Drehfunkfeuer
Das Drehfunkfeuer dient der Funknavigation für Luftfahrzeuge.
Das heute in der Luftfahrt übliche Verfahren wird in der Piloten-Fachsprache als VOR bezeichnet (ausgesprochen: [Vie Ou Ar]) – die Buchstaben werden auch unter deutschen Piloten einzeln englisch ausgesprochen. Das VOR hat seinen Namen von VHF Omnidirectional Radio Beacon. VHF wiederum heißt Very High Frequency – zu Deutsch: UKW. VOR bedeutet also übersetzt "UKW-Drehfunkfeuer".
Das eigentliche VOR ist eine Bodenstation, deren Signal vom VOR-Empfänger im Flugzeug ausgewertet und als Richtungsinformation auf einem Anzeigengerät abgelesen werden kann.
Funktionsprinzip
Analogie zum Leuchtturm
Als Analogie kann man sich einen Leuchtturm vorstellen, der einen rotierenden Lichtstrahl aussendet – mit einer Umlaufzeit von 360s für 360°. Immer wenn der Lichtstrahl genau nach Norden leuchtet, blinkt zusätzlich eine rote Lampe in alle Richtungen. So kann man durch Laufzeitmessung zwischen roter Lampe und Sichtbarwerden des Lichtstrahls die genaue Himmelsrichtung zum Leuchtturm bestimmen.
VOR
Beim VOR ist dieses Prinzip mit Radiowellen im UKW-Bereich umgesetzt. Die VOR-Bodenstation sendet auf einer unter anderem in Luftfahrtkarten und im Luftfahrthandbuch veröffentlichten Frequenz im Bereich von 108,000 MHz bis 117,975 MHz (gemäß ICAO Annex 10).
Die Sendeanlage erzeugt ein komplexes Signal, bestehend aus:
- einer gerichteten, sich drehenden Komponente. Aufgrund der Richtcharakteristik der Sendeantenne und der Tatsache, dass sich die Antennenanlage (mechanisch oder elektronisch) mit 30 U/Sek dreht, empfängt das bordseitige VOR-Gerät ein Signal, dessen Stärke sich 30 Mal pro Sekunde hebt und senkt – eine 30 Hz-Amplitudenmodulation. Der Zeitpunkt des Maximums in jedem Zyklus ist von der relativen Winkelposition des Empfängers zur VOR-Bodenstation abhängig.
- einer ungerichteten Komponente, ebenfalls mit 30 Hz moduliert.
- einer Morse-Kennung.
- (optional) einem Audiokanal. Komfortable VOR-Sender senden den VOR-Namen auch in Klartext mit einer freundlichen Frauenstimme - z. B. "Nienburg-VOR, Nienburg-VOR, Nienburg-VOR, ...". Andere VOR-Sender strahlen Automated Terminal Information Service (ATIS) aus. In den USA wird über einige VORs auch der Sprechfunkverkehr der Flugsicherung mit den Piloten abgewickelt.
Im Empfänger wird der Phasenunterschied zwischen der gerichteten Komponente (1) und der ungerichteten Komponente (2) gemessen und als Richtung angezeigt.
Beispiel: Befindet sich das Flugzeug östlich (90°) vom VOR, so beträgt die Phasendifferenz zwischen dem (in diesem Augenblick nach Osten) gerichteten und dem ungerichteten Signal 90°. Beim einer Position vom VOR in Westrichtung (270°) beträgt die Phasendifferenz 270°.
DVOR (Doppler-VOR)
DVOR ist Abkürzung für Doppler Very High Frequency Omnidirectional Radiobeacon = Doppler-UKW-Drehfunkfeuer. Der Unterschied zum VOR liegt in der Form der Erzeugung des umlaufenden Signals: Durch schnelles, zyklisches Umschalten zwischen 48 auf einem Kreis angeordneten Rundstrahlantennen entsteht das Signal einer mit 30 Umdrehungen pro Sekunde auf einem Kreis laufenden Einzelantenne. Die Phasenverschiebung ist ein Ergebnis des Dopplereffekts dieser im Kreis bewegten virtuellen Antenne.
Der Zusatz Doppler- beim DVOR hat nichts mit der Dopplerverschiebung durch die Fluggeschwindigkeit zu tun, sondern mit der Form der Signalerzeugung.
Geschichte
Das erste Drehfunkfeuer war der Telefunken-Kompass-Sender (1908).
Der HF-Generator und die jeweils aktiven Dipole sind rot dargestellt, die Richtcharakteristik blau.
Der Sender beginnt mit der omnidirektionalen Aussendung seiner Kennung. Nach dem letzten Buchstaben der Kennung wird eine spezielle Stoppuhr gestartet. Beim Signalmaximum wird die Uhr gestoppt. Später wurde das Signal um 90° versetzt und das Signalminimum ausgewertet, da die Richtwirkung eines Dipols eine sehr breite "Keule" erzeugt.
In Westeuropa existierten während des ersten Weltkrieges zwei Stationen in Cleve und Tønder. Das Drehfunkfeuer diente der Navigation von Luftschiffen. Flugzeuge waren noch nicht mit Empfängern für dieses System ausgerüstet.
Zur Vereinfachung stellt das nebenstehende Bild nicht die korrekte Umlaufzeit des Strahls dar. Die Kennung ist CLE für Cleve. Dem Autor ist nicht bekannt, ob das Goniometer während der Sendung der Kennung in Nordposition (omnidirektionale Sendung) stoppte. Es ist davon auszugehen, dass das Kontaktpaar zum Ansteuern der Dipole zumindest außerhalb der Nordrichtung kontinuierlich umlief (im Bild nicht dargestellt).
Entfernungsmessung
Die Entfernungsmessung ist mit dem VOR nicht möglich. Aber mittels einer Peilung zu zwei VOR's (Kreuzpeilung) kann man trotzdem seine Position und somit seine Entfernung vom VOR bestimmen.
Außerdem ist fast immer das VOR mit einer Funknavigationsanlage zur Entfernungsmessung – dem DME – kombiniert. DME (distance measuring equipment – Entfernungsmessgerät) zeigt die Entfernung zum DME-Sender in NM an, aber nicht die Richtung.
Beides zusammen – VOR und DME – gibt uns eine Position an: Kursinformation vom VOR, Entfernungsinformation vom DME. Diese Sender heißen VOR/DME. Für die DME-Anzeige im Flugzeug gibt es ein zweites Gerät. Praktischerweise muss man nur die richtige Frequenz für das VOR einstellen. Daran gekoppelt ist automatisch die richtige Einstellung der zweiten Frequenz für den DME-Empfang. Sollte der VOR-Sender kein DME haben, dann bleibt das DME-Gerät im Flugzeug ohne Anzeige.
Nur noch ganz selten gibt es DME-Sender, die ohne VOR senden. Genauso gibt es in Flugzeugen nur noch wenige Empfangsgeräte, die separat auf ein DME-Frequenz eingestellt werden können.
Weitere Einzelheiten zu DME siehe im Hauptartikel DME
Radial
Ein Radial ist eine Funkstandlinie, die vom VOR-Sender weg gerichtet ist. Für die Praxis der Flugnavigation gibt es genau 360 Radiale. Es wird nicht mit Dezimalstellen gearbeitet, nur mit ganzen Zahlen. Wie alle Kursangaben und Kompassangaben werden auch die Richtungsangaben der Radiale immer dreistellig geschrieben und gesprochen. Dabei werden alle drei Ziffern einzeln ausgesprochen. Die Worte Hundert oder Zehn, Zwanzig, Dreißig usw. werden dabei nicht verwendet. Beispiel: 40° ist R-040 und wird ausgesprochen: Radial Null-vier-Null. Radial 0° (also Nord) wird üblicherweise nur als R-360 (Radial drei-sechs-null) bezeichnet.
Ein Radial ist also ein gerichteter Vektor mit der Richtung vom Funkfeuer weg. Denn im Gegensatz zu einem Lichtstrahl vom Leuchtturm funkt unsere Funkstandlinie (z.B. R-040) auch noch über den Mittelpunkt hinaus genau in die andere Richtung (also Richtung 220° = 40° + 180°). In diese andere Richtung wird sie aber definitionsgemäß als R-220 bezeichnet.
Der Nachweis der Fähigkeit, mit einem VOR umgehen zu können ist Voraussetzung für die Erteilung eines Flugfunkzeugnisses.
Schweigekegel
Wenn man sich mit dem Luftfahrzeug direkt über der VOR-Station befindet, hat man keinen Empfang. Dieser Schweigekegel (cone of silence) hat einen Winkel von ca. 10°. Bei hoch fliegenden Verkehrmaschinen hat er einen Durchmesser von einigen NM.
Im Schweigekegel ist die Anzeige des VOR-Instrumentes nicht zuverlässig. Das wird durch eine rote Warnflagge im Instrument (VOR-Empfänger) angezeigt.
VOR-Namen
VORs haben einen Klarnamen und einen Code aus drei Buchstaben. Beispielsweise: Gardermoen-VOR oder GRD (das ist der internationale Flughafen von Oslo/Norwegen). Die drei Buchstaben sind vom Klarnamen abgeleitet. Man spricht die drei Buchstaben üblicherweise im internationalen Fliegeralphabet (ICAO-Alphabet) aus – also Golf-Romeo-Delta. Im Flug-Sprechfunk wird immer nur einfach VOR gesagt und nicht VOR/DME oder VORTAC. Wenn es klar ist, dass es sich um ein VOR handelt, wird meist nur einfach der Name gesagt – ohne den Zusatz "VOR". Beispiel: "cleared to Frankfurt via Nienburg and Hannover".
Der Name von Intersections wird mit 5 Buchstaben angegeben, um sie deutlich von VOR's zu unterscheiden. Beispiel: die Flugstrecke BUDDA-DERFA-VISLA-PRG-WERLA führt also über genau ein VOR.
Namensdoppelungen kommen nur selten vor, und dann meist nur auf verschiedenen Kontinenten. Das wird also erst ein Thema, wenn man Flugrouten aus weltweiten Datenbanken von Navigationsanlagen erstellt. Dann erfolgt meist eine Zwischenabfrage, indem die Art und die Koordinaten der beiden gleichnamigen Funkanlagen angezeigt werden. Es gibt auch Namenskollisionen mit NDBs
Kartendarstellung
Auf Luftfahrtkarten gibt es separate Symbole für
- VORTAC
- VOR und
- VOR/DME
Test-VOR
Die Funktionsfähigkeit der VOR-Empfänger muss in regelmäßigen, vorgeschriebenen Abständen geprüft werden. Das kann einerseits häufiger an Flugplatz-Positionen durchgeführt werden, deren Koordinaten bekannt sind, andererseits muss es auch ganz genau überprüft werden, indem am VOR-Empfänger die Frequenz eines Test-VORs eingestellt wird. Das VOR-Instrument zeigt dann konstant Radial 360 an und die gemessene Abweichung darf höchstens 1° betragen.
TVOR
Terminal VOR; T-VORs dienen nur zum An- oder Abflug eines Flughafens. Von einer TVOR-Station kann meistens auch ATIS empfangen werden.
VOR-Empfänger
Der VOR-Empfänger (VOR-Anzeigegerät) zeigt an, in welche Richtung die angepeilte VOR-Bodenstation (Drehfunkfeuer) liegt. Die Richtung von der VOR-Bodenstation zum Flugzeug wird als Radial bezeichnet. Der Gegenkurs ist die Richtung, in die der Pilot fliegen muss, um zum VOR zu fliegen. Die Richtungsmessung zu zwei VOR-Stationen erlaubt dem Piloten eine Kreuzpeilung und damit genaue Positionsbestimmung.
Der VOR-Empfänger zeigt die Abweichung vom eingestellten Anflugkurs bzw. Abflugkurs. Wenn der Anflug in der TO-Einstellung und der Abflug in der FROM-Einstellung erfolgt, dann fungiert es als Kommandogerät.
Der VOR-Empfänger ist für den Instrumentenflug als Pflichtausrüstung vorgeschrieben. Es ist in Flugzeugen oft in doppelter Ausführung vorhanden.
Frequenzeinstellungen
Der Frequenzbereich für VORs ist weltweit einheitlich geregelt. Die Frequenz des gewünschten VORs entnimmt man amtlichen Veröffentlichungen, zum Beispiel der Luftfahrtkarte.
Bessere VOR-Empfänger haben die Möglichkeit zwei Frequenzen einzustellen. Die eine Frequenz ist dabei die "aktive Frequenz" und die andere ist die "vorgewählte Frequenz" (stand-by Frequenz). Durch einen Knopfdruck tauscht man dann im richtigen Moment den Platz der beiden Frequenzen. Das reduziert die Arbeitbelastung für den Piloten.
Morsekennung
Der Pilot muss die Morsekennung der VOR-Bodenstation abhören, bevor er der Anzeige vertrauen kann. Die drei Buchstaben des VORs werden langsam und deutlich in einer Endlosschleife gesendet. Dazu muss der Pilot nicht das Morsealphabet beherrschen, da die Punkte und Striche in den Luftfahrtkarten für jedes VOR eingetragen sind. Die Morsekennung bzw. Stimmansage ist auf das VOR-Signal aufmoduliert. Allerdings muss der Pilot den Ton für das VOR-Instrument auf seinen Kopfhörer schalten, bzw. lautdrehen. Nach der Identitätskontrolle des VORs wird der Ton aber wieder abgeschaltet, da die Daueransage sonst sehr nervt.
Wird die Morsekennung durch die Buchstaben TEST ersetzt, darf das VOR nicht zu navigatorischen Zwecken benutzt werden.
Grundaufbau
Links unten hat das VOR-Instrument einen Drehknopf, der mit OBS (Omni Bearing Selektor - Kurswahlknopf) beschriftet ist. Mit diesem Knopf wird die gesamte Kompassrose des Instruments gedreht, bis der Pfeil am oberen Rand auf den gewünschte Kurs zeigt. Je nach Bauart dreht sich die Anzeigennadel um den obersten Punkt, beziehungsweise wandert sie durch Parallelverschiebung nach rechts oder links.
Die Nadel wird CDI (Course Deviation Indicator) genannt.
Die Anzeigennadel zeigt auf eine Skala mit einem mittleren Punkt und je 5 Punkten rechts und links. Je Punkt wird eine Kursabweichung von 2° angezeigt. Größere Abweichungen können nicht mehr angezeigt werden - die Nadel steht dann bewegungslos am rechten oder linken Anschlag.
Bei gestörtem Empfang erscheint eine deutliche rote Warnflagge auf der Skala.
Kommandogerät
Für die TO/FROM-Flagge gelten folgende Regeln:
TO (Flagge oben) wird angezeigt, wenn man sich ausserhalb des Halbkreises befindet, für den der eingestellte Radial die Halbierende bildet.
FROM (Flagge unten) wird angezeigt, wenn man sich innerhalb des Halbkreises befindet, für den der eingestellte Radial die Halbierende bildet.
MERKREGEL
Ist die Differenz zwischen Steuerkurs und eingestelltem Radial kleiner 90° so fungiert die Nadel als Kommando-Zeiger, d.h. sie repräsentiert den Radial und das Flugzeug muss in Richtung der Nadel gesteuert werden.
Ist die Differenz größer 90°, so ist die Nadel das Luftfahrzeug, d. h. es muss von der Nadel weg korrigiert werden.
VORTAC
TACAN (Tactical Air Navigation) ist ein militärisches Drehfunkfeuer und funktionieren so ähnlich wie ein VOR, ist aber um den Faktor 1,2 bis 2 präziser. Darüber hinaus ist im TACAN-Signal immer die DME Funktionalität integriert. TACAN sendet im UHF-Bereich (962 bis 1213MHz) auf insgesamt 126 X-Kanälen und 126 Y-Kanälen. Eine reine TACAN-Station kann sich auch an Bord eines anderen Luftfahrzeuges befinden und wird z.B. für Tankanflüge benutzt. Befinden sich VOR und TACAN-Bodenstation an der selben Stelle, wird dir Kombination als VORTAC bezeichnet.
Container-VOR
Wenn ein VOR längere Zeit ausfällt (z.B. Umbau, Erneuerung), wird von der DFS ein Container-VOR aufgestellt, das den Betrieb während der Ausfallzeit übernimmt. Das Container-VOR bekommt in Regelfall eine eigene Frequenz und sendet daher nicht auf der Frequenz des zu ersetzenden VORs. Die Ersatzfrequenz und die Dauer des Ersatzes sowie evtl. Einschränkungen in Reichweite und Genauigkeit wird durch NOTAM veröffentlicht.
GPS
GPS (Global Positioning System) verdrängt allmählich das VOR/DME. Allerdings sind VOR/DME nach wie vor für die Instrumentennavigation gesetzlich vorgeschriebenen Primärsensoren.
Luftstraßen
Luftstraßen werden meist über VORs geführt und ihr Verlauf wird von diesen definiert. Die Verzweigung von Luftstraßen erfolgt in der Regel an VORs.
Siehe auch
RSBN (russisches Drehfunkfeuersystem mit ähnlichem Prinzip)
Weblinks
- Weitere Erklärung von VOR
- Arthur O. Bauer: Some historical and technical aspects of radio navigation in Germany over the period 1907 to 1945; Diemen (NL), 2004
- Greg Goebel: The Wizard War: WW2 & The Origins Of Radar, Kapitel 10: Radio Navigation Systems (muss kritisch gelesen werden, nicht alle Daten sind zuverlässig)
- Dr.-Ing. Anselm Fabig, Dissertation; Kap. 2.1 VOR; Kap. 5 VOR Demodulation