Radare 2020-2030: Technologien, zukünftige Trends, Prognosen

Radare sind ein Schlüsselelement der Sensorik für ADAS und autonome Mobilität. Dieser Bericht untersucht zunächst die Rolle, die Radare bei verschiedenen ADAS-Funktionen wie ACC, AEB, FCA, BSD, LCW, HWA usw. spielen. Anschließend wird untersucht, wie der Radaranteil pro Fahrzeug – sowohl für Kurz-/Mittel- als auch für Langstreckenradare – mit zunehmendem ADAS- und Autonomiegrad steigen wird.

Der Bericht untersucht dann die Treiber und Trends bei den Betriebsfrequenzen weltweit. Es wird untersucht, wie Geräteparameter – einschließlich Mittenfrequenz, Bandbreite, Messzeit und virtuelle Apertur – wichtige Leistungsindikatoren (KPIs) wie Geschwindigkeit, Reichweite, Azimut und Höhenauflösung beeinflussen. Anschließend werden die heute auf dem Markt befindlichen Produkte untersucht und verglichen. Die Wertschöpfungskette – vom Chip (Fabless/IDM/Gießerei) bis zum Modulhersteller – wird skizziert.

Es werden detaillierte Marktprognosemodelle erstellt. In diesen Marktprognosen wird zunächst untersucht, wie ADAS und Autonomie in den Fahrzeugmarkt eindringen werden. Dazu wird in dem Bericht eine zwanzigjährige Marktprognose (2020 bis 2040) erstellt, wobei der Fahrzeugmarkt nach Autonomiestufen 0 bis 5 segmentiert wird. Das Prognosemodell berücksichtigt auch die Auswirkungen von Robotaxis und gemeinsam genutzten autonomen Fahrzeugen auf den gesamten Fahrzeugabsatz und prognostiziert in einem moderaten Szenario den Höchststand der Fahrzeugverkäufe um 2031/2. Diese Prognosen werden in Zusammenarbeit mit unserem Team für autonome Mobilität erstellt. Die Prognosen werden dann in Radar-Absatzzahlen umgerechnet. Um den Marktwert zu ermitteln, entwickeln wir ein moderates und ein aggressives Preissenkungsszenario für Kurz-, Mittel- und Langstreckenradare. Wir erstellen auch Prognosen für die einzelnen Halbleitertechnologien (GaAs, SiGe und Si).

Marktprognosen nach Stückzahlen, segmentiert nach ADAS und autonomer Mobilität. Der Bericht enthält auch Prognosen für Fahrzeug- und Lkw-Zahlen, die nach Autonomiestufen segmentiert sind, sowie wertmäßige Radarprognosen auf der Grundlage verschiedener Kostenentwicklungsszenarien.

Die Radartechnologie befindet sich im Wandel. Es sind in der Tat sehr spannende Zeiten für Radargeräte. Wir bieten ein detailliertes quantitatives Benchmarking verschiedener Halbleitertechnologien wie GaAs HEMT, InP HEMT, SiGe BiCMOS, Si CMOS und Si SOI. Wir berücksichtigen Höchstfrequenz, Verstärkereffizienz, lithografische Technologieknoten, Funktionsintegrationsfähigkeit, Volumen und Kosten.

Der Bericht zeigt, wie sich die Halbleitertechnologie entwickelt hat und wie sie sich in den kommenden Jahren voraussichtlich entwickeln wird. Er zeigt, wie und wann die GaAs-Technologie der SiGe-Technologie den Rang ablief und wie SiGe nun möglicherweise der Si-CMOS-Technologie (oder SOI) den Rang ablaufen wird. Er bietet einen detaillierten Überblick über die wichtigsten bestehenden und neuen Produkte auf dem Markt, die sowohl SiGe BiCMOS als auch Si CMOS und SOI umfassen. Dabei berücksichtigen wir Unternehmen wie NXP, Infineon, ST Microelectronics, ON Semiconductor, Texas Instruments, Analog Devices, Arbe Robotics, Uhnder, Steradian, Oculii und so weiter.

Die Umstellung auf Si-CMOS und ähnliche Chips wird die Integration von mehr Funktionen in Radarchips ermöglichen. Wir zeigen, wie sich Radargeräte von einem separaten Chip für jede Funktion zu Ein-Chip-Radargeräten entwickelt haben. Die neuesten SiGe-BiCMOS- und einige neuere Si-CMOS-Radarchips enthalten mehrere Transceiver, Überwachungsfunktionen, Wellenformgeneratoren und einen ADC. Die neuesten Si CMOS-Generationen enthalten sogar einen Mikrocontroller mit Speicher sowie eine digitale Signalverarbeitungseinheit (DSP). Dies zeigt deutlich den Trend zu Single-Chip-Lösungen, die ein erhebliches Kostensenkungs- und Volumenproduktionspotenzial mit sich bringen werden.

Als nächstes werden Verpackungslösungen betrachtet. In der Vergangenheit wurden mehrere Chips direkt auf der Leiterplatte montiert und mit Draht verbunden. Heute werden die Chips mit Wafer-Level-Packaging-Technologien verpackt, z. B. WLP-BGA oder Flip-Chip-Ball-Grid-Array (BGA). Wir bieten ein Benchmarking zwischen diskreten Chips und verpackten Lösungen. Innerhalb der verpackten Lösungen vergleichen wir auch das Hochfrequenzverhalten von Flipchip, Fan-out und BGA.

Anschließend werden Trends auf Leiterplattenebene in Bezug auf Design, Material und passive Bauelemente untersucht. Hier sehen wir, wie sich die Leiterplattenanordnung entwickelt hat. In der Vergangenheit wurden zwei getrennte HF- und Digitalplatinen verwendet. Heute ist eine Hybridplatine üblich, bei der die oberste Schicht aus einem speziellen HF-Material besteht. Der Trend geht – zumindest bei kleinen Antennengruppengrößen – zu Antennen-in-Package-Designs (AiP). Einige solcher Designs sind bereits für den Einsatz in Kraftfahrzeugen qualifiziert. Längerfristig wird die Möglichkeit einer Antenne im Chip erforscht.

Die Materialanforderungen für eine geringe Einfügedämpfung bei hohen Frequenzen werden analysiert. Diese speziellen Materialien müssen niedrige Verlusttangenten aufweisen. Entscheidend ist, dass die Dielektrizitätskonstante und der Verlusttangens bei Temperatur- und Frequenzschwankungen stabil bleiben. Darüber hinaus muss die Feuchtigkeitsaufnahme gering sein und das Material muss leicht – oder mit bekannten Modifikationen – verarbeitbar sein, z. B. wie man das Cu kleben kann. Diese Studie bietet ein umfassendes Benchmarking einer breiten Palette von auf dem Markt befindlichen Materialien, darunter keramikgefüllte PTFE, LCP, PI/Fluorpolymere, Keramiken wie LTCC oder AlN, Glas usw.

Auf dem Weg zum 4D-Bildradar

Die Radartechnologie entwickelt sich weiter in Richtung eines bildgebenden 4D-Radars, das in der Lage ist, eine dichte 4D-Punktwolke zu liefern, die es ermöglicht, über die Bestimmung von Anwesenheit, Entfernung und Geschwindigkeit hinaus zu einer 3D-Objekterkennung, -klassifizierung und -verfolgung überzugehen.

Wir beleuchten und bewerten die kritischen Auswirkungen einer Vergrößerung des Antennenfeldes auf die Azimut- und Elevationsauflösung sowie auf die Datenmatrix und die Punktwolke. Die zusätzlichen hochauflösenden Informationen über Azimut und Elevation ebnen den Weg zu 4D-Bildradaren. Diese neuen Fähigkeiten werden die Grenzen zum Lidar verwischen und es dem Radar ermöglichen, in das Gebiet des Lidars vorzudringen, ohne seine Unabhängigkeit von Lichtverhältnissen und Wetter zu gefährden. Dies wird zu einer interessanten Wettbewerbsdynamik führen, auch wenn das Lidar seine Dominanz bei einigen Parametern wie der Winkelauflösung und möglicherweise der Objektklassifizierung behalten wird.

Der Bericht bietet einen Überblick über tiefe neutrale Netzwerke und tiefe Lerntechniken, die bei Kamerabildern so erfolgreich waren. Die spezifischen Herausforderungen von Radardaten werden berücksichtigt. Insbesondere wird erörtert, wie künftige Radargeräte die Radarpunktwolke verdichten können, um ihre Dichte näher an die Punktwolken von Lidars heranzuführen. Wir betrachten den Stand der Technik bei der 2D- und 3D-Objekterkennung und skizzieren einige Ansätze, die darauf abzielen, die Leistungslücke zwischen beiden zu schließen. Wir erörtern die Herausforderung der begrenzten Verfügbarkeit von gekennzeichneten Trainingsdaten und zeigen, wie einige versuchen, präzise Radarkarten zu erstellen und halbautomatische Methoden zur Kennzeichnung von Radardaten zu entwickeln, wobei häufig eine späte Fusion mit Daten von Kameras, GPS und Lidars verwendet wird.

Auch die Herausforderungen durch Interferenzen werden kurz erörtert. Es wird erwartet, dass dies eine wachsende Herausforderung sein wird, da die Anzahl der mit Radar ausgestatteten Radargeräte auf den Straßen zunehmen wird. Es werden verschiedene Ansätze in Betracht gezogen. In einigen Fällen werden die gestörten Signale lokal rekonstruiert. Bei anderen Ansätzen wird eine lose oder enge Koordinierung auf Systemebene vorgeschlagen, ähnlich wie bei Telekommunikationssystemen.

In diesen Radargrafiken wird der Stand des heutigen Radars mit dem der Zukunft verglichen.

Innovative Neugründungen

In den letzten Jahren sind mehrere innovative Radar-Neugründungen entstanden. Diese Firmen verfolgen unterschiedliche Ansätze. Einige entwickeln Radargeräte auf modernen SOI- oder CMOS-Knoten, die sehr große virtuelle Kanäle unterstützen. Dies kann in Verbindung mit den von ihnen entwickelten Verarbeitungstechniken eine echte 4D-Bildgebung ermöglichen. Andere entwickeln neuartige Techniken wie den Einsatz von Metamaterialien zur elektronischen Lenkung des Radarstrahls.

Nicht alle sind auf die Automobilindustrie ausgerichtet. Einige konzentrieren sich auf das UWB-Band und versuchen, kostengünstige, hochauflösende Radarlösungen auf einem Chip für Anwendungen wie Drohnennavigation, Überwachung von Vitaldaten, Mensch-Maschine-Schnittstellen, medizinische Bildgebung, Smart Home usw. anzubieten. Zu diesen Start-ups gehören Arbe Robotics, Uhnder, Steradian, Echodyne, Metawave, Oculii, Vayyar, Lunewave, Zendar, Ghostwave, Novelda, Omniradar (Staal Technologies), und so weiter.

Marktprognosen

Es werden detaillierte Marktprognosemodelle erstellt. Wir betrachten die Verbreitung verschiedener Stufen von ADAS und Autonomie auf dem Fahrzeugmarkt über einen Zeitraum von zwanzig Jahren. Wir haben diesen langen Zeitrahmen gewählt, weil höhere Autonomiestufen Zeit brauchen, bis sie technologisch ausgereift und kommerziell nutzbar sind.

Unser Modell bietet daher eine zwanzigjährige Stückzahlprognose (2020 bis 2040), wobei der Fahrzeugmarkt nach Autonomiestufen 0 bis 5 segmentiert wird. Dieses Modell zeigt deutlich, dass die Stufe 0 vor dem Zeitraum 2032-2034 tendenziell veraltet sein wird. Es zeigt, wie die Stufe 1 langsam der ADAS-Stufe 2 weichen wird, so dass diese Stufe kurz- und mittelfristig die vorherrschende Automatisierungsstufe sein wird.

Unser Modell berücksichtigt dann den Anstieg höherer Autonomiestufen (Stufe 3, 4 und 5). Insbesondere werden die Auswirkungen von gemeinsam genutzten autonomen Fahrzeugen und Robotaxis auf die Gesamtnachfrage nach Fahrzeugen betrachtet, wobei sich zeigt, dass im Jahr 2031/2 ein Spitzenwert bei den Autoverkäufen erwartet werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein gemeinsam genutztes Fahrzeug eine höhere Fahrleistung erbringen kann als ein Privatfahrzeug. Nach diesem Zeitpunkt wird ein Rückgang der Gesamtfahrzeugverkäufe prognostiziert, was komplexe und weitreichende Fragen für die globale Automobilindustrie aufwirft.

Wir übersetzen unsere Fahrzeug- und Lkw-Stückzahlprognosen in Radareinheiten. Dabei betrachten wir den Radaranteil – für Kurz-/Mittel- und Langstreckenradare – pro Fahrzeug für jede Autonomiestufe. Die Erhöhung des Radaranteils pro Fahrzeug kompensiert das Aufkommen von Peak-Car. Wir entwickeln auch Marktwertprognosen, wobei wir ein moderates und ein aggressives Preisverfallsszenario für Kurz-/Mittel- und Langstreckenradare berücksichtigen.

Schließlich haben wir die Prognosen für die Stückzahlen auch nach Halbleitertechnologien aufgeschlüsselt, um zu zeigen, dass ein Technologiewandel bereits stattgefunden hat und dass wir uns in der Anfangsphase einer weiteren technologischen Austauschrunde befinden.

Das Prinzip und die Verwendung von SONAR und RADAR.

SONAR und RADAR beruhen beide auf dem Prinzip der Erkennung von Echos, die von einem Objekt zurückgeworfen werden. RADAR verwendet Radiowellen zur Erkennung und SONAR verwendet Ultraschallwellen zur Erkennung und Ortung von Unterwasserobjekten und deren Entfernung. Beide werden in der Verteidigung und im Militär eingesetzt.

SONAR steht für Sound Navigation and Ranging und RADAR für Radio Detection and Ranging. Wie der Name schon sagt, werden beide für die Navigation und die Erkennung verschiedener Eigenschaften und Merkmale von Objekten eingesetzt. Die Wellen werden grundsätzlich von einer Quelle in Richtung eines Objekts ausgesandt. Sobald die Wellen auf das Objekt treffen, prallen sie in Richtung der Quelle zurück und werden mit Hilfe von Detektoren erfasst. Auf diese Weise können die Entfernung und der Abstand der Objekte gemessen werden.

SONARS werden von Unterwasser-U-Booten zur Fernerkundung, Navigation und Kommunikation eingesetzt. Das Militär nutzt SONAR auch zur Verfolgung feindlicher Schiffe oder zur Zerstörung von Unterwasserminen. SONAR wird auch in der Forschung, Industrie und Medizin eingesetzt.

RADAR hat ebenfalls militärische Anwendungen, da sie für die Waffenkontrolle, die Lenkung von Raketen, die Navigation von Flugzeugen und die Luftverkehrskontrolle eingesetzt werden. RADARS werden auf Autobahnen eingesetzt, um zu schnell fahrende Fahrzeuge zu erkennen. Im Weltraum werden sie eingesetzt, um Satelliten und die Bewegung anderer Himmelskörper zu erkennen und die Wetterbedingungen zu prüfen usw.

Hinweis: Es ist zu beachten, dass beide Geräte zwei grundsätzlich unterschiedliche Wellen für die Erkennung verwenden. Ein RADAR verwendet Radiowellen oder elektromagnetische Wellen, die kein Medium benötigen, um sich fortzubewegen, und ein SONAR verwendet Ultraschall- oder Schallwellen, um Ziele zu erkennen.

STEALTH ENTSCHEIDEND ODER ÜBERBEWERTET

Stealth ist im Wesentlichen eine Kombination aus mehreren Technologien, die alle zusammen die Entfernungen, in denen ein Flugzeug vom Feind entdeckt werden kann, erheblich verringern

In den letzten Jahrzehnten hat die Welt viel Zeit und Energie in die Tarnkappentechnologie investiert, um die Entdeckung von militärischen Luftfahrzeugen durch den Gegner zu verzögern. Die meisten neuen Plattformen werden so konstruiert, dass sie bereits in der Anfangsphase ein gewisses Maß an „Stealth“-Technologie enthalten.

Sogar bestehende Kampfflugzeuge werden gelegentlich modifiziert, um ihre Signatur zu verringern. Die Entwicklung eines Tarnkappendesigns hat ihren Preis in Form von aerodynamischen und anderen konstruktiven Kompromissen, langen Entwicklungszeiten und hohen Entwicklungskosten. Einige Stealth-Merkmale erfordern eine besondere Wartung. Bestimmte Flugzeugformen können auch die Fähigkeit zur Beförderung von Waffen und Treibstoff einschränken oder sind nicht optimal für die Flugeffizienz. Jeder Abwurftank oder jede Waffenlast, die extern getragen wird, erhöht den Radarquerschnitt (RCS).

Die Lockheed F-117 Nighthawk war das erste einsatzfähige Flugzeug, das speziell mit Stealth-Technologie entwickelt wurde. Weitere aktuelle Tarnkappenflugzeuge sind die B-2 Spirit, die F-22 Raptor, die F-35 Lightning II, die Chengdu J-20, die Shenyang FC-31 und die Sukhoi Su-57. Während sich die Luftstreitkräfte und Konstrukteure auf Tarnkappeneigenschaften konzentrieren, entwickeln sie auch Gegenmaßnahmen, um den Tarnkappeneffekt zu überwinden. Es werden passive IR-Sensoren, multistatische Radare, sehr niederfrequente Radare und Über-Horizont-Radare entwickelt.

STEALTH-TECHNOLOGIE

Stealth ist im Wesentlichen eine Kombination mehrerer Technologien, die alle zusammen die Entfernungen, in denen ein Flugzeug entdeckt werden kann, erheblich verringern. Dazu gehören die Verringerung des RCS, der akustischen Signatur, des thermischen Eindrucks und andere Aspekte. Der Begriff „Stealth“ wurde populär, als das F-117 Stealth-Kampfflugzeug 1991 im Golfkrieg eingesetzt wurde.

Ein Teil des Flugzeugs, der wesentlich zum Echo beiträgt, ist das Seitenleitwerk. Die F-117 hat geneigte Leitwerke, um Reflexionen zu verringern. Eine radikalere Methode besteht darin, das Leitwerk wegzulassen, wie bei der B-2 Spirit, um eine nahezu perfekte Tarnkappenform zu erreichen, da es keine Winkel hat, die Radarwellen reflektieren. Die Propeller und die Schaufeln der Düsenturbinen erzeugen ein helles Radarbild. Bei der Tarnkappenkonstruktion müssen die Triebwerke in der Tragfläche oder im Rumpf vergraben werden, oder es müssen Leitbleche in die Lufteinlässe eingebaut werden, damit die Verdichterschaufeln für das Radar nicht sichtbar sind.

Der nach vorne gerichtete Radarkegel des Flugzeugs wirkt als Reflektor. Die Vorderkante des Flügels reflektiert ebenfalls Radarwellen und erfordert radarabsorbierende Materialien, um die Wellen abzufangen. Das Flugzeug sollte keinerlei Vorsprünge aufweisen. Waffen, Treibstofftanks und andere Vorräte dürfen nicht außen getragen werden. Stealthy wird auch dann un-stealthy, wenn sich eine Tür oder eine Klappe öffnet.

Die Vorderkante des Flügels und das Leitwerk der F-22 Raptor sind im gleichen Winkel angeordnet, um Reflexionen zu verringern. Die Beschichtung der Cockpithaube mit einem dünnen Film aus transparentem Leiter hilft, die Radarreflexionen vom Cockpit und sogar vom Helm des Piloten zu verringern. Die Beschichtung ist dünn genug, um die Sicht des Piloten nicht zu beeinträchtigen. Dielektrische Verbundwerkstoffe sind für Radargeräte transparenter, während elektrisch leitfähige Materialien wie Metalle und Kohlenstofffasern elektromagnetische Energie, die auf die Oberfläche des Materials trifft, reflektieren.

Die F-22 und die F-35 behaupten, dass sie ihre Ladebuchten öffnen, Munition abwerfen und in kürzester Zeit wieder in den Tarnflugmodus übergehen können.

VERRINGERUNG DER FUNKFREQUENZEMISSIONEN (RF)

Flugzeuge dürfen keine nachweisbare Energie abstrahlen, z. B. von bordeigenen Radaren, Kommunikationssystemen oder HF-Leckagen. Viele Flugzeuge verwenden passive Infrarot- und Schwachlicht-TV-Sensoren, um gegnerische Flugzeuge zu verfolgen und Waffen zu zielen. Die F-22 verfügt über ein fortschrittliches Low-Probability-of-Intercept-Radar (LPIR), das gegnerische Flugzeuge beleuchten kann, ohne den Radarwarnempfänger auszulösen.

RCS

RCS wird traditionell in Quadratmetern ausgedrückt. Dies entspricht nicht der geometrischen Fläche. Er steht für das äquivalente Reflexionsvermögen. Bei nicht normalen Einfallswinkeln wird die Energie vom Empfänger weg reflektiert, was die RCS verringert. Moderne Tarnkappenflugzeuge haben ein RCS, das mit dem kleiner Vögel oder großer Insekten vergleichbar ist.

RADAR-TARNKAPPEN-GEGENMASSNAHMEN

Die Formgebung allein bietet nur wenige Stealth-Vorteile gegenüber Niederfrequenzradaren, die selbst bei einer Signalwellenlänge, die mehr als doppelt so groß ist wie die des Flugzeugs, immer noch einen erheblichen Rücklauf erzeugen können. Allerdings sind Niederfrequenzradare nicht sehr präzise und aufgrund ihrer Größe schwer zu transportieren. Mehrere Sender sind eine weitere Option. Die Erkennung kann besser gelingen, wenn die Sender von den Empfängern getrennt sind, wie bei bistatischen oder multistatischen Radargeräten.

AKUSTISCHE SIGNATUR

Frühe Stealth-Beobachtungsflugzeuge verwendeten langsam drehende Propeller, um von den feindlichen Truppen nicht gehört zu werden. Die Überschallflugzeuge haben einen Überschallknall. Moderne Flugzeugtriebwerke sind effizienter und weniger laut. Die Standardrotorblätter eines Hubschraubers sind gleichmäßig verteilt und erzeugen bei einer bestimmten Frequenz und deren Oberwellen mehr Lärm. Der Rotorlärm von Hubschraubern kann durch unterschiedliche Abstände zwischen den Blättern reduziert werden, wodurch sich der Rotorlärm auf einen größeren Frequenzbereich verteilt.

VISUELLE SIGNATUR

Die visuelle Signatur lässt sich am besten durch Tarnanstriche oder andere Materialien verringern, die die Linien des Flugzeugs farblich hervorheben und auflockern. Die meisten Flugzeuge verwenden einen matten Anstrich und dunkle Farben. Graue Farben, die die Linien unterbrechen, sind effektiver. So musste beispielsweise verhindert werden, dass das Sonnenlicht von der Cockpithaube des Flugzeugs reflektiert wird. Der ursprüngliche Entwurf der B-2 hatte Flügeltanks für eine Chemikalie zur Verhinderung von Kondensstreifen. Später wurde ein Kondensstreifen-Sensor eingebaut, der den Piloten warnt, wenn er die Flughöhe ändern sollte.

INFRAROTSIGNATUR

Die Verringerung der Wärmesignatur des Flugzeugs ist erforderlich, um die Verfolgung durch IR-Sensoren zu verhindern. Die Abgasfahne trägt zu einer erheblichen Infrarotsignatur bei. Eine Möglichkeit zur Verringerung der IR-Signatur ist ein nicht kreisförmiges, schlitzförmiges Heckrohr, um die Abgasquerschnittsfläche zu verringern und die Vermischung der heißen Abgase mit der kühlen Umgebungsluft zu maximieren, wie es bei der F-117 der Fall ist.

Oft wird absichtlich kühle Luft in den Abgasstrom eingeblasen, um diesen Prozess zu verstärken. Bei einigen Flugzeugen werden die Abgase oberhalb der Tragfläche abgeleitet, um sie vor den darunter befindlichen Raketenbeobachtern zu schützen. Eine weitere Möglichkeit zur Senkung der Abgastemperatur ist die Zirkulation von Kühlflüssigkeiten wie Treibstoff im Abgasrohr, wobei die Treibstofftanks als Wärmesenken dienen, die durch den Luftstrom entlang der Tragflächen gekühlt werden.

Radarabschirmende Kampfflugzeuge erfordern sorgfältige Konstruktionsarbeit, umfangreiche Tests und exotische Materialien für ihre Konstruktion, was ihre Kosten im Vergleich zu nicht getarnten Flugzeugen verdreifachen kann.

INFRAROTSUCHE UND -VERFOLGUNG (IRST)

IRST-Systeme können sogar gegen Tarnkappenflugzeuge wirksam sein, da sich ihre Oberfläche aufgrund der Luftreibung erwärmt und ein Zweikanal-IRST den Unterschied zwischen dem niedrigen und dem hohen Kanal vergleichen kann. Russland hatte in den 1980er Jahren IRST-Systeme auf MiG-29 und Su-27. Die MiG-35 ist mit einem neuen optischen Ortungssystem mit erweiterten IRST-Fähigkeiten ausgestattet. Die französische Rafale, der europäische Eurofighter und der schwedische Gripen nutzen das IRST in großem Umfang. In der Regel ermöglicht IRST die Erkennung von nicht nachbrennenden Luftzielen in 45 km Entfernung. Die Lockheed F-21, die Indien angeboten wird, verfügt über ein Langstrecken-IRST.

ANFÄLLIGE FLUGMODI

Tarnkappenflugzeuge sind während und unmittelbar nach dem Einsatz ihrer Bewaffnung immer noch anfällig für Entdeckung. Da Tarnkappenflugzeuge ihre gesamte Bewaffnung im Innern tragen, vervielfacht sich das RCS des Flugzeugs, sobald sich die Waffenschachttüren öffnen. Während das Flugzeug seine Tarnkappe wiedererlangt, sobald die Waffenklappen geschlossen sind, hat ein schnell reagierendes Abwehrwaffensystem eine kurze Gelegenheit, das Flugzeug zu treffen. Die F-22 und die F-35 behaupten, dass sie ihre Schächte öffnen, Munition abwerfen und innerhalb kürzester Zeit wieder in den Stealth-Flug übergehen können. Einige Waffen erfordern jedoch, dass das Lenkungssystem der Waffe das Ziel erfasst, während die Waffe noch am Flugzeug befestigt ist.

Dies zwingt zu relativ langen Einsätzen bei geöffneten Schachttüren.

REDUZIERTE NUTZLAST

Tarnkappenflugzeuge führen Treibstoff und Bewaffnung intern mit, was die Nutzlast begrenzt. Die F-117 kann nur zwei laser- oder GPS-gesteuerte Bomben mitführen, während ein nicht getarntes Kampfflugzeug ein Vielfaches davon tragen kann. Dies erfordert den Einsatz zusätzlicher Flugzeuge, um Ziele zu bekämpfen, für die normalerweise ein einziges nicht getarntes Flugzeug ausreichen würde. Dieser scheinbare Nachteil wird jedoch durch die geringere Anzahl von Unterstützungsflugzeugen ausgeglichen, die für die Luftverteidigung und elektronische Gegenmaßnahmen erforderlich sind.

TAKTIK

Ein stark verteidigtes Gelände hat in der Regel eine überlappende Radarabdeckung, die ein unentdecktes Eindringen von konventionellen Flugzeugen erschwert. Die Entdeckung von Flugzeugen kann durch Ausnutzung der Doppler-Slots der Bodenradare verzögert werden. Mit Kenntnis der gegnerischen Radarstandorte und des RCS-Musters des eigenen Flugzeugs kann eine Flugroute geflogen werden, die die Radialgeschwindigkeit minimiert und gleichzeitig dem Bedrohungsradar die niedrigsten RCS-Aspekte des Flugzeugs zeigt. Es gibt noch weitere Flugtaktiken, wie z.B. Manöver in Kombination mit dem Ausbringen von Düppeln, um gegnerische Radare zu verwirren.

OPERATIVER EINSATZ VON STEALTH-FLUGZEUGEN

Die USA und Israel sind die einzigen Länder, die Tarnkappenflugzeuge im Kampf eingesetzt haben. Im Golfkrieg 1990 flogen die F-117 1.300 Einsätze und erzielten direkte Treffer auf 1.600 hochwertige Ziele im Irak. Nur 2,5 Prozent der amerikanischen Flugzeuge im Irak waren F-117, doch sie trafen 40 Prozent der strategischen Ziele mit einer Erfolgsquote von 80 Prozent. In Jugoslawien wurden 1999 F-117 und der Stealth-Bomber B-2 Spirit eingesetzt. Eine F-117 wurde von einer serbischen S-125 „Neva-M“-Rakete abgeschossen. Die B-2 Spirit zerstörte in den ersten acht Wochen des US-Kriegseinsatzes 33 % der ausgewählten serbischen Ziele. Die B-2 flogen von ihrer Heimatbasis in Missouri nonstop in den Kosovo und zurück. Bei der Invasion des Irak im Jahr 2003 wurden die F-117 und die B-2 eingesetzt, und dies war das letzte Mal, dass die F-117 im Einsatz war.

Der Hubschrauber Sikorsky UH-60 Black Hawks, der bei der Operation zur Tötung Osama bin Ladens im Mai 2011 zum Einsatz kam, wurde stark modifiziert, um leisere Einsätze zu ermöglichen und mit Tarnkappentechnologie ausgestattet, um für Radargeräte weniger sichtbar zu sein. Die F-22 feierte ihr Kampfdebüt über Syrien im September 2014 als Teil der von den USA geführten Koalition gegen ISIS. Im Jahr 2018 führten israelische F-35I-Tarnkappenflugzeuge eine Reihe von Einsätzen in Syrien durch und drangen sogar unbemerkt in den iranischen Luftraum ein. Die chinesische J-20 wurde 2017 bei der chinesischen Luftwaffe in Dienst gestellt. Das FC-31 befindet sich noch in der Entwicklung. Das russische Tarnkappenflugzeug Su-57 soll 2020 in Dienst gestellt werden.

KÜNFTIGE STEALTH-INITIATIVEN

Die Gestaltung von Flugzeugen für Tarnkappenflugzeuge geht oft zu Lasten der aerodynamischen Leistung. Nach der Erfindung von Meta-Oberflächen wurden die konventionellen Mittel zur Verringerung des RCS deutlich verbessert.

Metasurfaces sind dünne zweidimensionale Metamaterialschichten, die die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in gewünschte Richtungen zulassen oder hemmen. Metasurfaces können gestreute Wellen umlenken, ohne die Geometrie eines Ziels zu verändern.

Plasma Stealth ist ein Phänomen, bei dem ionisiertes Gas zur Verringerung des RCS eingesetzt wird. Durch die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und ionisiertem Gas könnte eine Plasmaschicht oder -wolke um die Plattform herum entstehen, die Radarstrahlen ablenkt oder absorbiert.

Es gibt Forschungsarbeiten zur Integration der Funktionen der Flugsteuerung in die Tragflächen, um die RCS durch die Reduzierung von beweglichen Teilen, Gewicht und Kosten zu verringern. Das Konzept eines flexiblen Flügels, der im Flug seine Form ändern kann, um die Luftströmung abzulenken, entwickelt sich weiter. Adaptive aeroelastische Tragflächen werden erforscht.

Bei der Fluidik geht es im Wesentlichen um die Einspritzung von Flüssigkeiten in Flugzeuge zur Richtungssteuerung durch Zirkulationssteuerung und Schubvektorisierung.

Fluidische Systeme, bei denen größere Fluidkräfte durch kleinere Düsen intermittierend umgelenkt werden, um die Richtung zu ändern. BAE Systems hat zwei unbemannte Flugzeuge mit Fluidiksteuerung getestet.

Mehrere Stealth-Flugzeuge befinden sich in der Entwicklung. Die russische MiG-41 soll die MiG-31 ersetzen. Die MiG LMFS ist aus dem inzwischen eingestellten Mikoyan-Projekt 1.44 hervorgegangen. Die Tupolev PAK DA soll ein Tarnkappenbomber sein und die Tu-95 ersetzen. Die Xian H-20 wäre ein Unterschall-Tarnkappenbomber. Shenyang J-18 ist ein VSTOL-Tarnkappenflugzeug, ähnlich der US F-35B. Das indische Advanced Medium Combat Aircraft wird ein Stealth-Flugzeug der fünften Generation sein. Northrop Grumman B-21 Raider wird ein Tarnkappenbomber für Langstreckeneinsätze sein.

BAE Systems Tempest, Saabs Flygsystem 2020 und das multinationale europäische Kampfflugzeug der neuen Generation sind einige ernsthaftere Programme. KAI KF-X ist ein gemeinsames Programm von Indonesien und Südkorea. HESA Shafaq ist ein iranisches Tarnkappenflugzeugprojekt. Die Türkei plant die Entwicklung von TAI TFX als Ersatz für die F-16. Das Projekt AZM ist ein pakistanischer Versuch, eine Kampfjet-Technologie der fünften Generation zu entwickeln. Unter den Hubschraubern befindet sich ein getarnter, nicht benannter Kamov-Hubschrauber. Der leichte Kampfhubschrauber von Hindustan Aeronautics Ltd. und der Eurocopter Tiger sollen über Tarnkappenfunktionen verfügen.

Die Technologien zur Bekämpfung der Tarnkappe entwickeln sich bereits schnell weiter. Alle Länder entwickeln fortschrittliche Radarsysteme, die in naher Zukunft in der Lage sein werden, diese Flugzeuge zu entdecken.

IST STEALTH ÜBERBEWERTET?

Radarabwehrende Kampfflugzeuge erfordern sorgfältige Konstruktionsarbeit, umfangreiche Tests und exotische Materialien für ihre Konstruktion – alles Merkmale, die ihre Kosten im Vergleich zu herkömmlichen, nicht getarnten Flugzeugen verdoppeln oder verdreifachen können, sagen Experten. Sie argumentieren, dass Tarnkappenflugzeuge überbewertet werden und es besser ist, eine größere Anzahl billigerer, nicht tarnkappenfähiger Flugzeuge zu kaufen. Die hohen Kosten für die Entwicklung, den Kauf und die Wartung von Tarnkappenflugzeugen bedeuten, dass sie nur sparsam eingesetzt werden können. Viele Tarnkappenflugzeuge haben immer noch fragwürdige Fähigkeiten. Viele AAMs mit großer Reichweite lassen sich in den meisten Kampfflugzeugen nur schwer unterbringen.

Canard-Steuerungen und externe Hardpoints sind „Tarnkappenkiller“. Auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis von Tarnkappenflugzeugen ist noch fraglich. Wenn eine moderne Luftwaffe einen Gegner mit einer starken Flugabwehr angreifen will, braucht sie eine wirksame Unterdrückung der feindlichen Luftabwehr (SEAD), um Verluste zu vermeiden. Ein schnelles, gut bewaffnetes und hochmanövrierfähiges „elektronisches Angriffsflugzeug“ vom Typ Boeing EA-18G Growler verfügt über die Fähigkeit, das gesamte Spektrum zu stören. SEAD kann viel billiger sein als Stealth.

Die Technologien zur Bekämpfung von Tarnkappenflugzeugen entwickeln sich bereits schnell weiter. Mit 100 Millionen Dollar ist selbst ein kleines Flugzeug wie die F-35 nicht billig. Der F-22 Raptor kostet fast 150 Millionen Dollar. Die US-Luftwaffe musste das F-22-Montageband nach nur 187 Flugzeugen schließen. Alle Länder entwickeln fortschrittliche Radarsysteme, die in naher Zukunft in der Lage sein werden, diese Flugzeuge zu erkennen. Die russische T-50 gilt als weniger tarnkappenfähig und hat mit Technologie- und Kostenproblemen zu kämpfen. Die parallel laufenden chinesischen Tarnkappenprogramme J-20 und J-31 sind geheimnisumwittert, und China war gezwungen, die teure russische Su-35 zu kaufen. Tarnkappenflugzeuge erfordern außerdem hohe Wartungskosten und -zeiten. Die meisten Tarnkappenflotten sind für ihre hohen Ausfallzeiten bekannt. Ob Tarnkappenflugzeuge in erster Linie einen psychologischen Wert haben oder nicht, wird sich erst mit der Zeit zeigen.

7 Dinge, die Sie über das modernste Radar wissen sollten

In der heutigen Zeit sind Informationen die mächtigste Ressource, die wir haben. SPY-7, das fortschrittlichste Radar der Welt, ist daher ein entscheidendes Instrument für Kriegsteilnehmer auf der ganzen Welt. Möchten Sie wissen, was dieses Radar so einzigartig macht? Lesen Sie weiter.

1. Die SPY-7-Technologie funktioniert an Land und auf See.

Wir verwenden Radarbausteine – denken Sie an Legos® – um unsere Technologie auf die Größe und den Umfang zu skalieren, den unsere Kunden benötigen. Sie brauchen ein Seeradar, um eine kleine Anzahl von Objekten zu verfolgen? Kein Problem. Sie brauchen ein großes, landgestütztes Radar, um viele ballistische oder Hyperschall-Raketen zu verfolgen? Auch das können wir.

2. SPY-7 hat eine 3,3-mal größere Reichweite als das bestehende SPY-1-Radar und eine bessere Reichweite als jedes andere Radar der Konkurrenz.

Diese Art der Langstreckenerfassung mit hohem Volumen trägt dazu bei, die Verteidigungskräfte früher vor ankommenden Objekten zu warnen, so dass sie mehr Zeit haben, um zu entscheiden, was sie gegen die Bedrohung unternehmen wollen.

3. Männer und Frauen in den Streitkräften können sich darauf verlassen, dass das SPY-7 zwischen gefährlichen und harmlosen Zielen unterscheidet.

Angesichts der Zunahme hochentwickelter Bedrohungen ist es von entscheidender Bedeutung, dass sie erkennen können, welche Bedrohungen real sind und welche nicht. SPY-7 verfügt über eine Polarisationsvielfalt, was bedeutet, dass es Bedrohungen besser klassifizieren und identifizieren kann. Das bedeutet, dass die Verteidigungskräfte ihre Aufmerksamkeit und Reaktionen besser auf echte Bedrohungen richten können, um die Menschen zu schützen.

4. Im Gegensatz zum derzeitigen Radar können die Soldaten das Radar bedienen, während sie Wartungsarbeiten an SPY-7 durchführen, so dass es keine Schutzlücke gibt.

Bei etwas so Wichtigem wie Situationsbewusstsein und Bedrohungserkennung ist es entscheidend, rund um die Uhr sehen zu können. Die meisten herkömmlichen Radargeräte müssen einige oder alle Sensorfunktionen abschalten, damit sie gewartet werden können. Das SPY-7 ist das einzige Radar, das es den Bedienern ermöglicht, während des Betriebs Wartungsarbeiten durchzuführen.

5. Für seine Leistungsfähigkeit ist diese Technologie erstaunlich erschwinglich.

Da wir die vorhandene Radartechnologie, die starke Zuliefererkette und die gemeinsame Softwarebibliothek genutzt haben, konnten wir die Kosten für unser Radar im Vergleich zum LRDR-Programm um 10 Prozent senken.

6. Dieses Radar ist jetzt fertig. Es ist heute in Produktion.

Je früher die Verteidigungskräfte über dieses Radar verfügen und damit einen besseren Zugang zum Lagebild haben, desto besser. Diese Technologie wird bereits heute für SPY-7 produziert, da die ausgereifte Technologie des Long Range Discrimination Radar (LRDR) genutzt wird. LRDR ist ein Vorläufer von SPY-7 und hat die Produktion bereits abgeschlossen und wurde erfolgreich demonstriert. Das LRDR-Radar wird in Clear, Air Force Station, Alaska, USA, installiert und soll 2021 an die Missile Defense Agency ausgeliefert werden.

7. SPY-7 wurde von vier Ländern ausgewählt, um ihre Bürger und Verteidigungskräfte zu schützen.

Japan, Kanada, Spanien und die USA haben sich alle für SPY-7 entschieden. Kanada und Spanien haben dieses Radar für ihre neuesten Kampfschiffe ausgewählt, und Japan hat erklärt, dass es SPY-7 auf seegestützten Plattformen oder Schiffen einsetzen wird. Die USA verwenden es derzeit für landgestützte Anwendungen.

OBJEKTE MIT UNSICHTBAREN WELLEN ERKENNEN: RADAR, SONAR UND ECHOORTUNG ZUM „SEHEN“ NUTZEN

Die Fähigkeit, sichtbare Lichtwellen zu sehen, kann von Vorteil sein, um die Größe, Form, Entfernung und Geschwindigkeit von Dingen in unserer Umgebung zu bestimmen. Aber in vielen Situationen ist das Sehen nicht die beste Option für die Fernerkennung von Objekten. Die meisten Tiere haben zum Beispiel keine Augen am Hinterkopf, viele können nachts nicht sehr gut sehen, und einige leben in den Tiefen des Ozeans, wo das sichtbare Licht nicht hinkommt. Diese Bedingungen behindern jedoch nicht die Fähigkeit vieler Tiere, Objekte zu erkennen. Wie können also Menschen und andere Tiere entfernte Objekte „sehen“, ohne auf den Einsatz des Sehsinns angewiesen zu sein?

Eine Antwort ist, dass es andere Arten von Wellen außerhalb des sichtbaren Lichts gibt und Tiere Methoden entwickelt haben, um diese zu erkennen. Zwei dieser Methoden, Sonar und Radar, sind vom Menschen geschaffene Erkennungssysteme, die es uns ermöglichen, zu „sehen“, was unsere Augen nicht sehen können. Die andere, die Echoortung, ist eine natürliche Methode, mit der einige Tiere Bewegungen durch Schallwellen erkennen können.

Radar

Radar ist ein System zum Aufspüren, Lokalisieren, Verfolgen und Erkennen von Objekten aus großer Entfernung. R.A.D.A.R. ist ein Akronym für „Radio Detection and Ranging“. Es wurde ursprünglich in den 1930er und 1940er Jahren für militärische Zwecke entwickelt, wird heute aber auch für zivile Zwecke eingesetzt. Einige dieser Verwendungszwecke sind die Wetterbeobachtung, die Luftverkehrskontrolle und die Überwachung anderer Planeten.

Radar für die Luftverkehrskontrolle.

Radar funktioniert, indem es Radiowellen, eine Art elektromagnetischer Wellen, in Impulsen über einen Radiosender aussendet. Die Wellen werden von Objekten auf ihrem Weg zurück zu einem Empfänger reflektiert, der diese Reflektionen erkennen kann. Radargeräte verwenden in der Regel dieselbe Antenne zum Senden und Empfangen, was bedeutet, dass das Gerät zwischen aktiv und passiv wechselt. Anhand der empfangenen Radiowelleninformationen kann der Beobachter die Entfernung und den Standort des Objekts, die Geschwindigkeit, mit der es sich im Verhältnis zum Empfänger bewegt, die Bewegungsrichtung und manchmal auch die Form und Größe des Objekts bestimmen.

Radiowellen haben von allen elektromagnetischen Wellen die längste Wellenlänge und die niedrigste Frequenz. Da sie sich langsamer bewegen und weniger Energie verbrauchen, können sie auch bei ungünstigen Wetterbedingungen wie Nebel, Regen, Schnee usw. gut übertragen werden. Detektionssysteme wie Lidar, die mit Infrarot- und sichtbaren Wellen mit kürzeren Wellenlängen und höheren Frequenzen arbeiten, funktionieren unter solchen Bedingungen nicht gut.

Während sich Radar effektiv durch verschiedene Umgebungsbedingungen hindurch oder um sie herum bewegen kann, ist es unter Wasser weit weniger effektiv. Die elektromagnetischen Wellen des Radars werden in großen Wassermassen innerhalb weniger Meter nach der Übertragung absorbiert. Stattdessen verwenden wir bei Unterwasseranwendungen Sonar.

Sonar

S.O.N.A.R., ein Akronym für „Sound Navigation and Ranging“, ist ein ähnliches System wie Radar, bei dem Wellen in Form von Impulsen gesendet und empfangen werden, um Entfernung und Geschwindigkeit zu bestimmen. Es funktioniert jedoch durch die Verwendung von Schallwellen und ist unter Wasser sehr effektiv.

Schallwellen sind mechanische Wellen, d. h. sie sind Schwingungen oder Hin- und Herbewegungen von Materie mit regelmäßigen Geschwindigkeiten. Wenn eine mechanische Welle auf ein Hindernis trifft oder an das Ende des Mediums gelangt, in dem sie sich bewegt, wird ein Teil der Welle in das ursprüngliche Medium zurückgeworfen. Wasser ist ein fantastisches – wenn auch langsames – Medium, um mechanische Wellen über weite Entfernungen zu übertragen, was Sonar zur ersten Wahl für die Erkennung von Unterwasserobjekten macht.

Echolot

Die Echolokation ist eine natürliche Methode zur Übertragung und Erkennung von Schallwellen, die von Tieren verwendet wird, um das gleiche Ziel der Objekterkennung zu erreichen. Obwohl sie in der Umgangssprache manchmal als Sonar bezeichnet wird, benötigt die Echolokation keine vom Menschen hergestellten Geräte, um zu funktionieren, und wird sowohl über als auch unter Wasser eingesetzt. Tiere nutzen die Echoortung, indem sie Schallwellen in die Luft oder das Wasser vor sich aussenden. Anhand der Echos, die bei der Reflexion dieser Töne entstehen, können sie dann Informationen über Objekte in ihrem Weg feststellen.

Die Echoortung kann von jedem Tier genutzt werden, das über schallproduzierende und sensorische Fähigkeiten verfügt. Es ist bekannt, dass Menschen Methoden entwickelt haben, mit denen sie systematisch auf Stöcke klopfen oder mit der Zunge schnalzen, um die für die Echoortung erforderlichen Töne zu erzeugen. Im Allgemeinen wird die Echoortung jedoch eher mit der Verwendung von Ultraschall durch nicht-menschliche Tiere in Verbindung gebracht. Ultraschall ist ein Schall, dessen mechanische Wellenfrequenz höher ist als die, die das menschliche Ohr wahrnehmen kann, obwohl er genauso funktioniert wie hörbare Schallwellen.

Fledermäuse gehören zu den bekanntesten Nutzern der Echoortung. Sie verwenden relativ hohe Wellenlängen, meist Ultraschallwellen, und einige von ihnen können Echoortungstöne von bis zu 140 Dezibel erzeugen – mehr als ein Militärjet, der in nur 100 Fuß Entfernung abhebt. Um mit solch intensiven Schallwellenvibrationen umgehen zu können, schalten Fledermäuse kurz vor dem Rufen ihre Mittelohren aus, um nicht durch ihre eigenen Rufe betäubt zu werden.

Sie benutzen Muskeln in ihrem Mittelohr, um die Knochen, die die Schallwellen zum Innenohr leiten, auseinander zu ziehen, so dass die Schallwellen keinen Weg mehr finden, die Hörschnecke zu beschädigen. Ähnlich wie bei Radargeräten, die zwischen aktiven Sendern und passiven Empfängern wechseln, stellen Fledermäuse ihr volles Hörvermögen einen Sekundenbruchteil später wieder her, um auf Echos zu hören.

Die meisten der mehr als 1300 Fledermausarten nutzen die Echoortung, um bei schlechten Lichtverhältnissen zu jagen und zu navigieren. Fossile Beweise zeigen, dass sich diese Fähigkeit bei Fledermäusen vor mindestens 52 Millionen Jahren entwickelt hat. Sie können ein Insekt in bis zu 15 Fuß Entfernung erkennen und seine Größe, Form, Härte und Flugrichtung durch den geschickten Einsatz der Echoortung bestimmen.

Wellenechos

Tiere sind seit langem in der Lage, Objekte in der Ferne durch die Manipulation nicht sichtbarer Wellen zu erkennen, indem sie Technologien wie Radar und Sonar oder natürliche Echoortung einsetzen. Obwohl jede dieser Methoden ein wenig anders funktioniert und sich auf verschiedene Formen, Größen und Arten von Wellen stützt, funktionieren sie alle, indem sie Wellen aussenden und dann anhand der Echos dieser Wellen Merkmale bestimmen.

Versuchen Sie es zu Hause

Gehen Sie in eine Ecke eines ruhigen Zimmers und schließen Sie die Augen. Versuchen Sie, Ihren Kopf zu drehen und dabei mit dem Mund Klickgeräusche zu machen, ohne Ihren Körper zu viel zu bewegen. Können Sie an der Veränderung des Klickgeräuschs erkennen, wenn Sie sich mehr einer Wand zuwenden oder wenn sich Gegenstände in Ihrer Nähe befinden? Versuchen Sie, Ihre Hand vor Ihr Gesicht zu halten und sie hin und her zu bewegen, während Sie klicken. Können Sie anhand des Geräuschs erkennen, wie weit der Gegenstand entfernt ist oder in welche Richtung er sich bewegt? Seien Sie kreativ und probieren Sie es mit verschiedenen Arten von Gegenständen und verschiedenen Orten aus!

Faktoren, die die Radarleistung beeinflussen

Die Leistung eines Radarsystems kann anhand der folgenden Kriterien beurteilt werden:

(1) die maximale Reichweite, bei der es ein Ziel einer bestimmten Größe sehen kann

(2) die Genauigkeit der Messung der Zielposition in Bezug auf Entfernung und Winkel

(3) seine Fähigkeit, ein Ziel von einem anderen zu unterscheiden

(4) seine Fähigkeit, das gewünschte Zielecho zu erkennen, auch wenn es durch große Störechos, unbeabsichtigte Störsignale von anderen „freundlichen“ Sendern oder absichtliche Strahlung von feindlichen Störsendern (wenn es sich um ein Militärradar handelt) verdeckt wird

(5) seine Fähigkeit, die Art des Ziels zu erkennen, und

(6) seine Verfügbarkeit (Fähigkeit, im Bedarfsfall zu arbeiten), Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit.

Einige der wichtigsten Faktoren, die die Leistung beeinflussen, werden in diesem Abschnitt behandelt.

Leistung des Senders und Größe der Antenne

Die maximale Reichweite eines Radarsystems hängt zu einem großen Teil von der durchschnittlichen Leistung des Senders und der Größe der Antenne ab. (In der Fachsprache nennt man dies das Leistungs-Apertur-Produkt.)

Für beide Faktoren gibt es praktische Grenzen. Wie bereits erwähnt, haben einige Radarsysteme eine durchschnittliche Leistung von etwa einem Megawatt. Phased-Array-Radargeräte mit einem Durchmesser von etwa 30 Metern (100 Fuß) sind keine Seltenheit; einige sind noch viel größer.

Es gibt spezialisierte Radargeräte mit (festen) Antennen, wie z. B. einige HF-Over-the-Horizon-Radargeräte und das US-amerikanische Weltraumüberwachungssystem (SPASUR), die eine Reichweite von mehr als 1,6 km (1 Meile) haben.

Empfangsrauschen

Die Empfindlichkeit eines Radarempfängers wird durch das unvermeidliche Rauschen bestimmt, das an seinem Eingang auftritt. Bei Mikrowellen-Radarfrequenzen wird das Rauschen, das die Erkennbarkeit einschränkt, in der Regel durch den Empfänger selbst erzeugt (d. h. durch die zufällige Bewegung von Elektronen am Eingang des Empfängers) und nicht durch externes Rauschen, das über die Antenne in den Empfänger gelangt.

Ein Radartechniker verwendet häufig einen Transistorverstärker als erste Stufe des Empfängers, obwohl ein geringeres Rauschen mit anspruchsvolleren (und komplexeren) Geräten erreicht werden kann.

Dies ist ein Beispiel für die Anwendung des grundlegenden technischen Prinzips, dass die „beste“ Leistung, die erzielt werden kann, nicht unbedingt die Lösung ist, die den Bedürfnissen des Benutzers am besten entspricht.

Der Empfänger ist darauf ausgelegt, die gewünschten Signale zu verstärken und das Rauschen und andere unerwünschte Signale, die die Erkennung stören, zu reduzieren. Der Konstrukteur versucht, die Erkennbarkeit schwacher Signale zu maximieren, indem er einen so genannten „angepassten Filter“ einsetzt, d. h. einen Filter, der das Signal-Rausch-Verhältnis am Empfängerausgang maximiert.

Der angepasste Filter hat eine präzise mathematische Formulierung, die von der Form des Eingangssignals und dem Charakter des Empfängerrauschens abhängt. Eine geeignete Annäherung an den angepassten Filter für das gewöhnliche Pulsradar ist jedoch ein Filter, dessen Bandbreite in Hertz dem Kehrwert der Pulsbreite in Sekunden entspricht.

Zielgröße

Die Größe eines Ziels, wie es vom Radar „gesehen“ wird, hat nicht immer etwas mit der physischen Größe des Objekts zu tun. Das Maß für die vom Radar beobachtete Zielgröße wird als Radarquerschnitt bezeichnet und in Flächeneinheiten (Quadratmeter) angegeben. Es ist möglich, dass sich zwei Ziele mit der gleichen physischen Querschnittsfläche in ihrer Radargröße bzw. ihrem Radarquerschnitt erheblich unterscheiden.

Eine flache Platte mit einer Fläche von 1 Quadratmeter hat zum Beispiel bei einer Frequenz von 3 GHz einen Radarquerschnitt von etwa 1.000 Quadratmetern, wenn sie senkrecht zur Oberfläche betrachtet wird.

Eine Kegelkugel (ein Objekt, das einer Eistüte ähnelt) könnte, wenn sie in Richtung des Kegels und nicht der Kugel betrachtet wird, einen Radarquerschnitt von etwa 0,001 Quadratmetern haben, obwohl ihre projizierte Fläche ebenfalls 1 Quadratmeter beträgt.

Theoretisch hat der Radarquerschnitt wenig mit der Größe des Kegels oder dem Kegelwinkel zu tun. So können die flache Platte und die Kegelkugel Radarquerschnitte haben, die sich um eine Million zu eins unterscheiden, obwohl ihre projizierten Flächen gleich groß sind.

Die Kugel ist insofern ein ungewöhnliches Ziel, als ihr Radarquerschnitt der gleiche ist wie ihre physikalische Querschnittsfläche (wenn ihr Umfang im Vergleich zur Radarwellenlänge groß ist). Das heißt, eine Kugel mit einer projizierten Fläche von 1 Quadratmeter hat einen Radarquerschnitt von 1 Quadratmeter.

Verkehrsflugzeuge können einen Radarquerschnitt von etwa 10 bis 100 Quadratmetern haben, außer wenn sie von der Breitseite betrachtet werden, wo der Querschnitt viel größer ist. Die meisten Flugsicherungsradare müssen Flugzeuge mit einem Radarquerschnitt von nur 2 Quadratmetern erkennen, da einige kleine Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt diesen Wert haben können.

Zum Vergleich: Der Radarquerschnitt eines Menschen wurde bei Mikrowellenfrequenzen mit etwa 1 Quadratmeter gemessen. Ein Vogel kann einen Querschnitt von 0,01 bis 0,001 Quadratmetern haben.

Obwohl dies ein kleiner Wert ist, kann ein Vogel mit einem Langstreckenradar leicht in einer Entfernung von mehreren zehn Kilometern entdeckt werden. Im Allgemeinen können viele Vögel vom Radar erfasst werden, so dass in der Regel besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um sicherzustellen, dass ihre Echos die Erfassung der gewünschten Ziele nicht stören.

Der Radarquerschnitt eines Flugzeugs und der der meisten anderen Ziele von praktischem Interesse schwankt schnell, wenn sich der Aspekt des Ziels in Bezug auf das Radargerät ändert. Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine geringfügige Änderung des Aspekts den Radarquerschnitt um einen Faktor 10 bis 1.000 verändert.

Störsignale

Echos von Land, Meer, Regen, Schnee, Hagel, Vögeln, Insekten, Polarlichtern und Meteoren sind für Umweltbeobachter und -forscher von Interesse, aber für diejenigen, die Flugzeuge, Schiffe, Raketen oder ähnliche Ziele aufspüren wollen, sind sie ein Ärgernis.

Störechos können die Leistungsfähigkeit eines Radarsystems ernsthaft einschränken; daher ist ein wesentlicher Teil der Radarkonstruktion der Minimierung der Auswirkungen von Störechos gewidmet, ohne dabei die Echos von gewünschten Zielen zu reduzieren.

Die Doppler-Frequenzverschiebung ist das übliche Mittel, mit dem bewegliche Ziele von den Störechos stationärer Objekte unterschieden werden.

Die Erkennung von Zielen bei Regen ist bei niedrigeren Frequenzen weniger problematisch, da das Radarecho von Regen mit abnehmender Frequenz schnell abnimmt und der durchschnittliche Wirkungsquerschnitt von Flugzeugen im Mikrowellenbereich relativ unabhängig von der Frequenz ist.

Da Regentropfen mehr oder weniger kugelförmig (symmetrisch) und Flugzeuge asymmetrisch sind, kann die Verwendung von zirkularer Polarisation die Erkennung von Flugzeugen im Regen verbessern. Bei zirkularer Polarisation rotiert das elektrische Feld mit der Radarfrequenz.

Dadurch wird die elektromagnetische Energie, die vom Regen und dem Flugzeug reflektiert wird, unterschiedlich beeinflusst, was die Unterscheidung zwischen den beiden erleichtert. (Bei schönem Wetter verwenden die meisten Radargeräte eine lineare Polarisation, d. h. die Richtung des elektrischen Feldes ist fest.)

Atmosphärische Effekte

Wie bereits erwähnt, können Regen und andere Niederschläge Echosignale verursachen, die die gewünschten Zielechos verdecken. Es gibt noch weitere atmosphärische Phänomene, die die Radarleistung beeinträchtigen können.

Die mit zunehmender Höhe abnehmende Dichte der Erdatmosphäre führt dazu, dass die Radarwellen bei ihrer Ausbreitung durch die Atmosphäre gebeugt werden. Dadurch erhöht sich in der Regel der Erfassungsbereich bei niedrigen Winkeln in geringem Maße.

Die Atmosphäre kann „Kanäle“ bilden, die die Radarenergie einfangen und um die Erdkrümmung herumleiten, so dass sie auch in Entfernungen jenseits des normalen Horizonts erfasst werden können. Die Bildung von Kanälen über Wasser ist in tropischen Klimazonen wahrscheinlicher als in kälteren Regionen. Ducts können manchmal die Reichweite eines Radargeräts in der Luft vergrößern, aber in anderen Fällen können sie dazu führen, dass die Radarenergie abgelenkt wird und Regionen unterhalb der Ducts nicht beleuchtet werden.

Dies führt zur Bildung von so genannten Radarlöchern in der Abdeckung. Da sie weder vorhersehbar noch zuverlässig sind, können sie in manchen Fällen eher lästig als hilfreich sein.

Der Verlust von Radarenergie durch atmosphärische Absorption, wenn die Ausbreitung durch die klare Atmosphäre oder Regen erfolgt, ist bei den meisten Systemen, die auf Mikrowellenfrequenzen arbeiten, in der Regel gering.

Interferenzen

Signale von benachbarten Radargeräten und anderen Sendern können stark genug sein, um in einen Radarempfänger einzudringen und Störsignale zu erzeugen. Gut geschulte Bediener werden durch Interferenzen nicht oft getäuscht, obwohl sie sie als störend empfinden können.

Interferenzen können jedoch von automatischen Erkennungs- und Verfolgungssystemen nicht so leicht ignoriert werden. Daher ist in der Regel eine Methode erforderlich, um Interferenzimpulse zu erkennen und zu entfernen, bevor sie in den automatischen Detektor und Tracker eines Radars gelangen.

Elektronische Gegenmaßnahmen (elektronische Kampfführung)

Der Zweck feindlicher elektronischer Gegenmaßnahmen (ECM) besteht darin, die Wirksamkeit militärischer Radargeräte gezielt zu beeinträchtigen. ECM kann bestehen aus

(1) Störsignale, die über die Antenne in den Empfänger gelangen und den Rauschpegel am Eingang des Empfängers erhöhen

(2) Falschzielgenerierung oder Repeater-Jamming, bei dem feindliche Störsender zusätzliche Signale in den Radarempfänger einspeisen, um den Empfänger zu verwirren und ihn glauben zu machen, es handele sich um echte Zielechos

(3) Düppel (chaff), eine künstliche Wolke, die aus einer großen Anzahl winziger metallischer Reflexionsstreifen besteht, die starke Echos über ein großes Gebiet erzeugen, um das Vorhandensein echter Zielechos zu verdecken oder Verwirrung zu stiften, und

(4) Täuschkörper, d. h. kleine, kostengünstige Luftfahrzeuge oder andere Objekte, die dem Radar als echte Ziele erscheinen sollen. Militärische Radargeräte sind auch direkten Angriffen durch konventionelle Waffen oder durch Antistrahlungsraketen (ARMs) ausgesetzt, die Radarübertragungen nutzen, um das Ziel zu finden und es anzuvisieren.

Ein Maß für die Wirksamkeit des militärischen Radars sind die großen Summen, die für Maßnahmen der elektronischen Kriegsführung, ARMs und Tarnkappenflugzeuge ausgegeben werden.

Militärische Radaringenieure haben verschiedene Methoden entwickelt, um feindlicher ECM entgegenzuwirken und die Fähigkeit eines Radarsystems, seinen Auftrag zu erfüllen, zu erhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass ein militärisches Radarsystem seinen Auftrag oft zufriedenstellend erfüllen kann, obwohl seine Leistung bei Vorhandensein von ECM nicht so ist, wie sie wäre, wenn solche Maßnahmen nicht vorhanden wären.

Die 8 wichtigsten Innovationen der Flugzeugelektronik aller Zeiten.

Jede dieser revolutionären Technologien hat das Fliegen einfacher und sicherer gemacht.

Moderne Piloten wissen gar nicht, wie gut sie es haben. Selbst die Flieger, die schon geflogen sind, bevor die meisten von uns geboren wurden, sind mit Technologien aufgewachsen, die ihren Vorgängern nicht zur Verfügung standen und die sie sich oft nicht vorstellen konnten. Das liegt in der Natur des Fortschritts, aber man vergisst leicht, wie weit und wie schnell wir es in der Luftfahrt gebracht haben.  

Hier ist eine kurze Liste mit acht der wichtigsten Technologien in der Geschichte der Luftfahrt, und Sie werden überrascht sein, wie früh einige von ihnen eingeführt wurden.

Funkkommunikation

Es mangelt nicht an Wundertechnologien, die wir Piloten als selbstverständlich ansehen. Ich würde behaupten, dass der Funkverkehr während des Fluges ganz oben auf der Liste stehen sollte. Die meisten Piloten glauben, dass es Funkgeräte schon immer gegeben hat, und damit haben sie nicht ganz unrecht. Sie werden keine Fotos finden, auf denen Orville vom Wright Flyer aus Berichte an Wilbur schickt; es dauerte nur etwas mehr als ein Jahrzehnt, bis der erste erfolgreiche Luft-Boden-Funkruf getätigt wurde, als Captain J.M. Furnival 1915 eine Übertragung vom Boden auffing, die von einem Major Prince (Vorname unbekannt) gesendet wurde, der die Nachricht funkte: „Wenn Sie mich jetzt hören können, ist es das erste Mal, dass einem Flugzeug im Flug Sprache übermittelt wurde.“ Für unseren Geschmack ist das ein wenig Meta – wir bevorzugen „Watson, komm her, ich brauche dich“. Aber es war ein Anfang.

In den frühen 1930er Jahren waren Funkgeräte, die wie einige andere Luftfahrttechnologien im Gleichschritt mit dem Fortschritt der Luftfahrt zu reifen schienen, klein, leicht und zuverlässig genug, um auch in kleinen Flugzeugen eingesetzt zu werden. Zu dieser Zeit wurde auch die Internationale Kommission für Luftnavigation gegründet, um ein babylonisches Kommunikationswirrwarr zu vermeiden, und legte die ersten Normen für die Funkkommunikation in der Luft fest.

Wohin diese Technologie führte, ist fast jedem Piloten bekannt. Heute können wir problemlos von Luft zu Boden, von Boden zu Luft und von Luft zu Luft kommunizieren, in der Regel mit hervorragender Sprachverständlichkeit auch über große Entfernungen. Die Vorteile dieser Technologie sind zu zahlreich und offensichtlich, als dass wir sie hier aufzählen könnten, aber es genügt zu sagen, dass man sich eine moderne Luftfahrt ohne das Zusammenspiel von Piloten und Fluglotsen nur schwer vorstellen kann.

Instrumentenlandesystem

Das Instrumentenlandesystem ist ein anmaßender, sogar prahlerischer Name. Selbst als es eingeführt wurde, war es kaum das erste oder einzige System, das einem Flugzeug bei schlechten Sichtverhältnissen hilft, den Flughafen mit Hilfe von Instrumenten zu finden. Aber so wie sich niemand beschwerte, als Muhammad Ali sich „The Greatest“ nannte, weil er es so eindeutig war, so galt das auch für ILS. Während ein VOR-Anflug Sie in Rufweite des endgültigen Anflugpunkts bringen konnte (mit Hilfe einer Stoppuhr, einer Schätzung der Winde und, wenn Sie Glück hatten, eines sich kreuzenden Radialkurses), bot ein ILS die ganze Palette an seitlichen und vertikalen Orientierungshilfen, und zwar mit einer solchen Präzision, dass die meisten ILS Sie bis auf 200 Fuß über Grund brachten. Es war zwar eine umfangreiche Infrastruktur erforderlich, aber es schuf ein hochpräzises Landesystem zu einer Zeit, als die Technologien, die die Flugsicherungsarchitekten nutzen konnten, noch rudimentär waren. Es handelte sich im Wesentlichen um Navigationsfunksignale, die vertikal (Gleitpfad) und seitlich (Localizer-Komponente) angeordnet waren, und ein Instrument im Flugzeug, das diese Signale verfolgte. Während das Fliegen eines ILS Übung erfordert und Fähigkeiten voraussetzt, die für viele Piloten nicht selbstverständlich sind – auf dem Gleitpfad zu bleiben ist ebenso eine Kunst wie eine Wissenschaft -, ist es ein in sich geschlossenes System, das den VOR-Anflug geradezu primitiv erscheinen lässt.

Sicherlich sind RNAV-Präzisionsanflüge in einigen wichtigen Punkten besser, aber ILS war mehr als 50 Jahre lang der unangefochtene Champion des Instrumentenflugs. Und da es immer noch weit verbreitet ist, sogar für automatische Landungen, erwartet kaum jemand, dass es in absehbarer Zeit verschwinden wird.

GPS

Die Entwicklung des Global Positioning System (GPS) durch das US-Verteidigungsministerium war ein Wendepunkt in der Flächennavigation, obwohl es nicht das erste System dieser Art war. Bevor GPS in den späten 1980er Jahren für die zivile Nutzung entwickelt wurde, gab es bereits einige Flächennavigationssysteme, von denen jedoch nur wenige den Weg in die Flugdecks von Kleinflugzeugen fanden.

Es gibt Flächennavigationssysteme, die die Position auf der Grundlage der relativen Positionen von Funk-Navigationshilfen und DME berechnen – sie waren extrem genau. Der KNS-80-Navigationsempfänger von Bendix-King war ein mäßig populäres Produkt und ist immer noch in der Instrumententafel einiger Kleinflugzeuge zu finden, obwohl er unserer Erfahrung nach nur selten zum Einsatz kommt.

Es gibt auch Trägheitssysteme, die hochentwickelte (und enorm teure) Kombinationen von Kreiseln und/oder Lasern oder Festkörperkreiseln zusammen mit Magnetometern und anderen Hilfsmitteln verwenden, um die Position auf der Grundlage von Drehraten zu berechnen. Die Wissenschaft, die hinter diesen verschiedenen Systemen steckt, ist komplex, aber ihre Funktionsweise ist recht einfach. Und wie hochentwickelte Flächennavigationsgeräte sind auch Trägheitssysteme sehr genau. Darüber hinaus sind sie nicht auf Navigationshilfen oder Satelliten angewiesen, um zu funktionieren. Sie sind völlig eigenständig. Es überrascht nicht, dass diese Art von Systemen von großen kommerziellen, militärischen und privaten Nutzern in großem Umfang übernommen wurden.

Ein anderes System, Loran, das während des Zweiten Weltkriegs entwickelt wurde, nutzte sehr niederfrequente Radiowellen, die von der Atmosphäre zurückgeworfen wurden. In seiner ersten Version war Loran auf etwa 100 Meter genau, aber in seiner späteren Form, Loran-C, das in den 1970er Jahren in den Vordergrund trat, war es auf zehn Meter oder mehr genau. Und da die Revolution in der Elektronik viel billigere, kleinere und leichtere Empfänger ermöglichte, sah Loran wie die Welle der Zukunft aus. Stattdessen wurde es etwa 25 Jahre, nachdem es bei den Piloten von Leichtflugzeugen an Beliebtheit gewonnen hatte, abgeschaltet.

Der Grund dafür? Das Global Positioning System des Verteidigungsministeriums. GPS nutzt eine bekannte Satellitenkonstellation, um sehr genaue Standortbestimmungen auf der Erde und in der Atmosphäre vorzunehmen. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei auch um ein globales System. In Verbindung mit einer Datenbank kann ein GPS-Empfänger eine äußerst genaue Orientierung von Punkt zu Punkt bieten. Mit Hilfe zusätzlicher boden- und weltraumgestützter Systeme, die die Genauigkeit erhöhen, können GPS-Empfänger eine punktgenaue Positionsbestimmung vornehmen, so dass Anflugkurse ohne die Winkelunsicherheiten oder Funkstörungen möglich sind, die selbst bei ILS-Systemen auftreten können.

GPS ist zwar allgegenwärtig, hat aber auch seine Schwächen. Da das Signal sehr schwach ist, kann es leicht gestört werden, und da es auf Satelliten und zugehörige Systeme angewiesen ist, sind die Kosten für Betrieb und Wartung enorm. Aber der Einfluss, den es auf die Luftfahrt hatte, ist unübertroffen. Und dieser Einfluss verblasst im Vergleich zu den positiven Auswirkungen, die es auf unser Leben in Tausenden von anderen Lebensbereichen hat.

Bewegte Kartennavigation

Die Vorstellung von einer elektronischen Moving Map, die unsere genaue Position in der Luft kennt und ein sich ständig veränderndes Bild der Welt unter uns anzeigt, ist eine Fantasie, die jeder Pilot, der sich jemals mit gefalteten Papierkarten abgemüht hat, schon oft hatte. Als dann noch einige Technologien wie GPS, preisgünstige Displays und leistungsstarke kleine Prozessoren hinzukamen, war die Moving Map geboren. Die Revolution der Moving Maps, die manchmal fälschlicherweise als Beiwerk der Luftfahrt abgetan wird, war grundlegend für die Weiterentwicklung des Situationsbewusstseins und die Beseitigung einer der tödlichsten Arten von Abstürzen, dem kontrollierten Flug ins Gelände (CFIT), bei dem ein Flugzeug von seiner Besatzung versehentlich in den Boden geflogen wird. CFIT-Abstürze haben fast immer katastrophale Folgen. Mit Moving Map erhalten Sie ein automatisches Situationsbewusstsein in vier Dimensionen (die vierte ist die Zeit), eine grafische und dynamische Darstellung von Wettersystemen, Luftstraßen- und Flughafendaten und vieles mehr. Diejenigen, die mit Moving-Map-Anwendungen aufgewachsen sind, werden manchmal als „Kinder der Magenta“ verspottet, ein Ausdruck, der sich auf die magentafarbene Kurslinie auf Moving Maps bezieht. Ich behaupte, dass die Befürworter der Vorteile von Moving Maps lediglich die Vorteile weitaus besserer Technologien nutzen, um sich und ihre Passagiere vor Fehlern bei der Situationserkennung zu schützen, die vor der Einführung von Moving Maps an der Tagesordnung waren.

Wetter-Intelligenz

Es gibt viele Dinge, über die sich Piloten Gedanken machen müssen, und ganz oben auf der Liste stehen eine Handvoll ernsthafter Wetterphänomene. Dazu gehören Vereisung, Nebel, starke Winde, Turbulenzen, Gebirgswellen und gewöhnliche Wolkenhindernisse, um nur die wichtigsten zu nennen. Das bei weitem gefährlichste Wetterphänomen ist jedoch die konvektive Aktivität, die sich am häufigsten in Form von Gewittern äußert, die überirdische Ausmaße annehmen und eine solche Wucht entwickeln können, dass sie ein kleines oder nicht ganz so kleines Flugzeug in Stücke reißen können.

Die Entwicklung von Technologien zur Wettervorhersage ist seit der Zeit vor dem Aufkommen des Motorflugs stetig vorangeschritten, allerdings ohne große Diskussionen. Die kontinuierliche Verbesserung der Vorhersagetechnologien und der Intelligenz haben der Luftfahrt heute Instrumente an die Hand gegeben, die vor 50 Jahren noch unvorstellbar waren, Intelligenz, die jedes Jahr Milliarden von Dollar und unzählige Leben rettet.

Darüber hinaus hat die Luftfahrt eine Revolution bei der Verfügbarkeit von Wetterinformationen im Cockpit erlebt, mit Diensten wie ADS-B’s TIS-B Wetterdiensten und Sirius-XM’s minutengenauen Wetterinformationen für Piloten von PA-28s bis hin zu Bizjets, die es den Piloten ermöglichen, solide Entscheidungen bei der Missionsplanung zu treffen, die auf echten Informationen basieren und nicht auf Vermutungen, die auf stundenalten Meldungen beruhen.

Autopiloten

Für viele Piloten ist ein Autopilot ein dummes mechanisches Hilfsmittel, mit dem man einen Blick auf die Karte werfen kann, ohne vom Kurs abzuweichen oder die Flughöhe zu verletzen. Und das sind sie auch. Aber die heutigen digitalen Autopiloten sind noch viel mehr.

Autopiloten funktionieren nach einem gemeinsamen Prinzip. Das System verwendet Navigations-, Steuerkurs- und Fluglageneingaben, um Servos zu aktivieren, die das Flugzeug dorthin steuern, wo der Pilot es programmiert hat. In seiner einfachsten Form hält ein Autopilot die Tragflächen waagerecht, während er alle anderen Parameter ignoriert – das ist hilfreicher, als man sich vorstellen kann; die Kette des Kontrollverlusts unter Instrumentenbedingungen wird in der Regel durch eine unkontrollierte, steile Schräglage eingeleitet, wodurch das Flugzeug in eine Steilspirale gerät, die Geschwindigkeit aufbaut und eine Bergung, insbesondere wenn sich das Flugzeug noch in IMC befindet, zu einem riskanten Unterfangen macht.

Autopiloten haben Luftfahrt-Träumer dazu inspiriert, sich vorzustellen, was ein Autopilot alles können könnte. Könnte er das Flugzeug auch auf der Höhe halten? Wenn man ihn in das Baro-System einbindet, ist das natürlich möglich. Könnte er einem vorprogrammierten Navigationskurs folgen? Ja, natürlich. Schließen Sie es einfach an den Navigationsempfänger an. Könnte es einen Anflug fliegen? Dito. Jawohl, auch das. Damit der Schwanz nicht wedelt. Auch das.

Von dort aus haben die Ingenieure fantastische Wege beschritten. Heutige Autopiloten können im Hintergrund arbeiten und schützen das Flugzeug vor überraschenden Abweichungen bei Neigung, Querneigung und Fluggeschwindigkeit, damit es weder zu langsam noch zu schnell wird. Und einige Modelle verfügen heute über einen einzigen Knopf, den der Pilot drücken kann, um das Flugzeug im Falle eines versehentlichen Kontrollverlusts (Upside) wieder in den Geradeausflug zu bringen.

Autopiloten haben sich von einem teuren Luxus zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel entwickelt, das den Piloten hilft, das Flugzeug unter Kontrolle zu halten und auch sehr präzise Anflüge zu fliegen.

Headsets mit aktiver Geräuschunterdrückung

Die Aufnahme von Headsets in die Liste der kritischen Luftfahrttechnologien mag abwegig erscheinen, ist es aber nicht. Vor allem in kleinen Flugzeugen, die fast durchgängig zu laut für unser Gehör sind, ist ein gutes Headset mit Geräuschunterdrückung ein wichtiges Hilfsmittel für Piloten.

Headsets gibt es schon seit langem, und die frühen Modelle waren schwer, klobig und nicht besonders effektiv. Aber sie waren besser als nichts. Sehr viel besser. Und da sie schon früh mit Ohrmuschellautsprechern und an der Gabel montierten Mikrofonen ausgestattet waren, trugen sie dazu bei, Kommunikationsschwierigkeiten zu lindern. Das ist etwas, was Piloten, die nie in der Zeit vor dem Headset geflogen sind, als die unbeweglichen, an der Decke montierten Lautsprecher und die Handmikrofone bei fast jedem Flug für Kommunikationsprobleme sorgten, nur zu gut kennen.

Die neuen Modelle verfügen natürlich über eine elektronische Geräuschunterdrückung, die die Außengeräusche abtastet und ein phasenverschobenes Gegenstück dazu erzeugt, wodurch die Außengeräusche – zumindest ein großer Teil davon – elektronisch unterdrückt werden.

Heutzutage halten Piloten nicht nur gute, sondern exzellente Headsets mit Geräuschunterdrückung für selbstverständlich, aber wir alle kennen den Unterschied zwischen dem Geräuschpegel, bevor wir sie aufsetzen, und danach, wenn wir sie aufsetzen und den Schalter drücken, um die angenehme Ruhe zu aktivieren, die die ausgeklügelte Elektronik bringen kann.

Verkehrsvermeidung

Es ist selten, dass Flugzeuge in den Weiten des Himmels zusammenstoßen, aber wenn sie es tun, ist es fast immer katastrophal. Und oft sind sie der Auslöser für Gesetzesänderungen. Der Zusammenstoß zwischen einer Douglas DC-7 und einer Lockheed Constellation über dem Grand Canyon im Jahr 1956, bei dem alle 128 Menschen an Bord der beiden Flugzeuge ums Leben kamen, war der Auslöser für die Einrichtung eines landesweiten Radarnetzes und die Gründung der Federal Aviation Administration.

Bei den meisten dieser Fortschritte waren größere Militär- und Verkehrsflugzeuge die ersten, die über robuste Antikollisionstechnologien verfügten. Doch in diesem Fall ging die Einführung der Transponderpflicht durch die FAA von der untersten zur obersten Stufe der Nahrungskette in der Luftfahrt. Die Mode-C-Transponder senden regelmäßige, individuell identifizierbare Signale aus, damit die Fluglotsen wissen, wo sich die Flugzeuge befinden, und Kursfreigaben erteilen können, um zu verhindern, dass die potenziell kollidierenden Verkehrsziele auf die schlimmste Weise zusammenkommen.

Später schrieb die FAA Kollisionsvermeidungssysteme, TCAS und TCAS II, für Verkehrsflugzeuge und andere große Flugzeuge vor. Letztere nehmen den Fluglotsen die Aufgabe der Kollisionsvermeidung in Notfällen ab und erteilen den beiden beteiligten Flugzeugen direkte Freigaben, um einen Zusammenstoß zu verhindern. In den letzten Jahren wurden auch kleinere Flugzeuge mit Kollisionsvermeidungsgeräten ausgestattet, darunter das frühe TCAD-System von Ryan und später leistungsfähigere aktive Verkehrssysteme von Unternehmen wie Avidyne und Garmin.  

Mit der Einführung der ADS-B-Pflicht im Jahr 2020 schließlich erhielten Fluglotsen und Piloten neue Instrumente, um den Verkehr individuell zu identifizieren und zu routen, um potenzielle Konflikte auf ein Minimum zu beschränken, und gleichzeitig mithilfe der Satellitenortung extrem genaue, sekundengenaue Positionsdaten, einschließlich der Flughöhe, für alle Beteiligten bereitzustellen..

Geschichte des Radars

Frühe Experimente

Ernsthafte Entwicklungsarbeiten zum Radar begannen in den 1930er Jahren, doch die Grundidee des Radars geht auf die klassischen Experimente zur elektromagnetischen Strahlung zurück, die der deutsche Physiker Heinrich Hertz in den späten 1880er Jahren durchführte. Hertz wollte damit die früheren theoretischen Arbeiten des schottischen Physikers James Clerk Maxwell experimentell überprüfen. Maxwell hatte die allgemeinen Gleichungen des elektromagnetischen Feldes formuliert und festgestellt, dass sowohl Licht als auch Radiowellen Beispiele für elektromagnetische Wellen sind, die denselben grundlegenden Gesetzen unterliegen, aber sehr unterschiedliche Frequenzen haben. Maxwells Arbeit führte zu dem Schluss, dass Radiowellen von metallischen Objekten reflektiert und von einem dielektrischen Medium gebrochen werden können, genau wie Lichtwellen. Hertz wies diese Eigenschaften 1888 anhand von Radiowellen mit einer Wellenlänge von 66 cm nach (was einer Frequenz von etwa 455 MHz entspricht).

Der potenzielle Nutzen von Hertz‘ Arbeit als Grundlage für die Erkennung von Zielen von praktischem Interesse blieb zu dieser Zeit nicht unbemerkt. Im Jahr 1904 wurde dem deutschen Ingenieur Christian Hülsmeyer in mehreren Ländern ein Patent für einen „Hindernisdetektor und ein Schiffsnavigationsgerät“ erteilt, das auf den von Hertz demonstrierten Prinzipien beruhte. Hülsmeyer baute seine Erfindung und führte sie der deutschen Marine vor, konnte aber kein Interesse wecken. Bis zu Beginn der 1930er Jahre, als militärische Langstreckenbomber entwickelt wurden, die große Nutzlasten transportieren konnten, bestand einfach kein wirtschaftlicher, gesellschaftlicher oder militärischer Bedarf an Radar. Dies veranlasste die großen Länder der Welt, nach einem Mittel zu suchen, mit dem sie den Anflug feindlicher Flugzeuge erkennen konnten.

Die meisten Länder, die vor dem Zweiten Weltkrieg Radar entwickelten, experimentierten zunächst mit anderen Methoden der Flugzeugerkennung. Dazu gehörten das Lauschen auf die akustischen Geräusche von Flugzeugtriebwerken und das Erkennen der elektrischen Geräusche bei deren Zündung. Die Forscher experimentierten auch mit Infrarotsensoren. Keine dieser Methoden erwies sich jedoch als wirksam.

Erste militärische Radare

In den 1930er Jahren wurden in acht Ländern, die sich mit der aktuellen militärischen Lage befassten und bereits über praktische Erfahrungen mit der Funktechnik verfügten, unabhängig voneinander und fast gleichzeitig Versuche zur Nutzung von Funkechos für die Flugzeugortung unternommen. Die Vereinigten Staaten, Großbritannien, Deutschland, Frankreich, die Sowjetunion, Italien, die Niederlande und Japan begannen im Abstand von etwa zwei Jahren mit dem Radar zu experimentieren und entwickelten es mit unterschiedlicher Motivation und Erfolg für militärische Zwecke weiter. Mehrere dieser Länder verfügten zu Beginn des Zweiten Weltkriegs über einsatzbereite Radargeräte im militärischen Einsatz.

Die erste Beobachtung des Radareffekts wurde 1922 am U.S. Naval Research Laboratory (NRL) in Washington, D.C., gemacht. Die NRL-Forscher positionierten einen Radiosender am einen Ufer des Potomac River und einen Empfänger am anderen Ufer. Ein auf dem Fluss fahrendes Schiff verursachte unerwartet Schwankungen in der Intensität der empfangenen Signale, wenn es zwischen Sender und Empfänger hindurchfuhr. (Heute würde man eine solche Konfiguration als bistatisches Radar bezeichnen.) Trotz der vielversprechenden Ergebnisse dieses Experiments waren die Verantwortlichen der US-Marine nicht bereit, weitere Arbeiten zu finanzieren.

Das Prinzip des Radars wurde 1930 am NRL „wiederentdeckt“, als L.A. Hyland beobachtete, dass ein Flugzeug, das durch den Strahl einer Sendeantenne flog, eine Fluktuation des empfangenen Signals verursachte. Obwohl Hyland und seine Mitarbeiter am NRL von der Aussicht, Ziele per Funk aufzuspüren, begeistert waren und die Entwicklung ernsthaft vorantreiben wollten, zeigten die höheren Stellen in der Marine wenig Interesse. Erst als man lernte, eine einzige Antenne sowohl zum Senden als auch zum Empfangen zu verwenden (heute als monostatisches Radar bezeichnet), erkannte man den Wert des Radars für die Entdeckung und Verfolgung von Flugzeugen und Schiffen voll an. Ein solches System wurde Anfang 1939 auf dem Schlachtschiff USS New York auf See vorgeführt.

Die ersten von der US-Armee entwickelten Radargeräte waren das SCR-268 (mit einer Frequenz von 205 MHz) zur Kontrolle von Flugabwehrgeschützen und das SCR-270 (mit einer Frequenz von 100 MHz) zur Erkennung von Flugzeugen. Beide Radargeräte waren bereits zu Beginn des Zweiten Weltkriegs verfügbar, ebenso wie das CXAM-Schiffsüberwachungsradar der Marine (mit einer Frequenz von 200 MHz). Es war ein SCR-270, eines von sechs damals auf Hawaii verfügbaren Geräten, das am 7. Dezember 1941 den Anflug japanischer Kampfflugzeuge auf Pearl Harbor in der Nähe von Honolulu entdeckte; die Bedeutung der Radarbeobachtungen wurde jedoch erst erkannt, als die Bomben fielen.

Großbritannien begann 1935 mit der Radarforschung zur Erkennung von Flugzeugen. Die britische Regierung ermutigte die Ingenieure zu raschen Fortschritten, da sie über die wachsende Wahrscheinlichkeit eines Krieges sehr besorgt war. Im September 1938 war das erste britische Radarsystem, Chain Home, rund um die Uhr in Betrieb, und es blieb während des gesamten Krieges einsatzbereit. Die Chain Home-Radargeräte ermöglichten es Großbritannien, seine begrenzte Luftverteidigung gegen die schweren deutschen Luftangriffe in der Anfangsphase des Krieges erfolgreich einzusetzen.

Sie arbeiteten auf einer Frequenz von etwa 30 MHz – dem so genannten Kurzwellen- oder HF-Band -, was für ein Radar eigentlich eine recht niedrige Frequenz ist. Es war vielleicht nicht die optimale Lösung, aber der Erfinder des britischen Radars, Sir Robert Watson-Watt, glaubte, dass etwas, das funktionierte und verfügbar war, besser war als eine ideale Lösung, die nur ein Versprechen war oder zu spät kommen konnte.

Auch die Sowjetunion begann in den 1930er Jahren mit der Arbeit am Radar. Zum Zeitpunkt des deutschen Angriffs auf ihr Land im Juni 1941 hatten die Sowjets mehrere verschiedene Radartypen entwickelt und verfügten über ein Radargerät zur Erkennung von Flugzeugen, das mit einer Frequenz von 75 MHz (im Ultrahochfrequenzband [VHF]) arbeitete. Die Entwicklung und Herstellung von Radargeräten wurde durch die deutsche Invasion unterbrochen, und die Arbeit musste verlagert werden.

Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs war Deutschland in der Entwicklung von Radargeräten weiter fortgeschritten als jedes andere Land. Die Deutschen setzten Radar am Boden und in der Luft zur Verteidigung gegen alliierte Bomber ein. Bereits 1936 wurde auf einem deutschen Taschenkampfschiff ein Radargerät installiert. Ende 1940 stellten die Deutschen die Radarentwicklung ein, weil sie glaubten, der Krieg sei fast vorbei. Die Vereinigten Staaten und Großbritannien beschleunigten jedoch ihre Bemühungen. Als die Deutschen ihren Fehler erkannten, war es zu spät, um den Rückstand aufzuholen.

Abgesehen von einigen deutschen Radarsystemen, die bei 375 und 560 MHz arbeiteten, waren alle erfolgreichen Radarsysteme, die vor Beginn des Zweiten Weltkriegs entwickelt wurden, im VHF-Band unterhalb von etwa 200 MHz angesiedelt. Die Verwendung des VHF-Bandes warf mehrere Probleme auf. Erstens sind die Strahlenbreiten im VHF-Band sehr breit. (Schmale Strahlenbreiten führen zu größerer Genauigkeit, besserer Auflösung und zum Ausschluss unerwünschter Echos vom Boden oder anderen Störquellen.) Zweitens erlaubt der VHF-Teil des elektromagnetischen Spektrums nicht die großen Bandbreiten, die für die kurzen Impulse erforderlich sind, die eine genauere Entfernungsbestimmung ermöglichen. Drittens unterliegt VHF dem atmosphärischen Rauschen, was die Empfängerempfindlichkeit einschränkt. Trotz dieser Nachteile stellte UKW in den 1930er Jahren die Grenze der Funktechnologie dar, und die Radarentwicklung in diesem Frequenzbereich stellte eine echte Pionierleistung dar. Die frühen Radarentwickler waren sich darüber im Klaren, dass der Betrieb bei noch höheren Frequenzen wünschenswert war, vor allem, weil damit schmale Strahlenbreiten ohne übermäßig große Antennen erreicht werden konnten.

Fortschritte während des Zweiten Weltkriegs

Die Öffnung höherer Frequenzen (des Mikrowellenbereichs) für das Radar mit den damit verbundenen Vorteilen erfolgte Ende 1939, als der Hohlraum-Magnetron-Oszillator von britischen Physikern an der Universität Birmingham erfunden wurde. Im Jahr 1940 stellten die Briten den Vereinigten Staaten großzügig das Konzept des Magnetrons zur Verfügung, das dann zur Grundlage für die Arbeiten des neu gegründeten Massachusetts Institute of Technology (MIT) Radiation Laboratory in Cambridge wurde. Es war das Magnetron, das das Mikrowellenradar im Zweiten Weltkrieg Wirklichkeit werden ließ.

Die erfolgreiche Entwicklung innovativer und wichtiger Mikrowellenradargeräte am MIT Radiation Laboratory ist auf die Dringlichkeit zurückzuführen, neue militärische Fähigkeiten zu entwickeln, sowie auf die aufgeklärte und effektive Leitung des Labors und die Einstellung talentierter, engagierter Wissenschaftler. In den fünf Jahren seines Bestehens (1940-45) wurden im Rahmen des Laborprogramms mehr als 100 verschiedene Radarsysteme entwickelt.

Eines der bemerkenswertesten vom MIT Radiation Laboratory entwickelten Mikrowellenradargeräte war das SCR-584, ein weit verbreitetes System zur Kontrolle von Geschützen. Es nutzte die konische Abtastung, bei der ein einzelner versetzter (schielender) Radarstrahl kontinuierlich um die Mittelachse der Radarantenne gedreht wird, und verfügte mit seiner Strahlbreite von vier Grad über eine ausreichende Winkelgenauigkeit, um Flugabwehrkanonen auf das Ziel zu richten, ohne dass Suchscheinwerfer oder Optiken erforderlich waren, wie dies bei älteren Radargeräten mit größerer Strahlbreite (z. B. dem SCR-268) der Fall war. Das SCR-584 arbeitete im Frequenzbereich von 2,7 bis 2,9 GHz (dem so genannten S-Band) und hatte eine Parabolantenne mit einem Durchmesser von fast 2 m (6,6 Fuß). Der erste Einsatz erfolgte Anfang 1944 am Landekopf von Anzio in Italien. Seine Einführung kam zur rechten Zeit, da die Deutschen zu diesem Zeitpunkt gelernt hatten, wie man das Vorgängermodell SCR-268 stören konnte. Die Einführung des Mikrowellenradars SCR-584 traf die Deutschen völlig unvorbereitet.

Fortschritte in der Nachkriegszeit

Nach dem Krieg verlangsamte sich der Fortschritt in der Radartechnologie erheblich. In der letzten Hälfte der 1940er Jahre wurden vor allem die während des Krieges begonnenen Entwicklungen weitergeführt. Zwei davon waren das Monopuls-Verfolgungsradar und das MTI-Radar (Moving-Target-Indication) (siehe Abschnitt Dopplerfrequenz und Zielgeschwindigkeit). Es dauerte noch viele Jahre, bis diese beiden Radartechniken voll einsatzfähig waren.

In den 1950er Jahren kamen neue und bessere Radarsysteme auf den Markt. Eines davon war ein hochpräzises Monopuls-Verfolgungsradar mit der Bezeichnung AN/FPS-16, das eine Winkelgenauigkeit von etwa 0,1 Milliradian (etwa 0,006 Grad) erreichte. Es gab auch große, leistungsstarke Radargeräte, die für den Betrieb bei 220 MHz (VHF) und 450 MHz (UHF) ausgelegt waren. Diese Systeme, die mit großen, mechanisch drehbaren Antennen ausgestattet waren (mit einer horizontalen Ausdehnung von mehr als 37 Metern), konnten Flugzeuge auf sehr große Entfernungen zuverlässig erfassen. Eine weitere bemerkenswerte Entwicklung war der Klystron-Verstärker, der eine Quelle stabiler hoher Leistung für Radargeräte mit sehr großer Reichweite bot. Das Radar mit synthetischer Apertur erschien erstmals in den frühen 1950er Jahren, aber es dauerte noch fast 30 Jahre, bis es mit der Einführung der digitalen Verarbeitung und anderen Fortschritten einen hohen Entwicklungsstand erreichte. Das luftgestützte Puls-Doppler-Radar wurde in den späten 1950er Jahren mit der Bomarc-Luft-Luft-Rakete eingeführt.

In den 1950er Jahren wurden auch wichtige theoretische Konzepte veröffentlicht, die dazu beitrugen, die Radarentwicklung auf eine quantitativere Grundlage zu stellen. Dazu gehörten die statistische Theorie der Erkennung von Signalen im Rauschen, die so genannte Matched-Filter-Theorie, die zeigte, wie ein Radarempfänger konfiguriert werden muss, um die Erkennung schwacher Signale zu maximieren, das Woodward-Diagramm zur Mehrdeutigkeit, das die Kompromisse bei der Wellenformgestaltung für eine gute Messung von Reichweite und Radialgeschwindigkeit sowie die Auflösung verdeutlichte, und die grundlegenden Methoden für die Doppler-Filterung in MTI-Radaren, die später wichtig wurden, als die Digitaltechnik es ermöglichte, die theoretischen Konzepte in die Praxis umzusetzen.

Die Doppler-Frequenzverschiebung und ihre Nützlichkeit für das Radar waren bereits vor dem Zweiten Weltkrieg bekannt, aber es bedurfte jahrelanger Entwicklungsarbeit, um die für eine breite Anwendung notwendige Technologie zu entwickeln. Die ernsthafte Anwendung des Doppler-Prinzips für Radar begann in den 1950er Jahren, und heute ist das Prinzip für den Betrieb vieler Radarsysteme unerlässlich. Wie bereits erläutert, resultiert die Dopplerfrequenzverschiebung des reflektierten Signals aus der relativen Bewegung zwischen dem Ziel und dem Radargerät. Die Nutzung der Dopplerfrequenz ist bei Dauerstrich-, MTI- und Impuls-Doppler-Radaren, die bewegte Ziele in Gegenwart großer Störechos erkennen müssen, unerlässlich. Die Dopplerfrequenzverschiebung ist die Grundlage für die Radarpistolen der Polizei. SAR- und ISAR-Abbildungsradare nutzen die Dopplerfrequenz, um hochauflösende Bilder von Gelände und Zielen zu erzeugen. Die Dopplerfrequenzverschiebung wird auch im Doppler-Navigationsradar verwendet, um die Geschwindigkeit des Flugzeugs zu messen, das das Radarsystem trägt. Die Extraktion der Dopplerverschiebung in Wetterradargeräten ermöglicht darüber hinaus die Erkennung schwerer Stürme und gefährlicher Scherwinde, was mit anderen Techniken nicht möglich ist.

Die ersten großen elektronisch gesteuerten Phased-Array-Radare wurden in den 1960er Jahren in Betrieb genommen. Das luftgestützte MTI-Radar zur Erkennung von Flugzeugen wurde zu dieser Zeit für die Grumman E-2-Flugzeuge der U.S. Navy zur Frühwarnung entwickelt. Viele der Eigenschaften des HF-Überhorizont-Radars wurden in den 1960er Jahren demonstriert, ebenso wie die ersten Radare zur Erkennung ballistischer Flugkörper und Satelliten.

Radar im digitalen Zeitalter

In den 1970er Jahren erlebte die Digitaltechnik einen enormen Aufschwung, der die für ein modernes Radar erforderliche Signal- und Datenverarbeitung möglich machte. Auch beim luftgestützten Puls-Doppler-Radar wurden bedeutende Fortschritte erzielt, die seine Fähigkeit, Flugzeuge inmitten starker Bodenstörungen zu erkennen, erheblich verbesserten. Das luftgestützte Warn- und Kontrollsystem (AWACS) der US-Luftwaffe und das militärische luftgestützte Abfangradar beruhen auf dem Impuls-Doppler-Prinzip. In den 1970er Jahren begann man auch, Radar in Raumfahrzeugen zur Fernerkundung der Umwelt einzusetzen.

Im Laufe des nächsten Jahrzehnts entwickelten sich die Radarmethoden so weit, dass die Radare in der Lage waren, eine Art von Ziel von einer anderen zu unterscheiden. Die Serienproduktion von Phased-Array-Radaren für die Luftverteidigung (Patriot- und Aegis-Systeme), das Radar für Bordbomber (B-1B-Flugzeuge) und die Erkennung ballistischer Raketen (Pave Paws) wurde in den 1980er Jahren ebenfalls möglich. Fortschritte in der Fernerkundung machten es möglich, Winde über dem Meer, das Geoid (oder den mittleren Meeresspiegel), die Rauheit des Ozeans, die Eisverhältnisse und andere Umwelteinflüsse zu messen. Festkörpertechnologie und integrierte Mikrowellenschaltkreise ermöglichten neue Radarmöglichkeiten, die ein oder zwei Jahrzehnte zuvor nur akademische Kuriositäten gewesen waren.

Die kontinuierlichen Fortschritte in der Computertechnologie in den 1990er Jahren ermöglichten es, aus den Radarechos mehr Informationen über die Art der Ziele und die Umgebung zu gewinnen. Die Einführung von Doppler-Wetterradarsystemen (wie z. B. Nexrad), die die radiale Komponente der Windgeschwindigkeit sowie die Niederschlagsmenge messen, ermöglichte neue Gefahrenwarnungen. Terminal-Doppler-Wetterradare (TDWR) wurden auf oder in der Nähe von Großflughäfen installiert, um vor gefährlichen Scherwinden bei Starts und Landungen zu warnen. Für Anwendungen wie die Flugverkehrskontrolle wurde von den Herstellern ein unbeaufsichtigter Radarbetrieb mit geringen Ausfallzeiten für Reparaturen gefordert. HF-Überhorizont-Radarsysteme wurden von mehreren Ländern betrieben, vor allem zur Erkennung von Flugzeugen in sehr großer Entfernung (bis zu 2.000 nautische Meilen [3.700 km]). Weltraumgestützte Radare sammelten weiterhin Informationen über die Land- und Meeresoberflächen der Erde auf globaler Basis. Verbesserte abbildende Radarsysteme wurden von Raumsonden mitgeführt, um dreidimensionale Bilder der Venusoberfläche mit höherer Auflösung zu erhalten, die zum ersten Mal die allgegenwärtige undurchsichtige Wolkendecke durchdringen konnten.

Die ersten Radarsysteme zur Abwehr ballistischer Flugkörper wurden Mitte der 1950er und 1960er Jahre konzipiert und entwickelt. Die Entwicklung in den Vereinigten Staaten wurde jedoch mit der Unterzeichnung des ABM-Vertrags (Anti-Ballistic Missile Treaty) zwischen der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten im Jahr 1972 eingestellt. Der Einsatz taktischer ballistischer Raketen während des Golfkriegs (1990-91) machte den Bedarf an Radaren zur Abwehr solcher Raketen wieder deutlich. Russland (und davor die Sowjetunion) hat seine leistungsfähigen radargestützten Luftverteidigungssysteme zur Bekämpfung taktischer ballistischer Raketen ständig verbessert. Die Israelis setzten das Arrow-Phased-Array-Radar als Teil eines ABM-Systems zur Verteidigung ihres Heimatlandes ein. Die Vereinigten Staaten entwickelten ein mobiles Phased-Array-Radar mit aktiver Apertur (Festkörperradar) mit der Bezeichnung Theater High Altitude Area Defense Ground Based Radar (THAAD GBR) für den Einsatz in einem theaterweiten ABM-System.

Die Fortschritte in der Digitaltechnik im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts führten zu einer weiteren Verbesserung der Signal- und Datenverarbeitung mit dem Ziel, (fast) vollständig digitale Phased-Array-Radare zu entwickeln. Für Radaranwendungen im Millimeterwellenbereich (typischerweise 94 GHz) wurden Hochleistungssender verfügbar, deren durchschnittliche Leistung 100- bis 1.000-mal höher ist als zuvor.

RADAR (Radio Detection And Ranging), RADAR-Technologie, RADAR-System

Die Hauptanwendungen von RADAR sind die Erkennung und Bestimmung der Geschwindigkeit und des Winkels von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen der RADAR-Technologie im Militär, in der medizinischen Industrie, etc. In diesem Artikel finden Sie eine Vielzahl von RADAR-Anwendungen mit detaillierten Erklärungen. Hier finden Sie auch die Vor- und Nachteile von RADAR oder „Radio Detection And Ranging“ System.

Anwendungen von RADAR

Hier werden einige RADAR-Anwendungen im Detail erklärt.

Militärisches RADAR-System

Eigentlich wurde das RADAR zuerst für den Einsatz im Militär entwickelt. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen und Verwendungen von Radar im Militär. Die Radartechnologie wird im Militär eingesetzt, um feindliche Flugzeuge zu erkennen und anzupeilen und um das Meer, den Boden, die Luft usw. zu lokalisieren. Im Allgemeinen wird RADAR in Militärlagern installiert und mit Militärflugzeugen ausgestattet.

RADAR wird auch in Militärschiffen eingesetzt, um feindliche Schiffe zu erkennen und zu navigieren. Das Militär nutzt die RADAR-Technologie auch zum Schutz der Bodengrenzen.

Verwendung von RADAR für die Flugsicherung

RADAR wird auf Flughäfen installiert, um Flugzeuge zu überwachen. Mithilfe der RADAR-Technologie werden die Flugzeuge von den Flugsicherungsräumen aus geleitet. Die RADAR-Technologie hilft auch, Flugzeuge bei der Landung, beim Start usw. zu unterstützen.

Auch laufende Flugzeuge werden mit RADAR überwacht, um andere Flugzeuge zu erkennen und zu navigieren und Unfälle zu vermeiden.

RADAR wird auch verwendet, um die Positionen anderer Fahrzeuge bei der Landung auf dem Flughafen anzuzeigen.

RADAR-Verwendung in der Bodenverkehrskontrolle

Die Radartechnik wird nicht nur in der Flugsicherung, sondern auch in der Bodenverkehrskontrolle eingesetzt. Heutzutage wird Radar von der Verkehrspolizei eingesetzt, um die Geschwindigkeit der Fahrzeuge zu bestimmen. Die automatische Verkehrssignalisierung nutzt ebenfalls die Radartechnologie. Moderne fahrerlose Autos verwenden ebenfalls RADAR-Technologie. RADAR wird auch für das automatische Mautsystem verwendet.

Medizinische Ausrüstung

Die Radartechnologie wird in einigen medizinischen Geräten verwendet, um Informationen über menschliche Körperteile zu sammeln, Körperbewegungen zu messen usw. Die Radartechnologie wird auch in automatischen Steuergeräten und intelligenten Geräten verwendet.

Anwendung von Radar im Weltraum

Die Radartechnologie ist im Weltraum weit verbreitet. Zur Erkennung von Landeplätzen auf dem Mond, zur Erkennung von Satelliten und zur Überwachung von Meteoriten wird Radar im Weltraum eingesetzt.

Messung und Erkennung

Die Hauptanwendung von Radar ist die Erkennung von Form, Entfernung und Winkel eines Objekts. Radar ist eine großartige Technologie, die hilft, die Geschwindigkeit ohne jeglichen Kontakt zu messen. Radar wird auch zur Messung des Meeresspiegels eingesetzt. Radar wird für 3D-Kartierungen verwendet. Für die Messung von Windrichtung und Geschwindigkeit wird die Radartechnologie eingesetzt.

Forschung

Die Radartechnologie wird auch in der Forschung eingesetzt. Forscher verwenden Radar, um die Arten von Pflanzen in einem Unternehmen zu bestimmen. Sie verwenden das Radar auch, um die Zusammensetzung der Erdkruste zu bestimmen, was für die Forschung hilfreich ist. Forscher nutzen das Radarsystem, um die Veränderungen in der Kristallstruktur der Erde festzustellen, was zur Vorhersage von Erdbeben beiträgt.

Hausautomatisierung und Sensorik

Die Radartechnologie wird auch in der Hausautomatisierung eingesetzt. Automatische Türöffnung, automatisches Lichtsteuerungssystem kann mit RADAR eingerichtet werden.

Vorteile von RADAR

1. Das Radarsystem kann sowohl im stationären als auch im beweglichen Modus verwendet werden.

2. Die Genauigkeit des Radarsystems ist sehr hoch.

3. Das Radar-System kann in einem sehr großen Bereich für die Messung und Erkennung Zweck verwendet werden.

4. Mit dem Radar-System, Entfernung, Winkelposition, Geschwindigkeit, Form, etc. können zusammen gemessen werden.

5. Das Radarsystem kann durch das Isoliermaterial hindurch arbeiten. Dies ist ein großer Vorteil von Radar.

6. Ein Radarsystem kann mehr als ein Objekt gleichzeitig erkennen und messen und liefert sehr genaue Daten.

7. Das Radarsystem ist sehr zuverlässig.

Nachteile von RADAR

1. Einer der wichtigen und spürbaren Nachteile von RADAR ist, dass externe Störungen seine Effizienz und Genauigkeit beeinträchtigen.

2. Das Radarsystem ist sehr langsam, es braucht mehr Zeit, um ein Objekt zu erkennen.

3. Das Radarsystem kann die Farbe eines Objekts erkennen.

4. Die RADAR-Technologie kann nicht unter Wasser arbeiten.

5. Das Radarsystem ist komplexer und teurer.

6. Das Radarsystem kann nicht außerhalb der Ionosphäre arbeiten.

Radarsysteme – Arten von Radargeräten

In diesem Kapitel werden wir viele verschiedene Arten von Radarsystemen kennen lernen. Dieses Kapitel enthält grundlegende Informationen über die verschiedenen Radarsysteme. Radarsysteme werden in zwei Gruppen eingeteilt, die sich auf die Form des Signals beziehen, das vom Radar erfasst werden kann.

  • Impuls-Radar
  • Kontinuierliches Wellenradar

Lassen Sie uns diese beiden Arten von Radargeräten nun einzeln besprechen.

Impuls-Radar

Das Radar, das mit Impulssignalen arbeitet, wird Impulsradar genannt. Impulsradargeräte können je nach Art des Ziels, das sie erkennen, in die folgenden zwei Typen unterteilt werden.

  • Basis-Impulsradar
  • Radar zur Anzeige bewegter Ziele

Lassen Sie uns nun die beiden Radargeräte kurz besprechen.

Basis-Impulsradar

Das einfache Impulsradar, auch Pulsradar genannt, erkennt statische Ziele mit Hilfe von Impulsübertragungen. Es verwendet einen Duplexer zum Senden und Empfangen von Signalen mit einer einzigen Antenne.

Mit jedem Taktsignal gibt die Antenne ein Impulssignal ab. Der zeitliche Abstand zwischen den beiden Wellen muss so eingestellt werden, dass das für den aktuellen Impuls erzeugte Echosignal vor dem folgenden Impuls eintrifft.

Radar mit Anzeige des bewegten Ziels

Moving Target Indication Radar, oder einfach MTI-Radar, erkennt nicht ortsfeste Ziele mit Hilfe von Impulssignalen. Es verwendet einen Duplexer, um mit einer einzigen Antenne Signale zu senden und zu empfangen.

Um bewegte Objekte von festen Zielen zu unterscheiden, nutzt das MTI-Radar den Doppler-Effekt.

Kontinuierliches Wellenradar

Das Radar, das mit kontinuierlichen Signalen oder Wellen arbeitet, wird Continuous Wave Radar genannt. Sie nutzen den Doppler-Effekt zur Erkennung nicht ortsfester Ziele. Kontinuierliche Wellenradargeräte können in die folgenden zwei Typen unterteilt werden.

  • Nicht moduliertes Dauerstrichradar
  • Frequenzmoduliertes Dauerstrichradar

Lassen Sie uns die beiden Radargeräte kurz besprechen.

Unmoduliertes Dauerstrichradar

Unmoduliertes Dauerstrichradar oder einfach CW-Radar erkennt instabile Ziele mit Hilfe eines kontinuierlichen Signals (Welle). Es ist auch als CW-Doppler-Radar bekannt.

Für dieses Radar werden zwei Antennen benötigt. Eine dieser beiden Antennen wird für die Signalübertragung verwendet, die andere für den Signalempfang. Es misst lediglich die Geschwindigkeit des Ziels und nicht seine Entfernung zum Radargerät.

Frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radar

Wird beim CW-Doppler-Radar eine Frequenzmodulation verwendet, spricht man von frequenzmoduliertem Dauerstrichradar (FMCW) oder FMCW-Doppler-Radar. Es ist auch als CWFM-Radar (Frequency Modulated Continuous Wave Radar) bekannt.

Für dieses Radar werden zwei Antennen benötigt. Eine wird zum Senden des Signals verwendet, die andere zum Empfangen des Signals. Es misst nicht nur die Geschwindigkeit des Ziels, sondern auch seine Entfernung zum Radargerät.

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