Globales Positionierungssystem (GPS)
Global Positioning System Navigation (GPS) ist die am schnellsten wachsende Art der Navigation in der Luftfahrt. Dies wird durch den Einsatz von NAVSTAR-Satelliten erreicht, die von der US-Regierung in eine Umlaufbahn um die Erde gesetzt und dort gewartet werden. Kontinuierliche codierte Übertragungen von den Satelliten erleichtern die Ortung der Position eines mit einem GPS-Empfänger ausgestatteten Flugzeugs mit äußerster Genauigkeit. GPS kann eigenständig für die Streckennavigation verwendet oder in andere Navigationssysteme wie VOR/RNAV, Trägheitsreferenz oder Flugmanagementsysteme integriert werden.
Es gibt drei GPS-Segmente: das Raumsegment, das Kontrollsegment und das Benutzersegment. Flugzeugtechniker sind nur mit Geräten des Benutzersegments wie GPS-Empfängern, Displays und Antennen befasst.
Vierundzwanzig Satelliten (21 aktiv, 3 Ersatzsatelliten) in sechs separaten Umlaufbahnen 12.625 Meilen über dem Planeten bilden das sogenannte Weltraumsegment des GPS-Systems. Die Satelliten sind so positioniert, dass sich an jedem Ort der Erde zu jeder Zeit mindestens vier mindestens 15° über dem Horizont befinden. Typischerweise sind zwischen 5 und 8 Satelliten in Sicht.
Von jedem Satelliten werden zwei mit digital codierten Informationen geladene Signale gesendet. Die L1-Kanalübertragung auf einer Trägerfrequenz von 1575,42 MHz wird in der zivilen Luftfahrt verwendet. Satellitenidentifikation, Position und Zeit werden auf diesem digital modulierten Signal zusammen mit Status- und anderen Informationen an den Flugzeug-GPS-Empfänger übermittelt. Eine L2-Kanal-1227,60-MHz-Übertragung wird vom Militär verwendet.
Die Zeitdauer, die Signale benötigen, um den Flugzeug-GPS-Empfänger von sendenden Satelliten zu erreichen, wird mit der genauen Position jedes Satelliten kombiniert, um die Position eines Flugzeugs zu berechnen. Das Steuersegment des GPS überwacht jeden Satelliten, um sicherzustellen, dass sein Standort und seine Zeit genau sind. Diese Steuerung wird mit fünf bodengestützten Empfangsstationen, einer Hauptkontrollstation und drei Sendeantennen bewerkstelligt. Die empfangenden Stationen leiten von den Satelliten empfangene Statusinformationen an die Hauptkontrollstation weiter. Über die Sender werden Berechnungen angestellt und Korrekturanweisungen an die Satelliten gesendet.
Das Benutzersegment des GPS besteht aus Tausenden von Empfängern, die in Flugzeugen installiert sind, sowie aus jedem anderen Empfänger, der die GPS-Übertragungen verwendet. Speziell für den Flugzeugtechniker besteht der Benutzerabschnitt aus einer Steuertafel/Anzeige, der GPS-Empfängerschaltung und einer Antenne. Die Steuerung, das Display und der Empfänger befinden sich normalerweise in einer einzigen Einheit, die auch eine VOR/ILS-Schaltung und einen VHF-Kommunikations-Transceiver enthalten kann. GPS-Intelligenz ist in die multifunktionalen Displays von Glascockpit-Flugzeugen integriert.
Der GPS-Empfänger misst die Zeit, die es dauert, bis ein Signal von drei Sendesatelliten eintrifft. Da sich Funkwellen mit 186.000 Meilen pro Sekunde ausbreiten, kann die Entfernung zu jedem Satelliten berechnet werden. Der Schnittpunkt dieser Bereiche liefert eine zweidimensionale Position des Flugzeugs. Sie wird in Breiten-/Längenkoordinaten ausgedrückt. Durch Einbeziehung der Entfernung zu einem vierten Satelliten kann auch die Höhe über der Erdoberfläche berechnet werden. Dies führt zu einer dreidimensionalen Fixierung. Zusätzliche Satelliteneingänge verfeinern die Genauigkeit der Position.
Nachdem die Position des Flugzeugs entschlüsselt wurde, verarbeitet die GPS-Einheit viele nützliche Navigationsausgaben wie Geschwindigkeit, Richtung, Peilung zu einem Wegpunkt, zurückgelegte Entfernung, Ankunftszeit und mehr. Diese können ausgewählt werden, um sie zur Verwendung anzuzeigen. Wegpunkte können eingegeben und im Speicher des Geräts gespeichert werden. Geländemerkmale, Flughafendaten, VOR/RNAV- und Anfluginformationen, Kommunikationsfrequenzen und mehr können ebenfalls in ein GPS-Gerät geladen werden. Die meisten modernen Einheiten verfügen über eine Anzeigefunktion für bewegliche Karten.
Ein Hauptvorteil der GPS-Nutzung ist die Unempfindlichkeit gegenüber wetterbedingten Dienstunterbrechungen. Fehler werden eingeführt, während die Trägerwellen durch die Ionosphäre wandern; diese werden jedoch korrigiert und auf ein Minimum reduziert. GPS ist auch relativ preiswert. GPS-Empfänger für die IFR-Navigation in Flugzeugen müssen nach TSO-129A gebaut sein. Dies hebt den Preis über den von tragbaren Geräten, die zum Wandern oder in einem Auto verwendet werden. Aber die Gesamtkosten von GPS sind aufgrund seiner kleinen Infrastruktur gering. Der größte Teil der inhärenten Genauigkeit ist in die Raum- und Steuersegmente eingebaut, was eine zuverlässige Positionierung mit kostengünstiger Benutzerausrüstung ermöglicht.
Die Genauigkeit des aktuellen GPS liegt innerhalb von 20 Metern horizontal und etwas mehr vertikal. Dies ist ausreichend für die Navigation unterwegs mit größerer Genauigkeit als erforderlich. Abflüge und Anflüge erfordern jedoch eine strengere Genauigkeit. Die Integration des Wide Area Augmentation System (WAAS) verbessert die GPS-Genauigkeit auf 7,6 Meter und wird unten diskutiert.
Die Zukunft von GPS erfordert zusätzliche Genauigkeit, indem zwei neue Übertragungen von jedem Satelliten hinzugefügt werden. Ein L2C-Kanal dient der allgemeinen Verwendung in nicht sicherheitskritischen Anwendungen. Ein luftfahrtspezifischer L5-Kanal bietet die für Landungen der Kategorien I, II und III erforderliche Genauigkeit. Es wird den NEXTGEN NAS-Plan zusammen mit ADS-B aktivieren. Die ersten Ersatz-NAVSTAR-Satelliten mit L2C- und L5-Fähigkeit wurden bereits gestartet. Die vollständige Umsetzung ist bis 2015 geplant.
