Flugnavigation

Grundlagen-Mathematik-Kartenkunde

Wieland Richter

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2020
• ISBN drucken: 9783110676099
• eBook-ISBN: 9783110676174
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Rechtstheorie & -praxis

Aufgabe der Flugnavigation ist die Bestimmung von Positionen, Kursen und Flugzeiten auf der gewählten Strecke.Dieses Buch stellt systemunabhängig die mathematischen und physiklalischen Zusammenhänge Flugnavigation dar. Außerdem gibt es einen Überblick über die unverzichtbaren Grundlagen der Kartographie. Anhand eines durchgängigen Beispiels wird die Theorie veranschaulicht.

1Einführung

Die Aufgabe der Flugnavigation besteht in der Bestimmung von Positionen sowie Kursen und Flugzeiten auf der gewählten Strecke zum Ziel- bzw. Ausweichflughafen bei der Führung eines Luftfahrzeugs. Dies umfasst auch die Planungsphase. Begrifflich ist Navigation abzugrenzen von der Ortung bei der Luftraumüberwachung durch die Flugverkehrskontrolle im Rahmen der Verkehrswegesicherung.

Unter Flugtaktik werden die Teilaufgaben verstanden, welche außerdem innerhalb des Handlungskomplexes der Navigation von Luftfahrzeugen, vorwiegend auf elementaren mathematischen Beziehungen basierend, gelöst werden müssen.

Dabei besteht ein enger Zusammenhang zur Kartographie, welche die benötigten raum- und sachbezogenen Informationen bereitstellt. Dies sind thematische Karten zur Visualisierung der relevanten Objekte und ferner Navigationsdatenbanken, auf deren Grundlage taktische und navigatorische Berechnungen durch die bordseitigen Computer erfolgen können.

Die Anfangsjahre der Luftfahrt zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren durch die Koppelnavigation (engl. dead reckoning) dominiert. Diese besteht in der Messung oder Schätzung der Länge und Richtung eines oder mehrerer zurückgelegter Streckenabschnitte, bezogen auf den Startort oder darauffolgende Koppelorte, aufgrund von Kurs und Geschwindigkeit über einen gemessenen Zeitraum unter Berücksichtung aller vorhersehbaren Einflüsse. Entfernungs- und Kursfehler wachsen dabei linear mit der Zeit. Die verwendeten Hilfsmittel sind Magnetkompass, Stoppuhr und Flugkarte, ergänzt durch die regelmäßige Überprüfung des Standorts mittels sichtbarer Objekte oder Funkpeilung.

In den folgenden Jahrzehnten bis zum Ende des 20. Jahrhunderts fanden im kontinentalen Bereich vor allem die kooperativen Systeme der Funknavigation mit Boden- und Bordanlage Anwendung und ermöglichten eine weitgehende Unabhängigkeit von den Wetter- und Sichtbedingungen. Bei der Funknavigation werden Positionen und Kurse direkt durch Auswertung der Geräteanzeigen bestimmt.

Heutzutage bedeutet das Lösen der navigatorischen Aufgaben in der fliegerischen Praxis vorwiegend die Bedienung von Computern über Tastaturen und graphische Nutzerschnittstellen. Kenntnisse der sachlichen und mathematischen Zusammenhänge hinter den verwendeten Funktionalitäten sind für den Nutzer oft nicht mehr notwendig – solche werden durch die tägliche Routine nicht mehr motiviert. Daher fokussiert dieses Kompendium die systemunabhängige und immer gültige Mathematik der Flugtaktik und Navigation, verknüpft mit den Besonderheiten der Luftfahrtkarten. Im Vordergrund stehen hier geometrische sowie mathematische Zusammenhänge und weniger technische Realisierungen.

Die unverzichtbaren begrifflichen und sachlichen Grundlagen der Flugnavigation werden in Kapitel 2 behandelt. Die Kapitel 3 und 4 bieten, zum Teil mit rechnerischen Beispielen, die Lösung der navigatorischen Aufgabenstellungen anschaulich detailliert und taschenrechnertauglich dar1. Das Kapitel 5 behandelt die theoretischen Aspekte der Navigationskarten sowie deren praktischen Gebrauch bzw. deren Interpretation. Einerseits soll das Konzept für die Visualisierung sowohl der imaginären dreidimensionalen Objekte der Luftraumstruktur, zum Teil kombiniert mit realen Objekten der Erdoberfläche, aber auch der Flugverfahren mit deren dynamischen Komponente vermittelt werden. Darüberhinaus werden durch die Behandlung der Abbildungseigenschaften der Navigationskarten deren Anwendungsgrenzen aufgezeigt.

So wird ein Wissen bereitgestellt, welches bei der Nutzung beliebiger Kartenwerke sowie kartographischer Medien und Produkte zum Zweck der Flugnavigation, unter Beachtung der Signaturenkataloge und Systembeschreibungen der Hersteller, Aktualität und Relevanz behält.

Zu den Systemen der Funknavigation (Peiler, ungerichtete-/gerichtete Funkfeuer, Funkentfernungsmessung), zu Primär- und Sekundärradar, zu Präzisionsanflügen sowie zu Trägheits- und Satellitennavigation ist zahlreiche Fachliteratur verfügbar. Daher skizziert das vorliegende Buch diese Systeme nur soweit, wie für das Erfassen des jeweiligen Themas erforderlich.

Flugbetriebliche Begriffsdefinitionen, detaillierte Vorschriften und Durchführungsbestimmungen werden in der Verordnung der EU-Kommission EU-VO 965/2012 zusammengefasst.

2Navigatorische Grundlagen

2.1Standflächen und Standlinien

Eine Standfläche ist die Menge aller Orte im Raum, auf welcher eine geometrische Größe (Winkel, Entfernung, Entfernungsdifferenz) einen bestimmten konstanten Zahlenwert hat. Diese wird durch die Messung einer proportionalen physikalischen Größe (Phasenwinkel, Laufzeit eines Signals, Laufzeitdifferenz) bestimmt. Ist die geometrische Größe ein Winkel, so ist die Menge der Orte, welche die Winkelbedingung erfüllen, eine Ebene – siehe Abbildung 2.1. Ist diese Größe eine bestimmte Entfernung zu einem Bezugspunkt, ergibt die Menge aller Orte mit dieser Entfernung eine Kugel. Alle Orte mit einer bestimmten Entfernungsdifferenz zu zwei Bezugspunkten bilden ein Hyperboloid-Paar.

Abb. 2.1: Standfläche und -linie aus Winkelmessung

Eine Standlinie (line of position – LOP) ist die Schnittmenge einer Standfläche mit der als eben angenommenen Erdoberfläche (EO). Der Schnitt einer Ebene mit der EO ergibt eine Gerade, der Schnitt einer Kugel mit der EO ergibt einen Kreis und der entsprechende Schnitt eines Hyperboloids ist eine Hyperbel.

Die Position im Raum ist der Schnittpunkt dreier Standflächen. Der gemessene Standort auf der EO (fix) ist der Schnittpunkt zweier Standlinien – siehe auch Abschnitt 4.4. Der wahre Standort (P*) ist die Normalprojektion des Luftfahrzeugschwerpunkts (P) auf die EO. [16]

2.2Winkel, Kurse und Peilungen

2.2.1Winkel

Ein Winkel (angle) ist die Differenz zweier von einem Punkt ausgehenden Richtungen. Dieser kann orientiert (mit Bezugsrichtung) oder nichtorientiert sein.Winkel werden angegeben im Bogenmaß als Vielfaches von π, in Grad oder Gon, wobei der Vollkreis 2π, in der Sexagesimalteilung 360∘ (Ortung und Navigation) oder 400 Gon (Vermessung) umfasst. Ein Grad [∘] gleicht 60 Bogenminuten [’], eine Bogenminute wird aus 60 Bogensekunden [”] gebildet. Ein Gon ist der hundertste Teil des rechten Winkels, damit gilt: 1 Gon = 0,9∘.

2.2.2Kurs

Der Kurs (course) ist ein in der Horizontalebene gemessener Winkel. Dieser ist eine Steuerungsgröße und wird von einer anzugebenden Bezugsrichtung aus im Uhrzeigersinn von 000∘ bis 359∘ gez...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Einführung
• 2 Navigatorische Grundlagen
• 3 Berechnung flugtaktischer Größen
• 4 Berechnung navigatorischer Größen, Schnitt von Standflächen und Standlinien
• 5 Luftfahrtkarten
• Abkürzungsverzeichnis
• Symbolverzeichnis
• Literatur
• Stichwortverzeichnis