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Drehfunkfeuer (VOR/DVOR)
Auf dieser Seite soll vornehmlich die Technik eines Flugfunkfeuers behandelt werden. Dabei soll die entsprechende Wikipedia-Seite nicht „ersetzt“, sondern eher ergänzt werden.
Das Beispiel mit dem Leuchtturm zeigt eindrucksvoll, wie man ohne Peilanlage eine Richtungsinformation erhalten kann. Im Gegensatz dazu sendet ein Drehfunkfeuer-Sender keine „Impulse“, „Leitstrahlen“ bzw. keine „digital codierten Informationen“ aus. Die komplexen Signale sind rein analog und in allen Richtungen rund um das VOR stetig empfangbar. Die Berechnung und Quantisierung in „diskrete Radiale“ (R-001 .. R-360) erfolgt erst im VOR-Empfänger.
VOR-Sender
In Analogie zum Beispiel mit dem Leuchtturm rotiert bei einem Standard-VOR eine vertikal polarisierte Richtantenne mit 30 Umdrehungen pro Sekunde in der Horizontalebene!
Damit die Drehfrequenz (30 Hz) des Elektromotors (unabhängig vom Wind) stets konstant bleibt, ist der filigrane Aufbau wetterunabhängig in einem Radom verbaut.
Die Richtantenne ist (u. a. wegen der hohen Drehfrequenz) mechanisch „kurz“ gehalten und hat somit auch wenig Antennengewinn. Der „Richtstrahl“ ist also keinesfalls „stark gebündelt“, sondern eher „ziemlich breit“, was beim Standard-VOR von Vorteil ist:
Im Gegensatz zu den „harten“ Helligkeitsübergängen beim Leuchtturm erzeugt die wenig ausgeprägte Richtcharakteristik der VOR-Senderantenne im Fernfeld ein „Dauer“-Signal, dessen Amplitude sich 30 Mal pro Sekunde hebt und senkt. Dieses amplitudenmodulierte 30-Hz-Signal ist ständig und überall rund um das VOR empfangbar.
Um im VOR-Empfänger einen Radial bestimmen zu können, muß der VOR-Sender noch ein weiteres Signal abstrahlen: Das Referenz-Signal für den Nord-Bezug.
Dazu wird dem VHF-Oszillatorsignal ein „Hilfsträger“ mit 9,96 kHz in AM (Amplitudenmodulation) aufmoduliert und nach der Verstärkung über eine Rundstrahlantenne abgestrahlt. Mittels eines 30-Hz-Oszillators wird dem 9,96-kHz-Hilfsträger aus einem VCO (Voltage-Controlled Oscillator = Oszillator mit steuerbarer Frequenz) das 30-Hz-Referenz-Signal in FM (Frequenzmodulation) aufmoduliert, siehe Blockschaltbild:
Der „Trick“, daß man (völlig unabhängig vom eigentlichen Nutzsignal) ein weiteres Signal mittels Hilfsträger quasi „huckepack“ auf den gleichen Hauptträger aufmoduliert, ist ein gängiges Verfahren in der Nachrichtentechnik. Beispiele für eine solche Doppel-Modulation sind der 38-kHz-Unterträger beim Stereo-Rundfunk und der Farbunterträger beim analogen Fernsehen.
Der 30-Hz-Oszillator steuert auch den Synchronmotor. Mittels dem zwischengeschalteten Phasenschieber kann man im Norden des VOR-Senders (im VOR-Empfänger) die Phasen der beiden 30-Hz-Signale („gerichtet“ und „ungerichtet“) zur Deckung bringen und so den VOR-Sender „einnorden“/kalibrieren.
VOR-Empfänger
Der VOR-Empfänger empfängt auf der VHF-Frequenz ein sehr komplexes Signalgemisch, das sowohl FM- als auch AM-Komponenten enthält!
Technisch wird die Separation so realisiert, daß nach dem ZF-Verstärker eine AM-Demodulation erfolgt. Als Ergebnis erhält man das richtungsabhängige 30-Hz-Signal und das 9,96-kHz-Hilfsträger-Signal. Die beiden Frequenzen kann man sehr einfach mittels Hoch- und Tiefpass trennen. Das richtungsabhängige 30-Hz-Signal kann direkt dem Phasenvergleicher (Eingang A) zugeführt werden, während das FM-modulierte Hilfsträger-Signal einen weiteren (FM-)Demodulator durchläuft. Erst danach steht das 30-Hz-Referenzsignal zur Verfügung, welches am Eingang B des Phasenvergleichers eingespeist wird:
Phasenvergleicher
Wenn die beiden 30-Hz-Signale demoduliert sind, dann kann man den Radial durch Phasenvergleich mittels Differenzbildung bestimmen:
Im animierten Vorbeiflug sieht man sehr schön, wie sich im VOR-Empfänger die Phasendifferenz zwischen dem richtungsunabhängigen Referenz-Signal und dem richtungsabhängigen Signal ändert. Je nach Richtung (in der sich das Flugzeug in Bezug auf „VOR-Nord“ befindet) ändert sich die Länge der schwarzen Doppelpfeile.
Im Norden des VORs gilt:
∆Phase = 0°
Mit steigendem Richtungswinkel steigt auch die Phasendifferenz an. Wegen dem „nachlaufenden“, richtungsabhängigen Signal gilt:
∆ Phase = PhaseA - PhaseB
Startet beispielsweise bei jedem (positiven) Nulldurchgang (gelber Punkt) des Referenz-Signals eine Stoppuhr und stoppt diese wieder beim nächsten (positiven) Nulldurchgang des richtungsabhängigen Signals, dann ist die gemessene Zeit ein Maß für die Richtung.
Dabei gilt für eine Periode T:
Mittels Dreisatz kann man über die Zeit den Radial berechnen:
Wird eine Zeit t = 5,55 ms gemessen, dann befindet sich das Flugzeug auf dem Radial 060. Ist t = 30,55 ms, dann befindet das Flugzeug auf dem Radial 330.
DVOR (Doppler-VOR)
Im Vergleich zu einem Standard-VOR ist der Aufbau eines Doppler-VOR-Senders komplett anders! Trotzdem sind beide Systeme zu 100 % kompatibel, d. h. der VOR-Empfänger „merkt“ keinen Unterschied und liefert als Ergebnis den gleichen Radial. Aber: Im Gegensatz zu einem Standard-VOR liegen die beiden 30-Hz-Signale des DVORs (systembedingt) vertauscht an den Eingängen A und B des Phasenvergleichers an (siehe weiter unten). Zwecks Kompatibilität muß also die Drehrichtung des DVORs gegenüber dem eines Standard-VORs geändert werden:
Standard-VOR:
Die Richtantenne dreht im Uhrzeigersinn
DVOR:
Die Einzelantennen „laufen“ gegen den Uhrzeigersinn
Ein DVOR-Sender benötigt mehr Platz und ist aufwändiger als ein Standard-VOR, bietet dafür aber eine deutlich höhere Genauigkeit! Im Gegensatz zum Standard-VOR, welches mit einer rotierenden Richtantenne arbeitet, gibt es beim Doppler-VOR keine mechanisch bewegten Teile. Die Richtungsbestimmung basiert auf dem Doppler-Effekt, durch sukzessive Weiterschaltung einzelner Rundstrahlantennen. Auch hier gibt es keine „gepulsten Richtstrahlen“; alles funktioniert mit rein analoger Technik.
Übrigens, anders als auf der Wikipedia-Seite erwähnt, ist es für ein Sinus-Signal nicht zwangsweise erforderlich, eine geradzahlige Anzahl an Einzelantennen zu verwenden, macht es aber technisch einfacher. Ebenso ist die Anzahl von exakt 50 Antennen nicht fix vorgegeben, bietet aber einen guten Kompromiß zwischen Aufwand/Kosten und Genauigkeit/Durchmesser der Anlage.
Funktionsweise
Beim Doppler-Peiler „bewegen“ sich die im Kreis angeordneten Empfangsantennen, beim DVOR „bewegen“ sich die Sendeantennen. Für den Doppler-Effekt ist es egal, ob sich der Sender oder der Empfänger bewegt, oder beide!
Beim Standard-VOR liefert die rotierende Richtantenne ein richtungsabhängiges AM-Signal. Beim DVOR generiert die mit 30 Hz umlaufende Einzelantenne eine richtungsabhängige FM-Modulation: Durch die horizontale Relativ-Bewegung der Sendeantenne zur Empfängerantenne wird dabei sowohl der VHF-Hauptträger, als auch das AM-modulierte 9,96-kHz-Signal über den Doppler-Effekt mit 30 Hz in FM moduliert, siehe Blockschaltbild:
Das Nord-bezogene Referenz-Signal wird folgendermaßen generiert:
Dem VHF-Oszillatorsignal wird ein 30-Hz-Signal in AM aufmoduliert und nach der Verstärkung über eine Rundstrahlantenne abgestrahlt. Die „Koppelung“ zur umlaufenden Antenne geschieht über den Antennenumschalter. Über den vorgeschalteten Phasenschieber kann die Anlage so genordet/kalibriert werden, daß in einem VOR-Empfänger im Norden des VOR-Senders die Phasen der beiden 30-Hz-Signale („gerichtet“ und „ungerichtet“) zur Deckung gebracht werden.
(D)VOR-Empfänger
Wie im VOR-Empfänger auch, werden die beiden 30-Hz-Signale durch Demodulation zurückgewonnen und zwecks Bestimmung des Radials einem Phasenvergleicher zugeführt:
Am Ausgang des ZF-Verstärkers liegen die folgenden Signale an:
a) Ein FM-moduliertes 30-Hz-Signal, welches dem Hauptträger über die „Bewegung der Sendeantenne“ aufmoduliert wurde. Dieses (nicht benötigte) FM-Signal kann der AM-Demodulator nicht demodulieren; Das Signal wird also „unterdrückt“.
b) Ein AM-moduliertes 30-Hz-Signal: die richtungsunabhängige Komponente, das Referenz-Signal von der Rundstrahlantenne
c) Ein AM-moduliertes 9,96-kHz-Signal, dem (durch Doppel-Modulation über die „Bewegung der Sendeantenne“) eine zusätzliche 30-Hz-FM-Modulation (die richtungsabhängige Komponente) aufmoduliert wurde.
Im AM-Demodulator werden das 30-Hz-Referenzsignal und der 9,96-kHz-Hilfsträger demoduliert und mittels Hoch-/Tiefpass getrennt, wie im VOR-Empfänger auch. Das richtungsunabhängige 30-Hz-Referenzsignal kann direkt dem Phasenvergleicher (Eingang A) zugeführt werden, während das FM-modulierte Hilfsträgersignal einen weiteren (FM-)Demodulator durchläuft. Erst danach steht das richtungsabhängige 30-Hz-Signal zur Verfügung, welches am Eingang B des Phasenvergleichers eingespeist wird.
Die Verarbeitung der empfangenen Signale erfolgt im VOR- wie im (D)VOR-Empfänger völlig identisch (bis auf die im DVOR-Sender entstehende, zusätzlich FM-Komponente, die nicht gebraucht wird und sowieso unterdrückt wird)! Lediglich die „Ergebnisse“ liegen an unterschiedlichen Eingängen des Phasenvergleichers an!
Eingang A:
VOR: richtungsabhängiges Signal
DVOR: richtungsunabhängiges Referenzsignal
Eingang B:
VOR: richtungsunabhängiges Referenzsignal
DVOR: richtungsabhängiges Signal
Würde man beim Empfang eines DVOR-Senders die Eingänge des Phasenvergleichers vertauschen, dann wäre alles wie beim Empfang eines VOR-Senders. Ein Vertauschen der Eingänge bedeutet Folgendes:
Aus
∆ Phase = PhaseA - PhaseB wird
∆ Phase = PhaseB - PhaseA
was einer Multiplikation mit -1 bzw. einer Invertierung (180°) gleichkommt. Anstelle einer Invertierung auf der Empfängerseite kann man die Invertierung auch auf der Senderseite vornehmen, nämlich durch Änderung der Drehrichtung der DVOR-Sendeantennen (gegenüber der VOR-Richtantenne). Durch diesen „Trick“ braucht es nur einen Empfänger für beide Systeme!
😀
Bandbreite und Spektrum
AM-Spektrum eines VOR-Signals („KRH“ - Karlsruhe - 48.993 8.5843)
Zoom: 30-Hz-Referenz-Frequenz + Morse-Kennung
Im Spektrum bzw. im Wasserfalldiagramm kann man deutlich die symmetrischen Seitenbänder (LSB + USB) links und rechts vom Träger sehen, die sich bei einer Amplitudenmodulation ausbilden:
Die „höchste Modulationsfrequenz“ (der Unterträger) bestimmt dabei die Kanalbandbreite des VORs: ± 9,96 kHz (± „Jitter“: 30-Hz-FM-Modulation).
Die 30-Hz-Referenz-Frequenz liegt sehr dicht am Träger und belegt gerade mal 2 x 30 Hz an AM-Bandbreite (± „Jitter“: 30-Hz-FM-Modulation), was man im Zoom-Bild erkennen kann. Die (optionale) 1-kHz-Morsekennung liegt im Abstand von ±1 kHz vom Träger.
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Der Schweigekegel
(Engl.: „Cone of Silence“ oder auch „Cone of Confusion“)
Beim direkten Überflug eines VORs kommt man unweigerlich in den „Kegel des Schweigens“ (siehe animierte Grafik). Die Kursablageanzeige (CDI = Course Deviation Indicator) im VOR-Instrument wird immer „wackeliger“ und je nach Überflughöhe bzw. Entfernung zum VOR erscheint dann irgendwann eine rote Warnflagge in der Anzeige.
Der VOR-Schweigekegel hat einen Öffnungswinkel von ca. 10°, womit er für ein Verkehrsflugzeug in 15 km Höhe einen Durchmesser von 1,5 Seemeilen aufweist:
Zitat aus Wikipedia:
„Wenn man sich mit dem Luftfahrzeug direkt über der VOR-Station befindet, kann man zwar die gesendeten Funkwellen empfangen, die Auswertung der Phasendifferenz gelingt aber nicht, weil das Verfahren für die Horizontalebene optimiert ist.“
Das heißt, die „Nullstelle/Delle“ im Antennendiagramm der (D)VOR-Sendeantenne ist nicht der Grund für die angebliche „Fehlfunktion“ des VOR-Empfängers:
Das VHF-Trägersignal im VOR-Empfänger ist wegen der relativ kurzen Entfernung zum VOR-Sender immer ausreichend stark! Vergleiche: Beim DME-Sender gibt es keinen Schweigekegel, obwohl er eine gleichwertige Rundstrahlantenne verwendet!
Fällt der Pegel des richtungsabhängigen Signals im VOR-Empfänger unter die vorgegebene Schwelle (siehe rote Linien in der Animation), so wird vor dem Totalausfall eine rote Flagge gesetzt, denn:
Mit nur dem Referenz-Signal alleine kann der VOR-Empfänger keinen Phasenvergleich durchführen!
Die rote Flagge erscheint also nicht wegen „schlechtem/schwachem“ VHF-Empfang, sondern weil die richtungsabhängige Doppler-FM-Modulation (beim DVOR) bzw. die richtungsabhängige AM-Modulation (beim VOR) direkt oberhalb eines VOR-Senders komplett verschwindet!
Vergleiche:
Auf dem Dach eines Leuchtturms (also genau im Zentrum der Anlage) kann man (beim VOR-Sender) aus rein physikalischen Gründen keine „Amplitudenüberhöhung“ messen, da das „Lichtsignal“ bei allen Abstrahlwinkeln immer gleich stark ist. Ohne richtungsabhängige AM-Modulation gibt es im VOR-Empfänger kein 30-Hz-Signal und somit kann auch kein Phasenvergleich erfolgen bzw. kein Radial berechnet werden!
Beim DVOR zählt nur die horizontale Doppler-Komponente: Im Zentrum der Anlage gibt es keine (Relativ-)Bewegung der Sendeantenne auf die Empfangsantenne hin oder von ihr weg. Beide Antennen haben stets den gleichen Abstand zueinander. Ohne Bewegung kein Doppler-Effekt und somit auch keine FM-Modulation des AM-Unterträgers. Ohne die korrekte Auswertung des Unterträgers gibt es kein richtungsabhängiges 30-Hz-Signal und somit auch keinen Phasenvergleich bzw. keinen Radial!
Fazit:
Das Verfahren ist also nicht für die Horizontalebene „optimiert“, sondern es kann (aus rein physikalischen Gründen) gar nicht anders funktionieren!
Doppler-FM-Hub
Antennenkreisdurchmesser DDVOR = 13,5 m
Radius r = 6,75 m
Die Bahngeschwindigkeit 
der umlaufenden DVOR-Antenne berechnet sich zu:
der umlaufenden DVOR-Antenne berechnet sich zu:
Mit der Sendefrequenz 
ergibt sich die max. pos. Empfangsfrequenz durch den Doppler-Effekt zu:
ergibt sich die max. pos. Empfangsfrequenz durch den Doppler-Effekt zu:
Somit ist der FM-Hub eines DVOR-Senders:
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Letzte Änderung am: 21.10.2023