Funknavigation – Navigation mit Funksignalen

Funknavigation ist eine Technik zur Bestimmung von Position, Orientierung und Geschwindigkeit mithilfe von Funkwellen. Durch die Ausnutzung des vorhersehbaren Verhaltens von Funksignalen, die sich durch die Atmosphäre oder entlang der Erdoberfläche ausbreiten, ermöglicht Funknavigation eine genaue und zuverlässige Navigation, auch wenn visuelle Anhaltspunkte fehlen oder unzuverlässig sind. Seit ihrer Entstehung im frühen 20. Jahrhundert hat sich die Funknavigation über mehrere technologische Epochen weiterentwickelt und unterstützt heute weltweit Luftfahrt-, Schifffahrts- und Landoperationen.

1. Grundlegende Konzepte und Prinzipien

Funkwellen

Funkwellen sind elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen von 3 kHz bis 300 GHz und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. In der Funknavigation bestimmt die Frequenzwahl den Ausbreitungsmodus und die Reichweite:

• Niedrige Frequenzen (LF/MF): Bodenwellen-Ausbreitung für große Reichweiten, wie bei NDBs und LORAN.
• Ultrakurzwelle (VHF): Sichtwellen-Ausbreitung, ideal für VOR, immun gegen atmosphärisches Rauschen und mit zuverlässiger Abdeckung.
• Superhochfrequenz (UHF): Wird von DME und TACAN für kurzreichweitige, hochpräzise Anwendungen genutzt.
• Satellitenfrequenzen (L-Band): Werden von GNSS für globale Abdeckung verwendet.

Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) und die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) standardisieren Zuteilungen, um Leistung zu optimieren und Störungen zu minimieren.

Modulation

Modulation codiert Informationen auf Funkwellen. Wichtige Typen in der Navigation:

• Amplitudenmodulation (AM): Variiert die Amplitude, wird bei NDBs verwendet.
• Frequenzmodulation (FM): Variiert die Frequenz und bietet größere Störfestigkeit.
• On-Off-Keying (OOK): Codiert Daten durch Puls-Präsenz/-Abwesenheit, wie bei DME.
• Phasenmodulation und Spread Spectrum: Für moderne GNSS zur Genauigkeit und Störsicherheit.

Die Modulationsart beeinflusst die Empfängerkomplexität, Signalrobustheit und Bandbreitenanforderungen.

Ausbreitung und Reichweite

• Sichtverbindung (LOS): VHF/UHF-Signale breiten sich geradlinig aus, begrenzt durch Horizont und Hindernisse.
• Bodenwelle: LF/MF folgen der Erdoberfläche, erweitern die Reichweite, sind aber anfällig für Gelände und Bodenleitfähigkeit.
• Himmelswelle: HF wird von der Ionosphäre reflektiert und ermöglicht Über-Horizont-Abdeckung, jedoch abhängig von atmosphärischen Bedingungen.

Das Systemdesign muss diese Ausbreitungseigenschaften berücksichtigen, um zuverlässige Abdeckung zu gewährleisten.

Multipath-Effekte

Multipath tritt auf, wenn Signale auf mehreren Wegen (direkt und reflektiert) beim Empfänger ankommen und zu Störungen oder Fehlern führen. Dies ist besonders in der Nähe von Flughäfen, in Städten oder in bergigem Gelände relevant. Abhilfen sind strategische Antennenplatzierung, Signalverarbeitung und Standortstandards.

2. Arten von Funknavigationssystemen

θ-Systeme: Winkel oder Kurs

• VOR (Very High Frequency Omni Range): Liefert 360°-Azimutinformation über Phasendifferenz der ausgesendeten Signale.
• ADF/NDB (Automatic Direction Finder/Non-Directional Beacon): Liefert Kurs zum LF/MF-Funkfeuer.

ρ-Systeme: Entfernung

• DME (Distance Measuring Equipment): Misst die Schrägentfernung zu einer UHF-Bodenstation über Zweiweg-Zeitmessung.

ρθ-Systeme: Kombiniert

• VOR/DME, TACAN: Liefern sowohl Kurs- als auch Entfernungsinformation und ermöglichen eine eindeutige Positionsbestimmung.

Hyperbolische Systeme

• LORAN, Decca, GNSS: Nutzen Zeit- oder Phasendifferenzen von Sender- oder Satellitenpaaren, um hyperbolische Positionslinien zu erzeugen; der Schnittpunkt liefert eine genaue Positionsbestimmung.

3. Wichtige Begriffe der Funknavigation

Funknavigation

Der Prozess der Positionsbestimmung oder verwandter Informationen durch die Ausbreitung von Funkwellen. Umfasst Richtungsbestimmung, Entfernungsbestimmung und Positionsfixierung durch bodengestützte oder satellitengestützte Systeme.

Funkfeuer

Ein stationärer Funksender, der Signale zur Navigation oder Identifikation aussendet.

• NDB (Non-Directional Beacon): LF/MF-omnidirektionales Funkfeuer, durch Morsecode identifiziert.
• VOR: VHF-Funkfeuer, das Azimutinformation liefert.

Richtungsfinder (DF) & ADF

Richtungsfinder (DF): Bestimmt die Richtung zu einem Sender.

• ADF (Automatic Direction Finder): Flugzeuggerät, das mit Hilfe von Rahmen- und Sense-Antennen auf ein NDB zeigt, die Kursmehrdeutigkeit auflöst und kontinuierliche relative Kursinformation bietet.

Omnidirectional Range (VOR)

Ein bodengestütztes VHF-System, das Referenz- und variable Phasensignale aussendet. Flugzeuge bestimmen ihren Kurs durch Messung der Phasendifferenz und können so präzise entlang von Radialen fliegen.

Distance Measuring Equipment (DME)

Ein UHF-System, bei dem das Flugzeug eine Bodenstation abfragt und die Laufzeit von Puls-Paaren misst, um die Schrägentfernung zur Station anzuzeigen. Die hohe Präzision und die Fähigkeit, mehrere Nutzer gleichzeitig zu bedienen, machen DME zu einer wichtigen Hilfe im Strecken- und Anflugbereich.

Hyperbolische Navigation

Systeme wie LORAN und Decca nutzen Zeit- oder Phasendifferenzen mehrerer Sender, um hyperbolische Positionslinien zu erzeugen. Der Schnittpunkt zweier oder mehrerer Senderpaare ergibt eine eindeutige Positionsbestimmung, unabhängig von Kurs oder Geschwindigkeit des Nutzers.

Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS)

Satellitengestützte Systeme (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) liefern globale Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitdaten. Durch Messung der Laufzeit von Signalen mehrerer Satelliten bestimmen Empfänger die 3D-Position und die Uhrenabweichung. GNSS ist heute die primäre Navigationsmethode in Luftfahrt, Schifffahrt und Landverkehr und wird oft durch bodengestützte Ergänzungen für zusätzliche Genauigkeit und Integrität unterstützt.

Flugnavigation

Der Prozess und die Infrastruktur zur sicheren Führung von Luftfahrzeugen entlang von Luftstraßen unter Nutzung von boden- und satellitengestützten Funknavigationshilfen zur Definition von Routen, Wegpunkten und Verfahren für alle Flugphasen.

4. Historischer Überblick

Frühe Entwicklungen

Die Funknavigation begann mit der maritimen Funkpeilung im frühen 20. Jahrhundert. Die Vier-Kurs-Funkbake (1920er–1930er Jahre) ermöglichte Nacht- und Schlechtwetterflüge durch sich kreuzende Audio-Felder. Begrenzte Genauigkeit und Störanfälligkeit führten zu weiteren Innovationen.

Innovationen im Zweiten Weltkrieg

Militärische Anforderungen trieben die Entwicklung voran:

• Quarzoszillatoren für stabile Frequenzen.
• Hyperbolische Systeme (Gee, LORAN) für weitreichende, wetterunabhängige Navigation.
• Radar- und Bombenzielhilfen für Präzision bei schlechter Sicht.

Nachkriegszeit bis Moderne

Die Zivilluftfahrt übernahm und verbesserte diese Technologien. VOR (späte 1940er Jahre) und DME ersetzten frühere Systeme und boten automatisierte, genaue und sprachidentifizierte Führung. LORAN-C erweiterte die Langstreckenabdeckung. Der Start des GPS in den 1970er Jahren revolutionierte die Navigation; GNSS bietet heute weltweite, hochgenaue und wetterunabhängige Lösungen.

5. Operative Aspekte

• Redundanz: Mehrere Systeme (VOR, DME, GNSS) gewährleisten fortlaufende Navigation bei Ausfall eines Systems.
• Systemgenauigkeit: VOR (±1°), DME (±0,1 NM), GNSS (meter-genau mit Unterstützung).
• Umwelteinflüsse: Gelände, Hindernisse und atmosphärische Bedingungen können bodengestützte Systeme beeinträchtigen; GNSS ist anfällig für Störungen, Täuschung und Signalabschattung.
• Prozedurale Integration: Funknavigationshilfen definieren Luftstraßen, Anflugverfahren und Warteschleifen und sorgen für geordneten Verkehrsfluss unter Instrumentenflugbedingungen.

6. Trends und zukünftige Entwicklungen

• Umstellung auf GNSS: Viele Länder schalten traditionelle Funkfeuer (NDB, einige VOR) zugunsten satellitengestützter Navigation ab.
• Ergänzungssysteme: SBAS (WAAS, EGNOS) und GBAS verbessern GNSS für Präzisionsanflug und Landung.
• Resilienz: Entwicklung von eLORAN, Multi-Konstellations-GNSS und inertialen Backups zur Absicherung gegen Schwächen der Satellitennavigation.
• Integration: Moderne Flugzeuge und Schiffe nutzen integrierte Navigationssysteme, die GNSS, inertiale und Funkhilfen für maximale Genauigkeit und Sicherheit kombinieren.

7. Zusammenfassung

Funknavigation ist das Fundament für sichere und effiziente Fortbewegung in Luft, See und zu Land. Durch die Nutzung der Eigenschaften von Funkwellen und die Integration fortschrittlicher Technologien – von bodengestützten Funkfeuern bis zu globalen Satellitenkonstellationen – gewährleistet die Funknavigation weltweit präzise, wetterunabhängige Führung für alle Bereiche des Verkehrs.

Weiterführende Literatur:

• ICAO Annex 10: Aeronautical Telecommunications, Vol. I (Radio Navigation Aids)
• FAA Aeronautical Information Manual (AIM), Kapitel 1
• International Telecommunication Union (ITU) Radio Regulations
• U.S. Coast Guard LORAN Information Center
• Veröffentlichungen der Europäischen GNSS-Agentur (GSA)