VNAV (Vertikale Navigation) – Luftfahrt-Glossar

Was ist VNAV (Vertikale Navigation)?

Vertikale Navigation (VNAV) ist eine hochentwickelte Funktion moderner Flugzeug-Avionik, die die Verwaltung des Höhen- und Geschwindigkeitsprofils eines Flugzeugs in allen Flugphasen automatisiert. VNAV ist in das Flight Management System (FMS) integriert und gewährleistet die Einhaltung veröffentlichter Verfahren, Anweisungen der Flugsicherung (ATC) sowie betrieblicher Effizienzziele, indem es dynamisch die optimale vertikale Flugbahn berechnet und steuert.

Im Gegensatz zur Lateralen Navigation (LNAV), die die horizontale Flugbahn des Flugzeugs steuert, ist VNAV für die vertikale Flugbahn verantwortlich – das Management von Steig-, Reise-, Sink- und Anflugphasen. Durch die Nutzung von Echtzeit-Leistungsdaten des Flugzeugs, Umweltbedingungen und Navigationsbeschränkungen generiert VNAV ein präzises vertikales Flugprofil. Diese Automatisierung reduziert die Arbeitsbelastung der Piloten, erhöht die Sicherheit und verbessert die Kraftstoffeffizienz.

VNAV arbeitet zusammen mit Autopilot, Flugdirektor und Schubregelsystemen (sofern vorhanden) und gibt in Echtzeit Kommandos zur Einhaltung der Geschwindigkeits- und Höhenziele. Das System ist entscheidend für die Einhaltung komplexer Höhen- und Geschwindigkeitsbeschränkungen bei Standard Instrument Departures (SIDs), Standard Terminal Arrival Routes (STARs) und verschiedenen Anflugverfahren, einschließlich RNAV-Anflügen mit vertikaler Führung.

Wie VNAV funktioniert: Systemarchitektur und Logik

VNAV ist tief in das FMS integriert und arbeitet mit Autopilot und Schubregelsystem zusammen. Das System verarbeitet kontinuierlich folgende Eingaben:

• Flugzeuggewicht, Kraftstoffmenge und Schwerpunktlage
• Triebwerksleistungsmerkmale
• Echtzeit-Umweltdaten (Wind, Temperatur, Luftdruck)
• Wegpunkte, Luftstraßen und prozedurale Beschränkungen aus Navigationsdatenbanken
• ATC-Freigaben und Geschwindigkeits-/Höhenbeschränkungen

Das FMS verwendet diese Eingaben, um einen „vertikalen Flugplan“ zu berechnen, der den Flug in Steig-, Reise-, Sink- und Anflugsegmente unterteilt. Die VNAV-Logik modelliert den Leistungsbereich des Flugzeugs und bestimmt den effizientesten, regelkonformen Flugweg. Sie gibt Kommandos an Autopilot und Schubregelsystem, um Neigung und Schub nach Bedarf anzupassen, automatisiert Moduswechsel (z. B. vom Reiseflug zum Sinkflug) und optimiert den Flugweg kontinuierlich anhand von Veränderungen der Bedingungen oder Anweisungen.

Fortschrittliche VNAV-Systeme können „4D“-Trajektorien steuern – nicht nur Position, Höhe und Geschwindigkeit, sondern auch Zeit – und unterstützen so zeitbasierte Ankünfte in stark frequentiertem Luftraum.

Komponenten und Modi von VNAV

Die VNAV-Funktion ist in mehrere Betriebsmodi unterteilt, die jeweils auf eine bestimmte Flugphase zugeschnitten sind:

VNAV Steigflug

• Zweck: Verwaltung des vertikalen Profils vom Start bis zur Reiseflughöhe (Top of Climb, TOC).
• Betrieb: Das FMS berechnet die effizienteste Steiggeschwindigkeit und stellt die Einhaltung von SID-Höhen-/Geschwindigkeitsbeschränkungen sicher.

VNAV Reiseflug

• Zweck: Hält die optimale Reiseflughöhe und -geschwindigkeit, einschließlich Step Climbs, wenn Kraftstoff verbraucht wird.
• Betrieb: Verwaltung von Reiseflug-Steigflügen und Einhaltung von Höhenänderungen während des Fluges.

VNAV Sinkflug

• Zweck: Automatisiert den Sinkflug aus der Reiseflughöhe, optimiert den Kraftstoffverbrauch und stellt die Einhaltung von STAR- und Anflugbeschränkungen sicher.
• Betrieb: Berechnet Top of Descent (TOD) und steuert das Sinkprofil, einschließlich Leerlaufschub, Verzögerungssegmente und erforderliche Level-Offs.

VNAV Anflug

• Zweck: Bietet vertikale Führung während des Anflugs, einschließlich Step-Down-Fixes und Gleitpfadverfolgung.
• Betrieb: Verfolgt veröffentlichte Sinkwinkel oder Step-Down-Höhen und schaltet im Endanflug in den Anflugmodus.

VNAV Fehlanflug

• Zweck: Automatisiert das vertikale Profil beim Durchstarten gemäß veröffentlichten Fehlanflugverfahren.
• Betrieb: Befiehlt den Steigflug zur Fehlanflughöhe und sequenziert Wegpunkte und Beschränkungen.

Konstruktion und Typen des Sinkprofils

VNAV bietet hauptsächlich zwei Arten von Sinkflugprofilen:

Performance Path Descent

• Definition: Das FMS berechnet einen kontinuierlichen, leerlaufenden Sinkflug vom Reiseflug (beginnend am TOD) bis zum ersten beschränkten Wegpunkt, um den Kraftstoffverbrauch zu minimieren.
• Anwendung: Wird genutzt, wenn ein kontinuierlicher Sinkflug möglich ist, um Level-Offs und Umweltauswirkungen zu minimieren.

Geometric Path Descent

• Definition: Das FMS führt den Sinkflug entlang eines festen vertikalen Winkels (z. B. 3 Grad) und stellt die Einhaltung veröffentlichter Anflugwinkel sowie die sichere Hindernisfreiheit sicher.
• Anwendung: Standard für Endsegmente von RNAV- und ILS-Anflügen mit vertikaler Führung.

Das FMS verankert den Sinkflug an der niedrigsten Beschränkung (z. B. Schwelle der Landebahn) und berechnet rückwärts die erforderlichen Sinkwinkel oder Leerlauf-Sinkpunkte, wobei es Wind, Temperatur und ATC-Änderungen dynamisch berücksichtigt.

Anforderungen an VNAV-Eingaben

Die Genauigkeit von VNAV hängt von vollständigen und korrekten Eingaben ab:

• Flugzeuggewicht und Schwerpunkt: Beeinflusst Geschwindigkeits- und Sinkberechnungen
• Leistungsdaten: Triebwerkstyp, Luftwiderstand, Schubeinstellungen
• Wetterdaten: Wind in Flughöhe, Temperatur, QNH
• Flugplan-Beschränkungen: Wegpunkte, Höhen-/Geschwindigkeitsbegrenzungen
• Anflug- & Fehlanflugverfahren: Müssen für VNAV-Führung im Anflug programmiert sein
• Crew-Überprüfung: SOPs verlangen eine Pilotenkontrolle vor Sinkflug und Anflug

Fehler oder Auslassungen bei den Eingaben können zu Nichteinhaltung und damit zu Sicherheits- und Regelverstößen führen.

Betriebliche Anwendungsfälle und Beispiele

Step-Down-Segmente im Anflug

Szenario: Mehrere Step-Down-Fixes bei einem RNAV-(GPS)-Anflug
VNAV-Lösung: Automatisiertes vertikales Profil erfüllt alle Höhenbeschränkungen und reduziert Arbeitsbelastung und Fehlerrisiko.

STARs und Sinkflüge auf Strecke

Szenario: STAR mit komplexen Beschränkungen
VNAV-Lösung: Berechnet und fliegt das richtige Sinkflug-Timing, steuert die Geschwindigkeit und stellt Level-Offs an allen Beschränkungen sicher.

Automatisierter Profil-Sinkflug in Hochleistungsflugzeugen

Szenario: Sinkflug eines Langstrecken-Businessjets
VNAV-Lösung: Das FMS sequenziert Step Descents, steuert Geschwindigkeitsübergänge und empfiehlt ggf. den Einsatz von Speedbrakes.

Handhabung von Höhenbeschränkungen und ATC-Einhaltung

Szenario: ATC gibt während des Sinkflugs eine neue Überflugbeschränkung vor
VNAV-Lösung: Das FMS berechnet den Sinkflugpfad sofort neu; Piloten überwachen und bestätigen die Änderungen.

VNAV bei RNAV-Anflügen: LNAV, LPV, LNAV/VNAV-Führung

Moderne Anflüge nutzen verschiedene Stufen der vertikalen Führung:

• LPV (Localizer Performance with Vertical Guidance): Bietet sowohl laterale als auch vertikale (Gleitpfad-)Führung mittels Satellitenaugmentation und ermöglicht ILS-ähnliche Minima.
• LNAV/VNAV: Nutzt entweder barometrische oder GPS-basierte vertikale Führung für RNAV-Anflüge; Minima liegen meist höher als bei LPV wegen möglicher barometrischer Fehler.
• LNAV / LP: Bieten nur laterale Führung; das vertikale Profil ist beratend und muss manuell überwacht werden.

VNAV ist entscheidend für beratende oder primäre vertikale Wegführung bei Anflügen, besonders wo Präzision gefordert ist oder Geländerisiken bestehen.

Einschränkungen und Aufgaben der Besatzung

VNAV ist kein „Set-and-Forget“-System. Für einen sicheren Betrieb ist Folgendes erforderlich:

• Korrekte und überprüfte Dateneingabe ins FMS
• Modusbewusstsein (Verständnis von VNAV-armed/active-Zuständen)
• Ständige Überwachung, insbesondere bei Übergängen oder neuen ATC-Freigaben
• Manuelles Eingreifen, wenn die VNAV-Führung im Widerspruch zu tatsächlichen ATC-Anweisungen oder betrieblichen Anforderungen steht

Schulung der Besatzung und prozedurale Disziplin sind für einen sicheren VNAV-Betrieb unerlässlich.

Zusammenfassung

VNAV (Vertikale Navigation) revolutioniert das vertikale Flugmanagement, indem es Höhen- und Geschwindigkeitskontrolle automatisiert und so in allen Flugphasen für Einhaltung, Effizienz und Sicherheit sorgt. Sie ist ein Grundpfeiler moderner Cockpit-Automatisierung und fortschrittlicher Flugoperationen.