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Funknavigation GrundlagenTeil I
Übersicht- Grundlagen- Frequenzbereiche, Eigenschaften, Ausbreitung, Nutzung- Funkpeilung
- Für CVFR und A-FCL relevante Verfahren:
- NDB/ADF- VOR- Radar- GPS
Einige der Abbildungen wurden aus folgenden Bänden entnommen:
Schiffmann4A: "Der Privatflugzeugführer", Band 4A, Flugnavigation, 1979Schiffmann4B: “Der Privatflugzeugführer” Band 4B, Flugnavigation, 1979Mies: “Flugnavigation”Mies: “Funknavigtion” Hesse3: Flugnavigation, 1976
02.09.2012 G. Breu
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f = c/λ c=λ * f λ=c/f f :Frequenzλ: Wellenlängec: Ausbreitungsgeschwindigkeit : 3 x 10 m/s = 300.000 km/s (Lichtgeschwindigkeit)8
AmplitudePhase
Sinusschwingung
0° 90° 180° 270° 360°
Zusammenhang von Frequenz und Wellenlänge:
Wellenlänge
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Frequenz- und Wellenlängenbereiche (VO Funk, DIN 40015)
3 ... 30kHz 100 ... 10km Längstwellen - very low frequencies VLF
30 ... 300kHz 10 ... 1km Langwellen - low frequencies LF
300 ... 3000kHz 1 ...0.1km Mittelwellen - medium frequencies MF
3 ... 30MHz 100 ... 10m Kurzwellen - high frequencies HF
30 ... 300MHz 10 ... 1m Ultrakurzwellen - very high frequencies VHF
300 ... 3000MHz 1 ... 0.1m Dezimeterwellen - ultra high frequencies UHF
3 ...30GHz 10 ...1cm Mikrowellen - super high frequencies SHF
30 ... 300GHz 1 ... 0.1mm Millimeterwellen EHF- extremely high frequencies
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Ausbreitung elektromagnetischer Wellenin der Atmosphäre
Absorbtion = Dämpfung und tritt auf durch Umwandlung elektr. Energie in Wärmeenergie, da die Ausstrahlung nicht im absoluten Vakuum erfolgt
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Reichweite bei quasioptischer Ausbreitung
Faustformel für quasioptische Reichweite:
Reichweite (NM) = 1.23 x V Flughöhe (ft)
Die festgelegten Betriebsentfernungen von Funkfeuern sind veröffentlicht im AIP VFR-Teil ENR
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Ausbreitung elektromagnetischer WellenSchwund (Fading)
Überlagerungen von Boden- und Raumwellen, führenzu Intensitätsschwankungen
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Ausbreitung elektromagnetischer Wellen -Schwund (Fading) Fernschwund-Dämmerungseffekt (Twilight-Effect)-Gewittereffekt (Statics)-Bergeffekt (Mountain-Effect)-Küsteneffekt (Shoreline-Effect nur bei ADF)
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Modulationsarten - Kennbuchstabe A
Unmoduliert, Tastung:
A0/NONnicht modulierte TrägerwelleA0/A2nur die Kennung ist moduliert,mit der Modulationsfreqenz 1020 Hz
A1/A1Agetastete Trägerwelle
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Modulationsarten - Kennbuchstabe A
- Amplitudenmodulation:
Modulationsfrequenzz. B. Ton (400Hz), Sprache
AmplitudenmodulierteHochfrequenz
A2: Eine Tonmodulation liegt vor:A2/A2A: getastete Tonmodulation
A3: Eine Sprachmodulation liegt vor:A3/A3E: Modulation durch Schallsignale (Sprache)A9/A9W: gemischte Übertragung (z. B. Kennung + ATIS)02.09.2012 G. Breu
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Modulationsarten - Kennbuchstabe F
- Frequenzmodulation:
Modulationsfrequenzz. B. Ton, Sprache
FrequenzmodulierteHochfrequenz
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Antennendiagramm
Mittelbereichs Rundsicht Radarantenne (Horngespeiste Parabolantenne)Streckenrundsichtradar (RSR)
Horizontaldiagramm in polarer Darstellung:Keulenförmiges Diagramm entsteht durchNormierung auf die maximale Abstrahlung(Abstrahlung = Empfangsempfindlichkeit)
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Sender
Erzeugung hochfrequenter Schwingungen Aufbringung der Information auf die
Trägerschwingung (Modulation) Verstärkung Aussenden der modulierten
Trägerschwingung über eine Sendeantenne als elektromagnetische Wellen
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Empfänger
Empfang der modulierten Trägerwellen über eine Empfangsantenne und Erzeugung von entsprechenden Schwingungen
Verstärkung Trennung der Information von den
Trägerschwingungen (Demodulation) Darstellung bzw. Weiterverarbeitung
der Informationen
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Funkwellen Elektromagnetische Wellen (Funkwellen) sind von
der Sendeantenne sich in den Raum ausbreitende periodisch auf- und abbauende elektrische und magnetische Felder
Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen: 300.000 km/sec.
Frequenz = Schwingungen/Sekunde (Hertz, Hz)
Je höher die Frequenz, desto geringer die Wellenlänge
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Frequenzbereiche
Nur NDB-Anlagen senden im Lang- und Mittelwellenbereich. Alle anderen Funknavigationsanlagen arbeiten im UKW-Bereich bzw. in höheren Frequenzbereichen
Die Frequenzrasterung beträgt für NDB 0,5 kHz, für VOR 50 kHz (0,05 MHz)
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Modulation und Sendeart In der Funknavigation wird vor allem die
Amplitudenmodulation angewendet. Hier wird die Amplitude der Trägerwelle entsprechend dem Rhythmus der zu übertragenden niederfrequenten Schwingungen verändert
Die gebräuchlichsten Sendearten bei Funknavigationsanlagen sind:
NON/A2A (A0/A2), in der Morsekennung tonmodulierte Trägerwelle
A9W (A9), sprachmodulierte Trägerwelle mit Morsekennung
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Ausbreitung der Funkwellen
Funkwellenausbreitung im Lang- und Mittelwellenbereich als boden- u. Raumwellen, im UKW und höheren Frequenzbereichen als direkte Welle (quasioptisch)
Aufgrund der Ausbreitungsart unterliegen Lang- und Mittelwellen Störungen, hervorgerufen durch
-Wellenüberlagerung (Fading)• -Atmosphärische Auf- und Entladungen (Gewitter)• -Ausbreitung über Land und Wasser (Küsteneffekt)• -Reflexionen an Bergen (Gebirgseffekt)
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Empfangsstörungen und Falschanzeigen
Funkwellenablenkung im Gebirge und der Küste
Elektrische Entladungen bei Gewitter Raumwellenempfang bei Nacht Schräglage des Flugzeuges
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Funknavigatorische Grundbegriffe
TB – Rechtweisende Peilung (True Bearing) MB – Missweisende Peilung (Magnetic Bearing) RB – Funkseitenpeilung (Relativ Bearing) QDM – Missweisende Peilung zur Bodenstation hin
(MB to the station); QDM = MH + RB GPS:BRG QDR – Missweisende Peilung von der Bodenstation weg
(MB from the station) QDR=QDM +/- 180° GPS: BRG From
QUJ – Rechtweisende Peilung zur Bodenstation hin (TB to the station); QUJ= TH+RB
QTE – Rechtweisende Peilung von der Bodenstation weg (TB from the station); QTE=QUJ +/- 180° GPS: LOP
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QUIZTB from station
TB to station
QDR QDM TH MH CH DEV VAR RB
358° ? ? ? ? ? ? +003° 044°W 039°
TB from station
TB to station
QDR QDM TH MH CH DEV VAR RB
? 248° ? ? ? 243° 240° ? 006°E ?
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QUIZ - Auflösung
TB from station
TB to station
QDR QDM TH MH CH DEV VAR RB
358° 178° 042° 222° 139° 183° 180° +003° 044°W 039°
TB from station
TB to station
QDR QDM TH MH CH DEV VAR RB
068° 248° 062° 242° 249° 243° 240° +003E 006°E 359°
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-+
+
RahmenantenneLoop
Rundstrahlende Antenne (Sense)(Hilfsantenne)
RahmenKardioide*
Maximum an ind. Spannung
U
Minimum an ind. Spannung
*) Herzkurve entsteht, wenn Rahmen und Hilfsantenne überlagert werden02.09.2012 G. Breu
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Fremdpeilung
Voraussetzungen - Boden: Peilempfänger - Bord: Funkgerät
Wichtigste Informationen aus Fremdpeilung:
für Zielflüge (homing)QDM: missweisender Kurs zum Peiler
für Standortbestimmung: QTE: rechtweisende Funkstandlinie (LOP line of position) Funkstandort (radio fix): Schnittpunkt von (mindestens) 2 Standlinien
Telefunken Peiler E374 (1930)02.09.2012 G. Breu
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UKW- Peiler VDF (VHF direction finder)Frequenzbereich: 118.00 - 137MHz (Flugfunksprechverkehr)
Antennen der Bodenanlagen:
H- AdcockPeilgenauigkeit: + 3...5°
GroßbasispeilerPeilgenauigkeit: + 1...2°
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- Eigenpeilung -
Peilung bezüglich Flugzeuglängsachse -Funkseitenpeilung (Relative Bearing)
Peilrahmen am Luftfahrzeug
RB
Flugzeuglängsachse
Gepeilte Station (NDB)
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NDB (nondirectional beacon)
Frequenzbereich (in Deutschland: 200...526 kHz), Sendeleistung 10... 200W,die meisten NDB-Anlagen senden im Frequenzbereich von 200-490 kHz)
Streckenfunkfeuer (NDB): 3 Buchstaben- Kennung, Reichweite 25.... 100 NMAnflugfunkfeuer (L): 2 Buchstaben- Kennung, Reichweite 15.... 25 NM
Bodenanlagen:
Antennenmast T- Antenne Kartendarstellung
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ADF (automatic direction finder)Frequenzbereich für Empfang: 190 .... 1750 kHz – Peilgenauigkeit +/- 6°
Bordanlage: MDI-Moving Dial Indicator(man. drehbare Kompass-rose)
RMI – Radio MagneticIndicator (autom. nachgeführte Kompassrose)
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ADF - Störungen der Bodenwelle (Bergeffekt, Küsteneffekt)
Verzerrung der Bodenwelleam Hügel
Durch diese Verzerrung entstehende Fehlpeilung
Anmerkung: An Küstenlinienkönnen ähnliche Fehler auf-treten (Küsteneffekt)
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Dipol
Rotierender FaltdipolDrehzahl 1800 U/min => Modulationsfrequenz 30 Hz
AntennendiagrammDipol + Käfigantenne
VOR – Prinzip – VHF Omnidirectional Range (Omni=lat. für alle)
AntennendiagrammDipol
- Amplitudenmoduliertes Umlaufsignal
- Frequenzmoduliertes Bezugssignal
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VOR Frequenzbereich: 108 -117.975 MHz
Bodenanlagen Sendeleistung ca. 200W (TVOR: 50W, auch ab 108MHz)Betriebsentfernungen siehe AIP VFR Teil ENR.
VOR DVORGenauigkeit + 2° Genauigkeit + 0.5°
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VOR (VHF omnidirectional range)Frequenzbereich: 108 ... 117.975MHz
Bordanlage:
Bedieneinheit
Anzeige:
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Antennen am Luftfahrzeug
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Funknavigationskarten
Projektion: Lambertsche Schnittkegel-projektion 1:1.000.000 (1 cm=10 km in der Natur)
Keine Angaben über Obergrenzen von CTR‘s
Kartenkurs am Mittelmeridian abnehmen, da nur dieser Meridian dem wirklichen Meridianverlauf entspricht
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Radar (Radio Detecting and Ranging)
Frequenzbereiche: 1 ... 2 GHz Streckenrundsichtradar, SSR, DME,RSR=1300 MHz TACAN; Reichweite von 120 NM,
Leistung: 1,4 MW
2 ... 4 GHz Flughafenrundsichtradar, ASR=AirportSurveillance Radar)
4 ... 8 GHz Wetterradar (Bord)
8 ... 12.5 GHz Präzisionsanflugradar PAR,Wetterradar (Bord, Boden)
18 ... 26 GHz Rollfeldüberwachungsradar ASDE
Die max. Reichweite ist abhängig von dem Impulsfolgeintervall (0,6 Mikrosek.).Blindgeschwindigkeit: Zeit während weder gesendet noch empfangen wird.
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Radar - Sekundärradar (SSR)
Antenne:Zwischen den Rahmenimpulsen eines Ant-wortsignales befinden sich max. 12 Infor-mationsimpulse
Prinzip: Anrufbeantworter; die Identität (Flugzeugkennung) und die baro-metrische Flughöhe wird übermittelt.
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Prinzip: Positionsbestimmung durch Zeitmessung
Frequenzen: 1.57 GHz (L1) 1.28 GHZ (L2)
L1: C/A Code = Coarse Aquisition / Civil Access
L2: P- Code = Precise Code
Wichtigste Fehlerquellen:- Ungünstige Satellitengeometrie- Fehler in Uhren und Signalverarbeitung – S/A*)- Bedienungsfehler und Falscheingaben des Benutzers
*) Künstliche Verschlechterung der Ephemeriden und der Uhrenfrequenzen. Die Satellitenfrequenzen und die Bahndaten können manipuliert werden.
GPS - Satellitennavigationssystem
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Systemkomponenten
Datastream 50 b/s
S-Band Uplink4000 b/s
Sendeleistung 20 WUmlaufzeit: ca. 12 hHöhe: ca. 20.200 km
• Boden-• Raum- und• Bordsegment
Die Aufgabe des Bodensegmentes ist die Über-wachung der Satellitenfunktionen.
Die Aufgabe des Raumsegmentes ist die Über-mittlung von Daten für die Zeit, Positions- undGeschwindigkeitsermittlung.
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GPS
Höchste Genauigkeit entsteht, wenn 3 Satelliten um je 120° versetzt am Horizont stehenund ein weiterer Satellit senkrecht über dem Empfänger steht.
• Die Einflüsse der Ionosphäre auf die Genauig- keit werden im Empfänger mit einem Atmos- phärenmodell unter Einbeziehung aktueller Daten minimiert
• Die Bahnebenen sind zur Äquatorebene um 55° geneigt.
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Wie funktioniert ein GPS
Speed of light * time
2
= DME DIST
Funktion wie ein DME, jedochwird nur eine Wegstrecke vomSatelliten zum Lfz gemessen.
Satellit sendet Bahndaten, eine Navigations-/Zeitreferenz und Satelliteninformationen aus,anhand der Empfänger die Entfernung*) ermittelt.Die Almanachdaten werden zur schnellenIdentifikation der Signale der „sichtbaren“Satelliten benötigt.
*) Pseudo-Range entsteht durch Uhrenfehler02.09.2012 G. Breu
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40
GPS-ReceiverBeispielgerät Garmin 430
GPS/NAV
• Ein Schalter muss im Cockpit für den Betriebsmodus und die aktuelle Aufschaltung des GPS-Gerätes vorhanden sein (A/P). Die Database-Speicherkarte ist 28 Tage gültig.
• Aufgabe des Bordsegmentes: Automatische Satellitenselektion, Signalerfassung und Laufzeitmessung • Nach der Inbetriebnahme des Empfängers des NAVSTAR-GPS kann die Betriebsbereit- schaft durch die Eingabe der ungefähren Position, der Uhrzeit und des Datums beschleunigt werden (Einlesen der Almanachdaten dauert ca. 12,5 Minuten)
• RAIM ist eine Methode zur Überprüfung der Zuverlässigkeit der Satellitensignale durch den Bordempfänger.
• Beim Differenzialverfahren (D-GPS) werden von festgelegten Bodenstationen Positions- fehler ermittelt und Korrekturwerte ausgestrahlt.02.09.2012 G. Breu
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Begriffe:
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GIBS = GPS Informations- und Beobachtungssystem
WGS84 = Eine die ganze Erde abdeckende Kartengrundlage als Basisfür die GPS-Navigation
Map Data = Eine für eine bestimmte Region durchgeführte möglichstgenaue Übereinstimmung von Geoid und Ellipsoid(Geodätisches Datum)
POOR COVERAGE = Es besteht eine Unterbrechung zwischen Empfänger undSatellit
RAIM = Receiver Autonomous Integrity Modus; die Genauigkeitbei der GPS-Navigation kann durch den Empfang eines 5. Satelliten zur Kontrolle der berechneten Positionüberwacht werden
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Fortsetzung mit
Funknavigation II
- Verfahren -
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