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, welches 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 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-Empfänger wie auch 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 (±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 (±30-Hz-FM-Modulation), was man im Zoom-Bild erkennen kann. Die (optionale) 1-kHz-Morsekennung liegt im Abstand von ±1 kHz vom Träger.
Der Schweigekegel
(Engl.: „Cone of Silence“ oder auch „Cone of Confusion“)
Beim direkten Überflug eines Drehfunkfeuers kommt man unweigerlich in den „Kegel des Schweigens“ (siehe animierte Grafik unten). Mit abnehmender Entfernung wird die Kursablageanzeige (CDI = Course Deviation Indicator im VOR-Instrument) durch die physikalische Nähe zum Sternpunkt aller Radiale immer „unruhiger“. Je nach Überflughöhe bzw. Entfernung erscheint eine rote Warnflagge in der Anzeige, als Zeichen dafür, daß die Radial-Anzeige sehr ungenau und nicht mehr zur Navigation geeignet ist.
Der Schweigekegel hat einen Öffnungswinkel von ca. 10°, womit er für ein Verkehrsflugzeug in 15 km Höhe einen Durchmesser von 1,5 Seemeilen aufweist:
Will man den Kurs beibehalten (um z. B. dem Radial 120 zu folgen, und um nach dem Überflug auf den Radial 300 zu „wechseln“), bleibt einem im „Kegel der Verwirrung“ nichts anderes übrig, als bis zum Verlassen des Kegels stur geradeaus zu fliegen, ohne Radial-Anzeige!
Was ist der technische Hintergrund zum Schweigekegel bzw. warum fällt die Anzeige oberhalb eines Drehfunkfeuers aus?
Im Internet wird der Ausfall oft durch die „Delle“ im Antennendiagramm des Drehfunkfeuer-Senders erklärt.
Die VHF-Feldstärke würde dadurch so weit abgeschwächt werden, daß an der Antenne des VOR-Empfängers kein Signal mehr ankommen würde und somit kein Empfang und auch keine Auswertung möglich sei!
Nimmt man die Reichweite eines Drehfunkfeuers zu 100 NM (185 km) an, dann steigt die Feldstärke bei Annäherung entsprechend dem Quadratischen Entfernungsgesetz nach folgender Kurve stetig an:
Bei einem (horizontalen) Abstand von 6,5 NM (12 km) zum VOR beträgt die Feldstärke des VHF-Signals an der Antenne des VOR-Empfängers 48 dB über dem Grundrauschen. Zieht man bei einem vertikalen Abstand von 12 km (Flughöhe) oberhalb des VORs die richtungsabhängigen 25 dB für die Delle im Antennendiagramm ab, dann verbleiben zum Empfang immer noch respektable 23 dB über dem Grundrauschen, was mit 6 dB pro S-Stufe ca. S4 entspricht.
Nimmt man 3 dB als Entscheidungsgrenze für ein gerade noch lesbares Signal an, dann beträgt die „Sicherheitsreserve“ satte 20 dB, was einem Faktor von 100 entspricht. Der Empfangspegel oberhalb eines Drehfunkfeuers ist also 100 Mal stärker als nötig!
Wenn (bedingt durch das Antennendiagramm) der Ausfall des VHF-Trägers der Grund für den Schweigekegel wäre, dann könnte man innerhalb eines Durchmessers von 1,2 Seemeilen (bei einer Reiseflughöhe von 12 km) rund um jeden beliebigen Flugplatz/Controller keinerlei Funkverkehr durchführen, was definitiv nicht der Fall ist!
Übrigens, der DME-Empfänger mit seiner vertikalen Sendeantenne „meckert“ auch nicht im Schweigekegel...!
„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.“
Ursache für das „Schweigen im Kegel“ ist definitiv nicht der „Ausfall“ des VHF-Trägers!
DVOR
Beim Doppler-Effekt wirkt sich nur die Relativbewegung von Sender zu Empfänger aus. Setzt man einen Vektor auf das Flugzeug, dann ist (relativ) zum Drehfunkfeuer nur die horizontale x-Komponente des Vektors für den Doppler-Effekt verantwortlich. Je mehr sich das Flugzeug (bei gleicher Flughöhe) dem Drehfunkfeuer nähert, desto kleiner wird die x-Komponente, also der Doppler-FM-Modulationsgrad. Genau über dem Drehfunkfeuer wird die x-Komponente und somit das demodulierte 30-Hz-Signal der richtungsabhängigen FM-Komponente zu Null!
VOR
Entsprechendes gilt auch für ein VOR, nur daß dort der Modulationsgrad der richtungsabhängigen AM-Komponente mit kleinerer x-Komponente immer schwächer wird. Dementsprechend wird das demodulierte 30-Hz-Signal immer kleiner, bis es direkt über dem Drehfunkfeuer zu Null wird.
Für das spezielle Zahlenbeispiel aus Wikipedia ergibt sich für den Eintritts-Vektor z in den Schweigekegel:
Setzt man den horizontalen Abstand x zum berechneten Vektor z ins Verhältnis, dann gilt für den Eintritt in den Kegel des Schweigens, daß die horizontale Komponente x auf ca. 10 % von z abgesunken ist:
Als Folge des 10-%-Eintritts-Schwellwerts ergibt sich „entlang des Vektors“ ein perfekter KEGEL rund um das Drehfunkfeuer. Dieser hat einen scharf definierten und über alle Flughöhen konstanten Öffnungswinkel von ≈10°.
Wie man im Diagramm sehen kann, bleibt der horizontale (Doppler-)Anteil des richtungsabhängigen 30-Hz-Signals für sehr große Strecken nahe 100 %. Je tiefer das Flugzeug das Drehfunkfeuer anfliegt, desto abrupter ist der Abfall der Amplitude.
Der Phasenvergleicher im VOR-Empfänger reagiert nur auf Nulldurchgänge, nicht auf Amplituden! Solange also die Amplitude des richtungsabhängigen 30-Hz-Signals über dem 10-%-Schwellwert liegt, ist alles im „grünen Bereich“.
Überflug eines Drehfunkfeuers in der Draufsicht
Hier kann man sehr schön sehen, wie sich (bei unverändertem Kurs) der Radial 120 in den Radial 300 ändert:
Fällt der Pegel des richtungsabhängigen Signals im VOR-Empfänger unter die vorgegebene Schwelle (siehe rote 10-%-Linien in der Animation), so wird vor dem Totalausfall (Pegel = 0) im Anzeigefeld des VOR-Empfängers eine rote Warnflagge gesetzt, denn: Mit nur dem Referenz-Signal alleine kann der VOR-Empfänger keinen Phasenvergleich durchführen!
Die rote Flagge erscheint 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 empfangene horizontale Doppler-Komponente: Im Zentrum der Anlage gibt es keine (Relativ-)Bewegung der Sendeantennen 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 Demodulationsergebnis des Unterträgers gibt es kein richtungsabhängiges 30-Hz-Signal und somit auch keinen Phasenvergleich bzw. keinen Radial!
Anflug zum Drehfunkfeuer in der Seitensicht
Hier kann man beobachten, wie sich die horizontalen Anteile des richtungsabhängigen Signals immer weiter verringern und wie sich der Kegel des Schweigens über die Flughöhe „aufbaut“:
Im Zoom-Bild sieht man, daß es außer den beiden Entscheidungsschwellen für die rote Flagge (±10 %) noch eine weitere gibt: die Trigger-Schwelle.
Um das sinusförmige, richtungsabhängige 30-Hz-Signal für den Phasenvergleicher zu digitalisieren (also beim Nulldurchgang in ein Rechtecksignal zu wandeln), braucht es einen Schmitt-Trigger, dessen Schwelle (gestrichelte Linie im Diagramm) normalerweise über 0 Volt liegt.
Mit schwächerer Signalamplitude wandert der gelbe „Durchschreitungspunkt“ immer weiter nach rechts, obwohl sich an der Position des Nulldurchgangs nichts ändert! Somit ändert sich auch die Länge des Doppelpfeils, der für die Berechnung des Radials maßgebend ist.
Bevor die Schmitt-Trigger-Schwelle nicht mehr überschritten wird und das Signal im Rauschen verschwindet bzw. bevor die Genauigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann (siehe rote Radial-Anzeige in der Grafik), wird schon weit vor dem Unterschreiten der lila Linie die Anzeige mit dem Setzen der roten Flagge als ungültig erklärt.
Mit dem Unterschreiten der 10-%-Schwelle tritt das Flugzeug in den Kegel des Schweigens ein, was man in der Grafik an identischen Signalstärken entlang des Vektors erkennen kann.
Egal in welcher Flughöhe geflogen wird, am Kegelrand ist das Verhältnis von (horizontalem) Abstand x zu Flughöhe y ist bei Ähnlichen Dreiecken immer gleich.
Bei einem (halben Öffnungs-)Winkel von ≈5° gilt immer:
x = 0,1 · z
(x beträgt 10 % von z)
Fazit:
Die Ursache des Schweigekegels ist nicht der Totalausfall des VHF-Trägers, sondern der Wegfall der richtungsabhängigen Modulationskomponente.
Übrigens, bei der Doppler-Peilerei kann man den vertikalen Winkel einer einfallenden Welle über die Abnahme des Doppler-Pegels bestimmen. Auf Kurzwelle kann so mit der MUF die Entfernung zum Sender auch ohne Kreuzpeilung abgeschätzt werden.
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:
(≈10 % der Unterträger-Frequenz: 9,96 kHz)