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Positionsbestimmung mit NDB, VOR (Kreuzpeilung) und VOR-DME

Stell dir vor, du stehst mit verbundenen Augen auf einem freien Feld. In einiger Entfernung ruft ein Freund "Ich bin hier!". Du drehst dich so lange, bis du deinen Freund am besten hörst und gehst in die Richtung seiner Stimme. Wenn zwei Freunde da sind und eine Karte darüber Auskunft gibt, wo diese stehen, kannst du sogar herausfinden, wo du auf der Karte stehst. Das beschreibt in etwa, wie ein NDB (Non-Directional-Beacon - ungerichtetes Funkfeuer) funktioniert.

Falls die Freunde keine Lust haben zu rufen, legen sie nummerierte Seile um sich herum. Jedes Seil führt direkt zu einem Freund. Die Nummern an den Seilen entsprechen den Beschriftungen einer Kompassrose. Durch Vergleichen der Zahlen an denjenigen Seilen, die deinen Standort kreuzen, kannst du deine Position herausfinden. Im Grunde genommen ist das die Arbeitsweise eines VOR, eines Drehfunkfeuers - VHF Omnidirectional Range.

Aber was ist, wenn du deine Position bestimmen willst, und du hast gerade nur einen Freund zur Verfügung? Dann macht der Freund in gleichen Abständen in die Seile Knoten, die Auskunft über die Entfernung zu deinem Freund geben. Ungefähr so funktioniert ein VOR-DME (Distance Measuring Equipment - Entfernungsmessgerät)

Ein Funksender ist generell ein Oberbegriff für ein Gerät, welches elektromagnetische Wellen sendet. In Bezug auf obige Beispiele bist du das Flugzeug und das Funkfeuer (engl. radio beacon) dein Freund, der ruft bzw. die Seile auslegt. Die Sendung eines Funkfeuers kann Informationen enthalten oder sogar Musik senden. Zwei-Wege-Kommunikation ist möglich, wenn die Ausrüstung an Bord Informationen von der Ausrüstung am Boden abfragt; oder das Funkfeuer wird für ATIS oder die Kommunikation mit dem Tower genutzt.

Funkfeuer ermöglichen Funknavigation und Flug nach Instrumentenflugregeln. Dadurch sind sichtbare Navigationspunkte nicht mehr notwendig. Navigation bei Nacht, schlechter Sicht und in großer Flughöhe wurde erst durch Funknavigation sicher und präzise.

NDB

On-Board Ausrüstung findet die Richtung des stärksten Signals des NDB und zeigt diese auf einer Kompassrose an.
Symbol eines NDB
Der ADF-Anzeiger (MDI) in der Cessna 172p
Ein RMI als ADF-Anzeigegerät

Ein Non-Directional Beacon (NDB - Ungerichtetes Funkfeuer) ist der einfachste Typ Funkfeuer. Die Geräte an Bord des Flugzeugs finden die Position des NDBs. Auch jede Radiostation ist vom Prinzip her ein NDB. Der Frequenzbereich eines NDB liegt im MW-Bereich von 530 kHz bis 1700 kHz, siehe auch Mittelwelle.

Es ist möglich, die Entfernung zu einem NDB zu bestimmen. Dazu fliegt der Pilot im 90 Grad-Winkel zur Station (eine Tragfläche zeigt zur Station). Der Pilot misst die Zeit, die er braucht, einige Grade auf dem Kompass des NDB-Empfängers zu fliegen. Aus der geflogenen Zeit, der Gradzahl und der Geschwindigkeit über Grund kann der Pilot die Distanz zur Station berechnen.

Moderne Empfänger können über den Azimut-Winkel die Distanz zu einer NDB-Station abschätzen.

Die Navigations-NDBs in Amerika arbeiten in 10 kHz-Schritten auf einem Frequenzband von 530 - 1700 kHz. Der Rest der Welt nutzt 9 kHz-Schritte zwischen 531 und 1602 kHz. NDBs außerhalb dieses Frequenzbereichs werden auch für andere Zwecke verwendet wie Musiksender oder DGPS-Stationen.

Die Reichweite eines typischen NDBs beträgt bis zu 75 NM. Bei der Benutzung eines LFR kann die Reichweite größer, das Signal jedoch ungenauer sein. Generell gilt: Je höher das Flugzeug fliegt, desto größer die Reichweite.

Ein NDB ist gegenüber Wetter und Bodeneinflüssen empfindlich, es kann reflektiert und verzerrt werden, was eine Peilung weniger verlässlich macht. Zur Entfernungsbestimmung ist das NDB nicht sehr geeignet. Jedoch ist es eine einfache Methode zur Positionsbestimmung und Punkt-zu-Punkt-Navigation. Außerdem ist es recht günstig im Betrieb.

LFR

Das Low Frequency Radio Range-Funkfeuer (LFR) ist ein gerichtetes Funkfeuer, das mit Frequenzen von 190 bis 535 kHz arbeitet, in der Langwelle und etwas darüber. NDBs mit dieser Frequenz gibt es überall auf der Welt, aber sie arbeiten nicht als LFR-Stationen. Das Frequenzband der Langwelle hat durch atmosphärische Reflexionen eine hohe Reichweite, jedoch sind reflektierte Signale für Navigation völlig ungeeignet.

RDF

Es gibt zwei Möglichkeiten herauszufinden, wo das NDB in Bezug auf das Flugzeug ist: Eine Antenne manuell rotieren, bis die Richtung des stärksten (lautesten) Signals gefunden ist, oder das Ganze automatisch (oder elektronisch) machen lassen. Die Ausrüstung (oder Person), die das macht, wird RDF - Radio Direction Finder genannt.

ADF

Ein ADF (Automatic Direction Finder) ist keine Funkstation, sondern an Bord des Flugzeugs die Ausrüstung, die das RDF automatisch ausführt.

Das Anzeigegerät eines ADF wird als MDI (Moving Dial Indicator) bezeichnet. Bedienung und Funktionsweise sind recht einfach: Die Nadel zeigt in Richtung der NDB-Station. Wenn die Nadel genau nach oben auf das orangene Dreieck zeigt, dann fliegt man direkt in Richtung des NDBs. Die Skala dreht sich dabei nicht mit, sondern zeigt standardmäßig nach Norden. Durch den "Heading (HD)"-Drehknopf in der linken unteren Ecke kann man den auf dem Gyro angezeigten Kurs einstellen, dann lässt sich an der Nadelspitze das QDM ablesen.

Ein etwas komplexeres Anzeigegerät ist der Radio Magnetic Indicator, kurz RMI. Das RMI besteht aus einer drehbaren Kompassrose, die wie ein Gyro (Kurskreisel) funktioniert. Also muss man das RMI im Flug nicht so wie beim MDI nachstellen. Zusätzlich können die beiden Zeiger des RMI die Signale von zwei Navigationsempfängern anzeigen, z.B. 2 VORs oder einem VOR und einem NDB. Wenn das Signal des ADF-Empfängers auf einen dieser Zeiger aufgeschaltet ist, zeigt er, wie beim MDI, direkt in Richtung der NDB-Station, und wenn der Zeiger nach oben zeigt, fliegt man direkt auf das NDB zu. Der offensichtliche Vorteil beim RMI ist, dass man direkt das QDM ablesen kann, und nicht erst noch manuell die Kompassrose nachstellen muss, wie es beim MDI der Fall ist.

Wenn der zweite Zeiger gleichzeitig das Radial einer zweiten Bodenstation (ein VOR) anzeigt, bietet sich das RMI ideal für die Positionsbestimmung per Kreuzpeilung an (siehe Bild ganz oben).

Häufig werden NDB-Stationen als ADF bezeichnet, jedoch ist dies technisch inkorrekt.

VOR

Das VOR teilt dem Empfänger mit, in Richtung welchen Kurses das Funkfeuer liegt.
Symbol eines VOR

Ein VHF Omnidirectional Range (VOR - UKW-Drehfunkfeuer) ist ein Funkfeuer, welches ein spezielles Signal aussendet, wodurch der Empfänger das Radial des Funkfeuers erkennt. Das "Radial" ist eine bestimmte Kurslinie in Richtung des VOR.

Wenn das NDB ruft: "Ich bin hier!", dann ruft das VOR: "Um zu mir zu kommen, musst du diesen Kurs fliegen!".

Das VOR nutzt Frequenzen im Bereich der Ultrakurzwelle (UKW, engl:VHF), es nutzt Frequenzen von 108.00 MHz und 117.95 MHz in Schritten von 0.05 MHz. Im Bereich von 108 bis 112 MHz teilen sich die VORs die Frequenzen mit ILS-Systemen für Präzisionsanflüge. Zur Unterscheidung der Frequenzen der VORs mit denen des ILS haben die VORs eine gerade Zahl auf der 0.1 MHz-Frequenz, und ILS hat eine ungerade Zahl auf der 0.1 MHz-Frequenz.

Soll heißen: 108.0; 108.05; 108.20; 108.25; 108.40; 108.45 wären Frequenzen von VOR-Stationen,
und 108.10; 108.15; 108.30; 108.35; 108.50; 108.55 wären dementsprechend Frequenzen von ILS-Landekurssendern.


So funktioniert ein VOR

Die Sendeanlage strahlt ein umlaufendes Signal, welches 30 mal pro Sekunde rotiert. Dies führt dazu, dass der bordseitige Empfänger ein Signal mit einer 30 Hz-Amplitudenmodulation (AM) wahrnimmt. Ein zweites Signal, welches ebenfalls mit 30 Hz frequenzmoduliert, strahlt der Sender ungerichtet aus. D.h. jedes Mal, wenn das gerichtete Signal nach Norden zeigt, "blinkt" das ungerichtete Signal auf. Da die Umlaufzeit bekannt ist, kann der Empfänger aus der Zeitdifferenz zwischen dem ungerichteten "Blinken" und dem Empfang des Umlaufsignals das Radial berechnen, auf dem sich das Flugzeug befindet. Die Abweichung von dem eingestellten Radial wird auf dem CDI angezeigt. Zur Verdeutlichung gibt es hier eine Animation des Funktionsprinzips.

Außerdem sendet eine VOR-Station zwecks Identifikation noch eine Morse-Kennung aus und optional kann das Signal einen Audiokanal enthalten, z.B. für Übertragungen von ATIS in der Nähe von größeren Verkehrsflugplätzen.

Normalerweise sind VOR-Stationen so ausgerichtet, dass das 360°-Signal nach magnetisch Nord ausgerichtet ist.

Eine ausführlichere Beschreibung gibt es im Wikipedia-Artikel zum VOR.

Moderne Empfänger können durch den Azimutwinkel die Distanz zum VOR abschätzen.

Die Reichweite eines VOR-signals hängt von dem verwendeten Typ ab:

  • Terminal (T)
1000 bis 12.000 ft über Grund bis zu 25 NM
  • Low Altitude (L)
1000 bis 18.000 ft über Grund bis 40 NM
  • High Altitude (H)
  1. 1000 bis 14.500 ft über Grund bis zu 40 NM
  2. 14.500 bis 60.000 ft über Grund bis zu 100 NM
  3. 18.000 bis 45.000 ft über Grund bis zu 130 NM.
  • Generell gilt: Je höher das Flugzeug, desto größer die Empfangsreichweite.

Ein VOR kann hauptsächlich in einer quasi-optischen Sichtlinie empfangen werden, aber auch, wenn es über diverse Wege behindert wird: Beugung, troposphärische Streuung, etc. Die o.g. Reichweite ist nur ein grober Richtwert. Von Situation zu Situation können best. Charakteristika der Signalausbreitung die Reichweite erhöhen oder verringern.

Ein VOR zu betreiben ist zwar deutlich teurer als ein NDB, doch sind die Vorteile eines VOR offensichtlich: Das Signal wird nicht durch Reflexion oder andere ungewollte Effekte gestört, das empfangene Signal ist deutlich präziser, durch die Ausrichtung auf magnetisch Nord gibt es keine Verwirrungen, das Signal kann für den Autopilot verwendet werden und die Empfänger sind zuverlässiger.

VOR-DME

Symbol eines VOR-DME

Das Distance Measuring Equipment (DME - Entfernungsmeßgerät) benutzt nicht die gleichen Frequenzen wie ein VOR! Siehe den Wikipedia-Artikel für eine detaillierte Beschreibung des Funktionsprinzips. Ein DME teilt dem Empfänger an Bord die Distanz zur Station mit. Durch Zwei-Wege-Kommunikation zwischen der bordseitigen Ausrüstung und der DME-Station kann das Ergebnis berechnet werden.

Während ein VOR ein eigenständiges Funkfeuer sein kann, ist ein DME immer mit einem VOR gepaart, ein VOR-DME. Beide Sender enthalten Informationen über den jeweils anderen und die Frequenzabstimmung erfolgt automatisch. Wenn das VOR (eines VOR-DME) ausfällt, dann wird das DME zu einem eigenständigen System.

Für die Positionsbestimmung wird nur eine VOR-DME-Station benötigt, da sie sowohl das Radial zur Station und die Distanz angibt. Dadurch, dass man die Position des Funkfeuers auf der Karte weiß, findet man die Position des eigenen Flugzeugs auf der Karte.

ILS

Ein Instrument Landing System (ILS - Instrumentenlandesystem) ist ein Anflugsystem, welches Präzisionsanflüge unter Instrumentenflugbedingungen ermöglicht. Dazu strahlt es ein VOR-ähnliches Signal ab mit nur einem Radial - nämlich in Richtung der Landebahn, auch genannt "Localizer (LOC)". Ein zweites Signal (glidepath) zeigt dem anfliegenden Flugzeug die Flughöhe in Relation zum optimalen Gleitpfad an. Das LOC-Signal sendet, zusammen mit den unteren VOR-Frequenzen, im UKW-Bereich von 108 bis 112 MHz. Der Gleitpfadsender hingegen sendet ein Signal im 300 MHz-Band.

Als Navigationsinstrument ist ein ILS-System nicht geeignet (und auch rechtlich nicht erlaubt), da die hohe Präzision nur auf Kosten einer deutlich geringeren Reichweite erreicht wird.

TACAN

Das Militär nutzt ein etwas anderes System als das zivile VOR. Die militärische Version des VOR heißt TACtical Air Navigation (TACAN - Taktische Flugnavigation) und arbeitet im Frequenzband 960 - 1215 MHz, wo sie den Sendebereich des Frequenzbandes des DME überschneidet. Es besteht aus einem VOR-DME und enthält eine Azimut-Funktion, die exaktere Navigation ermöglicht.

Symbol eines VORTAC

VORTAC

Häufig stehen die VOR-DME Teile eines TACAN auch der zivilen Luftfahrt für die Navigation zur Verfügung. Wenn das der Fall ist, wird das Funkfeuer VORTAC genannt, doch verwendet wird es wie ein normales VOR-DME, im normalen Frequenzbereich eines VOR. Die Reichweite des VORTAC variiert stark. Die meisten haben dieselbe Reichweite wie ein VOR-DME, aber viele haben unterschiedliche Reichweiten. Manchmal versagen VORTACs beim Liefern eines Radials. Dann verhält sich ein VORTAC wie eine Art NDB-DME.

Wenn möglich, plane deine Route, ohne ein VORTAC zu benutzen, denn manchmal können diese recht unberechenbar sein.

Der VOR-Anzeiger (CDI) des NAV1 in der Cessna 172p.

CDI

Das Course Deviation Indicator (CDI - Kursablageanzeige/Kreuzzeigerinstrument) ist das bordseitige Anzeigegerät zur Verarbeitung von VOR/ILS-Signalen. An dem Drehknopf links unten wird das Radial eingestellt, das das CDI anzeigen soll. Wenn man dann auf diesem Radial entlang in Richtung der VOR-Station fliegt, dann steht der vertikale Balken genau in der Mitte und die Anzeige steht auf "TO". Beim Überqueren der Station schwenkt diese über auf "FROM". Je weiter die vertikale Nadel aus der Mitte entlang der horizontalen gepunkteten Linie auswandert, desto größer ist die Abweichung vom Sollkurs/Radial. Jeder Punkt entspricht 2° Abweichung vom Sollkurs. Hierbei gilt: Um wieder auf das Radial zu kommen, muss man der Nadel "hinterherfliegen".

Die horizontale Nadel zeigt bei ILS-Anflügen die Abweichung vom Gleitpfad an (normale VOR-Stationen senden kein Gleitpfad-Signal, daher ist sie nur bei ILS relevant). Auch hier zeigt jeder Punkt Abwanderung entlang der vertikalen gepunkteten Linie eine Abweichung von 2° an, und auch hier muss der Pilot der Nadel "hinterherfliegen", um die Abweichung zu korrigieren. Im rechts stehenden Beispiel muss der Pilot, um wieder auf den Localizer zu kommen, eine deutliche Kurskorrektur nach links vornehmen und deutlich tiefer fliegen, um wieder auf dem optimalen Gleitpfad zu fliegen.

Fix

Kein Funkfeuer, sondern eine Kombination von ihnen. Auf Luftkarten gibt es sogenannte Fixes (Fixpunkte, Navigationspunkte). Gewöhnlich werden sie zur Identifikation mit einem Code bestehend aus fünf Buchstaben gekennzeichnet. Ein anderes Wort für Fix ist Intersection (Kreuzung). Ein Fix ist ein festgelegter Punkt, wo sich Radiale von VORs oder Peilungen von NDBs kreuzen; manche Fixes befinden sich auf dem Radial eines VOR-DME bei einer bestimmten Entfernung. Gewöhnlich sind die Kreuzungen der Radiale in einem 45°-Winkel auf der Kompassrose, aber viele Fixes nutzen andere Intervalle. Manchmal kann man nur raten, welche Funkfeuer zu welchem Fix gehören, aber meistens sind es die beiden am nächsten liegenden Funkfeuer.

Marker Beacons

Viele Landebahnen haben als Orientierungshilfe bei der Landung drei vertikal sendende Funkfeuer in Verlängerung der Bahn, die Marker Beacons oder Einflugzeichen]. Häufig sind diese mit ILS-Anflugsystemen kombiniert.

  1. Outer Marker (OM) - etwa 4 NM (7400 m) vor der Schwelle
  2. Middle Marker (MM) - etwa 0.5 - 0.8 NM (ca. 1 km) vor der Schwelle
  3. Inner Marker (IM) - unmittelbar vor der Landebahn. Flugzeug sollte auf Entscheidungshöhe sein, und der Pilot sollte durchstarten, wenn er noch keinen Sichtkontakt zur Landebahn hat.

Der Inner Marker ist weltweit in der zivilen Luftfahrt inzwischen recht ungebräuchlich geworden. Anwendung findet er hingegen noch häufiger in der militärischen Luftfahrt.

Airways

Eine Luftstraße (Airway) ist ein vordefinierter Flugweg. Meistens verlaufen Luftstraßen im kontrollierten Luftraum zwischen VORs, NDBs und Fixes. Die Luftstraßen haben Namen und vereinfachen das Erstellen eines Flugplans deutlich.

Weiterführende Literatur

Funknavigation (engl.)

Externe Links