Verfahren der Funknavigation

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1 .. VOR (VHF Onidiretional Range) Das VOR-Verfahren ist das it Abstand wihtigste Verfahren der Flugnavigation. Hierbei handelt es sih u ein von der ICAO 3 epfohlenes und international eingeführtes Funknavigationssyste für die Kurz- und Mittelstrekennavigation. Es ordnet sih in die. Gruppe der Systeatik der Navigationsverfahren (S. 6) ein. Die Markierung des internationalen Luftstraßennetzes für den IFR-Verkehr wird durh (D)VOR-Stationen doiniert. Die VOR-Funknavigationshilfe liefert de Nutzer als Standlinie eine Rihtungsinforation, also einen Winkel bezogen auf agnetish Nord vo Standort des Funkfeuers (Bild 3). Diese Standlinien werden auh Radiale 4 genannt. Geoetrish handelt es sih bei Radials u Großkreisbögen. Dieser Wert ist für die Kartenarbeit noh it der agnetishen Ortsißweisung zu beshiken, u den Bezug zu geographishen Nordpol bzw. zu den geographishen Meridianen wiederherzustellen. MwN Θ TOF 4. Bild 3: VOR-Sybol, it Kennung (TOF), Frequenz (4. MHz) und Aziut 5 - Winkel Θ. VOR-Sender arbeiten i UKW-Bereih zwishen 8 und 8 MHz. Es gibt in Deutshland ehr als 5 VOR-Funknavigationssendeanlagen. Diese sind teilweise it DME 6 -Einrihtungen verbunden, so daß auh eine Standortbestiung it nur eine Funkfeuer (Rho-Theta-Navigation) öglih wird. Das VOR- Verfahren ist in Deutshland niht flähendekend verfügbar. Der Rand des Abdekungsbereihes einer VOR-Station ergibt sih i Idealfall als Kleinkreis u die VOR-Station it eine flughöhenabhängigen Radius. Etwa die Hälfte der VOR-Stationen ist zusätzlih it einer ilitärishen TACAN- Sendeanlage gekoppelt (VORTAC). Die ungefähre Reihweite beträgt 3 NM. Das Luftfahrt-Bundesat (LBA) gibt für die quasioptishe Reihweite als "Faustforel" an : 3 International Civil Aviation Organisation 4 Die Rihtung zu Funkfeuer wird Trak genannt. 5 In dieser Arbeit ier der agnetishe Aziut. 6 Distane Measureent Equipent Seite 9

2 Reihweite ( ) Flughöhe( f t) Verfahren der Funknavigation NM = 4 + (.) Stellvertretend für alle VHF/UHF-Verfahren ist die Reihweite in Bild 4 graphish dargestellt. Reihweite in (NM) Grenze Sihtflug [ED-R9] Flughöhe in (FL) Bild 4: Die quasioptishe Reihweite der VHF/UHF-Verfahren in Abhängigkeit von der Flughöhe [68]. Die Rihtungsinforation gewinnt der VOR-Epfänger durh die Messung der Phasendifferenz zweier 3-Hz-Signale, die vo Funkfeuer ausgesendet werden. Eine herkölihe VOR-Station sendet hierzu it einer rotierenden Antenne. Dieses Verfahren wird hier aus Gründen der Anshaulihkeit beshrieben. Bild 5 zeigt das Diagra für einen Moentan-Winkel von 45 Grad. Erst durh die Rotation entsteht a Epfänger ein sinusförig AM-oduliertes Signal, dessen Phasenlage vo oentanen Drehwinkel abhängt. Die Rotationsfrequenz der Antenne legt die Modulationsfrequenz auf 3 Hz fest. Westen Norden Osten Dargestellt ist das Strahlungsdiagra einer VOR-Station bei eine Phasenwinkel von π, also eine Moentanwinkel in Rihtung Nord-Ost. 4 Die Bezugsrihtung ist Norden. Die Antennenrotationsrihtung ist atheatish negativ. Das Diagra wurde it de für VOR-Sender üblihen Modulationsgrad von =.3 berehnet. Seite Süden Bild 5: Das rotierende Antennendiagra einer VOR-Station. U das Radial bestien zu können, uß die Phasendifferenz zu einer Bezugsphase gebildet werden. Da diese Bezugsphase von der Rotation der Antenne unabhängig sein uß, wird sie it eine Frequenzhub von 48 Hz in FM auf einen Hilfsträger von 9.96 khz oduliert und über eine separate Antenne it Rundharakteristik abgestrahlt. Bild 6 zeigt a Beispiel von drei Epfängerstandorten die Aziutabhängigkeit der geessenen Phasenwinkel.

3 o 45 o ϕ VOR o MwN 45 o Referenz aziutabhängige Phase 9 o θ ϕ VOR TOF 4. 9 o Bild 6: Der Phasenwinkel ϕ VOR in Abhängigkeit vo Aziutwinkel Θ. Der frequenzodulierte Hilfsträger für die Referenzphase ist selbst wieder in AM auf den HF-Träger der VOR-Station aufoduliert. Zusätzlih zu den für die Navigation notwendigen Signalen kann auf de VOR-Träger noh eine Morsekennung it Hz oder Sprahe i üblihen NF-Bereih von 3 Hz bis 3.3 khz übertragen werden. Häufig wird der Phonie-Kanal einer VOR-Station zur Aussendung von ATIS 7 -Meldungen genutzt. Das Spektru eines VOR-Signals setzt sih also aus de Träger und drei aufodulierten Koponenten zusaen. In Bild 7 ist die spektrale Verteilung qualitativ dargestellt Hz 4,MHz (Träger) Trägerfrequenz + 3 Hz (Ulaufphase) (Kennung und Phonie) Trägerfrequenz + 9,96 khz (Referenz) Bild 7: VOR-Spektru, qualitativ Der für alle drei Koponenten identishe Modulationsgrad =.3 wurde in ICAO- Annex- [63] so gewählt, daß das Gesatsignal noh % Modulationsreserve enthält, der Träger also zu keine Zeitpunkt unterdrükt wird. Wird auh die Kennung der VOR-Station zur einfahen Betrahtung als zeitinvariant und kosinusförig angenoen, so kann das vollständige VOR-Signal i Zeitbereih durh f 7 Autoati Terinal Inforation Servie Seite

4 xvor ( t) = U +. 3 os( ω t + ϕvor) + os ω p t + xref ( t) os ω t (.) Ulauf Signal Kennung Referenz Signal it ω = π 3Hz, ω p= π Hz und ω = π 4. MHz beshrieben werden. Der 996-Hz-Referenzträger ist it ± 48 Hz Hub FM-oduliert. Die Phasenreferenz x ref (t) ist xref t = os ω ref t + η osω t, ω ref = π 9. 96kHz (.3) ( ) [ ] ωhub 48 Hz it de Modulationsindex η = ω = = 6. 3 Hz Bild 8 zeigt die Einhüllende des Trägersignals einer VOR-Station.. x (t) h t in se Bild 8: Einhüllende x h (t) des VOR-Signals, qualitativ Die spektrale Verteilung des interessierenden VOR-Subträgers wird i Kapitel FM-Deodulation (ab S. 96) quantitativ untersuht. Die VOR-Signalerzeugung kann in For eines Signalflußdiagras odellhaft zusaengefasst werden. In Bild 9 ist die VOR-Signalerzeugung nah ICAO dargestellt. Aziutabhängige Phase.33 Sinus, 3 Hz HF-Träger 8-8 MHz Kennung, Phonie Referenz Phase Sinus, 3 Hz 3 Hz - 35 Hz 9.96 khz Subträger, FM +/- 48 Hz Hub Bild 9: Modell der VOR-Signalerzeugung nah ICAO-Vorgabe AM-Mod. =.9 Antenne Seite

5 ... DVOR (Doppler VHF Onidiretional Range) Ein DVOR-Funkfeuer strahlt ebenso wie ein VOR ein HF-Signal aus, in de zwei Phasenwinkel kodiert sind, aus deren Differenzbildung der Epfänger seine Standlinie in bezug auf das DVOR errehnen kann. I Gegensatz zu VOR ist dabei die Bedeutung von Referenz- und aziutabhängiger Phase vertausht. Das bedeutet, die Referenzphase wird niht ehr in FM über den Hilfsträger abgestrahlt, sondern das 3 Hz-Referenzsignal wird in AM von einer feststehenden Antenne ausgesendet. Die aziutabhängige Phase wird bei DVOR-Verfahren it Hilfe des Doppler- Effektes erzeugt. Der Doppler-Effekt bewirkt, daß bei radialer Relativbewegung eines Epfängers it der Geshwindigkeit v x auf einen Sender zu, die Epfangsfrequenz f rx geäß + v x f f rx = tx v x (.4) bzw. u die Frequenzvershiebung frx ftx vx, da >> v x (.5) zunit 8 und entsprehend bei Bewegung vo Sender weg abnit. Bild zeigt die 5 kreisförig angeordneten Einzelantennen einer DVOR-Station. Der auszusendende Hilfsträger (Träger khz) wird it Hilfe eines elektronishen Multiplexers derart auf die kreisförig angeordneten Antennen verteilt, daß das Sendesignal it 3 Hz i Kreis uzulaufen sheint M Bild : Antennenanordnung der Doppler-VOR Station Die Lihtgeshwindigkeit / se. Seite 3

6 De - in Relation zu Kreisdurhesser - weit entfernten Epfänger stellt sih die Aussendung des Hilfsträgers als FM-Modulation dar, da sih die Signalquelle sinusförig von ih weg und auf ihn zu bewegt. Die in Bild gezeihneten Kreise sybolisieren horizontalpolarisierte Rundstrahler. Sowohl VOR als auh DVOR arbeiten it Horizontalpolarisation. Die Sendeantenne in der Mitte des Kreises (M) strahlt die Referenzphase in For des 3-Hz-AM-odulierten Trägers und die Kennung der Station aus. Die Doppler-Vershiebung entspriht de FM-Hub, v x entspriht der Tangentialgeshwindigkeit des Ulaufes. v x = π D f (.6) fhub = frx = ftx v x Mit den festen Betriebsparaetern : (.7) Trägerfrequenz in Banditte : 3 MHz d.h. λ =.65 Frequenzhub Hilfsträger : f Hub = 48 Hz Modulationsfrequenz : f = 3 Hz wird der Kreisdurhesser f D = π λ f Hub zu 3.5 bestit. (.8) In der Praxis werden die beiden Seitenbänder des Hilfsträgers (Träger khz und Träger - 9,96 khz) getrennt erzeugt und räulih u 8 versetzt in das Antennenarray eingespeist 9. Es strahlen also zu eine Zeitpunkt zwei gegenüberliegende Einzelantennen je ein Seitenband des Gesatsignals aus. I Fernfeld a Epfänger entsteht der Effekt einer FM, da ier eine Seitenbandkoponente auf Grund des Doppler-Effektes in der Frequenz zunit, während die andere Koponente in der Frequenz abnit. Die Drehrihtung oder besser die Ulaufrihtung, ist i Gegensatz zu VOR atheatish positiv, so daß die Aussendungen einer DVOR-Station a Epfangsort niht von denen einer VOR-Station zu untersheiden sind. Der Grund für diese aufwendige Methode der Signalerzeugung liegt in der hohen erreihbaren Genauigkeit für die aziutabhängige Phase. Nah übereinstienden Literaturaussagen unterliegt das ulaufende AM-Signal einer VOR- Station einer stärkeren Beeinflussung durh Geländeforationen als das Signal eines DVOR-Senders. Diese Aussage läßt sih auh leiht durh die größere Basisbreite (D=3.5 ) des DVOR-Antennensystes, verglihen it de VOR- Antennendurhesser (< ), erklären. Auh die DVOR-Signalerzeugung (Bild ) kann zu Vergleih it de Standard-VOR (Bild 9) in For eines Signalflußdiagras odellhaft zusaengefasst werden. 9 DSB-Methode, i Gegensatz zu ASB (alternierendes Seiten band)- Verfahren, [8], das it 39 Strahlern ar beitet. Vergl. [3], [35] und [69]. Seite 4

7 Aziutabhängige FM-Phase HF-Träger 8-8 MHz Referenz Phase Subträger, oberes Seitenband Träger khz Subträger, unteres Seitenband Träger khz Koponenten- Erzeugung MUX Antennen- Array 5 Sinus, 3 Hz PLL 5 Hz Kennung, Phonie 3 Hz - 35 Hz AM-Mod. =.3 Antenne (M) Bild : Modell der DVOR-Signalerzeugung (it eine Antennenarray) Der Blok Koponenten-Erzeugung in Bild enthält eine Aplitudenodulation der beiden Seitenbandsignale it sin( π 5Hz t ) und ( ) os π 5Hz t. Bild zeigt die vier Einzelsignale und das verwendete Multiplex-Shea. Die Frequenz von 5 Hz ist phasenstarr it der 3 Hz Referenzfrequenz verbunden Oberes Seitenband Oberes Seitenband Unteres Seitenband Unteres Seitenband se Bild : Multiplex-Shea der DVOR-Koponenten a Antennenarray t Seite 5

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