Radar: transponders (1959 – 1995) VESTA en DIPSY

Radartransponderontwikkelingen (1961 – 1995)

Radartransponder en radiocommunicatie voor zweefvliegtuigen

Zweefvliegtuigen werden in de jaren vijftig nog hoofdzakelijk gemaakt van hout. Ze waren daardoor op radarschermen slecht zichtbaar. Het kwam regelmatig voor dat dergelijke zweefvliegtuigen te dicht in de buurt kwamen van civiele en militaire vliegvelden omdat ze niet tijdig op de radarschermen werden gesignaleerd. Daarnaast was tweeweg-radiocommunicatie met zweefvliegtuigen nog niet mogelijk. Een zweefvlieger/radioamateur werkzaam bij Rijksverdedigingsorganisatie TNO (RVO-TNO) ontwikkelde in de periode 1959 – 1964 zowel een VHF-radiocommunicatie-eenheid als een experimentele radartransponder voor gebruik in zweefvliegtuigen om die problemen aan te pakken.

Een transponder is een systeem dat ervoor zorgt dat kleine objecten toch zichtbaar worden gemaakt op de radarbeeldschermen. Door het beperkte radarreflecterend vermogen van kleine objecten zullen die normaliter nauwelijks zichtbaar zijn op een radarbeeldscherm. Een transponder detecteert de aanstraling van het object door een radarsysteem en zendt als reactie hierop een pulsvormig signaal terug op een andere frequentie. Bij het radarsysteem wordt deze puls ontvangen, verwerkt en als een marker toegevoegd aan het radarvideosignaal.

Een in 1959 ontwikkelde lichtgewicht VHF-zend/ontvanger gebouwd in cilindervorm (doorsnede 8,4×22 cm, gewicht 700 gram, antennedraaggolfvermogen 1,5W) aan boord van het zweefvliegtuig vliegend op 1000 meter hoogte, maakte betrouwbare radiocommunicatie mogelijk over een afstand van minstens 100 kilometer. Eenzelfde type zend/ontvanger stond op de grondpost en was uitgerust met een 0,5 Lambda vertikale dipool op een hoogte van circa drie meter boven de grond.

Lichtgewicht VHF-zend/ontvanger voor zweefvliegtuigen (1959)
Lichtgewicht VHF-zend/ontvanger voor zweefvliegtuigen (1959)

In 1961 volgde een verzoek van de Koninklijke Luchtmacht aan TNO om de radarwaarneembaarheid van zweefvliegtuigen te verbeteren en de mogelijkheid te onderzoeken dit soort vliegtuigen in te schakelen in de radio-luchtverkeersregeling. Uitvoerige proeven met een zweefvliegtuig vliegend op 1000 meter hoogte en uitgerust met een ontwikkelde ‘all transistor’ lichtgewichttransponder (afmeting 11 x 11 x 3 cm, gewicht 200 gram, opgenomen vermogen in bedrijf 360 mW, impulspiek-output-verm. 180 mW) toonde aan dat een betrouwbaar radar-afstandsbereik van 75 km kon worden gehaald bij gebruik van een MPN11-10 cm radar op de grond. Bij deze proeven “antwoordde” de transponder op een frequentie van 143,9 MHz.

VHF-transponder 143,9 MHz voor zweefvliegtuigen (1962)
VHF-transponder 143,9 MHz voor zweefvliegtuigen (1962)

 

Radartransponder voor helicopters en kleine vaartuigen (VESTA)

De goede resultaten met de radartransponder voor zweefvliegtuigen waren bij de Koninklijke Marine niet onopgemerkt gebleven. In 1964 moest Hr.Ms. Snellius metingen van de diepte van de zeebodem verrichten in het kader van het North Atlantic Vidal and Dalrymple Oceanography (NAVADO)-project. Het NAVADO-project werd aan het begin van de zestiger jaren door het Britse Admiralty Underwater Weapons Establishment ontworpen met als hoofddoel een onderzoek in te stellen naar omgevingscondities onder welke onderzeebootdetectie moest plaats vinden. Voor het onderzoek moest vanuit een sloep op vrij grote afstand van de Snellius (circa 10 zeemijlen) een dieptebom overboord worden gezet. De sloep zou op die afstand van het schip niet zichtbaar zijn op de radar.
Op verzoek van de Koninklijke Marine werd de experimentele radartransponder voor zweefvliegtuigen, ingebed in een waterdichte behuizing voor sloepgebruik, uitgeleend aan de Hr.MS. Snellius. Dit systeem voldeed naar ieders tevredenheid, desondanks bleef verdere ontwikkeling uit.

Pas bij problemen met de zichtbaarheid van de WASP-helikopter op het radarscherm aan boord van de Van Speyk-fregatten werd in 1966 het transponderontwerp weer boven tafel gehaald. Voor de Marine was het noodzakelijk om de exacte positie van de helikopter te kennen. Naast de veiligheid van de helikopterbemanning, is die informatie essentieel wanneer de heli wordt ingezet tegen vijandelijke onderzeeboten. De lage vlieghoogte van de helikopters en sea clutter (radarreflecties van golven vooral bij veel wind) maakte het herkennen van de heli-echo’s problematisch.

De keuze was toen voor de Koninklijke Marine een standaardtransponder (zwaar en veel vermogensconsumptie) of de door TNO te ontwikkelen ‘Snellius’-transponder in een lichte en energiezuinige helikopteruitvoering. Indien voor de TNO-transponder werd gekozen, kon tevens een verwarmingssysteem voor de vliegers in de helikopter worden ingebouwd. De keuze viel daarom op de TNO-versie. Het systeem werd VESTA gedoopt (VESTA is in de mythologie de naam van het goddelijk symbool van de huiselijke haard). In 1969 werd het eerste Van Speyk-fregat met een VESTA-transponder operationeel.

 

VESTA opbouw van het nabije zeebeeld
VESTA opbouw van het zeebeeld

Het VESTA-systeem bestond uit een helikopterdeel en een scheepsdeel. Aan boord van de helikopter werden ontvangstantennes geplaatst voor het ontvangen van de radarsignalen, een transponder voor het detecteren van deze signalen en het opwekken van een sterke VHF-zendpuls, een zendantenne en een bedieningseenheid. De vlieger had de mogelijkheid om de gevoeligheid van de transponder in te stellen.
Het scheepsdeel bestond uit twee ontvangstantennes en een VHF radio-ontvanger voor het ontvangen van de door de transponders uitgezonden signalen. De ontvangstantennes waren aan beide zijden van het schip geplaatst om een zo optimaal mogelijke ontvangst te kunnen garanderen. De VESTA-ontvanger was in de commandocentrale geplaatst en de interface met de radarsystemen werd bij de radarinstallaties geïnstalleerd. De ontvangen VHF-puls werd via die interface tezamen het de door de radarontvanger afgegeven video-informatie geprojecteerd op het radarscherm. De echo’s van meer transponders konden op het radarscherm worden weergegeven door middel van een synthetische presentatie.
In de periode 1970 – 1972 zijn 25 VESTA-systemen aan de Koninklijke Marine geleverd. De VESTA’s werden in licentie door ENRAF-NONIUS, Delft gebouwd voor de Marine.

VESTA ontvanger: de aan boord van een helikopter uitgezonden response in de VHF band wordt door de VHF-ontvanger aan boord van het schip verwerkt en gedecodeerd. Het resultaat wordt op het beeldscherm van de betreffende scheepsradar zichtbaar gemaakt.
VESTA ontvanger: de aan boord van een helikopter uitgezonden response in de VHF band wordt door de VHF-ontvanger aan boord van het schip verwerkt en gedecodeerd. Het resultaat wordt op het beeldscherm van de betreffende scheepsradar zichtbaar gemaakt. In verband met de stralingskarakteristieken aan boord werd gewerkt met twee ontvangersystemen.

 

VESTA transponder (opengewerkt)
VESTA transponder (opengewerkt)

Voorafgaande aan de introductie van de LYNX-helikopter is het transpondersysteem in 1974 geheel gemoderniseerd en voorzien van een codemogelijkheid waardoor maximaal vijf helikopters van elkaar onderscheiden konden worden. In 1974 werd het VESTA-systeem uitgerust met transponders die de mogelijkheid hadden één uit vijf VHF response codes in te stellen. Dat maakt het mogelijk om op het radarscherm vijf verschillende helikopters te onderscheiden. Elk ontvangen signaal startte de antwoordcyclus. Deze werd opgewekt en -indien een response code was geselecteerd- gecodeerd in de transponder en uitgezonden via een derde antenne. Het transponderantwoord werd ontvangen door twee antenneversterkers, doorgaans in de mast geplaatst. Daar vandaan ging het signaal via lange kabels naar de transponderontvanger. Daarin bevond zich een digitaal filter en een decodeerschakeling. Het digitale filter laat alleen signalen door die behoren bij een transponderdoel (helikopter met VESTA). Alle andere (stoor)signalen worden onderdrukt. De tijdrelatie tussen de radarpuls en een ontvangen transponderantwoord werd vergeleken waarbij gebruik werd gemaakt van een schuifregister.
De productie van de tweede serie VESTA-systemen in 1975 vond eveneens plaats bij FEL-TNO in Den Haag.

VESTA ontvanger (1974)
VESTA ontvanger (1974)

Door de hoge kwaliteitseisen die door de opdrachtgever werden gesteld aan de te leveren apparatuur moesten er speciale eisen worden gesteld aan productiefaciliteiten en meetapparatuur. Het VESTA-systeem werd een groot succes binnen de Koninklijke Marine en in de loop der jaren zijn alle helikopters voorzien van een VESTA-transponder. Ook aan boord van de fregatten behoorde een VESTA-ontvanger tot de standaarduitrusting. Inmiddels had ook de Duitse marine interesse gekregen in het VESTA-systeem. De VESTA-systemen voor de Duitse marine zijn indertijd door TNO in Den Haag gemaakt en via Hollandse Signaalapparaten geleverd aan de Duitsers voor integratie in hun F122-fregatten. Op 3 juni 1979 kreeg Hollandse Signaalapparaten de exclusieve rechten op het VESTA-systeem.
In 1984 is door TNO een VESTA-simulator ontwikkeld voor de opleiding aan de Operationele School van de Koninklijke Marine. In 1985 is een begin gemaakt om VESTA tussen de Lynx helicopters onderling toe te passen.

In 2012 is de Lynx helicopter uit dienst genomen en enige jaren later vervangen door de NH90. Als gevolg daarvan is VESTA bij de Nederlandse marine komen te vervallen, na 42 jaar dienst te hebben gedaan bij de Koninklijke Marine.
Zeker tot in 2012 leverde Hollandse Signaalapparaten nog steeds VESTA-systemen aan tientallen marines over de hele wereld.

VESTA Transponder unit Type A01/TPX-02
VESTA Transponder unit Type A01/TPX-02

 

Drone Information and Presentation System (DIPSY)

Bij artillerieoefeningen en bij evaluatie van wapensystemen werd door de Koninklijke Landmacht al in de jaren ’90 vaak gebruik gemaakt van onbemande doelvliegtuigen, drones genoemd. In het algemeen blijven de op afstand bestuurde drones niet binnen zichtbereik. Dat maakt het noodzakelijk om voor de controle van de positie van de drone gebruik te maken van radar of andere systemen. De zichtbaarheid van een drone voor radar is echter slecht. Daarom was het noodzakelijk een transponder aan boord van de drone te plaatsen. Een oplossing was de voor de Koninklijke Marine ontwikkelde VESTA-transponder in een drone te plaatsen. Daarmee werd de positie van de drone op het radarscherm duidelijk. Voor het verbeteren van de controle over de drone was het vervolgens nodig om naast de VESTA-informatie ook andere telemetriesignalen naar een grondstation te sturen zodat de drone-operator alle informatie krijgt, die hem/haar in staat stelt de drone nauwkeurig te besturen. Het in 1995 ontwikkelde Drone Information and Presentation System (DIPSY) integreerde de informatie voor de operator: het ene display geeft de vluchtinformatie zoals hoogte, koers, roll, pitch, snelheid enz. en het andere display numerieke informatie zoals tijd, weersomstandigheden enzovoorts.

Medio 1997 werden de eerste geslaagde operationele proeven met DIPSY-2 uitgevoerd. Voor de plaatsbepaling van de drone werd in de later ontwikkelde DIPSY systemen gebruik gemaakt van een differentiële GPS-ontvanger aan boord van de drone. Op 29 mei 1998 werden de laatste bestelde DIPSY-2 systemen officieel uitgeleverd aan de Landmacht en de Marine. De actieradius van een drone met DIPSY was zo’n 40 kilometer.

UAV drone
UAV drone

Het gebruik van het DIPSY-2 systeem vergrootte de veiligheid van het Luchtdoelartillerie Schietkamp (LuaSk) Botgat terwijl de geluidsoverlast voor de omgeving werd gereduceerd. De operators hadden de positie namelijk beter in de hand en konden nauwkeuriger vliegpatronen verder weg van bebouwing realiseren.
De Marinedrones werden voorzien van een door TNO ontwikkelde FMCW radar waardoor de lager boven zee konden vliegen. Dat maakte het mogelijk vlucht van een inkomende geleid projectiel na te bootsen zodat met de beschikbare wapensystemen aan boord zo realistisch mogelijk geoefend kon worden.
De latere drones voor de Landmacht bevatte een softwaregestuurde Auto Hold functie geïntegreerd die de drone automatisch op een ingestelde hoogte hield. Dat verving een elektromechanisch systeem. Daardoor kon een aanzienlijke gewichtsbesparing van 50% bereikt worden waarmee het bereik van de drone vergroot kon worden.

 Drone Information and Presentation System (DIPSY)
Drone Information and Presentation System (DIPSY)

 

Dipsy logo
The DIPSY logo