SAPOS in der Luftfahrt - Anwendungen, Nutzen, Perspektiven (705 K)
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<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> –<br />
<strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
Sven Mart<strong>in</strong>, Braunschweig<br />
1 E<strong>in</strong>leitung<br />
In <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> werden seit Beg<strong>in</strong>n <strong>der</strong> kommerziellen Verkehrsfliegerei Funknavigationsverfahren<br />
zur Positionsbestimmung des Flugzeugs e<strong>in</strong>gesetzt. Die verschiedenen<br />
Phasen e<strong>in</strong>es Fluges stellen gänzlich unterschiedliche Anfor<strong>der</strong>ungen an die Genauigkeit<br />
und Integrität von Navigationsverfahren. So reicht z.B. für Streckenflug (En-Route) e<strong>in</strong>e<br />
Genauigkeit von ± 1 NM (1 Nautische Meile = 1,852km) vollkommen aus, woh<strong>in</strong>gegen für<br />
Präzisionsanflüge ±0,003 NM (~ 50cm) gefor<strong>der</strong>t werden. Aus diesem Grund kommen unterschiedliche,<br />
hauptsächlich landgestützte Funknavigationssysteme zum E<strong>in</strong>satz. Mit <strong>der</strong><br />
Entwicklung von satellitengestützten Navigationssystemen ergaben sich ganz neue<br />
Möglichkeiten <strong>der</strong> Flugzeugführung. Neben <strong>der</strong> gefor<strong>der</strong>ten hohen Genauigkeit spielt auch<br />
die Integrität und Kont<strong>in</strong>uität <strong>der</strong> Signale e<strong>in</strong>e wichtige Rolle. Daneben werden Satellitennavigationssysteme<br />
auch für die nichtprimäre Navigation, d.h. z.B. die Positionsbestimmung<br />
bei Meßflügen e<strong>in</strong>gesetzt. Für alle diese <strong>Anwendungen</strong> ist e<strong>in</strong>e hochpräzise Positionierung<br />
mit Hilfe von geeigneten Differentialverfahren unumgänglich. <strong>SAPOS</strong> kann und wird hierfür<br />
schon e<strong>in</strong>gesetzt.<br />
2 Bereiche <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong><br />
Man unterscheidet <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> drei wesentliche Bereiche:<br />
• Commercial Aviation – Verkehrsfliegerei<br />
• General Aviation – Allgeme<strong>in</strong>e <strong>Luftfahrt</strong> (Privatpiloten)<br />
• Special Mission<br />
2.1 Commercial Aviation<br />
Unter Commercial Aviation versteht man die L<strong>in</strong>ien- und Charterflüge <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong>gesellschaften.<br />
In diesem Bereich kommen für die Navigation im Streckenbereich die konventionellen,<br />
bodengestützten Navigationsanlagen zum E<strong>in</strong>satz:<br />
• VOR, DME, NDB (bodengestützte Funknavigationsverfahren) im kont<strong>in</strong>entalen<br />
Bereich über Land<br />
• Inertialnavigationssysteme (bordautonom) für Kurz- und Langstreckennavigation<br />
Seit 1995 ist GNSS als zusätzliches Navigationssystem auf ATS (Air Traffic Service)-<br />
Strecken zugelassen und seit 1998 als System für B-RNAV (Basic Area Navigation) im deutschen<br />
Luftraum. Dies bedeutet, daß e<strong>in</strong>e Navigation mit GNSS nicht mehr mit an<strong>der</strong>en<br />
Navigationssystemen überwacht werden muß. Dies bezieht sich jedoch nur auf
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
Streckenflüge. Ende 1996 wurden dann für alle deutschen IFR-Flugplätze (Flugplätze mit<br />
Instrumentenlandesystemen) GPS-Anflugverfahren veröffentlicht. Diese dürfen jedoch nur<br />
genutzt werden, wenn e<strong>in</strong>e konventionelle Ausrüstung für IFR Anflüge an Bord vorhanden ist<br />
und die Positionslösung von GNSS ständig überwacht wird. Ab 2005 sollen die satellitengestützten<br />
Navigationssysteme durch SBAS (Space Based Augmentation Systems) und<br />
GBAS (Ground Based Augmentation Systems) erweitert werden.<br />
Unter SBAS versteht man Systeme wie WAAS (Wide Area Augmentation System) und<br />
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System). Diese bestehen aus e<strong>in</strong>er<br />
Anzahl von Bodenstationen, die ständig die GNSS-Signale auswerten, auf Fehler überprüfen<br />
und Korrekturdaten berechnen. Die Korrekturen werden anschließend über geostationäre<br />
Satelliten wie<strong>der</strong> abgestrahlt und s<strong>in</strong>d so <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em sehr weiten Gebiet zu empfangen<br />
(Abbildung 1).<br />
Abbildung 1: WAAS und LAAS Konzept für die Verkehrsfliegerei<br />
Das GBAS- o<strong>der</strong> LAAS (Local Area Augmentation System)-Konzept ist <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie<br />
für Anflüge an Flugplätzen gedacht. Dabei werden an e<strong>in</strong>em Flughafen mehrere GNSS-<br />
Bodenstationen aufgestellt die Korrekturen berechnen, das Signal-<strong>in</strong>-Space von GNSS<br />
überwachen und die Differentialkorrekturen zusammen mit eventuellen Alarmmeldungen an<br />
die anfliegenden Flugzeuge übertragen. Damit sollen frühestens ab 2003 Präzisionsanflüge<br />
bis CAT II/III möglich werden. Nach Erfüllung sämtlicher Voraussetzungen beabsichtigt die<br />
DFS (Deutsche Flugsicherung), auch SBAS- und GBAS-gestützte Anflugverfahren anzubieten.<br />
Da <strong>der</strong> Standardisierungsprozeß für GNSS-gestützte CAT-I Anflugverfahren durch die<br />
ICAO recht weit fortgeschritten ist, lehnt die DFS die E<strong>in</strong>führung von nicht ICAO-konformen<br />
und nicht standardisierungsfähigen Lösungen ab [4].<br />
2.2 General Aviation<br />
GNSS wird <strong>in</strong> <strong>der</strong> allgeme<strong>in</strong>en <strong>Luftfahrt</strong> bereits <strong>in</strong> großem Maße genutzt. Für den<br />
E<strong>in</strong>satz <strong>der</strong> Satellitennavigation im Flugbetrieb nach Sichtflugregeln (VFR) genügen die<br />
heute verfügbaren GPS-Empfänger im stand-alone Betrieb, da die Satellitennavigation im<br />
Sichtflug nur als ergänzendes Navigationsmittel zugelassen ist. Dies bedeutet GPS-<br />
Empfänger dürfen nicht zur primären Navigation e<strong>in</strong>gesetzt werden. Daraus ergibt sich auch,<br />
daß die Genauigkeit, die von e<strong>in</strong>em stand-alone GPS-Empfänger geliefert wird, vollkommen<br />
ausreichend ist. E<strong>in</strong>e Notwendigkeit zu höherer Genauigkeit durch Anwendung von Korrekturdaten<br />
und damit die Nutzung e<strong>in</strong>es Korrekturdatendienstes ist nicht gegeben. Da <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
allgeme<strong>in</strong>en <strong>Luftfahrt</strong> überwiegend nach Sichtflugregeln navigiert wird, ist im Vergleich zur
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
kommerziellen <strong>Luftfahrt</strong> e<strong>in</strong> ger<strong>in</strong>gerer Bedarf an Ausrüstung mit Präzisionslandesystemen<br />
für die Landeplätze dieses Nutzerkreises gegeben. Dennoch besteht hier <strong>der</strong> Vorteil <strong>der</strong><br />
Nutzung <strong>der</strong> Satellitennavigation dar<strong>in</strong>, daß <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e an Flugplätzen, die ausschließlich<br />
o<strong>der</strong> überwiegend von <strong>der</strong> Allgeme<strong>in</strong>en <strong>Luftfahrt</strong> genutzt werden, kosten- und wartungs<strong>in</strong>tensive<br />
bodengestützte Navigationssysteme e<strong>in</strong>gespart werden könnten [4].<br />
2.3 Special Mission<br />
Son<strong>der</strong>e<strong>in</strong>sätze von Luftfahrzeugen werden unter dem Begriff „Special Mission“<br />
zusammengefaßt. Darunter versteht man <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie Rettungse<strong>in</strong>sätze (SAR, ADAC),<br />
Sicherungsaufgaben, Abwürfe von Hilfsgütern und Rendevous-Manöver. Ve r m e s-<br />
sungsaufgaben aus <strong>der</strong> Luft fallen ebenfalls <strong>in</strong> diesen Bereich. Der E<strong>in</strong>bau von zusätzlichen<br />
Navigationsgeräten <strong>in</strong> diese Luftfahrzeuge wird nach erweiterten Zulassungsvorschriften<br />
behandelt. In diesem Bereich <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> hat sich <strong>in</strong> den letzten Jahren e<strong>in</strong>e sehr hohe<br />
Nachfrage nach Präzisionsortung ergeben. Hauptanwen<strong>der</strong> für e<strong>in</strong>e satellitengestützte<br />
Präzisionsnavigation mit Hilfe von Korrekturdaten s<strong>in</strong>d Helikopter.<br />
3 <strong>Anwendungen</strong> für <strong>SAPOS</strong><br />
3.1 Präzisionsnavigation für Helikopter<br />
Der Polizeiflugdienst und die Deutsche Luftrettung verfügen über ca. 200 zivil zugelassene<br />
Hubschrauber, die pro Jahr ca. 65.000 Flugstunden absolvieren, davon ca. 5 % unter<br />
nicht Sichtflugbed<strong>in</strong>gungen (Instrumental Meteorological Conditions, IMC). Die<br />
Instrumentierung von Helikoptern ist immer noch <strong>in</strong> großem Maße sichtflugorientiert.<br />
Nichtsdestotrotz verlangen heutige E<strong>in</strong>sätze e<strong>in</strong>e Verfügbarkeit des Hubschraubers rund um<br />
die Uhr auch unter widrigen Wetterbed<strong>in</strong>gungen. Problematisch wird es immer dann, wenn<br />
nur m<strong>in</strong>imale Zeit für die Flugvorbereitung bleibt bzw. die Landung auf engstem Raum o<strong>der</strong><br />
auf unvorbereiteten Landeplätzen stattf<strong>in</strong>den muß. Die genaue Lokalisierung von Unfallorten<br />
und Präzisionsanflüge auf Krankenhäuser machen neben e<strong>in</strong>em GNSS-Empfänger an Bord<br />
des Hubschraubers die Nutzung von bodengebundener Infrastruktur <strong>in</strong> Form von<br />
D i ff e re n t i a l k o r re k t u rdiensten unumgänglich (Abbildung 2). Durch e<strong>in</strong> entspre c h e n d e s<br />
Flightmanagementsystem und effektive Zielführung kann <strong>der</strong> Pilot wesentlich entlastet werden<br />
und die aktive und passive Sicherheit nehmen zu.<br />
Abbildung 2: Präzisionsanflüge auf Krankenhäuser mit Hilfe von GNSS und<br />
Differentialverfahren<br />
Durch die Komb<strong>in</strong>ation mit e<strong>in</strong>er digitalen Karte ist die Navigation selbst <strong>in</strong> schwierigem<br />
Gelände möglich. SAR (Search-and-Rescue)-Flugstaffeln haben ebenso e<strong>in</strong>en hohen<br />
Bedarf an Präzisionsnavigation, wobei e<strong>in</strong> Haupte<strong>in</strong>satzgebiet hierbei auch den maritimen<br />
Bereich umfaßt. GNSS wird bei diesen <strong>Anwendungen</strong> dazu genutzt, sogenannte „Search<br />
Patterns“ abzufliegen. Polizei und Bundesgrenzschutz benötigen Navigationssysteme für<br />
Sicherungs- und Überwachungsaufgaben von Hubschraubern aus (Grenzpatrouille etc.)<br />
aber auch zur Dokumentation von E<strong>in</strong>sätzen.
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
Momentan laufen verschiedene Forschungsprogramme, um den E<strong>in</strong>satz von<br />
Differentialkorrekturdiensten an Bord von Rettungshubschraubern zu testen. Untersucht<br />
wurden u.a. RDS/ RASANT und ALF. Die Ergebnisse decken sich mit den <strong>in</strong> Kapitel 4<br />
beschriebenen.<br />
3.2 Fluggravimetrie<br />
Die Variation <strong>der</strong> lokalen Erdbeschleunigung ist e<strong>in</strong> Indiz für Dichteän<strong>der</strong>ungen <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Erdkruste. Diese Dichteän<strong>der</strong>ungen s<strong>in</strong>d sowohl wissenschaftlich für Geologie und Geodäsie<br />
als auch für die Exploration von Bodenschätzen ökonomisch <strong>in</strong>teressant. Flugzeuggestützte<br />
Messungen s<strong>in</strong>d beson<strong>der</strong>s für solche Regionen von Interesse, die von<br />
Landfahrzeugen o<strong>der</strong> Schiffen gar nicht o<strong>der</strong> nur unter erheblichen Schwierigkeiten zu erreichen<br />
s<strong>in</strong>d. Am Institut für Flugführung <strong>der</strong> TU Braunschweig wurde e<strong>in</strong> Luftgravimeter basierend<br />
auf e<strong>in</strong>em hochgenauen russischen Seegravimeter entwickelt und getestet.<br />
Luftgravimeter bestehen im wesentlichen aus e<strong>in</strong>em plattformstabilisierten hochauflösenden<br />
Beschleunigungsmesser, e<strong>in</strong>em hochauflösenden Höhensensor zur Elim<strong>in</strong>ierung <strong>der</strong> k<strong>in</strong>ematischen<br />
Beschleunigungen sowie aus e<strong>in</strong>em Komplementärfilter zur Korrektur <strong>der</strong> dynamischen<br />
Sensorfehler (Abbildung 3). Wesentliche Probleme <strong>der</strong> Fluggravimetrie resultieren<br />
aus den hohen Genauigkeitsanfor<strong>der</strong>ungen an die Höhenmessung. Es ist e<strong>in</strong>e<br />
Sensorauflösung von 0.1 mm bei e<strong>in</strong>er Fluggeschw<strong>in</strong>digkeit von 50 ms-1 erfor<strong>der</strong>lich. Um<br />
die Höhenmessung zu verbessern wurde e<strong>in</strong> komplementäres Filter entworfen, welches die<br />
Signale e<strong>in</strong>es Statoskops mit <strong>der</strong> Höhen<strong>in</strong>formation von GPS-Phasenlösung konsolidiert.<br />
Die Phasenauswertung von GPS weist das Potential auf, den Subzentimeterbereich zu erreichen.<br />
Die übliche phasenrichtige Glättung <strong>der</strong> GPS-Signale mit Inertialsensoren scheidet <strong>in</strong><br />
diesem Fall als Möglichkeit aus, da gerade die Gravitationsanomalien mit Hilfe <strong>der</strong><br />
Trägheitssensoren gemessen werden sollen.<br />
Abbildung 3: Fluggravimeter im<br />
Forschungsflugzeug DO-128 des<br />
Instituts für Flugführung
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
Als Lösung bietet sich wie<strong>der</strong> die komb<strong>in</strong>ierte Verwendung bei<strong>der</strong> Pr<strong>in</strong>zipien über e<strong>in</strong><br />
komplementäres Filter an. Zur nie<strong>der</strong>frequenten Stützung des hochfrequent stabilen barometrischen<br />
Signals wird dafür das tiefpaßgefilterte GPS-Höhensignal verwendet und so <strong>der</strong><br />
E<strong>in</strong>fluß <strong>der</strong> Isobaren elim<strong>in</strong>iert.<br />
Hierbei konnte bisher e<strong>in</strong>e Genauigkeit von ca. 3 mGal bei e<strong>in</strong>er Anomaliewellenlänge<br />
von ca. 6 km erreicht werden. Abbildung 4 zeigt Ergebnisse von Flugversuchen.<br />
Abbildung 4: Gemessene Anomalie<br />
Die Versuche wurden mit <strong>SAPOS</strong> 2m-Band Korrekturdaten <strong>in</strong> <strong>der</strong> Umgebung von<br />
Braunschweig durchgeführt. Zum E<strong>in</strong>satz kamen Novatel Millenium Empfänger, die <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Lage s<strong>in</strong>d RTCM 20/21 (Phasenkorrekturen) zu verarbeiten. Darüber h<strong>in</strong>aus bieten diese<br />
Empfänger die Möglichkeit die Software auf die unterschiedlichsten Dynamiksituationen<br />
anzupassen. So war es möglich, <strong>in</strong> Echtzeit während des Fluges die Mehrdeutigkeiten zu<br />
lösen. Selbst nach Verlust <strong>der</strong> Phasenlösung durch Abschattungen war <strong>der</strong> Empfänger <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> Lage nach maximal 2 M<strong>in</strong>uten die Mehrdeutigkeiten wie<strong>der</strong> richtig zu fixieren. Parallel<br />
w u rde e<strong>in</strong>e eigene Bodenstation betrieben und die aufgezeichneten Daten mit <strong>der</strong><br />
Echtzeitphasenlösung verglichen. Es zeigte sich e<strong>in</strong>e hohe Übere<strong>in</strong>stimmung (siehe auch<br />
Kapitel 5) [1],[2].<br />
3.3 Weitere Anwendungsgebiete für <strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong><br />
Grundsätzlich kann man sagen, daß <strong>SAPOS</strong> dort zum E<strong>in</strong>satz kommen kann, wo im<br />
Flug e<strong>in</strong>e hochpräzise Position sowohl zur Navigation, als auch zur Dokumentation von<br />
Meßergebnissen notwendig ist. Je nach Genauigkeitsanfor<strong>der</strong>ungen können entwe<strong>der</strong> EPS-<br />
Daten für Code-Korrekturen (RTCM Typ 1) o<strong>der</strong> aber HEPS für Phasenlösung (RTCM Typ<br />
20/21) genutzt werden.<br />
Für den Bereich <strong>der</strong> Meßflüge kann man sich den E<strong>in</strong>satz von <strong>SAPOS</strong> bei:<br />
• Photogrammetrie<br />
• Vermessungsflüge<br />
• Meteorologische Meßflüge<br />
• Umweltüberwachungsflüge vorstellen.
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
4 Verfügbarkeit von <strong>SAPOS</strong><br />
4.1 <strong>SAPOS</strong> 2m-Band Funk<br />
Im Rahmen e<strong>in</strong>es Projektes mit <strong>der</strong> Landesvermessung Nie<strong>der</strong>sachsen (LGN) ([5],[6])<br />
wurde die Verfügbarkeit von <strong>SAPOS</strong> 2m-Band Funk sowohl am Boden als auch <strong>in</strong> <strong>der</strong> Luft<br />
untersucht. Abbildung 5 zeigt exemplarisch e<strong>in</strong>e Flugroute. Gestartet wurde <strong>in</strong> Braunschweig,<br />
<strong>der</strong> Flug führte dann quer durch Nie<strong>der</strong>sachsen an Hannover und Bremen vorbei.<br />
Nördlich von Bremerhaven g<strong>in</strong>g es auf die Nordsee h<strong>in</strong>aus, bis Helgoland und von da aus<br />
zurück und an den Ostfriesischen Inseln entlang bis Borkum. Ziel war es, die Verfügbarkeit<br />
von <strong>SAPOS</strong> sowohl an Land als auch über dem Wasser und damit <strong>in</strong> den Randbereichen<br />
<strong>der</strong> <strong>SAPOS</strong> Sen<strong>der</strong> zu ermitteln.<br />
Abbildung 5: Verfügbarkeit von <strong>SAPOS</strong> 2m-Band Sen<strong>der</strong>n <strong>in</strong> <strong>der</strong> Luft
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
Allgeme<strong>in</strong> kann man sagen, daß während des gesamten Fluges Empfang von m<strong>in</strong>destens<br />
e<strong>in</strong>em <strong>SAPOS</strong> Sen<strong>der</strong> möglich war. Die gelben Markierungen <strong>in</strong> Abbildung 5 zeigen<br />
die <strong>SAPOS</strong>-Stationen, die an Bord des Flugzeugs empfangen wurden. Sen<strong>der</strong> mit exponierten<br />
Standorten wie Hannover konnten sogar über 70-80 km Distanz noch empfangen<br />
werden, genauso wie die Station Niebüll beim Überflug über Helgoland <strong>in</strong> 3300 ft (~ 1100 m)<br />
Höhe fehlerfrei zu bekommen war. E<strong>in</strong>e Festsetzung <strong>der</strong> Phasenmehrdeutigkeiten im<br />
Vorbeiflug war jedoch nur dann möglich, wenn die entsprechenden Stationen <strong>in</strong> relativ ger<strong>in</strong>gem<br />
Abstand (< 10 km) passiert wurden. Dies lag <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie an <strong>der</strong> Länge <strong>der</strong> Basisl<strong>in</strong>ie<br />
und den damit verbundenen Schwierigkeiten bei <strong>der</strong> Lösung <strong>der</strong> Mehrdeutigkeiten. Die beim<br />
Start <strong>in</strong> Braunschweig fixierte Phasenlösung wurde jedoch bis ca. 60 km Distanz gehalten.<br />
4.2 ALF<br />
Ebenfalls getestet wurde die Verfügbarkeit des ALF Langwellen-Korrekturdienstes. Der<br />
Sen<strong>der</strong> bef<strong>in</strong>det sich <strong>in</strong> Ma<strong>in</strong>fl<strong>in</strong>gen bei Frankfurt/ Ma<strong>in</strong> und sendet auf 123,7 kHz. Vom<br />
Betreiber wird e<strong>in</strong> Bedeckungsradius von 600-800 km angegeben. Zum E<strong>in</strong>satz kam e<strong>in</strong><br />
Gerät mit Diversityantenne, die an <strong>der</strong> Rumpfunterseite des Flugzeugs montiert wurde. Die<br />
Ergebnisse zeigen, daß <strong>der</strong> ALF-Empfang <strong>in</strong> <strong>der</strong> Luft sehr gut ist. Es traten wenig<br />
Datenlücken auf und die Verfügbarkeit war bis <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Höhe von 9500 ft (~ 3200m) gegeben.<br />
Systembed<strong>in</strong>gt liegt die Genauigkeit mit ALF-Korrekturdaten jedoch nur im Meterbereich.<br />
4.3 RDS/RASANT<br />
E<strong>in</strong> weiterer Korrekturdatendienst nutzt das Radio Data System (RDS) des UKW-<br />
Rundfunks. Neben <strong>der</strong> Sprache und Musik werden dabei z.B. die Sen<strong>der</strong>kennung und weitere<br />
Informationen, u.a. auch GPS-Korrekturdaten übertragen. Parallel zur Verfügbarkeit von<br />
<strong>SAPOS</strong> 2m-Band Funk wurden auch die Empfangsbed<strong>in</strong>gungen für RDS/RASANT im<br />
Flugzeug untersucht. Es hat sich gezeigt, daß <strong>der</strong> Empfang <strong>in</strong> <strong>der</strong> Umgebung von starken<br />
Rundfunksen<strong>der</strong>n problemlos möglich ist. Nimmt die Entfernung jedoch zu und steigt die<br />
Flughöhe deutlich über die Standorthöhe des Sen<strong>der</strong>s wird <strong>der</strong> Empfang stark bee<strong>in</strong>trächtigt.<br />
Ab ca. 3000 ft (~ 1000 m) ü. Gr. ist so gut wie ke<strong>in</strong> Empfang mehr möglich. Dies liegt<br />
u.a. an <strong>der</strong> Antennencharakteristik <strong>der</strong> UKW-Sendeantennen. Diese s<strong>in</strong>d dafür ausgelegt,<br />
die Versorgung am Boden sicherzustellen und ganz bewußt nicht <strong>in</strong> die Höhe abzustrahlen.<br />
Abbildung 6 zeigt e<strong>in</strong> typisches Antennendiagramm e<strong>in</strong>es Rundfunksen<strong>der</strong>s.<br />
Abbildung 6:<br />
Antennendiagramm<br />
e<strong>in</strong>es UKW-<br />
Rundfunksen<strong>der</strong>s
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
In den ITU (International Telecommunication Union) Recommendations ITU-R IS.1009-<br />
1 und ITU-R BS.1195 werden Richtl<strong>in</strong>ien für die Kompatibilität zwischen dem Flugfunk im<br />
Bereich von 108-137 MHz und dem UKW-Rundfunk im Bereich 87-108 MHz festgelegt.<br />
Diese sehen vor, daß die Antennendiagramme so geformt se<strong>in</strong> müssen, daß Interferenzen<br />
mit dem Flugfunk vermieden werden. Dies bedeutet aber gleichzeitig, daß nur e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>geschränkter<br />
Empfang von GPS-Korrekturdaten im Flugzeug möglich ist.<br />
5 Untersuchungen zur Genauigkeit e<strong>in</strong>er Phasenlösung mit <strong>SAPOS</strong><br />
Neben <strong>der</strong> Verfügbarkeit ist die Qualität <strong>der</strong> Daten e<strong>in</strong> wichtiges Kriterium für die<br />
Anwendbarkeit e<strong>in</strong>es Korrekturdienstes. Aus diesem Grund wurden <strong>in</strong> <strong>der</strong> Umgebung von<br />
Braunschweig Tests zur Genauigkeit e<strong>in</strong>er Phasenlösung mit <strong>SAPOS</strong> 2m-Band Korrekturdaten<br />
durchgeführt. Zum E<strong>in</strong>satz kamen Novatel Millenium GPS-Empfänger die sowohl<br />
RTCM Typ 20/21 Daten direkt verarbeiten können, als auch Rohdaten ausgeben. Mit Hilfe<br />
e<strong>in</strong>er am Institut für Flugführung entwickelten echtzeitfähigen Phasenlösungssoftware<br />
wurde aus den GPS-Rohdaten und den <strong>SAPOS</strong> Korrekturdaten onl<strong>in</strong>e im Flug e<strong>in</strong>e Position<br />
berechnet. Um e<strong>in</strong>e unabhängige Referenz zu bekommen, wurde parallel e<strong>in</strong>e eigene GPS-<br />
Bodenstation <strong>in</strong> direkter Nähe des Versuchsgebiets betrieben, die ihre Daten über e<strong>in</strong>e<br />
Telemetrie zu e<strong>in</strong>em Integrierten Navigationssystem (INS) an Bord des Flugzeugs übertrug.<br />
Dort wurde die Referenzposition durch e<strong>in</strong>e weitere GPS-Phasenlösung onl<strong>in</strong>e <strong>in</strong><br />
Komb<strong>in</strong>ation mit e<strong>in</strong>em faseroptischen Trägheitsnavigationsystem ermittelt. Dieses System<br />
bietet selbst unter hohen Dynamikbed<strong>in</strong>gungen die bestmögliche Positionslösung [3],[7].<br />
Abbildung 7: Positionsdiff e renz zwischen e<strong>in</strong>er SAP O S-Phasenlösung und e<strong>in</strong>em<br />
Integrierten System
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong>
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
Abbildung 7 zeigt die Differenz zwischen <strong>der</strong> <strong>SAPOS</strong>-Positionslösung und <strong>der</strong> des<br />
Integrierten Systems. Man erkennt, daß die Abweichungen <strong>in</strong> Nordrichtung bei maximal 8<br />
cm, die überwiegende Zeit jedoch bei ± 2 cm liegen. Ähnliches gilt für die Abweichungen <strong>in</strong><br />
Ostrichtung. GPS-systembed<strong>in</strong>gt ist die Höhe immer etwas schlechter. Aber selbst unter<br />
höherer Dynamik (ca. 2,3 g) liegen hier die maximalen Differenzen bei 10-12 cm.<br />
Bei größerer Querlage des Flugzeugs (> 30°) kommt es jedoch häufig zu<br />
Abschattungen <strong>der</strong> Satelliten durch die Tragflächen. Dadurch verlieren GPS-Empfänger bzw.<br />
die entsprechende Phasenlösungssoftware die gefundene Mehrdeutigkeitslösung. Es hat<br />
sich jedoch gezeigt, daß e<strong>in</strong> Wie<strong>der</strong>aufschalten on-the-fly <strong>in</strong>nerhalb kurzer Zeit (4 sec – max.<br />
1,5 m<strong>in</strong>) möglich ist.<br />
Diese Ergebnisse zeigen, daß die Qualität e<strong>in</strong>er Echtzeit-Phasenlösung mit <strong>SAPOS</strong><br />
auch über mittlere Basisl<strong>in</strong>ien sehr hoch ist. Selbst unter großer Dynamik treten nur<br />
Abweichungen im Zentimeterbereich auf. Die Verfügbarkeit ist im Flugzeug bei den hier<br />
getesteten Entfernungen zum <strong>SAPOS</strong>-Sen<strong>der</strong> (~ 5-10 km) immer gegeben.<br />
6 Zusammenfassung<br />
In diesem Beitrag wurden e<strong>in</strong>ige Verfahren und Anwendungsgebiete für Differential-<br />
GNSS Korrekturdienste <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> vorgestellt. Je nach gefor<strong>der</strong>ter Genauigkeit und<br />
Integrität werden unterschiedliche Konzepte verfolgt. E<strong>in</strong>ige Bereiche <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> benötigen<br />
auf Grund gesetzlicher Regelungen ke<strong>in</strong>e hochpräzise Position, an<strong>der</strong>e, <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />
die kommerzielle <strong>Luftfahrt</strong>, verfolgen <strong>in</strong>ternational standardisierungsfähige Lösungen.<br />
Anwendungsgebiete für <strong>SAPOS</strong> liegen daher beson<strong>der</strong>s im Bereich <strong>der</strong> „Special<br />
Mission“-Flüge. Hier werden für die unterschiedlichsten <strong>Anwendungen</strong> hochpräzise<br />
Positionen verlangt. Lokal, <strong>in</strong> <strong>der</strong> Umgebung e<strong>in</strong>es <strong>SAPOS</strong> 2m-Band Sen<strong>der</strong>s, funktioniert<br />
dies schon problemlos. Schwierigkeiten treten dann auf, wenn sich das Luftfahrzeug schnell<br />
d u rch die Sendegebiete mehre rer Stationen bewegt. Die zur Zeit verfügbare n<br />
Funkempfänger s<strong>in</strong>d nicht <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage, automatisch die nächste bzw. die mit <strong>der</strong> besten<br />
Empfangsleistung e<strong>in</strong>fallende Station zu wählen. Unter Sicherheitsaspekten ist e<strong>in</strong>em<br />
Piloten die Bedienung des Funkempfängers und des <strong>SAPOS</strong>-Deco<strong>der</strong>s nicht zumutbar. Für<br />
nichtprimäre Navigation, son<strong>der</strong>n zur Ermittlung <strong>der</strong> Position für z.B. Meßaufgaben ist<br />
<strong>SAPOS</strong> zur Zeit schon e<strong>in</strong>setzbar und verm<strong>in</strong><strong>der</strong>t so den Aufwand und die Kosten für e<strong>in</strong>e<br />
eigene Bodenstation, Telemetrie usw.<br />
7 Ausblick<br />
Für den E<strong>in</strong>satz <strong>der</strong> SAP O S-Empfänger im Flugzeug wäre e<strong>in</strong> vere i n f a c h t e s<br />
Bedienkonzept und e<strong>in</strong> Diversityempfänger <strong>der</strong> selbsttätig den stärksten Sen<strong>der</strong> auswählt<br />
wünschenswert. E<strong>in</strong> weiterer Ausbau <strong>der</strong> Referenzstationen und Sen<strong>der</strong> würde darüber h<strong>in</strong>aus<br />
auch die Verfügbarkeit <strong>in</strong> den Randgebieten erhöhen und die Länge <strong>der</strong> jeweiligen<br />
Basisl<strong>in</strong>ien verm<strong>in</strong><strong>der</strong>n. Durch die Ve rnetzung <strong>der</strong> Stationen und die Nutzung <strong>der</strong><br />
Netzparameter im Flug kann die Genauigkeit gesteigert und die Zeit bis zur Festsetzung <strong>der</strong><br />
Mehrdeutigkeitslösung verm<strong>in</strong><strong>der</strong>t werden. Auf Grund <strong>der</strong> hohen Dynamik e<strong>in</strong>es Flugzeugs<br />
würde auch e<strong>in</strong>e höhere Updaterate <strong>der</strong> Korrekturdaten (2 Hz, 4 Hz) die Genauigkeit verbessern.<br />
Die Zeit zwischen den e<strong>in</strong>zelnen Korrekturdatensätzen wird <strong>der</strong>zeit noch durch e<strong>in</strong>e<br />
relativ ungenaue Extrapolation <strong>der</strong> Daten bzw., wenn verfügbar, durch Stützung mit Hilfe<br />
e<strong>in</strong>er Trägheitsplattform überbrückt. Im H<strong>in</strong>blick auf das zukünftige euro p ä i s c h e<br />
Satellitennavigationssystem GALILEO sollte über e<strong>in</strong>e Integration <strong>in</strong> <strong>SAPOS</strong> nachgedacht<br />
werden.
<strong>SAPOS</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Luftfahrt</strong> - <strong>Anwendungen</strong>, <strong>Nutzen</strong>, <strong>Perspektiven</strong><br />
Referenzen<br />
[1] Abdelmoula, F.:<br />
Neue Konzepte und Lösungsansätze bei <strong>der</strong> Fluggravimetrie, Geodätische Woche<br />
98, Kaiserslautern, Oktober 1998<br />
[2] Abdelmoula, F.:<br />
Design of an Open-Loop Gust Alleviation Control System for Airborne Gravimetry,<br />
Aerospace Science and Technology, No. 6, 379-389, 1999<br />
[3] Altmayer,C.:<br />
Cycle Slip Detection and Correction by Means of Integrated Systems, Proceed<strong>in</strong>gs<br />
of the ION National Technical Meet<strong>in</strong>g, Anaheim, California, January 2000<br />
[4] Deutscher Funknavigationsplan 1999, Hrsg. Bundesm<strong>in</strong>isterium für Verkehr, Bauund<br />
Wohnungswesen<br />
[5] Mart<strong>in</strong>, S., Jahn, C.-H.: High Precision Real-Time Differential Correction Network<br />
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September 1998<br />
[6] Mart<strong>in</strong>, S.: Geodetic Real-Time Diff e rential Correction Network – Data<br />
Communication, Service In-stallation and Results, Proceed<strong>in</strong>gs of the 55th ION<br />
Annual Meet<strong>in</strong>g, Cambridge, MA, June 1999<br />
[7] Wende, G.,Ronig, S.: Us<strong>in</strong>g of GNSS-Carrier Solution for Flight Performance<br />
Determ<strong>in</strong>ation, Society of Flight Test Eng<strong>in</strong>eers, Proceed<strong>in</strong>gs of the 30th Annual<br />
Symposium, St. Louis, August 1999