Automatisierung

Optische Infrastruktur ersetzt Kupferkabel am Flughafen Hannover-Langenhagen

Lichtwellenleiter machen Landeanflug sicherer

08.10.2019 -

Instrumentenlandesysteme (ILS) auf Flughäfen ermöglichen auch bei schlechten Sichtverhältnissen einen sicheren Anflug. Hannover-Langenhagen ist der erste internationale Verkehrsflughafen Deutschlands, der kupferbasierte Netze durch eine optische Infrastruktur ersetzt hat und die Signale der Instrumentenlandesystem-(ILS)-Anlagen über externe Medienkonverter überträgt. Um eine zuverlässige und leicht zu überwachende Datenübertragung zu gewährleisten, holte die DFS Deutsche Flugsicherung einen LWL-Spezialisten mit an Bord.

Die DFS ist ein bundeseigenes Unternehmen mit rund 5.400 Mitarbeitern, das von Kontrollzentralen in Langen bei Frankfurt a. M., Bremen, Karlsruhe und München sowie Kontrolltürmen an den internationalen Verkehrsflughäfen sämtliche Flugbewegungen im deutschen Luftraum kontrolliert. Für den Landeanflug haben die Flugzeuge Empfänger an Bord, die die Signale einer ILS-Anlage in einem Frequenzband von 108,10 MHz bis 111,95 MHz empfangen und für die Anzeige des korrekten Kurses für den Endanflug sorgen.
Da eine Landebahn aus zwei Richtungen angeflogen werden kann, sind diese Anlagen in der Regel doppelt vorhanden. Sie bestehen jeweils aus einem Landekurs- und einem Gleitwegsender, DME-Geräten (Distance Measurement Equipment) sowie einem Fernfeldmonitor, der die gesendeten Signale überwacht und die ILS-Anlage abschaltet, wenn sie außerhalb einer definierten Toleranz liegen.
Damit das Personal der DFS jederzeit über den Zustand der ILS-Anlagen an den internationalen Verkehrsflughäfen informiert ist, sind sie an ein bundeweites Fernüberwachungssystem (Navigation Landing System, NLS) angeschlossen, dessen Zentrale sich in Langen befindet. „Dort treffen in regelmäßigen Abständen Statusmeldungen ein, die an sieben Tagen der Woche rund um die Uhr überwacht werden“, erklärt NLS-Produktmanager Jens Hötger, der seit 2001 bei der DFS dabei ist und die Anbindung der ILS-Anlagen an LWL federführend betreut. Zudem gibt es noch zwei regionale Überwachungszentren, die tagsüber besetzt sind. Sobald in einer ILS-Anlage ein Fehler auftritt, wird dies auf einem Monitor angezeigt. „Dann müssen meine Kollegen sofort reagieren, denn wenn nicht alles einwandfrei funktioniert, darf die Anlage nicht weiter betrieben werden.“

Immun gegen elektromagnetische Störungen

Auf den internationalen Verkehrsflughäfen wurden die Daten der ILS-Anlagen bisher über Kupferkabel übertragen. „Da diese Netze mittlerweile in die Jahre gekommen sind, wollen viele Flughafenbetreiber sie durch leistungsfähigere optische Infrastrukturen ersetzen“, so Hötger. Mit LWL lassen sich sowohl hohe Datenraten von bis zu 40 Gbit/s übertragen als auch Entfernungen von 100 km und mehr ohne Weiteres überbrücken. Außerdem wird Licht nicht durch elektrische oder magnetische Störungen beeinflusst, weshalb LWL auch in unmittelbarer Nähe von Energieleitungen oder anderen elektromagnetischen Quellen verlegt werden können. „Selbst wenn ein Blitz in die Verkabelung einschlägt, was gerade bei Flughäfen ein großes Problem darstellt, besteht kein Zerstörungsrisiko für die angeschlossenen Geräte“, so der NLS-Produktmanager.
Hannover-Langenhagen ist der erste internationale Verkehrsflughafen, der kupferbasierte Netze durch eine optische Infrastruktur ersetzt hat und die Signale der ILS-Anlagen über externe Medienkonverter überträgt. „Die Leitungen fallen unter die Verantwortung der Flughafenbetreiber, aber wie die Daten von den ILS-Anlagen in das NLS und zu den Fluglotsen in den Kontrolltürmen gelangen, ist unsere Sache“, erklärt Hötger. Für die Datenkommunikation wird nach wie vor die serielle Schnittstelle RS232 eingesetzt. Um die elektrischen Signale der ILS-Anlagen in optische zu wandeln und umgekehrt, waren Medienkonverter erforderlich, die die RS232-Signale gleichzeitig in beide Richtungen übertragen können (Vollduplex-Modus), wobei die Verzögerungszeit nicht größer als 20 ms sein darf, und den Aufbau einer redundanten Ringtopologie ermöglichen. Ferner sollten sie sich nach dem Plug&Play-Prinzip in Betrieb nehmen und leicht überwachen lassen.
Nachdem die DFS den Markt sondiert hatte, kamen drei Medienkonverter in die engere Wahl, darunter der d-light 232 von EKS Engel. „Wir haben dann die Geräte der verschiedenen Hersteller getestet“, sagt Hötger. Bei den funktionalen Prüfungen, die in einer Testumgebung in Langen stattfanden, fiel ein Konverter durch. Daraufhin machten sich die Experten der DFS mit den beiden anderen auf den Weg zum Verkehrsflughafen Berlin-Brandenburg, der zwar noch nicht eröffnet ist, aber bereits über eine optische Infrastruktur verfügt. „Zum Schluss lag der d-light vorn, da er sich leichter in Betrieb nehmen ließ, einfacher zu bedienen war und unter dem Strich auch das bessere Preis-Leistungs-Verhältnis geboten hat.“

Medienkonverter nach Maß

Um die Anforderungen der DFS optimal zu erfüllen, wurden die Medienkonverter noch modifiziert. „Die Standardausführungen prüfen zwar, ob die empfangenen Daten gültig sind, aber nicht, ob die gesendeten korrekt empfangen wurden“, erklärt Uwe Ackerschott, bei EKS Engel zuständig für den technischen Support. „Deshalb haben wir die Firmware so verändert, dass zusätzlich ein Signal aufmoduliert werden kann, mit dem auch dies überwacht wird. Mit anderen Worten: Wenn das empfangende Gerät keine gültigen Daten bekommt, wird dies dem sendenden gemeldet und dort via LED angezeigt.“ Zusätzlich wurde auch die Hardware angepasst, damit sich der Status der redundanten Spannungsversorgung der Konverter separat überwachen lässt und der Ausfall einer der beiden Stromquellen sofort signalisiert wird, was die Verfügbarkeit der Datenübertragung nochmals erhöht.
Die elektrischen Signale der Landekurs- und Gleitwegsender, DME-Geräte und Fernfeldmonitore werden jeweils via neunadrige Kupferkabel an einen Medienkonverter übertragen, der sie in optische wandelt und dann an einen Konverter auf der anderen Seite der LWL-Strecke weiterleitet. Dabei trat jedoch ein unerwartetes Problem auf: „Mit Testsignalen funktionierte alles einwandfrei, aber sobald wir die Komponenten der ILS-Anlagen angeschlossen hatten, konnten die Medienkonverter keine Verbindung zueinander herstellen“, so Hötger. Die LWL-Spezialisten von EKS Engel gingen auf die Suche und fanden heraus, dass die Ursache im sogenannten Handshake-Verfahren lag, mit dem gesteuert wird, welches der beiden Geräte gerade kommunizieren darf. Obwohl die ILS-Komponenten bereits das automatische Verfahren (Software-Handshake) nutzen, wurden die Medienkonverter über voll beschaltete serielle Kabel angeschlossen. „Diese Kabel wirkten wie eine Antenne und sendeten Störsignale aus, die von den Konvertern weitergeleitet wurden“, erklärt Ackerschott. „Weil die DFS die seriellen Kabel nicht auswechseln wollte, haben wir bei unseren Geräten die nicht benötigten Kanäle softwaretechnisch abgeschaltet, wonach alles problemlos funktionierte.“

Hochverfügbare Datenübertragung

Die Komponenten der beiden ILS-Anlagen in Hannover-Langenhagen sind über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen an eine Ringleitung angebunden, die um die Hauptlandebahn herum verlegt ist, wobei die Verkabelung durchweg aus Singlemode-Fasern – sozusagen der Mercedes unter den LWL – besteht. „Die Ringleitung ist wiederum über Medienkonverter an den Kontrollturm angeschlossen, in dem sich die Schnittstelle in das bundesweite NLS befindet“, erläutert Hötger und fügt hinzu: „In der Regel benötigt man pro ILS-Anlage acht Konverter, also insgesamt 16 je Landebahn.“ Da in dem Flughafen jedoch noch weitere Landeeinrichtungen via LWL angebunden wurden, sind noch zusätzliche Medienkonverter vorhanden.
Eine Ringtopologie bietet zusammen mit automatischen Redundanzverfahren eine hohe Netzverfügbarkeit. Die Daten werden immer in beide Richtungen übertragen, wodurch das Netz auch bei einer Unterbrechung der Leitung funktionstüchtig bleibt. Dazu Hötger: „Im Fall des Falles schalten die Medienkonverter so schnell auf den redundanten Pfad um, dass unser Systemmanagement dies gar nicht mitbekommt.“
Für die Datenübertragung stellen Medienkonverter ein Budget (Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) zur Verfügung, mit dem die Dämpfung der LWL-Strecke überbrückt wird. „Dieser Wert kann im Laufe der Zeit schleichend zunehmen, etwa durch lockere Verbindungselemente, Staub, Schmutz und Feuchtigkeit oder mechanische Beanspruchung“, erklärt Ackerschott. Mit dem Monitoring-System FiberView, das die Konverter der d-light-Familie standardmäßig unterstützen, wird pro Port das Budget einer Strecke im laufenden Betrieb überwacht und nach dem Ampel-Prinzip via LEDs visualisiert. „Das ermöglicht ein vorausschauendes Handeln“, so der LWL-Spezialist. „Denn bei gelb ist die Dämpfung gerade noch im tolerierbaren Bereich, jedoch sollten so schnell wie möglich Maßnahmen eingeleitet werden, um einem Ausfall vorzubeugen“.

Betriebskosten senken

Die optische Infrastruktur des internationalen Verkehrsflughafens Hannover-Langenhagen sorgt für eine zuverlässige Datenübertragung und erleichtert der DFS auch die Arbeit. Ein Beispiel dafür ist das Redundanzverfahren. „Die Kupferleitungen waren zwar doppelt vorhanden, jedoch wurde bei einer Unterbrechung nicht wie jetzt automatisch umgeschaltet, vielmehr mussten unsere Techniker zu jeder ILS-Komponente fahren und die Stand-by-Leitungen manuell anschließen“, sagt Hötger.
Ein anderes Beispiel ist die Zustandsüberwachung, die früher ebenfalls viel Zeit kostete. Da die Medienkonverter den Status einer Verbindung via LED signalisieren, lassen sich Probleme im Technikraum der DFS, der im Centergebäude untergebracht ist, erkennen. „Außerdem müssen die Kollegen vom lokalen Systemmanagement nicht mehr regelmäßig ausrücken, um die Leitungen instand zu halten.“
In Hannover-Langenhagen ist die optische Infrastruktur Mitte 2015 in Betrieb genommen worden und funktioniert seitdem reibungslos. Ob und wann es bei den anderen internationalen Verkehrsflughäfen soweit sein wird, steht noch nicht fest, weil die DFS hinsichtlich der Leitungen von der Entscheidung der Flughafenbetreiber abhängig ist. „Aber sicherlich werden noch weitere Flughäfen folgen“, so Hötger.

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