Navigation
Navigation ist die Gesamtheit aller Maßnahmen, Vorgänge und Verfahren, um den Weg eines Luftfahrzeugs von einem Ort zum anderen festzulegen und sicher zu erreichen. Die Navigationsarbeit eines Piloten beginn schon vor Beginn des Fluges am Boden. Zuerst muss ein Steuerkurs (heading) ermittelt werden, auf dem das Luftfahrzeug den Zielflugplatz erreichen soll. Während des Fluges muss zudem ständig der Standort (position), die verbleibende Restflugstrecke, Geschwindigkeit über Grund (ground speed) und die daraus resultierende Restflugzeit ermittelt werden. Fast alle Navigationsverfahren sind jedoch mit gewissen Fehlern (Mängel, Fehlerquellen) behaftet. In der Praxis werden daher immer mehrere Verfahren zur Fehlerausschließung angewandt und gegeneinander geprüft.
Flugnavigation wird grundsätzlich nach dem zur Anwendung kommenden Navigationsverfahren unterteilt.
Sichtnavigation (Terrestrische Navigation)
Flugdurchführung nach VFR (visual flight rules) Sichtflugbedingungen erfolgen durch markante, gut sichtbare Geländepunkte unter Zuhilfenahme von Luftfahrtkarten, Magnetkompass, Höhenmesser, Fahrtmesser und Uhr. Sie ist jedoch nur über Land und mit guten Sichtflugbedingungen am Tag möglich. Der Pilot sucht sich während des Fluges markante/bekannte Geländepunkte und fliegt diese einen nach dem anderen ab und gelangt so schließlich ans Ziel.
Koppelnavigation (dead reckoning navigation)
Kurs, Entfernung und Standort werden aus zur Verfügung stehenden Navigationsdaten wie z.B. Flugrichtung, Geschwindigkeit, Zeit, Wind rein rechnerisch ermittelt. Der eigene Standort ergibt sich in Ankoppelung der bereits zurück gelegten Strecke an den Abflugort. Dieses Verfahren wird immer nur in Verbindung mit anderen Navigationsarten genutzt, stellt aber die Grundlage jeder Navigation dar.
Für die Koppelnavigation werden folgende Hilfsmittel benötigt: Magnetkompass, Höhenmesser, Fahrtmesser, Uhr, Fluglog-Formular, Kurskreisel, künstlicher Horizont, Wendeanzeiger (turn-coordinator), Variometer, Navigationskarten und Luftfahrtkarten
Barometrische Navigation (Druckflächennavigation)
Bei einer veralteten und heute ungebräuchlichen Anwendung wurden mit Hilfe von Druck-, Höhenvergleichen und Höhenwindkarten der Standortes bestimmt. Durch ausnutzen der Höhenwinde wird die kürzeste Flugzeit anstelle der kürzesten Flugstrecke angestrebt. Sie diente eigentlich nur bei Langstreckenflügen über See der Positionsbestimmung.
Astronomische Navigation
Dieses System ist wahrscheinlich eines der bekanntesten. Schon vor hunderten von Jahren nutzen die alten Seefahrer die Sterne mittels Sextant für die Richtungs- und Positionsbestimmung. Abhängig von einer bekannten Zeit ist ein Himmelskörper (Stern, Planet) an verschiedenen Orten in verschiedenen Positionen zu sehen. Die Auswertung erfolgt anhand der gewonnenen Daten. Da diese Möglichkeit jedoch nur bei guten Sichtverhältnissen anwendbar ist, scheidet die Anwendung in Flugzeugen nahezu aus. Ausnahmen können dabei lediglich Flüge über Nord/Südpol sein.
Links: Sextant von John Dollond Rechts: Funktionsprinzip des Sextanten
Trägheitsnavigation (Inertialnavigation)
beruht auf Massenträgheit und Stabilität rotierender Körper (Kreisel) im Raum, kurzfristig sehr genau, langfristig nur mit Positionsupdate zu gebrauchen. Aus den gemessenen Trägheitskräften lassen sich Geschwindigkeit und Richtung ableiten. Der Bordrechner ermittelt aus diesen Werten brauchbare Informationen. In Verbindung mit dem Autopilot kann ein Flugzeug auf diese Weise jeden Ort bodenunabhängig und ohne Sicht nach außen ansteuern. In jüngster Zeit wird auch der Laserkreisel verwendet (Laufzeitmessung von Laserlicht auf Kreisbahnen).
Funknavigation (Radio-Navigation)
Standort und Flugweg werden durch Flugzeugeigene und Bodenseitige Peilungen (bearing) ermittelt, die von Funknavigationsanlagen am Boden stammen. Dieses System ist sehr genau, zuverlässig, bei jedem Wetter und zu jeder Tages-, Nachtzeit einsetzbar. Der Pilot kann also ohne Sicht nach außen eine genaue Ortsbestimmung durchführen. Es erfordert allerdings einen hohen technischen Aufwand. Bei der Funknavigation erhält der Pilot Funkpeilstandslinien (radio line of position) zu oder von einer Funknavigationsanlage am Boden. Außerdem erhält er Radialstandlinien (teilweise mit Entfernungsangabe) mit Hilfe eines Entfernungsmessgeräts (distance measuring equipment, DSE).
Für die Funknavigation werden folgende Hilfsmittel benötigt: Funknavigationskarten (radio navigation chart), UKW Sende-, Empfangsgerät, Empfangs-, Anzeigegerät für die Auswertung der am Boden befindlichen Funknavigationsanlagen.
- VOR: VHF Omnidirectional Range (UKW-Drehfunkfeuer)
- NDB: Non Directional Beacon (Ungerichtetes Funkfeuer)
- ADF: Automatic Direction Finder (Automatischer Funkpeiler)
- DME: Distance Measuring Equipment (Entfernungsmessgerät)
- TACAN: Tactical Air Navigation (Militärische Variante des DME, auch zivil nutzbar)
- ILS: Instrument Landing System (Instrumentenlandesystem)
- MLS: Microwave Landing System (Mikrowellenlandesystem)
VOR:
Unter VOR versteht man ein gerichtetes Funkfeuer mit 360 Radialen, dass ähnlich dem Prinzip eines Leuchtturms funktioniert. Nach jeder kompletten Umdrehung sendet das Funkfeuer einen senkrechten Strahl nach oben. An der zeitlichen Verschiebung (Phasenverschiebung des Funksignals) kann die Position bestimmt werden. Viele VOR sind mittlerweile mit DME kombiniert. Diese so genannten VORDME ermöglichen damit zeitgleich die Entfernungsmessung zum Funkfeuer.
Nähert sich das Flugzeug dem Funkfeuer erscheint im Cockpit auf dem HSI (horizontal situation indikator, Kombi Instrument aus Kurskreisel und VOR-Anzeige) )die NAV1-Anzeige. Wenn der Pilot dieses Funkfeuer ansteuert, muss er damit einfach der Nadel auf dem HSI folgen; liegt diese links fliegt er nach links, liegt diese recht fliegt er nach rechts. Befindet sich das Flugzeug das Funkfeuer bereits passiert hat erscheit im HSI zusätzlich die Anzeige "From".
Von jedem VOR gehen zwei oder mehr Luftstrassen ab. Im Vergleich zum Autoverkehr ist es also nichts weiteres als eine Kreuzung oder Kurve. Luftfahrzeuge müssen sich genau wie Autos am Boden an die vorgegebenen Strassen halten. Die Luftstrassen (low-, high enroute charts) sind in verschiedene Höhen gestaffelt, damit sich Flugzeuge nicht begegnen oder im schlimmsten Fall zusammenstoßen.
NDB:
Ungerichtete Funkfeuer werden NDB (non directional beacon) genannt. Es besitzt keine Radiale denen man folgen kann. Das Signal zeigt damit also nur die Richtung an und wird mit einem ADF-Empfänger (automatic direction finder) interpretiert.
Dopplernavigation
Nutzung des Dopplereffekts (Frequenzverschiebung mit der Eigengeschwindigkeit) zur Messung der Geschwindigkeit und durch Integration zu anderen Größen (Standort). Hierbei handelt es sich um ein sehr genaues, autonomes System welches jedoch sehr teuer ist.
Satellitennavigation (Navstar-GPS, Glonass, Galileo)
24 Satelliten strahlen permanent GPS-Positions- und Zeitinformationen aus. Im GPS-Empfänger wird aus der Laufzeit der Satellitensignale die Entfernung zu min. 4 Satelliten ein dreidimensionaler Standort errechnet. Die amerikanischen NAVSTAR-Satelliten fürs GPS bewegen sich in einer Höhe von 10900 NM (Nautische Meilen) über der Erdoberfläche. Jeder Satellit trägt eine hochpräzise Atomuhr und sendet neben einem Zeitplan auch seine augenblickliche geozentrische Position (Ephemeriden) an den Nutzer. Anhand der Daten von vier Satelliten (mit Lichtgeschwindigkeit übertragen) kann ein GPS-Empänger mit Hilfe der mitgelieferten Zeitpläne, die Position errechnen. Der Vorteil liegt in der sehr großen Genauigkeit die bei wenigen Metern Abweichung liegt. Das System ist nahezu auf der ganzen Welt verfügbar.
NAVSTAR GPS-System
Das NAVSTAR-GPS-System gehört dem US-Militär und das ist in der Lage, die GPS-Daten nur für den alleinigen US-Gebrauch zu verschlüsseln. Dazu werden die gesendeten Daten künstlich verschlechtert oder ab geschalten. Dies geschieht aber nur im Fall von Kriegerischen Handlungen und Einsätzen des US-Militärs, um nicht dem Feind wertvolle Daten zu liefern.
Weitere Möglichkeiten der Satellitennavigation bietet das russische GLONASS-System, welches ähnlich dem GPS funktioniert und ebenfalls Weltweit funktioniert. "GALILEO" ist ein Europäisches System das sich derzeit in der Aufbauphase befindet und ab ca.2008 seinen Dienst mit 30 Satelliten aufnimmt. Diese sollen in einer Höhe von 24.000km über der Erde kreisen. Damit möchte Europa unabhängig von den Weltmächten werden und Navigations- und Präzisionsnavigationssysteme wie z.B. ILS ersetzen.
Gestalt
nahezu Kugelförmiger Planet, Geoid, Rotationssphäroid
die Erdachse zeigt genau zum Polarstern und verläuft durch Nord- und Südpol
Radius
mittlerer Erdradius: r = 6370km
Umfang
am Äquator: u = 40000km
Abplattung
Die Abplattung der Erde entsteht durch die Zentrifugalkraft der Eigenrotation und beträgt ca. 1:300
Der Durchmesser über Nord-, Südpol gemessen ist 42km kleiner als am Äquator.
Eigenrotation
Drehrichtung von West nach Ost, von oben auf den Nordpol gesehen erfolgt die Drehung gegen
den Uhrzeigersinn, Drehgeschwindigkeit 15° pro Stunde (d.h. am Äquator 1670km/h)
Schiefe der Ekliptik
Die Erdachse ist 66°33'zur Ebene der Erdbahn (Ekliptik) geneigt. Der Äquator steht damit 23°27'schief
zur Ebene der Erdumlaufbahn (daraus resultieren die Jahreszeiten)
Bahn um die Sonne
Die Erde bewegt sich in einem mittleren Abstand von 149,6 Mio. km in einer elliptischen (jedoch nahezu
kreisförmig) Bahn um die Sonne. Ein Umlauf dauert genau 365 Tage, 5 Stunden, 48 Minuten
Jahreszeiten
Durch die Bewegung der Erde um die Sonne und die schiefe der Ekliptik entstehen bedingt durch den
Grad der unterschiedliche Sonneneinstrahlung die vier verschiedenen Jahreszeiten.
Polarkreise
Die Polarkreise (Nord u. Süd) liegen bei 66,5° (23,5° von den Polen entfernt)
Wendekreise
Die Wendekreise (Nord u. Süd) liegen 23,5° vom Äquator entfernt. Dort ändert die Sonne am 21.Juni und
21. Dezember scheinbar ihre Bewegungsrichtung
Das Gradnetz der Erde ist ein sphärisches Koordinatensystem das aus virtuellen Kreisen besteht.
Erdkreise
Großkreise (great circles, GC)
Der Großkreis ist ein Kreis, dessen Ebene genau durch den Kugelmittelpunkt der Erde verläuft. Alle Grußkreise teilen die Erde in zwei gleichgroße Hälften. Ein ganz spezieller und wohl bekannteste Großkreis ist der Äquator. Er teilt die Erde in eine Nord- und eine Südhalbkugel. Er steht senkrecht zur Erdachse. Meridiane sind alles Großkreise die beide Pole miteinander verbinden.
Kleinkreise (small circles, SC)
Kreise die nicht durch den Mittelpunkt der Erde verlaufen sind Kleinkreise
Breitenparallel sind alle Kreise die parallel zum Äquator verlaufen
Geographische Breite (Latitude) :
wird bestimmt aus dem Winkel
zwischen den Äquator und dem entsprechenden Breitenkreis. Der Äquator bildet den Null-Breitengrad. Von hier wird die Erde in 90° Nord und 90° Süd aufgeteilt
Äquator = 0°
Nordpol = 90°N
Südpol = 90°S
Geographische Länge (Longitude) :
wird aus dem Winkel zwischen Nullmeridian (Greenwich) und dem entsprechenden Meridian ermittelt.
Der Nullmeridian läuft genau durch Londoner Stadtteil Greenwich und ist international festgelegt. Von hier wird die Erde in 180° West und 180° Ost aufgeteilt.
Eine Positionsangabe auf der Erde erfolgt immer in x° (Grad), '(Minuten) und "(Sekunden). Angegeben wird immer zuerst die geographische Breite (Latitude) und anschließend die geographische Länge (Longitude). Auf dem Äquator und den Meridianen entspricht 1° = 60 Nautischen Meilen (NM) und 1' = 1 Nautischen Meile (NM).
Die Umrechnung beträgt: 1° entspricht 60' (Bogen) minuten
1' entspricht 60" (Bogen) sekunden
1 NM entspricht 1,852 km
Eine Ortsbestimmung kann wie folgt aussehen:
Richtungsbestimmung auf der Erde
Jeder Himmelskörper im Universum hat ein eigenes mehr oder weniger starkes Magnetfeld. Auch unsere Erde besitz ein eigenes. Unser Planet als Ganzes gesehen ist ein riesiger Magnet. Jeder Magnet enthält einen Nord- und einen Südpol. Das Magnetfeld verläuft in Feldlinien (Erdmagnetlinien) vom Nordpol zum Südpol. Diese Feldlinien verlaufen nicht geradlinig, sondern horizontal geneigt (Inklination). Die Inklination beträgt in Deutschland ca. 65°.
Die Polachse der Erde fällt aber nicht mit der Gradnetzeinteilung (Längen- u. Breitengrade) zusammen, sondern ist zur Zeit um etwa 11,5° etwas gekippt und weicht damit von den geographischen Nord- u. Südpolen ab. Das Magnetfeld ändert im Laufe der Jahre immer langsam seine Polrichtungen. Durch die Abweichung der magnetischen und geographischen Pole und Unregelmäßigkeiten im Erdmagnetfeld, kommt es zu einer Winkeldifferenz zwischen geographischen und magnetischen Meridianen. Diese Winkeldifferenz wird Deklination (Ortmissweisung) genannt. Zur Zeit befindet sich der magn. Nordpol in Nordkanada und ist ca.2000km vom geographischen Nordpol entfernt. Kompassnadeln richten sich entlang der Magnetfeldlinien immer in Richtung des magnetischen Nordpols aus.
Magnetfeldlinien von Nord nach Süd
Abweichung magn. zum geogr. Nordpol
Die Richtungsbestimmung erfolgt immer in Bezug auf Norden. Gemessen wird im Uhrzeigersinn von 000° bis 360°.
Kartenmaterial in der Luftfahrt
Nicht nur beim Auto fahren spielen Landkarten eine große Rolle. Auch in der Luftfahrt spielen Karten für die Navigation eine sehr große Rolle. Speziell Flüge über Wasser, bei Nacht oder in großen Höhen, in denen keine Bezugspunkte in der Landschaft, Bauwerke, Berge usw. zur Verfügung stehen.
Es gibt verschiedene Arten von Luftfahrtkarten, z.B. topographische Karten, Funknavigationskarten, Flugsicherungskarten. In der Zivilluftfahrt findet die IACO-Karte 1:500.000 Anwendung.
Das größte Problem in jeder Kartendarstellung ist die dreidimensional gekrümmte und damit nicht verzerrungsfrei darstellbare Erdoberfläche. Je größer das dargestellte Gebiet, desto verzerrter ist die Karte. Eine Flächentreue, Winkeltreue und Längentreue Karte wäre das Optimum, ist aber leider nicht darstellbar. Daher geht man einen Kompromiss ein und unterscheidet zwischen Darstellungs- und Projektionsverfahren. Beide Darstellungsarten haben jedoch Vor- und Nachteile.
Kartenarten und Merkmale
Zylinderprojektion
Vom Erdmittelpunkt wird die Erdoberfläche auf einen Zylindermantel projiziert (polständige Projektion) welcher die Erde am Äquator berührt. Am Äquator entstehen dabei nahezu keine Verzerrungen. Ja näher man sich aber dem Pol nähert, desto größer werden die Verzerrungen. Diese Verzerrungen lassen sich jedoch rechnerisch berichtigen. Die Mercatorkarte ist eine solche Karte und ist eine rechnerisch korrigierte Zylinderprojektion. Die Verschiebung der Breitengrade ist winkelgetreu.
In der Luftfahrt findet die Zylinderprojektion allerdings keine Anwendung. In der Seefahrt wird sie dagegen fast ausschließlich eingesetzt.
Kegelprojektion
Auch hier ist der Erdmittelpunkt der Projektionsmittelpunkt. In diesem Fall wird die Erdoberfläche aber auf einen Kegelmantel aufprojiziert. Der Kegel berührt die Erde an einem Breitenkreis (Standardparallele). An diesem Berührungspunkt (und nur dort) ist die Karte absolut Verzerrungsfrei und Maßstabsgetreu. Die Schnittkegelprojektion, auch Lambert-konforme Schnittkegelkarte genannt, berührt die Erde an zwei Breitenkreisen. An den Schnittpunkten ist sie nicht verzerrt und deshalb Längentreu. Die gesamte Karte ist Winkeltreu und findet in der Luftfahrt Anwendung.
Azimutalprojektion
Diese Projektionsart wird immer auf eine ebene Fläche projiziert und ist beliebig angeordnet.
Die Gnomische Projektion ist eine Art der Azimutalprojektion. Projektionspunkt ist auch hier der Erdmittelpunkt. Verwendung findet diese Karte in der Polnavigation.
Eine andere Art der Azimutalprojektion ist die Polarstereographische Projektion. Projektionspunkt ist hier allerdings der Gegenpol der Erde. Sie findet Verwendung in der Langstrecken-, und Funknavigation.
Merkmale Lambert Projektion Mercator Projektion
Projektionspunkt Erdmittelpunkt Erdmittelpunkt Breitenparallele konzentrische Kreise, fast Abstandsgleich parallele, gerade Linien in ungleichen
Abständen
Meridiane geradlinig am Pol konvergierend parallele gerade Linien in gleichen
Abständen
Winkel zwischen Breitenparallelen und Meridianen
90° 90° Schnittpunkte gerade Linien und Meridiane unter verschiedenen Winkeln als angenäherte Großkreise unter gleichem Winkel (Kursgleiche) Großkreise (Orthodrome) annähernd geradlinig Polwärts gekrümmte Linie Kursgleiche (Loxodrome) Äquatorwärts gekrümmte Linie gerade Linie Längentreue in etwa längentreu nur an der Mittelbreite Winkeltreue winkeltreu winkeltreu Flächenverzerrung sehr gering mit Entfernung zum Äquator zunehmend Naviagtionsgebrauch universell anwendbar Koppel- und Astronaviagtion Loxodrom:
Ein Luxodrom (Kursgleiche) ist eine Linie, die alle Meridiane unter dem gleichen Winkel schneidet.
Orthodrom:
Ein Orthodrom (Großkreis) immer die kürzeste Verbindung zweier Punkte auf der Erdoberfläche. Ein Orthodrom schneidet die Meridiane immer in unterschiedlichem Winkel (außer auf Meridianen und dem Äquator)
Jede gerade Linie auf der Lambert-Schnittkegelkarte ist nahezu ein Stück eine Orthodroms. Da Meridiane auf der der Karte zum Pol hin zusammenlaufen (konvergieren), schneidet eine solche Linie aufeinander folgende Meridiane unter verschiedenen Winkeln. Der Winkel zwischen der geraden Linie und den Meridianen ändert sich jeweils um den Betrag der Meridiankonvergenz. Die annähernd genaue Richtung der Loxodrome zwischen zwei Orten können nur auf der Lambert-Karte ermittelt werden, indem man den Winkel (den die Gerade mit dem Mittelmeridian) zwischen Abflugort und Zielort bildet. Mit einem Kursdreieck kann der Winkel genau gemessen werden.
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