Monthly Archives: June 2022

Aircraft Scatter – What works? And what not?

[This article appeared as a cover story in the June 2022 issue of the specialist journal “Funktelegramm”. Publication here with kind permission of the publisher and editor-in-chief, Joachim Kraft, DL8HCZ].

That’s where the action is: Flight CAT405 flies between Hanover VOLMET and DK8OK and causes a characteristic Doppler trace in the VHF range – see mouse arrow. Receiver Winradio ‘Excalibur Sigma’, Antenna Dressler ARA 2000 [original], Software SDRC.

Again Godfrey, Dr. Westphal et al. have dealt with aircraft scatter – see here and here. And again they are catching fools with unscientific theses. Apart from the DARC, which enthusiastically welcomes these charlatanries and gives them – against all reason and physics – a lot of publicity, there is probably nobody who believes this blooming nonsense of people “who don’t know what they are doing” (physics Nobel laureate Prof. Joe Taylor, K1JT, on exactly this topic).

From different sides I was now asked to explain as simply as possible and directly comprehensible for everyone, what it is about this not so mysterious “airplane scatter”. And why the “thesis”, that one can trace aircraft movements over thousands of kilometers by WSPR log data, belongs to those stupidities, which are only believed by the “friends of the flat earth”.

Let’s start simple:

  • What happens when an airplane and a radio wave meet?

You can see this in the screenshot above. In the centre, the carrier of the aeronautical meteorological transmitter “Hanover VOLMET”, which transmits in AM with 50 watts (e-mail Deutsche Flugsicherung from 10.5.2021), runs in time from bottom to top. The window is only 400 Hz wide, so that one can just see the modulation sidebands on the left and right because of the 200 Hz audio highpass at the transmitter.

Clearly aircraft scatter: Doppler traces

But in the immediate vicinity of the carrier, there is all the more activity. You can see several Doppler traces of airplanes to the left and right of the carrier. They are caused by the radio waves of the transmitter being scattered by the metal hull of the aircraft and being received in addition to the original transmitter signal..

Since the aircraft is moving, the Doppler effect familiar from passing vehicles with a horn also occurs here: the Doppler frequency of the approaching object is initially above the frequency heard by vehicle drivers. As it approaches the pedestrian, however, he hears a tone that is first high-pitched and then falls until the vehicle is exactly at the same height with him. Then the observer and vehicle passengers hear the same pitch. It then drops again for the observer as the vehicle moves away. The so-called “Doppler frequency”, i.e. its shift with respect to the actually radiated frequency, depends on the (relative) speed at which the vehicle is moving.

Yes, and that’s exactly what happened when the Boeing 737-430 flew into the path of the radio waves between Hannover VOLMET and my location on its way between Copenhagen and Geneva. FlightRadar24 shows this nicely, see below.

Flight CAT405 crosses the route between Hannover VOLMET and DK8OK at 09:08:48 UTC on March 12, 2022.

If we compare the trajectory with the Doppler trace, we can trace the following:

The Boeing flies from north to south. So it enters with a high Doppler frequency, which then drops to exactly zero (“Zero Doppler”) when it crosses the direct line between transmitter and receiver. At this moment, it disappears in the carrier and comes out again in the lower sideband as it flies further south – the Doppler frequency drops because the Boeing is moving away.

For further consideration, our questions include the following:

  • What is the power backscattered from the aircraft?
  • By what amount does it increase the level of the carrier signal when it crosses the line between the transmitter and receiver?

First, let’s look at the situation in 3D with the transmitter, receiver and aircraft at 10 km altitude just above the “crossing point” in Matlab:

A transmitter (left), a receiver (right) a scatterer (top).

The path Hannover VOLMET -> DK8OK is the normal case. But a part of the energy of the transmitter is also “heard” by the metal hull of the plane and reflected back, or scattered.

The signal strength received directly at DK8OK and by the aircraft can be easily calculated. However, how much energy is scattered back from the aircraft depends on so many factors that one must resort to either measurements or modeling. The result is a diagram, quite similar to an antenna diagram. And a number, the so-called “backscatter area” or RCS (radar cross section).

Actually, this is not a single number, but a range depending on frequency, aircraft type, and relative direction to transmitter and receiver. For commercial and transport aircraft, the literature gives RCS values between 10 to 100 dBm2. The theory should not bother you here. Just this: the higher this number, the better electromagnetic waves are scattered back. Military stealth aircraft are mostly below RCS 10.

Stiff Kint (private communication: “Bistatic Radar Cross-Sections and the Detection WSPR Signals By Aircraft Scatter; March, 2022”) took the trouble to simulate the RCS for frequencies between 1 MHz and 120 MHz with the software NEC2C using a wire model of a Boeing 777-200ER. On none of the frequencies the RCS exceeds a value of 50. Mostly it runs between 20 and 40. For safety I nevertheless assumed a value of 50, performed the calculations and get the following picture:

The level ratios – see text.

Accordingly, the aircraft reaches an energy of -45 dBm2. This is converted into a signal of -28 dBm, which is received at a distance of 13 km with -96 dBm. It is about 36 dB below the original carrier. Does all this halfway agree with the actual observed levels? Despite some rounding and assumptions?

Theory – quite practical

By the Doppler trace we are here in the fortunate position to measure scattered and directly received signal in each case clearly and separately. A conversion of the above spectrogram into a number matrix facilitates these measurements, but also the determination of maximum and average values:

Here is the implementation of the spectrogram in Matlab. If we look closely, we also notice the pearl string effect of the Doppler signal, which is caused by phase changes.

Measurements then show that we are at about -65 dBm for direct reception in the peaks of the carrier, but the Doppler trace actually has a maximum value of -90 dBm. This answers the above question: Yes, the measurements show that the assumptions and calculation are basically correct.

“Level jump” due to addition of carrier and Doppler trace?

That leaves the next exciting question:

  • How large is the level jump of the carrier signal observed on its own at or near the “passage”?

To conclude by such “level jumps” rock-solidly on airplanes and even helicopters in thousands of kilometers distance is, after all, one of the pivotal points of the publications of Godfrey, Dr. Westphal et al.! [In his recent paper, Godfrey & Dr. Cotzee seem to detect even cars …]

Since we have measured scatter and original signal separately here, we only need to sum them uo and take the difference to the pure carrier.

So: -65 dBm (carrier) plus -90 dBm (scatter) and, after de-logarithmizing for power addition logarithmed again in dBm to measure the level increase of the carrier, we get -64.9863 dBm or:

an increase of 0.0137 dBm!

Gorgeous, as measurement uncertainties etc. are at least two orders of magnitude larger!

The fairy tale of the “trip wire

Godfrey, Dr. Westphal et al. now think that a shortwave signal forms a “tripwire” between transmitter and receiver: if an aircraft touches this virtual wire, the alarm sounds. And this shows up in an “anomalous” increase of the received signal level. Well.

Indeed, some kind of this concept does exist. But mainly in the range (far) above about 20 MHz. Radio amateurs use it blithely every day, supported by smart software like this one and this one. That it can be transferred to shortwave only in exceptional cases, I will be shown below. But first the concept “in action”:

It describes a connection between transmitter and receiver, which are outside their radio horizon. Thus the receiver can hear the transmitter either not at all or only with the smallest signal. But if an airplane (cruising altitude 10 km), the plasma tail of meteorites (approx. 80 – 130 km altitude), the space station ISS (400 km) or even the moon (examples here) can “see” the transmitter and receiver at the same time, then the scattered signal can be detected at the receiver.

Let’s take the French radar transmitter GRAVES as an example; Rob Hardenberg, PE1ITR, has produced a knowledgeable paper on it: “The 143.050MHz GRAVES Radar a VHF Beacon”. The transmitter on 143.050 MHz scans the sky for space debris with a high rms power using sector controlled antennas.

As the crow flies, the distance between GRAVES and DK8OK is 654 km, but the so-called “radio horizon” of the transmitter barely reaches 30 km. However, a meteor tail flaring up at an altitude of 80 km can see almost 1,200 km wide and thus has quite different dimensions in view: Casually, it can connect GRAVES and DK8OK via scatter, if it falls down at a suitable location. Unlike the above example with Hannover VOLMET, the carrier of the transmitter is then of course no longer visible. The Doppler signals on the other hand can be quite strong, see screenshot below from March 12, 2022 around 21:16 UTC. Mostly this is also the effect which connects two amateur radio stations outside their radio horizon via aircraft or meteor scatter.

Scatter at a meteor tail: Even if the carrier of GRAVES cannot be “seen” at a distance of 620 km, the meteor tail “sees” the transmitter and receiver at an altitude of about 80 km. Above the spectrogram of the short time flare, below the spectrum with the typical pearl string effect.

Of course, this is not necessarily a “trip wire” either, because it does not yet allow the position of the meteor tail to be determined.

However, to apply this concept generally to shortwave is only possible by completely ignoring the propagation mechanisms there: At least below about 20 MHz, a small carrier residue can still be found with sensitive methods even in the so-called “dead zone”. It propagates via “backscatter” caused by irregularities of the ionosphere. This effect can be simulated with the PropLab Pro propagation software also used by Godfrey, Dr. Westphal et al. – just as in 3D ray tracing the splitting of a single signal into several components that propagate along different paths. This in turn leads to Doppler traces due to the dynamics of the ionosphere as well as great circle deviations. Godfrey, Dr. Westphal et al. give these mundane matters a wide berth, however. At least here they will know exactly why.

The application of the concept of VHF propagation to shortwave propagation with its strongly fluctuating signals, which are also only collected every 110 seconds via WSPR log data, proves to be even more humbug. But let’s do that again: “Never Give a Sucker an Even Break” (W.C. Fields, 1941). So let’s take another look at least briefly at “Airplane Scatter on Shortwave”. There is, sure. But not as an Alfred E. Neuman [MAD] dreams of.

We take the AM carrier of the 500 kW transmitter of the Saudi Arabian Broadcasting Authority on 15,380 kHz, radiated from strong (+20 dBi) focusing curtain antennas (310°, Middle East direction) just outside the capital Riyadh, distance 4,360 km. The figure below shows in the spectrogram the carrier and a Doppler trace caused by aircraft scatter. Furthermore one sees the splitting of the carrier by magneto-ionic effects of the ionosphere, the thereby in immediate carrier proximity caused Doppler tracks plus meteorite scatter.

Two ionospheric hops – components of the spectrogram of the carrier of a powerful broadcast transmitter on 15,380 kHz.

If one looks at the matter in detail (see below), the landing approach of MH2090 at Hannover airport shows up more clearly in the now 12 Hz narrow window. Since this and the meteorite scatter have been brought out with more contrast compared to the previous image by reducing the dynamic range, however, the view of the multipath Doppler of the carrier signal is lost here.

The strong signal visibly illuminates MH2090’s landing approach.

For nine consecutive days, I recorded the 19-m broadcast band and checked literally hundreds of stations. Always the same story:

  • You need a strong signal from the radio transmitter, because only this is able to illuminate especially airplanes in the immediate region of the receiver and cause a Doppler trace.
  • Level fluctuations due to ubiquitous fading are orders of magnitude above aircraft tracks.
  • Meteorite tracks often pass closer to the carrier (WSPR measures within a bandwidth of 6 Hz!) than aircraft Doppler. That they are detected is therefore more likely than the influence of aircraft.
  • Small-scale effects within the ionosphere, unpredictable by statistical ionospheric models such as IRI-2007 (PropLab), alter the signal in terms of Doppler and amplitude, which cannot be even approximately accounted for by the coarse-quantitative methods used by Godfrey, Dr. Westphal et al.

And this is only a part of the ionospheric effects alone. Others are added, see below.

Why a strong signal is needed is shown in comparison in the following figure, taken at the same time with a weaker signal from Saipan (Marianas, 11,300 km away): no aircraft Doppler of the MH2090 landing approach in the immediate vicinity of DK8OK. The energy simply is not sufficient for scattering.

As you can see, you see nothing: Nothing to see at the much weaker signal of Radio Free Asia from Agignan Point/Saipan, 100 kW with curtain antenna towards Myanmar. The illumination is not sufficient to show the landing approach of MH2090.

But even with the strong signal, everything dissolves into noise if you only look at the level. Below the levels of the Saudi Arabian transmitter over two hours – in the upper representation in 1-second intervals, below then averaged in WSPR manner over blocks of 110 seconds each.

In the same way, the original WSPR software also measures the SNR:

The program measures the average signal power over the full transmission.  It measures the average noise power (per Hz of bandwidth) in whatever noise baseline segments (no signal present) are available.  It then scales the noise power up to what would be contained in 2500 Hz bandwidth, and calculates SNR = (average signal power)/(average noise power).

Information from K1JT, April 5, 2022

So only the lower plot is what the WSPR log data gives! And a “drift”, which is however little meaningful.

Above, the transmitter level recorded every second over two hours. Below, the level values summarized in 110-second blocks (“WSPR mode”), mean [average] 47.3 dB, standard deviation 2.5.

Godfrey, Dr. Westphal et. al. do, after all, make the lower recording of the level in 110-second blocks the basis of their argument. Since I can see exactly when an aircraft is visibly illuminated, by observing the Doppler traces in the spectrogram, I have marked these clear sightings in the diagram below – each individual sighting with three adjacent points.

Four aircraft Dopplers were clearly visible in the spectrogram on this day. They are marked with three blue dots each. The level curve underneath does not clearly indicate this at any point. On the contrary, there are only “false positives”.

What Godfrey, Dr. Westphal et al. are doing now is to catch the aircraft from “anomalous” level jumps alone by means of a hat trick that I do not quite see through. What exactly is “anomalous”, can be defined by oneself. But it should be a positive and visible level jump! If one follows the descriptive statistics, it should be “outliers” in their sense. I have checked the level curve according to several of these established methods: not a single detection of even a single aircraft. On the other hand, if the threshold is set accordingly, only false positives are reported – i.e. aircraft where there are none by any stretch of the imagination.

Have I now bored you enough with my long explanations about all too obvious things? Wait – three more things: What does it mean for the carrier signal when the scatter signal is added? Not much, as we already saw above with Hanover VOLMET. The graph below takes a carrier signal of -50 dBm (about S9+20dB on shortwave). The red line shows by how many decibels this carrier is raised when the Doppler signal is between -50 dBm (easy: +3 dB, since doubling) and -130 dBm. The result is very sobering: In the spectrogram, where Doppler and carrier signal can be measured separately, the Doppler signal is always about 20 to 50 dB below the carrier signal.

Moreover, a Doppler trace passes through the 6 Hz filter of the WSPR software within only a few seconds. And only in this time Aircraft-Scatter has the possibility to contribute to the total signal averaged over 110 seconds, from which the SNR is calculated. If one generously assumes 11 seconds in which the Doppler signal contributes to the total signal, one may subtract another 10 dB …

How then with the signals described above and the standard deviations seriously anything else than mumbo jumbo could be read out, nobody understands. Except the President of the ´ DARC, of course. And those who, gladly for money, wave incense for him.

Nothing happens: Even if a Doppler signal doubled that of the carrier, the 3 dB increase in the overall level would be lost in the normal fading.

Oh yes, second last point: “Doppler and drift”. The latter is reported in the WSPR log data. Can we make it short – who has ever looked at spectrograms of the WSPR range knows the sub-optimal quality of many WSPR transmitters. If not: the three screenshots below will convince anyone. Most WSPR transmitters generate the drift themselves. While Doppler shows up on shortwave by traces mainly next to the carrier, but does not shift the whole signal. Like just an unsteady transmitter oscillator … Not to be taken into account are also insufficient receivers …

“Again ye come, ye hovering Forms”: Twelve hours of WSPR signals on 20 m in the 400 Hz window. Solid benchmarks, on the basis of which one can see helicopters spiraling into the icy air of Antarctica via signal strength and drift over thousands of kilometers, look different.
A detailed look at about eight passes of 110 seconds each does not convey pure confidence either. Above all: nowhere is aircraft Doppler to be seen! The “crooked” signals are due to insufficient frequency stability of the transmitters …
… which is certainly particularly clear here in the area marked in red.

All my measurements, and here I come to the announced third as well as last point, were made with a professional SDR at almost 100 dB dynamic range on RF level and under careful qualitative analysis of all signal components at below 0.05 Hz resolution bandwidth. The WSPR log values, on the other hand, are noted at 2,500 Hz bandwidth, at audio level and from a very heterogeneous set of receivers and only quantitatively. Noise, interference, AGC effects and many more have an impact on this data, but can neither be clearly recognized, nor even calculated out.

The following screenshot thus shows what else can happen in the other 92 percent of the total captured bandwidth and what affects AGC, noise, etc. More than a helicopter taking off in Antarctica, that’s for sure …

2500 Hz bandwidth is seen by the receiver and WSPR decoder, 8 percent of which is taken up by the WSPR signals (light center), 92 percent by the rest. And within this bandwidth, this can have a more significant effect on the SNR values calculated from the audio signal than an airplane several thousand kilometers away – for example, due to the AGC.

Possibly Godfrey, Dr. Westphal (this one a former DARC chairman) et al. started their investigations with good intentions. However, they would have had to find out quickly that physics opposes their wide-ranging conclusions. Instead of writing a scientific paper, which could have been argued with, they preferred to go to the tabloid media without any technical knowledge. Irresponsibly, they raise the hopes of hundreds of relatives and the lay public, which their method cannot fulfill. In denunciatory manner they also instrumentalized the DARC for this attitude, which not only jumped over this little stick beaming with joy, but seems to prevent a professional discussion in specialized media by mobbing.

If this article contributes to a repression-free discussion with facts and arguments – as it should be a matter of course – my intention is fulfilled.

P.S.: Allegedly Richard Godfrey, a pensioner from Hesse, wants to apply for a patent for his GDTAAA method and therefore keeps a low profile with a disclosure. Many an unsuspecting person is already dreaming that the entire air traffic control will switch to this method, which will also make the previous investments in high-powered over-the-horizon radars with their smart evaluations superfluous. As far as we can hear, however, the experts are not even laughing about it, but are just shaking their heads at these (radio) amateurs.

Flugzeug-Scatter – Was geht? Und was nicht?

[Dieser Artikel erschien als Titelgeschichte in der Juni-Ausgabe 2022 der Fachzeitschrift “Funktelegramm“. Veröffentlichung an dieser Stelle mit freundlicher Erlaubnis des Herausgebers und Chefredakteurs, Joachim Kraft, DL8HCZ.]

Da geht die Post ab: Flug CAT405 fliegt zwischen Hanover VOLMET und DK8OK und verursacht dabei im VHF-Bereich eine charakteristische Dopplerspur – siehe Mauspfeil.
Receiver Winradio ‘Excalibur Sigma’, Antenna Dressler ARA 2000 [Original], Software SDRC.

Erneut haben Godfrey, Dr. Westphal et al. sich mit Flugzeug-Scatter beschäftigt – siehe hier und hier. Und erneut begeben sie sich mit unwissenschaftlichen Thesen auf Dummenfang. Außer dem DARC, der diese Scharlatanerien begeistert begrüßt und ihnen – entgegen aller Vernunft und Physik – eine große Publizität verschafft, gibt es wohl niemanden, der diesen blühenden Unsinn von Leuten glaubt, “die nicht wissen, was sie tun” (Physik-Nobelpreisträger Prof. Joe Taylor, K1JT, zu genau diesem Thema).

Von verschiedenen Seiten wurde ich nun gebeten, doch möglichst einfach und für jedermann unmittelbar nachvollziehbar zu erklären, was es mit diesem gar nicht so mysteriösen “Flugzeug-Scatter” auf sich hat. Und warum die “These”, man könne durch WSPR-Logdaten Flugzeugbewegungen über tausende von Kilometern nachvollziehen, zu jenen Dummbeuteleien gehört, die nur von den “Freunden der Flachen Erde” geglaubt werden.

Fangen wir ganz einfach an:

  • Was passiert, wenn sich ein Flugzeug und eine Funkwelle begegnen?

Das seht ihr im Screenshot oben. In der Mitte verläuft zeitlich von unten nach oben der Träger des Flugfunk-Wettersenders “Hanover VOLMET”, der in AM mit 50 Watt sendet (E-Mail Deutsche Flugsicherung vom 10.5.2021). Der Ausschnitt ist nur 400 Hz schmal, so dass man wegen des 200-Hz-Audio-Hochpasses beim Sender die Modulations-Seitenbänder links und rechts nur knapp sehen kann.

Eindeutig Flugzeug-Scatter: Doppler-Spuren

Dafür tut sich in unmittelbarer Nähe des Trägers umso mehr. Man sieht links und rechts vom Träger mehrere Dopplerspuren von Flugzeugen. Sie entstehen dadurch, dass die Funkwellen des Senders an der Metallhülle des Fliegers gestreut und zusätzlich zum ursprünglichen Sendersignal empfangen werden.

Da sich das Flugzeug bewegt, kommt es auch hier zum vom mit Signalhorn vorbeifahrenden bekannten Doppler-Effekt: Die Dopplerfrequenz des herankommenden Objektes liegt zunächst oberhalb der Frequenz, die die Fahrzeuginsassen hören. Beim Herannahen vernimmt der stehengebliebene Fußgänger aber einen erst hohen und dann fallenden Ton. Bis das Fahrzeug mit ihm exakt auf derselben Höhe ist. Dann hören Beobachter und Fahrzeuginsassen dieselbe Tonhöhe. Sie sinkt dann für den Beobachter auf dem Bürgersteig wieder, wenn sich das Fahrzeug entfernt. Die sogenannten “Doppler-Frequenz”, also ihre Verschiebung gegenüber der eigentlichen Frequenz, hängt von der (Relativ)geschwindigkeit ab, mit der sich das Fahrzeug bewegt.

Ja, und genau das ist auch passiert, als die Boeing 737-430 auf ihrem Weg zwischen Kopenhagen und Genf in den Weg der Funkwellen zwischen Hannover VOLMET und meinem Standort flog. FlightRadar24 zeigt das sehr schön, siehe unten.

Flug CAT405 kreuzt am 12. März 2022 um 09:08:48 UTC die Strecke zwischen Hannover VOLMET und DK8OK.

Vergleichen wir die Flugbahn mit der Dopplerspur, so können wir mühelos folgendes nachvollziehen:

Die Boeing fliegt von Norden nach Süden. Sie steigt also mit einer hohen Dopplerfrequenz ein, die dann auf genau Null (“Zero Doppler”) sinkt, wenn sie die direkte Linie zwischen Sender und Empfänger kreuzt. Sie verschwindet in diesem Moment im Träger und kommt bei weiterem Flug gen Süden im unteren Seitenband wieder hervor – die Doppler-Frequenz sinkt, weil die Boeing sich entfernt.

Für die weitere Betrachtung stellen sich uns unter anderem folgende Fragen:

  • Wie hoch ist die vom Flugzeug zurückgestreute Leistung?
  • Um welchen Betrag erhöht diese Leistung den Pegel des Trägersignals beim Überqueren der Linie zwischen Sender und Empfänger?

Sehen wir uns zunächst einmal die Lage in 3D mit Sender, Empfänger und Flugzeug in 10 km Höhe kurz über dem “Kreuzungspunkt” in Matlab an:

Ein Sender (links), ein Empfänger (rechts) ein Scatterer (oben).

Die Strecke Hannover VOLMET -> DK8OK ist ja der Normalfall. Aber ein Teil der Energie des Senders wird auch von der Metallhülle des Fliegers “gehört” und zurückgeworfen, gescattert.

Die direkt von DK8OK und vom Flugzeug empfangenen Signalstärke kann man leicht ausrechnen. Wieviel Energie allerdings vom Flieger zurückgestreut wird, hängt von so vielen Faktoren ab, dass man entweder auf Messungen oder Modellierungen zurückgreifen muss. Deren Ergebnis ist ein Diagramm, durchaus ähnlich einem Antennendiagramm. Und eine Zahl, die sogenannte “Rückstrahlfläche” oder RCS (radar cross section).

Eigentlich ist das keine einzelne Zahl, sondern ein Bereich, der abhängig von der Frequenz, dem Flugzeugtyp und der relativen Richtung zu Sender und Empfänger ist. Für Verkehrs- und Transportflugzeuge gibt die Literatur RCS-Werte zwischen 10 bis 100 dBm2 an. Die Theorie soll euch hier nicht weiter bekümmern. Nur soviel: je höher diese Zahl, desto besser werden elektromagnetische Wellen zurückgestreut. Militärische Stealth-Flieger liegen daher zumeist unter RCS 10.

Stiff Kint hat (private Kommunikation: “Bistatic Radar Cross-Sections and the Detection WSPR Signals By Aircraft Scatter; March, 2022”) sich die Mühe gemacht, anhand eines Drahtmodells einer Boeing 777-200ER die RCS für Frequenzen zwischen 1 MHz und 120 MHz mit der Software NEC2C zu simulieren. Auf keiner der Frequenzen überschreitet der RCS einen Wert von 50. Zumeist liegt er zwischen 20 und 40. Zur Sicherheit habe ich dennoch einen Wert von 50 angenommen, die Berechnungen durchgeführt und erhalte folgendes Bild:

Die Pegelverhältnisse – siehe Text.

Das Flugzeug erreicht demnach eine Energie von -45 dBm2. Die wird in ein Signal von -28 dBm umgesetzt, das in 13 km Entfernung mit -96 dBm empfangen wird. Es liegt um rund 36 dB unter dem Originalträger. Stimmt das alles halbwegs mit den tatsächlich beobachteten Pegeln überein? Trotz einiger Rundungen und Annahmen?

Theorie – ganz praktisch

Durch die Dopplerspur sind wir ja hier in der glücklichen Lage, gescattertes und direkt empfangenes Signal jeweils für sich eindeutig und getrennt zu messen. Eine Umsetzung des obigen Spektrogramms in eine Zahlenmatrix erleichtert diese Messungen, aber auch die Ermittlung von Maximal- und Durchschnittswerten:

Hier die Umsetzung des Spektrogramms in Matlab. Bei genauem Hinsehen bemerken wir auch den Perlenschnur-Effekt des Dopplersignals, der durch Phasenänderungen verursacht wird.

Messungen zeigen dann, dass wir bei direktem Empfang in den Spitzen der Träger bei etwa -65 dBm liegt, die Dopplerspur aber tatsächlich einen Maximalwert von -90 dBm aufweist. Damit ist obige Frage beantwortet: Ja, die Messungen zeigen, dass die Annahmen und Berechnung grundsätzlich stimmen.

“Pegelsprung” durch Addition von Träger und Doppler-Spur?

Bleibt die nächste spannende Frage:

  • Wie groß ist der Pegelsprung des allein für sich beobachteten Trägersignals beim bzw. in der Nähe des “Durchgangs”?

Durch solche “Pegelsprünge” felsenfest auf Flugzeuge und gar Hubschrauber in tausenden von Kilometern Entfernung zu schließen, ist ja schließlich einer der Dreh- und Angelpunkte der Veröffentlichungen von Godfrey, Dr. Westphal et al.!

Da wir hier Scatter und Originalsignal getrennt gemessen haben, brauchen wir sie nur noch zu addieren und dann die Differenz zum puren Träger bilden.

Also: -65 dBm (Träger) plus -90 dBm (Scatter) und, nach dem De-Logarithmisieren für die Leistungsaddition wieder in dBm logarithmisiert, um die Pegelerhöhung des Trägers zu messen, erhalten wir -64,9863 dBm oder:

eine Steigerung von 0,0137 dBm!

Tolle Wurst! Messunsicherheiten etc. sind um mindestens zwei Größenordnungen größer!

Das Märchen vom “Stolperdraht”

Godfrey, Dr. Westphal et al. meinen nun, dass ein Kurzwellen-Signal zwischen Sender und Empfänger einen “Stolperdraht” (tripwire) bildet: berührt ein Flugzeug diesen virtuellen Draht, so gibt der Alarm. Und der zeigt sich in einer “anomalen” Steigerung des empfangenen Signalpegels. Nunja.

Zwar gibt es dieses Konzept tatsächlich. Allerdings vor allem im Bereich (weit) oberhalb von etwa 20 MHz. Funkamateure wenden es munter tagtäglich an, unterstützt von smarter Software wie dieser und dieser. Dass es sich auf Kurzwelle nur in Ausnahmefällen übertragen lässt, zeige ich weiter unten. Zunächst aber einmal das Konzept “in action”:

Es beschreibt eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger, die außerhalb ihres Radiohorizontes liegen. Der Empfänger kann somit den Sender entweder gar nicht oder nur mit kleinstem Signal empfangen. Wenn aber ein Flugzeug (Reisehöhe 10 km), der Plasmaschweif von Meteoriten (ca. 80 – 130 km Höhe), die Raumstation ISS (400 km) oder gar der Mond (Beispiele hier) gleichzeitig Sender und Empfänger “sehen” können, dann kann man am Empfänger das gescatterte Signal nachweisen.

Nehmen wir den französischen Radar-Sender GRAVES als Beispiel; Richard Walker hat dazu ein kenntnisreiches Papier: “Aufzeichnung von Meteor-Echos durch Forward Scattering” in deutscher Sprache erstellt, Rob Hardenberg, PE1ITR, in englischer Sprache – “The 143.050MHz GRAVES Radar a VHF Beacon”. Der Sender auf 143,050 MHz tastet mit einer hohen Effektivleistung über sektorgesteuerte Antennen den Himmel nach Weltraumschrott ab.

Die Luftlinie zwischen GRAVES und DK8OK beträgt 654 km, der sogenannten “Radiohorizont” des Senders reicht jedoch kaum 30 km weit. Ein in 80 km Höhe aufflammender Meteoritenschweif sieht jedoch fast 1.200 km weit und hat somit ganz andere Dimensionen im Blick: Lässig kann er, wenn er an geeigneter Stelle niedergeht, über Scatter GRAVES und DK8OK miteinander verbinden. Anders als beim obigen Beispiel mit Hannover VOLMET ist dann der Träger des Senders natürlich nicht mehr zu sehen. Die Doppler-Signale hingegen können recht kräftig ausfallen, siehe Screenshot unten vom 12. März 2022 gegen 21:16 UTC. Zumeist ist das auch der Effekt, der zwei Amateurfunkstationen außerhalb ihres Radiohorizontes via Flugzeug- oder eben Meteor-Scatter miteinander verbindet.

Scatter an einem Meteoritenschweif: Auch wenn der Träger von GRAVES in 620 km Entfernung nicht zu “sehen” ist, so “sieht” der Meteoritenschweif in ca. 80 km Höhe Sender und Empfänger. Oben das Spektrogramm des kurzzeitigen Aufflammens, unten das Spektrum mit dem typischen Perlenschnureffekt.

Natürlich handelt es sich auch hier nicht unbedingt um einen “Stolperdraht”, denn die Position des Meteoritenschweifes lässt sich dadurch noch nicht bestimmen.

Dieses Konzept jedoch generell auf Kurzwelle anzuwenden, ist nur unter völliger Ignorierung der dortigen Ausbreitungsmechanismen möglich: Zumindest unter etwa 20 MHz findet sich mit empfindlichen Methoden auch in der sogenannten “Toten Zone” immer noch ein kleiner Trägerrest. Er breitet sich als “Backscatter” über Irregularitäten der Ionosphäre aus. Dieser Effekt kann wunderbar mit der auch von Godfrey, Dr. Westphal et al. genutzten Ausbreitungs-Software PropLab Pro simuliert werden – ebenso wie beim 3D-Raytracing die Aufspaltung eines einzigen Signals in mehrere Komponenten, die sich über unterschiedliche Wege ausbreiten. Das wiederum führt zu Dopplerspuren durch die Dynamik der Ionosphäre ebenso wie zu Großkreisabweichungen. Godfrey, Dr. Westphal et al. machen um diese alltäglichen Dinge allerdings einen großen Bogen. Wenigstens hier werden sie genau wissen, warum.

Als noch größerer Humbug erweist sich die Anwendung des Konzeptes der VHF-Ausbreitung auf die Kurzwellen-Ausbreitung mit ihren stark schwankenden Signalen, die man via WSPR-Logdaten zudem nur alle 110 Sekunden erhebt. Aber tun wir uns auch das nochmal an: “Never Give a Sucker an Even Break” (W.C. Fields, 1941), was der deutsche Verleih etwas tapsig mit “Gib einem Trottel keine Chance” übersetzte. Werfen wir also nochmals zumindest einen kurzen Blick auf “Flugzeug-Scatter auf Kurzwelle”. Gibt es, klar. Aber nicht so, wie der OM Waldheini sich das erträumt.

Wir nehmen den AM-Träger des 500 kW starken Senders der Saudi Arabian Broadcasting Authority auf 15.380 kHz, abgestrahlt von stark (+20 dBi) bündelnden Vorhangantennen (310°, Richtung Mittlerer Osten) etwas außerhalb der Hauptstadt Riyadh, Entfernung 4.360 km. Die untenstehende Abbildung zeigt im Spektrogramm den Träger und eine durch Flugzeug-Scatter verursachte Doppler-Spur. Des Weiteren sieht man die Aufspaltung des Trägers durch magneto-ionische Effekte der Ionosphäre, die dadurch in unmittelbarer Trägernähe verursachte Doppler-Spuren plus Meteoriten-Scatter.

Zwei Ionosphärensprünge – Komponenten des Spektrogramms des Trägers eines starken Rundfunksenders auf 15.380 kHz.

Schaut man sich die Sache im Detail an (siehe unten), so zeigt sich im nunmehr 12 Hz schmalen Fenster der Landeanflug von MH2090 am Flughafen Hannover deutlicher. Da dieser und der Meteoriten-Scatter gegenüber der vorigen Abbildung durch Reduzierung des Dynamikbereichs kontrastreicher herausgearbeitet wurde, geht hier allerdings der Blick auf den Multipath-Doppler des Trägersignals verloren.

Das starke Signal leuchtet den Landeanflug von MH2090 sichtbar aus.

An neun aufeinanderfolgenden Tagen habe ich das 19-m-Rundfunkband aufgenommen und buchstäblich hunderte von Sendern überprüft. Immer dieselbe Leier:

  • Du brauchst ein starkes Signal des Rundfunksenders, denn nur dieses ist in der Lage, vor allem Flugzeuge in der unmittelbaren Region des Empfängers auszuleuchten und eine Dopplerspur zu verursachen.
  • Die Pegelschwankungen durch allgegenwärtiges Fading liegen um Größenordnungen über den Flugzeugspuren.
  • Meteoritenspuren führen oft dichter am Träger (WSPR misst innerhalb einer Bandbreite von 6 Hz!) entlang als Flugzeug-Doppler. Dass sie erfasst werden, ist daher wahrscheinlicher als der Einfluss von Flugzeugen.
  • Kleinräumige und durch statistische Ionosphärenmodelle wie IRI-2007 (PropLab) nicht vorhersagbare Effekte innerhalb der Ionosphäre ändern das Signal hinsichtlich Doppler und Amplitude, die mit den von Godfrey, Dr. Westphal et al. genutzten grob-quantitativen Methoden nicht auch nur annähernd berücksichtigt werden können.

Und das ist nur ein Teil der allein ionosphärischen Effekte. Andere kommen ja hinzu, siehe unten.

Warum man ein starkes Signal braucht, zeigt im Vergleich die folgende Abbildung, die zur selben Zeit mit einem schwächeren Signal aus Saipan (Marianen, 11.300 km entfernt) aufgenommen wurde: kein Flugzeug-Doppler des MH2090-Landeanfluges in unmittelbarer Nähe von DK8OK. Die Energie reicht zum Scattern nicht aus.

Wie Sie sehen, sehen Sie nichts: Nix zu sehen beim deutlich schwächeren Signal von Radio Free Asia aus Agignan Point/Saipan, 100 kW mit Vorhangantenne Richtung Myanmar. Die Ausleuchtung reicht nicht aus, den Landeanflug von MH2090 darzustellen.

Doch selbst am starken Signal löst sich alles im Rauschen auf, wenn man ausschließlich den Pegel betrachtet. Unten die Pegel des saudi-arabischen Senders über zwei Stunden – in der oberen Darstellung im 1-Sekunden-Takt, unten dann in WSPR-Manier gemittelt über Blöcke von jeweils 110 Sekunden.

In gleicher Weise misst auch die Original-WSPR-Software das SNR:

Das Programm misst die durchschnittliche Signalleistung über die gesamte Übertragungszeit. Es misst die durchschnittliche Rauschleistung (pro Hz der Bandbreite) in allen verfügbaren Rauschbasissegmenten (ohne Signal). Dann skaliert es die Rauschleistung auf den Wert, der in der 2500-Hz-Bandbreite enthalten wäre, und berechnet SNR = (durchschnittliche Signalleistung)/(durchschnittliche Rauschleistung).

Auskunft von K1JT, 5. April 2022

Nur die untere Darstellung ist also das, was die WSPR-Logdaten hergeben! Und eine “Drift”, die aber wenig aussagekräftig ist.

Oben der über zwei Stunden sekündlich notierte Senderpegel. Mittelwert [average] 47,2dB, Standardabweichung 4,46. Unten die in 110-Sekunden-Blöcken zusammengefassten Pegelwerte (“WSPR-Modus”), Mittelwert [average] 47,3 dB, Standardabweichung 2,5.

Godfrey, Dr. Westphal et. al. machen ja die untere Aufzeichnung des Pegels in 110-Sekunden-Blöcken zur Grundlage ihrer Argumentation. Da ich durch Beobachtung der Doppler-Spuren im Spektrogramm genau sehen kann, wann ein Flugzeug sichtbar beleuchtet wird, habe ich diese eindeutigen Sichtungen im Diagramm unten markiert – jede einzelne Sichtung mit drei nebeneinanderliegenden Punkten.

Vier Flugzeug-Doppler waren an diesem Tag im Spektrogramm eindeutig auszumachen. Sie sind mit jeweils drei blauen Punkten markiert. Der darunter gelegte Pegelverlauf lässt an keiner Stelle eindeutig darauf schließen. Im Gegenteil: Es gibt nur “falsch-positive” Meldungen.

Was Godfrey, Dr. Westphal et al. nun machen, ist, durch einen von mir nicht ganz durchschauten Hütchentrick allein aus “anomalen” Pegelsprüngen die Flieger zu fangen. Was “anomal” ist, kann man zwar durchaus selbst definieren. Aber ein positiver und sichtbarer Pegelsprung sollte es doch schon sein! Folgt man der deskriptiven Statistik, müsste es sich in deren Sinne dann also um “Ausreißer” handeln. Ich habe den Pegelverlauf nach verschiedenen dieser etablierten Methoden überprüft: kein einziges Erkennen auch nur eines einzigen Flugzeuges. Dafür, setzt man die Schwelle entsprechend, ausschließlich falsch-positive Meldungen – also Flugzeuge, wo beim besten Willen keine sind.

Hab’ ich euch nun mit meinen länglichen Ausführungen über allzu Selbstverständliches genug gelangweilt? Moment – drei Dinge noch: Was bedeutet es für das Trägersignal wenn das Scatter-Signal hinzukommt? Wenig, wie wir schon oben bei Hannover VOLMET sahen. Die untenstehende Grafik nimmt sich ein Trägersignal von -50 dBm (etwa S9+20dB auf Kurzwelle). Die rote Linie zeigt, um wie viele Dezibel dieser Träger angehoben wird, wenn das Doppler-Signal zwischen -50 dBm (einfach: +3 dB, da Verdoppelung) und -130 dBm beträgt. Das Ergebnis ist überaus ernüchternd: Im Spektrogramm, wo man ja Doppler- und Trägersignal voneinander getrennt vermessen kann, liegt das Dopplersignal immer rund 20 bis 50 dB unter dem Trägersignal.

Zudem durchläuft eine Dopplerspur das 6-Hz-Filter der WSPR-Software ja innerhalb nur weniger Sekunden. Und nur in dieser Zeit hat Aircraft-Scatter überhaupt die Möglichkeit, zum über 110 Sekunden gemittelten Gesamtsignal beizutragen, aus dem dann das SNR errechnet wird. Nimmt man großzügig 11 Sekunden an, in denen das Doppler-Signal zum Gesamtsignal beiträgt, so darf man nochmals 10 dB in Abzug bringen …

Wie dann bei den oben beschriebenen Signalen und den Standardabweichungen seriös irgendetwas anderes als Mumpitz herauszulesen wäre, begreift niemand. Außer der DARC-Vorsitzende, natürlich. Und jene, die, gerne gegen Geld, für ihn Weihrauch wedeln.

Nüscht passiert: Selbst wenn ein Dopplersignal den des Trägers verdoppelte, ginge der Anstieg des Gesamtpegels von 3 dB im normalen Fading unter. Und: A bissel Schwund is’ immer …

Achja, zweitletzter Punkt: “Doppler und Drift”. Letzteres wird in den WSPR-Logdaten vermeldet. Können wir kurz machen – wer sich schon mal Spektrogramme des WSPR-Bereiches angeschaut hat, kennt die sub-optimale Qualität vieler WSPR-Sender. Wenn nicht: die drei Screenshots unten überzeugen jeden. Die meisten WSPR-Sender erzeugen selbst die Drift. Während Doppler sich ja auf Kurzwelle durch Spuren hauptsächlich neben dem Träger zeigt, aber nicht das gesamte Signal verschiebt. Wie eben ein unruhiger Sender-Oszillator … Nicht berücksichtigen lassen sich überdies ebenso unzureichende Empfänger …

“Ihr naht [narrt?!] euch wieder, schwankende Gestalten”: Zwölf Stunden WSPR-Signale auf 20 m im 400-Hz-Fenster. Solide Maßstäbe, anhand derer man via Signalstärke und Drift über tausende von Kilometern Hubschrauber sich in die eisige Luft der Antarktis schrauben sieht, sehen anders aus.
Ein detaillierter Blick auf rund acht Durchgänge à 110 Sekunden vermittelt ebenfalls nicht das pure Vertrauen. Vor allem: nirgendwo ist Flugzeug-Doppler zu sehen! Die “krummen” Signale verdanken sich unzureichender Frequenzstabilität der Sender …
… was hier im rot markierten Bereich sicherlich besonders deutlich wird.

Alle meine Messungen, und da komme ich zum angekündigten dritten sowie letzten Punkt, erfolgten mit einem professionellen SDR bei knapp 100 dB Dynamik auf HF-Ebene und unter sorgfältiger qualitativer Analyse aller Signalkomponenten bei unter 0,05 Hz Auflösungs-Bandbreite. Die WSPR-Logwerte, hingegen, werden bei 2.500 Hz Bandbreite, auf Audio-Ebene und von einer sehr heterogenen Empfängerschar und lediglich quantitativ und als Durchschnittswerte notiert. Rauschen, Störungen, AGC-Effekte und vielerlei mehr wirken sich auf diese Daten aus, lassen sich aber weder eindeutig erkennen, noch gar herausrechnen.

Der folgende Screenshot zeigt somit, was sich eben in den anderen 92 Prozent der insgesamt erfassten Bandbreite noch so tun kann und auf AGC, Rauschen etc. einwirkt. Mehr als ein startender Helikopter in der Antarktis, soviel ist sicher …

2500 Hz Bandbreite sehen Receiver und WSPR-Decoder, 8 Prozent davon nehmen die WSPR-Signale ein (helle Mitte), 92 Prozent der Rest. Und das kann – etwa durch die AGC – innerhalb dieser Bandbreite deutlichere Auswirkungen auf die aus dem Audiosignal errechneten SNR-Werte haben als ein Flugzeug in mehreren tausend Kilometern Entfernung.

Womöglich haben Godfrey, Dr. Westphal (dieser ein ehemaliger DARC-Vorsitzender) et al. ihre Un-tersuchungen mit guten Absichten begonnen. Sie hätten jedoch schnell feststellen müssen, dass die Physik ihren weitgespannten Folgerungen entgegensteht. Statt ein wissenschaftlichen Ansprüchen genügendes Paper zu verfassen, mit dem man sich argumentativ-fachlich hätte auseinandersetzen können, zogen sie den Gang in die Boulevardmedien ohne fachliche Ahnung vor. Verantwortungslos schüren sie damit bei hunderten von Angehörigen und in der Laien-Öffentlichkeit Hoffnungen, die jedenfalls ihre Methode nicht erfüllen kann. In denunziatorischer Weise instrumentalisierten sie auch den DARC für diese Haltung, der nicht nur freudestrahlend über dieses Stöckchen sprang, sondern durch Mobbing eine fachliche Diskussion in Fachmedien zu verhindern scheint.

Wenn dieser Artikel zu einer repressionsfreien Diskussion mit Fakten und Argumenten – wie er eigentlich eine Selbstverständlichkeit sein sollte – beiträgt, ist meine Absicht erfüllt.

P.S.: Angeblich möchte Richard Godfrey, ein Rentner aus dem Hessischen, sein GDTAAA-Verfahren zum Patent anmelden und hält sich deshalb bedeckt mit einer Offenlegung. Manch‘ Ahnungsloser träumt schon davon, dass die komplette Flugsicherung auf diese Methode umstellt, die auch gleich die bisherigen Investitionen in sendestarke Over-the-Horizon-Radare mit ihren smarten Auswertun-gen überflüssig macht. Soweit jedoch zu hören ist, lachen die Experten darüber nicht einmal, sondern schütteln über diese (Funk)amateure nur noch den Kopf.