Einführung in die Navigation

Diese Seite enthält die Grundlagen des Stoffes, der im Fach Navigation in der ersten Ausbildungsstufe für die Segelflugabzeichen A, B und C benötigt wird. Die Zusammen- stellung entstand als Unterrichtsvorbereitung und ist nur als Rumpfskript zu verstehen. Dringend muß geraten werden, vertiefend die unten genannte Literatur zu studieren.  1. Einführung und Übersicht Definition der Navigation:  Gesamtheit aller Maßnahmen, Vorgänge und Verfahren, um den Weg eines (Luft)-Fahrzeuges von einem Ort A zu einem Ort B festzulegen und diesen so schnell und sicher wie möglich zu erreichen. Arten der Navigation: Sichtnavigation (terrestrische Navigation): Flugführung nach markanten, gut sichtbaren Geländepunkten mit Hilfe von Karten und Kompaß. Nur möglich über Land, bei markantem Gelände, Sichtflugbedingungen und Tag. Koppelnavigation: Kurs, Entfernung, Standort werden aus zur Verfügung stehenden Navigationsdaten wie Flugrichtung, Geschwindigkeit, Zeit, Wind rein rechnerisch ermittelt. Standort ergibt sich durch Ankoppeln der bereits geflogenen Strecke an den Abflugort. Nicht als alleiniges Nav.-Verfahren anwenden! Funknavigation (engl. Radio Navigation): Standort und Flugweg werden durch bordseitige und bodenseitige Peilungen (bearing) ermittelt, die von Funknav.-anlagen am Boden stammen. Bei jedem Wetter einsetzbar, zuverlässig, genau, hoher technischer Aufwand. Beispiele sind VOR, DME, ADF, ILS, MLS etc. Trägheitsnavigation (Inertialnavigation): beruht auf der Massenträgheit und Stabilität rotierender Körper im Raum (Kreisel), kurzfristig sehr genau, langfristig nur mit Positionsupdate zu gebrauchen. In jüngster Zeit auch Verwendung von Laserkreiseln (Laufzeitmessung von Laserlicht auf Kreisbahnen). Satellitennavigation (GPS): 24 Satelliten strahlen permanent Positions- und Zeitinformationen aus. Im GPS-Empfänger wird aus der Laufzeit der Signale eine Pseudo-Entfernung zum Satellit und mit mindestens 4 Satelliten ein dreidimensionaler Standort errechnet. Sehr genau, fast immer u. überall verfügbar, zukunftsträchtig, (noch) nicht als alleiniges Navigationsverfahren zugelassen. Astronomische Navigation: Prinzip: abhängig von der (bekannten) Zeit ist ein Himmelskörper (Gestirn, Planete) an verschiedenen Orten in verschiedenen Positionen zu sehen. Auswertung mittels bekannter Daten. Anwendung nur bei klarem Himmel und Nacht. Nutzung nur noch (äußerst selten) bei Polflügen. Doppler-Navigation: Nutzung des Dopplereffekts (Frequenzverschiebung mit der Eigengeschwindigkeit) zur Messung der Geschwindigkeit und durch Integration zu anderen Größen (Standort). Autonomes System - teuer. Barometrische Navigation (Druckflächennavigation): Bestimmung des Standortes mit Hilfe von Druck- und Höhenvergleichen und Höhenwindkarten, nur für Langstreckennavigation, veraltet und heute ungebräuchlich.  2. Die Gestalt der Erde Gestalt Geoid, Rotationssphäroid, in erster Näherung kugelförmig, Erdachse zeigt genau zum Polarstern und wird begrenzt von Nord- u. Südpol Radius mittlerer Erdradius: r = 6370 km Umfang Erdumfang am Äquator: u = 40000 km ; u = 2 · p · r Abplattung ca. 1:300 ; Abplattung der Erde entsteht durch die Zentrifugalkraft der Eigenrotation. (Erddurchmesser von Pol zu Pol 42km kleiner als am Äquator) Eigenrotation die Erde dreht sich von West nach Ost, von oben auf den Nordpol geschaut also entgegen dem Uhrzeigersinn mit 15°/h Rotationsgeschw.     360°/24h » 15°/h (d.h. am Äquator: 1670 km/h; an den Polen: 0 km/h) Schiefe d. Ekliptik Erdachse ist 66° 33' zur Ebene der Erdbahn (Ekliptik) geneigt. D.h. der Äquator steht 23° 27' schief zur Ebene der Erdumlaufbahn. » Jahreszeiten. Bewegung d. Erde Die Erde dreht sich in einem mittleren Abstand von 149,6 Mio. km in einer (annähernden) Kreisbahn in 365d, 5h, 48min um die Sonne Jahreszeiten Durch die Bewegung der Erde um die Sonne und die Schiefe der Ekliptik entstehen die Jahreszeiten Polarkreise bei 66,5°N und S, (um 23,5° von den Polen entfernt); trennen arktische von gemäßigten Zonen Wendekreise um 23,5° vom Äquator entfernt; dort ändert die Sonne am 21.6. und am 21.12. scheinbar ihre Bewegungsrichtung  3. Das Gradnetz der Erde Das Gradnetz der Erde ist ein sphärisches Koordinatensystem das aus Kreisen besteht. Diese Kreise kann man unterscheiden in: a)   Großkreise (great circles GC) Der Großkreis ist ein Kreis, dessen Ebene genau durch den Kugelmittelpunkt verläuft. Alle GC teilen die Erde in zwei gleichgroße Hälften. Ein spezieller Großkreis ist der Äquator, er teilt die Erde in Nord und Südhalbkugel. Er steht senkrecht zur Erdachse. Meridiane sind alle Großkreise die beide Pole verbinden. Es gibt unendlich viele Großkreise. Ihre besondere Eigenschaft ist, daß sie die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten auf der Erde darstellen. Alle Großkreise sind auch Orthodromen. b)   Kleinkreise (small circles) Ein Kreis, dessen Ebene nicht durch den Erdmittelpunkt verläuft, ist ein Kleinkreis. Breitenparallele sind alle Kleinkreise die parallel zum Äquator verlaufen. Die geographische Breite (auch Latitude) bestimmt sich durch den Winkel zwischen Äquator und dem entsprechenden Breitenparallel. Äquator = 0° Nordpol = 90°N Südpol = 90°S Bsp.: Zwickau: 51° N Die geographische Länge (auch Longitude) bestimmt sich durch den Winkel zwischen Nullmeridian (Greenwich) und dem entspre- chenden Meridian. Nach Ost bis 180°E und nach West bis 180°W. Bsp.: Zwickau: 12° E Eine komplette Positionsangabe sieht dann in etwa so aus:  Flugplatz Zwickau:    50°41'55"N,    012°26'52"E Es wird immer zuerst die geogr. Breite (Lat.) und danach die geogr. Länge (Long.) angegeben. Bezeichnungen: Grad: ° , (Bogen)minute: ' , (Bogen)sekunde: '' Umrechnungen: 1° entspricht 60' (Minuten); 1' entspricht 60" (Sekunden) Oft werden die Bogensekunden als Dezimalstellen der Bogenminuten angegeben, Bsp.: anstatt: 12° 26' 39'' wird geschrieben: 12° 26,65'  ( zum Umrechnungstool ) Auf dem Äquator und auf den Meridianen entspricht: 1° = 60 NM oder 1' = 1 NM  4. Kompasslehre und Richtungsbestimmung Erdmagnetismus und Ortsmißweisung Die Erde als Ganzes ist ein riesiger Magnet mit einem Nord- und einem Südpol. Diese Polachse fällt aber nicht mit dem Gradnetz der Erde zusammen, sondern liegt etwas gekippt zu diesem. Die beiden magnetischen Pole verändern (sehr langsam) ständig ihre Lage. Der magnetische Nordpol liegt zur Zeit in Nordkanada, ca. 2000 km vom geographischen Nordpol entfernt. Zwischen den beiden Polen verlaufen die Feldlinien des Erdmagnetfeldes. Allerdings nicht geradlinig horizontal, sondern geneigt. Diese Neigung der Magnetfeldlinien zur Horizontalen nennt man Inklination. Sie beträgt bei uns ca. 65°, an den Polen 90° und am magnet. Äquator 0°. Orte mit gleicher Inklination können mit einer Linie gleicher Inklination, der Isokline verbunden werden. Die Linie mit der Inklination 0° heißt magnetischer Äquator oder Akline. Außerdem werden die Magnetfeldlinien durch geolo- gische Formationen und Eisenerzlagerstätten zum Teil stark abgelenkt und zeigen dann nicht mehr in Richtung des magnetischen Pols. Die Abweichung der Magnet- feldlinie zum Meridian wird Ortsmißweisung OM oder Variation Var genannt. Linien gleicher Variation werden Isogonen genannt. Eine Isogone mit der Ortsmißweisung 0° wird Agone genannt. Die Kompaßnadel richtet sich nach diesen Magnetfeldlinien aus. Sie zeigt also in Richtung Magnetisch Nord. Dies tut sie aber nur, wenn der Kompaß unbeschleunigt und ungestört von elektrischen Feldern arbeitet. Da es in Flugzeugen immer elektrische Felder (und damit auch induzierte Magnetfelder) gibt, wird die Kompaßanzeige beeinflußt. Diese Abweichung der Kompaßanzeige von magnetisch Nord nennt man Deviation. Diese Fehlanzeige ist aber bekannt und läßt sich rechnerisch beseitigen. In den meisten Flugzeugen findet man zu diesem Zweck eine Deviationstabelle. Man unterscheidet zwei Versionen. Weiterhin gibt es eine beträchtliche und nicht zu vernachlässigende Kompaßfehlanzeige, wenn das Flugzeug beschleunigt wird. Dabei unterscheidet man die translatorische Beschleunigung des Flugzeugs (Beschleunigungsfehler des Kompaß) und die zentrifugale Beschleunigung im Kurvenflug (Kompaßdrehfehler). Der Drehfehler tritt nur auf Nord- / Süd- Kursen, und der Beschleunigungsfehler nur auf Ost- / West- Kursen auf. Richtungen werden immer von einer Bezugsrichtung aus im Uhrzeigersinn von 000° bis 360° gemessen. Diese Bezugsrichtung ist immer Nord. Allerdings gibt es drei verschiedene Nordrichtungen: Rechtweisend Nord rwN oder True North TN ist die Richtung der geographischen Meridiane zum geographischen Nordpol hin. Mißweisend Nord mwN oder Magnetic North MN ist die Richtung der magnetischen mißweisenden Meridiane, die zum magnetischen Nordpol hin zusammenlaufen. Kompaß Nord KN oder Compass North CN ist die vom Magnetkompaß tatsächlich gezeigte Nordrichtung, beeinflußt durch die Deviation. Der Kompaß zeigt also weder auf den geographischen noch auf den magnetischen Nordpol. Die Differenz zwischen TN und MN ist die Ortsmißweisung OM oder Variation Var. Die Differenz zwischen MN und CN ist die Deviation Dev. Beide Winkel muß man kennen will man von einer Kompaßanzeige die Beziehung zum Gradnetz der Erde herstellen.  5. Maßeinheiten in der Luftfahrt Art der Information Einheit Bemerkung Entfernungen zum Zwecke der Navigation Nautische Meilen   NM 1 NM = 1,852 km Kurze Entfernungen (auf Flugplätzen) Meter   m   Höhenangaben Fuß   ft 1 ft = 0,3048 m Windrichtung für Start u. Landung Grad ° mißweisend   Windrichtung außer für Start u. Landung Grad ° rechtweisend   Horizontale Geschw. / Windgeschw. Knoten   kt 1 kt = NM/h = 1,852 km/h Vertikale Geschwindigkeit Fuß pro minute   ft/min ft/min -> m/s   ca. / 200 Sicht Kilometer   km   Höhenmessereinstellung Hektopascal   hPa   Temperatur Grad Celsius   °C   Gewicht Kilogramm   kg   Zeit Koordinierte Weltzeit UTC (Universal Time Coordinated) MEZ (Winter) – 1h = UTC MEZ (Sommer) – 2h = UTC Die UTC ist die für die Luftfahrt verbindliche Uhrzeit. Auch ins Flugbuch wird die UTC eingetragen. Die MEZ ist die Mitteleuropäische Zeit, auch CET (Central European Time).  Umrechnungen  Formel  Faustformel   Achtung: im Lehrbuch Navigation von Kühr sind teilweise falsche Faustformeln abgedruckt! Abgeleitete Einheiten wie ft/min lassen sich in zwei Schritten berechnen.  m in ft  · 3,28  (m · 3) + 10%  ft in m  / 3,28  (ft / 3) – 10%  km in NM  / 1,852  (km / 2) + 10%  NM in km  · 1,852  (NM · 2) – 10% Definition Nacht: Nacht ist zwischen 30 Minuten nach Sonnenuntergang (Sunset SS) und 30 Minuten vor Sonnenaufgang (Sunrise SR), also: SS + 30 bis SR – 30    siehe AIP , RAC 1-1 und LuftVO § 33  6. Karten für die Luftfahrt Karten spielen in der Navigation eine große Rolle. Anforderungsbedingt gibt es sehr viele verschiedene Arten von Luftfahrtkarten (topographische Karten, Funknavigationskarten, Flugsicherungskarten). Die gebräuchlichste Karte für die allgemeine Luftfahrt ist die sog. ICAO-Karte 1 : 500.000. Der Maßstab ist das Verhältnis einer Distanz auf der Karte zu der entsprechenden Distanz in der Natur. Der Maßstab wird durch eine Verhältniszahl (z.B. 1:20000) oder durch einen Längenmaßstab (unten auf der ICAO-Karte) angegeben. Begriffe:    kleiner Maßstab: auf kleinem Teil der Karte ist ein großes Gebiet dargestellt (Globus) großer Maßstab: auf großem Teil der Karte ist nur ein kleines Gebiet dargestellt Das generelle Problem jeder Kartendarstellung ist, daß die gekrümmte Erdoberfläche unmöglich verzerrungsfrei auf einer ebenen Karte darzustellen ist. Je größer das dargestellte Gebiet, desto verzerrter ist die Karte. Eine optimale Luftfahrerkarte sollte flächentreu, längentreu und winkeltreu sein. Da es unmöglich ist alle diese Bedingungen zu erfüllen, macht man je nach Verwendungszweck Kompromisse. Darum unterscheidet man verschiedene Darstellungs- oder Projektionsverfahren mit jeweils Vor- und Nachteilen: Zylinderprojektion: Vom Erdmittelpunkt wird auf einen Zylindermantel projiziert welcher die Erde am Äquator berührt (polständige Zylinderprojektion). Am Äquator gibt es fast keine, an den Polen dafür eine gigantische Verzerrung. Nicht winkeltreu. Die Mercatorkarte ist eine rechnerisch korrigierte Zylinderprojektion. Sie ist wegen der Verschiebung der Breitenkreise winkeltreu. Eine Loxodrome ist dort deshalb eine gerade Linie. Die Mercatorkarte wird fast ausschließlich in der Seefahrt eingesetzt. Kegelprojektion: Projektionszentrum ist ebenfalls der Erdmittelpunkt. Hier wird aber auf einen Kegelmantel projiziert. Der Kegel berührt die Erde an einem Breitenkreis (Standardparallel). Dort (und nur dort) ist die Karte genau maßstabstreu. Die Schnittkegelprojektion, auch Lambert-konforme Schnittkegelkarte genannt, berührt die Erde an zwei Breitenkreisen. Dort ist sie nicht verzerrt und deshalb längentreu. Die ganze Karte ist winkeltreu. Die ICAO-Karte ist eine Lambert-Schnittkegelprojektion. Azimutalprojektion: Bei dieser Projektionsart wird immer auf eine ebene Fläche projiziert, die beliebig angeordnet ist (pol-, äquator-, zwischenständig). Gnomische Projektion: Projektionspunkt ist der Erdmittelpunkt. Verwendung: Polnavigation und Sonderaufgaben, Polarstereographische Projektion: Projektionspunkt ist der Gegenpol der Erde. Verwendung: Langstrecken-, Funknavigation  Projektionsmerkmal  Lambert - Projektion  Mercator - Projektion Entwurfsdarstellung und Bild des Netzes Projektions-(Augen-)punkt Erdmittelpunkt Erdmittelpunkt Breitenparallele konzentrische Kreise, fast abstandsgleich parallele gerade Linien in ungleichen Abständen Meridiane geradlinig, am Pol konvergierend parallele gerade Linien in gleichen Abständen Winkel zwischen Breitenparallelen und Meridianen 90° 90° Gerade Linien schneiden die Meridiane unter verschiedenen Winkeln als angenäherte Großkreise unter gleichem Winkel (Kursgleiche) Großkreise (Orthodrome) annähernd geradlinig polwärts gekrümmte Linie Kursgleiche (Loxodrome) äquatorwärts gekrümmte Linie gerade Linie Längentreue etwa längentreu nur an der Mittelbreite Winkeltreue winkeltreu winkeltreu Flächenverzerrung sehr gering mit Entfernung zum Äquator zunehmend Navigationsgebrauch universell anwendbar Koppel- und Astronavigation Eine Kursgleiche oder Loxodrome ist eine Linie, die alle Meridiane unter dem gleichen Winkel schneidet. Demgegenüber ist ein Großkreis oder Orthodrome immer die kürzeste Verbindung zweier Punkte auf der Erdoberfläche. Eine Orthodrome schneidet die Meridiane aber immer unter verschiedenen Winkeln (außer auf Meridianen und dem Äquator).   zum Großkreisrechner Entnahme von Kursen aus der Lambert – Schnittkegelkarte (z.B. ICAO 1:500000) Jede gerade Linie auf der Lambert-Schnittkegelkarte ist annähernd ein Stück eines Großkreises (Orthodrome). Da die Meridiane auf der Lambert-Karte zum Pol hin zusammenlaufen (konvergieren), schneidet eine solche gerade Linie aufeinanderfolgende Meridiane unter verschiedenen Winkeln. Der Winkel zwischen der geraden Linie und den Meridianen ändert sich jeweils um den Betrag der Meridiankonvergenz. Die annähernd genaue Richtung der Kursgleichen (Loxodrome) zwischen zwei Orten können wir auf der Lambert-Karte nur ermitteln, indem wir den Winkel, den die Gerade mit dem Mittelmeridian zwischen Abflugort und Zielort bildet, mit einem Kursdreieck (oder Winkelmesser) genau ausmessen. (So macht man links und rechts den selben Fehler, der sich damit herauskorrigiert) Auswahl wichtiger Kartensymbole auf der ICAO 1:500000 Karte  Literaturempfehlung als Begleitung zum Unterricht in Navigation (Nur)-Navigations-Lehrbücher: Wolfgang Kühr Flugnavigation aus der Reihe "Der Privatflugzeugführer" Band 4A; ISBN: 3-921270-10-3; Schiffmann-Verlag; Preis: 42,-DM Jürgen Mies Flugnavigation aus der Reihe "Privatpilotenbibliothek" Band 2; ISBN: 3-613-01632-X; Motorbuch-Verlag; Preis: 49,-DM n.n. Air Navigation for PPL aus der Reihe "The Air Pilot's manual", ISBN: 1-85310-927-4; Airlife Publishing Ltd.; Preis: 65,-DM (englisch) PPL-(Gesamt)-Lehrbücher: Wilfried Kassera Flug ohne Motor ISBN 3-613-01256-1; Motorbuch Verlag, Stuttgart; Preis: DM 49,- Wolfgang Kühr Aus- und Weiterbildung aus der Reihe "Der Privatflugzeugführer" Band 7; ISBN: 3-921270-18-9; Schiffmann-Verlag; Preis: 52,-DM Dieter Maier Segelfliegen Theorie und Praxis; ISBN: 3-485-01793-0; Nymphenburger; Preis: 58,-DM Hesse Der Segelflugzeugführer ISBN 3-925944-29-X; Hitzeroth Verlag (nicht mehr erhältlich) Alle Grafiken wurden aus "Der Privatflugzeugführer" Band 4A und 7 von W. Kühr entnommen.