Fundamentals of Navigation I

1. Zusammenfassung. Die Vorlesung gibt einen umfassenden Überblick über das gesamte Gebiet der Navigation, wie sie dem heutigem Stand der Technik mit Schwerpunkt Luftfahrtanwendung entspricht. Die vielfältige Einbindung der Navigationssensoren in die Flugregelungssysteme wird angerissen. Mit dieser Vorlesung werden an einem interessanten, praxisnahen Beispiel viele Facetten von komplexen Regelsystemen adressiert. Ziel der Vorlesung ist es, neben dem reinen Fachwissen der Navigation ein umfassendes Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Sensorik und Regelung zu vermitteln. 2. Inhaltsbeschreibung2.1. Einführung In der Einführung wird zunächst eine Definition der Navigation und ein kurzer historischer Rückblick gegeben. Am Beipiel von Fahrzeugen wird der Einfluß der unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Zahl der Freiheitsgrade, etc.) auf die Navigation dargestellt. Schließlich werden die verschiedenen Navigationsarten kurz beschrieben und gegenübergestellt.2.2. Grundlagen Im Grundlagenteil wird zunächst auf elementare Komponenten, Verfahren und Festlegungen der Navigation eingegangen. Hierzu gehören Beschreibungen des Magnet- und Kreiselkompaß, der elementaren Kursberechnung sowie der gängigen Erdmodelle und Koordinatensysteme. Dieser Aufbau ist bewußt an die historische Entwicklung der Navigation angelehnt. Darüberhinaus werden die theoretischen Grundlagen zur Bewertung der Systemeigenschaften und wichtigsten Entwurfskriterien vermittelt. Dieses Kapitel umfaßt Themen wie Fehlerberechnung, Zuverlässigkeit, Integrität und Redundanz. Abschließend wird auf die Implementierung im Rechner mit den Themen Quantisierung, numerische Genauigkeit und Software Verifikation eingegangen.2.3. Radionavigation In diesem Teil werden die wichtigsten Radionavigationssysteme erläutert. Ergänzend werden die gängigen Verfahren zur Positionsberechung mittels Radionavigation dargestellt. Ein besonderer Schwerpunkt dieses Kapitels liegt in der Anwendung der sphärischen Trigonometrie zur allgemeingültigen Positionsberechnung.2.4. Koppelnavigation Aufbauend auf den grundlegenden Methoden der Positions- und Kursberechnung wird das Prinzip der Koppelnavigation beschrieben. Hierbei wird auf die Themen Kurs- und Lagereferenz, bordautonome Geschwindigkeitsmessung, Luftdatensysteme und Dopplerradar eingegangen.2.5. Satellitennavigation Der aktuelle Stand sowie die absehbaren zukünftigen Entwicklungen der Satellitennavigation werden beschrieben. Neben dem Funktionsprinzip werden besonders die Verfahren zur Integritätsprüfung und zur Fehlererkennung hervorgehoben. Hierbei ergibt sich eine anwendungsnahe Diskussion der Vor- und Nachteile einzelner, zur Zeit in Entwicklung befindlicher (Augmentation-) Systeme wie DGPS, WAAS, LAAS und EGNOS.2.6 Inertialnavigation Das Funktionsprinzip der Inertialnavigation einschließlich der Inertialsensoren wird vorgestellt. Zur Veranschaulichung und Vertiefung werden klassische Navigationsplattformen und Strapdown Verfahren gegenübergestellt. Die Themen Anfangsausrichtung, Fehlerabschätzung und Barometerstützung runden das Kapitel mit einem starken Anwendungsbezug ab.2.7. Integrierte Navigation In diesem Kapitel wird das Prinzip von Filter und Beobachter beschrieben. Die theoretischen Grundlagen für Kalman-Filterung und Kovarianzberechnung werden vermittelt. Abschließend werden Fehlerdetektion und Isolation sowie datenbankbasierte Verfahren dargestellt.2.8. Navigation in der Flugführung In diesem Kapitel wird das Zusammenspiel der unterschiedlichen Navigationsarten und -verfahren mit den Flugregelungssystemen diskutiert. An ausgesuchten Beispielen wird der Einfluß der Navigation auf die Flugphasen, Anzeigesysteme und Streckenplanung beschrieben. Besondere Aufmerksamkeit wird der vielfältigen Nutzung von Datenbanken in der Navigation und der Flugführung gewidmet, woraus sich neue Problemstellungen bei der Fehler- und Integritätsbetrachtung von Navigationssystemen ergeben.2.9. Anwendungen und Beispiele Als technisches Anwendungsbeispiel der gesamten Bandbreite des Themas Navigation wird exemplarisch das Flight Management Guidance Control System des Airbus A340 erläutert. Es wird auf die Systemarchitektur, die Einbindung der Navigationssensoren, die wichtigsten Systemeigenschaften und die Regelcharakteristiken des Gesamtsystems eingegangen. Hierbei stehen Fehler- und Integritätsbetrachtungen im Vordergrund. Als prozedurales Anwendungsbeispiel werden die 1996/1997 von DFS und Lufthansa entwickelten Area Navigation (RNAV) An- und Abflugverfahren (SIDs und STARs) vorgestellt. Auch hier spielt die Betrachtung der Regelcharakteristik des Gesamtsystems und die Bestimmung der Fehlergrößen eine zentrale Rolle. Mit dem Anwendungsbeispiel Air Traffic Management und 4D-Navigation wird ein Ausblick in zukünftige Entwicklungen der nächsten zehn Jahre gegeben. Hierbei werden speziell die Themenschwerpunkte 4D-Trajektorien sowie Konflikt Detektion und Koordination adressiert. Als Beispiel für den Einfluß von Datenbanken auf die Navigation wird das Problem von sog. Map Shifts einschließich seiner Ursachen und Behebungsmöglichkeiten beschrieben. Hierbei handelt sich um Fehler in der Positionsberechunung, die durch bestimmte Fehler in der Navigationsdatenbank verursacht werden können.