Navigation TUD

-Standortkoordinaten des Luftfahrzeuges

▪ Geschwindigkeit und Kurs (über Grund)

▪ Restdistanz zum Zielort

▪ Richtung zum Zielort

jeder Punkt auf EO ansteuerbar --> autonomes Navigationsverfahren

▪ Fluglage (auch Höhe)

 Inertial Navigation Unit (INU) | Inertial Reference Unit (IRU)

▪ INS-Computer Unit

▪ Mode Selector Unit (MSU)

▪ Control Display Unit (CDU)

▪ Battery Unit (BU)

Inertial Navigation System (INS) mit kreiselstabilisierter Plattform, bei LFZ als Vierrahmenplattform => stable platform system

▪ Halbanalytisches INS mit ein oder zwei stabilisierten Achsen, durch Rahmen von den Luftfahrzeugbewegungen entkoppelt

▪ Analytisches (gefesseltes) Trägheitsnavigationssystem => strapdown system

Gefesselt: Beschleunigungsmesser und Drehratensensoren fest mit LFZ verbunden --> Messachsen = 3 Luftfahrzeugachsen => Rahmenplattform kann entfallen

bei Plattformbasiertem alles in einem Gerät installiert --> muss nachgeführt werden für exakte Lage

Je nach Anwendungszweck, möglichem Kostenaufwand und den Genauigkeitsanforderungen:

▪ Anwendung als Referenzsystem für Fluglage, ohne Azimut und Navigationsfunktion (Attitude Heading Reference System – AHRS)

▪ Lose Integration der IRS-Anlage für Fluglagebestimmung und - regelung mit Navigationsfunktion als selbständige Funktionseinheit in einem Multisensorkonzept (integrierte Navigation)

▪ Volle Integration der IRS-Anlage mit GPS über ein gemeinsames Fehlermodell und Kalman-Filterung oder als integrierte Einheit mit Luftdatenrechner (Air Data and Inertial Reference System – ADIRS oder auch Air Data/Attitude Heading Reference System - ADAHRS)

=> Integrierte Trägheits- und Satellitennavigation stellen eine optimale Symbiose als redundantes Navigationssystem dar

Allgemein wächst in der Koppelnavigation der Entfernungs- und Kursfehler linear mit der Zeit

▪ Genauigkeit der Positionskoordinaten des jeweiligen Abflugortes

▪ Genauigkeit der verfügbaren und verwendeten Winddaten

▪ Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung

▪ Kompassablesung und Genauigkeit der Kurshaltung

▪ Nichtkompensierte Sensorfehler

▪ Kreiseldrift

▪ Beschleunigungsmessfehler

▪ Fehlausrichtung der Sensoren, d.h. Neigungsfehler und Fehler im

Messung aller infinitesimalen Beschleunigungen entlang der und um die drei Achsen eines luftfahrzeugfesten Koordinatensystems ab Verlassen der Ausgangsposition ein- bzw. zweifache Integration liefert zu jedem Zeitpunkt Orientierung und Position im erdfesten oder raumfesten Bezugssystem

mit festen Luftverkehrsstrecken (ATS-Routes) --> richteten sich an festen terrestrischen Funknavigationsanlagen aus

--> RNAV (bereits mitte der 80er entwickelt)

Navigation zwischen zwei beliebigen (virtuellen) Wegpunkten ohne Referenz am Boden

- ab 1998 verbindlich für Streckenflug über Minimum Sector Altitude (MSA)

- seit 2005 Precision-RNAV (P-RNAV)

LNAV … Lateral Navigation

VNAV … Vertical Navigation

RNAV … Area Navigation

B-RNAV … Basic Area Navigation

P-RNAV … Precision Area Navigation

PBN … Performance-based Navigation

RNP … Required Navigation Performance

ANP … Actual Navigation Performance

- Navigationsfehler --> navigation system error (NSE):

beschreibt Unterschied zw. berechneter und tatsächlicher Position des LFZ, der auf genutztes Navigationssystem zurückzuführen ist (Navigationssensorund Empfängergerätefehler)

- Flugtechnischer Fehler --> flight technical error (FTE):

beschreibt Abweichung durch LFZ-Steuerung des (Auto-)Piloten inkl. möglicher Displayanzeigefehler

-Flugbahnberechnungsfehler --> path definition error (PDE): beschreibt Abweichungen zw. Routen-planer (FMGC) und vorhergesehenem Flugweg -> Abweichungen durch hohe Qualität der Navigationsdatenbanken vernachlässigbar

Total System Error: \(TSE={\sqrt{NSE²+FTE²+PDE²}}\)

-Along-track navigation error

-> berücksichtigt nur NSE und PDE, wobei PDE als vernachlässigbar gilt

=> ATNE=NSE

(Accuracy): Grad der Übereinstimmung von tatsächlicher Position und Sollposition des LFZ, üblicherweise als statistisches Maß mit einem Vertrauensbereich von 95% angegeben

(Integrity): Fähigkeit des Navigationssystems während des Betriebs eine Fehlfunktion bzw. fehlerhafte Positionsbestimmung zu erkennen und den Nutzer rechtzeitig zu warnen (major failure condition)

▪ Integritätsrisiko: Wahrscheinlichkeit, dass bei einer Überschreitung eines bestimmten Positionsfehlers (Alert Limit) nach einer Zeitspanne (Time-to-Alert) keine Alarmierung der Flugbesatzung erfolgt

(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