Klein Heidelberg

Die großen Antennen von Chain Home (CH) waren von der französischen Küste aus zu sehen, weshalb die Deutschen ihre genauen Position kannten. Durch die Fix-Richtung der Sender in Richtung Kontinent war es einfach, festzustellen, welches Signal von welchem Sender ausgestrahlt wurde. Unterstützt wurde dies durch die Art und Weise, wie die Sender ihre Sendungen in einer Reihe von Zeitschlitzen, den sogenannten „Running Rabbits“, ausbreiteten. Diese erlaubten es, einen Signalimpuls durch das Timing auf eine bestimmte Station zurück zu verfolgen. Die Funktionsweise von Chain Home war den Deutschen seit Mitte 1940 bekannt.[7]

Nachdem den Engländern spätestens nach der Selbstversenkung des Panzerschiffs Graf Spee 1939 bekannt war, dass die Deutschen über Radartechnologien verfügten (Die Graf Spee ging nicht ganz unter und die Antennen, welche aus dem Wasser ragten, konnten von den Engländern begutachtet werden), wurden Gegenmaßnahmen gegen die deutsche Radartechnik ergriffen, indem starke Störsender an der Kanalküste installiert wurden. (Auf der Graf Spee war ein Seetakt-Radar installiert, welches ähnliche Eigenschaften wie das Würzburg-Radar hatte). Auch setzten die Engländer ab 1943 Düppel ein, um die Radargeräte der Deutschen zu stören. Betroffen waren das Freya-Radar und deren Weiterentwicklungen, wie das Wassermann. Aber auch das Zielerfassungsradar Würzburg war von diesen Störungen betroffen.[8][9] Spätestens nach der Operation Gomorrha am 24. Juli 1943 war klar, dass man weniger störanfällige Technologien benötigte, um die Bomber der Alliierten effektiv zu bekämpfen.

Ab 1942 baute der Ingenieur Fritz Wächter von Telefunken[10] in Zusammenarbeit mit den Funkingenieuren der Reichspost aus diesen Informationen ein passives Radarsystem mit den Sendern der Chain Home und eigenen Empfängern auf.[11] Der Aufbau ähnelte dem Daventry-Experiment, welches am 26. Februar 1935 im britischen West Northamptonshire durchgeführt worden war. Dabei wurde der leistungsstarke BBC-Sender in Borough Hill bei Daventry verwendet, um den Standort eines Heyford-Bombers mittels einer Empfangsanlage zu ermitteln.[12] Als Frequenz diente das 49-Meter-Kurzwellenband.[13] In beiden Fällen wurden Kurzwellen-Signale eines entfernten Senders verwendet und Flugzeuge geortet. Wenn ein Flugzeug in das Signal einflog, reflektierte es einen Teil davon an den Empfänger und erzeugte einen deutlichen „Zacken“, das heißt eine Auslenkung in der sonst auf einem Kreis liegenden Signallinie auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre.

Zu diesem Grundkonzept fügte Wächter die Möglichkeit hinzu, den groben Azimut des Ziels zu messen, indem er die gesamte Antenne drehte und nach dem maximalen Signal suchte. Die relativ lange Wellenlänge von CH zwischen etwa 10 und 15 m, entsprechend einem Frequenzbereich zwischen 20 und 30 MHz,[4] erforderte sehr große Empfangsantennen und recht komplexe Antennensysteme, um diese Rotation zu unterstützen. Die Frequenz 30 MHz entspricht einer Wellenlänge von 10 Meter. Eine Dipolantenne musste daher mindestens 5 Meter lang sein. Das Würzburg-Systen arbeitete hingegen auf 560 MHz, das heißt bei einer Wellenlänge von 0,5 Meter. Ein Dipol musste daher nur eine Länge von 25 Zentimeter aufweisen. Ein weiterer Nebeneffekt der langen Wellenlänge war die relativ geringe Richtwirkung.

Mehrere Testsysteme wurden 1942 und 1943 in Cherbourg erprobt. Die erste betriebsbereite KH-Anlage wurde an der Nachtfalter-Station am Mont de Couple zwischen Boulogne-sur-Mer und Calais gebaut, nahe dem der Stadt Dover gegenüberliegenden Ufer des Ärmelkanals, und Ende 1943 in Betrieb genommen. Der Name der Stellung war Bulldogge. Auch die anderen Stationen erhielten Tiernamen. Mit dieser ersten Anlage konnten Flugzeuge bereits über England erfasst und bis nach Deutschland verfolgt werden. Eine zweite Station in Oostvoorne in den Niederlanden (Stellung Biber) folgte im Frühjahr 1944. Vier weitere Stationen wurden 1944 fertiggestellt: Vaudricourt an der Somme (Stellung Skorpion), Oostende (Stellung Bremse), Cap d’Antifer (Stellung Auerhahn) und Cherbourg (Stellung Tausendfüßler).[14] Diese wurden auf Radarantennen des deutschen Systems Wassermann aufgebaut und nutzten teilweise die diesem eigenen Signale zur Höhenbestimmung. Für bestmöglichen Empfang musste das Antennenarray aufgrund der niedrigeren Frequenz von Chain Home erweitert werden. Die Dipolantennen von Klein Heidelberg befanden sich vor den Dipolen des Wassermann-Radarsystems. Die Breite des Antennenfeldes musste dadurch erweitert werden.[15] An mindestens zwei Standorten (Biber, Skorpion) wurde nicht eine bestehende Wassermann-Anlage erweitert, sondern ein eigenes Konzept verfolgt. Der Mast und der Bunker stammten vom System Wassermann, die Antennenanlage war aber grundlegend verschieden. Auch hier wurden Drahtgeflechte als Reflektor verwendet. Es wurden horizontale Dipolantennen eingesetzt.[16]

Wie die Wassermann-Radaranlagen wurden die Technik und das Personal der Klein-Heidelberg-Anlagen in einem Regelbau-Bunker Typ L480 untergebracht. Die Antennenanlage war in das Bunkersystem integriert. Der Name Klein Heidelberg stammt von dem Versuchsprogramm Heidelberg aus dem Jahre 1942, in dem Radaranlagen auf Kurzwellenfunkbasis ähnlich Chain Home entwickelt werden sollten.

Eigenschaft eines Chain Home Senders

Rx = Empfänger (Klein Heidelberg), Tx = Sender (Chain Home), Target = Flugzeug, L = Direkte Entfernung zwischen Sender und Empfänger, Rtx = Entfernung zwischen Sender und Flugzeug, Rrx = Entfernung zwischen Empfänger und Flugzeug. Entfernung: Rrx + Rtx - L. Da der Empfänger eine Antenne mit starker Richtwirkung einsetzt ist der Winkel zum Flugzeug bekannt. Entfernung wurde in Millisekunden an der J Scope Röhre angezeigt (Siehe Lichtgeschwindigkeit)

Das Klein Heidelberg verwendete zwei J-Scopes der Firma Telefunken, wie sie normalerweise im Radarsystem Würzburg eingesetzt wurden. Abbild mit Signalzacken (Flugzeug) auf 190. Der breite Zacken bei Position 0 war das Direktsignal von Chain Home. Die Winkelposition auf dem Schirm (hier 190) ist ein Maß für die Entfernung des Ziels.

Klein Heidelberg machte sich den Umstand zu Nutze, dass es sich bei Chain Home im Prinzip um omnidirektionale Funkfeuer handelte. CH-Funkfeuer sendeten ihre Signale in alle Richtungen aus. Sie hatten zwar eine Richtwirkung, aber diese war nicht so stark wie bei anderen Radarsystemen. Die Signale konnten also in jeder Richtung im Umkreis von mehr als 300 Kilometern empfangen werden. Die Richtwirkung wurde durch die Anordnung der drei Masten jeder CH-Station und durch den Einsatz horizontaler Dipolantennen erreicht. Die Antennen konnten im Gegensatz zu deutschen Radaranlagen nicht gedreht werden.[17] Eine weitere Eigenschaft von CH war, dass CH-Stationen nicht ständig auf Sendung waren. Vielmehr schickten sie in regelmäßigen Abständen kurze Signale aus. Die Intervalle der Aussendungen waren den Deutschen seit 1940 bekannt. CH-Stationen verwendeten sehr starke Sender (bis 750 Kilowatt), so dass der Empfang kein Problem darstellte. Ein Problem für die Deutschen bestand darin, dass mehrere CH-Stationen sich eine Frequenz teilten. Zwei Stationen sendeten aber nie gleichzeitig.

Das Klein-Heidelberg-System verwendete zwei Antennen, eine sehr große auf einer rotierenden Plattform, die für den Empfang des vom Flugzeug reflektierten Signals verwendet wurde, und eine viel kleinere, die etwa 60 Meter entfernt aufgestellt war und das direkte Signal der CH-Station empfing. Die große, rotierende Antenne konnte nur Signale aus einer bestimmten Richtung empfangen – es handelte sich also um eine Richtfunkantenne –, während die kleinere Antenne aus allen Richtungen Signale empfangen konnte. Die Signale beider Antennen wurden auf zwei Radarschirmen ausgegeben, die wie in Deutschland üblich als J-Scope ausgeführt waren. Als Schirme wurden Kathodenstrahlröhren-Geräte von Telefunken verwendet, welche normalerweise im Radarsystem Würzburg Verwendung fanden. Auch die Empfänger kamen von der Firma Telefunken. Zusätzlich besaß Klein Heidelberg eine weitere Anzeige, welche die Position der drehbaren, großen Antenne anzeigte. Der Operator wusste also, aus welcher Richtung die Reflexion des Flugzeuges kam, nämlich aufgrund der Position der Richtfunkantenne. Durch das linke J-Scope wusste er auch, was das CH-Funkfeuer aussendete. Durch das rechte J-scope konnte er die Entfernung des Flugzeuges von seinem Standort ablesen. Zur Lösung des Problems, dass sich mehrere CH-Stationen eine Frequenz teilten, machten sich die Deutschen zunutze, dass CH-Stationen Signale in Zeitschlitzen nacheinander aussendeten. Mithilfe eines Timers konnten die Deutschen bewirken, dass nur die Signale einer bestimmten, mithilfe des Timers eingestellten CH-Station ausgewertet wurden.

Das bedeutet, dass die Entfernungen als Winkelposition auf der Anzeige des Radarschirms gemessen wurden und nicht als linearer Abstand. Die Winkelpositionen der Zacken in mils (0 bis 400) wurden mit Hilfe einer Skala um die Außenseite des Radarschirms gemessen.

Der Operator wählte zunächst eine einzelne CH-Station aus, indem er den Timer so einstellte, dass er nur die Signale von dieser Station empfing. Nachdem die Station ausgewählt worden war, wurde das Signal auf dem linken Schirm untersucht, auf dem das gesamte Zeitfenster von 40 Millisekunden Länge angezeigt wurde, das dieser CH-Station zugeordnet war. Mit Hilfe eines Handrads stellte der Bediener eine Verzögerungsschaltung so ein, dass sich das Hauptsignal („Senderzacken“) des direkt vom CH-Sender empfangenen Signals auf der 12-Uhr-Position befand. Danach wurde der rechte Radarschirm, der nur ein Zwanzigstel des Zeitfensters, also 2 ms, anzeigte, für feinere Messungen verwendet. Die Dauer von 2 ms entsprach einem Entfernungs-Messbereich von 300 km. Aber durch die Wahl der Verzögerung des Sweeps auf dem rechten Schirm konnte der Betreiber die Reichweite des Systems vergrößern und so die Verfolgung sogar fortsetzen, während das Flugzeug über Deutschland flog.

Die Messung der Winkelposition auf dem rechten Schirm, an der das vom Flugzeug reflektierte Signal angezeigt wurde, ergab den Unterschied zwischen der Ankunftszeit des vom zu ortenden Flugzeug reflektierten Signals und der Ankunftszeit des Direktsignals als verstrichene Zeit. Jeder so gemessene Zeitunterschied entspricht einer unendlichen Anzahl von Positionen des zu ortenden Ziels, die eine Ellipse mit der CH-Station an einem Brennpunkt und dem KH-Empfänger am anderen bilden. Jeder Winkelbereich von zehn Skalenteilen auf der Kreisskala, z. B. 100 bis 110, wurde einer vorberechneten Ellipse, in diesem Fall Ellipse 10, zugeordnet. Die Operatoren konnten dann die Lage dieser Ellipse auf einer Reihe von bereitgestellten Diagrammen nachschlagen.

Um den Winkel zum Ziel zu messen, wurde die größere Antenne um ihre vertikale Achse gedreht, bis der ausgewählte Zielblick maximiert wurde oder an zwei Winkelpositionen verschwunden war. Der Winkel konnte dann an einer mechanisch mit der Antennenrotation verbundenen Skala abgelesen werden. Die Diagramme zeigten die Ellipse und die Position der KH-Station; eine Linie wurde von der Position der Station im gemessenen Winkel nach außen gezogen, wo sie schließlich die Ellipse schnitt und gestattete, das Flugzeug zu lokalisieren.

Die Schätzungen variieren hinsichtlich der Effektivität des Systems. Prichard zitiert eine Reichweitengenauigkeit von 1 bis 2 km mit einer Peilgenauigkeit von 1 Grad bei 400 km Reichweite, während Price 6 Meilen (9,7 km) bei 280 Meilen (450 km) vorschlägt. Aufgrund der fehlenden Umschaltung der Drehkolben war die Winkelgenauigkeit eher in der Größenordnung von 10 Grad (±5°).[18]

Die Effektivität eines Kurzwellensystems wird durch die Sonnenaktivität beeinträchtigt. In den Jahren 1943 und 1944 herrschte ein Sonnenfleckenminimum, weshalb Reflexionen der Funkwellen in der Atmosphäre eine untergeordnete Rolle spielten. Störungen durch Reflexion an Schichten der Ionosphäre spielten daher im Frequenzbereich zwischen 20 und 30 Megahertz keine Rolle. Im Sommer waren jedoch Störungen durch Sporadic-E möglich.[19] Inwiefern die Nutzung bei Sonnenaktivitätsmaximum zufriedenstellend möglich war, konnte nicht festgestellt werden.

Ob Klein Heidelberg einen praktischen Nutzen für die deutsche Verteidigung hatte, ist umstritten. Die meisten Stationen waren nicht lange genug in Betrieb. Cherbourg (Station Bulldogge) wurde bereits am 27. Juni 1944 von den Alliierten eingenommen. Zwei weitere Stationen gingen im September 1944 verloren. Sie operierten also nur wenige Monate. Nur Biber in den Niederlanden arbeitete bis zum Kriegsende. Da Klein Heidelberg passiv arbeitete, war es für die Alliierten schwierig herauszufinden, ob die Anlagen wirklich in Nutzung und von Nutzen waren. Nur anhand von Meldungen über Funk an höhergelegene Dienststellungen konnte ermittelt werden, inwiefern die Anlagen tatsächlich im Einsatz waren und ihre Daten von den Deutschen genutzt wurden. Nach diesen Informationen kann man annehmen, dass Klein Heidelberg im Einsatz war. Auch wurden die Signale von Chain Home geändert, um die Nutzung von Klein Heidelberg zu erschweren. Hinzu kamen Überlegungen, Chain Home abzuschalten. Doch dies war unmöglich, wurde das System doch zur Erkennung von einfliegenden Raketen (V2) benötigt. Belegt ist, dass die Alliierten spätestens seit dem 24. November 1944 von Klein Heidelberg wussten, da ein Report über das Thema existiert. Am 27. Dezember 1944 gab es eine Besprechung zu diesem Report in Whitehall.[20] Inwieweit Klein Heidelberg in die Kammhuber-Linie integriert war, ist nicht erwiesen.

• Richtantenne

1. NATO Schulungsunterlagen (STO-EN-SET-243): Passive Radar Lecture SET243 Fundamentals, Seite 1-2: Since 1943, the German ”Klein Heidelberg” receivers located near the Channel coast line exploited the emissions of the British ”Chain Home” radars to detect in-coming aircraft
2. Rhode & Schwarz An Introduction to Passive Radar Systems, Seite 5: The first operational passive radar is thought to be the German “Klein Heidelberg” receivers that utilized emissions from the British Chain Home radar to illuminate allied forces planes flying into German occupied territory during World War II in the period from 1943 to 1944.
3. Justin Roger Lynch: The Chain Home Early Warning Radar System: A Case Study in Defense Innovation, National Defense Univercity Press
4. The Klein Heidelberg. In: Gyges.dk. Abgerufen am 20. September 2023 (englisch).
5. cdvandt.org: Klein-Heidelberg a quite mysterious bi-static radar system
6. Hugh Griffiths IET The Institution of Engineering and Technology, 17. Mai 2017, Klein Heidelberg new information and further insight
7. geschichtsspuren.de: Seit dem Ende des Frankreichfeldzuges wussten Deutsche und Briten, dass die jeweilige Gegenseite Radar-Technik einsetzte.
8. NATO-Schulungsunterlagen (STO-EN-SET-243): Passive Radar Lecture SET243 Fundamentals, Seite 1-2: Resistance to the British jammers was the main advantage of the passive Klein Heidelberg receivers over the German active radars Freya, Mammut, Wasserman and Würzburg.
9. Rhode & Schwarz: An Introduction to Passive Radar Systems, Seite 5: The principle advantage of the Klein Heidelberg radar was its resistance to British jamming, when compared with the German active radars in use at the time, such as Freya, Mammut, Wasserman and Würzburg.
10. Patentschrift eines Fritz Wächter von Telefunken von 1953 welches sich auf Patente von 1941 bezogen.
11. Hugh Griffiths, Nicholas Willis: Klein Heidelberg – a WW2 bistatic radar system that was decades ahead of its time. (PDF; 2,7 MB) Abgerufen am 20. September 2023 (englisch).
12. https://daventrymuseum.org.uk/the-daventry-experiment-26th-february-1935-a-re-enactment-of-the-original-experiment-in-miniature/ Daventry Museum: A powerful short wave transmitter at the then BBC station on Borough Hill Daventry was used the send a radio signal to a receiver set up in a field in Litchborough, to the South of Weedon. A Heyford bomber aircraft was then flown across the radio beam and its presence was observed by a dot moving up and down on a screen connected to the receiver. The plane had been detected several miles away, the experiment was a success!
13. Bournemouth University: The Daventry Demonstration
14. The first system to become operational was the one at BULLDOGGE in August 1943, the rest of the systems were mounted by the end of the year. The Stellungen equipped with Klein Heidelberg were: BIBER in the Netherlands, BREMSE in Belgium, BULLDOGGE, SKORPION, AUERHAHN and TAUSENDFÜSSLER in France.
15. www.gyges.dk : Please note the much wider and more "open" antenna. In this site the Wassermann S antenna was retained on the back-side.
16. Seite 11: The second Klein Heidelberg, at BIBER (Oostvoorne). In this installation the Wassermann-S antenna is absent. The lower picture shows an expanded view in which the dipole elements and the wire mesh reflector are visible
17. Hugh Griffiths, Nicholas Willis Klein Heidelberg – a WW2 bistatic radar system that was decades ahead of its time, Seite 11: This fixed beam, floodlight illumination of Chain Home is key to the concept of Klein Heidelberg
18. Markus Scholz,Augen in Nacht und Sturm - Die Entwicklung der Funkmeßtechnik, 15. Juni 2005: Das "Heidelberg"-Gerät hatte eine Reichweite von 400 km und konnte die britischen Bomber bereits beim Start über ihren Flugplätzen erfassen
19. Hugh Griffiths, Nicholas Willis; Klein Heidelberg – a WW2 bistatic radar system that was decades ahead of its time, Seite 27: The sunspot cycle went through a minimum in 1943/44. This means that there would have been virtually no skywave ionospheric propagation at these frequencies, but perhaps occasional sporadic-E in late pringtime and summer
20. Hugh Griffiths, Nicholas Willis; Klein Heidelberg – a WW2 bistatic radar system that was decades ahead of its time, Seite 31 folgende