In dem Theoriekapitel “Navigation” geht es darum wie man sich als Pilot navigatorisch sicher von A nach B bringt. Zuerst wird die Erde, das Koordinatensystem und für die Luftfahrt relevante Grundlagen erläutert. Anschließend werden die verschiedenen Fliegerkarten und deren Anwendung beschrieben. Darauf aufbauend wird diskutiert, wie man als Pilot navigiert, zuerst mit Fokus auf terrestrischer Navigation, bevor anschließend das Thema Funknavigation beleuchtet wird.
Die Erde und das Koordinatensystem
Dieses Theorie-Kapitel behandelt grundlegende Konzepte der Luftfahrtnavigation und die Bedeutung der präzisen Kenntnis der Erdeigenschaften und -dimensionen. Es beginnt mit der Darstellung der Erdform und der Bedeutung von Koordinatensystemen zur eindeutigen Definition von Punkten auf der Erdoberfläche.
Die Rotation der Erde und deren Einfluss auf die Erdform, insbesondere die Abplattung an den Polen und die Auswölbung am Äquator, werden detailliert dargestellt. Dies umfasst auch mathematische Modelle und Abmessungen wie Durchmesser, Umfang und Radien der Erde an verschiedenen Punkten. Weiterhin wird auf die Bedeutung genauer Erdmodelle für Technologien wie GPS eingegangen, insbesondere auf das Geoid und Referenzellipsoide.
Der Bereich behandelt zudem das Koordinatensystem der Erde, einschließlich der Beschreibung von Breiten- und Längenkreisen und ihrer Bedeutung für die Navigation. Es wird erläutert, wie die geographische Breite und Länge eines Ortes bestimmt und wie Entfernungen und Differenzen zwischen verschiedenen Punkten berechnet werden.
Verschiedene navigatorisch wichtige Linien wie Orthodrome, Loxodrome und Kleinkreise werden beschrieben, einschließlich ihrer Eigenschaften und ihrer Bedeutung für die Luftfahrtnavigation. Der Bereich geht auch auf die Unterschiede zwischen geografischem und magnetischem Nord ein und erklärt Konzepte wie Variation und Deklination.
Schließlich werden verschiedene Maßeinheiten in der Navigation diskutiert, einschließlich Entfernungen, Geschwindigkeiten, Gewichten und Temperaturmessungen. Der Abschnitt über Zeitrechnung beschreibt die Konzepte von Tageslänge, Jahreszeiten, verschiedenen Zeitsystemen und die Anwendung der koordinierten Weltzeit (UTC) in der Luftfahrt.
Fliegerkarten
Die AIP VFR (Aeronautical Information Publication for Visual Flight Rules) ist eine wesentliche Ressource für Piloten, die Sichtflugregeln (VFR) anwenden. Sie enthält detaillierte Sichtflugkarten und Flugplatzkarten für deutsche Flugplätze, die für die Navigation und das Manövrieren sowohl auf dem Flugplatz als auch während der kritischen Phasen des An- und Abfluges unerlässlich sind.
Für die Planung von Streckenflügen bei Tag sind die ICAO-Karten 1:500.000 ideal, da sie eine detaillierte Darstellung der Geografie und der flugrelevanten Strukturen wie Flugplätze, Navigationshilfen und Lufträume bieten. Für Nachtflüge hingegen ist die Enroute-Chart (Flugnavigationskarte) der DFS unverzichtbar. Diese Karte gibt einen Überblick über Luftstraßen, Nachttiefflugstrecken sowie IFR-Mindestflughöhen und ist speziell für die Planung von Instrumentenflugregeln (IFR) und Nachtflügen nach Sichtflugregeln konzipiert.
Die Flugplatzkarte enthält spezifische Informationen über einen einzelnen Flugplatz, einschließlich der Start- und Landebahnen, ihrer Oberflächenbeschaffenheit, Tragfähigkeit und der verfügbaren Start- und Landestrecken. Sie ist besonders nützlich für das Verständnis der lokalen Gegebenheiten eines Flugplatzes, einschließlich der Orientierung der Start- und Landebahnen.
Die Höhe eines Flugplatzes über dem Meeresspiegel (MSL), angegeben als „ELEV“, findet sich auf der Flugplatzkarte. Zudem kann auf der Sichtflugkarte oben mittig zwischen den Frequenzen abgelesen werden, ob ein Flugplatz die Möglichkeit zur QDM-Übermittlung (magnetische Peilung zum Flugplatz) bietet. Die Peilungen zur Anflughilfe in Sichtflugkarten beziehen sich auf die missweisende Richtung, was für die Navigation während des Anfluges wichtig ist.
Diese Karten und Informationen sind entscheidend für die Flugsicherheit und -planung und sollten von Piloten, die nach VFR fliegen, gründlich verstanden und genutzt werden.
Terrestrische Navigation
Zusammenfassend behandelt dieser theoretische Bereich über praktische Navigation in der Fliegerei verschiedene Methoden und Techniken, die Piloten dabei helfen, ihre Position zu bestimmen und Kurskorrekturen durchzuführen. Zu den wichtigsten Themen gehören:
Navigation mit dem Magnetkompass: Der Magnetkompass ist ein essenzielles Instrument zur Bestimmung der Richtung. Es werden verschiedene Kompassarten und ihre Funktionsweisen erklärt, einschließlich Flüssigkeitskompass und Gegensichtkompass. Die magnetischen Fehler wie Deviation und Inklination werden erläutert, ebenso wie der Kompassdrehfehler und der Beschleunigungsfehler.
Der Navigationsrechner: Dieses Hilfsmittel erleichtert die Berechnung von Navigationsaufgaben. Der mechanische Navigationsrechner wird für diverse Berechnungen wie Geschwindigkeiten, Weg-/Zeit-Aufgaben, Kraftstoffberechnungen und Winddreiecksaufgaben verwendet.
Das Winddreieck: Eine zentrale Methode zur Bestimmung des Einflusses des Windes auf den Flugweg. Es werden drei grundlegende Aufgabentypen besprochen, bei denen entweder der Steuerkurs, der tatsächliche Kurs über Grund oder der Wind gegeben sind und die anderen Faktoren bestimmt werden müssen.
Koppelnavigation: Diese Technik ermöglicht die Ortsbestimmung anhand von Daten wie Geschwindigkeit, Kurs, Zeit und Wind. Unterschieden wird zwischen Mitkoppeln und Nachkoppeln, wobei beim Mitkoppeln der Windeinfluss direkt und beim Nachkoppeln erst am Ende berücksichtigt wird.
Die 1:60-Regel: Eine nützliche Faustregel, um den seitlichen Versatz durch den Wind zu berechnen. Sie basiert auf der Annahme, dass 1 NM seitlicher Versatz auf 60 NM Flugstrecke einem Winkel von 1° entspricht.
Bestimmung des Umkehrkurses: Dieses Thema behandelt, wie ein Umkehrkurs unter Berücksichtigung des Windes bestimmt wird. Dabei wird der Windkorrekturwinkel (WCA) doppelt und in entgegengesetzter Richtung auf den Gegenkurs des aktuellen Steuerkurses angewandt.
Zusammenfassend legt dieses Theorie-Kapitel ein besonderes Augenmerk auf die praktische Anwendung dieser Methoden und Techniken in der realen Fliegerei, um eine sichere und effiziente Navigation zu gewährleisten.
Funknavigation
Der Bereich befasst sich mit der zentralen Rolle der Funknavigation in der professionellen Fliegerei. Funknavigation, die auf der Nutzung von Funksignalen zur Positionsbestimmung, Routenfestlegung und Durchführung von Anflügen basiert, ist unverzichtbar, besonders bei schlechtem Wetter. Sie bietet zusätzliche Sicherheit und Genauigkeit im Vergleich zur terrestrischen Navigation. Der VFR-Pilot muss sich mit den technischen Aspekten und der Bedienung der Bordgeräte vertraut machen. Das Kapitel behandelt zunächst die technischen Grundlagen der klassischen Funknavigation, gefolgt von einer detaillierten Darstellung verschiedener Anlagen und Navigationsmethoden. Es wird auch die zunehmend wichtige Rolle der Satellitennavigation angesprochen.
Die technischen Grundlagen umfassen die Arbeitsprinzipien basierend auf elektromagnetischen Wellen, die von Bodensendeanlagen ausgestrahlt und im Flugzeug empfangen werden. Verschiedene Frequenzbereiche und Wellenlängen haben signifikante Auswirkungen auf die Genauigkeit und Interpretationsmöglichkeiten. Wichtige Aspekte sind die elektromagnetische Wellenausbreitung, Modulations- und Betriebsarten sowie die Wellenausbreitung und ihre Störfaktoren. Direkte Wellen (quasioptische Wellen) unterscheiden sich in ihrer Ausbreitung von Boden- und Raumwellen und sind weniger anfällig für atmosphärische Störungen, aber ihre Reichweite wird durch Sichtlinien und Hindernisse beeinflusst.
Abschließend werden verschiedene Navigationsverfahren beschrieben, darunter auch die Verwendung von UKW-Peilern (VDF), die für Richtungsbestimmungen und Positionsbestimmungen in Verbindung mit Sprechfunkgeräten genutzt werden. Sie ermöglichen es, ohne spezielle Ausrüstung an Bord, Richtungen und Positionen zu bestimmen, wobei die Genauigkeit und mögliche Fehlerquellen berücksichtigt werden müssen.
Das NDB (Non Directional Beacon) ist ein Sendegerät, das ungerichtete Signale auf einer festen Frequenz aussendet. Empfangen werden diese Signale von einem ADF (Automatic Direction Finder) im Luftfahrzeug, welcher die Signale über Anzeigen im Cockpit verarbeitet. Diese Anzeigen ermöglichen die Navigation durch Eigenpeilung. NDBs werden in der VFR-Navigation für Streckennavigation und Standortbestimmung und im IFR-Bereich auch für Warte- und Anflugverfahren verwendet. Ihre weit verbreitete Nutzung ist auf die vergleichsweise niedrigen Kosten zurückzuführen.
Die Bodenkomponenten eines NDBs umfassen einen Sender, eine ungerichtete Sendeantenne und eine Überwachungsanlage. Die Bordkomponenten des ADFs beinhalten eine Rahmenantenne (Loop Antenne), eine Seitenbestimmungsantenne (Sense Antenne), einen Empfänger, ein Bedienteil und ein Anzeigegerät. NDBs operieren im Lang- und Mittelwellenbereich, in Deutschland zwischen 200 kHz und 526,5 kHz.
Es gibt verschiedene Anzeigegeräte zur Interpretation der NDB-Signale, darunter der Relative Bearing Indicator (RBI), der Moving Dial Indicator (MDI) und der Radio Magnetic Indicator (RMI). Diese Instrumente unterscheiden sich in der Art, wie sie die Richtung zum NDB anzeigen, was für die korrekte Navigation wichtig ist.
Verschiedene Navigationsverfahren mit NDBs umfassen das Zielflugverfahren, das Erfliegen einer stehenden Peilung, Kursflüge sowie das Anschneiden von Kursen. Bei jedem dieser Verfahren muss der Pilot die NDB-Signale korrekt interpretieren und entsprechend navigieren. Beim Überflug eines NDBs kann es zu einer instabilen Anzeige kommen, daher sollte ein konstanter Kurs beibehalten werden, bis die Nadelanzeige sich stabilisiert.
Das VOR (Very High Frequency Omnidirectional Radio Range) ist eine hochgenaue und komfortable Navigationshilfe, die von vielen Piloten gegenüber dem NDB (Non Directional Beacon) bevorzugt wird. Das VOR sendet gerichtete Funkwellen, die vom Bordempfänger interpretiert werden können, um eine exakte Navigation zu ermöglichen. Dieses System wird sowohl im VFR- (Visual Flight Rules) als auch im IFR-Bereich (Instrument Flight Rules) für Streckennavigation, Standortbestimmung, Anflug- und Warteverfahren genutzt.
Das VOR funktioniert ähnlich einem Turm, der zwei unterschiedliche Signale aussendet: Ein scharf gebündelter Lichtstrahl, der sich einmal pro Sekunde um 360 Grad dreht, und ein zweites Signal, das in alle Richtungen sichtbar ist. Die Position des Beobachters in Bezug auf den Turm kann durch das Zählen der Zeit zwischen dem Aufblitzen des überall sichtbaren Signals und dem Durchlauf des gerichteten Umlaufsignals bestimmt werden. Die gemessene Zeit in Sekunden entspricht der missweisenden Richtung vom Turm aus gesehen.
Das VOR sendet zwei elektromagnetische Wellen auf derselben Frequenz: das Bezugssignal und das Umlaufsignal. Das Bezugssignal ist ungerichtet und konstant, während das Umlaufsignal seine Phase pro 1° an der Kursrose um 1° ändert. Dadurch kann der Luftfahrzeugführer direkt das QDR (Magnetic Bearing from the station) bzw. QDM (Magnetic Bearing to the station) ablesen.
Bodenkomponenten eines VORs umfassen Sender, Antennenanlage und Überwachungsanlage. Die Bordkomponenten bestehen aus einer Empfangsantenne, Empfänger, Bedienteil und Anzeigegerät. Es gibt zwei Haupttypen von VORs: das konventionelle VOR (CVOR) und das Doppler-VOR (DVOR), wobei letzteres eine höhere Genauigkeit bietet.
Die Reichweite eines VORs hängt von der Sendeleistung und der quasioptischen Wellenausbreitung ab. Die Genauigkeit eines VORs darf insgesamt +/-5° nicht überschreiten, wobei die Genauigkeit der Bodenstation normalerweise bei etwa +/-2° und der des Anzeigegeräts bei +/-1° liegt.
Für die Navigation mit einem VOR gibt es verschiedene Verfahren wie das Anfliegen auf ein VOR, das Überfliegen eines VORs und das Anschneiden von Kursen. Dabei müssen die Anzeigen des VORs korrekt interpretiert werden, um eine präzise Navigation zu gewährleisten.
Das Distance Measuring Equipment (DME) ist ein wichtiger Bestandteil der Luftfahrtnavigation und dient der Entfernungsmessung zwischen Flugzeug und Bodenstation. Es arbeitet in Kombination mit anderen Navigationsgeräten, wie VOR, und ermöglicht eine eindeutige Positionsbestimmung ohne die Notwendigkeit einer zweiten Funknavigationseinrichtung. Das DME-System besteht aus boden- und bordseitigen Komponenten, die durch Sende- und Empfangsantennen, Sender und Empfänger sowie Bedien- und Anzeigegeräte gekennzeichnet sind.
Die Funktion des DME basiert auf der Laufzeitmessung von Impulsen. Das bordseitige Gerät sendet Abfrageimpulse, die von der Bodenstation empfangen, verzögert und mit modifizierter Frequenz zurückgesendet werden. Diese Antwortimpulse werden vom Bordgerät empfangen und zur Bestimmung der Entfernung genutzt. Die gemessene Entfernung entspricht dabei der Schrägentfernung (Slant Range) zwischen Flugzeug und Bodenstation. Die Anzeige ist am genauesten bei größerer Distanz zur Bodenstation und wird ungenauer, wenn sich das Flugzeug der Station nähert. Beim Überflug zeigt das DME den vertikalen Abstand zur Station an.
DME-Anlagen arbeiten im UHF-Frequenzbereich und sind meist mit VORs kombiniert. Sie können auch mit NDBs, ILS-Anlagen oder militärischen TACAN-Anlagen verbunden sein. Fehlerquellen beim DME umfassen Abschattungen in Querlagen und die potenzielle Interferenz mit Signalen anderer Bodenstationen.
Darüber hinaus wird auch das Radar-System und seine Rolle in der Luftfahrt erläutert, einschließlich Primär- und Sekundärradar (SSR). Radarsysteme nutzen elektromagnetische Wellen zur Positions- und Entfernungsbestimmung von Flugobjekten, wobei Primärradar auf Reflexion und Sekundärradar auf einer bordseitigen Antwortanlage basiert. SSR ermöglicht detailliertere Informationen wie Flughöhe und Identifikationscode des Flugzeugs. Die Technologie hat sich seit ihren Anfängen erheblich entwickelt und ist ein wesentliches Instrument für die Flugsicherung. Fehlerquellen im Radarbetrieb umfassen Abschattungen und die Begrenzung der Radarerfassung durch den Radarhorizont und den Schweigekegel (Cone of Silence).
Schließlich werden die Transponder-Funktionen und -Modi beschrieben, die für die Kommunikation mit dem Sekundärradar erforderlich sind. Verschiedene Transponder-Codes werden für spezifische Situationen verwendet, wie z.B. Notfälle oder Flugzeugentführungen, und es gibt Bestimmungen für die Verwendung des Transponders in verschiedenen Flugbereichen und Situationen. Mode-S-Transponder bieten zusätzliche Funktionen wie Datalink-Kommunikation zur Reduzierung des Funkverkehrs.
Des Weiteren wird die Funktionsweise und Bestandteile von Satellitennavigationssystemen, insbesondere des Global Positioning System (GPS) bechrieben. Es werden drei Hauptsegmente des GPS-Systems unterschieden:
1. Bodensegment: Besteht aus der Hauptkontrollstation und verschiedenen Überwachungsstationen weltweit. Diese Stationen überwachen das Gesamtsystem, berechnen Satellitenbahnen und übermitteln Korrekturdaten an die Satelliten.
2. Raumsegment: Umfasst mehrere Satelliten in verschiedenen Umlaufbahnen, die Signale zur Positions-, Zeit- und Geschwindigkeitsbestimmung senden. Mindestens 24 Satelliten müssen für eine lückenlose Abdeckung aktiv sein.
3. Bordsegment: Beinhaltet die Empfangsantenne, den Empfänger und das Anzeige- und Bediengerät im Luftfahrzeug.
Das Kapitel geht auch auf die Genauigkeit des GPS-Systems und mögliche Störungen ein, wie atmosphärische Einflüsse und Abschattungen durch Gelände oder Flugzeugteile. Die Genauigkeit von GPS-Daten liegt ohne Störfaktoren bei etwa 70-100 Metern. Weiterhin wird die Möglichkeit der US-Regierung erläutert, die Genauigkeit des Systems zu reduzieren (Selective Availability).
Für die Navigation mit GPS müssen mindestens vier Satelliten empfangen werden, um eine dreidimensionale Position (inklusive Höhe) zu bestimmen. Zusätzlich wird die Notwendigkeit einer aktuellen Datenbank im GPS-Gerät und die Bedeutung der korrekten Einstellung des Koordinatensystems betont.
Abschließend wird auf den „Emergency Locator Transmitter“ (ELT) eingegangen, ein Not- und Unfallpeilsender in der Luftfahrt, der manuell oder automatisch bei einem Aufschlag ausgelöst wird und auf bestimmten Frequenzen sendet. ELT-Notsignale werden über das COSPAS-SARSAT-System an Bodenkontrollzentren weitergeleitet, welche in das GEOSAR- und LEOSAR-Satellitensystem eingebunden sind.
