Gutachten zur Interaktion zwischen Windenergieanlagen und DVOR-Anlagen der Flugsicherung

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1 Bericht zum Vorhaben Gutachten zur Interaktion zwischen Windenergieanlagen und DVOR-Anlagen der Flugsicherung Vergabenummer ZB-U Abschlussbericht erstellt für das Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein (LLUR) Hamburger Chaussee Flintbek Verfasser: Dr.-Ing. Jochen Bredemeyer Öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Funknavigationsund Radaranlagen der Flugsicherung (Ingenieurkammer Niedersachsen) Braunschweig,

2 Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung Gutachterlicher Auftrag Durchgeführte Messungen Hubschraubermessflüge Flugvermessung mit zusätzlicher Aufnahme des Signals im Raum Flugvermessung im Tiefflug Auswertung der Messungen Gewinnung des Azimutwinkels beim VOR Flugvermessung des DVOR MIC mit konventioneller Methode Signalanalyse mit SISMOS Voruntersuchungen im Labor Dynamik des Messprozesses Flugvermessung des DVOR MIC im Kreisflug und auf Radialen Phasen und spektrale Betrachtung im Kreisflug Auswertung von Radialflügen Analyse der 30Hz-FM-Phase in gestörten Radialbereichen Feldstärkemessungen mit Hubschrauber Einfluss des Doppler-Effekts durch WEA-Rotation Zusammenfassung der Messergebnisse Betrachtung häufig zitierter Quellen Schlussfolgerungen und Konsequenzen Verzeichnis der häufig verwendeten Abkürzungen Literaturverzeichnis FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 1 von 47

3 1 Zusammenfassung In diesem Gutachten ist zu klären, welcher Fehleranteil der Zielgröße "Azimutwinkel" beim Doppler-Drehfunkfeuer Michaelsdorf (DVOR MIC) durch die bereits errichteten Windenergieanlagen (WEA) in der Nähe entsteht und ob einige zusätzliche, im Genehmigungsverfahren befindliche WEA diesen etwaigen Wert weiter messbar erhöhen würden. Nur bei bestimmten Flugmanövern in geringer Höhe weit außerhalb der zulässigen Nutzung der Funknavigationsanlage ist ein Effekt reproduzierbar und messbar. Bei größeren Höhen nimmt die nachweisliche Störung durch WEA stark ab und wird vollständig vom Rauschen der dynamischen Messumgebung überlagert. Die Herleitung dieser Effekte erfolgt auf Basis von durchgeführten Sondervermessungen mit Hubschrauber und Vermessungsflugzeug. Dazu werden in dieser dynamischen Umgebung auf Signalebene des DVOR Einflüsse aus der näheren Umgebung von denen aus größerer Entfernung auf Signalebene getrennt. Die Störungen der am stärksten fehlerbehafteten Winkelbereiche sind eindeutig auf das Nahfeld zurückzuführen und keinesfalls auf WEA im Bestand. In der Folge bestehen für die untersuchten Winkelbereiche des DVOR MIC auf Signalebene keine Bedenken, dass durch einige zusätzliche WEA ein messbares Störpotential hinzukommen könnte. Die fiktive Konstruktion eines "Worst-Case-Szenarios" in Abhängigkeit von Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten ist aufgrund des Ausmaßes der in diesem Gutachten gezeigten dynamischen Effekte unerheblich, da ausgeschlossen werden kann, dass hierdurch jemals ein durch die Flugvermessung oder bei der regulären Nutzung des DVOR messbarer Einfluss auf die Signalqualität entstehen würde. Es zeigt sich darüber hinaus, dass die unterschiedliche Dynamik des Messfluges auf Kreisen und Radialen differenzierbare Effekte auf Signalebene hervorruft und insbesondere der Winkelfehler durch das Phasenrauschen des DVOR-Referenzsignals beim Kreisflug größer ist als auf den Radialen. Dies erfordert eine separate Bewertung des vorhandenen Fehleranteils unter Berücksichtigung der tatsächlichen Nutzung der Anlage, z.b. auf Radialen der An- und Abflugverfahren von Flughäfen. Alle in diesem Gutachten getätigten Äußerungen und Folgerungen beziehen sich technisch ausschließlich auf ein Doppler-VOR und örtlich betrachtet auf das DVOR MIC. Eine direkte Übertragung auf ein konventionelles VOR (CVOR) und dessen Sensitivität für Mehrwegeausbreitung elektromagnetischer Wellen durch umgebende Objekte ist aufgrund einer anderen Funktionsweise dieser Anlage unzulässig. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 2 von 47

4 2 Gutachterlicher Auftrag Das Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig- Holstein beteiligt im Rahmen des immissionsschutzrechtlichen Genehmigungsverfahrens für Windkraftanlagen u.a. auch den Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein (LBV SH) als zuständige Luftfahrtbehörde des Landes, um sofern erforderlich eine Zustimmung nach luftverkehrsrechtlichen Vorschriften einzuholen. Nach 18a Abs. 1 Luftverkehrsgesetz (LuftVG) dürfen Bauwerke nicht errichtet werden, wenn dadurch Flugsicherungseinrichtungen gestört werden können. Hierzu leitet der LBV SH nach Vorprüfung in einem internen Verwaltungsverfahren den Vorgang zur Entscheidung dem Bundesaufsichtsamt für Flugsicherung (BAF) zu, das seinerseits die betroffene Flugsicherungsorganisation, im hier zu betrachtenden Fall also die DFS Deutsche Flugsicherung GmbH, beteiligt. In der Nähe von Heringsdorf, Ostholstein, befindet sich das Doppler-UKW-Drehfunkfeuer (DVOR) Michaelsdorf. Unter Berufung auf 18a LuftVG auf Basis von Gutachten der DFS zur potentiellen Störwirkung von Windenergieanlagen (WEA) auf das Nutzsignal des DVOR sind zwischenzeitlich vermehrt Zustimmungen zu Anträgen auf Errichtung von WEA innerhalb der Eignungsgebiete versagt worden, die innerhalb des Anlagenschutzbereichs 15km um das DVOR liegen. Dieser wurde von der ICAO (Internationale Zivilluftfahrt-Organisation) 2009 neu definiert [1] und 2010 in Deutschland umgesetzt. Die bisher verwendeten Methoden zur Bewertung des Störpotentials von WEA basieren auf stark vereinfachenden Simulationen der elektromagnetischen Wellenausbreitung, einem simplen Modell des Funknavigationsempfängers und Interpretationen der Ergebnisse der konventionellen Flugvermessung eines VOR. Da hierbei eine ganze Reihe von Unsicherheitsfaktoren auftreten, stellt dies die Aussagekraft und die Schlussfolgerungen in Bezug auf 18a LuftVG insgesamt in Frage. Grundlage dieses Gutachtens ist ein neuer Ansatz, der auf Messungen des Signals im Raum bei der Flugvermessung deutlich vor der Signalverarbeitung in einem Navigationsempfänger basiert sowie auf absoluten Feldstärkemessungen an definierten Positionen im Anlagenschutzbereich. Hiermit werden die wesentlichen Fehlerquellen und Annahmen einer reinen Simulation durch messtechnische Fakten ersetzt. Im Detail soll dieses Gutachten Antworten zu folgenden Fragestellungen liefern: Welchen Beitrag zum bestehenden Winkelfehler des DVOR liefern die Reflexionen bestehender WEA und wann treten diese auf? Können die zu errichtenden und bisher abgelehnten WEA innerhalb des Anlagenschutzbereiches von 15km generell Effekte oberhalb des Rauschens hervorrufen, die messtechnisch nachweisbar sind? FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 3 von 47

5 Können zusätzlich zu errichtende WEA im ungünstigsten Fall solche Reflexionen hervorrufen, dass dadurch der bereits vorhandene Winkelfehler mit diesem Zusatz tatsächlich messbar erhöht wird? Sind häufig zitierte Studien und deren Veröffentlichungen in Zusammenhang mit WEA und VOR geeignet, um sie für die Prognose einer potentiell verschlechterten Signalqualität zu nutzen? 3 Durchgeführte Messungen Die Vermessung des DVOR MIC mit der speziellen Messeinrichtung SISMOS (Signal-in-Space Monitoring System) gliedert sich in drei Teilaufgaben, die im Rahmen der Vorbereitung und Durchführung detailliert geplant wurden: 3.1 Hubschraubermessflüge Mit einer speziellen, von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) rückführbar kalibrierten Antenne und SISMOS, die beide als Außenlast unter einem Hubschrauber hingen, wurden Feldmessungen des VOR-Signals im quasi-stationären Schwebezustand an einigen ausgewählten Punkten nahe dem Boden durchgeführt. Neben der Analyse des zeitdynamischen Verhaltens im Interferenzfeld des Bodens und vorhandener Bebauung sollte hierbei auch die Messung der absoluten Feldstärke an einigen bestehenden und potentiellen Aufbauorten von WEA in verschiedenen Höhen erfolgen. Die Messungen zur Aufnahme des Feldstärkeprofils in verschiedenen Höhen und Entfernungen sind am erfolgt. Der Hubschrauber ist dazu vollgetankt vom Flughafen Lübeck zum Flugplatz Grube geflogen und hat dort die Außenlast aufgenommen. Ein Foto kurz nach dem Start zeigt Abbildung 3-1. Die zur Verfügung stehende Flugzeit der Tankfüllung reichte aus, um an 12 Messpunkten in 3km, 5km, 10km und 15km Entfernung in verschiedenen Richtungen vom VOR jeweils in drei bis vier Höhen bis etwa 150m über Meereshöhe zu schweben. Die Wetterverhältnisse am waren grenzwertig für einen Einsatz unter VFR-Bedingungen (Sichtflug), jedoch erlaubte die Wolkenuntergrenze es gerade noch, die größte Flughöhe an fast allen Stellen zu erreichen. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 4 von 47

6 Abbildung 3-1: Abfliegen mit Außenlast vom Flugplatz Grube (Bildquelle: FCS) 3.2 Flugvermessung mit zusätzlicher Aufnahme des Signals im Raum Zur Gewinnung von Messdaten für den speziellen Zweck dieses Gutachtens wurde ein Messprogramm für die Flugvermessung geplant, welches zusätzlich zu den konventionellen Ergebnissen des Flugvermessungssystems (FIS) durch Einrüstung von SISMOS die Speicherung von unvorverarbeiteten Empfängerrohdaten der Funkfeldumgebung des DVOR MIC ermöglicht. Dieser Teil der Flugvermessung wurde nach Instrumentenflugregeln (IFR) in 3500ft Höhe durchgeführt und war somit weitestgehend wetterunabhängig. Er umfasste das Fliegen von Kreisen von 10NM um das DVOR sowie von ausgewählten Radialen. 3.3 Flugvermessung im Tiefflug Zur direkten Messung von Reflexionseigenschaften bestehender WEA wurden Tiefflüge auf Radialen mit dem Vermessungsflugzeug in verschiedenen Höhenbändern beginnend ab 600ft durchgeführt. Mittels der Dopplerfrequenzmethode [2] können durch die Auswertung im FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 5 von 47

7 Frequenzbereich die Signalstärken des DVOR sowie ihre Reflektionen separiert werden, sodass der Einfluss von WEA auf das empfangene Signal direkt abzuleiten ist. Dieser Teil des Flugprogramms erforderte möglichst wolkenloses Wetter, da nach Sichtflugregeln (VFR) unterhalb der Radarabdeckung geflogen werden musste. 4 Auswertung der Messungen 4.1 Gewinnung des Azimutwinkels beim VOR Das Verständnis der Diagramme in diesem Bericht setzt die Kenntnis der grundsätzlichen Funktionsweise eines VOR voraus. Das Prinzip der Winkelmessung besteht darin, dass das VOR ein richtungsabhängiges Umlaufsignal sowie ein Referenzsignal aussendet. Hierzu wird auf einem Kanal im VHF-Navigationsband ( MHz) ein hochfrequenter Träger mit den beiden niederfrequenten Signalen (30Hz) in analoger Technik moduliert. Ein amplitudenmoduliertes (AM) Seitenband enthält die 30Hz direkt, wohingegen das zweite 30Hz-Signal einen Hilfsträger bei 9.96kHz in der Frequenz moduliert (FM). Dieser Träger ist seinerseits auf den Hauptträger amplitudenmoduliert. Ein Navigationsempfänger bildet die Differenz der Phasen der 30Hz-Signale, welche identisch ist mit dem Richtungswinkel vom VOR zum Luftfahrzeug mit Bezug auf den magnetischen Nordpol. Beim Doppler-VOR (DVOR) wird sendeseitig das Umlauf- und Referenzsignal gegenüber dem konventionellen VOR vertauscht und durch die Art der Abstrahlung besser gegen Mehrwegeausbreitung geschützt. Im Navigationsempfänger hat diese Vertauschung keinen Einfluss, da die Differenzenbildung wiederum den Winkel gegenüber der Anlage liefert. Eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise eines konventionellen bzw. eines Doppler- VOR erfolgt an dieser Stelle nicht es sei hier auf die Literatur verwiesen, z.b. auf den ICAO- Standard [3] oder Lehrbücher. 4.2 Flugvermessung des DVOR MIC mit konventioneller Methode Während der Sonderflugvermessung im Rahmen dieses Gutachtens war neben der speziellen Messeinrichtung SISMOS immer auch das konventionelle Flugvermessungssystem aktiv. Hiermit ist die Erzeugung der Diagramme möglich, die üblicherweise auch bei einer periodischen Flugvermessung für den Betreiber (hier: DFS) als Berichtsgrafiken erscheinen. In Abbildung 4-1 ist das Messergebnis eines kompletten Kreisfluges (Orbit) in 10NM Abstand in 3600ft Höhe um das DVOR MIC vom gezeigt. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 6 von 47

8 Abbildung 4-1: Kreisflugvermessung um DVOR MIC mit Winkelfehler An jedem Punkt im Raum ist von der Phasendifferenz des VOR-Empfängers immer der Azimutwinkel der tatsächlich geflogenen Position subtrahiert, sodass die Vertikalachse des Diagramms den aktuellen Winkelfehler der Anlage zeigt. In einigen Radialbereichen ergeben sich auffällig große Abweichungen, die in späteren Abschnitten noch zu diskutieren sind. 4.3 Signalanalyse mit SISMOS Die wesentliche Grundlage zur Trennung von Wirkung und Ursache der Signalstörungen eines VOR liefert die Aufzeichnung der digitalisierten Rohdaten innerhalb der Bandbreite des VOR- Übertragungskanals. Diese liegen dann als zeit- und amplitudendiskretisiertes Bandpasssignal vor und können mit gleichzeitiger Speicherung des Referenzortes und der Zeit einer detaillierten Nachverarbeitung zugeführt werden. Während die Aufzeichnung also in Echtzeit im Messflugzeug erfolgt, ist sie zeitlich und räumlich von der Analyse getrennt. Es ist nur in Ausnahmefällen möglich, aus einem Kurvenverlauf wie dem der Abbildung 4-1 einen Rückschluss auf die tatsächliche Ursache einer Störung abzuleiten, da hier das bereits komplett verarbeitete Signal als Phasendifferenz mit anschließender erneuter Filterung als Ausgabe des FIS bereitgestellt wird. Entscheidend beim VOR ist jedoch, wie die Mehrwegeausbreitung elektromagnetischer Wellen auf die beiden niederfrequenten 30Hz- Signalanteile separat wirkt. Durch verschiedene vom Verfasser entwickelte Software-Algorithmen kann das aufgezeichnete Bandpasssignal in seine Bestandteile zerlegt werden. Die Analyse der veränderten Signaleigenschaften erfordert die Betrachtung im Zeit- und Frequenzbereich. Mittels Anwendung der diskreten Kurzzeit-Fourier-Transformation (STDFT) können die spektralen Eigenschaften des dynamischen Systems abgebildet werden. Von beiden Methoden wird bei der Analyse ausgiebig Gebrauch gemacht. 4.4 Voruntersuchungen im Labor Vor dem Einsatz der Messeinrichtung in der Flugvermessung des DVOR MIC wurde mit Referenzgeneratoren für VOR-Signale im Labor untersucht, ob die aufgezeichneten Bandpasssignale und die Auswertealgorithmen für die Analyse der zu erwartenden Funkfeldumgebung geeignet sind. Dies wird deutlich in Abbildung 4-2, wo die getrennt demodulierten Phasenlagen der 30Hz-Signale des VOR-Signalgenerators bei den Pegeln -85dBm und -70dBm bei konstanten Sendephasen (d.h. konstantem Azimutwinkel) über der FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 7 von 47

9 Zeit erscheinen. Es fällt sofort auf, dass die Phase der 30Hz-AM (rote Kurve) deutlich stärker als die der 30Hz-FM (grüne Kurve) schwankt (Erklärung der Signale siehe Abschn. 4.1). Beide Kurven sind mit einem Tiefpass gleicher oberer Grenzfrequenz ("Cut-off") von 5Hz gefiltert. Prinzipbedingt ist die Amplitudenmodulation empfindlicher gegenüber Rauschen, was sich vor allem bei schwachen Signalen (untere Abbildung, -15dB) offenbart. Die 30Hz-FM-Phase bleibt hingegen weiterhin stabil. Die Kurzzeitstabilität ist allgemein identisch mit dem Phasenrauschen eines Signals. Mit einer zusätzlichen stärkeren Tiefpassfilterung der 30Hz-AM-Phase lassen sich die Ausschläge der Kurve deutlich dämpfen, was in einem realen Funknavigationsempfänger bzw. einem Flugvermessungssystem (FIS) auch geschieht. Keinesfalls ist es hierdurch möglich, jeglichen Fehler auf Null zu reduzieren, da stets ein niederfrequenter, variabler Offset-Anteil bestehen bleibt. Unabhängig von einer Filterung von Kurven zur optischen Reduktion eines Fehleranteiles geht es an dieser Stelle aber gerade darum, den Effekt zu klären, der diese Abweichungen prinzipiell verursacht. Im Frequenzbereich zeigt Abbildung 4-3 das Bandpasssignal nach Durchführung der STDFT als Spektrum in einem Bereich von +/-80Hz um den Träger. Gut zu erkennen sind die symmetrischen Frequenzlinien des 30Hz-AM-Seitenbandes sowie weitere Oberwellen bei 60Hz. Der Pegel des Spektrums ist auf den Maximalwert des Trägers normiert und der linken Y-Achse zugeordnet, während die rechte Y-Achse den absoluten Empfangspegel des verwendeten Messempfängers als Bestandteil von SISMOS zeigt. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 8 von 47

10 Frequenz: 112.2MHz Pegel: -70dBm Frequenz: 112.2MHz Pegel: -85dBm Abbildung 4-2: Phasen der beiden 30Hz-Signale eines VOR im Labor Frequenz: 112.2MHz Pegel: -70dBm Abbildung 4-3: Ausschnitt aus dem VOR-Frequenzspektrum um den Träger FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 9 von 47

11 4.5 Dynamik des Messprozesses Die Laborergebnisse zeigen bereits, wie unter dem Einfluss des Rauschens die Phasenstabilität der 30Hz-AM nachlässt. In einer realen Funkfeldumgebung mit einer bewegten Empfangsantenne in geringer Höhe ist das direkte Signal mit einer Vielzahl von reflektierenden Komponenten überlagert. Auch kleine Bewegungen innerhalb der Wellenlänge (hier: 3m) bewirken ein Veränderung der Amplitude und verursachen daher eine zusätzliche AM, die sich auch auf die 30Hz-Phase auswirkt. Als Beispiel sei hierfür der quasi-stationäre Fall der Hubschraubermessung angeführt. Wie aus Abbildung 3-1 ersichtlich, hängt die Messeinrichtung als Außenlast am Lasthaken unter dem Hubschrauber. An dem insgesamt 16m langen Seil ist in der Mitte die Referenzantenne (weiße Scheibe) angebracht und vollführt aufgrund ihrer Freiheitsgrade Pendelbewegungen. Aufgrund der Masse der Anordnung und der Seillänge konnte durch Beobachtung des Messfluges eine Periodendauer der Pendelbewegung von bis zu zehn Sekunden im Schwebezustand festgestellt werden. Die großen Amplituden der Ausschläge der AM-Phase sind trotz hohen Empfangspegels und daher geringen Rauschanteils auf die relativ starken reflektierenden Komponenten vom Erdboden zurückzuführen. Es zeigt sich hierbei, dass selbst im quasi-stationären Zustand des Systems beim Schweben des Hubschraubers und der zusätzlichen Pendelbewegung bereits nennenswerte Abweichungen der AM-Referenzphase hervorgerufen werden. Die Auswirkungen der dynamisch ablaufenden Reflexionen und damit die Dynamik des Messprozesses im Vermessungsflug insgesamt haben also einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis des resultierenden Winkelfehlers. Eine rein statische Betrachtung ist daher bereits aufgrund dieser Beobachtungen unzulässig. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 10 von 47

12 Abbildung 4-4: Phasenschwankungen der 30Hz-AM durch Pendelbewegung der Hubschrauberaußenlast 4.6 Flugvermessung des DVOR MIC im Kreisflug und auf Radialen Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen werden nun die Ergebnisse der Flugvermessung analysiert, um den Störmechanismus beim Doppler-VOR genauer zu bestimmen Phasen und spektrale Betrachtung im Kreisflug In der Abbildung 4-6 sind die zuvor eingeführten Kurven der absoluten 30Hz-Phasenlagen für AM und FM sowie zusätzlich der Empfangspegel des Messempfängers über dem Azimutwinkel zweier Halbkreise dargestellt (geflogen gegen den Uhrzeigersinn). Bei der richtungsabhängigen FM-Phase ist bereits der ortsabhängige Winkel ("Bearing") subtrahiert, FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 11 von 47

13 um den Phasen- bzw. Azimutfehler um 0 darzustellen. Einige Bereiche sind besonders gekennzeichnet und nummeriert, da die dort auftretenden Effekte genauer betrachtet werden müssen. Im entgegengesetzt geflogenen Kreis sind die gestörten Bereiche an den gleichen Stellen zu finden (Abbildung 4-7). Auf den ersten Blick ist zu erkennen, dass die Störungen auf beide Phasen unterschiedlich wirken. Eine Subtraktion beider Kurven würde dem Verlauf nach der Abbildung 4-1 entsprechen, woraus eine Unterscheidung der Effekte nicht mehr möglich ist. Die Bereiche 1) und 4) sind in der folgenden Abbildung 4-8 vergrößert dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass in den Winkelbereichen 340 bis 15 sowie 175 bis 185 die FM-Phase starke Fehleranteile aufweist, während das Rauschen der AM-Phase unabhängig hiervon über dem gesamten dargestellten Bereich ähnliche Größenordnungen zeigt. Im Winkelbereich 2) ist die Ursache der Phasenverschiebung ein großes, statisches Objekt im Nahbereich des DVOR MIC in einer Entfernung von 330m. Es handelt sich um eine Siloanlage bestehend aus einem hohen Hauptgebäude und drei kleineren Silos, was die folgende Abbildung 4-5 zeigt: DVOR MIC Siloanlage Abbildung 4-5: Siloanlage in direkter Umgebung des DVOR MIC (Bildquelle: R. Kattau, LLUR) Der Effekt auf das DVOR MIC ist seit Jahren bekannt und führt dazu, dass das DVOR in dem Radialbereich unbenutzbar ist. In den Bereichen 1), 3) und 4) ist der dort auftretende Effekt seit der periodischen Flugvermessung vom sichtbar und ist zunehmend stärker geworden. Hinzu kommt das verstärkte AM-Phasenrauschen im Bereich 5), welches aber nicht den gleichen Verlauf wie die FM-Phase zeigt. Im Winkelbereich 260 ist ein weiteres starkes Rauschen 6) der AM-Phase zu beobachten. Einen Vergleich zu den Phasenschwankungen der AM aus den Labormessungen (vgl. Abbildung 4-2) zeigt Abbildung 4-9 für einen weniger von Störungen betroffenen Winkelbereich um 56 (siehe dazu Abbildung 4-1 und Abbildung 4-6). Bei ähnlichen Pegeln um -86dBm zeigen sich im Kreisflug dennoch stärkere Schwankungen der AM-Phase als im Labor, weil die Dynamik des Messfluges viele reflektierende Anteile zusätzlich zum direkten Signal erzeugt. Da diese aus anderen Richtungen die Empfangsantenne erreichen, haben sie jeweils FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 12 von 47

14 auch andere Relativgeschwindigkeiten als auf dem direkten Empfangsweg. In der Folge weisen alle Signalanteile einen unterschiedlichen Dopplereffekt auf, was sich im Frequenzbereich durch mehrere zusätzliche Linien im Spektrum darstellt bzw. aufgrund der begrenzten spektralen Auflösung der STDFT eine Verbreiterung vorhandener Linien bewirkt. Ein Spektrum im Winkelbereich 56 zeigt diesen Effekt in der Abbildung 4-10 recht deutlich. Auf einem Kreisflug um das DVOR ist die Bewegung des Empfängers zum Sender tangential, sodass die Dopplerverschiebung hierauf Null ist. Sind die Trägerfrequenz, der eigene Geschwindigkeitsvektor sowie der Sende- und Empfangsstandort bekannt, so lassen sich aus der gemessenen Dopplerfrequenz eine Relativgeschwindigkeit und hieraus ein relativer Einfallswinkel der Reflexion berechnen. Die genauere Herleitung hierzu ist z.b. aus [2] zu entnehmen. Der Bereich der möglichen Einfallswinkel der Reflexion des Trägers ist im Diagramm durch die beiden vertikalen grünen Linien basierend auf der aktuellen Geschwindigkeit (Geschwindigkeit über Boden, vgnd) eingegrenzt, und die obere X-Achse zeigt die möglichen Einfallswinkel relativ zur aktuellen Flugrichtung. Beim Tangentialflug ist die Einfallsrichtung des Senders folglich 90 zur Flugrichtung. Entstehen weitere Linien im Spektrum und überschreiten diese eine relative Schwelle (hier: -40dB), so werden sie durch eine violette Linie im Spektrum gekennzeichnet und an der Unterseite mit einem zugehörigen Einfallswinkel versehen. Man erkennt, dass der Bereich wenig ober- und unterhalb des Trägers mit mehreren Linien aufgefüllt ist. Dies resultiert aus Reflexionen vom Boden, die nicht nur direkt aus der direkten Richtung des Senders und dem Gelände darunter kommen, sondern im Winkelbereich leicht in beide Richtungen abweichen. Diese Reflexionen treten im Spektrum im Verhältnis sowohl beim Träger als auch bei den Seitenbändern auf. Im 30Hz-AM- Seitenband bewirken die Reflexionen in der Folge eine Phasenverschiebung, wie sie im Zeitbereich aus der Abbildung 4-9 zu entnehmen ist. Es zeigt sich hierbei, dass nur mit einer dynamischen Betrachtung der Verhältnisse eine schlüssige Erklärung der resultierenden Effekte auf die VOR-Fehlerkurve möglich ist. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 13 von 47

15 5) 1) 2) 3) 4) 6) 4) 1) Abbildung 4-6: Gemessene 30Hz-Phasen auf rechtem und linkem Halbkreis gegen den Uhrzeigersinn ("CCW"), Entfernung 10NM, Flughöhe 3600ft Nummerierte Bereiche: siehe Text FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 14 von 47

16 5) 1) 2) 3) 4) 6) 4) 1) Abbildung 4-7: Gemessene 30Hz-Phasen auf rechtem und linkem Halbkreis im Uhrzeigersinn ("CW"), Entfernung 10NM, Flughöhe 3600ft FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 15 von 47

17 1) dominiert über AM-Rauschen 4) dominiert über AM-Rauschen Abbildung 4-8: Höher aufgelöster Bereiche 1) und 4) mit sichtbarer Trennung der Effekte auf die 30Hz-Phasen von AM und FM FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 16 von 47

18 Abbildung 4-9: Beispiele der Phasenschwankungen der 30Hz-AM auf Kreisflug Bereich der Dopplerverschiebung des Trägers Einfallswinkel der Reflexion Abbildung 4-10: Spektrum auf Kreisflug mit zusätzlichen Anteilen durch Dopplereffekt FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 17 von 47

19 4.6.2 Auswertung von Radialflügen Die genauere Untersuchung der Auswirkung von WEA auf das DVOR-Signal sowie die Betrachtung der als kritisch identifizierten Winkelbereiche des vorherigen Abschnitts erfolgt durch die Messdatenanalyse der Radialflüge. Es wurden dazu mehrere Radiale in verschiedenen Höhen in Richtung des DVOR ("inbound") sowie entgegengesetzt ("outbound") geflogen. Die geflogenen Höhen sind keinesfalls repräsentativ für die tatsächliche Nutzung eines VOR, sondern dienen ausschließlich der Erkennung von Reflexionseigenschaften im gemessenen Signal. Radial 344 Radial 007 DVOR MIC Abbildung 4-11: Geflogene Radiale 344 und 007 (Bildquelle: Google Earth) Ortsmarkierungen gelb: WEA im Bestand mit Höhenangabe; rot: Ablehnung durch BAF FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 18 von 47

20 Aus der Abbildung 4-11 geht hervor, dass diese Radiale über Gebieten mit einigen WEA im Bestand führen. Das Diagramm für die Phasen und Pegel über der Distanz in Seemeilen (NM) im tiefen Anflug in 600ft auf das DVOR zeigt die folgende Abbildung Während des Vor- und Überfluges von WEA ab 3.5NM weist die AM-Phase (rot) deutliche Fehler auf, wohingegen in größerer Entfernung die Reflexionen weniger Einfluss haben. Hingegen zeigt die FM-Phase (grün) an einigen Stellen Sprünge, die noch dem gestörten Bereich 1) aus dem vorherigen Abschnitt zuzuordnen sind (siehe Abbildung 4-8). Sprünge der FM Überflug von WEA bis DVOR: Rauschen auf AM Abbildung 4-12: Phasen des tiefen Anflugs 344 auf DVOR MIC Eine höhere Ortsauflösung beim Durchflug des Windparks liefert die Abbildung Da die einzelnen WEA in Sichtverbindung zum DVOR MIC stehen, müssen die reflektierten Anteile aufgrund verschiedener differentieller Dopplerverschiebungen im Frequenzbereich sichtbar werden. Dies ergibt sich aus dem Linienspektrum der Abbildung Aufgrund der Bewegung hin zum DVOR ist die Dopplerverschiebung in dieser Richtung am größten, sodass alle Reflexionen aus Frequenzen unterhalb des Trägers kommen, was durch den Bereich innerhalb der grünen Linien markiert ist. Das Spektrum unterhalb des Trägers ist angereichert durch die Reflexionen FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 19 von 47

21 der umgebenden WEA. Die Zuordnung der Linien zu einzelnen Anlagen kann hieraus nur in Ausnahmefällen direkt erfolgen, da die Einfallswinkel dreidimensional in Bezug auf den Bewegungsvektor liegen und die relative Flughöhe zu den Höhen der WEA betrachtet werden muss. Bei näherer Betrachtung des Bildes des Flugweges fällt auf, dass die einzelne WEA Nr. 13 direkt überflogen wird. Nach dem Überflug liegt diese WEA mit zunehmender Entfernung in maximaler Dopplerverschiebung von etwa -55Hz und ist als einzelne Linie im Spektrum nachzuweisen. Sehr große Phasenverschiebungen treten dann auf, wenn eine Doppler-verschobene Spektrallinie im Vorbeiflug das 30Hz-Seitenband durchläuft und zeitweise innerhalb der Filterbandbreite in der Signalverarbeitung des Empfängers liegt. Im Diagramm ist eine solche Linie nach dem Passieren der 30Hz-Line markiert. In der dynamischen Umgebung mit starken Reflexionen im Tiefflug tritt dies häufig auf und führt zu kurzzeitigen Phasensprüngen bis zu 1.5 im Diagramm der Abbildung Aus den Phasenverläufen in Abbildung 4-15 bei Anflügen hin zu größeren Höhen in 1000ft und 1500ft auf demselben Radial ergibt sich unmittelbar, dass das höherfrequente Phasenrauschen der 30Hz-AM insgesamt kleiner wird und die Ausschläge der Kurve insgesamt langwelliger ("Fading"). Dies ist ein starkes Indiz für den nachlassenden Streueffekt einzelner Reflektoren nahe dem Boden wie z.b. WEA. Generell ist das Phasenrauschen bei Radialflügen kleiner als bei Kreisflügen. Die Ursache ist wiederum im unterschiedlichen zeitdynamischen Verhalten der reflektierenden Funkfeldumgebung zu finden: Während im Frequenzspektrum des Kreisfluges aufgrund der Tangentialbewegung Doppler-verschobene Komponenten von beiden Seiten auf den Träger und die Seitenbänder wirken (vgl. Abbildung 4-10), kann dies beim Radialflug je nach Richtung entweder nur im unteren (inbound) oder nur im oberen Seitenband (outbound) auftreten. Das Nachlassen der Reflexionen in größeren Höhen ist spektral im Diagramm der Abbildung 4-16 zu erkennen. Im zulässigen Bereich der Dopplerverschiebung des Trägers ist hierbei deutlich weniger Aktivität ersichtlich als in Abbildung Dieses Verhalten des nachlassenden Phasenrauschens der AM hin zu größeren Höhen tritt reproduzierbar auch auf allen anderen geflogenen Radialen auf. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 20 von 47

22 Bildquelle: Google Earth Abbildung 4-13: Durchflug eines Windparks auf 344 ; markierte WEA mit Höhenangabe WEA Nr. 13 Dopplerspektrum WEA nach Durchlaufen der 30Hz-Linie Abbildung 4-14: Doppler-verschobene Reflexionen von WEA im Spektrum auf 344 FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 21 von 47

23 Abbildung 4-15: Veränderung des Phasenrauschens bei Anflügen in größeren Höhen 1000ft und 1500ft auf Radial 344 FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 22 von 47

24 Dopplerspektrum Abbildung 4-16: Frequenzspektrum bei 1500ft auf 344 Weitere geflogene Radiale zeigt die Kartenübersicht in Abbildung Auf dem Radial 199 liegen erkennbar viele WEA, die sich beim Überflug bei 6NM wie schon bei Radial 344 gezeigt als Rauschen der AM-Phase auswirken, was in Abbildung 4-18 (oben) gut erkennbar ist. Spektral betrachtet zeigt die untere Teilabbildung das Auftreten vieler Reflexionen des Trägers, die teilweise das untere 30Hz-Seitenband durchlaufen und so kurzzeitige Phasensprünge auslösen. Da die Zahl der WEA in diesem Windpark deutlich größer ist als im Norden bei 344, sind auch die Spektrallinien zahlreicher, die durch dieses Flugmanöver in den Frequenzbereich 30Hz geraten, was zu mehr starken Störungen im überflogenen Bereich führt. In der folgenden Abbildung 4-19 zeigt sich schon bei einer Höhe von 1000ft, dass das Phasenrauschen der AM dieses Windparks bereits deutlich nachlässt und in Größenordnungen liegt, die auch bei Gebieten ohne WEA zu erwarten sind. Der Windpark wird damit faktisch unsichtbar im Signal. Auch die FM-Phase (grün) zeigt nur sehr kleine Abweichungen von unter 0.2. Zusätzlich belegen die Werte aus dem spektralen Ausschnitt (unten), dass die Reflexionsfaktoren der WEA deutlich kleiner werden. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 23 von 47

25 DVOR MIC Radial 262 Radial 199 Radial 155 Radial 182 Abbildung 4-17: Geflogene Radiale 155, 182, 199 und 262 (Bildquelle: Google Earth) Ortsmarkierungen gelb: WEA im Bestand mit Höhenangabe FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 24 von 47

26 Dopplerspektrum WEA Durchlaufen der 30Hz-Linie Abbildung 4-18: Phasen und Spektren im Überflug eines großen Windparks auf Radial 199 in 600ft FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 25 von 47

27 Dopplerspektrum WEA Abbildung 4-19: Phasen und Spektren im Überflug eines großen Windparks auf Radial 199 in 1000ft; nachlassende Reflexionsfaktoren der WEA gegenüber 600ft FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 26 von 47

28 4.6.3 Analyse der 30Hz-FM-Phase in gestörten Radialbereichen Eine besondere Betrachtung verlangt der Kurvenverlauf der 30Hz-FM-Phase u.a. auf dem Radial 007. In Abbildung 4-20 zeigen sich rechteckförmige Phasensprünge von ca. 6 bei verschiedenen Höhen, ohne dass eine Korrelation zur Entfernung möglich ist. Dieses Verhalten ist folglich nicht durch einen Einfluss von Reflexionen in größerer Entfernung vom DVOR zu erklären (insbesondere nicht durch WEA), sondern muss aus dem nahen Umfeld der Anlage stammen. Für die Erkennung der tatsächlichen Ursache wird ein neuer Diagrammtyp eingeführt, der in der Kette der Signalverarbeitung einen Schritt vor der Berechnung der absoluten Phasenlagen einsetzt. Es sind dies die sinusförmigen Schwingungsverläufe der 30Hz aus Referenz- und Umlaufsignal. Zum weiteren Verständnis der folgenden Grafiken erfolgt zunächst ein Vergleich von Schwingungsverläufen mehrerer VOR, bevor auf die Besonderheiten beim DVOR MIC eingegangen wird. Vorweg sei bemerkt, dass die dargestellten Amplituden der Kurven sowie ihre Phasenlagen zueinander in Abbildung 4-21 für das Verständnis irrelevant sind. Zur brauchbaren Darstellung einzelner Schwingungsverläufe wurde die Zeitachse entsprechend skaliert (200ms). Da ein Effekt im Nahfeld des DVOR MIC für die Erklärung des Verhaltens in Abbildung 4-20 verantwortlich ist und dies genau die 30Hz-Phasenumschaltung des 9.96kHz-Signalanteils eines DVOR betrifft, ist die 30Hz-Schwingung der FM (grün) direkt nur bei diesem Diagrammtyp nach der Demodulation in ungefilterter Form gezeichnet und zeigt Abweichungen vom ideal sinusförmigen Verlauf. Die in diesem Zusammenhang weniger wichtige 30Hz-AM-Schwingung ist hingegen Bandpass-gefiltert und sieht daher wie eine ideale Sinuskurve aus. Das Weglassen der Filterung der FM-Kurve ist notwendig, um die durch Reflexionen aus dem Nahbereich hervorgerufenen Störungen bei der Umschaltung der Phase durch die 25 Antennenpaare des DVOR sichtbar zu machen. Nach der Filterung wirkt sich diese Störung wie in den vorherigen Kurven gezeigt immer noch stark auf die Phasenlage aus, wäre aber optisch im Diagramm nicht mehr zu erkennen. Das erste Beispiel in der Abbildung 4-21 zeigt die Kurvenverläufe des konventionellen VOR (CVOR) Nienburg von einem früher durchgeführten Messflug mit SISMOS. Gut erkennbar ist, dass die FM-Kurve an ihren Extremwerten aufgrund ihrer dort geringeren Steigung sichtbar rauscht, jedoch ihrem Verlauf nach nahe an einer Sinusschwingung liegt. Die mittlere Kurve zeigt das auf dem Hinflug zur Sondervermessung empfangene DVOR Hehlingen (HLZ). Es offenbart sich hierbei ein signifikanter Unterschied zwischen einem CVOR und einem DVOR: Während beim CVOR die FM-Phase auf 9.96kHz als Phasenreferenz durch eine Antenne rundum abgestrahlt wird, werden bei einem Doppler-VOR 25 Antennenpaare aus zwei gegenüberliegenden Antennen mit 750Hz umgeschaltet, um daraus das Doppler-verschobene und richtungsabhängige Umlaufsignal 750Hz/25 = 30Hz für den Hilfsträger 9.96kHz zu erzeugen. Diese Diskretisierung löst sendeseitig kleine Phasensprünge auf dem gesamten FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 27 von 47

29 Umlauf über 360 aus, die in der ungefilterten Kurve als zusätzliches Phasenrauschen erkennbar werden. Besondere Aufmerksamkeit verlangt das Umschalten der Phase beim DVOR MIC (Abbildung 4-21 unten). Es tritt herbei ein signifikanter Phasensprung alle 180 auf, dessen Position auf der Kurve abhängig vom Azimutwinkel (Bearing) ist. Nach Entdeckung dieses Effekts in KW 7/2014 und der Überprüfung der Daten des Hubschrauberfluges vom (siehe Abbildung 4-22) konnte gezeigt werden, dass der Phasensprung mindestens seit diesem Zeitpunkt aufgetreten ist. Die Symmetrie des Sprungs alle 180 über eine kurze Phasendistanz ist nur erklärbar durch eine defekte Einzelantenne oder ihrer Einspeisung aus der Gesamtheit von 50 umschaltenden Strahlern. Die DFS Deutsche Flugsicherung GmbH hat am auf Anfrage bestätigt, dass bei der letzten Wartung am Boden eine fehlerhafte Antenne festgestellt wurde. Durch die im Navigationsempfänger vorgenommene Filterung der 30Hz- FM wirkt sich dieser Anlagendefekt hinsichtlich der Genauigkeit der Navigationsführung nicht gravierend aus, sorgt jedoch insgesamt bei der Betrachtung aus dem Fernfeld wie beim Vermessungsflug oder der betrieblichen Nutzung des DVOR für ein zusätzliches, in seiner Amplitude aber geringes Phasenrauschen. Bei den Ergebnissen des konventionellen FIS aus der Flugvermessung des DVOR MIC vom und ist der Fehler nicht aufgefallen, da er aus den vom FIS verfügbaren Kurven nicht unmittelbar abgelesen werden kann (vgl. Abbildung 4-1). FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 28 von 47

30 Sprünge der FM 6 Abbildung 4-20: Stark gestörte FM-Phase auf dem Radial 007 FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 29 von 47

31 CVOR Nienburg DVOR Hehlingen Phasensprünge alle 180 durch Antennendefekt Abbildung 4-21: 30Hz-Schwingungsverläufe von Umlauf- und Referenzphase bei verschiedenen VOR; AM: gefiltert, FM: ungefiltert FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 30 von 47

32 Position des Phasensprungs ist abhängig vom Bearing Abbildung 4-22: Antennendefekt bereits erkennbar bei Hubschraubervermessung Phasensprung durch Antennendefekt und weitere Effekte Abbildung 4-23: Phasensprünge auf 30Hz-Schwingung der FM; Überlagerung von Antennendefekt und weiteren Effekten im Nahfeld FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 31 von 47

33 Nach diesen grundsätzlichen Erläuterungen des neuen Diagrammtyps ist nun in Abbildung 4-23 ein Ausschnitt aus dem Radial 007 in 1500ft dargestellt 1. Zu erkennen ist, dass neben dem schon gezeigten Antennendefekt weitere Phasensprünge auftreten, die den Kurvenverlauf insgesamt stark verzerren. Ähnlich starke Phasensprünge der FM-Phase zeigen sich auch auf dem fast diametral gegenüber liegendem Radial 182, wie aus der Abbildung 4-24 bei den Phasenlagen (oben) und 30Hz-Schwingungsverläufen (unten) ersichtlich ist. In allen geflogenen Höhen (hier nicht gezeigt) zeigt sich ein ähnliches Verhalten ohne Korrelation zur Distanz zum DVOR. Das Radial 182 wird bei einem Abflugverfahren (SID RAMAR 4J) des Flughafens Lübeck betrieblich genutzt. Weitere durch Störungen des Nahfeldes der DVOR signifikant betroffene Winkelbereiche liegen bei 155 und bei 115 (vgl. auch Abbildung 4-1 u. Abbildung 4-6). Die Besonderheit der Störung im Bereich 115 liegt darin, dass sie durch ein statisches, großes Objekt (Siloanlage, vgl. Abschnitt 4.6.1) hervorgerufen wird. Das Diagramm der 30Hz-Schwingungen aus einem Ausschnitt des Kreisfluges in dem Winkelbereich in Abbildung 4-25 zeigt erneut starke, zusätzliche Störungen durch Phasensprünge der 30Hz-FM-Phase. Weiterhin erkennbar bleibt der Antennendefekt alle Die Amplitude der Kurve insgesamt ist wiederum belanglos, da sie über den dargestellten Bereich normiert wurde, um mit ihren Phasensprüngen das Diagramm vertikal auszufüllen. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 32 von 47

34 Sprünge der FM > 5 Phasensprung durch Antennendefekt und weitere Effekte Abbildung 4-24: Phasensprünge der FM auf Radial 182 FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 33 von 47

35 Phasensprünge durch Antennendefekt und Siloanlage Abbildung 4-25: Phasensprünge auf 30Hz-Schwingung der FM; Überlagerung von Antennendefekt und Siloanlage im Nahfeld Die Phasenlagen des gestörten Radials 155 in 1000ft Höhe sind in der Abbildung 4-26 zu sehen, wobei die FM-Phase hier Sprünge von -3 bis +1 aufweist. Für die Ursachenfindung der Nahfeldstörung sind fotografische Aufnahmen der unmittelbaren Umgebung von oben (z.b. Google Earth) oder von vor Ort hilfreich. In Abbildung 4-27 ist gut zu erkennen, dass im Winkelbereich des Radials 155 in der Nähe eine Baumreihe steht. Diese überragt mittlerweile die Höhe des DVOR-Gegengewichts, was sowohl durch Begehung der Plattform durch die DFS bestätigt als auch fotografisch durch das LLUR dokumentiert wurde (Abbildung 4-28). Die Flugvermessungsberichte seit dem zeigen, dass sich der Fehler in den betroffenen Winkelbereichen 1), 3) und 4) der Abbildung 4-6 vergrößert hat. Da laut Anlagenkataster dort aber keine neuen WEA hinzugekommen sind und außerdem der Fehler in den Bereichen 1) und 4) symmetrisch gewachsen ist, ist es sehr wahrscheinlich, dass dieser Effekt auch aus der unmittelbaren Umgebung stammt. Ob eventuell der Bewuchs im gelb markierten Bereich der Abbildung 4-27 für die symmetrische Störung im Norden und im Süden des DVOR MIC ursächlich ist, kann gegenwärtig noch nicht eindeutig bestimmt werden. Es sollen jedoch Maßnahmen in der KW 9 (d.h. in der Woche des Berichtsabschlusses) durchgeführt werden, um zumindest die hohen Bäume zu kürzen, die das Gegengewicht überragen. Hiernach soll zeitnah eine erneute Flugvermessung erfolgen, deren Ergebnis allerdings erst nach Abgabe dieses Berichts zur Verfügung steht. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 34 von 47

36 Abbildung 4-26: Phasensprünge der FM auf Radial 155 in 1000ft DVOR MIC Radial 155 Abbildung 4-27: Bewuchs nahe der Anlage DVOR MIC (Bildquelle: Google Earth) FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 35 von 47

37 Abbildung 4-28: Baumreihe überragt Höhe des Gegengewichts (Bildquelle: R. Kattau, LLUR) 4.7 Feldstärkemessungen mit Hubschrauber Für eine theoretische Herleitung des Reflexionsverhaltens von WEA muss bekannt sein, welche Feldstärke in Abhängigkeit der Höhe vom Boden mit welcher Phasenlage und Polarisation auf die WEA eintrifft. Nur bei Kenntnis der Verteilung des einfallenden Feldes kann auch das Streufeld berechnet werden, welches am Empfangsort im Nutzersegment mit dem ungestörten Sendesignal interferiert. Um die Komplexität der einfallenden Feldverteilung zu zeigen, wurden mit dem Hubschrauber an verschiedenen Wegpunkten in unterschiedlichen Entfernungen und Schwebehöhen Messwerte der absoluten Feldstärke (hier: Leistungsdichte, Einheit dbw/m 2 ) ermittelt. Die Auswahl der Wegpunkte erfolgte unter Berücksichtigung der begrenzten Flugzeit des Hubschraubers inklusive Hinflug zu den Punkten und Schweben in verschiedenen Höhen unter Umgehung von Flugbeschränkungsgebieten (ED-R), Hochspannungsleitungen und bewohnten Objekten in unmittelbarer Nähe. Da mit der Messeinrichtung als Außenlast unter dem Hubschrauber und dem Messverfahren bei pendelnder Last nur der Absolutbetrag der Feldstärke in horizontaler Polarisation gemessen werden kann, gibt es keinen Phasenbezug zwischen den einzelnen Messhöhen. Die komplette Charakterisierung des einfallenden Feldes ist damit nicht gegeben, es wird hierdurch aber die Komplexität der Wellenausbreitung über realem Gelände mit bestehenden Hindernissen offenbart. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 36 von 47

38 Abbildung 4-29: Wegpunkte der Feldstärkemessung mit dem Hubschrauber (blaue Markierungen) FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 37 von 47

39 Die nachfolgende Tabelle zeigt für einige ausgewählte Wegpunkte die Leistungsdichten in verschiedenen Höhen: WP Entfernung / km Höhe über Antenne (1) [m] / Pegel [dbw/m 2 ] Höhe (2) Pegel Höhe (3) Pegel m / -76 dbw/m 2 100m / -72dBW/m 2 125m / -75 dbw/m / / / / / / / / / / / / / / / / / / -79 Die angegebenen Höhen sind jeweils die Differenzhöhen zwischen DVOR-Antenne und Messantenne. Das Erreichen oder Halten der exakten Höhe im Schwebezustand ist für den Hubschrauber nur mit hohem Zeitaufwand möglich, sodass hier beim Durchfliegen mehrerer Messpunkte durch die begrenzte Flugdauer Abweichungen auftreten. Aufgrund der Montage der DVOR-Antennen auf einem elektrischen Gegengewicht und durch den zusätzlichen Einfluss des Erdbodens steigt die Feldstärke im unteren Elevationsbereich zu größeren Höhen hin grundsätzlich an, was auch die Feldstärkewerte der Tabelle in den meisten Fällen zeigen. Stärkere Abweichungen gibt es jedoch bei den Wegpunkten 2 und 6: Trotz des geringen Höhenunterschiedes von 10m bei Höhe (2) liegen die Pegel bereits 6dB auseinander. In 3km Entfernung des WP liegt die Feldstärke bei 130m aber 1dB unter dem Wert bei WP 4, obwohl dort 20m tiefer gemessen wurde. Vergleicht man hingegen die Werte von WP10 und 12 miteinander, so stimmt im Höhenprofil die Feldstärke recht gut überein, obwohl die Messantenne bei WP10 hinter dem Windpark auch auf Rotorebene der WEA und darunter schwebte und dadurch die Sichtline zum DVOR eingeschränkt wurde. Entscheidend ist das Verhältnis der Feldstärke im Nutzersegment (hier: Vermessungsflugzeug) zu der Feldstärke, die auf die am Boden errichteten WEA als einfallendes Feld auftrifft. Soll dieses Verhältnis messtechnisch bestimmt werden, so müssen entweder mit derselben Messeinrichtung an beiden Orten die Proben entnommen werden, oder aber es gibt zwei verschiedene Messeinrichtungen, die jeweils auf dasselbe Normal zurückgeführt werden. Letzteres ist hier der Fall, da die Feldstärken einerseits mit dem Vermessungsflugzeug und andererseits mit dem Hubschrauber gemessen wurden. Für beide Einrichtungen ist also eine Rückführung auf das Normal messtechnisch zu beweisen. FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 38 von 47

40 In einem internen Projekt, das die FCS in Zusammenarbeit mit der PTB für DFS, BAF und Bundeswehr durchgeführt hat, sind diese Nachweise der Rückführung auf das SI- Einheitensystem sowohl für die Hubschrauberantenne als auch für die relevante Flugzeugantenne erbracht worden [4]. Dort ist auch das Verfahren beschrieben, mit dem eine hängende Messantenne unter dem Hubschrauber die maximale Feldstärke während des Pendelvorgangs erfasst und wie für das Verfahren insgesamt auch die korrekte Messunsicherheit berechnet werden kann, die hierbei 3dB beträgt. Die Messunsicherheit wird allgemein gemäß der Vorgaben des Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM), bzw. der deutschen Fassung [5] ermittelt. Dieser Leitfaden dient den metrologischen Staatsinstituten sowie den akkreditierten Kalibrierlaboratorien zur Ermittlung der den Messungen und Kalibrierungen beigeordneten Messunsicherheiten. Dazu werden sowohl statistische Einflussgrößen (Typ A) als auch nichtstatistische Einflussgrößen (Typ B) oder singuläre Beobachtungen zur Beurteilung der Messunsicherheit herangezogen. Auf dieser Basis werden weltweit Messergebnisse verglichen und ihre Äquivalenz durch das E N -Kriterium überprüft. Mit den rückgeführten Antennen kann nun mit beiden Messeinrichtungen die absolute Feldstärke bzw. Leistungsdichte im Rahmen der Messunsicherheit erfasst werden und daraus auch das Verhältnis der Feldstärken. Während die absoluten Werte der Hubschraubermessung bereits in der Tabelle gezeigt wurden, ist die Leistungsdichte am Vermessungsflugzeug auf dem Kreisflug in Abbildung 4-30 zu sehen. Im Mittel liefert sie den Wert -86dBW/m 2, wie aus der Kurve hervorgeht Abbildung 4-30: Absolute Feldstärke im Vermessungsflugzeug während des Kreisfluges Für die WP 10 und 12 in 10km Entfernung zum DVOR bedeutet dies unmittelbar, dass am Boden bei den WEA in etwa nur noch die gleiche Leistungsdichte auftritt wie im Kreisflug bei der Vermessung im Nutzersegment selbst. Bei diesen Feldstärkeunterschieden von <3dB müssten die Reflexionsfaktoren der WEA unrealistisch groß und gleichzeitig sehr zielgerichtet sein, damit ein gestreuter Anteil in weiteren 5NM Entfernung an der Antenne des Vermessungsflugzeuges das direkte Signal wirksam überlagert. Aufgrund der gezeigten Feldstärkeverhältnisse und des im Abschnitt 4.6 gezeigten Einflusses der dynamischen Messumgebung während der Flugvermessung wird an dieser Stelle nicht der FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 39 von 47

41 Versuch unternommen, unter der Annahme eines statischen Reflexionsfaktors für einzelne oder mehrere WEA die Feldveränderung im stationären Fall zu berechnen. Schon die diffuse Feldstärkenverteilung der Stichproben über dem Boden zeigt, dass dieses der Komplexität der realen Umgebung in keinster Weise gerecht werden würde. Für eine umfassendere Betrachtung des einfallenden Feldes sind vielmehr Messmethoden erforderlich, wie sie im Forschungsprojekt WERAN ("Wechselwirkung Windenergieanlagen und Radar/Navigation") 2 gegenwärtig entwickelt werden. 4.8 Einfluss des Doppler-Effekts durch WEA-Rotation Ein im Zusammenhang mit Störungen von WEA auf VOR häufig angeführter Aspekt ist die Dopplerverschiebung des Signals aufgrund der Rotation der WEA-Blätter. Für eine WEA des Typs "Enercon E101" würde sich mit bekannter Rotationsgeschwindigkeit der Rotorblätter bei einer Sendefrequenz 112.2MHz (DVOR MIC) eine maximale Dopplerverschiebung von ca. 29Hz ergeben. Das Spektrum der Dopplerverschiebung erstreckt sich über die gesamte Länge eines Blattes also von 0Hz bis 29Hz, wobei diese obere verschobene Grenzfrequenz des Trägers theoretisch in die Durchlassbandbreite des 30Hz-AM- Seitenbandfilters eines Navigationsempfängers hineinragen würde. Kleinere WEA haben kürzere Rotorblätter, drehen sich dafür aber schneller und erzeugen daher ein Dopplerspektrum mit vergleichbarer Bandbreite bis 30Hz. Damit dies aber von praktischer Relevanz wäre, müssten nennenswerte Reflexionsflächen der WEA in horizontaler Ausdehnung in positiver oder negativer Richtung zur Empfangsantenne bewegt werden, da der elektrische Feldvektor der VOR-Aussendung horizontal polarisiert ist. Dies ist aber gerade nicht der Fall, da nur bei Sicht von der Seite auf Rotorblätter die volle Dopplerbandbreite erreicht wird, aus diesem Betrachtungswinkel heraus aber vornehmlich vertikale Längen die Bewegung vollführen. Der wirksame Anteil für die obere Grenzfrequenz nahe 30Hz im Durchlassbereich des Filters ist auf einen sehr kleinen Bereich an der Blattspitze reduziert. Hinzu kommt, dass die sehr diffuse Streurichtung des aerodynamisch geformten Rotorblattes und seiner Spitze auch gerade die des Flugzeuges sein muss, um eine potentiell wirksame Überlagerung zu erzeugen. Allein aus diesen Überlegungen heraus lässt sich ableiten, dass der zu erwartende Einfluss auf die Flugführungsgröße Azimutwinkel vernachlässigbar gering sein muss. 2 Verbundvorhaben WERAN, FKZ A-D, Gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages FCS Flight Calibration Services GmbH Seite 40 von 47