Welche Kalibrierungen braucht ein Dienstleister? Dr. Jochen Bredemeyer

Transkript

1 Welche Kalibrierungen braucht ein Dienstleister? Dr. Jochen Bredemeyer

2 Gliederung Dienstleistung Flugvermessung Systeme und Frequenzen Flugvermessungssystem Antennenmessungen Zusammenfassung und Folgerungen

3 Dienstleistung Flugvermessung Was ist Flugvermessung und wer beauftragt? Flugvermessung bezeichnet die Kalibration von Ortungs- und Navigationsanlagen in der Luft aus Sicht eines Flugzeugs mit autonomer Referenz Eigenschaften von allen Anlagen der Flugsicherung sind international festgelegt in Regelwerken der ICAO (Intern. Zivilluftfahrtorganisation) Flugsicherung ist in Deutschland hoheitliche Aufgabe im Geschäftsbereich des Bundesverkehrsministeriums (BVBW) DFS Deutsche Flugsicherung nimmt Aufgabe wahr im Auftrag des BVBW DFS beauftragt ihrerseits Flugvermessungsunternehmen Historie: Flugvermessung war früher Teil der vormaligen BFS und Luftwaffe, heute als FCS Gemeinschaftsunternehmen von DFS, Skyguide und Austrocontrol, weiterer Kunde Bundeswehr

4 Systeme und Frequenzen Ortungs- und Navigationsanlagen der Luftfahrt (1) Bodengebundene Navigationsanlagen liefern als Navigationshilfen in der Strecke Winkel- und Richtungsinformation: VOR (VHF Omnidirectional Ranging): Drehfunkfeuer und liefert Kurs als Winkel Richtung Nord, f = MHz DME (Distance Measurement Equipment): Enfernungsbestimmung, f = MHz TACAN (Tactical Air Navigation, militärisch): basiert auf DME und liefert zusätzlich Winkel (genauer als VOR) NDB (Nondirectional Beacon): Standlinie zu Flugzeuglängsachse, f = kHz

5 Systeme und Frequenzen Ortungs- und Navigationsanlagen der Luftfahrt (2) Genaueste und kritischste Navigationshilfe ist die bei der Landung: ILS (Instrumentenlandesystem) liefert Abweichung in Elevation und Azimut und bildet Ideallinie zum Aufsetzpunkt auf Landebahn f (Localizer, Landekurs) = MHz f (Gleitweg) = MHz 3 Kategorien der Präzision: CAT I, II, III Satellitennavigation mit Korrektur (DGPS) als Hilfsmittel bei der Landung zukünftig für CAT I (1500m hor., 120m vertikale Sicht) zugelassen: GBAS (Ground Based Augmentation System) mit VHF-Telemetrie, f = MHz Warum ist GPS keine Universallösung für alle Navigationsaufgaben? Fehlende Integrität und keine Einflussnahme der zivilen Flugsicherung!

6 Systeme und Frequenzen Ortungs- und Navigationsanlagen der Luftfahrt (3) Sekundärradar (SSR) bildet zusammen mit Primärradar das Rückgrat der Flugsicherung: Ortung von Flugzeugen in Entfernung (Primärradar) sowie Kennung und Flughöhe (SSR) erlaubt Steuerung des Luftverkehrs durch Fluglotsen Flugvermessung: Reichweitenbestimmung (Coverage) beim SSR, f = 1030/1090MHz Präzisionsanflugradar (PAR) der Bundeswehr Passive Flugvermessung als Zieldarstellung im Anflug, f = 10 GHz

7 Systeme und Frequenzen Der Übertragungskanal in Abhängigkeit seiner Komponenten Flugzeug Sender Signalformat Bodenantenne Diagramm, Polarisation, räumliche Modulation Funkfeld Mehrwegeausbreitung Bordantenne Diagramm, Polarisation Empfänger Signalauswertung Forderungen der ICAO im Regelwerk DOC 8071 : Messung der Genauigkeit der Navigationsinformation innerhalb festgelegter Toleranzen Messung der Feldstärke ( dbµv/m ) mit anlagenabhängigen Toleranzen (Beispiel ILS: 3dB)

8 Systeme und Frequenzen Messung der Feldstärke einer GBAS-Telemetrie mit CW-Signal (Zürich) Differenz hervorgerufen durch Kabelverluste und unbekannte Antennendiagramme

9 Flugvermessungssystem (FIS) Flugzeug als Träger des Flugvermessungssystems Zwei Beech Super King Air 350; Flugvermessungssysteme (FIS) der Firma Aerodata, 2 Offline-Auswertesysteme, weitere Systemkomponenten, insbesondere Laser Tracker Radarflugvermessung mit LearJet - Flugzeugen im Subcharter

10 Flugvermessungssystem (FIS) Aufbau eines Flugvermessungssystems Position Reference FIS equipment in aircraft Aircraft Antennas INS BARO. ALT. DISPLAY KEYBOARD SPECTR.ANALYZER, OSCILLOSCOPE Receivers ILS / VOR DME RECEIVER GPS DGPS COLOR PRINTER TACAN MARKER MULTI- DME DATA STORAGE DATA ACQUISITION + PROCESSING UNIT ADF MLS LASER TRACKER COCKPIT SPECIAL MISSION DISPL. SSR COM FLIGHT DIRECTOR + AUTOPILOT DGPS Phase Ambiguity Calibration in regular intervals

11 Flugvermessungssystem (FIS) Beispiel Flugzeugantenne: VHF/UHF Doppeldipol Antenne als Bauteil, aerodynamisch günstige Form des Antennenträgers

12 Flugvermessungssystem (FIS) Beispiel Flugzeugantenne: VHF/UHF Doppeldipol Montagepunkt am Flugzeug ( Top-Antenne )

13 Flugvermessungssystem (FIS) Beispiel Flugzeugantenne: VHF/UHF Doppeldipol Messung des Horizontaldiagramms am Boden fehlerträchtig durch Reflexionen

14 Flugvermessungssystem (FIS) Probleme bei der Feldstärkemessung Verhalten der Antennen in ihrer Umgebung ist weitestgehend unbekannt Bei großen Wellenlängen (>> Flugzeuggröße) wie NDB (>500m) kann Antenne allein vermessen werden unter Vernachlässigung des Flugzeuges, Vermessung in TEM-Zelle Bei Wellenlängen von 3m oder kleiner (alle anderen Navigationsanlagen) muss Flugzeugkörper mit einbezogen werden Lösung: Räumliche Freifeldvermessung der Antennen oder ihre Simulation, Erfassung der Flugzeuggeometrie und Berechnung der Antenne mit Flugzeug (z.b. mit Momentenmethode), sehr aufwändig!

15 Antennenmessungen Vermessung einer NDB-Antenne in TEM-Zelle der PTB

16 Antennenmessungen Vermessung einer NDB-Antenne in TEM-Zelle der PTB flacher Antennenkörper der Aktivantenne

17 Antennenmessungen Bestimmung des frequenzabhängigen K-Faktors als Zusammenhang Feldstärke / Antennenspannung Antenne 1 Antenne ANT-462A 37.4 ANT-462A Frequenz / khz K = 38dB (1/m) Frequenz / khz K = 37dB (1/m)

18 Zusammenfassung und Folgerungen Eines der Hauptprobleme der Flugvermessung ist die Ungenauigkeit der richtungsabhängigen Feldstärkemessung im Raum Unsichere Reichweitenbestimmung führt zu vorgeschriebenen Einschränkungen der Nutzung von Anlagen Die gegenwärtig geforderten Genauigkeiten sind bisher von keiner Flugvermessung weltweit exakt nachgewiesen worden Ansatz zur Verbesserung ist zunächst getrennte Vermessung oder Berechnung von Antenne sowie Flugzeug und spätere Fusion Kalibration von Antennen in TEM-Zellen ist bedingt möglich Freifeldmesseinrichtung ist hilfreich bei kleinen Wellenlängen zur Validation von Rechnungen