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Bord-/Empfängerseitige Ergänzungssysteme der Satellitennavigation (Aircraft-based Augmentation System, ABAS)

Erstellt am: 29.11.2004 | Stand des Wissens: 12.04.2020
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Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck

Bis zur Implementierung weiterer globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS)-Systeme (vergleiche Satellitennavigationssystem Galileo) kommt derzeit ausschließlich das US-amerikanische Global-Positioning-System (GPS) als Satellitennavigationssystem zur Anwendung. Eine Überwachung der GPS-Satellitendaten in Echtzeit wird vom Betreibenden nur für das Precise-Positioning-Service-Signal (PPS-Signal), nicht aber für das frei zugängliche Standard-Positioning-Service-Signal (SPS-Signal) vorgenommen (vergleiche Synthesebericht "Betriebsweisen und Signalarten des Satellitennavigationssystems GPS"). Daraus ergibt sich bei Ausfall eines Systemelementes ein Benachrichtigungszeitraum von bis zu einer Stunde. Um die daraus folgenden Gefahren zu vermeiden, wurden bord- beziehungsweise empfängerseitige Überwachungsfunktionen realisiert. Grundsätzlich bestehen verschiedene Möglichkeiten eine Integritätskontrolle der Satellitennavigationsdaten vorzunehmen [StSc08, S. 28]. Grundsätzlich arbeiten die Verfahren nach dem Prinzip der Fehlererkennung und Fehlersystemisolation. Für diese Aufgabe kommen folgende zwei Verfahren zur Verwendung:
  • Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM
  • Aircraft Autonomous Integrity Monitoring, AAIM
Eine Möglichkeit der Integritätskontrolle ist in bordseitigen Empfängern durch das Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) gegeben. Das RAIM ist eine Software-Lösung, bei der im Empfänger durch ein zusätzliches (fünftes) Satellitensignal die Positionsinformationen der anderen Satelliten überprüft werden. Bei einem deutlichen Widerspruch einer einzelnen Satellitenpositionsinformation liefert eine Warninformation den Hinweis auf die Unzuverlässigkeit [StSc08, S.28].
Die Zulassung eines GPS-Empfängers als primäres Navigationsgerät macht die Fehlererkennungs- und Isolationsfunktion notwendig (Fault Detection and Isolation/Exclusion, FDI/FDE). Steht mit einem sechsten Satelliten eine alternative Informationsquelle zur Verfügung, kann eine Isolation der Fehlerquelle erfolgen und mit den verbleibenden, korrekt arbeitenden Satelliten eine exakte Positionsinformation geliefert werden [StSc08, S.28].
Das Kontrollprinzip basiert auf einer statistischen Entdeckungstheorie, bei der davon ausgegangen wird, dass zu jedem Zeitpunkt immer nur eine Fehlerquelle vorhanden ist. Dies muss aber nicht zwingend der Fall sein, sodass beispielsweise eine mutwillige Störung schwieriger zu erkennen wäre. Diese Gefahr wird durch die Verwendung unabhängiger und andersartiger Informationsquellen zur Positionsverifikation (IRS bei AAIM, LORAN-C) ausgeschlossen [DoHa10c].
Um einen Nichtpräzisionsanflug unter Verwendung von Satellitennavigationsinformation durchführen zu können, muss eine RAIM-Funktionalität im Empfänger vorhanden sein. Bei einer ungünstigen Konstellation der Satelliten oder einer geringen Anzahl verfügbarer Satelliten kann das System an Bord möglicherweise keine Navigationslösung liefern beziehungsweise nicht die erforderliche RAIM-Prüfung vornehmen [Mies13a]. Diese Ausfallzeiten, die im ungünstigsten Fall bis zu 45 Minuten betragen können, sind vom Empfänger und dessen Standort abhängig.
Um diese Situation zu vermeiden, welche die Nutzung von Warteschleifen oder den Anflug eines Ausweichflughafens zur Folge haben könnte, wird gefordert vorab Informationen zur Verfügbarkeit der Satelliten am Zielort und zur erwarteten Ankunftszeit einzuholen. Zu diesem Zweck wurden von Flugsicherungsunternehmen entsprechende Dienste entwickelt. Die RAIM-Prädiktion kann durch die Kenntnis der Satelliten-Almanach erreicht werden. Dazu werden im Fall des GPS von amerikanischer Seite die genauen Positions- und Zeitvorhersagen für die einzelnen Satelliten geliefert, die dann die Berechnungsgrundlage für den RAIM-Vorhersagezeitraum bilden.
Die hinreichende Verfügbarkeit von Satellitennavigationsdaten zur erwarteten Landezeit wird als RAIM-Vorhersagefähigkeit, in der englische Fachsprache als predictive-RAIM bezeichnet. Die RAIM-Vorhersagen können dann über den NOTAM-Nachrichtendienst beziehungsweise das AFTN-Netzwerk an die Nutzenden weitergeleitet werden und Berücksichtigung finden. Ergänzend sind bei einigen Flugsicherungsdienstleistern dazu auch Internet-basierte Plattformen in Anwendung. Sie erlauben, wie beispielsweise das AUGUR der EUROCONTROL, eine graphische Darstellung der Situation für das gewünschte Betrachtungsgebiet nach der Eingabe der relevanten Flugdaten [Mies13a].
Flugzeug-autonome Integritätskontrollen der Positionsinformation des GPS können an Bord durch den Vergleich der Positionslösung von anderen Navigationssystemen erreicht werden. Moderne Flächennavigationssysteme (vergleiche RNAV) und Flugmanagementsysteme erhalten Informationen von Funknavigationshilfen (DME-DME (Distance Measuring Equipment), VOR-DME (VOR steht für Very High Frequency Omnidirectional Radio Range), LORAN-C et cetera) und Inertialnavigationssystemen (INS) [Mens03]. Durch die vorhandene Vergleichsmöglichkeit kann eine Gegenkontrolle der Systeme erfolgen. So können Integritätsfehler der Satellitennavigationsinformation erfasst und rechtzeitig Warnungen gegeben werden [DoHa10c].
In der Luftfahrt kommen häufig Kreiselsysteme für verschiedene Stabilisierungsaufgaben (Flugsteuerung, Wetterradar) zur Anwendung und sind deswegen in fast allen Flugzeugen des kommerziellen Luftverkehrs vorhanden. Durch die hohe Kurzzeitstabilität des Inertialnavigationssystems und seiner Störungsempfindlichkeit (hinsichtlich externer Faktoren) sowie der Langzeitstabilität und Genauigkeit der Satellitennavigation, liegt eine Kopplung der beiden Systeme zur gegenseitigen Stützung bzw. Überwachung nahe. 
Die effektive Fähigkeit eines INS als Ergänzungssystem zu dienen, hängt von der Qualität der Anlagentechnik ab. Mit guten Navigationssystemskreiseln (Abweichung 0,001 Grad pro Stunde) wird ein Ausgleich über einen Zeitraum von 20-30 Minuten (Genauigkeit 0,3 nautische Meile, 95 Prozent), mit einfachen Kreiselsystemen (Abweichung 1 Grad pro Stunde) eine Stabilität (bei 1 nautische Meile, 95 Prozent) für nur 10 Minuten zu gewährleistet sein [ENAC01].
Die navigatorische Fehlergröße zur Feststellung einer Fehlinformation wird bei einem AAIM größer sein als beim RAIM-Verfahren. Vorteil einer Integritätsüberwachung durch Inertialsysteme ist jedoch die Feststellbarkeit von Ausfällen mehrerer Satelliten, eine Funktion die von konventionellen RAIM-Algorithmen nicht gewährleistet werden kann.
Im Gegensatz zu den anderen Ergänzungssystemen für die Satellitennavigation (Spaced-augmentation Systems, SBAS und Ground-based Augmentation Systems, GBAS), wird durch bord- bzw. empfängerseitige Augmentierungssysteme (Aircraft-based Augmentation System, ABAS) eine Verbesserung durch Überwachung und Fehlervermeidung mittels einer Integritätskontrolle erreicht.
Ansprechpartner
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck
Literatur
[DoHa10c] Dodel, Hans, Häupler, Dieter Integrierte Navigation, veröffentlicht in Satellitennavigation - GALILEO, GPS, GLONASS, Integrierte Verfahren, Ausgabe/Auflage 2, Springer-Verlag/Berlin, Heidelberg, 2010, ISBN/ISSN 978-3-540-79443-1
[ENAC01] Escher, A.-C. ABAS - Aircraft Based Augmentation System: AAIM Aircraft Autonomous Integrity Monitoring, ENAC, 2001/03
[Mens03] Mensen, Heinrich Navigationssysteme, veröffentlicht in Handbuch der Luftfahrt, Springer/Berlin, Heidelberg, 2003, Online-Referenz doi:10.1007/978-3-642-55869-6_14, ISBN/ISSN 978-3-642-62935-8
[Mies13a] Mies, Jürgen VFR-FLIEGEN MIT GPS, veröffentlicht in AOPA Safety Letter, Ausgabe/Auflage Nummer 08, 2013/06
[StSc08] Strang, T., Schubert, F. , Thölert, S., Oberweis, R. Lokalisierungsverfahren, DLR/Oberpfaffenhofen, 2008/06
Glossar
GNSS Globale Navigationssatellitensysteme (englisch Global Navigation Satellite System) oder GNSS dienen der weltweiten Positionsbestimmung, sowie der Koordinaten- und Zeitübermittlung.
Galileo Globales Satellitennavigationssystem unter ziviler, europäischer Kontrolle. Es soll weltweit Daten zur Positionsbestimmung liefern. Dabei ähnelt es im prinzipiellen Aufbau dem GPS oder GLONASS.
HF High Frequency (HF) ist der Frequenzbereich zwischen 3 und 30 Megahertz.
Global Positioning System Global Positioning System (GPS), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Zeitmessung. GPS basiert auf Satelliten, die mit kodierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen.
VHF Very High Frequency (VHF) ist der Frequenzbereich zwischen 30 und 300 Megahertz.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?123762

Gedruckt am Sonntag, 26. September 2021 01:46:29