Funknavigation Grundlagen Teil 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, 1979 Schiffmann4B: “Der Privatflugzeugführer” Band 4B, Flugnavigation, 1979 Mies: “Flugnavigation” Mies: “Funknavigtion” Hesse3: Flugnavigation, 1976 02.09.2012 G. Breu

Zusammenhang von Frequenz und Wellenlänge: f = c/λ c=λ * f λ=c/f Sinusschwingung Wellenlänge 0° 90° 180° 270° 360° Phase Amplitude Zusammenhang von Frequenz und Wellenlänge: f = c/λ c=λ * f λ=c/f f :Frequenz λ: Wellenlänge c: Ausbreitungsgeschwindigkeit : 3 x 10 m/s = 300.000 km/s (Lichtgeschwindigkeit) 8 02.09.2012 G. Breu

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 02.09.2012 G. Breu

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in der Atmosphäre Absorbtion = Dämpfung und tritt auf durch Umwandlung elektr. Energie in Wärmeenergie, da die Ausstrahlung nicht im absoluten Vakuum erfolgt 02.09.2012 G. Breu

Reichweite bei quasioptischer Ausbreitung Die festgelegten Betriebsentfernungen von Funkfeuern sind veröffentlicht im AIP VFR-Teil ENR Faustformel für quasioptische Reichweite: Reichweite (NM) = 1.23 x V Flughöhe (ft) 02.09.2012 G. Breu

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Schwund (Fading) Überlagerungen von Boden- und Raumwellen, führen zu Intensitätsschwankungen 02.09.2012 G. Breu

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen -Schwund (Fading) Fernschwund -Dämmerungseffekt (Twilight-Effect) -Gewittereffekt (Statics) -Bergeffekt (Mountain-Effect) -Küsteneffekt (Shoreline-Effect nur bei ADF) 02.09.2012 G. Breu

Modulationsarten - Kennbuchstabe A Unmoduliert, Tastung: A0/NON nicht modulierte Trägerwelle A0/A2 nur die Kennung ist moduliert, mit der Modulationsfreqenz 1020 Hz A1/A1A getastete Trägerwelle 02.09.2012 G. Breu

Modulationsarten - Kennbuchstabe A - Amplitudenmodulation: Modulationsfrequenz z. B. Ton (400Hz), Sprache Amplitudenmodulierte Hochfrequenz 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

Modulationsarten - Kennbuchstabe F - Frequenzmodulation: Modulationsfrequenz z. B. Ton, Sprache Frequenzmodulierte Hochfrequenz 02.09.2012 G. Breu

Antennendiagramm Horizontaldiagramm in polarer Darstellung: Keulenförmiges Diagramm entsteht durch Normierung auf die maximale Abstrahlung (Abstrahlung = Empfangsempfindlichkeit) Mittelbereichs Rundsicht Radarantenne (Horngespeiste Parabolantenne) Streckenrundsichtradar (RSR) 02.09.2012 G. Breu

Sender Erzeugung hochfrequenter Schwingungen Aufbringung der Information auf die Trägerschwingung (Modulation) Verstärkung Aussenden der modulierten Trägerschwingung über eine Sendeantenne als elektromagnetische Wellen 02.09.2012 G. Breu

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 02.09.2012 G. Breu

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 02.09.2012 G. Breu

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) 02.09.2012 G. Breu

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 02.09.2012 G. Breu

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) 02.09.2012 G. Breu

Empfangsstörungen und Falschanzeigen Funkwellenablenkung im Gebirge und der Küste Elektrische Entladungen bei Gewitter Raumwellenempfang bei Nacht Schräglage des Flugzeuges 02.09.2012 G. Breu

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 02.09.2012 G. Breu

QUIZ ? ? TB 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 02.09.2012 G. Breu

QUIZ - Auflösung 178° 042° 222° 139° 183° 180° 068° 062° 242° 249° 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° 02.09.2012 G. Breu

+ - + Rahmenantenne Loop Kardioide* Rahmen U Minimum an ind. Spannung Rundstrahlende Antenne (Sense) (Hilfsantenne) Kardioide* + - + Maximum an ind. Spannung Rahmenantenne Loop Rahmen *) Herzkurve entsteht, wenn Rahmen und Hilfsantenne überlagert werden 02.09.2012 G. Breu

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

UKW- Peiler VDF (VHF direction finder) Frequenzbereich: 118.00 - 137MHz (Flugfunksprechverkehr) Antennen der Bodenanlagen: H- Adcock Peilgenauigkeit: + 3...5° Großbasispeiler Peilgenauigkeit: + 1...2° 02.09.2012 G. Breu

Peilrahmen am Luftfahrzeug - Eigenpeilung - Peilung bezüglich Flugzeuglängsachse -Funkseitenpeilung (Relative Bearing) Flugzeuglängsachse RB Gepeilte Station (NDB) 02.09.2012 G. Breu

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 NM Anflugfunkfeuer (L): 2 Buchstaben- Kennung, Reichweite 15.... 25 NM Bodenanlagen: Kartendarstellung Antennenmast T- Antenne 02.09.2012 G. Breu

ADF (automatic direction finder) Frequenzbereich für Empfang: 190 .... 1750 kHz – Peilgenauigkeit +/- 6° Bordanlage: MDI-Moving Dial Indicator (man. drehbare Kompass- rose) RMI – Radio Magnetic Indicator (autom. nachgeführte Kompassrose) 02.09.2012 G. Breu

ADF - Störungen der Bodenwelle (Bergeffekt, Küsteneffekt) Verzerrung der Bodenwelle am Hügel Durch diese Verzerrung entstehende Fehlpeilung Anmerkung: An Küstenlinien können ähnliche Fehler auf- treten (Küsteneffekt) 02.09.2012 G. Breu

VOR – Prinzip – VHF Omnidirectional Range (Omni=lat. für alle) - Frequenzmoduliertes Bezugssignal - Amplitudenmoduliertes Umlaufsignal Rotierender Faltdipol Drehzahl 1800 U/min => Modulationsfrequenz 30 Hz Dipol Antennendiagramm Dipol Antennendiagramm Dipol + Käfigantenne 02.09.2012 G. Breu

VOR Frequenzbereich: 108 -117.975 MHz Bodenanlagen Sendeleistung ca. 200W (TVOR: 50W, auch ab 108MHz) Betriebsentfernungen siehe AIP VFR Teil ENR. VOR DVOR Genauigkeit + 2° Genauigkeit + 0.5° 02.09.2012 G. Breu

VOR (VHF omnidirectional range) Frequenzbereich: 108 ... 117.975MHz Bordanlage: Bedieneinheit Anzeige: 02.09.2012 G. Breu

Antennen am Luftfahrzeug 02.09.2012 G. Breu

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 02.09.2012 G. Breu

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=Airport Surveillance 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. 02.09.2012 G. Breu

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. 02.09.2012 G. Breu

GPS - Satellitennavigationssystem 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. 02.09.2012 G. Breu

Systemkomponenten Sendeleistung 20 W Umlaufzeit: ca. 12 h Boden- Datastream 50 b/s S-Band Uplink 4000 b/s Sendeleistung 20 W Umlaufzeit: ca. 12 h Höhe: ca. 20.200 km Boden- Raum- und Bordsegment Die Aufgabe des Raumsegmentes ist die Über- mittlung von Daten für die Zeit, Positions- und Geschwindigkeitsermittlung. Die Aufgabe des Bodensegmentes ist die Über- wachung der Satellitenfunktionen. 02.09.2012 G. Breu

GPS 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. Höchste Genauigkeit entsteht, wenn 3 Satelliten um je 120° versetzt am Horizont stehen und ein weiterer Satellit senkrecht über dem Empfänger steht. 02.09.2012 G. Breu

Wie funktioniert ein GPS Funktion wie ein DME, jedoch wird nur eine Wegstrecke vom Satelliten zum Lfz gemessen. Speed of light * time = DME DIST 2 Satellit sendet Bahndaten, eine Navigations-/ Zeitreferenz und Satelliteninformationen aus, anhand der Empfänger die Entfernung*) ermittelt. Die Almanachdaten werden zur schnellen Identifikation der Signale der „sichtbaren“ Satelliten benötigt. 02.09.2012 G. Breu *) Pseudo-Range entsteht durch Uhrenfehler

GPS-Receiver Beispielgerät 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

Begriffe: GIBS = GPS Informations- und Beobachtungssystem WGS84 = Eine die ganze Erde abdeckende Kartengrundlage als Basis für die GPS-Navigation Map Data = Eine für eine bestimmte Region durchgeführte möglichst genaue Übereinstimmung von Geoid und Ellipsoid (Geodätisches Datum) POOR COVERAGE = Es besteht eine Unterbrechung zwischen Empfänger und Satellit RAIM = Receiver Autonomous Integrity Modus; die Genauigkeit bei der GPS-Navigation kann durch den Empfang eines 5. Satelliten zur Kontrolle der berechneten Position überwacht werden 02.09.2012 G. Breu

Danke für Ihre Aufmerksamkeit Fortsetzung mit Funknavigation II - Verfahren - 02.09.2012 G. Breu