Beitrag 13

Messung und Identifizierung der Mehrwegausbreitung elektromagnetischer Wellen in der Luftfahrt

Prof. Dr.-Ing. Peter Form
TU Braunschweig, Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrssicherung


  1. Einführung
  2. Die Meßmethode
  3. Beispiel von Meßergebnissen und ihre Interpretation
    1. Flughafen Finkenwerder
    2. Flughafen Salzburg
    3. Flughafen Hannover
  4. Neue Pläne


1. Einführung

Navigationssysteme insbesondere Instrumentenlandsysteme senden räumlich modulierte Signale aus, um dem anfliegenden Flugzeug die Winkelablage vom gewünschten Flugpfad (Anfluggrundlinie, Gleitpfad) anzeigen zu können.
Gebäude, Landschaftserhebungen und Bewuchs auf und um einen Flughafen liefern Reflexionen, Streuungen und Abschattungseffekte, die das an Bord direkt empfangene Signal mindern und überlagern mit Signalen, die Fehlrichtungen signalisieren. Anders, als in der Mobilfunktechnik wird die Qualität der Navigation allein von der Größe des Signals bestimmt, das von der Sendeantennen am Boden direkt zur Empfangsantennen an Bord gelangt.

Als sich die ICAO Mitte der siebziger Jahre für neue, gegen Interferenzen unempfindlichere Anflug- und Landesysteme interessierte, begannen die Staaten neue Systemvorschläge einzureichen. Zum Test und Vergleich dieser zunächst nur auf dem Papier existierenden Systemvorschläge wurden Flughafenumgebungen simuliert, an deren Annahmen jedoch bald Zweifel aufkamen. Zu der Zeit begann die TU Braunschweig (IEV) eine Methode zur Messung der Mehrwegausbreitung Schritt für Schritt zu entwickeln und auf die interessierenden Frequenzbereiche um 110 MHz, 1 GHz und 5 GHz zu entwickeln und bis 1990 auf einer ganzen Reihe von Verkehrsflughäfen einzusetzen.

Es zeigte sich, daß die experimentellen Meßanlagen die Ausbreitungseffekte sehr gut und selektiert messen konnten. Wie die folgenden Beispiele erkennen lassen, erscheint eine Modellierung derartiger Umgebungen in der Tat allein mit der Kenntnis der Größe und den physikalischen Eigenschaften von Bauten und dergleichen kaum möglich.

Es zeigte sich aber auch das Defizit der Messungen, das in der fehlenden Kenntnis der genauen Flugzeugposition und des Flugbahnvektors (Richtung und Betrag der Geschwindigkeit) bestand und daher keine automatische Interpretation des direkten Signales und der Reflexionen erlaubte.

Ermöglicht durch eine neubegründete Zusammenarbeit mit der Deutschen Flugvermessungsgesellschaft (heute Flight Inspection Intern.) werden die Ausbreitungsmessungen erneut und mit neuen Aufgabenstellungen verbunden wieder aufgenommen.


2. Die Meßmethode

Sendet man z.B. am Standort eines NAV-Systems (Bild1) am Boden ein moduliertes, möglichst spektral reines Signal bei 1 GHz aus, dann empfängt ein anfliegendes Flugzeug dieses Signal auf einer etwas höheren Frequenz. Diese sog. Dopplerverschiebung bei 1101 MHz und 120 Knoten Relativgeschwindigkeit zwischen Sender am Boden und Empfänger an Bord ist + 350 Hz. Die gegenüber einem reflektierenden Gebäude neben der Landebahn geringere Relativgeschwindigkeit des Flugzeuges verschiebt die Frequenz der Reflexion dieses Gebäudes nur um + 220 Hz. Ein an Bord hochauflösendes Spektrum würde daher das direkte und das reflektierte Signal getrennt in ihrer Größe erkennbar machen. Bild 1 zeigt auch die in den betrachteten Frequenzbereichen VHF (110 MHz), L (1 GHz) und C (5 GHz) maximal und minimal bei 120 Knoten auftretenden Dopplerverschiebungen, die nur bei extremer spektraler Reinheit des Sendesignals und der im Empfänger zur Abwärtsmischung notwendigen Signale überhaupt betrachtet werden können.

Bild 1


3. Beispiel von Meßergebnissen und ihre Interpretation

3.1. Flughafen Finkenwerder

Ein am Standort LOC 23 aufgestellter Sender (Bild 2) erzeugt an den Gebäuden 14 und 7 Reflexionen, die im schraffierten Bereich auf der Landebahnmittellinie etwa bei 1500 und bei 1800 m bemerkbar sein müßten. Tatsächlich zeigten die im Bild 3 alle 0,4 s im Flugzeug beim Passieren dieser Stellen aufgenommen Spektren nicht nur die Amplituden des direkt übertragenden Signals bei der Dopplerverschiebung + 38 Hz, sondern auch die etwas negativ dopplerverschobenen Reflexionen von bis zu 20% dieser Gebäude. Diese Aufnahme entstand bei der Aussendung einer Frequenz von 123,45 MHz.

Bild 2

Bild 3

Der Sender am Standort LOC 23 sendete auch die Frequenzen 1131 und 5040 MHz aus. Die bei dem gleichen Flug auf diesen Frequenzen gemessenen Spektren Bild 4 und 5 zeigen jedoch Reflexionen dieser gleichen Gebäude von 80% bei 1131 MHz und 5040 MHz, d.h. deutlich andere Resultate.

Bild 4

Bild 5

Während des Endanfluges über die Elbe überfliegt das Flugzeug das rechte ansteigende Elbufer mit parkähnlicher Landschaft. Während dort im VHF-Bereich (ohne Bild) und bei 1131 MHz (Bild 4) sehr wenige Reflexionen entstehen, reflektiert dieser Bereich bei 5040 MHz (Bild 5) sowohl durch Objekte vor und hinter dem Flugzeug erkennbar an ihren positiven wie negativen Dopplerverschiebungen und läßt das direkte Signal stark absinken.

Bei einem vorhergehenden Meßflug entstand bei 5040 MHz das Spektrum Bild 6, dessen Ähnlichkeit die Reproduzierbarkeit der Beobachtungen beweist.

Bild 6


3.2. Flughafen Salzburg

Bei nördlichen Wind wird der Flughafen Salzburg (Bild 7) über Funkfeuer LOM SU und SI von Norden zwar angeflogen, über dem Funkfeuer SI jedoch mit dem Kurs 130 Grad abgebogen, um über dem südlichen Teil der Stadt Salzburg mit dem max. Radius von 0,8 NM von Süden her auf die Anfluggrundlinie der Landebahn 34 einzukurven und zu landen. Die nächsten Bilder wurden etwa in der Position E kurz vor Erreichen der Anfluggrundlinie gemacht.

Bild 7

In Bild 8 sind links drei, in Abständen von jeweils 1 s aufgenommene Spektren mit einer Auflösung von 5 Hz zu sehen, die bei 1084 MHz entstanden und deutlich als stärkste Linie das empfangene direkte Signal bei einer Dopplerverschiebung von + 200 Hz zeigen, d.h. das Flugzeug fliegt noch nicht direkt auf den Sender am Boden zu. Daneben sind bei Dopplerverschiebungen von etwa 0 bis - 200 Hz ganze Familien von Reflexionen zu sehen, die neben oder hinter dem Flugzeug ihre Ursache haben, wie städtische Bebauung und der Untersberg im Süden des Flughafens.
Rechts im Bild 8 sind die jeweils dazu gehörigen Verläufe der Empfangsspannung über der Zeit (0,2 s) abgebildet, die zur Bildung der jeweils links davon gezeigten Spektren führten. Aus diesen Verläufen kann man die zusammengefaßte Wirkung aller Reflexionen erkennen, die aus den Spektren nicht geschlossen werden kann.

Bild 8

Wäre nur das direkte Signal vorhanden, so wäre der Zeitverlauf der Empfangsspannung nur einen sinusförmige Wechselspannung symmetrisch zu Null mit konstanter Amplitude. Die sichtbaren Reflexionen führen dazu, daß die Amplitude zwischen sehr großen und extrem kleinen Werten nahe Null durchmoduliert wird. Die Gesamtheit aller Reflexionen ist daher größer, als das direkte Signal (insbesondere im unteren Teil des Bildes), was aus den Spektren nicht ohne weiteres hervorgeht.


3.3. Flughafen Hannover

Richtet man die Empfangsspannung über der Zeit gleich, so entstehen Bilder des Typs wie Bild 10, in denen ein ungestört empfangenes direktes Signal eine Gleichspannung zeigen würde. Reflexionen aber, wie sie beim Endanflug kurz vor der Schwelle 27L der Südbahn Hannover (Bild 9) entstehen, erzeugen schnell wechselnde starke Schwankungen um diesen Gleichspannungswert, deren Höhe im Vergleich zum Mittelwert die relative Stärke der Reflexionen insgesamt wiedergibt.

Bild 9

Bild 10 zeigt den Verlauf bei 110 MHz, Bild 11 den davon signifikant anderen bei 5040 MHz im gleichen Bereich und während des gleichen Fluges gemessen.

Bild 10

Bild 11

Das Bild 12 schließlich sieht die Spektren wie in den Bildern 4 bis 9 jedoch nicht perspektivisch, sondern von "oben" herab auf die Linien, stellt aber nur die Linien als Punkte dar, die größer als 1% des direkten Signals betrugen. Im oberen Drittel sind die Ereignisse der Messungen in Hannover (27L) bei 5040 MHz, darunter bei 1131 MHz und im unteren Drittel die bei 108,3 MHz zu sehen.

Bild 12

Die jeweils oberste Spur von Pünktchen ist der konstante Verlauf des direkten Signals, der beim Überflug in sehr niedriger Höhe (50 ft) sprunghaft von positiver zu negativer Dopplerverschiebung übergeht (Distanz 0). Alle anderen Linien stellen Reflexionen dar, deren Spuren auch beim Vorbeiflug an den reflektierenden Objekten von positiver zu negativer Dopplerverschiebung etwa s-förmig wechseln und so etwas wie eine Identifizierung der reflektierenden Objekte auf dem Flughafen erlauben.
Man erkennt im Vergleich zu den Verläufen bei 108,3 MHz (unteres Drittel), wie mit steigender Frequenz, die größeren Objekte nach dem Vorbeiflug an ihnen dem Flugzeug hinterher reflektieren, wie auch die zunehmende Zahl verstreuter, diffus zu nennenden Reflexionen von unzähligen Objekten, die mit einer Simulation kaum mehr nachbildbar erscheinen.


4. Neue Pläne

Durch die Zusammenarbeit mit der Deutschen Flugvermessungsgesellschaft Braunschweig (heute Flight Inspection Intern.) steht an Bord die genaue Flugzeugposition (s =1m) und der Fluggeschwindigkeitsvektor über Grund (s = 1 m/s) zur Verfügung. Mit Hilfe dieser in eine Karte eingetragenen Daten und der Senderposition kann eine Relativgeschwindigkeit zu dieser ständig errechnet (Bild 13) und damit die Stelle im Spektrum markiert werden, an der das direkte Signal erscheinen müßte (Bild 14). Diese automatische Markierung wird es erlauben, alle anderen Linien als Reflexionen aufzufassen und ihre relative Stärke im Vergleich zum direkten Signal anzugeben. Aus ihren Dopplerverschiebungen könne wiederum Richtungen gegenüber der Flugbahn errechnet werden, unter denen die reflektierenden Objekte vom Flugzeug aus gesehen werden. Die Richtungen konvergieren nach kurzer Flugdauer an einem Punkt, an dem das verursachende Objekt. steht. Auch können Fenster im Spektrum angebracht werden und alle darin vorkommenden Linien geometrisch summiert und die sie verursachten Objektfelder ausgemacht werden (Bild 15).

Bild 13

Bild 14

Bild 15

Bild 16

Bild 17Bild 18