Drehfunkfeuer

Veranschaulichung des technischen Prinzips eines VOR. Aus dem Phasenversatz zwischen dem ungerichteten (grün) und dem rotierenden (blau) Signal kann das Flugzeug seine Richtung relativ zum Sender (hier 105°) bestimmen

Die Grafik rechts zeigt einen Leuchtturm, der folgende Lichtsignale aussendet:

• ein Lichtsignal von blauer Farbe, das als stark gebündelter Strahl im Uhrzeigersinn rotiert und
• ein zweites, rundum abstrahlendes Lichtsignal von grüner Farbe, das immer dann kurz aufleuchtet, wenn der rotierende blaue Strahl genau nach Norden weist.

Ein Beobachter an beliebiger Position sieht pro Umdrehung einen grünen und einen blauen Lichtblitz. Aus deren Phasenversatz ergibt sich direkt die Himmelsrichtung zum Leuchtturm: Sieht er sie gleichzeitig, steht er nördlich des Leuchtturms; sieht er sie genau abwechselnd, steht er südlich.

Dieser Vergleich ist nur eine Modellvorstellung, um darzustellen, wie die Richtungsinformation in das Signal kodiert wird. Beim VOR wird dieses Prinzip, technisch aufwendiger und präziser, mit Radiowellen umgesetzt.

Die Sendeanlage erzeugt ein komplexes Signal, bestehend aus:

1. einer gerichteten, sich mit 30 Umdrehungen pro Sekunde drehenden Komponente. Aufgrund der Richtcharakteristik der Sendeantenne empfängt das VOR-Gerät im Flugzeug ein Signal, dessen Amplitude sich 30 Mal pro Sekunde hebt und senkt – eine 30-Hz-Amplitudenmodulation.
2. einer ungerichteten Komponente, ebenfalls mit 30 Hz moduliert (30-Hz-Frequenzmodulation eines 9960-Hz-Unterträgers);
3. einer Morse-Kennung;
4. (optional) einem Audiokanal. VOR-Sender in der Nähe von großen Verkehrsflugplätzen strahlen teilweise die aktuellen Anfluginformationen (ATIS) des Flugplatzes aus.

Im Empfänger wird der Phasenunterschied (0 … 360°) zwischen den beiden 30-Hz-Modulationen gemessen und als Radial (Azimutwinkel 0 … 360°) interpretiert. Das Radial entspricht i. d. R. der missweisenden Richtung von der VOR-Station zum Flugzeug.

Beispiel: Befindet sich das Flugzeug östlich (90°) des VOR, so beträgt die Phasendifferenz zwischen dem gerichteten und dem ungerichteten Signal 90°. Die Spitze der Anzeigenadel des Radiokompasses (RMI Radio Magnetic Indicator) zeigt auf den Winkelwert 270°, denn das VOR steht westlich. Bei einer Position westlich des VOR (270°) beträgt die Phasendifferenz 270°. Die Spitze der Anzeigenadel des Radiokompasses zeigt auf den Winkelwert 90°, denn das VOR steht östlich des Flugzeugs.

DVOR ist eine Abkürzung für Doppler Very High Frequency Omnidirectional Radio Range = Doppler-UKW-Drehfunkfeuer. Solche Anlagen erzeugen ein äquivalentes Signal auf andere technische Weise mit höherer Präzision.

Im Gegensatz zum herkömmlichen VOR wird beim DVOR die 30-Hz-AM-Komponente (Amplitudenmodulation) von einer stationären Rundstrahlantenne gesendet, jetzt als Bezugssignal, während der 9960-Hz-Unterträger durch schnelles Weiterschalten zwischen einer Vielzahl von Antennen (ca. 50, immer eine gerade Zahl), die auf einem Kreis mit 13,5 m Durchmesser angeordnet sind, abgestrahlt wird. Dadurch wird eine nahezu kontinuierliche Kreisbewegung des Unterträgers entgegen dem Uhrzeigersinn nachgebildet. Im Empfänger verursacht die Bewegung des Strahlungszentrums durch den Doppler-Effekt eine 30-Hz-Frequenzmodulation mit einem Frequenzhub von ± 480 Hz, deren Phase relativ zum Bezugssignal richtungsabhängig ist (Umlaufsignal).

Beim herkömmlichen VOR wird das Referenzsignal als 30 Hz FM von einer stationären Antenne ausgestrahlt; das variable Signal wird als 30 Hz AM von einer rotierenden Richtantenne erzeugt. Beim DVOR sind die Rollen von Referenz- und variablem Signal genau umgekehrt: das Referenzsignal ist 30 Hz AM von einer stationären Rundstrahlantenne und das variable Signal, 30 Hz FM, wird durch den Doppler-Effekt des umlaufenden Strahlungszentrums erzeugt. Weil Referenzsignal und variables Signal des DVOR gegenüber dem herkömmlichen VOR vertauscht sind, läuft das Signal auf der Kreisgruppenantenne entgegen dem Uhrzeigersinn.

Ein DVOR-Sender erreicht im Vergleich zum herkömmlichen VOR die zwei- bis dreifache Genauigkeit: Beim DVOR übersteigt der Radialfehler selten einen Wert von 1°, während er beim gewöhnlichen VOR bis zu 2,5° betragen kann.

Standard-VOR sind relativ klein und beanspruchen nur wenige Quadratmeter am Boden. Sie können auch vorübergehend als mobile Einheit aufgestellt und betrieben werden.

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  Standard-VOR TAI im Taunus, das im Herbst 2019 das 400 m nordöstlich stehende Doppler-VOR TAU ersetzte
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  Container-VOR am Standort von VOR SAS in Sarstedt
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  VORTAC Nattenheim (NTM). Der obere Sender ist das TACAN, ein militärisches System, das ähnlich funktioniert, aber präziser ist.

Doppler-VOR sind deutlich größer und aufwendiger konstruiert als Standard-VOR, da sie die drehende Signalkomponente über einen Kranz einzeln angesteuerter Antennen erzeugen, der mit seinem Durchmesser von 13,5 m auch optisch auffällt. Sie stehen in der Regel dauerhaft auf umzäunten Grundstücken der Größenordnung 40 m × 40 m. Meist ist die Antennenanlage vollständig auf einer um mehrere Meter aufgeständerten, etwa 30 m durchmessenden Massefläche montiert, um die Einflüsse von Gelände und Vegetation auf die Abstrahlung gering zu halten.

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  DVOR Michaelsdorf (MIC)
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  Detailansicht des DVORTAC Dinkelsbühl (DKB) mit der Montage und Verkabelung des Antennenkranzes
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  Ungewöhnlich hoch gebautes DVOR am Yao Airport, Osaka, Japan
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  DVOR am Flughafen Stuttgart (STG)

Bei dieser Methode wird noch ein zweites VOR angepeilt und dessen Standlinie bestimmt. Die eigene Position ergibt sich als Schnittpunkt der beiden Standlinien. Die Präzision dieser Messung ist am höchsten, wenn die beiden Standlinien rechtwinklig zueinander stehen.

Oftmals ist ein VOR zusätzlich mit einer Funknavigationsanlage zur Entfernungsmessung – dem DME – kombiniert. In Deutschland ist das bei etwa drei Vierteln aller Drehfunkfeuer der Fall. DME (Distance Measuring Equipment – Entfernungsmessgerät) zeigt die Entfernung zum DME-Transponder in Nautischen Meilen (NM) an. Für die DME-Anzeige im Flugzeug gibt es ein zweites Gerät, dessen Frequenz mit dem VOR-Empfänger gekoppelt ist, so dass nur die VOR-Frequenz eingestellt werden muss. Hat das eingestellte VOR kein DME, bleibt das DME-Gerät im Flugzeug ohne Anzeige.

Mit einer Stoppuhr lässt sich die Entfernung zu einem VOR auch ohne DME folgendermaßen abschätzen:

Man dreht auf einen Kurs, bei dem das VOR auf 90° oder 270° steht (fliegt also rechtwinklig zur Standlinie) und bestimmt die Zeit ${\displaystyle t}$, nach der sich eine bestimmte Kursablage ${\displaystyle \alpha }$ ergibt, zum Beispiel 2°. Die Entfernung ${\displaystyle d}$ zum VOR ergibt sich dann unter Anwendung der Kleinwinkelnäherung zu ${\displaystyle \textstyle d={\frac {vt}{\alpha }}}$ (${\displaystyle \alpha }$ im Bogenmaß) bzw. ${\displaystyle \textstyle d={\frac {180\cdot vt}{\pi \cdot \alpha _{\mathrm {grad} }}}}$ (${\displaystyle \alpha _{\mathrm {grad} }}$ im Gradmaß).

Passende Umformung des Bruches ergibt folgende hinreichend genaue und im Kopf handhabbare Faustformel:

${\displaystyle {\frac {{\text{Geschwindigkeit über Grund}}\cdot {\text{Dauer des Querfluges in Minuten}}}{\text{Betrag der erreichten Kursablage in Grad}}}\approx {\text{Entfernung zum VOR}}}$

Das Ergebnis ist abhängig von der Einheit der Geschwindigkeit zu interpretieren: Geschwindigkeit in Knoten ergibt Nautische Meilen, Geschwindigkeit in km/h ergibt Kilometer. Erreicht man beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von 80 Knoten in einer halben Minute 3° Kursablage, so beträgt die Entfernung zum VOR ungefähr

${\displaystyle {\frac {80\,\mathrm {kts} \cdot 0{,}5\,\mathrm {min} }{3^{\circ }}}\approx 13{,}3\,\mathrm {NM} }$

Das liegt weniger als fünf Prozent neben dem geometrisch errechneten Wert von:

${\displaystyle {\frac {80\,{\frac {\mathrm {NM} }{\mathrm {h} }}\cdot {\frac {1}{120}}\,{\text{h}}}{\tan {3^{\circ }}}}\approx 12{,}72\,\mathrm {NM} }$

VORs werden nach ihrer Reichweite (engl. service volume) in den USA in drei Kategorien unterteilt, je nachdem wie weit der garantierte, deutliche Signalempfang ohne Interferenzen reicht.

• High Altitude VOR (HVOR) – Reichweite maximal 130 NM bei 45.000 ft
• Low Altitude VOR (LVOR) – Reichweite 40 NM bei 18.000 ft
• Terminal VOR (TVOR) – Reichweite 25 NM bei 12.000 ft, wird generell als Anflughilfe benutzt.

Hier folgt noch die Aufschlüsselung der Reichweiten nach der Flughöhe.

• HVOR:
  • 1.000 bis 14.500 ft – 40 NM
  • 14.500 bis 18.000 ft – 100 NM
  • 18.000 bis 45.000 ft – 130 NM
  • 45.000 bis 60.000 ft – 100 NM
• LVOR: 1.000 bis 18.000 ft – 40 NM
• TVOR: 1.000 bis 12.000 ft – 25 NM

Von einer TVOR-Station kann häufig die ATIS empfangen werden.

Wenn ein VOR längere Zeit ausfällt (z. B. Umbau, Erneuerung), wird von der DFS ein Container-VOR aufgestellt, das den Betrieb während der Ausfallzeit übernimmt. Das Container-VOR bekommt im Regelfall eine eigene Frequenz und sendet daher nicht auf der Frequenz des zu ersetzenden VORs. Die Ersatzfrequenz und die Dauer des Ersatzes sowie evtl. Einschränkungen in Reichweite und Genauigkeit wird durch NOTAM veröffentlicht.

Wenn die CDI seitlich auf Anschlag ist, kann man seinen Quadranten ermitteln – rechts oder links von Radial; vor oder hinter dem VOR.

Die Funktionsfähigkeit der VOR-Empfänger muss in regelmäßigen, vorgeschriebenen Abständen geprüft werden. Das kann einerseits häufiger an Flugplatz-Positionen durchgeführt werden, deren Koordinaten bekannt sind. Es kann aber auch geprüft werden, indem am VOR-Empfänger die Frequenz eines Test-VORs eingestellt wird. Das VOR-Instrument zeigt dann konstant Radial 360 an und die gemessene Abweichung darf höchstens 1° betragen.

Für den VOT-Test wird ein Signal gesendet, das am Empfänger 360° FROM anzeigt (bzw. 180° TO). Am Boden darf die Abweichung maximal ±4° betragen. In der Luft darf die Abweichung maximal ±6° betragen. Bei zwei VOR-Empfängern im Flugzeug darf die Anzeigendifferenz zwischen beiden Empfängern maximal 4° betragen.

Ein VOR wird oft mit einer Funknavigationsanlage zur Entfernungsmessung – dem DME (distance measuring equipment – Entfernungsmessgerät) – kombiniert (etwa drei Viertel aller Drehfunkfeuer in Deutschland verfügen über DME). VOR zeigt die Richtung von der Bodenstation zum Flugzeug an; DME zeigt die Entfernung zum DME-Transponder in Nautischen Meilen (NM) an. Die Kombination von VOR und DME ermöglicht die Positionsbestimmung mit Hilfe einer einzigen Bodenstation.

TACAN (Tactical Air Navigation) ist ein militärisches Drehfunkfeuer und funktioniert ähnlich wie ein VOR, ist aber um den Faktor 1,2 bis 2 präziser. Darüber hinaus ist im TACAN-Signal immer die DME-Funktionalität integriert. TACAN sendet im UHF-Bereich (962 bis 1213 MHz). Befinden sich VOR und TACAN-Bodenstation an derselben Stelle, wird die Kombination als VORTAC bezeichnet.

Hier wird die Frequenz der gewünschten VOR-Bodenstation eingestellt. Manche VOR-Geräte bieten die Möglichkeit, zwei Frequenzen einzustellen: die aktuell aktive Frequenz und eine vorgewählte Frequenz (Stand-By-Frequenz). Per Knopfdruck tauscht man die beiden Frequenzen.

Ist das Flugzeug mit ILS ausgestattet, wird hiermit zugleich die Frequenz des Gleitwegsenders (Frequenzband 329,15…335,00 MHz) eingestellt.

Ist das Flugzeug mit DME ausgestattet, werden i. d. R. hiermit zugleich die Sende- und Empfangsfrequenzen des DME (Frequenzband 960…1215 MHz) eingestellt.

Verschiedene Arten von Anzeigegeräten können verwendet werden:

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  Radio Magnetic Indicator (RMI)
  Radio Magnetic Indicator (RMI). Ein Zeiger dreht sich auf einer Kompasskarte und zeigt zur VOR-Bodenstation hin; die Kompasskarte wiederum wird vom Kurskreisel gedreht und zeigt den missweisenden Steuerkurs an. Der Pilot kann am RMI sowohl die missweisende Peilung zur VOR-Bodenstation (QDM) als auch die relative Peilung der VOR-Bodenstation (links/rechts) ablesen.
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  VOR-Instrument (CDI-Anzeigegerät) im Flugzeug – in FROM-Position
  Course Deviation Indicator (CDI – Kursablageanzeige). Je nach Bauart dreht sich die Anzeigennadel um den obersten Punkt, beziehungsweise wandert sie durch Parallelverschiebung nach rechts oder links. Die Anzeigennadel zeigt auf eine Skala mit einem mittleren Punkt und je 5 Punkten rechts und links. Jeder Punkt entspricht einer Abweichung von 2° vom Sollkurs.
  Der Sollkurs wird mit dem OBS-Drehknopf (Omni Bearing Selector – Kurswahlknopf) eingestellt.
  Ist der Winkel zwischen OBS-Einstellung und aktuellem Radial < 90°, zeigt eine Flagge FR(OM), Dreieck nach unten. Ist der Winkel > 90°, zeigt die Flagge TO, Dreieck nach oben. Bei einem Winkel ~ 90° sowie beim Überfliegen des VOR-Senders bleibt die Flagge verborgen. Bei gestörtem Empfang erscheint eine Warnflagge.
• Kreuzzeigerinstrument. Ist das Flugzeug mit ILS ausgestattet, kommt statt des CDI ein Kreuzzeigerinstrument zum Einsatz. Die vertikale Nadel (Ausschlag links/rechts) hat die Funktion wie beim CDI. Die horizontale Nadel (Ausschlag oben/unten) zeigt die Abweichung vom Gleitpfad an.
• Horizontal Situation Indicator (HSI). Der HSI kombiniert die Funktion des CDI mit der Kurskreiselanzeige.
• Electronic Flight Instrument System (EFIS). Informationen vom VOR-Empfänger können im Navigation Display des EFIS dargestellt werden. Oft werden herkömmliche elektromechanische Instrumente wie RMI und CDI im EFIS nachgeahmt.

In großen Flugzeugen ist das Elektronikmodul im Avionik-Abteil untergebracht. In anderen Flugzeugen ist es mit der Bedieneinheit und/oder dem Anzeigeinstrument integriert.