Navigation (Unterschied zwischen Versionen)

Aktuelle Version vom 19. Juni 2017, 00:03 Uhr

Ein wichtiger Aspekt der sicheren Flugdurchführung ist, zu jedem Zeitpunkt zu wissen, wo man sich befindet. Die grundlegende Aufgabe ist es, vom Start zum Ziel zu gelangen. Außerdem soll das unbedingt sicher, dabei möglichst effizient, ohne Störung der Anwohner und schonend für das Fluggerät passieren. Um all diese verschiedenen Ziele zu erreichen, sind seit Beginn der Verkehrsluftfahrt eine Menge technischer Lösungen entstanden. Dieser Artikel gibt einen Überblick aus der Geschichte, und soll helfen, die Zusammenhänge zu verstehen.

[Bearbeiten] Fliegen auf Sicht

Die einfachste und ursprünglichste Navigation ist auf Sicht. Dabei gibt es verschiedene Methoden, die beliebig miteinander kombinierbar sind.

[Bearbeiten] Terrestrische Navigation

Der Pilot orientiert sich mittels einer Landkarte an deutlich sichtbaren Landmarken wie Autobahnen, Ortschaften oder hohe Hindernisse (wie z.B. Funktürme). Diese Art zu navigieren ist bis heute unter Sportfliegern weit verbreitet. Deshalb wird sie auch bei uns in den Pilotenprüfungen gefordert. Aber auch Passagiere sind in der Vergangenheit (teilweise sogar noch heute!) durchaus mit diesem Hilfsmittel transportiert worden.

[Bearbeiten] Funknavigation

Der Pilot nutzt die vorhandenen Funk-Navaids (z.B. VORs oder NDBs), ggf. durch Kreuzpeilung.

[Bearbeiten] Koppelnavigation

Gib mir Stoppuhr und Karte, dann flieg ich durch die Alpen in einem Flugzeug ohne Fenster. Gregoriy Kamarov, Navigator der "Roter Oktober".

Bei der Koppelnavigation folgt man eine bestimmte Zeit lang mit einer bestimmten Geschwindigkeit einem Kurs, um so zu einem Navigationspunkt zu gelangen. Je nach Instrumentierung und Genauigkeit kann dabei ein Messfehler durch bspw. Wind oder Variation minimiert werden.

[Bearbeiten] Fliegen nach Instrumenten

Die Navigation nach Sicht geht natürlich nur so lange gut, wie auch die Sicht gut genug ist. Sobald der Pilot keine ausreichenden Sichtmerkmale mehr erkennen kann, ist er im Blindflug und kann seine Position und seine Lage im Raum nicht mehr ausreichend bestimmen. Daraus entstanden ist der Instrumentenflug, nach dem heute in der Verkehrsluftfahrt ein Großteil der Flugbewegungen abgewickelt werden.

[Bearbeiten] Erdgestützte Verfahren

Die ersten und einfachsten Verfahren zur Führung von Flugzeugen basieren auf Funkstationen, die dem Piloten eine Peilung ermöglichen. Die einfachste Form ist das non directional beacon (NDB). Diese Station strahlt ihre Peilung gleichmäßig in alle Richtungen ab, und ermöglicht es dem Piloten, die Richtung zu messen, unter der er die Station sieht. In der Frühzeit des Instrumentenflugs waren Luftstraßen nichts anderes als Verbindungslinien zwischen diesen NDBs, und erforderten vom Piloten eine ständige Überwachung der Navigationsgeräte, das Einstellen neuer Frequenzen und genaue Abfliegen der Peilungen. Nicht zuletzt deswegen waren deshalb Navigatoren und Flugingenieure nötig, um das Flugzeug zu fliegen. Die Genauigkeit der NDBs ist im Allgemeinen nicht besonders hoch, und wird durch zahlreiche Effekte zum Beispiel bei Nacht oder bei Reflexion an Bergen weiter eingeschränkt. Da das NDB nur die Peilung in Richtung der Station anzeigt, ist es bei Seitenwind schwierig anzufliegen, der Wind muss ständig vom Piloten korrigiert werden.

Abhilfe schafft das VOR, das Hochfrequenz-Drehfunkfeuer. Während das NDB seine Peilung gleichmäßig in alle Richtungen, also ungerichtet abstrahlt, rotiert im VOR ein Leitstrahl. Im Prinzip kann man sich das ein wenig vorstellen wie ein Leuchtturm: dort rotiert einmal die Minute ein weißes Licht um 360 Grad, und genau wenn der weiße Strahl im Norden durchgeht, blitzt ein rotes Licht auf. Aus der Beobachtung der beiden Lichtblitze kann nun das Schiff seine eigene Position auf einer Linie von der Station weg bestimmen. Das VOR funktioniert so ähnlich, nur handelt es sich nicht um Lichtblitze, und der Strahl rotiert nicht einmal die Minute, sondern 60 Mal die Sekunde. Das VOR ist ein deutlich genaueres und robusteres Gerät zur Navigation, allerdings auch teuer in Betrieb und Wartung, weshalb noch heute sowohl VOR als auch NDB parallel zueinander eingesetzt werden.

Das NDB und das VOR zusammen bieten also schon eine recht gute Navigationsunterstützung. Zur korrekten Bestimmung der eigenen Positionen reichen sie allerdings alleine nicht aus, so kann der Pilot zwar eine Linie bestimmen, auf der er sich befindet, aber seine konkrete Positionen kann er nur durch eine Kreuzpeilung bestimmen, also die gleichzeitige Beobachtung von mindestens zwei Stationen.

Um diese Einschränkung zu beheben, wird zusätzlich zum NDB und VOR noch eine dritte Technologie eingesetzt: das distance measuring equipment (DME). Ganz einfach gesagt, kann ein DME-Empfänger aus dem Funksignal einer bodengestützten DME-Anlage die Schrägentfernung zur Station auswerten und dem Piloten anzeigen. Dazu sendet ein flugzeugseitiges Gerät einen Abfrageimpuls aus, der von der DME-Station beantwortet wird. Aus der Zeit, die zwischen Anfrage und Antwort vergeht, berechnet sich die Entfernung zur Station. Häufig werden diese Stationen in Verbindung mit einem VOR eingesetzt, man spricht dann von einem VOR/DME. Mit dieser Kombination ist es möglich, anhand einer Flugkarte und einem einzigen Gerät seine Position recht genau zu bestimmen. Allerdings muss diese Bestimmung immer wieder per Hand gemacht werden (immerhin bewegt sich das Flugzeug ja ständig), und das manuelle Nachdrehen von Frequenzen entfällt auch nicht.

Das letzte wichtige bodengebundene Navigationssystem unterstützt den Piloten bei der Landung. Der Flugabschnitt der Landung ist bis heute der komplexeste und auch deutlich unfallträchtigste. Besonders hier wird der Pilot in einer kritischen Flugphase (tief und langsam) durch schlechte Sicht an der erfolgreichen Ausführung des Manövers gehindert. Bereits in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts wurden deshalb Experimente mit bodengestützten Landesystemen gemacht, aus dem schlussendlich das instrument landing system (ILS) entwickelt wurde. Das ILS in der heutigen Bauform umfasst den localizer, der die laterale Führung übernimmt, und den glide slope, der den Sinkflug markiert. Bordseitige Empfänger werten die Funksignale aus und zeigen dem Piloten an, in welche Richtung er steuern muss, um auf die Bahn zu gelangen.

Heutzutage ist es üblich, die Landekurs- und Gleitpfadsender zusammen mit einem DME zu betreiben. Die Installation heißt dann ILS/DME und bietet eine komfortable und sichere Navigation zur Landung. Mit modernen Flugzeugen ist es möglich, das ILS für automatisch vom Autopiloten durchgeführte Landungen bei Sichten um die 75 Metern und Entscheidungshöhen unter 50 Fuß zu nutzen. Das erhöht die Zuverlässigkeit, mit der Flugzeuge an ihrem Ziel landen, Passagiere sicher befördern und damit Geld verdienen können.

Neben diesen klassischen erdgebundenen Navigationseinrichtungen gibt es noch einige, die man der Vollständigkeit halber erwähnen sollte. Da die Reichweite von VOR, DME und NDB stark begrenzt sind, wurden Langstreckennavigationsverfahren entwickelt. Ein Vertreter war OMEGA, dieses System ist seit 1997 nicht mehr in Betrieb. Vom Prinzip her ähnlich, und noch in Betrieb hingegen ist LORAN-C. Dieses System basiert auf einer Kette von Sendern, die in genau definierten Abständen eine Kennung abstrahlen. Der Beobachter an Bord einen Flugzeugs kann aus dem zeitlichen Abstand der einzelnen Signale seine Position berechnen. Mittels LORAN-C kann ein Flugzeug seine Position auf einige Kilometer genau bestimmen, und zwar Dank weltweit verteilter Sendeketten fast auf der gesamten Welt. Das System wird heute noch von der Schifffahrt genutzt, vor allem als Backup für einen Ausfall von satellitengestützter Navigation.

[Bearbeiten] Bordgestützte Verfahren

Neben den bodengestützen Verfahren gibt es auch Navigationsverfahren, die sich alleine auf an Bord des Flugzeuges verbaute Geräte stützen. Das Prinzip ist hier wieder recht einfach und kann mit einem Beispiel erklärt werden. Angenommen, ich kenne meinen aktuellen Standort auf einer Karte und habe einen Kompass. Laufe ich jetzt in eine beliebige Richtung los, und messe gleichzeitig meine Schrittlänge und die Richtung, in die ich laufe, kann ich durch zusammenzählen und eintragen in der Karte meine Position mitbestimmen. Diese Form der Navigation nennt man Koppelnavigation oder dead reckoning.

Verfeinert wurde diese Technik durch genaue Kreiselinstrumenten. Kreisel haben die Eigenschaft, ihre Drehachse beizubehalten, wenn sie nicht zu einer anderen Bewegung gezwungen werden. Hängt man einen Kreisel also in alle drei Richtungen frei auf, und dreht die Aufhängung, bleibt der Kreisel stabil. Den Winkel, den die Kreiselachse gegen das Gehäuse hat, kann man messen und aus diesem Winkel die Lage des Flugzeugs im Raum bestimmen. Die einfachste Anwendung ist der Kurskreisel, der in der horizontalen Ebene recht genau die Drehung des Flugzeugs misst und anzeigt. Zu einem echten Navigationsgerät werden häufig ein Kreisel und drei Beschleunigungsmesser kombiniert. Die Beschleunigungsmesser und der Kreisel arbeiten dabei nach dem Prinzip der Massenträgheit und Drehimpulserhaltung, man spricht daher vom Trägheitsnavigationssystem oder inertial navigation system (INS).

Die Trägheitsnavigation war lange Zeit eine viel genutzte Langstreckennavigationsmethode, so kann man ohne großen Aufwand und ohne ständiges manuelles Nachrechnen der Position durch den Navigator die Position des Flugzeuges direkt am INS ablesen. Ein Nachteil ist allerdings, dass sich kleine Fehler im Auswerten der Kreisel und Beschleunigungsmesser über die Zeit addieren. So entsteht nach einiger Zeit ein Positionsfehler, der bei langen Flügen einige Meilen groß werden kann, für genaue Navigation also zu ungenau ist.

[Bearbeiten] Satellitengestützte Verfahren

Die dritte Säule der Navigationsverfahren sind die weltraumgestützten Verfahren. Platzhirsch und Namensgeber ist das NAVSTAR global positioning system, populär unter dem Namen GPS. Allerdings ist es bei weitem nicht das einzige Satellitennavigationssystem! Andere Systeme laufen unter dem Namen GLONASS (Russland), Galileo (Europäische Union) oder COMPASS (China). Allgemein spricht man häufig von global navigation satellite system (GNSS), der Begriff ist also ein Sammelbegriff für alle oben genannten Systeme.

Sie alle funktionieren nach dem gleichen Prinzip: in der Erdumlaufbahn strahlen Satelliten kontinuierlich ein Zeitsignal ab. Der Empfänger kann nun anhand des Vergleichs seiner eigenen Uhr und dem Zeitsignal seine Entfernung zum Satelliten berechnen. Für eine Positionsbestimmung braucht man daher eigentlich drei Satelliten. Da aber hochgenaue Atomuhren eher teuer und unpraktisch in handelsübliche GPS-Empfänger einzubauen sind, wird mit so genannten Pseudo-Laufzeiten gerechnet – der Empfänger rechnet also die Entfernung zum Satelliten anhand seiner eigenen (fehlerhaften) Uhr aus. Damit die GPS-Berechnung trotz dieser Einschränkung genaue Ergebnisse liefern kann, müssen vier Satellitensignale ausgewertet werden. Die Genauigkeit bei der Satellitennavigation liegt dann bei etwa 15 Metern.

Für die Navigation im Streckenflug sind diese Genauigkeiten schon recht gut, für Instrumentenanflüge jedoch reicht diese Genauigkeit nicht aus. Deshalb sind für das GPS in den letzten 10 Jahren Unterstützungssysteme entwickelt worden, so genannte Differential-GPS-Systeme (DGPS). Diese Systeme senden entweder aus dem Weltraum oder vom Boden aus Korrektursignale, mit dem der Fehler in der GPS-Positionsbestimmung deutlich verkleinert werden kann. Diese Systeme sind unter dem technischen Begriff space based augmentation system (SBAS) oder ground based augmentation system (GBAS) oder unter den „Handelsnamen“ Wide Area Augmentation System (WAAS, in den USA), European Geostationary Navigational Overlay System (EGNOS, europäische Union) oder Multi-functional Satellite Sensor System (MSAS, Japan) bekannt. Mit ihnen können die Fehler, die zum Beispiel durch die Ionosphäre in das GPS-Signal hereinkommen, in Echtzeit korrigiert werden. Mit DGPS ist es möglich, Landungen bis zu der sonst nur von ILS der CAT 1 bekannten Genauigkeit zu fliegen, also bewegt sich die Genauigkeit der Positionsbestimmung im Dezimeter-Bereich.

[Bearbeiten] Und wie sieht das jetzt praktisch aus?

Alle oben verzeichneten Möglichkeiten stehen also heutzutage technisch zur Verfügung. Und wie nutzen wir Piloten das jetzt zur Navigation?

Zuerstmal hängt die Navigation vor allem davon ab, wie das Flugzeug ausgerüstet ist. Während fast alle Flugzeuge ab E-Klasse und schwerer einen ADF und einen VOR-Empfänger haben, sind teure Trägheitsnavigationssysteme nur auf Verkehrs- und Geschäftsreiseflugzeugen verbaut. GPS-Empfänger hingegen ist mittlerweile eine so günstige und einfach nachrüstbare Alternative, dass viele Segelflugzeuge mittlerweile GPS-gestützt navigieren. Andere Flugzeuge hingegen haben gar keine Navigationsausrüstung, in ganz seltenen Fällen sogar gibt es sogar Flugzeuge ohne Funkgerät!

Tatsächlich ist es in der Praxis so, dass ein Flugzeug je nach Verwendungszweck und auch Geldbeutel des Flugzeugbesitzers und des Betreibers mit unterschiedlichem Equipment ausgestattet wird. Das ist bei einer Piper Archer nicht anders als bei einem Airbus A380. Deshalb kommt es in der Praxis zu einem Mix aus verschiedenen Navigationsformen.

Die einfachste Form ist natürlich, per Kompass und Karte terrestrisch zu navigieren. In gut ausgestatteten Flugzeugen der Allgemeinen Luftfahrt wird diese Navigation dann häufig durch VOR-Empfänger und ADF unterstützt, sowie mit einem GPS vervollständigt. Die Ausrüstung ist dann sehr komfortabel für den Sichtflug.

IFR-Flieger sind heutzutage in den meisten Fällen für Flächennavigation ausgelegt. Der Begriff Flächennavigation (area navigation oder RNAV) bedeutet, dass die während des Fluges angesteuerten Wegpunkte nicht an bodengebundene Navigationseinrichtungen geknüpft sein müssen. Also sind Wegpunkte nicht mehr Schnittpunkte von zwei Radialen, oder eine DME-Distanz auf einem bestimmten Radial. Vielmehr bekommen die Wegpunkte Namen und werden vor dem Flug mit ihren Koordinaten in das RNAV-System eingegeben.

So ein RNAV-System kann die Position des Flugzeugs über ganz unterschiedliche Methoden bestimmen. Der Klassiker ist GPS, weil es hochgenau und hochverfügbar die Position liefert. Eine weitere Möglichkeit ist es, über mehrere DME-Distanzen die eigene Position einzupeilen. Wenn nicht genügend Stationen verfügbar sind, tut es ein handelsübliches VOR/DME auch. In Gegenden ohne Abdeckung durch Radionavigationseinrichtungen ist die Navigation per Trägheit, also durch ein IRS oder INS immer noch möglich.

Alle diese Systeme haben gemein, dass sie die Position des Flugzeugs als geographische Länge und Breite berechnen. Diese Information benutzt der Autopilot dann, um den Kurs zum nächsten einprogrammierten Wegpunkt zu berechnen.

Bei der Landung greifen die Piloten je nach verfügbarem System auch auf alle vorher genannten Positionslösungen zurück. Der klassische Anflug, besonders in den Vereinigten Staaten sehr beliebt, ist der visual approach. Aber auch NDB-, VOR-, ILS- oder ein RNAV-Approach sind auf der ganzen Welt üblich.

[Bearbeiten] Zusammengefasst:…

Bei der lateralen Navigation geht es bei allen Technologien um die eine Frage: wo bin ich in Vergleich zu meiner Umwelt? Die existierenden System sind teilweise nacheinander oder auch parallel entwickelt worden und sind heute mehr oder weniger nebeneinander im Einsatz. Je nach Ausrüstung des Flughafens und des Flugzeugs (und natürlich auch den Fähigkeiten des Pilots) werden unterschiedliche Kombinationen der einzelnen Bausteine genutzt, um insgesamt eine sichere und zuverlässige Navigation zu erreichen.

[Bearbeiten] Vergleich der funkbasierten Navigationssysteme

Diese Tabelle vergleicht nur die Eigenschaften der gängigsten Funknavigationssysteme. Darüber hinaus gibt es natürlich noch weitere Möglichkeiten zu navigieren.

*) Anzahl der Satelliten beim GPS