Navigation TUD

(Continuity): Fähigkeit des Navigationssystems während des Betriebs ohne unvorhergesehenen Ausfall zu agieren (minor failure condition)

(Availability): Fähigkeit des Navigationssystems zu Beginn einer ausgewählten Operation alle notwendigen Informationen zur Verfügung zu stellen

(Random Navigation oder Area Navigation – RNAV) 

Navigationsverfahren mit dem ein Luftfahrzeug auf jedem gewünschten Flugweg innerhalb der Reichweite von bodengestützten Navigationsanlagen oder innerhalb der Betriebsgrenzen von bordautonomen Navigationsmitteln oder mit Hilfe der Satellitennavigation operieren kann

Kontinuierliche Positionsbestimmung bei Nutzung eines oder mehrerer Sensoren zur Definition und Einhaltung des gewünschten Flugweges

Generierung virtueller Wegpunkte (waypoints, WP) – üblicherweise durch FMS 

--> Verringerung von Brennstoffverbrauch und Emissionen

-->Verringerung von Betriebskosten für bodengebundene Navigationsanlagen

--> Bessere zeitliche Steuerung über FMS (4D)

--> Erhöhung der Sicherheit und Kapazität im Luftraum

-->Warteverfahren an „beliebigen“ geographischen Positionen

Perfomance based Navigation

Die ICAO entwickelte im Zusammenhang mit RNAV ein Konzept, welches die erforderliche Navigationsleistung (Required Navigation Performance – RNP) von Luftfahrzeugen für die RNAV-Flugführung definiert - mittlerweile überführt in das PBN-Konzept:

▪ Als integrale Komponente des ICAO CNS/ATM-Systems

▪ Weltweit einheitliche Anforderungen an die zu erbringende Navigationsleistung für bestimmte Lufträume oder Flugverfahren, ohne jedoch die Navigationsausrüstung vorzuschreiben

▪ RNP = Aussage über die Navigationsgenauigkeit, ausgedrückt durch den Parameter der max. zulässigen Entfernung von Soll-Position, der in mind. 95% der Flugzeit erfüllt sein muss

System o./u. Pilot sollen Warnung ausgeben, sollte die Anforderung an die Genauigkeit (accuracy) nicht erfüllt werden oder die Wahrscheinlichkeit eines lateralen TSE von > 2 NM größer als 10–5 pro Flugstunde ist

▪ Signal-in-space: bei GNSS-Nutzung muss System warnen, wenn ein lateraler Positionsfehler von > 2NM aufgrund eines signal-in-space Fehlers häufiger als 10–7 pro Flugstunde auftritt

➢ Die bisher behandelten Navigationssysteme ermitteln je nur eine Art der navigatorischen Information. Abhängig von der Art der Sensoren können grundsätzlich folgende drei Arten von Navigationsdaten generiert werden:

▪ Entfernung und/oder Richtung zu einem Bezugspunkt (bezugspunktabhängige Navigation)

▪ Betrag und Richtung einer Beschleunigung

▪ Betrag und Richtung einer Geschwindigkeit

➢ Jedes dieser Verfahren hat seine spezifischen Vor- und Nachteile. Für jede Anwendung kann das jeweils günstigste Verfahren ausgewählt werden; zur Erhöhung von Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Integrität Kombination der teilweise konventionellen Systeme zu einem integrierten Navigationssystem (Multisensorkonzept)

Bodensegment

Raumsegment

Nutzersegment

Kontrollsegment

▪ Direkte Kontrolle und Steuerung der Satelliten

▪ Erzeugung der für die Echtzeitnavigation benötigten Navigationsdaten

Erledigung der Aufgaben:

▪ Beobachtung der Satellitenorbits und Extrapolation der Bahndaten

▪ Beobachtung der Satellitenuhren und Extrapolation deren Verhaltens

▪ Übersendung der Vorhersagen über Bahndaten und Uhrenverhalten an die Satelliten zur Weitergabe an das Nutzersegment

alle Anwender, insbesondere bei der Positionsbestimmung in Echtzeit von:

▪ Luftfahrzeugen

▪ Seefahrzeugen

▪ Landfahrzeugen

▪ Militärischen Flugkörpern

- Mind. 24 aktive Satelliten auf sechs nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen + Reservesatelliten; d.h. min. 4 Navigationssatelliten pro Umlaufbahn

- Zur Zeit 32 aktive Satelliten - Sechs Orbits A,B,C,D,E,F; Inklination der Orbits = 55°

- In Äquatorebene sind die Bahnen um 60° versetzt

- Höhe der Umlaufbahnen über EO beträgt ~ 20.200 km

. Im geplanten Endausbau 24 aktive Satelliten auf drei nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen + 6 Reservesatelliten; d.h. min. 8 Navigationssatelliten pro Umlaufbahn im gleichen Abstand (45°) zueinander

- Zur Zeit 22 aktive Satelliten

- Seit Dez. 2016 GALILEO offiziell nutzbar, ab 2020 soll voller Funktionsumfang zur Verfügung stehen hohe weltweite Verfügbarkeit (> 90%) von mind. 4 Satelliten

- Drei Orbits; Inklination der Orbits = 56°

- Höhe der Umlaufbahnen über EO beträgt ~ 23.222 km

Die Lage des Satellitenorbits im Raum wird durch ein astronomischkartesisches Koordinatensystem beschrieben:

- Koordinatenursprung – Geozentrum

- Z-Achse ... Drehachse der Erde

- XZ-Ebene ... definiert durch die Z-Achse und Frühlingspunkt

- Y-Achse ... Drehung der X-Achse um 90° gegen den Uhrzeigersinn

➢ Form und Orientierung bzw. Lage der ungestörten Kepler-Ellipse als Satellitenorbit werden durch sechs Bahnelemente bestimmt

➢ Form der Bahnkurve wird beschrieben über:

- Länge der großen Halbachse a

- Numerische Exzentrität ε

- Punkt des Durchganges des Satelliten durch Perigäum

Laufzeitmessung von Signalen, welche von Satelliten mit bekannter Position ausgesendet werden, ergibt sog. Pseudoentfernungen

- Datensatz zur groben Bestimmung der Zeit und Position verfügbarer Satelliten → beschleunigte Signalsuche

- Wird von allen Satelliten für alle Satelliten des Systems alle 12,5 Minuten ausgesendet und ist in der Regel für eine Woche gültig

Datensatz zur:

-genauen Bestimmung der Satellitenpositionen durch Empfänger

-genauere Bahnbeschreibung  

-Korrekturdaten zur Berechnung der Laufzeiten und Daten (sind nach 2-6 Stunden veraltet)

Vier Einweglaufzeitmessungen zu vier Satelliten i ergeben:

\(\rho_i= {\sqrt{(x_i-x_p)²+(y_i-y_p)²+(z_i-z_p)²}} + c*\Delta t_u\)

Unterstützungssysteme

-Satellite Based Augmentation System (SBAS)

-Ground Based Augmentation System (GBAS)

Durch SBAS Berücksichtigung ionosphärischer Laufzeitfehler, Ephemeriden- und Uhrenfehlern;

verbesserte Korrekturdaten von Bodenstation an geostationäre Satelliten und

von diesen an Nutzer gesendet als „GPS look-alike signal“

▪ Genauigkeit der Zeitmessung besser als 10 Nanosekunden

▪ Horizontale Positionsgenauigkeit 1 – 2 m

▪ Vertikale Positionsgenauigkeit 2 – 4 m

Fehlerkomponenten

▪ Satellitenbahnfehler

▪ Standliniengeometrie (Satellitenkonstellation)

▪ Messrauschen

▪ Mehrwegeausbreitung (Multipath-Efekte)

▪ Satellitenuhrenfehler/ Zeitmessung

▪ Troposphärische/ionosphärische Refraktion

Fehlerklassen

▪ Fehler aufgrund Entfernungsmessverfahrens (UERE)

▪ Ortungsfehler aufgrund Geometrie Satellit – Empfänger (DOP-Faktor) Dilution of Precision = Abschwächung der Genauigkeit aufgrund ungünstiger Satellitenkonstellationen

GLS kann alle Aufgaben des ILS übernehmen ( Anflugwinkel, Anflughöhe)

--> bis zu 49 Anflugvarianten

--> größere Höhen möglich (Lärmschutz)

--> Sendeleistung und Vermessung deutlich geringer (Kosten und Lärmintensive Flugvermessung)

=> ABER wenn GBAS ausfällt und kein Redundanzsystem vorhanden, Ausfall betrifft gesamten Flughafen und alle SLB

Vorgänge, die für Führung von Land-, See-, Luft-, und Raumfahrzeugen wesentlich sind zur Klärung folgender Fragen:
- WO befindet sich das Fahrzeug?

- WOHIN gelangt das Fahrzeug, wenn keine Bewegungsänderung vorgenommen wird?

- WAS ist zu tun, um gewünschtes Ziel zu erreichen?

Das Führen eines Fahrzeuges von Ausgangspunkt A zu Zielort Z

Ermittlung von :

1) Standort

2) Bewegungszustand (v, a)

Navigation ist „Weg-gebunden“ → Weg von A – Z

Ortung ist „Ortsgebunden“ → Standort + Bewegungszustand

- Funknavigation* - Terrestrische Navigation

- Trägheitsnavigation* - Astronomische Navigation

- Satellitennavigation* - Koppelnavigation

*= vorrangig in ziviler Luftfahrt

→ in Praxis mindestens ZWEI Verfahren parallel

- Funknavigation*
- Trägheitsnavigation*
- Satellitennavigation*
- Koppelnavigation

- Terrestrische Navigation
- Astronomische Navigation

*= vorrangig in ziviler Luftfahrt

→ in Praxis mindestens ZWEI Verfahren parallel

A: Orts/Positionsbestimmung ohne Gegenseite

K: Zusammenwirken von LFZ ↔ Bodenstation oder LFZ ↔ Satellit

- Funkentfernungsmessungssystem

- Sekundärradar

- UKW- Drehfunkfeuer

- ungerichtete Funkfeuer (NDB)

- Primärradar

- Peileranlagen

- Funkhöhenmesser

- Trägheitsnavigationsanlagen

TN - True North

MN - Magnetic North

CN - Compass North

TN- True North = Orientierung am geografischen Nordpol

MN- Magnetic North = Orientierung am magnetischen Nordpol

CN- Compass North = Orientierung am magnetischen Nordpol, dessen Lage durch äußere Einflüsse gestört ist

ein in der horizontalen Ebene gemessener Winkel

(wird von einer anzugebenden Bezugsrichtung aus im Uhrzeigersinn von 000° bis 360° gezählt und dreistellig geschrieben)

- absolute Peilung

- relative Peilung

- Eigen/Fremdpeilung

imaginäre Linie zwischen Flugzeug und Zielflughafen

Q-Gruppen:

▪ QDM

▪ QDR

▪ QUJ

▪ QTE

Winkel zwischen TN_LFZ und Standlinie

Winkel zwischen TN_Boden und Standlinie ( ACHTUNG Uhrzeigersinn!)