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
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