Funknavigation Grundlagen Teil I

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1 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 G. Breu

2 Zusammenhang von Frequenz und Wellenlänge: f = c/λ c=λ * f λ=c/f
Sinusschwingung Wellenlänge 0° 90° ° 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 = km/s (Lichtgeschwindigkeit) 8 G. Breu

3 Frequenz- und Wellenlängenbereiche (VO Funk, DIN 40015)
kHz km Längstwellen - very low frequencies VLF kHz km Langwellen - low frequencies LF kHz km Mittelwellen - medium frequencies MF MHz m Kurzwellen - high frequencies HF MHz m Ultrakurzwellen - very high frequencies VHF MHz m Dezimeterwellen - ultra high frequencies UHF GHz cm Mikrowellen - super high frequencies SHF GHz mm Millimeterwellen EHF - extremely high frequencies G. Breu

4 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 G. Breu

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

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

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

8 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 G. Breu

9 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) G. Breu

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

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

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

13 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 G. Breu

14 Funkwellen Elektromagnetische Wellen (Funkwellen) sind von der Sendeantenne sich in den Raum ausbreitende periodisch auf- und abbauende elektrische und magnetische Felder Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen: km/sec. Frequenz = Schwingungen/Sekunde (Hertz, Hz) Je höher die Frequenz, desto geringer die Wellenlänge G. Breu

15 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) G. Breu

16 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 G. Breu

17 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) G. Breu

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

19 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 G. Breu

20 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 G. Breu

21 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° G. Breu

22 + - + 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 G. Breu

23 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) G. Breu

24 UKW- Peiler VDF (VHF direction finder)
Frequenzbereich: MHz (Flugfunksprechverkehr) Antennen der Bodenanlagen: H- Adcock Peilgenauigkeit: ° Großbasispeiler Peilgenauigkeit: ° G. Breu

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

26 NDB (nondirectional beacon)
Frequenzbereich (in Deutschland: kHz), Sendeleistung W, die meisten NDB-Anlagen senden im Frequenzbereich von kHz) Streckenfunkfeuer (NDB): 3 Buchstaben- Kennung, Reichweite NM Anflugfunkfeuer (L): 2 Buchstaben- Kennung, Reichweite NM Bodenanlagen: Kartendarstellung Antennenmast T- Antenne G. Breu

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

28 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) G. Breu

29 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 G. Breu

30 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° G. Breu

31 VOR (VHF omnidirectional range)
Frequenzbereich: MHz Bordanlage: Bedieneinheit Anzeige: G. Breu

32 Antennen am Luftfahrzeug
G. Breu

33 Funknavigationskarten
Projektion: Lambertsche Schnittkegel-projektion 1: (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 G. Breu

34 Radar (Radio Detecting and Ranging)
Frequenzbereiche: GHz Streckenrundsichtradar, SSR, DME, RSR=1300 MHz TACAN; Reichweite von 120 NM, Leistung: 1,4 MW GHz Flughafenrundsichtradar, ASR=Airport Surveillance Radar) GHz Wetterradar (Bord) GHz Präzisionsanflugradar PAR, Wetterradar (Bord, Boden) GHz Rollfeldüberwachungsradar ASDE Die max. Reichweite ist abhängig von dem Impulsfolgeintervall (0,6 Mikrosek.). Blindgeschwindigkeit: Zeit während weder gesendet noch empfangen wird. G. Breu

35 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. G. Breu

36 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. G. Breu

37 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 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. G. Breu

38 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. G. Breu

39 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. G. Breu *) Pseudo-Range entsteht durch Uhrenfehler

40 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. G. Breu

41 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 Satelliten zur Kontrolle der berechneten Position überwacht werden G. Breu

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