Ortung und Navigation in der Luftfahrt

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Ortung und Navigation in der Luftfahrt
ORTUNG UND
NAVIGATION IN DER
LUFTFAHRT
Philipp Kulla
Tobias Just
EINLEITUNG
„ Amelia Earhart wollte zu ihrem 40. Geburtstag als
erster Mensch die Erde am Äquator umrunden.
Am 02. Juli 1937 hatte sie schon ¾ der Strecke
zurückgelegt und wollte von Lae in Neuguinea
über den Pazifik nach Miami zurückfliegen.
Sie flog eine kleine Pazifikinsel an, wo sie einen letzten
Zwischenstopp zum Auftanken einlegen wollte. Per Funkpeilung
wollte ihr Navigator das vor der Küste liegende Schiff SS Itasca orten. Alle
Ortungsversuche misslangen. Gegen 8.40 Uhr Ortszeit gab ihr Navigator
den letzten Funkspruch ab: „Wir müssen über euch sein, können euch aber nicht sehen. Unser
Treibstoff geht zur Neige. Konnten euch über Funk nicht erreichen.“
Auf der Insel ist Amelie Earhart nie angekommen. “
Philipp Kulla, Tobias Just
Ortung & Navigation - Dr. Stefan Brunthaler
2
AGENDA

Definition Navigation

Navigationsarten

Systeme

NDB (Non-Directional Beacon)

DVOR/VOR (Doppler-/Very High Frequency Omnidirectional Radio Range)

DGPS/GPS (Differential-/Global Positioning System)

RADAR (Radio Detection And Ranging)

INS (Inertial Navigation System)

DME (Distance Measuring Equipment)

ILS (Instrument Landing System)

Weitere Systeme…

Ausblick

Quellen
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DEFINITION NAVIGATION

Navigation ist die Gesamtheit aller Maßnahmen, Vorgänge und
Verfahren, um den Weg eines Luftfahrzeuges von einem Ort zum
anderen festzulegen und sicher zu erreichen.

vor Beginn des Fluges am Boden

während des Fluges

nach der Landung wieder am Boden
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4
ARTEN DER FLUGNAVIGATION I

Sichtflug (Visual Flight Rules)

bezeichnet das Fliegen nach Sicht, d.h. nach den gültigen
Sichtflugregeln

der Pilot orientiert sich an markanten Punkten
(Gebirge, Gewässer, Autobahnen)

Instrumentenflug (Instrumental Flight Rules)

bezeichnet das Fliegen nach Instrumenten,
wobei der Pilot theoretisch keine Sicht nach
draußen benötigt

5
Kontrolle ausschließlich durch Instrumente
und Fluglotsen
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Luftraumstruktur Deutschland - http://de.wikipedia.org/wiki/Luftraum
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ARTEN DER FLUGNAVIGATION II

Funknavigation (Radio-Navigation)

bildet die Grundlage der Instrumentennavigation

wetterunabhängiges, tageszeitunabhängiges und zuverlässiges
Ortungsverfahren

hoher technischer Aufwand
 Satellitennavigation

Positionsbestimmung über Satelliten (NAVSTAR, GLONASS, GALILEO)

Empfänger errechnet aus GPS-Positions- und Zeitinformationen
Position des Luftfahrzeugs

sehr genaue Ortsbestimmung, weltweit verfügbar
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SYSTEME

Zweck der Ortung und Navigation in der Luftfahrt ist es, die
Position eines Luftfahrzeugs zu kennen, um einen reibungslosen
Luftverkehr zu ermöglichen.

Flugzeuge bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit und können
nicht anhalten

berechnete, begrenzte Menge an Treibstoff

Vermeidung von Unfällen durch Einsatz von etlichen
Navigationsverfahren/-systemen
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7
DGPS
ADF
INS
GPS
Radar
ILS
NDB
GLS
DME
TCAS
VOR
DVOR
NDB (NON-DIRECTIONAL BEACON)
Ungerichtetes Funkfeuer

rundstrahlende Sendeanlage am Boden an markanten
Orientierungspunkten der Luftfahrtstraßen (Streckennavigation)

Streckenfunkfeuer besitzen eine Reichweite von 100 NM (185 km)

Anflug-NDBs in bestimmten Abständen vor der Landebahn auf
der Anflugrundlinie (Anflugnavigation)

Locator Beacons (Anflugfunkfeuer) besitzen eine Reichweite von
25 NM (~50 km)
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Frequenz: 190 – 1750 kHz
(DE 200 – 526,5 kHz)
Reichweite: 15 – 100 NM
NDB FUNKTIONSWEISE

System aus 2 Komponenten, mit dem Flugzeuge über Boden
navigieren können

Bodenanlage sendet ununterbrochen Funkwellen in alle
Richtungen (Sender)

Stationen sind als Doppelanlage mit einem Monitor
ausgelegt, um bei Störfällen Informationen an die nächste
Kontrollstation zu senden und auf den Reservegenerator
zu schalten
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ADF (AUTOMATIC DIRECTION FINDER)

Radiokompass

ADF wertet die empfangenen Signale von NDBs aus und zeigt die
Richtung vom Flugzeug zur eingestellten NDB-Station (gelber Pfeil)

bordseitige Anlage besteht aus 2 verschiedenen Antennentypen
RBI
loop – Ferritstabantenne, sense – Seitenbestimmungsantenne

NDB senden neben Kursinformationen auch Morsecode, mit dem
es eindeutig identifiziert werden kann

Positionsbestimmung über Kreuzpeilung
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RMI
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ADF POSITIONSBESTIMMUNG

um seine Position bestimmen zu können, benötigt man
je eine Line of Position von zwei NDBs

Kreuzungspunkt ≙ momentane Position des Luftfahrzeugs
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VOR (VERY HIGH FREQUENCY
OMNIDIRECTIONAL RADIO RANGE)
Frequenz: 108 – 118 MHz
Reichweite:
bis 300 km
Drehfunkfeuer

Drehfunkfeuer entlang der Luftstraßen

sendet spezielles Funksignal, aus dem ein Empfänger im
Flugzeug die Richtung zum Funkfeuer entnehmen kann

Richtungsinformationen sind vom Sender im Signal kodiert,
sodass keine Peilanlage im Flugzeug notwendig ist
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VOR FUNKTIONSWEISE I

Sendeanlage besteht aus 3 Komponenten und erzeugt ein komplexes Signal:
1.
gerichtete, sich drehende Sendeantenne (30 U/s ≙ 30 Hz)
2.
ungerichtete Rundstrahlantenne (30 Hz Frequenzmodulation eines 9,96 kHz
Hilfsträger)
3.

Morse-Kennung zur eindeutigen Identifizierung
VOR sendet ringsherum 360 verschiedene, eindeutig identifizierbare Leitstrahlen
(Radiale)

Radiale zeigen missweisende Richtung an (Kurse relativ zum magnetischen
Nordpol)
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VOR FUNKTIONSWEISE II

Richtungsinformation durch Messung der Phasenverschiebung der beiden
Signale

Bezugswert: Magnetisch Nord (MN) ≙ 0°
Radiale ergeben sich durch Phasendifferenz
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Schema der Radiale eines VORs
http://kids.britannica.com/
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VOR BORDANLAGE

VOR-Antenne ist eine klassische UKW-Dipolantenne, horizontal zur Flugzeuglängsache

Empfangsgerät liefert dem Piloten 2 Informationen:
1.
Kursabweicher (CDI) zeigt die Position des Flugzeugs bezogen auf den eingestellten
Radial an
2.
Richtungsanzeiger(TO/FROM) zeigt, ob der eingestellte Kurs
zur Bodenstation (TO) oder von Bodentstation weg (FROM)
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DVOR (DOPPLER-VOR)
Frequenz: 108 – 118 MHz
Reichweite:
Doppler-UKW-Drehfunkfeuer

Unterschied zum VOR liegt in der Erzeugung des Signals

30 Hz-Amplitudenmodulation wird von stationärer
bis 300 km
Rundstrahlantenne gesendet

Doppler-VOR ist als Kreis mit d=13,5 m aufgebaut,
in dem 50 Antennen kreisförmig angeordnet sind

Empfänger erhält eine frequenzmodulierte Trägerwelle
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DGPS/GPS

Positionsbestimmung auf Basis von Abstandmessungen des
Empfängers zu mehreren Satelliten

DGPS: Verwenden eines Korrektursignals  genauere
Positionsbestimmung möglich

Seit 1998: Streckennavigation im Luftverkehr mit GPS in D erlaubt

Zum Landen darf nur horizontale Information verwendet werden
(vertikal nicht genau genug)
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RADAR
Radio Detection And Ranging

Bezeichnung für verschiedene Erkennungs- und Ortungsverfahren
auf Basis elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich

Primärgeräte: Auswerten des passiv reflektierten Echo‘s

Sekundärgeräte: Zielobjekte besitzen Transponder, reagieren auf
Impulse und senden Signal zurück (Erhöhung der Reichweite;
Objekte sind identifizierbar (Kennung))
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RADAR
Radio Detection And Ranging

Pulsradargerät sendet Impulse im Mikrosekundenbereich und
wartet auf Echo‘s

Laufzeit der Signale wird zur Entfernungsbestimmung genutzt
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SATELLITENORTUNG

Europäischer Satellit PROBA-V (04.05.2013)  Bahn: 820 km

Empfänger ortet ADS-B-Signale der Flugzeuge mit spezieller
Antenne

2-jähriger Test: Beobachtung von Flugrouten in Gebieten, die
nicht durch Radar überwacht werden können
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INS (INERTIAL NAVIGATION SYSTEM )
Trägheitsnavigation

primäre Navigationseinheit zur Bestimmung der Lage und des
rechtweisenden Kurses

ist von umgebenden Bewegungen des Flugzeugs entkoppelt

Komponenten:

drei senkrecht zueinander angeordnete Beschleunigungssensoren

drei Lasergyroskope
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INS (INERTIAL NAVIGATION SYSTEM )
Trägheitsnavigation

Ausrichtungsmodus: Flugzeug darf sich nicht bewegen

GPS Daten werden automatisch bzw. können von Hand in den
Bordcomputer eingegeben werden  Ausgangsposition für NAV

Messung der Erddrehraten um Ausrichtung nördl.Br./östl.Lä. Zu
bekommen

Navigationsmodus: Daten über Flugzeugdrehrate, Lage im Raum,
wahrer und magnetischer Kurs, Beschleunigungen,
Geschwindigkeiten und Position

Es wird die Folgeposition aus Startposition und Beschleunigungs/Drehraten berechnet

Messfehler: mechanische, rechnerische Fehler und zeitliche
Integration in Ortsbestimmung  wachsende Ungenauigkeit
(Drift)
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INS (INERTIAL NAVIGATION SYSTEM )
Trägheitsnavigation
http://www.acces
sscience.com/loa
dBinary.aspx?filen
ame=342700FG00
30.gif
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INS (INERTIAL NAVIGATION SYSTEM )
Trägheitsnavigation

Vorteile:

Eine der wichtigsten Navigationsanlagen in der zivilen Luftfahrt

Unabhängigkeit von Bodensystemen

wird auch zur Flugzeugstabilisierung verwendet
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DME
Frequenz: 962-1.213 MHz
Distance Measuring Equipment

Ermöglicht Luftfahrzeug die Entfernungsmessung

Es wird durch Laufzeitmessung die Schrägentfernung zwischen
Luftfahrzeug und Bodenstation berechnet

Hardwarekomponenten:

UHF-Transmitter/Receiver-Abfragegerät (Iterrogator) im Flugzeug

UHF-Transmitter/Receiver (Transponder) am Boden
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DME
Frequenz: 962-1.213 MHz
Distance Measuring Equipment

Frequenzbereich: 962-1.213 MHz (unterteilt in 126 X- und 126 Y-Kanäle)

Bordgerät sendet Pulspaare mit zufälliger Wiederholungsrate an
Bodenstation

Werden nach fest vorgegebenen Antwortverzögerung (50 µs) beantwortet
und erscheinen im Bordempfänger (mit Anfragen aller anderen Bordgeräte)

Bordempfänger filtert Signale, die kontinuierlich mit (beinahe) konstantem
Zeitabstand zur eigenen Abfrage erscheinen, heraus

Zeitabstand zwischen Senden des Ursprungssignals und Empfang der Antwort
wird berechnet

Zeitabstand abzüglich der Antwortverzögerung ist die Laufzeit der
Radiowellen von Bordgerät zu Bodenstation und zurück (durch Multiplizieren
mit Lichtgeschwindigkeit wird Entfernung zur Bodenstation berechnet)

Es wird also Schrägentfernung angezeigt (Dreiecksverhältnis von Flughöhe
und Entfernung am Boden)

Messfehler: 45-100 m ; bei Präzisionsanlagen 50 m
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DME
Frequenz: 962-1.213 MHz
Distance Measuring Equipment
http://upload.wik
imedia.org/wikip
edia/commons/t
humb/f/f3/DME_
overfly.png/440p
xDME_overfly.png
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ILS
Instrument Landing System

ermöglicht Piloten vollautomatischen Anflug von Flughäfen

Geschichte:

erste Tests 1929 in USA

erste ILS-Landung 1938 in Pittsburgh, Pennsylvania

in Deutschland 1941 erste Versuche
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ILS
Instrument Landing System

Bodenequipment:


2 unabhängige Systeme

Localizer

Glidescope/Glidepath

Überwachungsstation

Marker-Beacons
Flugzeugequipment:

Empfänger für Landekurs- und Gleitwegsignal

Kreuzzeigerinstrument
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ILS
Instrument Landing System

Localizer (Landekurssender)

zeigt seitliche Abweichung an

befindet sich ca. 300 m hinter dem Ende der Landbahn

besteht aus mehreren Richtantennen

2 Signale auf einer Trägerfrequenz aufmoduliert
(Amplitudenmodulation)  entlang der Anfluggrundlinie befindet
sich das Strahlungsmaximum

über dieselben Antennen wird weiteres Signal abgestrahlt
(Strahlungsmaximum jeweils seitlich neben der Anfluglinie)  auf
Grundlinie ist Signal = 0  links und recht zwei Modulationsfelder, die
sich in der Mitte überlagern
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ILS
Instrument Landing System


Glidepath (Gleitwegsender)

übernimmt vertikale Führung

steht seitlich neben der Landebahn (am Aufsetzpunkt)

Funktionsprinzip wie Localizer nur sind die Modulationskeulen vertikal
ausgerichtet
Überwachungsstation


überwacht die Signale und schaltet System im Störfall ab
Marker-Beacons

zur Entfernungsüberwachung

wird gewöhlich durch DME ergänzt/ersetzt
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ILS
Instrument Landing System

Marker-Beacons:



Outer-Marker:

Voreinflugzeichen  Kontrolle des Höhenmessers

Blaue Anzeige und akustisches Signal
Middle-Marker:

Haupteinflugzeichen

Gelbe Anzeige und akustisches Signal
Inner-Marker:

Platzeinflugzeichen

Weiße Anzeige und akustisches Signal

Findet nur noch in der militärischen Luftfahrt Anwendung
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33
ILS
Instrument Landing System
http://static.la
ndingsystem.com/th
umbs/groundequipmentposition.jpg
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34
ILS
Instrument Landing System
http://static.la
ndingsystem.com/th
umbs/exampl
e-planeapproach-onleft.jpg
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35
ILS
Instrument Landing System

VIDEO 1
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ILS
Instrument Landing System

Kat. 1:


Kat. 2:


Entscheidungshöhe von 0-30 m; Sicht von mind. 175 m
Kat. 3b:


Entscheidungshöhe von 30-60 m; Sicht von mind. 300 m
Kat. 3a:


Entscheidungshöhe von 60 m; Sicht von mind. 550 m
Entscheidungshöhe kleiner als 15 m; Sicht von mind. 30 m
Kat. 3c:

keine Entscheidungshöhe und Sicht nötig (noch nicht zugelassen)
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ILS
Instrument Landing System


Vorteile:

Präzisionsanflüge bei schlechten Sichtbedingungen möglich

an praktisch jedem (größeren) Verkehrsflughafen vorhanden
Nachteile:

nur geradliniger Anflug möglich

nur 40 Kanäle (zu wenig für großstädtischen Raum)

Reflexion der Signal führt zu Abweichen der Flugzeuge von
Anfluglinie
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GLS
Glonass Landing System

Komponenten:

Satelliten und Bodenantennen

Transmitter im Flugzeug

Bodenstation
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GLS
Glonass Landing System
http://www.nav.ei.
tum.de/fileadmin/
w00bkq/layout/co
lloquium_guenther
_slides.pdf
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40
GLS
Glonass Landing System

VIDEO 2
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GLS
Glonass Landing System

Vorteile:

ILS benötigt pro Landerichtung einer Landebahn speziell gerichtete
Antennen
 GLS ermöglicht mit einer Bodenstation einen Satellitengestützten
Anflug aller Bahnen
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MLS
Frequenz:
5 GHz
Microwave Landing System

sollte Nachfolger von ILS werden

wird seit 1997 ausgesetzt, da GPS gestützte Systeme
kostengünstigere Alternativen sind
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MLS
Frequenz:
5 GHz
Microwave Landing System

Je ein gebündelter Strahl bestrahlt Anflugweg in vertikaler und
horizontaler Ebene

Frequenzbereich: 5 GHz (5.031-5.090,7 MHz) auf 2 separaten
Kanälen

Aus Zeit zwischen hin- und zurücklaufenden Weg wird die
Positionierung zur Landebahn bzw. zum Gleitweg errechnet

Azimutantenne übermittelt zusätzliche Informationen
(Beschaffenheit der Landebahn, …)

DME/P: Präzisionsversion von DME

DME/P liefert den Entfernunsanteil  zusammen mit beiden
Winkeln wird Lage im Raum bestimmt
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MLS
Frequenz:
5 GHz
Microwave Landing System
http://static.landingsystem.com/thumbs/mlscomponents.jpg
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45
MLS
Frequenz:
5 GHz
Microwave Landing System
https://www.faa.go
v/air_traffic/publicat
ions/atpubs/aim/F01
01009.gif
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46
MLS
Frequenz:
5 GHz
Microwave Landing System

Vorteile:

Anflugwinkel/-kurs frei wählbar  auch komplexe Anflüge möglich
(gekrümmte und segmentierte Anflüge)

Bietet 200 Übertragungskanäle (ILS nur 40)
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TCAS
Traffic Alert And Collision Avoidance System

warnt Flugfahrzeuge bei Annäherung

Geschichte:

1956: nach mehreren Unfällen erste Überlegungen zu Zusammenstoß
Warnsystem

Ende ’80er Jahre: Einführung in USA

zw. 1998 und 2005: Festlegung als Pflicht für Luftfahrzeuge
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48
TCAS
Traffic Alert And Collision Avoidance System

TCAS fragt Transponder anderer Flugzeuge ab

Horizontal 20-40 NM, Vertikal 10.000 ft

System errechnet aus Richtung, Entfernung, Geschwindigkeit,
Höhe, Sinkrate die Wege

Bei zu dichter Annäherung gibt es eine akustische Warnung und
Ausweichempfehlungen
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49
AUSBLICK

Durch Kopplung verschiedener Systeme werden Ergebnisse
immer genauer

Ältere Systeme wie NDB und VOR werden wohlmöglich in näherer
Zukunft ersetzt
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50
QUELLEN


Bild- und Videoquellen:

ILS http://www.youtube.com/watch?v=KVtEfDcNMO8

GLS http://www.youtube.com/watch?v=oVVaXpLB8CY
Textquellen:

https://www.tm.th-wildau.de/~sbruntha/wiki/index.php/Luftfahrtnavigation#Microwave_Landing_System_.28MLS.29

http://www.gpsflugnavigation.de/

http://www.satnav-forum.de/luftfahrt

http://www.dlr.de/dlr/mobil/desktopdefault.aspx/tabid-10527/921_read-7318/

http://www.dlr.de/dlr/mobil/desktopdefault.aspx/tabid-10527/912_read-6967/

http://instrument.landing-system.com/

http://en.wikipedia.org/wiki/Instrument_landing_system

http://de.wikibooks.org/wiki/Navigation:_Flugnavigation:_Instrument_Landing_System

http://de.wikipedia.org/wiki/Instrumentenlandesystem

http://www.forschungsinformationssystem.de/servlet/is/69224/

http://de.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A4gheitsnavigationssystem

http://de.wikipedia.org/wiki/Kreiselkompass

http://de.wikipedia.org/wiki/Traffic_Alert_and_Collision_Avoidance_System

http://de.wikipedia.org/wiki/Differential_Global_Positioning_System#Luftfahrt

http://de.wikipedia.org/wiki/Radar

http://en.wikipedia.org/wiki/GNSS_augmentation

http://acronyms.thefreedictionary.com/GNSS+Landing+System

http://www.nav.ei.tum.de/fileadmin/w00bkq/layout/colloquium_guenther_slides.pdf

https://www.tm.th-wildau.de/~sbruntha/wiki/index.php/Luftfahrtnavigation#Satellitennavigation
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