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Wie finden Flugzeuge ihren Weg am Himmel?

07.09.2017 - 08:41 0 Kommentare

Was das Navi im Auto kann, sollte doch auch ein Flugzeug können, oder? Langstreckenpilot Nikolaus Braun erklärt, wieso ein Flugzeug sich auch ohne Satellitenempfang zurechtfinden muss und welche Bedeutung Luftstraßen haben.

Navigation Display im Cockpit einer MD-11. - © © AirTeamImages.com - Felix Gottwald

Navigation Display im Cockpit einer MD-11. © AirTeamImages.com /Felix Gottwald

Das Navigationssystem im Auto leistet gute Dienste. Egal ob im Handy, tragbar oder fest im Auto verbaut - es findet seine Position auf den Straßen überwiegend mit Hilfe des Satellitennavigationssystems GPS. Dabei ist die Genauigkeit des GPS oft überraschend gut und manch gelegentliche Abweichungen nicht weiter störend.

So einfach ist es im Flugzeug jedoch nicht. Hier muss die Navigation kontinuierlich zuverlässig funktionieren und darf nicht "springen". Diese hohen Anforderungen haben dazu geführt, dass erst in den vergangenen Jahren das GPS mehr und mehr in Verkehrsflugzeugen genutzt wird. Hinzu kommt, dass man sich lange anders behelfen konnte.

Wie kann man ohne GPS navigieren?

Grundlage für die moderne Navigation in Flugzeugen bilden die Trägheitnavigationssysteme, im englischen Inertial Reference System (IRS) genannt. Ein IRS besteht aus Kreiseln als Drehsensoren und Beschleunigungsmessern. Mit Hilfe dieser hochpräzisen Sensorik kann ein IRS Veränderungen der Lage im Raum und auch Richtungen und Bewegungen erkennen. Aus diesen Informationen wird rechnerisch eine Veränderung der Position bestimmt, wenn sich das Flugzeug bewegt.

Die Krux: Das IRS weiß nicht, wo es ist. Es kann nur Veränderungen messen. Es muss daher am Anfang auf die aktuelle Position eingestellt werden und rechnet sich ausgehend von dieser einen Angabe alle neuen Positionen aus. Das Problem ist dabei, dass auftretende Fehler - und mögen sie noch so klein sein - sich als Folgefehler mit der Zeit aufaddieren. Die Positionsberechnung wird mit der Zeit immer ungenauer.

Das IRS braucht Hilfe von außen, damit es sich von Zeit zu Zeit wieder selber korrigieren kann. Es muss "gestützt" werden. Dieses "Stützen" erledigen heutzutage die GPS-Empfänger, die eine Positionsinformation empfangen, deren Fehler über die Zeit konstant bleibt. Vor dem GPS Zeitalter hat man sich anders beholfen.

Ist ein Funkfeuer in der Luftfahrt wie ein Leuchtturm auf See? Und was ist, wenn man wegen Wolken das Funkfeuer nicht sehen kann?

Maik L.

Über viele Jahre hinweg waren die Funkfeuer das Maß aller Dinge. Die einfachste Form ist dabei ein ungerichteter Sender (englisch: Non-directional Beacon, NDB), der geortet werden kann. Das bedeutet, dass das Flugzeug die Richtung zum Sender angezeigt bekommt, wie der Kompass der immer zum magnetischen Pol zeigt. Im Umkehrschluss bedeutet das aber auch, dass das Flugzeug nicht weiß, wo es sich in Bezug auf den Sender befindet.

Dieses Manko stellten die gerichteten Drehfunkfeuer (englisch: VHF Omnidirectional Range, abgekürzt VOR) ab, die einen Kurs zum Funkfeuer angezeigt haben. Dieser Kurs konnte fixiert werden, so dass auch Abweichungen angezeigt wurden. Ein VOR ist damit sehr viel funktionsfähiger als ein einzelner "Leuchtturm", der lediglich Sektoren anzeigen kann.

So sieht ein VOR/DME UKW-Drehfunkfeuer aus. Es leuchtet nicht wie ein Leuchturm, denn Sichtkontakt benötigt man zu den Funkfeuern in den Luftfahrt natürlich nicht. Foto: © DFS

Mit Hilfe von diesen NDBs und VORs wurden die ersten Luftstraßen erstellt, von Funkfeuer zu Funkfeuer führten sie über Land. Mit dem Aufkommen der Trägheitsnavigationsgeräte konnten die Abstände zwischen den Funkfeuern erhöht werden: Es musste nicht mehr kontinuierlich ein Funkfeuer empfangen werden, sondern es reichte aus, wenn die IR-Systeme von Zeit zu Zeit gestützt wurden und damit der entstandene Fehler korrigiert werden konnte.

Aus dieser Zeit, als große Fehler in der Positionsbestimmung normal waren, stammen die Luftstraßen, wie wir sie heute noch kennen: Eine genaue Navigation auf der Mitte der Luftstraße war praktisch kaum möglich, weshalb man von vornerein einen Korridor als Luftstraße plante, der üblicherweise eine Breite von 10 bis 20 NM hatte.

Deutlich genauer wurde die Navigation durch die Einführung von Entfernungsmessanlagen, den sogenannten DMEs (englisch: Distance Measuring Equipment). Durch die DMEs, die in der Regel mit den VORs zusammen gebaut werden, kann die Distanz zum Sender an Bord angezeigt werden. Der große Vorteil der DMEs ist die deutlich höhere Genauigkeit. Eine Positionsbestimmung mit zwei DMEs ist daher viel präziser gegenüber der Kreuzpeilung zweier VORs, deren Ungenauigkeit mit der Distanz zunimmt.

Die Trägheitsnavigationssysteme der 1980er-Jahre konnten bereits selbstständig zwei DMEs gleichzeitig auswerten und damit laufend ihre Position aktualisieren. Durch diesen Schritt waren die Flugzeuge praktisch nicht mehr darauf angewiesen, die Funkfeuer direkt zu überfliegen. Neue Luftstraßen konnten auf Basis von Wegpunkten erstellt werden, die nur noch über Koordinaten definiert waren.

An diesem Grundsatz hat sich in großen Teilen der Welt bis heute nicht mehr viel verändert. Die Einführung des GPS als Stütze für das IRS hat zu guter Letzt lediglich die Genauigkeit erhöht, an der Art und Weise der Navigation aber nicht viel verändert.

Wie sieht die Zukunft aus?

Aktuell sind vor allem in Europa stark unterteilten Lufträume ein Hindernis. Die Flugsicherungen sind in Länderhoheit. Ein großes EU-Projekt bemüht sich dieses und andere Hindernisse in einem "Single European Sky" zu beseitigen und den Rahmen für einen effizienten Luftraum zu schaffen. In diesem großen Forschungsprojekt werden diverse Ansätze zur Optimierung verfolgt. Ein Teilbereich ist beispielsweise die länderübergreifende Einteilung des Luftraumes in große, funktionale Bereiche (FAB). Ein anderer ist die Organisation des Verkehrs.

Was die Zukunft bringt, wird sich zeigen. Verschiedene europäische Regionen (z.B. Portugal, Skandinavien) praktizieren im oberen Luftraum "Free Routings" von Grenze zu Grenze schon seit Jahre, haben aber noch eine Luftstraßenstruktur auf dem Papier. Ungarn hingegen hat Anfang 2015 alle Luftstraßen im oberen Luftraum abgeschafft und setzt konsequent nur noch auf "Directs". Mehr zum SESAR Joint Undertaking .

Wie werden Luftstraßen geplant?

Heutige Luftstraßen werden entsprechend frei den Bedürfnissen nach geplant: Zuvorderst stehen hierbei die Verkehrsströme. Sie geben den grundsätzlichen Bedarf vor, variieren aber auch, gerade wenn die vorherrschenden Winde Tag für Tag leicht unterschiedliche Streckenführungen begünstigen. Der zweite Parameter sind die Lufträume: Neben den aus technischen, politischen oder praktischen Gründen vorgenommenen Unterteilungen des Luftraums gibt es auch für den Verkehr gesperrte Lufträume. Kleinräumig können dies wichtige Gebäude oder Bodenanlagen und Großereignisse sein, großräumig sind dies üblicherweise militärische Sperrgebiete für Übungen.

Alles in allem ist die Struktur des Luftstraßennetzes sehr fixiert. Änderungen erfordern einen großen organisatorischen Aufwand, damit alle Nutzer weltweit (Piloten, Flugplaner, Karten- und Datenbankhersteller) auf demselben Informationsstand sind. Kurzfristige Änderungen, die nicht mehr in den vierwöchigen Aktualisierungszyklus eingepflegt werden können, werden als Ergänzungsinformation (Notice To AirMen, NOTAM) zu den veröffentlichten Unterlagen separat veröffentlicht. Für einen Langstreckenflug über 10.000 Kilometer können diese Änderungen leicht dreißig DIN-A4-Seiten Umfang annehmen.

Gibt es auch Abkürzungen?

Wenn von Luftstraßen abgewichen wird, werden zwei Möglichkeiten genutzt: Zum einen kann der Fluglotse ein "Direct" geben, dabei wird ein Flug unter Auslassung anderer Wegpunkte auf direktem Weg zu einem Wegpunkt freigegeben - eine Abkürzung. Üblich sind zum Beispiel "Directs" vom Einflug in einen Sektor zum Übergabepunkt in den nächsten Sektor oder auch "Directs", die Ecken in den Luftstraßen abkürzen. Da ein "Direct" aber fast immer eine erhöhte Arbeitsbelastung für den Lotsen darstellt, werden sie immer entsprechend der Verkehrssituation im Einzelfall gewährt oder auch nicht.

Die zweite Möglichkeit ist die Anweisung eines "Headings", also eines Steuerkurses. Diese Methode wird vor allem dann genutzt, wenn zwei Flugzeuge sich in derselben Höhe begegnen und der Lotse sicherstellen will, dass bestimmte Sicherheitsabstände nicht unterschritten werden. Von Pilotenseite aus werden "Headings" dann angefragt, wenn zum Beispiel Wolken umflogen werden sollen.

Über den Autor

Regelmäßig beantwortet Verkehrsflugzeugführer Nikolaus Braun in der airliners.de-Serie "Antworten aus dem Cockpit" Fragen zu Piloten-Themen rund um Luftfahrttechnik & Flugbetrieb. Wenn Sie auch eine Frage haben, schreiben Sie an antwortenausdemcockpit@airliners.de

Nikolaus BraunNikolaus Braun ist Pilot bei einer großen deutschen Fluggesellschaft und fliegt derzeit auf Airbus A330/A340. Der studierte Dipl-Ing. (FH) für Luftfahrtsystemtechnik und -management berät zudem nebenberuflich mit seiner Firma Nikolaus Braun Aviation Consulting (NBAC) bei Projekten aus Forschung, Entwicklung, Gesetzgebung und Lehre.

Von: Nikolaus Braun für airliners.de
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