TU Graz simuliert Flugzeug-Transponder für Europas Luftraum

Helmut Schreiber ©Lunghammer / TU Graz

Flugsicherheit. Wenn Flugzeuge vom Radar verschwinden, kann das an überlasteten Transpondern liegen. Ein neues Simulationstool der TU Graz soll das verhindern: Es wird im Auftrag der Eurocontrol für den europäischen Luftraum entwickelt.

Die TU Graz hat das Simulationstool laut einer Aussendung ursprünglich für Österreichs Luftraum-Behörde Austro Control entwickelt. Es werde nun im Auftrag der Eurocontrol, der gesamteuropäischen, zivil-militärischen Organisation zur Unterstützung der europäischen Luftfahrt, für den gesamten europäischen Luftraum ausgebaut.

Der Transponder als Kernstück der Flugsicherheit

Er gehört zur gesetzlichen Pflichtausstattung von zivilen Flugzeugen: der Transponder; ein elektronisches Gerät, das auf Radarabfragen antwortet und so der Flugsicherung und den Kollisionsvermeidungssystemen (air collision avoidance systems) anderer Luftfahrzeuge am Himmel hilft, die genaue Position des Flugzeugs zu ermitteln.

Die Dauer, die das Signal vom Transponder bis zum Empfänger braucht, gibt Aufschluss über die genaue Position des Flugzeugs. Je nach Transpondertyp werden auch weiterführende Informationen übermittelt, etwa zu Flughöhe oder Flugkennung.

Hat ein Transponder besonders viele Signalabfragen zu bewältigen, bestehe die Gefahr einer Überlastung – der Transponder antwortet dann nicht mehr auf alle Abfragen und im äußersten Fall auf gar keine Abfragen mehr. Das Flugzeug kann dadurch für kurze Zeit vom Radar verschwinden. Das Risiko eines solchen Szenarios ist zwar gering, aber gegeben, heißt es an der TU Graz: „Ein Flugzeug, das plötzlich vom Bildschirm der Flugüberwachung verschwindet, ist immer höchst alarmierend“, sagt Helmut Schreiber vom Institut für Hochfrequenztechnik.

Was kann den Transponder ausfallen lassen?

Schreiber untersuchte im Auftrag der österreichischen Flugsicherung Austro Control sämtliche Einflussfaktoren auf die Transponderbelastung und entwickelte darauf aufbauend das Simulationstool „TOPAS“ (Transponder Occupancy Analysis Software) für die Transponderbelastung im österreichischen Luftraum.

Im Auftrag der Eurocontrol soll dieses Tool nun für den gesamteuropäischen Luftraum weiterentwickelt werden: Unter dem Akronym „ESIT“ (Eurocontrol Simulator of Surveillance Interrogators and Transponders) arbeite die TU Graz dafür eng mit Austro Control sowie mit der deutschen Firma SeRo Systems und der Eurocontrol zusammen.

Die Simulation

Einen raschen und ungefähren Überblick über die Transponderbelastung gibt eine relativ einfache Tabellenkalkulation, heißt es: Sie berücksichtigt nur die Anzahl der Sensoren und der Flugzeuge, nicht aber deren räumliche Verteilung. Die Tools Topas und ESIT hingegen beziehen als digitaler Zwilling die tatsächlichen Positionen aller Radarsensoren und auch die reale Luftverkehrssituationen mit ein.

„Mit so einer Simulation sind auch komplexere Abfragefolgen programmierbar, sowohl für ganze Radarsysteme als auch isoliert für einzelne Sensoren. Damit erzielen wir realistischere und genauere Ergebnisse: Wir erfahren konkret, wann und wo es welche Belastungssituationen für Transponder geben wird“, erklärt Helmut Schreiber.

Mit dem ESIT-Tool sollen Nutzer (staatliche Behörden, Flugsicherungen) die Transponderbelastung in ihrem Luftraum bestimmen können, die durch eigene Systeme und die der Nachbarstaaten verursacht wird. Nachdem das Tool ausschließlich auf Servern der Eurocontrol laufen wird, haben die Nutzer keinen Zugang zu sensiblen Daten der Infrastruktur anderer Länder, so die TU Graz.

Radar fragt, Transponder antwortet

Neben zivilen und militärischen Radarstationen an Flughäfen oder an neuralgischen Punkten wie der Koralpe, beanspruchen außerdem laufende Funkkontakte sogenannter Multilaterations-Systeme die Transponder. Österreichweit gibt es dafür rund 70 Sende- und Empfangsstationen. Die Multilateration, kurz MLAT, funktioniert wie ein umgekehrtes GPS: Mehrere Antennenstationen auf dem Boden tasten das ausgesandte Funksignal eines Transponders ab und schicken zusätzlich auch eigene Abfragen an den Transponder.

Je nach Entfernung des Flugzeugs erreichen die Funkwellen des Transponders die jeweiligen Empfangsantennen zu anderen Zeitpunkten. Jede Empfangsstation meldet den exakten Zeitpunkt, an dem sie das Signal erhalten hat, an einen Zentralrechner. So lässt sich der Weg des Flugzeuges mitverfolgen. TU Graz-Forscher Schreiber: „MLAT-Systeme haben große Vorteile: Sie können teure Radarstationen ersetzen. Und der Ausfall eines einzelnen Empfängers ist weniger dramatisch als etwa der Ausfall einer ganzen Radarstation. Trotz dieser Vorteile können die laufenden Funkkontakte bei einer schlechten Konfiguration Transponder in einem außerordentlich hohen Maß belasten und ebenso dazu führen, dass ein Flugzeug quasi unsichtbar wird.“

Die Entwicklung der zivilen Flugüberwachung geht laut Schreiber in die Richtung, dass längerfristig auf Radaranlagen zumindest teilweise verzichtet werden kann: Flugzeuge bestimmen mittels Satellitennavigationssystem ihre Position selbst und schicken diese automatisch an die Flugüberwachung. Auch dies werde durch ESIT simuliert. Durch Berechnung der potentiellen Transponderbelastungen erhöhen Topas und ESIT somit die Sicherheit in der Luft für bestehende und zukünftige Systeme, heißt es.

Die Statements

„Für die Planung und den Ausbau von Flugsicherungsinfrastruktur ist es essentiell zu wissen, wie sich diese Infrastruktur auf die Transponderbelastung auswirkt. Das betrifft etwa das Hinzufügen neuer Radaranlagen oder Änderungen von Abfragestrategien. Da ist es wichtig herauszufinden, wo es bereits Hotspots gibt und eine Entlastung notwendig ist. Unsere Simulationswerkzeuge leisten hier einen wichtigen Beitrag“, so Schreiber.

Paul Bosman, Abteilungsleiter der ATM-Infrastruktur bei Eurocontrol: „Wir freuen uns über die hervorragende Zusammenarbeit mit der TU Graz, Austro Control und SeRo Systems. Die Simulationstools werden zu einer nachhaltigen Nutzung der kritischen Ressourcen Funkfrequenzen und Transponderkapazität beitragen, wovon alle europäischen Luftraumnutzer profitieren werden.“

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