Projekt WERAN plus - Stand der Forschung - Dr. T. Schrader Braunschweig, 19.12.2019 - Physikalisch ...
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Projekt WERAN plus - Stand der Forschung - Dr. T. Schrader Braunschweig, 19.12.2019
Projektteam WERAN plus
Physikalisch-Technische Bundesanstalt Dir. u. Prof. Dr. Thorsten Schrader
FB Hochfrequenz und Felder Dr. Marius Mihalachi
Verbundkoordinator PD Dr. Thomas Kleine-Ostmann
M.Sc. Jannis Körner
FCS Flight Calibration Services GmbH Hon.-Prof. Dr. Jochen Bredemeyer
Leibniz Universität Hannover Prof. Dr. Heyno Garbe
Institut f. Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik Dipl.-Ing. Sergei Sandmann
Dipl.-Ing. Sven Fisahn
Jade Hochschule Wilhelmshaven
Hochfrequenztechnik, Funksysteme, EMV Prof. Dr. Jens Werner
Meeres-Messtechnik/Sensorik Prof. Dr. Jens Wellhausen
TU Braunschweig
Institut Computational Mathematics Prof. Dr. Harald Löwe
19.12.2019 2 WERAN plus - Stand der Forschung
Inhalt
Einleitung, Entwicklung der Messtechnik
Stand der Forschung:
Messergebnisse der Vor-Ort-Flugmesstechnik
Vollwellensimulationen
Prognose der Störung von DVOR durch WEA
Vorbelastung durch Orbit-Flugvermessung
Gesamtfehlerbestimmung
Auswirkung in der Zukunft
Executive Summary
19.12.2019 3 WERAN plus - Stand der Forschung
Inhalt
Einleitung, Entwicklung der Messtechnik
Stand der Forschung:
Messergebnisse der Vor-Ort-Flugmesstechnik
Vollwellensimulationen
Prognose der Störung von DVOR durch WEA
Vorbelastung durch Orbit-Flugvermessung
Gesamtfehlerbestimmung
Auswirkung in der Zukunft
Executive Summary
19.12.2019 4 WERAN plus - Stand der Forschung
EMV Problematik und Hintergrund
On-Site Messungen der
Signalintegrität erforderlich
Blick von Insel Langeoog Richtung Süden
• Verträglichkeit von WEA im Radius von 15 km (10 km) um Radar- oder Navigationsanlage
zu prüfen gemäß ICAO EUR DOC 015. Luftverkehrsgesetz §18a.
• „Sicherheitsradius“ für DWD Wetterradar / Windprofiler
19.12.2019 5 WERAN plus - Stand der Forschung
Wissenschaftlicher Ansatz von WERAN
Auftrennung des Übertragungskanals
nichtlinearer Teil linearer Teil
(Radarsignalverarbeitung) (Kanal, Wellenausbreitung)
Aufgabe von WERAN:
„Signaländerung durch WEA im Übertragungskanal Einspeisen in Flugempfänger/Radar
messtechnisch und numerisch bestimmen.“ Wirkung auf Airliner, Sportflugzeug
19.12.2019 6 WERAN plus - Stand der Forschung
Foto der Messelektronik 19.12.2019 7 WERAN plus - Stand der Forschung
Forschungsschwerpunkt arcass:
Messtechnik für Navigation und Radar
Ungerichtetes Funkfeuer (NDB) und seine Peilung (ADF) 500 kHz
Instrumentenlandesystem Localizer (ILS-LLZ) 110 MHz
Gerichtetes Funkfeuer der zivilen Flugsicherung (CVOR, DVOR) 113 MHz
UKW-Seefunkdienst (in Entwicklung) 160 MHz
Instrumentenlandesystem Glide Path (ILS-GP) 330 MHz
DWD UHF-Windprofiler 482 MHz
Flughafenüberwachungsradar (ASR) 2,7 GHz
Luftverteidigungsradar (LVR) einige GHz
DWD Wetterradar (C-Band-Niederschlagsradar) 5,6 GHz
X-Band-Marineradar (in Entwicklung) 9,375 GHz
arcass: Advanced remote-controlled airborne sensor systems
19.12.2019 8 WERAN plus - Stand der Forschung
Unterstützung der Politik durch die Metrologie
bei 50 GW
installiert
19.12.2019 9 WERAN plus - Stand der Forschung
Genehmigungslauf Bauvorhaben WEA
Energiewende (30.000 WEA im Bestand, notwendiger Zubau 30.000 WEA, 1000 WEA/a)
Neue WEA-Bauvorhaben-Planung
DFS erstellt Gutachten (innerhalb Anlagenschutzbereich)
BAF entscheidet (hoheitliche Aufgabe)
Aktuelles Vorgehen nicht optimal Investitionen in Milliarden Euro gefährdet
Projekt
Entwicklung Messtechnik/
WERAN
Vollwellen-Simulation Beitrag der Metrologie
WERAN plus: Neuer Stand der Forschung zur Lösung des Problems
Messtechnik/Vollwellen-Sim
Prognosetool
Fehlerbetrachtung/Bewertung
19.12.2019 10 WERAN plus - Stand der ForschungÜbersicht Doppler UKW-Drehfunkfeuer (DVOR)
Quelle: Wikipedia
19.12.2019 11 WERAN plus - Stand der ForschungÜbersicht Doppler UKW-Drehfunkfeuer (DVOR)
AM Referenz-Signal FM Umlauf-Signal
19.12.2019 12 WERAN plus - Stand der Forschungsignal-in-space – AM and FM
cone of silence
antenna pattern
Doppler-VOR (D-VOR) groundstation w/ DME
source: Wikipedia
19.12.2019 13 WERAN plus - Stand der ForschungGeometrie des Problems
signal-in-space
Minimum IFR altitude 3500 ft (1000 m)
„radio horizon“
Minimum service
level at low altitude
Reichweitengrenze
80 NM, 150 km
Hinweis: Bei größeren Abständen ist die Erdkrümmung für die korrekte Höhe zu berücksichtigen.
19.12.2019 14 WERAN plus - Stand der ForschungIm Projekt nutzbare Flugmessplattformen
WERAN plus
VTOL
„Vertical take-off and landing“
PTBee 4
WERAN WERAN
MotorseglerJade One PTBee 3C PTBee 3D
19.12.2019 15 WERAN plus - Stand der ForschungSimulierte DVOR-Fehlerausbreitung in den Raum
DVOR in Koordinatenursprung, 1 WEA in 2 km Entfernung (E-101, 150 m Gesamthöhe, -Konfiguration)
19.12.2019 16 WERAN plus - Stand der ForschungMessungen der DVOR-Fehlerausbreitung (KLF)
4 km
4 km
19.12.2019 17 WERAN plus - Stand der ForschungMessungen der DVOR-Fehlerausbreitung (KLF)
Flight 1
100 120 140 160 180 200 220 240
Flight 2
100 150 200 250 300
Flight 3
150 160 170 180 190 200 210 220 230
19.12.2019 18 WERAN plus - Stand der Forschung2-Pfad-Störmodell nach Anderson und Flint
Übersicht
Norden
• Die ursprüngliche DFS-Formel (DFS) – Empfänger
• Die modifizierte DFS-Formel (DFSM)
• Integral basierende Lösung (AFIS)
– Störer = 1…
Relative Dämpfung
Osten
DVOR
19.12.2019 19 WERAN plus - Stand der ForschungAuf Anderson-Flint basierende Fehlermodelle
Die ursprüngliche DFS-Formel (DFS)
8
− −
'()* , = , - · /0 22 sin · cos · cos 2 − +6
2 2
90 70
>?
ℎ − >:;< B 2C
':;< · 4100 ?
· ·
ℎ:;< > 2
- =
2C − −
max · /0 22 sin 2 · cos 2 · cos 2 − +6
°FGH FIJ ° 2
70
ln 1,60
':;< = 0,08° ℎ:;< = 95 m >:;< = 4000 m N=
ln 1,36
2QR
C = 0,1 6 = 180° 2= = 6,75 m
S
19.12.2019 20 WERAN plus - Stand der ForschungAuf Anderson-Flint basierende Fehlermodelle
Die modifizierte DFS-Formel (DFSM)
8
− −
'()*U , = , - · /0 22 sin · cos · cos 2 − +6
2 2
90
>?
ℎ − ? · >U B
>:;< >:;<
- = ':;< · · Vorfaktor (4000/4100)²
ℎ:;< · VW >
ln 1,60
':;< = 0,08° ℎ:;< = 95 m >:;< = 4000 m >U = 0,95 m N=
ln 1,36
2QR
C = 0,1 6 = 180° 2= VW = 0,58 … = 6,75 m
S
19.12.2019 21 WERAN plus - Stand der ForschungAuf Anderson-Flint basierende Fehlermodelle
Anderson-Flint Integral Solution (AFIS, Prof. Harald Löwe)
8
_ a = d e i: jkl fc7GH 7i:H
+, d e i: jkl fc7Gm 7i:m 7nm
90
8 Beiträge der Störer
i: !
> ,ℎ ,R = - ,2-Pfad-Störmodell DFSM nach Anderson und Flint
Flight 1
In großem Abstand zum Störer
eher radiale Struktur des Fehlers
Flight 2
Flight 3
19.12.2019 23 WERAN plus - Stand der ForschungVergleich On-Site-Messungen und Prognose-Neu
100 120 140 160 180 200 220 240
100 150 200 250 300
150 160 170 180 190 200 210 220 230
19.12.2019 24 WERAN plus - Stand der ForschungVergleich Messung - Vollwellensimulation 19.12.2019 25 WERAN plus - Stand der Forschung
Erste Ergebnisse für 3D-AFIS-Prognosemodell
Drei WEA der Höhe 100 m östlich des
DVOR (1 km)
Frequenz DVOR 115 MHz
(Wellenlänge ca. 2,6 m)
Gewichtete Integration erfolgte
äquidistant
„Angepasst“ auf DFSM Vorfaktoren
Fehler auf Teilsphäre mit 4 km Radius
19.12.2019 26 WERAN plus - Stand der ForschungDrei Säulen bilden Neuen Stand der Technik
WERAN WERAN plus
Vollwellen- Neue
On-Site-
Simulation in Prognose-
Messtechnik
Zeit- und Tools:
(Zeitstempel,
Frequenz- DFSM
Ort, Messdaten)
bereich AFIS
Drei völlig unabhängige Verfahren liefern das gleiche Ergebnis ?
19.12.2019 27 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen DVOR/DME Hehlingen Kennung: HLZ Frequenz: 117,30 MHz / CH 120x Breite: 52,363390 Grad Länge: 10,795204 Grad 19.12.2019 28 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen
Windpark Volkmarsdorf: Übersicht
ID des Vorranggebietes: 171
Landkreis: Helmstedt
Gebietsbezeichnung: Velpke (Volkmarsdorf) HE 5
Gebietstyp: Vorranggebiet mit
Ausschlusswirkung
Fläche in Hektar: 69,77
Datum des Inkrafttretens: 30.05.08
Rechtsgrundlage: RROP ZGB 2008
Quelle: Energieatlas Niedersachsen
19.12.2019 29 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen
Windpark Volkmarsdorf: Windenergieanlagen
WEA Breite Länge Anlage- Gesamthöhe Nabenhöhe Rotordurch- Leistung
Status
# [Grad] [Grad] ID [m] [m] messer [m] [kW]
01 52.357720 10.866620 5448 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
Quellen: Energieatlas Niedersachsen und Google Earth
02 52.358281 10.864615 5413 64.5 50.0 29.0 250.0 In Betrieb
03 52.358905 10.863464 5453 53.5 40.0 27.0 150.0 In Betrieb
04 52.359474 10.862123 5452 64.5 50.0 29.0 250.0 In Betrieb
05 52.360123 10.860760 5455 113.0 78.0 70.0 600.0 In Betrieb
06 52.362088 10.862392 5458 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
07 52.363490 10.861282 5459 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
08 52.358835 10.870308 5454 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
09 52.360166 10.869207 5456 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
10 52.361904 10.867512 5457 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
11 52.364794 10.866860 5460 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
12 52.367135 10.867646 5449 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
13 52.365383 10.872247 5461 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
14 52.367445 10.875067 5450 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
15 52.369265 10.874198 5451 100.0 65.0 70.0 1800.0 In Betrieb
19.12.2019 30 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen
Untersuchter Bereich
Umfang: 200 m × 200 m
Mitte des Bereichs:
Breite: 52,354361 Grad
Länge: 10,897980 Grad
Die Mitte des Bereichs befindet sich
7 km östlich und
1 km südlich von DVOR HLZ
Entfernung von DVOR: 7071 m
Radial von DVOR aus: 98,13 Grad
1 Grad Elevation entspricht einer Höhe von
123,4 m in der Mitte des Bereichs
Quelle: Google Earth
19.12.2019 31 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen
Untersuchter Bereich
Größte Winkelfehler
Quelle: Google Earth
19.12.2019 32 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen
Vergleich: DFS / DFSM
Hinweis:
Besselfunktion wird nicht abgeschnitten.
19.12.2019 33 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen
Messung: doppeltes T-Profil in 125 m Höhe
Quelle: Google Earth
19.12.2019 34 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen Messung: Blick von der on-board Kamera in 200 m Höhe 19.12.2019 35 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen
Messung: Winkelfehler bei 1° Elevation (Radiohorizont)
Maximalfehler < 0,3°
19.12.2019 36 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen
Berechnung des Winkelfehlers: EM-Simulation (Vollwellensimulation)
Quelle: Sergei Sandmann, LUH
19.12.2019 37 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen Berechnung des Winkelfehlers: EM-Simulation Senkrechte Analysefläche: Koordinatenursprung ist DVOR HLZ Nordkoordinate: -1100 m … -900 m Ostkoordinate: 7000 m (konstant) Höhe: 50 m … 250 m über Grund Räumliche Auflösung: 0,4 m 19.12.2019 38 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen Berechnung des Winkelfehlers: EM-Simulation Senkrechte Analysefläche: Koordinatenursprung ist DVOR HLZ Nordkoordinate: -1100 m … -900 m Ostkoordinate: 7000 m (konstant) Höhe: 50 m … 250 m über Grund Räumliche Auflösung: 0,4 m Waagerechte Analysefläche: Koordinatenursprung ist DVOR HLZ Nordkoordinate: -1100 m … -900 m Ostkoordinate: 6900 m … 7100 m Höhe: 125 m über Grund (konstant) Räumliche Auflösung: 0,4 m 19.12.2019 39 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen Berechnung des Winkelfehlers: EM-Simulation 19.12.2019 40 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen Vergleich: DFSM / EM-Simulation 19.12.2019 41 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen Vergleich: AFIS / EM-Simulation 19.12.2019 42 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen Vergleich: DFSM / AFIS 19.12.2019 43 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen
Vergleich: DFSM / AFIS / EM-Simulation / Messung
Prognose/Simulation/Messung liefern gute Übereinstimmung,
die mehrfache Messung liegt tendenziell immer darunter
19.12.2019 44 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen
Vergleich: DFS / DFSM / AFIS / EM-Simulation / Messung
bisherige DFS-Prognose
19.12.2019 45 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen 19.12.2019 46 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Hehlingen
Kontrollmessung
Kontrollmesspunkt
Quelle: Google Earth
19.12.2019 47 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen
Kontrollmessung
Messung
Windpark
Kontrollmessung
19.12.2019 48 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen – KP2
Kontrolle liefert zu große Fehler.
Ursache?
19.12.2019 49 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen – KP2
Möglicherweise:
Einfluss der aufgeständerten A2
inkl. Lärmschutzwände
19.12.2019 50 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen – KP2
760 m
Oder:
Hochspannungsleitungen
19.12.2019 51 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Hehlingen – Zweite Kontrolle 19.12.2019 52 WERAN plus - Stand der Forschung
Kontrollmessung DVOR Hehlingen 19.12.2019 53 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Maisach
DVOR/DME Maisach
Kennung: MAH
Frequenz: 115,20 MHz / CH 21x
Breite: 48,263451 Grad
Länge: 11,311897 Grad
Baum im Nahbereich
des DVOR überragt
Plattform, = 0,4°
19.12.2019 54 WERAN plus - Stand der ForschungDVOR Maisach – Kontrollmessung Anlage mit Baum 19.12.2019 55 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Maisach
DVOR/DME Maisach
Kennung: MAH
Frequenz: 115,20 MHz / CH 21x
Breite: 48,263451 Grad
Länge: 11,311897 Grad
Fernfeldmonitor
19.12.2019 56 WERAN plus - Stand der ForschungDVOR Maisach – Kontrollmessung in der Anlage
Messung des Signals vom Fernfeldmonitor am 3dB-Teiler – kein Eingriff in die Anlage (Richtkoppler)
AM-Phase rauscht um Faktor 10 mehr, Phase schwankt, Frequenz instabil (ist Ableitung der Phase nach Zeit)
Messtechnischer Nachweis
des anlageneigenen Fehlers,
durch Mittelantenne dominiert,
zeitvarianter Fehler.
Umschaltverhalten gemessen
beim Abnehmen unterschiedlicher
Umlaufantennen, noch keine Auswertung.
Bearing Monitor: 1°± 0,3° gemäß
Annex 10, Vol 1, 3.3.7.1
ICAO 8071 Vol.1, 2.2.32
19.12.2019 57 WERAN plus - Stand der ForschungMessung des Anlagenfehlers DVOR
• Stationäre Messung im Betriebshaus eines DVOR (identische Hardware WERAN)
• 0,005° FM und 0,03° AM sehr hohe Auflösung des Winkelfehlers der Anlage möglich
• Nutzung des Signals der Fernfeldmonitorantenne (ohnehin vorhanden)
• Umschaltverhalten der Einzelantennen zu beobachten durch hohe zeitliche Abtastung
• Jedwede Abweichung der Abstrahlung einzelner Antennen wäre auffällig (Schnee, Vogel, Korrosion)
• Messtechnischer Beweis des Anlagenfehlers und eine laufende Überwachung
möglich erhöhte Sicherheit (bisher nur vage Schätzung möglich)
• Kleine Baumaßnahmen erforderlich, kostengünstige und sichere Umsetzung,
Einbindung in Überwachungskonzept der DFS notwendig
19.12.2019 58 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Maisach
Windenergieanlagen
WEA Breite Länge Gesamthöhe
Name
# [Grad] [Grad] [m]
01 Welshofen 48,307689 11,267733 199
02 Odelzhausen-1 48,333278 11,190472 199
03 Odelzhausen-2 48,336722 11,183861 199
04 Odelzhausen-3 48,332611 11,172611 199
Quellen: DFS und Google Earth
05 Odelzhausen-4 48,337139 11,175000 199
06 Odelzhausen-5 48,337778 11,167083 199
07 Malching 48,198056 11,190000 186
08 Mammendorf 48,190833 11,174722 186
09 Aubing 48,154550 11,392803 250
10 Lohfeld 48,278667 11,407083 50
11 Pellheim 48,285278 11,419167 207
12 Etzenhausen 48,278333 11,432500 180
Quelle: Google Earth
19.12.2019 59 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Maisach
Prognose-Messort M2 (Mammendorf)
Polarkoordinaten:
Entfernung von DVOR: 14,99 km
Radial von DVOR aus: 237,53°
Höhe der 1 Grad Elevation: 262 m
Quelle: Google Earth Quelle: Google Earth
19.12.2019 60 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Maisach Messort M2 (Mammendorf) – DFSM Prognose 19.12.2019 61 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Maisach
Messort M2 (Mammendorf) – T-Profile
DVOR/DME MAH
WEA-07
T-Profil E-W (2 x 100 m) WEA-08
T-Profil N-S (2 x 100 m)
E
Höhe: 262 m (1 Grad Elevation) N
S
W
Quelle: Google Earth
19.12.2019 62 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Maisach
Messort M2 (Mammendorf) – FM-Phase und GNSS-Bearing
Messung liefert zu große Fehler.
Ursache?
19.12.2019 63 WERAN plus - Stand der ForschungUntersuchungen DVOR Maisach Stromtrasse in der unmittelbaren Nähe zum DVOR 186 m hohe WEA Blick direkt vom DVOR Richtung Malching/Mammendorf Quelle: Google Earth 19.12.2019 64 WERAN plus - Stand der Forschung
Untersuchungen DVOR Maisach
Stromtrasse in der unmittelbaren Nähe der Anlage
365 m
Quelle: Google Earth
19.12.2019 65 WERAN plus - Stand der ForschungWorst-Case Betrachtung – Teil 1 Brennpunkte einer Ellipse 19.12.2019 66 WERAN plus - Stand der Forschung
Worst-Case Betrachtung – Teil 2 Brennpunkt eines Hohlspiegels 19.12.2019 67 WERAN plus - Stand der Forschung
Worst-Case Betrachtung – Teil 3
Bragg-Gleichung
Gitterebenenabstand
Rotordurchmesser Mindestabstand nur wenige Braggwinkel möglich
19.12.2019 68 WERAN plus - Stand der ForschungMessungen an CVOR
Blick in Richtung CVOR
Drehung des Kopters im Luftraum um seine Hochachse
Große Winkelabweichung bei nur 2 seitlichen WEA: Alle CVOR durch DVOR ersetzen
19.12.2019 69 WERAN plus - Stand der ForschungInhalt
Einleitung, Entwicklung der Messtechnik
Stand der Forschung:
Messergebnisse der Vor-Ort-Flugmesstechnik
Vollwellensimulationen
Prognose der Störung von DVOR durch WEA
Vorbelastung durch Orbit-Flugvermessung
Gesamtfehlerbestimmung
Auswirkung in der Zukunft
Executive Summary
19.12.2019 70 WERAN plus - Stand der ForschungFlugvermessung gemäß ICAO
• Die Flugvermessung der terrestrischen Funknavigationsanlagen erfolgt gemäß den Vorgaben
nach ICAO Doc 8071 Vol. I
• Gem. ICAO Doc 8071 soll mit einem Flugzeug-typischen System (Empfänger, Antenne, etc.)
vermessen werden (Doc 8071 Vol. I 5th edition 2.3.41)
• Die Kalibrierung des Messystems im Vermessungsflugzeug erfolgt in regelmäßigen Intervallen
unter stationären Laborbedingungen
• Die Messunsicherheit MU des Empfangssystems wird hierbei bestimmt unter Verwendung
rückgeführt kalibrierter Messsender
• Der periodische Orbitflug hat gem. Doc 8071 (Vol. I 5th edition 2.3.9 und 2.3.10) in der
Hauptkeule in einer angemessenen Entfernung und im Service Volumen zu erfolgen
19.12.2019 71 WERAN plus - Stand der ForschungNutzung der Flugvermessungsergebnisse als
Vorbelastung eines Drehfunkfeuers
• Einzelne, lineare Messantenne am Flugzeug erlaubt keine Bestimmung des 3D-Feldstärkevektors
im Raum und wird vom Doc 8071 nicht gefordert
• Abhängig vom Bewegungspfad des Flugzeugs entstehen hierdurch im Fall des
Drehfunkfeuers zusätzliche Winkelfehler: Vollwellen-Simulation eines generischen
Messflugzeugs liefert 0,5 Grad, in Spitzen 1 Grad Abweichung
• Dies ist für jede Konstellation Flugzeug/Antenne unterschiedlich
• Der periodische Orbitflug gemäß ICAO Doc 8071 erfolgt nicht am Radiohorizont (Elevation 1 Grad)
kein Test des Worst-Case
(Worst-Case über Radialflüge von publizierten Flugverfahren abgedeckt)
• Bestimmung der Bends (±3,5°) sollen nach ICAO 8071:2018 2.3.12
in Radialflügen durchgeführt werden und wird in Deutschland auch periodisch umgesetzt
19.12.2019 72 WERAN plus - Stand der ForschungNutzung der Flugvermessungsergebnisse als
Vorbelastung eines Drehfunkfeuers
Radial
Orbitflug in 12 NM
a
c
Fall a: maximaler pos. Fehler
b b: maximaler neg. Fehler
c: Nulldurchgang
Aussagekraft bei Messung in 10 NM oder
Bends 12 NM bezogen auf ein Radial nicht
Orbitflug in 10 NM gegeben
19.12.2019 73 WERAN plus - Stand der ForschungFlugvermessung gem. ICAO und signal-in-space
WEA führen zur
weiteren Deformation
des Ellipsoiden im Raum:
signal-in-space
Noch kein Winkelfehler
3D-Ellipsoid
Ideal: a,c = 0, b=b0 D> D 0, b = b0 Fußpunktspannung = f (t)
Demodulation/Filter
Winkelfehler
Empfangscharakteristik:
Messflugzeug: Flugzeugtypisch
Oktokopter: Dipol, bekannt
19.12.2019 74 WERAN plus - Stand der ForschungFlugvermessung gem. ICAO und signal-in-space
WEA führen zur
weiteren Deformation
des Ellipsoiden im Raum:
signal-in-space
Noch kein Winkelfehler
3D-Ellipsoid
Ideal: a,c = 0, b=b0 D> D 0, b = b0 Fußpunktspannung = f (t)
Demodulation/Filter
Winkelfehler
Orbit-Flugvermessungen weisen zu
Empfangscharakteristik:
hohe Messunsicherheit auf für die
Messflugzeug: Flugzeugtypisch
Bestimmung der Vorbelastung
Oktokopter: Dipol, bekannt
19.12.2019 75 WERAN plus - Stand der ForschungSimulation Orbitflug bei R = 15 km ohne Störer
„Vorbelastung“:
hängt ab von der
Messantenne.
Simulierte
Messunsicherheit
derzeit
Accepted for publication: ca. 0,5 Grad
S. Sandmann, H. Garbe
„Einfluss der unerwünschten Polarisationsanteile auf die
empfangene Zielgröße einer DVOR-Antenne“
MESAGO, EMV 2020, Köln, 17.-19.03.2020
DOI available in April 2020
19.12.2019 76 WERAN plus - Stand der ForschungSimulation Orbitflug bei R = 15 km ohne Störer
Annex 10, Vol.1: 2006
3.3.3.1 The emission from the VOR shall be horizontally polarized. The vertically polarized component of the
radiation shall be as small as possible.
Note.— It is not possible at present to state quantitatively the maximum permissible magnitude of„Vorbelastung“:
the vertically polarized
component of the radiation from the VOR. (Information is provided in the Manual on Testing of Radio Navigation
hängt ab von Aids
der
(Doc 8071) as to flight checks that can be carried out to determine the effects of vertical polarization on the bearing
Messantenne.
accuracy.)
Simulierte
Messunsicherheit
derzeit
Accepted for publication: ca. 0,5 Grad
S. Sandmann, H. Garbe
„Einfluss der unerwünschten Polarisationsanteile auf die
empfangene Zielgröße einer DVOR-Antenne“
MESAGO, EMV 2020, Köln, 17.-19.03.2020
DOI available in April 2020
19.12.2019 77 WERAN plus - Stand der ForschungMessflüge mit PTB-VTOL-Flugmessplattform
Geplant:
1 Grundlegende Messungen
zur Untersuchung der Orbit-
und Radialflüge, ggf. als
Mäander in Teilabschnitten
2
Abstand 15 km
Länge 1 km
Höhe 260 m
19.12.2019 78 WERAN plus - Stand der ForschungMessung der Vorbelastung
• Messunsicherheit MU des Oktokopters (später auch PTB-VTOL) bekannt und validiert
• Gesamte Messkette ist kalibriert
• Dynamischer Fall des Übertragungskanals abgebildet in Kalibrierung/Messung
durch hohe zeitliche Abtastung dynamischer Fall enthalten
• Messung Bandpasssignal deshalb Messung des true signal-in-space
• Messung der Überlagerung ALLER Störbeiträge
• Messung am Radiohorizont möglich, sowohl Feldstärke (minimum service level)
als auch Signalinhalt, z.B. in 15 km Entfernung bis 300 m Höhe
Messung Umgebungseinfluss sowie der Vorbelastung eines DVOR
• Messtechnische Bestimmung der Winkelfehler aus AM und FM, Validierung durch Messungen
in Raumbereichen ohne Störung
• AM stark rauschbehaftet, aber nahezu mittelwertfrei, keine Korrelation mit Umgebung
19.12.2019 79 WERAN plus - Stand der ForschungInhalt
Einleitung, Entwicklung der Messtechnik
Stand der Forschung:
Messergebnisse der Vor-Ort-Flugmesstechnik
Vollwellensimulationen
Prognose der Störung von DVOR durch WEA
Vorbelastung durch Orbit-Flugvermessung
Gesamtfehlerbestimmung
Auswirkung in der Zukunft
Executive Summary
19.12.2019 80 WERAN plus - Stand der ForschungBetrachtung des Signal-in-Space eines DVOR
Gesamtfehlerbestimmung
DVOR-
Umgebungs-
DVOR- DVOR-WEA- einfluss
DVOR-Nord- Erd-
Anlagen- Wechselw. (Gebäude,
ausrichtung magnetfeld
fehler Prognose Hoch-
spannungs-
leitungen)
Metrologie
19.12.2019 81 WERAN plus - Stand der ForschungBeiträge zum Gesamtfehler eines DVOR (s-i-s)
Anl systematisch, Anlagenfehler, Nordungsfehler bei Kalibrierung
Umg systematisch, Terrain, HS-Leitungen, Kirchtürme
Umg_var statistisch, ggf. langsam veränderlich über das Jahr, Autos, Bewuchs
Erdmagn tageszeitlicher Gang des Erdmagnetfelds, Nordung schwankt
Erdmagn_Drift langsam, 0,1°/ 5 Jahre, vernachlässigbar
WEA statistischer Prozess, insbesondere bei vielen WEA, schwankt
tageszeitlich abhängig von der Windrichtung
AM statistischer Prozess, ohne Korrelation zu WEA, Terrain, etc.
19.12.2019 82 WERAN plus - Stand der ForschungGesamtfehlerbestimmung
DFS
PTB
Neu: Messwerte
19.12.2019 83 WERAN plus - Stand der ForschungGesamtfehlerbestimmung
DFS
PTB
Neu: Messwerte
Konformitätsbetrachtung:
< 2 Grad < 3,5 Grad | +U | < 3,5 Grad
19.12.2019 84 WERAN plus - Stand der ForschungWas würden 1,5 Grad Winkelfehler durch Zubau
von WEA für die Zukunft bedeuten?
20 km x 20 km
10 m Auflösung
bei 80 NM
19.12.2019 85 WERAN plus - Stand der ForschungWas würden 1,5 Grad Winkelfehler durch Zubau
von WEA für die Zukunft bedeuten?
Zirkulare Ringe mit je 100 WEA
• Frequency: 113 MHz
• 100 wind turbines, height 200 m, A = 0.1, δ = 180°
• The wind turbines are randomly located in 14 rings.
19.12.2019 86 WERAN plus - Stand der ForschungAnforderungen VOR durch RNAV – Teil 1
ICAO 8071:2018
8.1.2 „The use of VOR is limited to RNAV5.“
8.2.1 Verweis of ICAO DOC 9613 Performance-based Navigation Manual (PBN). Vol. 1 u. 2
Note: Verweis auf EUROCONTROL GUID-0114
8.3.1 Flight inspection parameters and procedures.
To evaluate if VOR or DME facilities are able to support PBN, both coverage (stable minimum field
strength) and accuracy should be verified using the methods specified in Chapters 2 and 3.
Additional parameters may be useful, such as reply efficiency in the case of DME. However, it must
be noted that some of the parameter limits and associated measurement procedures have been
defined only for radial or orbital flights. PBN specifications assume that the facility requirements in
Annex 10 will be met, regardless of the orientation of the aircraft.
19.12.2019 87 WERAN plus - Stand der ForschungAnforderungen VOR durch RNAV – Teil 2
ICAO DOC 9613:2008 Performance-based Navigation Manual. Vol. 1 und 2.
Tabelle II-A-1-1: 5 NM in 95% = tan-1(5NM/80NM) = 3,5°
Tabelle II-A-3-1 ICAO EUR DOC 001 RNAV/5 Guidance Material
2.2.3.2 Obstacle clearing and route spacing: 30 NM route spacing without ATS
complies with 5*10-9/h and high traffic, 10 NM with ATS
2.3.3.3 Minimum functional requirements for RNAV5 operations
a) continous indication of aircraft position relative to track
b) two pilots minimum
Verweis auf
PANS-OPS (Doc 8168), Volume II, Part 1, Section 2, Chapter 4, Quality Assurance
19.12.2019 88 WERAN plus - Stand der ForschungPANS OPS Procedures for Air Navigation Services – Aircraft Operations PANS-OPS (Doc 8168), Volume II, 2006 8.1 Standard conditions: RNAV requires VOR accuracy as standard VOR route 4.2.1 2 sigma 95% 4.2.3.1 The RNAV system use accuracy of the VOR is equal to the VOR system use accuracy of facility not providing track, which is equal to ±4.5 degrees (see Part I, Section 2, Chapter 2). 19.12.2019 89 WERAN plus - Stand der Forschung
Anforderungen VOR durch RNAV – Teil 3 EUROCONTROL GUID-0114, Edition 1.2, 16/04/2008 2.1.3 Conventional Infrastructure “Given the standardization challenges of VOR for TMA RNAV applications, states are encouraged not to rely on VOR. Consequently, the only role given to VOR is as a means of crosschecking.” “As the implementation of RNAV matures and the number of VOR stations is reduced, the role of VOR is expected to diminish further.” “Note: In the current revision of TGL10, which will result in AMC 20-16, VOR is no longer listed as a sensor eligible to support RNAV. VOR is only discussed as a reversionary capability in the case of loss of RNAV guidance.” 19.12.2019 90 WERAN plus - Stand der Forschung
Area Navigation (RNAV) und radiale VOR-Nutzung
EUROCAE ED-75D: Oct 2014
MINIMUM AVIATION SYSTEM PERFORMANCE STANDARDS:
REQUIRED NAVIGATION PERFORMANCE FOR AREA NAVIGATION
mit Verweis auf:
• RTCA/DO-180A : Minimum Operational Performance Standards for
Airborne Area Navigation Equipment Using a Single Collocated
VOR/DME Sensor Input
• RTCA/DO-187 : Minimum Operational Performance Standards for
Airborne Area Navigation Equipment Using Multi-Sensor Inputs
19.12.2019 91 WERAN plus - Stand der ForschungEUROCAE ED-75D: Oct 2014
APPENDIX B EXAMPLE OF SYSTEM COMPLIANCE ANALYSIS
B.1 The VOR/DME mode will be considered the backup navigation mode because of its generally lower
accuracy.
C.2.1 The VOR mean radial alignment and bends are typically within 3.5 degrees of the correct magnetic
radial (ICAO Annex 10, ICAO Doc. 8071). The accuracy of 0.7 degrees is based upon reasonable performance
as described in RTCA/DO-180A, Minimum Operational Performance Standards for Airborne Area Navigation
Equipment Using a Single Collocated VOR/DME Sensor Input, Section 1.4.1.1.
I.1.0 Therefore, the committee recommends that those seeking to utilize a MASPS RNP RNAV system
for RNP < 0.3 refer to the performance and functional capability criteria and associated aircraft
qualification and operational authorization information as documented in the ICAO PBN Manual RNP
AR APCH navigation specification, FAA AC90-101(), FAA AC20-138(), EASA AMC20-26 and ICAO Ops
Approval Manual (Doc 9997).
RNP RNAV sind extreme Anforderungen an die Positionsgenauigkeit (z.B. 0,3 NM), die durch VOR
nicht erreichbar sind (vgl. EASA AMC20-26).
19.12.2019 92 WERAN plus - Stand der ForschungEASA AMC20-26: 2009
Airworthiness Approval and Operational Criteria for RNP
Authorisation Required (RNP AR) Operations
8.6 USE OF VHF OMNIDIRECTIONAL
RANGE STATION (VOR)
For the initial RNP AR implementation, the RNAV system may not use VOR updating.
Appendix 2
2.1 s) …know any limitations on the use of DME and VOR updating.
4.2. b) … disabling groundbased radio updating of the FMC (i.e., DME/DME and
VOR/DME updating) …
Appendix 3
3 e) VOR updating is not authorised at this time.
AMC 20-26 Wurde in ED Decision 2019/011/R
Annex II nun gestrichen.
19.12.2019 93 WERAN plus - Stand der ForschungArea Navigation (RNAV) und radiale VOR-Nutzung
Alle hinterlegten Dokumente geben keinen Hinweis auf einen verringerten
Winkelfehler des VOR bei RNAV-Nutzung. Begrenzung auf RNAV5.
= tan-1(5NM/80NM) 3,5°
Daher sind für RNAV-Flüge wie für radiale VOR-Nutzung 3,5 Grad als
Bends für 95% anzusetzen.
19.12.2019 94 WERAN plus - Stand der ForschungStand der Forschung Stand der Technik
Geplante Veröffentlichung des Vortrags auf der PTB-Homepage
Geplante Veröffentlichung der Formeln sowie Software als Quelltext
Schafft Transparenz
Erlaubt wissenschaftliche Diskussion, jeder kann es anwenden
Bildet Stand der Technik
19.12.2019 95 WERAN plus - Stand der ForschungExecutive Summary
1) Stand der Forschung_1: Ersetze alle CVOR durch DVOR, wo technisch möglich
2) Stand der Forschung_2: Evolution des Prognosetools DFSM oder AFIS einsetzen
3) Stand der Forschung_3: Anlagenfehler, Umgebung, WEA-Einfluss messbar
4) Evolution der Fehlerrechnung gemäß Stand der Technik
Stand der Forschung_4: 3,5 ≥
Denn: Die Messung des s-i-s durch WERAN enthält Anlage, Topologie, Umgebung, WEA
Neu: Konformitätsbetrachtung, weitere Worst-Case Annahmen nicht notwendig
5) Stand der Forschung_5: Vorbelastung Umg nicht aus Orbit-Flugvermessung bestimmen,
sondern mit WERAN-Technik
19.12.2019 96 WERAN plus - Stand der ForschungEinladung zur Teilnahme am Ringvergleich
• Weltweit angelegter Ringvergleich, durchgeführt vom WERAN plus - Projekt
• Prognose über die Wirkung von Windenergieanlagen auf DVOR
• Es stehen verschiedene Setups zur Verfügung (einfach, erweitert, komplex)
• Wird im Frühjahr 2020 organisiert
• Wir liefern Messdaten, Vollwellensimulationen und Ergebnisse der Prognose-Tools
DFSM und AFIS
• Check our website www.ptb.de and search for „WERAN plus intercomparison“
• Or send me an e-mail: thorsten.schrader@ptb.de
19.12.2019 97 WERAN plus - Stand der ForschungPhysikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Bundesallee 100 38116 Braunschweig Dr. Thorsten Schrader Telefon:0531 592-2200 E-Mail: Thorsten.Schrader@ptb.de www.ptb.de Stand: 19.12.2019
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