertragung verschiedener Daten vom Flugzeug zu den Radarempfängern. Die Abfragen erfolgen dabei bei 1030 MHz und die Antworten bei 1090 MHz. Damit ist weltweit sichergestellt, dass sich Flugzeuge und Sekundärradargeräte verständigen können. Die Benutzung fixer Frequenzen kann aber andererseits zu gegenseitiger Beeinflußung und Störung von Radaranlagen und Transpondern führen.

Die Situation wird auch dadurch verschlechtert, dass weitere Systeme die Protokolle und Frequenzen des Sekundärradars benutzen. Dies sind TCAS (Traffic Alert and Collision Avoidance System ... bordgestütztes Kollisionsvermeidungs-System), MLAT (Multilateration) und ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast).

Die beiden folgenden Abbildungen zeigen beispielhafte Szenarien für bodengestützte Abfragen ...

... und TCAS Abfragen.

Arbeitsplatz eines Flugsicherungs-Controllers — © Austro Control GmbH

All diese Abfragen werden von den Flugzeug-Transpondern empfangen, dekodiert und wenn notwendig beantwortet. Diese Anworten werden von den Abfragesystemen wieder empfangen und daraus wird die Positionen der Luftfahrzeuge bestimmt. Eine hohe Anzahl von - unter Umständen gleichzeitigen - Abfragen kann einen Transponder so stark belasten, dass Abfragen nicht mehr dekodiert und beantwortet werden können. Dadurch könnte das Flugzeug - zumindest kurzfristig - vom entsprechenden Sensor "verschwinden".

Zusätzlich senden moderne Transponder unabhängig von Abfragen selbständig regelmäßig Signale aus (ADS-B Nachrichten).

In Summe bedeutet das eine grosse Dichte an Signalen sowohl bei 1030 als auch bei 1090 MHz.

Blick in die Flugsicherungszentrale der Austro Control — © Austro Control GmbH

Für eine Planung der Flugsicherungsinfrastruktur (z.B. bei der Einführung eines neuen Systems) ist es wichtig bereits vorher zu wissen, wie sich diese auf die Transponderbelastung auswirkt. Speziell Multilaterationssysteme können durch ihre Funktionsweise höhere Belastungen hevorrufen als Radaranlagen.

Durch die Abfragen der TCAS-Systeme hat auch die Verkehrsdichte einen Einfluss auf die Belastung der Transponder.

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Aufgabe

Aufbauend auf dem Forschungsprojekt TOPAS und dem daraus resultierenden Simulationstool, wird ein digitaler Zwilling für die Gesamtheit der Abfragen und Antworten bei 1030 bzw. 1090 MHz entwickelt. Das bedeutet die Simulation sämtlicher Mode A/C und Mode S Abfragen durch

klassische Sekundärradarsysteme (nur Mode A/C)
Mode S Radaranlagen
Multilaterationssysteme
TCAS

Neben diesen verschiedenen Abfragesystemen gibt es auch unterschiedliche Transpondertypen, die zu berücksichtigen sind.

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Vorgangsweise

In ESIT müssen - im Vergleich zu TOPAS - noch folgende Faktoren berücksichtigt werden :

Zeitverlauf von Abfragen und Antworten mit einer Auflösung von 1 µs um gegenseitige Beeinflussungen und Störungen (Garbling) erkennen zu können
Notwendige Re-Interrogationen
Verbessertes Scheduling der Mode S Abfragen (Berücksichtiung des maximalen Alters der verschiedenen abgefragten Daten)
Modellierung der Interferenz-Mitigations-Mechanismen von TCAS
Bestimmung der räumlichen Verteilung der Antwortdichten

Zusätzlich ist die Skalierung auf den gesamteuropäischen Luftraum mit einer viel höhenen Anzahl von Radaranlagen eine Herausforderung.

ESIT wird in einem Cloud-System laufen und den Benutzern eine webbasierte Oberfläche anbieten, welche die Konfiguration der Simulation ermöglicht und die fertigen Ergebnisse auf unterschiedliche Weise anzeigen kann. Die folgenden Abbildungen zeigen als Beispiele mehrere von TOPAS generierte Heatmaps (Auslastungsgrad von Transpondern, Anzahl der Mode-S Antworten auf Abfragen von Radar- und MLAT-Systemen und die Abdeckung eines Mode S Radars mit den Bereichen für die unterschiedlichen Abfragen).

Abdeckung & Abfragen eines Mode S Radars — © IHF/TU Graz

Das IHF entwickelt den Simulationskern und unser Partner SeRo Systems ist für die Webserverumgebung inklusive der notwendigen Datenbanken und die Benutzeroberfläche zuständig.

Austro Control übernimmt die gesamte Projektabwicklung und stellt auch die technische Expertise zu den Flugsicherungssystemen zur Verfügung.

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Presseaussendung und Veröffentlichungen

Zu diesem Forschungsthema wurde von der Presseabteilung der TU Graz eine Aussendung an die Medien erstellt. Diese ist auch im News-Bereich der TU Graz Homepage nachzulesen.

Gleichzeitig wurde von der Tageszeitung "Die Presse" ein Interview mit Helmut Schreiber durchgeführt und in einem Artikel in der Wissenschaftsbeilage am 22.1.2022 (kostenpflichtig) veröffentlicht.

Auf den Konferenzbeitrag bei der IRS 2023 (International Radar Symposium) in Berlin kann über IEEExplore zugegriffen werden.

Weiters wurde in der Zeitschrift e+i (Elektrotechnik und Informationstechnik) eine Originalarbeit publiziert und ist als Open Access Artikel hier lesbar.

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Weitere Forschungsschwerpunkte im Themenereich Flugsicherung finden Sie hier.

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