Radio-Navigation. Zusammenfassung der Theorie für Radionavigation, mit Angabe der Referenzen aus Calling Tower und Heim.

Transkript

1 Radio-Navigation Zusammenfassung der Theorie für Radionavigation, mit Angabe der Referenzen aus Calling und Heim. 1. ZIELE DER THEORIE Handhabung der gängigen Navigationsgeräte Funktionsweise der Bodenanlagen Anwendung der Radionavigation im Sichtflug Verfahren im Sichtflug (Intercept) 1 2. ELEKTRONISCHE NAVIGATIONSMITTEL Fremdpeilung VDF VHF Direction Finder UKW-Peiler Radar Radio Detection and Ranging Ortung und Verfolgung Primärradar Sekundärradar Eigenpeilung Standlinienmessung ADF Automatic Direction Finder Radio-Kompass-Anlage NDB Non Directional Beacon Ungerichtetes Funkfeuer VOR VHF Omnidirectional Range UKW-Drehfunkfeuer DME Distance Measuring Equipment Distanz-Mess-Einrichtung Berechnung Positionsbestimmung INS Inertial Navigation System Trägheitsnavigation GPS Global Positioning System Satellitennavigation 8 1. Ziele der Theorie 1.1. Handhabung der gängigen Navigationsgeräte Einrichtungen im Flugzeug: VOR, ADF, DME, RNAV, GPS, ILS, SSR-Transponder 1.2. Funktionsweise der Bodenanlagen VOR, NDB, DME, VDF, Radar 1.3. Anwendung der Radionavigation im Sichtflug Kopplung Radio-Navigation mit terrestrischer Navigation zur Positionsbestimmung und Flugwegüberwachung Verfahren im Sichtflug (Intercept) Homing, QDM und QDR bei NDB, VDF und Radarführung, Track (Radial inbound) und Radial bei VOR. Anwendung der 6-Punkte-Regel. C:\data\FLUG\THEORIE\VFR\cvfr.doc , 0:38 Seite 1 von 8

2 2. Elektronische Navigationsmittel Calling Heim 2.1. Fremdpeilung VDF VHF Direction Finder UKW-Peiler Prinzip: Peilung eines Funksignales durch eine Bodenstation Bodenanlage Peilantenne, Peilempfänger, Anzeigegerät Bordanlage VHF COM Sender/Empfänger VDF-Frequenzen Siehe Com2 App1/App2 Frequenzbereich , Raster 25 khz Reichweite Radio-Sichtlinie Informationen QDM, QDR, QTE Inbetriebnahme Durch Funkkontakt VHF COM Die Peilung am Boden erfolgt automatisch während dem Sprechfunkverkehr Anwendung Kontrolle zur Unterstützung der Eigennavigation Homing zum Peiler Abflug vom Peiler Interception z.b. der Pistenachse Eigenschaften Peilende Station am Boden Variation am Standort der Bodenstation Genauigkeit je nach Aufwand ±1 bis ±5 Störfaktoren Reflexionen an Hügeln und Gebäuden Vor-/Nachteile Siehe Unterlagen: Radar Radio Detection and Ranging Ortung und Verfolgung Primärradar Prinzip: Vermessen eines reflektierten elektromagnetischen Signals. Durch Bestimmung der Distanz und der Richtung resultiert die Position. Die Richtung des einfallenden Signals ergibt sich aus der momentanen Position der Antenne, welche mit Winkelgeber dem Anzeigegerät zugeführt wird. Bodenanlage Sender von kurzen Impulsen, welche über eine Antenne abgestrahlt werden, welche horizontal scharf bündelt, und vertikal einen Sektor vom Boden bis zu einer gewissen Elevation abdeckt. Dieselbe Antenne wird zum Empfang der Echos benützt. Der Elektronenstrahl des Anzeigegerätes läuft synchron mit der Antenne. Bordanlage nicht nötig. Das Signal wird an der Struktur des Flugzeuges reflektiert. Frequenzbereich Je nach gewünschter Reichweite und Auflösung zwischen ca MHz und MHz. C:\data\FLUG\THEORIE\VFR\cvfr.doc , 0:38 Seite 2 von 8

3 Reichweite Abhängig von Sendeleistung, Reflexionsfaktor des Zieles, Abstand zwischen den Pulsen, Drehgeschwindigkeit der Antenne. Information Auf der PPI-Anzeige (Plan Position Indicator) am Boden kann die Schrägdistanz und die Richtung für jedes Echo bestimmt werden. Bei einer Folge von Echos können die Groundspeed und der Track bestimmt werden. Inbetriebnahme Um von den Erkenntnissen der Bodenstation zu profitieren, ist ein Funkgerät nötig. Anwendung Führung eines Flugzeuges bei schwierigen Wetterver hältnissen, sowohl Enroute wie auch beim Anflug. Eigenschaften Peilende Station ist am Boden, Variation am Standort der Radaranlage. Höhe kann nicht bestimmt werden. Störfaktoren Andere Signale auf gleichem Azimuth und gleicher Distanz können Erkennung des gewünschten Signals unmöglich machen (Gewitter, Festzeichen vom Boden), zwei Flugzeuge können nicht auseinandergehalten werden. Vor-/Nachteile Keine Bordanlage notwendig Bei kleinen Flugzeugen und grosser Entfernung schwaches Echo, Dämpfung des Signals durch Wasserdampfschichten. Bezeichnungen ASR Airport Surveillance Radar, Rundsichtradar für TMA, auch SRE (Surveillance Radar Equipment) genannt. PAR Precision Approach Radar, Anflugradar auf Anflugachse, überwacht auch Höhe, verwendet für GCA (Ground Controlled Approach). ASDE Airport Surface Detection Equipment, zur Überwachung der Pisten, Rollwege und Abstellflächen Sekundärradar Prinzip: Eine Bodenradaranlage sendet Abfragepulse, das Bordgerät sendet codierte Antworten, welche eine Identifikation und Höhenbestimmung des Flugzeuges ermöglichen. Bodenanlage Zusätzliches Radar als Ergänzung des Primär radars, sendet auf einer anderen Frequenz und verwendet anders codierte Pulse. Dieselbe Antenne wird zum Senden und Empfangen benützt. Die beiden Antennen für Primär- und Sekundärradar drehen synchron. Bordanlage Transponder ohne Höhencodierung (Mode A) oder mit Höhencodierung (Mode C). Auf vier Stellen können Ziffern von 0 bis 7 eingestellt werden, dies ergibt 4096 mögliche Kombinationen. Frequenzbereich Bodenstation: 1030 MHz, Transponder: 1090 MHz Reichweite wie Primärradar Information Auf dem Radardisplay kann der Kontroller den einge stellten Code (oder eine andere vom Rechner daraus C:\data\FLUG\THEORIE\VFR\cvfr.doc , 0:38 Seite 3 von 8

4 ermittelte Information, z.b. Rufzeichen oder Flugnummer) und die Druckhöhe sehen. Unterhalb des Transition Levels rechnet der Radarrechner die Druckhöhe aufgrund des aktuellen QNH in eine Altitude um. Über den Rechner kann der Controller selektieren, was er auf dem Bildschirm angezeigt haben will, z.b. nur Flugzeuge mit bestimmten Codes, oder bestimmte Höhensegmente. Inbetriebnahme Betriebsartenschalter auf SBY zum Vorwärmen. Dauert bis zu drei Minuten. Schalter auf ON: der eingestellte Code wird bei Abfrage übermittelt. Stellung ALT: auch die Druckhöhe wird übertragen. TEST: interne Funktionsprüfung, Bereitschaft angezeigt durch Kontrollampe. Anwendung Eindeutige Identifizierung von Flugzeugen zwecks Führung und Separation, Keine Identifikationskurven notwendig. Militärische Version ermöglicht Identifizierung Freund/Feind. Eigenschaften Bodenstation sendet Abfrageimpulse, Bordgerät antwortet mit definierten Telegrammen. Jedesmal wenn der Transponder sendet, brennt die Anzeigelampe Störfaktoren Radarsichtlinie muss gewährleistet sein. Ferner darf die Linie von der Antenne zur Bodenstation nicht durch das eigene Flugzeug abgedeckt sein. Vor-/Nachteile Siehe Unterlagen: Eigenpeilung Standlinienmessung ADF Automatic Direction Finder Radio-Kompass-Anlage NDB Non Directional Beacon Ungerichtetes Funkfeuer Prinzip: Peilen der Richtung eines MW- oder LW-Senders (NDB) relativ zur Flugzeuglängsachse mittels einer Peileinrichtung (Loop- und Sense-Antenne). Die Spitze der ADF-Nadel zeigt die Richtung zur NDB-Station. Die Peilung erfolgt mit Hilfe einer richtungsempfindlichen Antenne, genannt Loop-Antenne. Aufgrund der Empfangscharateristik der Loop-Antenne erhält man bei Drehung um 360 zwei Maxima und zwei Minima. Durch Kombination dieses Empfangssignals mit dem einer Sense-Antenne (Stab oder Draht) ergibt sich ein Signal mit nur einem Minimum (sehr scharf, genau) und einem Maximum (flach, ungenau). Bodenanlage NDB: Mittel-/Langwellensender Signal über Antenne hat ungerichtete Ausstrahlungs- Charakteristik. Rundfunksender ungünstiger Frequenzbereich, nicht unbedingt Rundstrahler C:\data\FLUG\THEORIE\VFR\cvfr.doc , 0:38 Seite 4 von 8

5 Frequenzbereich khz für MW- und LW-Sender khz für Low Power NDB Raster 9 khz Emmissionsart A0/A1 oder A0/A2 130 ICAO-Karte 289 HR A0/A1 326 GRE A0/A2 Reichweite nm NDB im Airway nm NDB in TMA nm Locator für Anflug Bordanlage ADF Zwei Antennen für Empfang der NDB-Signale Empfänger für Auswertung der Signale Anzeige Instrument(e) Antennen Loop: richtungsempfindlich, 2 Max/2Min auf Sense: Rundempfang, Stab/Draht a Kombination ist richtungsempfindlich, 1 Max/1Min Inbetriebnahme Frequenz einstellen Betriebsart auf ANT (A0/A2) oder BFO (A0/A1) Vol auf: Kennung abhören, Vol zu Schalter auf ADF TEST: nicht bei allen Geräten vorhanden. Nadel dreht im Uhrzeigersinn und bleibt auf RB 090 stehen. Anwendung Bestimmung, Erfliegen, Interceptieren von QDM/QDR Bestimmung der Position mit 2 NDB Eigenschaften Variation am Standort des Flugzeuges Peilung erfolgt durch Bordstation ADF Genauigkeit ±2 - ±5 keine automatische Funktionsüberwachung (kein Flag) Störfaktoren Dämmerungs-/Nachteffekt, Bergeffekt, Küsteneffekt, atmosphärische Störungen (z.b. Blitze) Vor-/Nachteile VOR VHF Omnidirectional Range UKW-Drehfunkfeuer Prinzip: Vermessen eines von einem VHF-Sender definierten Signals mit Richtungsinformation. Das Referenzsignal ist in der Phasenlage konstant. Beim variablen Signal ist die Phasenlage von der Abstrahlungsrichtung der VOR-Bodenstation abhängig. In Richtung magnetisch Nord beträgt die Phasenverschiebung gegenüber dem Referenzsignal 0. Die Phasenver schiebung entspricht der Himmelsrichtung. C:\data\FLUG\THEORIE\VFR\cvfr.doc , 0:38 Seite 5 von 8

6 Bodenanlage VOR-Station oder DVOR-Station strahlt Kursinformation aus bestehend aus Referenzsignal und variablem Signal Frequenzbereich MHz, Raster 50 khz Emmissionsart A2 Kennung 3 Morsebuchstaben, mind. 6mal pro Minute, 1020 Hz Reichweite T Terminal VOR 25 nm L Low Altitude VOR 40 nm H High Altitude VOR nm Ferner abhängig von Flughöhe VOR Stationen können mit folgenden Anlagen kombiniert sein: TACAN, DME, ATIS Bordanlage Eine Antenne für Empfang der VOR-Signale (für einen oder mehrere Empfänger) Einen Bordempfänger zur Auswertung ein oder mehrere Anzeige-Instrumente Antenne konventioneller UKW-Dipol 28a Inbetriebnahme Frequenz einstellen Betriebsartenschalter auf Ident Vol aufdrehen, Kennung abhören Vol zudrehen Kontrolle kein NAV-Flag (erscheint bei Ausfall des Radiosignals oder bei Fehler im Gerät) Cone of Silence Zone über der Station, wo nur das Referenzsignal empfangen wird: keine Richtungsbestimmung möglich, NAV-Flag erscheint, TO/FROM-Anzeige springt hin und her Anwendung Bestimmung, Erfliegen, Interceptieren von Radials und Tracks; Positionsbestimmung mit 2 VOR oder mit 1 VOR und DME Eigenschaften Gerichtetes Drehfunkfeuer Variation am Standort der Bodenstation automatische Funktionsüberwachung (Flag) Genauigkeit: Bodenstation ±1 - ±3, Bordanlage ±2 Störfaktoren praktisch störungsfreier Empfang, keine Beeinträchtigung durch atmosphärische Störungen Vor-/Nachteile Siehe Unterlagen: DME Distance Measuring Equipment Distanz-Mess-Einrichtung Prinzip: Vermessen der Distanz zu einer Bodenstation (Signallaufzeit). Das DME misst die Schrägdistanz (Slant Distance) zwischen Flugzeug und Bodenstation. C:\data\FLUG\THEORIE\VFR\cvfr.doc , 0:38 Seite 6 von 8

7 Bordanlage Interrogator sendet Abfrage-Impulspaare in zufälliger Folge. Der Empfänger vergleicht alle empfangenen Signale mit den selber abgestrahlten Signalen und wertet nur die den eigenen Signalen entsprechenden Antworten aus. Bodenanlage Strahlt die empfangenen Abfrage-Impulspaare nach einer definierten Verzögerung (normalerweise 50 µsec) wieder über eine Rundstrahlantenne aus. Frequenzbereich MHz Kennung Gleiche Kennung wie zugehöriges VOR, 1350 Hz. Die Kennungen werden im Rhythmus 3 mal VOR 1 mal DME ausgestrahlt. Antenne Kleine Blattantenne unter dem Flugzeugrumpf (ca 8 cm gross) Anwendung Bestimmung der Schrägdistanz in nm Bestimmung der Komponente Groundspeed in Richtung Station und damit Time to station Eigenschaften DME sind in der Regel zusammen mit einem VOR oder einer TACAN-Anlage aufgestellt. Zu jeder VOR- oder TACAN-Frequenz ist ein DME-Kanal fest zugeteilt. Der DME-Kanal wird gewählt durch Eingabe der VOR-Frequenz. Störfaktoren Die Anzahl der bedienbaren Flugzeuge ist beschränkt auf ca 100. Die stärksten Signale werden berücksichtigt, indem der Empfänger der Bodenstation automatisch die Empfindlichkeitsschwelle anpasst. Vereisung der Antenne und tiefe Flughöhen verschlechtern die Bedingungen Berechnung Positionsbestimmung INS Inertial Navigation System Trägheitsnavigation Prinzip: Berechnung der Positionsänderung aufgrund von Beschleunigungen (drei Achsen mit linearen Beschleunigungsmessern, drei Winkel mit Giros). Wird bei Kleinflugzeugen nicht angewendet. Vor allem angewandt bei Langstreckenflügen, wo keine VOR, NDB, DME zur Verfügung stehen. Benötigt keine Bodenanlagen, muss aber vor dem Start ausgerichtet werden. Genauigkeit der Positionsbestimmung wird mit zunehmender Zeit immer ungenauer, deshalb ist Nachführung bei bekannter Position (z.b. über VOR) notwendig. Ein kompletter Satz von drei Beschleunigungsmessern und drei Giros heisst Plattform. Falls diese Plattform nicht kardanisch aufgehängt ist (wie früher üblich), sondern fest mit dem Flugzeug verbunden ist, spricht man von Strapdown Plattform. Mechanische Giros werden immer mehr abgelöst durch Laserkreisel und Faserkreisel. C:\data\FLUG\THEORIE\VFR\cvfr.doc , 0:38 Seite 7 von 8

8 GPS Global Positioning System Satellitennavigation Prinzip: Berechnung der Positionsänderung aufgrund von Satellitendaten. Für die dreidimensionale Positionsbestimmung sind mindestens vier Satelliten notwendig. Bordanlage Empfänger mit einem oder mehreren Kanälen (zurzeit bis zu 12 Kanälen parallel) mit eingebauter Anzeige oder Ausgabe auf externe Anzeigen, welche in der Regel auch für VOR benützt werden. Bodenanlage Das Bordgerät stützt sich auf die Satelliten, welche sich ihrerseits auf Bodenanlagen zur genauen Positionsbestimmung stützen. Frequenzbereich Das GPS-System verwendet mehrere Frequenzen, wovon für die zivilen Anwendungen nur die Frequenz im Bereich von 1500 MHz freigegeben ist. Alle Satelliten des GPS-Systems senden auf der gleichen Frequenz im Zeit-Multiplex-Verfahren. Die Satelliten des Glonass-Systems benützen eine eigene Frequenz pro Satellit, im gleichen Bereich wie GPS. Antenne Blatt-Antenne oder Flachantenne auf dem Flugzeugrumpf. Da die empfangenen Signale sehr schwach sind (ca 30 db unter dem Rauschen) dürfen die Antennen nicht verändert werden. Insbesondere dürfen sie nicht übermalt werden. Anwendung Bestimmung der absoluten Position (Angabe in Koordinaten) Ermittlung der Grosskreisdistanz zur Destination Ermittlung des Anfangskurses auf dem Grosskreis Ermittlung des Headings unter Berücksichtigung von Wind Ermittlung von Groundspeed und Flugzeit Ermittlung von Sunrise und Sunset (nicht auf allen Geräten) Flugplanung und Flugwegüberwachung Je nach Gerät weitere Funktionen Eigenschaften Dreidimensionale Positionsbestimmung Genauigkeit abhängig von Anzahl verfügbarer Satelliten im Sichtbereich und vom Mass der Signalverfälschung (absichtlich durch selective availability und unabsichtlich durch Störungen der Ausbreitung). Funktionsüberwachung: Gerät überwacht nur, ob genügend Satelliten verfügbar sind. Korrektheit der Information kann noch nicht überprüft werden (kein Flag). Positionsfehler um mehrere Kilometer sind möglich! Störfaktoren Oberwellen von Fernsehsendern und anderen Stationen können die Genauigkeit wesentlich beeinflussen oder eine Positionsbestimmung unmöglich machen (siehe VFR-Bulletin). C:\data\FLUG\THEORIE\VFR\cvfr.doc , 0:38 Seite 8 von 8