Vertikale Führung und verwandte Konzepte in der Luftfahrt

1. Vertikale Führung (VG)

Vertikale Führung (VG) umfasst die Gesamtheit an Informationen, Befehlen und Systemen, die eine präzise Steuerung der Flughöhenbahn eines Flugzeugs in allen Flugphasen ermöglichen. Im Kern bezeichnet VG die Mittel, mit denen eine Flugbesatzung oder ein automatisiertes System die Position des Flugzeugs in der Vertikalen – also Höhenänderungen relativ zu einer Bodenreferenz oder Flugplanposition – steuert. Dazu gehören elektronische Signale (wie vom Gleitweg eines Instrumentenlandesystems oder einem GPS-basierten Gleitpfad), berechnete Führung aus integrierter Avionik (z. B. Flugmanagementsystem oder FMS) und visuelle Hilfen wie Präzisions-Anflugweganzeigen (PAPI) und visuelle Gleitwegindikatoren (VASI).

Wo und wie vertikale Führung eingesetzt wird

Vertikale Führung ist vom Start bis zur Landung unerlässlich. Beim Abflug und Steigflug sorgen VG-Systeme für Hindernisfreiheit und die Einhaltung von Standardabflugverfahren (SID). Im Reiseflug gewährleistet VG den Flug auf zugewiesener Höhe für optimale Leistung und Trennung vom übrigen Verkehr. Beim Sinkflug und Anflug wird VG besonders wichtig – vor allem bei instrumentenmeteorologischen Bedingungen (IMC), in denen die vertikale Position relativ zu Gelände und Hindernissen nicht sichtbar ist. Automatisierte Systeme nutzen VG, um komplexe Sinkflugprofile zu verfolgen, Beschränkungen einzuhalten und sich am gewünschten Anflugwinkel auszurichten. Im Endanflug sorgt VG – etwa durch den Gleitweg eines ILS oder einen GPS-basierten Gleitpfad – für einen sicheren, stabilen Sinkflug bis zur Schwelle der Landebahn.

Technische Grundlagen und regulatorischer Kontext

ICAO Annex 10 (Aeronautische Telekommunikation), Annex 14 (Flugplätze) und PANS-OPS (Prozeduren für die Flugsicherung – Luftfahrzeugbetrieb, Doc 8168) definieren Anforderungen an vertikale Führungssysteme, deren Genauigkeit, Integrität und Warnfunktionen. VG wird als „Präzisionsanflug“ kategorisiert, wenn sie strenge Anforderungen an Führungsgenauigkeit und Warnung erfüllt (z. B. ILS Kategorie I, II, III), oder als „Anflug mit vertikaler Führung“ (APV), wenn ein stabilisierter Gleitpfad bereitgestellt wird, ohne alle Präzisionsanflugkriterien zu erfüllen (z. B. LPV, LNAV/VNAV). Visuelle Systeme (PAPI, VASI) sind in Annex 14 geregelt und bieten Piloten während Anflug und Landung vertikale Hinweise.

Betriebliches Beispiel

Bei einem ILS-Anflug koppelt der Autopilot oder Flugdirektor an das Gleitwegsignal an und führt das Flugzeug entlang eines präzisen 3°-Abstiegspfads zur Landebahn. Während einer STAR (Standard Terminal Arrival Route) berechnet das FMS das erforderliche Sinkflugprofil und steuert die vertikale Führung, um veröffentlichte Höhenbeschränkungen einzuhalten und einen nahtlosen Übergang vom Reiseflug zum Anflug zu ermöglichen.

2. Vertikale Navigation (VNAV)

Vertikale Navigation (VNAV) ist eine Funktion moderner Avionik, die das Management von Flughöhe, Vertikalgeschwindigkeit und teilweise auch Geschwindigkeit entlang einer definierten lateralen Route automatisiert. VNAV nutzt Leistungsdaten des Flugzeugs, Umgebungsbedingungen (Wind, Temperatur) und betriebliche Beschränkungen (Wegpunkthöhen und -geschwindigkeiten), um ein vertikales Profil zu generieren – also einen Plan, wann und wie das Flugzeug steigen, reisen, sinken und leveln wird. VNAV-Logik ist integraler Bestandteil fortschrittlicher Flugmanagementsysteme (FMS) und findet sich in den meisten modernen Verkehrsflugzeugen und Businessjets sowie einigen fortschrittlichen Flugzeugen der Allgemeinen Luftfahrt.

VNAV in der Praxis

VNAV wird typischerweise nach dem Start aktiviert, wo es Steigraten und Beschleunigung steuert und die Einhaltung von Abflugverfahren sicherstellt. Im Reiseflug kann VNAV die Flughöhe zur Optimierung des Treibstoffverbrauchs oder zur Erfüllung von ATC-Anweisungen anpassen. Die wichtigste Anwendung von VNAV ist im Sinkflug und Anflug: Das System berechnet den Top of Descent (T/D) und plant einen Sinkflug, der alle veröffentlichten oder von der Flugsicherung auferlegten Höhen- und Geschwindigkeitsbeschränkungen einhält. VNAV arbeitet in verschiedenen Modi, darunter „Pfad“ (geometrischer Sinkwinkel), „Geschwindigkeit“ (Priorisierung der Zielgeschwindigkeit) und „Höhenhaltung“ (Levelflug).

Technische und regulatorische Grundlagen

ICAO- und FAA-Standards (siehe ICAO Doc 8168, FAA AC 120-108) spezifizieren VNAV-Leistungsanforderungen wie Genauigkeit des vertikalen Pfads, Reaktion auf Beschränkungen und Warnlogik. VNAV muss barometrische Einstellungen, Temperaturabweichungen (insbesondere bei Baro-VNAV) berücksichtigen und klare Anzeigen für aktive und vorgemerkte Modi bieten. Das System stellt sicher, dass Piloten über Abweichungen vom berechneten Pfad oder das Nichterfüllen von Beschränkungen informiert werden.

Betriebliches Beispiel

Nach Erreichen des Reiseflugs auf FL350 aktiviert der Pilot VNAV. Das FMS berechnet T/D 120 nautische Meilen vor dem Zielflughafen. Beim Annähern an T/D gibt der Autopilot einen sanften Idle-Sinkflug vor und passt die Rate an, um z. B. eine Einschränkung „überquere 10.000 ft bei 30 nm“ einzuhalten, unter Berücksichtigung des Vorhersagewinds und des Luftdrucks.

3. Vertikales Profil

Das vertikale Profil ist die grafische oder tabellarische Darstellung der geplanten oder tatsächlichen Höhenänderungen eines Flugzeugs entlang seiner Route, aufgetragen als Höhe gegen Bodendistanz oder Zeit. Es enthält alle Steigflüge, Sinkflüge, Level-offs und die genauen Punkte, an denen diese Übergänge stattfinden, wie Top of Climb (T/C), Top of Descent (T/D) und Step-Down-Fixes. Das vertikale Profil entsteht aus dem lateralen Flugplan und vertikalen Beschränkungen, die vom FMS oder anderen Flugplanungstools berechnet werden.

Nutzung des vertikalen Profils

Piloten und Besatzungen nutzen das vertikale Profil, um bevorstehende Höhenänderungen vorherzusehen, die Einhaltung von ATC- und prozeduralen Beschränkungen zu überwachen und das Energiemanagement (Schub und Speedbrake-Einsatz) zu planen. In modernen Glascockpits wird das vertikale Profil meist neben der lateralen Route auf dem Navigationsdisplay angezeigt, mit Höhenbeschränkungen und erwarteten Level-offs. Das FMS aktualisiert das vertikale Profil kontinuierlich in Echtzeit und berechnet es neu, wenn sich Position, Wind oder ATC-Freigaben ändern.

Technische Details

Die Erstellung des vertikalen Profils beinhaltet Rückwärts- und Vorwärtsberechnung: Das FMS arbeitet oft rückwärts vom Endanflug oder Sinkflugfix aus und integriert alle veröffentlichten Höhen- und Geschwindigkeitsbeschränkungen, Leistungsdaten (wie Gewicht und Widerstand) und Umweltfaktoren. Das Profil muss die Einhaltung von ICAO- und FAA-Kriterien für Hindernisfreiheit und stabilisierten Anflug gewährleisten.

Beispiel

Ein Pilot überprüft vor dem Sinkflug die Anzeige des vertikalen Profils und erkennt Level-Segmente bei 12.000 ft und 10.000 ft, die den STAR-Beschränkungen entsprechen. Das FMS zeigt einen kontinuierlichen Sinkflug mit erwarteten Level-offs, wodurch der Pilot den Einsatz von Leistung und gegebenenfalls Speedbrake planen kann.

4. Vertikaler Pfad

Der vertikale Pfad ist die tatsächliche oder berechnete Flugbahn, der das Flugzeug in der Vertikalen folgt. Er ist definiert durch eine Reihe von Höhen, Geschwindigkeiten und Steig- oder Sinkwinkeln zwischen Wegpunkten oder Fixen. Im Gegensatz zum vertikalen Profil – das einen Plan darstellt – ist der vertikale Pfad die realisierte oder aktiv geflogene Route, oft als geometrischer Winkel (z. B. 3°-Gleitweg) oder als leistungsoptimierter Sinkflug (wie Leerlaufsinkflug) ausgedrückt.

Anwendung und Steuerung

Im automatischen Flug erzeugen FMS und Autopilot aus dem vertikalen Pfad Steuerbefehle für Nick und Schub, um das Flugzeug auf dem gewünschten Steig- oder Sinkwinkel zu halten. Im Anflug ist der vertikale Pfad meist durch einen konstanten Sinkwinkel vom Final Approach Fix (FAF) bis zur Landebahnschwelle definiert, sodass Hindernisfreiheit und ein stabilisierter Landeanflug gewährleistet sind. Im manuellen Flug nutzen Piloten vertikale Pfadanzeiger (wie den Vertikalabweichungszeiger auf dem Primary Flight Display), um den gewünschten Sinkwinkel zu halten.

Technische und regulatorische Aspekte

Die Berechnung des vertikalen Pfads unterliegt strengen Anforderungen an Genauigkeit und Integrität, insbesondere bei Anflügen mit vertikaler Führung (APV) und Präzisionsanflügen. Das FMS muss laufend Änderungen von Geschwindigkeit über Grund, Wind, Temperatur und Flugzeugleistung berücksichtigen, um den korrekten Pfad einzuhalten. Bei einigen Anflügen (z. B. Baro-VNAV) reagiert der vertikale Pfad empfindlich auf den Höhenmesser und die Temperatur, was sorgfältige Vorflugkontrollen erfordert.

Betriebliches Beispiel

Bei einem RNAV (GPS) Anflug berechnet das FMS einen geometrischen 3°-Sinkwinkel vom FAF bis zur Landebahn und liefert dem Autopilot durchgehende vertikale Pfadführung sowie dem Piloten eine vertikale Abweichungsanzeige.

5. Flugmanagementsystem (FMS)

Das Flugmanagementsystem (FMS) ist das integrierte Avionik-„Gehirn“ der meisten modernen Verkehrs- und Geschäftsflugzeuge und automatisiert Navigation, vertikale und laterale Führung sowie Leistungsmanagement. Das FMS ist mit Navigationssensoren (GPS, DME, IRS), Luftdatengeräten und Autopilot-/Flugdirektorsystemen verbunden, um einen umfassenden Flugplan einschließlich lateraler und vertikaler Profile zu erstellen.

Funktionale Nutzung

Das FMS wird vor dem Flug mit der geplanten Route, Reiseflughöhe und Leistungsdaten (Gewicht, Treibstoff, Kostenindex) programmiert. Es berechnet den optimalen vertikalen Pfad einschließlich Top of Climb (T/C), Reiseflug, Top of Descent (T/D) und aller Zwischenlevel-offs unter Berücksichtigung veröffentlichter und ATC-Beschränkungen. Während des Fluges aktualisiert das FMS Flugplan und vertikales Profil dynamisch in Reaktion auf Änderungen von Wind, Temperatur, ATC-Freigaben oder Abweichungen. Es gibt Nick-, Schub- und Geschwindigkeitsbefehle an Autopilot und Autothrust weiter und sorgt so für die Einhaltung des geplanten Profils.

Technische Details und Standards

Das FMS-Design wird durch ARINC 702 (FMS-Standard), ICAO PBN Manual (Doc 9613) und RTCA DO-178/DO-254 für Software- und Hardware-Integrität geregelt. Das System muss klare Modusanzeigen, robuste Warnmeldungen bei Beschränkungsverstößen und intuitive Schnittstellen für Piloteingaben bieten. Moderne FMS unterstützen auch „direct-to“- und Rerouting-Funktionen, sodass der Flugplan und die zugehörige vertikale Führung schnell angepasst werden können.

Betriebliches Beispiel

Beim Sinkflug zu einem großen Flughafen steuert das FMS einen Leerlaufsinkflug und passt die Rate an, um eine STAR-Beschränkung „überquere 10.000 ft bei 250 Knoten“ einzuhalten, wobei es Gegenwind und Temperaturabweichungen berücksichtigt. Autopilot und Autothrust befolgen die FMS-Befehle und sorgen für einen stabilisierten Anflug.

6. Flugführung

Flugführung umfasst die bordeigene Avionik, Steuerungsgesetze und Mensch-Maschine-Schnittstellen, die Navigations- und Flugprofilinformationen in umsetzbare Befehle für Steuerflächen und Triebwerke des Flugzeugs übersetzen. Dazu gehören der Autopilot (AP), Flugdirektor (FD), Autothrottle/Autothrust (AT) und zugehörige Anzeigesysteme.

Praktische Funktion

Im automatischen Flug erzeugt das FMS vertikale und laterale Führungsbefehle, die an Autopilot und Autothrust übertragen werden. Der Autopilot steuert Nick und Querlage entsprechend dem gewünschten Pfad, während Autothrust die Triebwerksleistung zur Einhaltung der Zielgeschwindigkeit regelt. Der Flugdirektor, meist als Kommandobalken oder Symbole auf dem Primary Flight Display (PFD) angezeigt, gibt visuelle Nick- und Rollanweisungen für das manuelle Fliegen – so kann der Pilot das Flugzeug präzise entlang des berechneten Pfads von Hand steuern.

Technische und regulatorische Details

Flugführungssysteme müssen strenge Zulassungsanforderungen an Integrität, Redundanz und Fehlermanagement erfüllen (siehe EASA CS-25, FAA Part 25, DO-178C). Das System muss eindeutige Modusanzeigen und klare Warnungen bei Ausfällen bieten und sowohl vollständige Automatisierung als auch manuelle Übersteuerung unterstützen. Fortgeschrittene Flugführungslogik steuert Übergänge zwischen Steig-, Reise-, Sink- und Anflugmodi und ermöglicht gekuppelte Anflüge bis CAT III-Minima auf ILS.

Beispiel

Während eines gesteuerten Sinkflugs folgen Autopilot und Autothrust dem vom FMS generierten vertikalen Pfad und passen Nick und Schub an, um alle Höhen- und Geschwindigkeitsbeschränkungen einzuhalten. Trennt der Pilot den Autopilot, bleibt der Flugdirektor aktiv und ermöglicht das manuelle Nachfliegen des berechneten Pfads mit visuellen Führungsanzeigen.

7. Höhenbeschränkung

Eine Höhenbeschränkung ist eine veröffentlichte oder von der Flugsicherung festgelegte Vorgabe, einen bestimmten Wegpunkt, Fix oder Abschnitt eines Verfahrens auf, über, unter oder innerhalb eines bestimmten Höhenbereichs zu überqueren. Höhenbeschränkungen gewährleisten Hindernisfreiheit, Verkehrstrennung und einen geordneten Ablauf von An- und Abflügen.

Arten von Höhenbeschränkungen

• Genau (harte Beschränkung): Das Flugzeug muss den Fix auf der angegebenen Höhe überqueren (z. B. „ÜBERQUERE XYZ AUF 10.000“).
• Auf oder über: Es darf den Fix nicht unter der angegebenen Höhe überqueren (z. B. „AUF ODER ÜBER 5.000“).
• Auf oder unter: Es darf den Fix nicht über der angegebenen Höhe überqueren (z. B. „AUF ODER UNTER 7.000“).
• Fenster (zwischen): Es muss sich innerhalb eines bestimmten Höhenbereichs befinden (z. B. „AUF ODER ÜBER 6.000, AUF ODER UNTER 8.000“).

Integration und Einhaltung

Das FMS integriert alle Höhenbeschränkungen in das vertikale Profil und stellt sicher, dass der berechnete Pfad alle Anforderungen für Hindernisfreiheit und ATC-Ablauf erfüllt. Das System plant bei Bedarf Level-Segmente, um harte oder Fensterbeschränkungen einzuhalten, und passt Steig-/Sinkraten entsprechend an. Im Cockpit werden Beschränkungen auf der FMS Legs Page, dem Navigationsdisplay und oft auch in der vertikalen Profildarstellung angezeigt.

Betriebliches Beispiel

Beim Anflug auf einen stark frequentierten Flughafen fordert die STAR das Überqueren von „WATER“ auf oder über 7.000 ft. Das FMS stellt sicher, dass das Flugzeug bis zum Passieren des Fixes nicht unter 7.000 ft sinkt und notfalls einen Level-off einlegt, bevor es den Sinkflug fortsetzt.

8. Geschwindigkeitsbeschränkung

Eine Geschwindigkeitsbeschränkung ist eine veröffentlichte oder von der Flugsicherung festgelegte Vorgabe, einen bestimmten Fix oder Wegpunkt mit einer angegebenen oder maximalen/minimalen Geschwindigkeit zu überqueren. Geschwindigkeitsbeschränkungen sind entscheidend für die Sequenzierung von Anflügen, das Lärmschutzmanagement und die sichere Durchführung in Terminalbereichen.

Durchsetzung und Anwendung im Flug

Geschwindigkeitsbeschränkungen werden als Teil des Flugplans ins FMS programmiert. Das FMS berechnet Verzögerungspunkte und plant Schubreduzierungen oder den Einsatz von Speedbrakes, damit das Flugzeug den Fix mit der geforderten Geschwindigkeit überquert. Autopilot und Autothrust arbeiten zusammen, um die Geschwindigkeit zu steuern, wobei das FMS Zielgeschwindigkeiten und rechtzeitige Warnungen bereitstellt.

Betriebliches Beispiel