Funkortung und Funknavigation: Eine Einführung in die Grundlagen, Verfahren und Anwendungen

161 Pages·1995·3.06 MB·German

by  Erwin Lertes (auth.)

Erwin Lertes
Funkortung und
Funknavigation
Aus dem Programm ____________ _...
Nachrichtentechnik
Schaltungen der Nachrichtentechnik
von D. Stoll
Verstiirkertechnik
von D. Ehrhardt
Berechnungs- und Entwurfsverfahren der Hochfrequenztechnik
von R. GeiBler, W. Kammerloher und H. W. Schneider
Entwurf analoger und digitaler Filter
von O. Mildenberger
Mobilfunknetze
von R. Eberhardt und W. Franz
Weitverkehrstechnik
von K. Kief
Signalanalyse
von W. Bachmann
Digitale Signalverarbeitung
von Ad. v. d. Enden und N. Verhoeckx
Analyse digitaler Signale
von W. Lechner und N. Lohl
Optoelektronik
von D. Jansen
Fernsehtechnik
von L. Krisch
Handbuch der Operatoren fur die Bildbearbeitung
von R. Klette und P. Zamperoni
Industrielle Bildverarbeitung
von R. Schmid
Vieweg ________________- /
Erwin Lertes
Fnnkortungund
Funknavigation
Eine Einfiihmng in die Gmndlagen,
Verfahren und Anwendungen
Mit 86 Abbildungen und 12 Aufgaben
mit LOsungen
Herausgegeben von Wolfgang Schneider
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Lertes, Erwin:
Funkortung und Funknavigation: eine Einfiihrung in
die Grundlagen, Verfahren und Anwendungen; mit
12 Aufgaben mit Losungen 1 Erwin Lertes. Hrsg. von
Wolfgang Schneider.
ISBN 978-3-528-04936-2 ISBN 978-3-663-12124-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-12124-4
Alle Rechte vorbehalten
©Springer Fachmedien Wiesbaden 1995
UrsprUnglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1995
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt.
Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes
ist ohne Zustimmung des Verlages unzuliissig und strafbar. Das gilt ins
besondere fiir Vervielfiiltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden
Gedruckt auf siiurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-04936-2
Vorwort
Das vorliegende Buch gebt auf meine Lehrveranstaltungen im Rahmen des
Hauptstudiums fUr Studierende der Nachrichtentechnik an der Fachhochschule
Wiesbaden zuruck.
Es vermittelt die wesentlichen Grundlagen der Informationsgewinnung fur die
Funkortung und Funknavigation. Die Anwendungen wurden exemplarisch ohne
Anspruch auf Vollstiindigkeit gewiihlt.
Das Buch wendet sich an Studierende der Nachrichtentechnik an Fach
hochschulen und Universitiiten, an Systemplaner, an Entwicklungs-, Erprobungs
und Wartungsingenieure in der Industrie und an Ingenieure fernmeldetechnischer
Dienste.
Das Buch berucksichtigt des weiteren Aspekte der Technik-lNavigationsaus
bildung von Piloten.
Den Firmen Alcatel - SEL, C. Plath GmbH, Rhode & Schwarz, Siemens und
Telefunken danke ich fur die Bereitstellung von Firmenschriften.
Der Flugsicherungsakademie der DFS danke ich fur die Uberlassung von Lehr
material fur ihre interne Ingenieur- und Technikerfortbildung.
Ganz besonderer Dank gebuhrt meiner Frau, Dipl.-Chem. Ellen Lertes, und
meiner Tochter, Dipl.-Bio. Bettina Lertes, fur die DurchfUhrung der anfallenden
Textverarbeitung.
Frau Dipl.-Ing. Cornelia Nitschinger danke ich fur die Erstellung des Bild
materials mit CAD.
Russelsheim, im Januar 1995 Erwin Lertes
Inhalt VII
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen ....... ..... .................... ..... ... .... ........... ................ ..... ......... ................. .... 1
1.1 Einleitung. ............. ..... ... ..... .... ..... ..... ....... ................. ..... ................... .......... ... 1
1.2 Terminologie. ....... ........... ..... ............. .......... ....... ..................... ....... ...... ... ...... 1
1.3 Gestalt und geographische Koordinaten der Erde ... ..... .................... ...... ...... 1
2 Ausbreitung von Funkwellen ............................................................................. 4
2.1 Einleitung..................................................................................................... 4
2.2 Bodenwellenausbreitung (B) ....................................................................... 6
2.2.1 Feldbeschreibung ............................................................................. 6
2.3 Raumwellenausbreitung .............................................................................. 9
2.3.1 Feldbeschreibung ............................................................................. 9
2.3.2 Struktur und Eigenschaften der Ionosphiire ..................................... 12
2.3.3 Kritische Frequenz und Grenzfrequenz............................................ 13
2.4 Ubedagerung von Boden-und Raumwellen (B+R) .................................... 15
2.5 Troposphiirische Wellenausbreitung ........................................................... 16
2.5.1 Aufbau der Troposphiire ................................................................... 16
2.5.2 Optische Sichtweite .......................................................................... 16
2.5.3 Brechungseffekte .............................................................................. 17
2.5.4 Troposphiirische Streuung................................................................ 18
2.5.5 Absorption (Diimpfung) ................................................................... 18
2.5.6 Polarisation ....................................................................................... 19
3 Funkpeilung .. ... ... ..... ....... ..... ............ ..... ....... ..... ..... ....... ..... ..... ............. ..... ...... .... 20
3.1 Einleitung.. ..... ............. ..... ....... ..... ....... ..... ........... ........ ............ ..... ...... ...... .... 20
3.2 Drehrahmenpeiler... ..... .... ..... ..... ..... ... .... ..... ....... ....... ..... ....... ...... ..... ...... ...... 20
3.2.1 Bodenwellenpeilung......................................................................... 21
3.2.2 Raumwellenpeilung .......................................................................... 23
3.2.3 Ferritrahmen ..................................................................................... 24
3.3 Dreh-Adcock-Peiler ..................................................................................... 24
3.3.1 Adcock-Prinzip................................................................................. 24
3.3.2 Koaxial- und koplanar-Doppelrahmen............................................. 29
3.4 Goniometerpeiler ......................................................................................... 30
3.4.1 Prinzip .............................................................................................. 30
3.4.2 Goniometerpeiler mit Kreuzrahmen ................................................. 31
3.4.3 Goniometerpeiler mit 4fach-Adcock ................................................ 31
3.5 Watson-Watt-Peiler ...................................................................................... 32
3.5.1 Watson-Watt-Prinzip ........................................................................ 33
3.5.2 Watson-Watt-Peiler mit Kreuzrahmen .............................................. 33
3.5.3 Watson-Watt-Peiler mit 4fach-Adcock............................................. 36
3.5.4 Tangentenpeilsysteme ...................................................................... 39
3.5.5 Untersuchung von Peilellipsen ........................................................ 40
VITI Inhalt
3.5.6 Modifizierte Watson-Watt-Peiler ...................................................... 44
3.5.7 Komponentenauflosung von Gleichkanalsendem ....... ................ .... 45
3.5.8 VHFIUHF-Adcock-Anlagen ............................................................ 46
3.5.9 Anwendungen .................................................................................. 47
3.6 Interferometerpeiler ..................................................................................... 47
3.7 Doppler-Peiler .............................................................................................. 49
3.8 Peilen mit Richtantennen ............................................................................. 52
3.9 Mehrwellenpeilung ...................................................................................... 52
3.10 Ortung mit Funkpeilem ............................................................................... 53
3.10.1 Fehlerbetrachtung des gemessenen Azimuts ......................... .... ....... 53
3.10.2 Ortung mit einem Funkpeiler ........................................................... 56
3.10.3 Ortung mit zwei Funkpeilem ........................................................... 56
3.10.4 Ortung mit n Funkpeilem................................................................. 58
4 Radar .................................................................................................................. 60
4.1 Radarprinzip ................................................................................................ 60
4.2 Grundlegende Radarverfahren .................................................................... 61
4.2.1 Impulsradar ....................................................................................... 61
4.2.2 CW-Radar ......................................................................................... 63
4.2.3 FMlCW-Radar .................................................................................. 65
4.2.4 Sekundiirradar ................................................................................... 67
4.3 Antennen ...................................................................................................... 67
4.4 Radargleichung ............................................................................................ 69
4.4.1 Allgemeine Herleitung ..................................................................... 69
4.4.2 Radarriickstrahlfliiche O'R •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 72
4.4.3 Gesamtverluste La.. ........................................................................... 74
4.5 Radar mit Impulskompression Lges .............................................................. 75
4.6 Ausgewiihlte Themen der Radaranwendungen ........................................... 75
4.6.1 Radarrundsichtanlagen der Luftfahrt ............................................... 76
4.6.2 Seitensichtradar ................................................................................ 79
4.6.3 Radar in der Schiffahrt ..................................................................... 81
4.6.4 Radar im StraJ3en-und Schienenverkehr .......................................... 81
4.6.5 Laser-Radar ....................................................................................... 83
5 Doppler-Navigator ............................................................................................. 84
5.1 Einleitung..................................................................................................... 84
5.2 Bestimmung der Grundgeschwindigkeit ..................................................... 84
5.3 Bestimniung der Abdriftung vom Kurs ....................................................... 85
5.4 Systeme mit drei und mehr Strahlem .......................................................... 86
6 Drehfunkfeuer der Luftfahrt ............................................................................ 87
6.1 Einleitung..................................................................................................... 87
6.2 UKW-Drehfunkfeuer ................................................................................... 87
6.3 Doppler-UKW-Drehfunkfeuer ..................................................................... 90
6.4 EntfernungsmeBsystem DME ...................................................................... 92
6.5 TACAN (Tactical Air Navigation) ............................................................... 92
Inhalt IX
7 Ungerichtetes Funkfeuer der Luftfahrt ............... ............................................ 93
7.1 Einleitung..................................................................................................... 93
7.2 NDB-Sendeantennen.. ..... .............................. .................................. ........ .... 93
7.3 RadiokompaB ......... ... ............................. ........................................ .... ... ....... 94
8 Funkhilfe der Luftfahrt ffir den Landeanflug ................................................ 95
8.1 Einleitung..................................................................................................... 95
8.2 ILS ............................................................................................................... 95
8.2.1 Allgemeines ...................................................................................... 95
8.2.2 Landekurssender .............................................................................. 96
8.2.3 Gleitwegsender ................................................................................. 96
8.2.4 Bordempfanger ................................................................................. 96
8.3 MLS ............................................................................................................ 97
8.3.1 Allgemeines ................................................................. ,.................... 97
8.3.2 Prinzip der Winkelbestimmung imAzimut-und Elevationsbereich 97
8.3.3 Vergleich von MLS und ILS ............................................................. 98
9 Hyperbelortungssysteme ..... .... ............ ..... ........................................ ................. 99
9.1 Einleitung..................................................................................................... 99
9.2 DECCA ........................................................................................................ 100
9.3 OMEGA ....................................................................................................... 102
9.4 LORAN ........................................................................................................ 104
9.4.1 Systemvarianten ............................................................................... 104
9.4.2 LORAN-A ........................................................................................ 104
9.4.3 LORAN-C ........................................................................................ 106
9.4.4 LORAN-D ........................................................................................ 107
10 CONSOL-Funkfeuer ......................................................................................... 109
10.1 Einleitung..................................................................................................... 109
10.2Prinzip .......................................................................................................... 109
10.3 Peilung ......................................................................................................... 110
10.4 Ausblick ....................................................................................................... 110
11 Satellitengestiitzte Funkortung .... ................................ ..... ..... ..... ......... ........ ..... 111
11.1 Einleitung .... ......... .......... .......................... ....... ................................... .......... 111
11.2 Satellitenbahnen ........... ............ ............. ... ....... ....... ... ........................... ....... 111
11.3 TRANSIT ..................................................................................................... 112
11.4GPS .............................................................................................................. 114
X Inhalt
Anhang .................................................................................................................... 117
A.l Triigheitsnavigation. ..... ........ ..... ......................... .... ..... ..... ..... ...... ... ... ... ... .... 117
A2 Kenngr6J3en elektromagnetischer Stoffsysteme ............ ..... ..... ...... ...... .... .... 118
A2.1 Klassifizierung von Stoffsystemen ... ..... ............. ....... ...... ..... .... ... .... 118
A2.2 Stoffkonstantenbeschreibung ........................................................... 119
A2.3 Ebene Welle in einem unbegrenzten verlustbehafteten Medium ..... 120
A3 Kritische Frequenz, Grenzfrequenz und Diimpfungskonstante einer
Ionosphiirenschicht .. ....... ..... ....... ..... ....... ..... ....... ....... ... ......... ...... ..... ...... ..... 122
A3.1 Ionosphiire als Plasma ...................................................................... 122
A3.2 Erste Maxwellsche Gleichung fUr ein Plasma .................................. 122
A3.3 Kritische Frequenz einer Ionosphiirenschicht .................................. 124
A.3.4 Grenzfrequenz einer Ionosphiirenschicht ......................................... 125
A3.5 Diimpfungskonstante einer Ionosphiirenschicht .............................. 126
A4 Ausbreitung von VLF-Wellen in Seewasser ................................................ 126
A4.1 Dielektrisches Verhalten ................................................................... 126
A4.2 Grenzschicht Luft / Seewasser ......................................................... 128
A4.3 Empfang in Seewasser ...................................................................... 129
A5 Niiherungsformel zur Berechnung des Richtfaktors und des Gewinns
einer Antenne .............................................................................................. 130
A.5.1 Grundbegriffe ................................................................................... 130
A5.2 Richtfaktorberechnung .................... ....... ........... ........ ... ........ ........ .... 131
A.5.3 Niiherungsformel.............................................................................. 132
A.6 Rahmenantenne ........................................................................................... 132
A6.1 Zusammenfassung der EM-Feldbeziehungen aus Kapitel 2
mit Ergiinzungen............................................................................... 132
A6.2 Magnetischer FluJ3 durch einen dreidimensionalen Rahmen .......... 134
A.6.3 Spannungsgleichungen .................................................................... 135
A6.4 Diskussion zu Kapitel 3 ................................................................... 136
A.7 Radarfrequenzbiinder................................................................................... 137
A 8 H6henmessung in der Luftfahrt ................................................................... 137
A.8.1 H6henangaben.................................................................................. 137
A8.2 Barometrische H6henmessung ......................................................... 138
A.8.3 Funkh6henmessung ......................................................................... 138
A.9 Relative Geschwindigkeit des Flugzeugs gegeniiber der Luft .................... 139
Literaturverzeichnis ................................................................................................ 141
Sachwortverzeichnis ................................................................................................ 148