GPS Anflug

Der GPS Anflug ist längst keine Zukunftsutopie mehr. Doch betrachten wir zunächst einmal die Entwicklung der letzten Jahre.

Die Historie globaler Navigationssysteme

Das uns bekannteste und am regelmäßigsten genutzte globale Navigationssystem (GNSS) ist das amerikanische GPS, das uns von der Funkuhr über das Mobiltelefon bis zum Navigationsgerät im Auto tagtäglich begleitet.

GPS entwickelte man ursprünglich in den USA für militärische Zwecke, den ersten Satelliten schoss man im Jahr 1978 in das Weltall. Die damalige russische Föderation folgte im Jahr 1982 mit der GLONASS getauften Variante. Weitere weniger verbreitete Arten von Globalen Navigationssystemen stellen das europäische Galileo sowie das chinesische BeiDou-2 dar.

In der Luftfahrt ermöglicht GPS seit einigen Jahren präzise Navigation, oftmals allerdings noch durch vorhandene klassische Funkfeuer abgesichert. Vor allem die immer noch vorhandene Möglichkeit des amerikanischen Militärs, Genauigkeiten in der Positionsberechnung bewusst in einzelnen Gebieten zu verringern, erlaubte es bisher nicht, die Navigation rein auf GPS umzustellen. Erst Galileo, ein europäisches und rein ziviles System, soll in Zukunft vollkommene Sicherheit in Bezug auf die Verlässlichkeit gewähren. „Das europäische Satellitennavigationssystem (…) befindet sich im Aufbau und wird voraussichtlich 2020 betriebsbereit sein“ (Mies, 2013, S. 1).

Vorhandene Empfänger sind in der Regel aber nicht fähig, mit Galileo zu kommunizieren. Der Austausch dieser Komponenten und der damit verbundenen umfangreichen Nutzung von Galileo in der Luftfahrt nimmt sicherlich noch einige Zeit in Anspruch.

Neben den globalen gibt es auch noch mehrere regionale Navigationssysteme wie beispielsweise in Indien und China, die aber in der Luftfahrt keine Relevanz haben.

Entwicklung der GNSS Anflüge

Die Entwicklung der GNSS Anflüge hat mehrere mehrheitlich wirtschaftliche Gründe. Zum einen kommt man dem langfristigen Ziel näher, eine komplette Unabhängigkeit von bodengestützten Anflugverfahren zu erreichen. Dadurch entfallen aufwändige Wartungsprozesse, die für klassische Instrumentenlandesysteme von der ICAO in Abhängigkeit der geforderten Präzisionskategorie gefordert sind.

Das ursprünglichen System, kurz genannt ILS, basiert auf einer reinen Überlagerung von Radiowellen, wodurch pro Station nur ein geometrisch linearer Anflug zu generieren ist. Im Vergleich dazu kann eine Bodenstation, die Basis für GNSS Präzisionsanflüge ist, pro Flughafen bis zu 48 Anflugverfahren unterstützen (Federal Aviation Administration, 2018).

Zum anderen haben diese Anflugverfahren den Vorteil, dass sie sowohl lateral als auch vertikal an keine Funkwellen gebunden sind und der Anflug somit frei im Raum über Koordinaten definiert werden kann. So sind Kurven um lärmempfindliche Gebiete problemlos zu fliegen und Verfahrensdesigner wie Fluglotsen und Berufspiloten nicht mehr an die zuweilen sehr starren Schranken der klassischen Anflugsysteme gebunden.

Technische Varianten der GNSS Anflüge

Die Einstufung der verschiedenen GNSS Anflugarten erfolgt prinzipiell analog den klassischen Verfahren. Man unterscheidet Nichtpräzisionsanflüge und Präzisionsanflüge. Letztere ermöglichen niedrigere Entscheidungshöhen, erfordern aber auch deutlich komplexere Technik und Überwachungssysteme, die im Fall der Fälle den Piloten über einen Ausfall informieren. Da Redundanz ein wesentlicher Sicherheitsaspekt in der Luftfahrt ist, ist die Zulassung von neuen Verfahren ein vorsichtiger Prozess des Herantastens, der dementsprechend sehr zeitaufwendig ist.

GNSS Anflug (GPS)

Abbildung 1: Varianten der GNSS Anflüge

Nichtpräzisionsanflüge – Kein externes Überwachungssystem

GNSS Nichtpräzisionsanflüge werden allein durch GPS Satelliten ermöglicht. Sie sind lateral wie vertikal in einer Datenbank programmiert und immer durch ein konventionelles Funkfeuer abgesichert. Sollte dieses Funkfeuer, entweder ein VOR oder ein NDB, nicht funktionsfähig sein, so lässt sich der Anflug nicht fliegen. Die Überwachung des korrekten Ablaufes des Anfluges erfolgt somit durch ein klassisches Funkfeuer, auch wenn das Flugzeug zu diesem Zeitpunkt primär mit Hilfe der GPS Empfänger navigiert.

Die Überwachung der GPS Position sowie des GPS Signals erfolgt durch einen internen Überwachungsprozess innerhalb des Flight Management System (FMS). Die sogenannte RAIM Vorhersage erkennt, sobald die GPS Position von der über Trägheitsnavigation berechneten Position deutlich abweicht. Des Weiteren lassen sich fehlerhafte Satelliten erkennen und aus der Positionsberechnung ausschließen. Sollte eine Positionsberechnung aufgrund der Konstellation der Satelliten nicht möglich sein, so wird der Anwender hierüber in Kenntnis gesetzt. Problematisch hieran ist aktuell, dass nur der Ausfall eines Satelliten erkennbar ist. Sollte zwei Satelliten den gleichen Fehler aufweisen, so ist dies mit dem aktuellen Stand der Technik nicht möglich (Yang & Xu, 2016, S. 122).

Da hierfür ein FMS Grundvoraussetzung ist, werden diese sogenannten „Overlay – Approaches“ nur von Geschäfts- und Linienflugzeugen durchgeführt. Kleine ugzeuge der allgemeinen Luftfahrt sind im Normalfall nicht ausreichend ausgestattet. Größter Vorteil durch das Abfliegen des Anfluges nach der Navigationsdatenbank im FMS ist die Darstellung auf den Instrumenten in diesen Flugzeugen. Es ist somit möglich, auch Nichtpräzisionsanflüge wie einen Präzisionsanflug zu fliegen, was mit einer Lärmminderung für flughafennahe Gebiete einhergeht (Geister, 2012, S. 3).

Nichtpräzisionsanflüge – Satellitengestütztes Überwachungssystem

Eine weitere Möglichkeit satellitengestützte Anflugverfahren durchzuführen, ergibt sich durch ein geostationäres Satellitensystem, kurz SBAS (Space Based Augmentation System). Beispiel hierfür ist WAAS (Wide Area Augmentation System), welches in den kontinentalen USA besteht und es ermöglicht großflächig Fehler und Abweichungen im GPS Signal zu erkennen. Diese Abweichungen werden durch Empfängerstationen gemessen, an eine Rechenstation weitergeleitet und ein Korrektursignal generiert, was über die geostationären WAAS – Satelliten dann in einem dem GPS ähnlichen Signal an die SBAS Empfänger weitergeleitet wird. In den heutigen Geräten sind SBAS und GPS Empfänger zumeist kombiniert (Federal Aviation Administration, 2018).

Da es sich bei SBAS um regionale Systeme handelt, decken neben WAAS (USA) auch EGNOS (Europa) und MSAS (Japan) Teile des Globus ab (European Global Navigation Satellite Systems Agency, 2016).

Die SBAS unterstützten Anflüge erfahren vor allem in der allgemeinen Luftfahrt und der Geschäftsfliegerei großer Beliebtheit, gerade in den USA. Durch diese Art von Anflügen können mit verhältnismäßig wenig Trainings- und Umrüstungsaufwand die Schlechtwetterfähigkeiten von Crews und Flugzeugen deutlich optimiert werden. Es ist weiterhin möglich, an nahezu jedem beliebigen Punkt ein Instrumentenanflugverfahren zu etablieren. Dadurch kann jeder beliebige noch so kleine Flugplatz mit einem hochwertigen Anflugverfahren ausgestattet werden, ohne wartungsaufwändige und damit teure Bodenstationen einsetzen zu müssen.

Präzisionsanflüge – Bodengestütztes Überwachungssystem

Die präziseste Alternative zu konventionellen Anflugverfahren, die GPS derzeit pfangenen GPS Signals. Dadurch wird ein GLS Anflug vergleichbar mit einem ILS CAT I und gilt somit als Präzisionsanflug. Cockpitseitig unterscheidet sich ein GLS kaum von einem ILS, der Trainingsaufwand für die Crews hält sich somit in realisierbaren Grenzen (Dipl.-Ing. Feuerle, Techt & Altenscheidt, 2010, S. 4). Problematisch ist vielmehr, dass nur die wenigsten Flugzeuge einen GLS – Empfänger eingebaut haben. Die Vorteile dieser Anflugverfahren sind neben der hohen Flexibilität die geringen Installations- und Instandhaltungskosten, die Ausstrahlung verschiedener lateraler Anflugwege sowie vertikaler Gleitpfadwinkel und die Möglichkeit, gekurvte Anflüge zu etablieren. Außerdem ist das System nicht störanfällig gegenüber Objekten, die in den Sendebereich der Antenne eintreten (Geister, 2012, S. 3)

Entwicklungspotential dank GPS in den kommenden Jahren

Langfristig wird die satellitengestützte Navigation die bodengebundene Navigation komplett verdrängen. Die Vorteile wurden in den vorhergehenden Absätzen erläutert. Entscheidet für die Entwicklungsgeschwindigkeit wird sein, wie schnell Flugzeuge aus- oder umgerüstet und zugelassen werden und wie umfangreich Crews trainiert werden. GBAS Anflüge erfordern verhältnismäßig wenig Trainingsaufwand, RNP AR Nichtpräzisionsanflüge dagegen schon einen etwas größeren Aufwand inklusive Simulator-Schulungen. Schlussendlich entscheidend wird sein, welchen Anreiz Luftfahrtunternehmen bekommen, diese organisatorisch und finanziell doch nicht unerheblichen Schritte zu gehen.

Studienarbeit von Jan Philipp Reiners, Studierender im Studiengang Aviation Business an der htw saar

Literaturverzeichnis zum GPS Anflug

Dipl.-Ing. Feuerle, Thomas, Techt, Tim, Altenscheidt, Marc (2010): GBAS – pilots and airlines perspective. Paris Online verfügbar unter: URL: https://www.icao.int/EURNAT/Other Meetings Seminars and Workshops/GBAS/GBAS Presentations/GBAS_pilots_perspective_ICAO_Workshop2010_Paris.pdf [01.06.2018]

European Global Navigation Satellite Systems Agency (2016, 14. Juli): EGNOS FAQs. Online verfügbar unter: URL: https://www.gsa.europa.eu/european-gnss/egnos/faq [07.06.2018]

Federal Aviation Administration (2018, 1. März): Satellite Navigation – Wide Area Augmentation System (WAAS). Online verfügbar unter: URL: https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/waas/ [01.06.2018]

Geister, Robert (2012): Flexible Anflugverfahren basierend auf GBAS. Braunschweig

Lawrence, Deborah (2015): FAA WAAS Update. München Online verfügbar unter: URL: https://www.gps.gov/multimedia/presentations/2015/03/munich/lawrence1.pdf [01.06.2018]

Mies, Jürgen (2013): RNAV-Approach. AOPA Safety Letter, (10)

Yang, Yuanxi, Xu, Junyi (2016): GNSS receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) algorithm based on robust estimation. Geodesy and Geodynamics, 7 (2), S. 1-117–123

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