9.6  Satellitennavigation (GPS, GLONASS, GALILEO ...)

Global navigation satellite systems

 

Vorwort

Seit 1995 gibt es das Amerikanische GPS System welches zunächst für Militärische Zwecke entwickelt wurde. Mittlerweile ist es unentbehrlich für die Navigation geworden und wird in fast unendlich vielen zivilen Anwendungen genutzt.

Um unabhängig vom Amerikanischen System zu werden haben die Russen ihr eigenes System entwickelt, das sie GLONASS nennen. Die Chinesen haben BEIDOU entwickelt und Europa betreibt seit 2016 GALILEO im Pilotbetrieb.

Nicht nur in der Fliegerei ist diese Art der Navigation mittlerweile nicht mehr wegzudenken und ersetzt zunehmend die traditionelle Navigation, z.B. Funknavigation, Trägheitsnavigation…

Die GPS Empfänger werden immer kleiner und leistungsfähiger, gleichzeitig immer preiswerter und sind mittlerweile in vielen Consumer-Produkten fest eingebaut.

Positionsbestimmungen und ableitend daraus Kurs- und Zielberechnungen erfolgen heute viel genauer und wesentlich schneller und unkomplizierter als sie zu vor GPS Zeiten jemals möglich waren.

 

Achtung!

Auch wenn sich hierdurch die Navigation im Flug zu früher deutlich vereinfacht hat, kann ein GPS System jederzeit ausfallen was im Flug natürlich erhebliche Probleme bereiten kann. Ggf. kann FIS hierbei helfen (siehe auch Kap 9.7)

GPS unterstützt die terrestrische Navigation aber es kann keine Sichtflugbedingungen und auch die gewissenhafte Flugvorbereitung nicht ersetzen!

Das Kapitel 9.6 ist in 2 Abschnitte unterteilt:

9.6.1 Funktionsprinzipien des GPS-Systems

9.6.2 Verwendung von GPS

 

9.6.1  Funktionsprinzipien des GPS-Systems

GPS bedeutet Global Positioning System, also weltweites Positionierungssystem. Es wird oft auch als GNSS - Global Navigation Satellite System - bezeichnet. Das (US) System besteht derzeit aus 24 operationellen Satelliten und einigen Ersatzsatelliten welche die Erde umkreisen.

Diese Satelliten, man nennt es auch „Das Raumsegment“, senden Daten (Almanach) in Signalform aus mit denen der GPS-Empfänger die Position der Satelliten bestimmen kann. Ein GPS ist also eine Art Funkempfänger. Es findet heraus, welchen der 24 Satelliten es empfangen kann und berechnet anhand der Laufzeit des Signals wie weit es von der momentanen Position dieses Satelliten entfernt ist. Sobald er vier oder mehr Satelliten empfängt, kann der GPS-Empfänger anhand der Laufzeit der Funksignale eine 3 D Berechnung durchführen wo er sich auf oder über der Erde befindet. Hierbei wird als die ganze Erde abdeckende Kartengrundlage das WGS 84 Format verwendet.

Abb. 9.6.1.1  Die Satelliten des GPS Systems

Die Satelliten befinden sich alle auf einer individuellen Umlaufbahn um die Erde in einer Höhe von etwa 20.000 km. Wenn man die Entfernung der Position von drei Satelliten kennt, kann man die eigene Position berechnen. Auf der Abbildung 9.6.1.2 sehen Sie die Satelliten A, B und C. Der GPS-Empfänger an Bord des Schiffes misst, wie lange das Signal unterwegs ist. So berechnet er die Entfernung zu diesen drei Satelliten. Mit drei Satelliten kann das GPS die Position des Schiffes bestimmen, es ist der Punkt an dem sich die drei Kreise schneiden. Man nennt dies auch 2D-Position. Es werden mindestens 4 Satelliten benötigt, um eine 3D-Position zu finden und einen sogenannten Zeitfehler zu beheben welcher durch die Signallaufzeit durch Ionossphäre entsteht. Dies wird im Bild durch den Satelliten D dargestellt, hier wird also noch zusätzlich die Höhe berechnet.

Generell gilt: Je mehr Satelliten ein GPS empfängt, desto genauer ist seine Berechnung.

9.6.1.2Abb. 9.6.1.2  Positionsbestimmung mittels Laufzeitmessung

Für eine zweidimensionale Positionsbestimmung ist also ein Empfang von mindestens 3 Satelliten notwendig, für eine dreidimensionale Positionsbestimmung (inkl. Höhe) müssen mindestens 4 Satelliten empfangen werden.

Beim Einschalten eines GPS Empfängers muss dieser zuerst die  Satelliten welche sich im Empfangsbereich befinden orten. Dies kann insbesondere bei älteren Empfängern einige Zeit („Searching the Sky“) in Anspruch nehmen. Bei moderneren GPS Empfängern gibt es hier oft eine Anzeige wieviele Satelliten gerade empfangen werden und ob der Empfänger bereit zur Navigation ist.

Die Genauigkeit des GPS beträgt im Schnitt 10 – 30 m, hierbei ist es wichtig dass die empfangenen Satelliten einen großen Bereich des sichtbaren Himmels abdecken. Die Genauigkeit hängt auch von Einflüssen in der Ionossphäre ab (Beugung, Reflexion)  sowie durch Wettererscheinungen in der Tropsphäre (Feuchtigkeit, Gewitter) beeinträchtigt werden. Ebenfalls können Signalablenkungen der Topographie (Reflexion) negativen Einfluss haben. Dazu kommt die generelle Fähigkeit des Betreibers (US Militär) mittels einschalten der Selective Availability die Genauigkeit künstlich zu verschlechtern.

Ein ungünstiger Einbau der GPS Antenne kann durch Abschattung in ungünstigen Fällen den Empfang eines oder mehrerer Satelliten vollständig verhindern.

Mittels eines ausgemessenen GPS Empfängers am Boden kann die Genauigkeit weiter in den Bereich von wenigen Zentimetern verbessert werden, dieses Verfahren nennt sich DGPS (Differential GPS).

In der kommerziellen Luftfahrt wird GPS mittlerweile auch häufig für Landeanflüge speziell an kleineren nicht kommerziellen Flugplätzen verwendet. Um sicherzustellen das das GPS System immer fehlerlos funktioniert wird ein SBAS (Space Based Augmentation System) verwendet welches direkt Ungenauigkeiten und Ausfälle meldet. Es ist in allen modernen IFR GPS Geräten integriert und kommuniziert direkt mit den Regionalen Systemen WAAS (USA), EGNOS (Europa), MSAS (Japan). 

Abb 9.6.1.3  GPS Satellit

 

9.6.2  Verwendung von GPS

Es gibt mittlerweile eine sehr große Anzahl von GPS Geräten welche in der Sportfliegerei verwendet werden können, sowohl portabel (z.B. Smartphone) als auch fest eingebaut. Fast alle dieser Geräte haben mittlerweile auch eine Moving Map welche den Luftraum in dem man sich bewegt sehr genau darstellt.

9.6.2

Abb. 9.6.2  Moving Map

Dies erleichtert die Navigation natürlich enorm und ist insbesondere bei komplizierten Lufträumen und beim Streckensegelflug mittlerweile fast unverzichtbar.

Einige weitere GPS basierte Verwendungen sind Logger (Flugwegsaufzeichnung) und FLARM. Dazu kommt in letzter Zeit verstärkt ADS-B.

 

9.6.2.1  FLARM

Seit 2004 wurde in der Schweiz ein einfaches und preiswertes System entwickelt um gefährliche Annäherungen und Zusammenstöße von Flugzeugen zu vermeiden. Dieses FLARM System ist mittlerweile weltweit anerkannt und wird durch die offene Architektur ständig weiterentwickelt.

FLARM warnt vor anderen Segelflugzeugen, Motorflugzeugen, Gleitschirm- und Drachenfliegern welche damit ausgerüstet sind und kann auch vor gefährlichen Hindernissen insbesondere in den Bergen warnen.

Zusätzlich zu einem GPS-Empfänger hat FLARM einen kleinen Sender/Empfänger an Bord, der seine Positionsdaten jede Sekunde mit einer Reichweite von im Durchschnitt etwa zwei bis acht Kilometern sendet und entsprechende Daten empfängt. Die effektive FLARM Reichweite hängt insbesondere von der Einbausituation der FLARM Antenne(n) ab.

Andere Luftfahrzeuge, die mit einem FLARM-System ausgestattet sind und sich in Reichweite befinden, berechnen laufend anhand der empfangenen Signale, ob sich eine gefährliche Situation entwickelt. Falls dies der Fall ist warnt FLARM optisch und akustisch, sowohl in Richtung und Entfernung als auch in Bezug auf den Höhenunterschied. FLARM warnt auch vor gefährlichen Objekten am Boden wie Kabeln, Masten, Türmen und so weiter.

Durch die laufende Weiterentwicklung von FLARM entsteht die Notwendigkeit die FLARM Firmware in regelmäßigen Abständen – am besten Jährlich bei der Wartung - auf den aktuellen Stand zu bringen, andernfalls ist das jeweilige FLARM System möglicherweise nicht mehr funktionsfähig !

Abb. 9.6.2.1.1  FLARM Anzeige

FLARM kann auch mit einem Navigationsprogramm wie z.B.See You verknüpft werden. Dann hat man die gesamte Navigation auf einem Bildschirm. Wenn sich ein Flugzeug mit FLARM nähert, gibt es eine optische und ggf. auch akustische Warnung wie z.B. die auf Abb. 9.6.2.1.2.

9.6.2.1.2Abb. 9.6.2.1.2   FLARM Anzeige integriert in Moving Map

Ein weiteres Beispiel zeigt dieses S80-Vario. Es sind die (Segel)Flugzeuge sichtbar, welche sich in einem Umkreis von 5 km befinden und mit FLARM ausgerüstet sind. Man sieht Ihre Flugrichtung und relative Höhe und kann die Flugzeuge auch individuell auswählen um weitere Informationen über sie zu erhalten.

Abb. 9.6.2.1.3  FLARM Anzeige integriert in Moving Map S80

 

9.6.2.2  ADS-B (Automatic Dependent Surveilance)

Eine weitere Anwendung des GPS in der allgemeinen Luftfahrt ist ADS-B. Immer mehr Flugzeuge werden mittlerweile mit ADS-B Empfängern und Sendern ausgestattet und ermöglichen so eine zusätzliche Information welche vor gefährlichen Annäherungen warnt. Oft erfolgt dies auch als Kombination aus FLARM und ADS-B.

ADS-B Geräte senden – typischerweise einmal pro Sekunde - Ihre Position und auch weitere Flugdaten ungerichtet auf 1090 MHz als „Broadcast“. Dies bezeichnet man als ADS-B Out.

Mit dem passenden ADS-B In Empfänger können diese Daten empfangen werden und entsprechend dargestellt werden.

Der große Vorteil von ADS-B ist die gegenüber FLARM erheblich größere Reichweite die bis zu 200 NM betragen kann, insbesondere bei Koppelung mit einem Mode S Transponder. Hiermit ist man dann auch für alle anderen Teilnehmer der Luftfahrt, insbesondere Motorflug und Airliner, sichtbar was insbesondere im Nahbereich der großen Verkehrsflughäfen einen gewaltigen Sicherheitsgewinn darstellt.

Ausstattung mit ADS-B ist mittlerweile Pflicht in einigen Ländern wie z.B. USA in speziellen Lufträumen.

 

9.6.2.3  Blick nach draußen

Auch wenn mittlerweile immer mehr Flugzeuge mit FLARM und/oder ADS-B ausgerüstet sind bringt das keine alleinige Sicherheit und ersetzt keineswegs eine intensive Luftraumbeobachtung. Auch sind diese Geräte keinesfalls gleichzusetzen dem TCAS (TrafficCollisionAvoidanceSystem) der Airliner.

Der Blick nach draußen ist und bleibt daher immer die wichtigste Sicherheitsregel!

Studiere die ICAO Karte vor dem Flug und nicht während des Fluges. Stelle sicher, dass Du am Boden herausgefunden hast, wie der Flugcomputer oder das elektronische Variometer und all die andere Elektronik an Bord funktioniert. Das als typisches Beispiel oben abgebildete S80 ist ein Instrument mit sehr vielen Funktionen und Darstellungen. Es wird einige Zeit dauern damit sicher und effizient umzugehen. Übe auf dem Boden ggf. mit dem ebenfalls verfügbaren Simulatorprogramm wie alles funktioniert. Wie findet man mit dem Flugcomputer den nächstgelegenen Flugplatz, wie stellt man die Lautstärke des Varios ein und so weiter…

Wenn Du einen Überlandflug gut vorbereitet hast und alles richtig eingestellt ist, brauchst Du die Instrumente während des Fluges kaum zu verstellen.

Du wirst viel sicherer und entspannter fliegen und kannst den Flug deutlich besser geniessen.