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1

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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2

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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3

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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4

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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5

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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6

Ausbreitung elektromagnetischer WellenSchwund (Fading)

Überlagerungen von Boden- und Raumwellen, führenzu Intensitätsschwankungen

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7

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen -Schwund (Fading) Fernschwund-Dämmerungseffekt (Twilight-Effect)-Gewittereffekt (Statics)-Bergeffekt (Mountain-Effect)-Küsteneffekt (Shoreline-Effect nur bei ADF)

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8

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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9

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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10

Modulationsarten - Kennbuchstabe F

- Frequenzmodulation:

Modulationsfrequenzz. B. Ton, Sprache

FrequenzmodulierteHochfrequenz

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11

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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12

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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13

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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14

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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15

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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16

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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17

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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18

Empfangsstörungen und Falschanzeigen

Funkwellenablenkung im Gebirge und der Küste

Elektrische Entladungen bei Gewitter Raumwellenempfang bei Nacht Schräglage des Flugzeuges

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19

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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20

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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21

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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22

-+

+

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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23

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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24

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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25

- Eigenpeilung -

Peilung bezüglich Flugzeuglängsachse -Funkseitenpeilung (Relative Bearing)

Peilrahmen am Luftfahrzeug

RB

Flugzeuglängsachse

Gepeilte Station (NDB)

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26

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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27

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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28

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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29

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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30

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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31

VOR (VHF omnidirectional range)Frequenzbereich: 108 ... 117.975MHz

Bordanlage:

Bedieneinheit

Anzeige:

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32

Antennen am Luftfahrzeug

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33

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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34

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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35

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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36

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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37

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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38

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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39

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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42

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Fortsetzung mit

Funknavigation II

- Verfahren -

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