Funkfernsteuerung im Zweiten Weltkrieg

Während des Zweiten Weltkrieges wurden Funkfernsteuerungen für eine Reihe von Flugobjekten verwendet. Das Ziel war insbesondere die Entwicklung funkgesteuerter Seezielflugkörper für den Einsatz gegen Schiffsverbände, die ansonsten nur schwierig und unter sehr hoher Eigengefährdung anzugreifen waren. Gegen Ende des Krieges hatte die Luftwaffe ähnliche Fragestellungen beim Angriff auf Bomberverbände, und es wurden zahlreiche ferngesteuerte Flugkörper entwickelt (elektropneumatische Systeme), die aber nicht mehr zum Einsatz kamen.

Nur für die ballistische V2-Rakete wurden bei 20 Flügen experimentell erstmals Fernsteuerungen mit Hilfe von Radarfrequenzen erprobt. Aber auch hier war es nur möglich, 1 Bit (1 Kanal An/Aus) zu übertragen, eine erwünschte Proportionalsteuerung blieb späteren Entwicklungsstadien vorbehalten.

Auch in Großbritannien und in den USA wurden Funksteuersysteme entwickelt, um die Gefährdung der Besatzungen beim Einsatz gegen stark verteidigte Ziele zu verringern. Jedoch erwies sich keines dieser Systeme als in der Praxis verwendbar. Ein Gerät, Projekt Aphrodite, erwies sich als gefährlicher für seine Benutzer als für das Ziel.

Funksteuersysteme dieser Ära waren im Allgemeinen elektromechanischer Natur. So wurde ein Radiogerät in einen Flugkörper eingebaut, das vom Steuerpult übertragene Signal wurde demoduliert und einem kleinen Lautsprecher zugeführt. Vor dem Lautsprecher waren einige kleine Metallzungen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen angebracht, die aber enorme Anforderungen an die Frequenzstabilität der senderseitigen Tongeneratoren stellten. Durch deren Schwingungen wurden schließlich die Steuerimpulse für die Ruder ausgelöst.

Die Idee der Tonmodulation und der Zungenrelais-Schaltstufen wurde in der frühen Nachkriegsära bei den A2-Modellfernsteuerungen erneut aufgegriffen – erst die Erfindung des Transistors und der hochempfindlichen Resonanz-Tonkreis-Schaltstufe mit Rückkopplung brachte jedoch den erhofften Durchbruch bei der Betriebssicherheit.

Erste Modellfunkfernsteuerungen

Der Physiker Nikola Tesla stellte bereits 1898 auf der Weltausstellung in New York ein von ihm entwickeltes funkferngesteuertes elektrisches Modellboot vor. Die ersten Modellfunkfernsteuerungen gab es in der zweiten Hälfte der 1930er-Jahre, damals noch in der Regel in Eigenbau mit Röhrensender und -Empfänger hergestellt. Ab Anfang der 1950er-Jahre waren in Deutschland die ersten serienmäßig hergestellten Röhrenfernsteuerungen erhältlich – technisch sehr einfache Geräte mit Trägertastung; die Hochfrequenz des Funksenders wurde lediglich an- bzw. ausgeschaltet. Dadurch konnte nur ein einziger Steuerbefehl (Einkanalsender) übermittelt werden, wobei in der Regel die Modellsteuerung über eine Befehlssequenz erfolgte: z. B. einmal Tippen (= Einschalten des Sendesignals) bedeutet Links-, zweites Tippen wieder Neutralstellung, das nächste Tippen Rechtsruder usw., oder (häufiger) erste Mal Sender an = Rechtsruder, Sender aus = neutral, nächste Mal Sender ein = Linksruder und so weiter. Durch die Auswertung der Signaldauer mit Hilfe komplizierter Techniken (die Rudermaschine „Kinematik“ war ein Beispiel dafür) waren Zusatzfunktionen wie Motorsteuerung ebenfalls möglich. Die "Kinematik" von Graupner lief mit langen Impulsen rechts – neutral (Sender aus) – links – neutral und mit kurzen Impulsen Motor vorwärts – stopp – rückwärts – stopp und so weiter.

Eine für die Weiterentwicklung der Funksteuerung wichtige, aber wenig verbreitete Entwicklung der frühen Fernsteuertechnik, war die damals höchst innovative elektromechanische Einkanal-Proportionalanlage der Firma Webra, die auch unter der Bezeichnung „Flattersteuerung“ bekannt wurde: mit Hilfe eines mechanisch betriebenen Impulsgebers ließ sich das Tastverhältnis HF-Impuls / Pause senderseitig verändern. Das Auswertungsprinzip im Empfängerservo beruhte auf der mechanischen Balance einer Feder-Rückstellkraft und einer Gegenkraft durch einen vom senderseitigen Tastverhältnis gesteuerten Elektromotor.

Die Einführung der Tonmodulation, d. h. einer einfachen Amplitudenmodulation der Sendefrequenz mit niedrigen Tonfrequenzen, aber vor allen Dingen die zunehmende Transistorisierung der Fernsteuerelektronik in der zweiten Hälfte der 1950er-Jahre, revolutionierte die Möglichkeiten der Modellsteuerung: von den funktionssicheren Einkanalanlagen bis hin zur Königsklasse der Zehnkanalanlage, die mit mehreren Tongeneratoren sogar eine Simultansteuerung von bis zu drei Ruderfunktionen erlaubte, reichte die Palette der industriell hergestellten Fernlenkanlagen. Die besseren Fernsteuersender erhielten nun trotz der immer noch vorhandenen Ein/Aus-Beschränkung richtige Steuerknüppel statt einfacher Tipp-Tasten und mit Hilfe der Mehrkanaltechnik war eine realistischere und auch betriebssichere Modellsteuerung möglich.

Ab Ende der 1950er-Jahre wurden die vor allem wegen ihrer Batterien schweren Röhrenanlagen allmählich durch leichtere Hybridgeräte und später komplette Transistoranlagen abgelöst – bedingt durch die niedrigen Grenzfrequenzen damaliger Germanium-Transistoren waren die Hochfrequenzstufen der Sende- und Empfangsschaltungen in einer Übergangszeit noch mit Röhren bestückt, für niederfrequente Schaltungsfunktionen (Tongeneratoren, Gleichspannungswandler für die Anodenspannungserzeugung, Schaltverstärker, NF-Verstärker etc.) etablierte sich zusehends die strom- und platzsparende Transistortechnik. Beispiele für bekannte Hybridgeräte waren die weitverbreiteten Sender der süddeutschen Firmen Graupner und Metz (Graupner Bellaphon A bzw. B, Metz Mecatron) und die Einkanal-Empfänger Graupner „Mikroton“.

Die unaufhaltsamen Fortschritte in der Halbleitertechnik ermöglichten seit etwa 1965 komplett elektronisch gesteuerte Proportionalanlagen, bei denen jedes Ruder genau dem Ausschlag der Knüppelbewegung am Sender folgt, womit sich insbesondere Flugmodelle präzise und sicher steuern lassen. Die Proportionalanlagen sind seit ihrem Erscheinen immer weiter bis zur Computeranlage verfeinert worden, an der prinzipiellen Funktionsweise hat sich seither jedoch nichts geändert.

Aktuelle Entwicklung

Der Einsatz der Mikroelektronik erlaubte bald die Übertragung sehr komplexer Steuersignale. Während frühe Steuersysteme zunächst lediglich mit unmodulierter Trägertastung arbeiteten, die später von den betriebssicheren tonmodulierten Fernlenksystemen abgelöst wurden, schließen moderne Systeme zehn oder mehr Digital-proportionale Befehlskanäle ein. Diese RC-Systeme ermöglichen eine proportionale Steuerung – die Steuergröße im gesteuerten Fahrzeug, etwa die Stellung eines Ruders, ist stets proportional zur Position des Steuerknüppels auf dem Sender.

Mit der Einführung digitaler Technik hat der Funktionsumfang aktueller Fernsteuerungen wiederum deutlich zugenommen. Dabei lassen sich etwa Kanäle frei austauschen und ihre Kennlinien verändern oder mit anderen Funktionen mischen. Weiterhin können Servos programmiert werden, um beispielsweise Drehrichtung, Einbauwinkel und Ruderstellungen nach dem Einbau zu justieren, was in analogen Systemen nur über Eingriffe in die Senderelektronik (Funktionsmodule) möglich ist.
Bei Pulscodemodulation (PCM) verringert sich zusätzlich die Störanfälligkeit, da der Datenstrom digital auf Fehler geprüft werden kann. Bei Empfangsproblemen, z. B. im Flug, kann vom Empfänger ein definierter Ruderstand (Fail Safe, Hold) eingestellt werden. Weiterhin kann die Signalübertragung reaktionsschneller sein, da bevorzugt diejenigen Kanalwerte übertragen werden, die sich geändert haben.

Die aktuellen Übertragungsverfahren (meist herstellerspezifische Varianten des Spread Spectrum-Verfahrens wie FHSS, FASST, DSSS etc.), die im 2,4 GHz ISM-Band Verwendung finden, verbessern die Übertragungssicherheit und ermöglichen Funktionen wie Telemetrie, Diversity etc. Dem breiteren Einsatz von Spread-Spectrum-Techniken stehen zurzeit noch regulatorische Beschränkungen der Behörden entgegen, sodass diese Technik derzeit ausschließlich auf das ISM-Band beschränkt ist.

Eine erhebliche Weiterentwicklung betrifft die Miniaturisierung der Anlagen. Während ein Fernsteuerungsempfänger von 1955 in Röhrentechnik mit zugehöriger Rudermaschine und erforderlichen Batterien noch etwa 300 g wog und dabei nur eine einzige Funktion steuern konnte, kann heute eine Empfangsanlage in käuflicher Technik mit vier proportionalen Funktionen unter Verwendung eines Lipo-Akkus von 2,6 g mit 5 g realisiert werden. Dabei wiegt der Empfänger weniger als 1 g und die Ruderelemente jeweils etwa 0,35 g. Bei höherem Belastungsbedarf bei größeren Modellen sind entsprechend stärkere und schwerere Bauelemente erforderlich.

Die Modellflugszene wurde von der Idee des FOSS nachhaltig verändert. Um 2014 rum wurde für eine damals günstige und weit verbreitete Fernbedienung, die Turnigy 9X, die alternative Open-Source-Software OpenTX entwickelt. Diese fand eine sehr weite Verbreitung und wurde später in vielen Funkfernsteuerungen, insbesondere denen aus Fernost, zum Standard. Eine andere FOSS - Alternative für Funkfernbedienungen ist z. B. Deviation, für Sendemodule gibt es mittlerweile auch populäre Open Source Projekte wie MPM.

Fernsteuerung mit Analogsignalen

Fernsteuerung mit Digitalsignalen

Sender

Gängige Sender haben zwei Steuerknüppel, die jeweils nach recht/links und oben/unten bewegt werden können. Eine Steuerfunktion (z. B. Höhenruder) wird auch als „Kanal“ oder „Funktion“ bezeichnet, aus den zwei Steuerknüppeln ergeben sich somit vier Funktionen. Weitere Kanäle werden ggf. über Dreh- und Schieberegler oder Schalter realisiert.

Bei der Handhabung wird zwischen Handsendern unterschieden, bei denen die Daumen in der Regel auf den Steuerknüppeln aufliegen, und Pultsendern, die an einem Gurt getragen werden, und bei denen die Betätigung der Knüppel mit den Fingern bei aufliegendem Handballen erfolgt. Zu Steuerung von Auto- und Schiffsmodellen wird teils eine spezielle „Pistolen“-Bauform eingesetzt, wobei ein Drehring für das Ruder und ein Hebel für Gas/Motor genutzt wird.

Die Stellung der Hebel oder Regler wird intern durch Potentiometer abgenommen, kodiert und in der HF-Stufe auf die Sendefrequenz moduliert.

In Europa sind die Frequenzbänder 27 MHz (Kurzwelle) und 35 MHz (VHF), 40 MHz (UKW), 433 MHz (UHF) und 2,4 GHz (kurze Mikrowellen) für Fernsteuerungen zugelassen, wobei die genaue Frequenz am Sender durch Quarze festgelegt wird. An modernen Sendern und Empfängern können die Frequenzen mittels PLL-Technik beliebig eingestellt werden. Bei den neuen Übertragungsverfahren, wie Bluetooth oder Spread Spektrum braucht sich Nutzer nicht mehr um einen Kanal zu kümmern. Hier werden die Frequenzen dynamisch eingestellt, bzw. per eindeutiger Sender- und Empfänger-ID zugeordnet. In einigen Ländern sind auch Frequenzen im 41-, 72- und im 75-MHz-Band zur Fernsteuerung von Modellen freigegeben. In Deutschland ist auch das 35-MHz-Band seit 2003 für Flugmodelle anmelde- und gebührenfrei.

Das Frequenzband 868 MHz SRD ist für nicht näher spezifizierte Anwendungen zugelassen und wird ebenfalls von einigen Sendern verwendet.

In jedem Frequenzband sind nur wohl definierte Frequenzkanäle verfügbar, die soweit auseinander liegen, dass Nachbarkanalstörungen vermieden werden, was speziell bei Flugzeugmodellen fatal wäre. Insbesondere im 27-MHz-Band muss auch mit weiteren Störungen z. B. durch den CB-Funk gerechnet werden, weshalb insbesondere für Flugmodelle das 35-MHz-Band bevorzugt wird.

Programmierbare sogenannte „Computersender“, meist mit LC-Display, ermöglichen die Abspeicherung von Servo-Parametern sowie Mischungen von Kanälen, die vor allem für Hubschrauber- und Flugmodelle gebraucht werden. Meist können Parameter-Sätze für eine Reihe von Modellen abgespeichert und schnell gewechselt werden. Weitere Funktionen hochwertiger Sender sind wählbare Modulationsverfahren (PCM, PPM), per Software wählbare Sendekanäle, austauschbare HF-Module für die unterschiedlichen Bänder oder auch Funktionen zum Scannen freier Kanäle.

Empfänger

Der Empfänger soll geringes Gewicht und zuverlässigen Empfang kombinieren; an ihm werden Antenne, Stromversorgung und ein oder mehrere Servos oder andere Steuergeräte angeschlossen. Die Empfänger sind meist als Superheterodyn-Empfänger (Super), oft auch mit doppelter Frequenzumsetzung (Doppelsuper) ausgelegt. Der Empfänger benötigt einen zur Senderfrequenz (Senderquarz) passenden Empfängerquarz, dessen Frequenz allerdings um den Betrag der ersten Zwischenfrequenz (abhängig vom Empfängertyp) von der Sendefrequenz abweicht, da er die Frequenz des Referenzoszillators einstellt.

Servos und Steller

Servos werden im Allgemeinen nach Gewicht (ab 4 g, Standard 40 g) und Drehmoment (z. B. 25 Ncm) klassifiziert; weitere wichtige Parameter sind Stellzeit (z. B. 0,15 Sekunden für 60 Grad) und Getriebeausführung (Kunststoff/Metall, ggf. Kugellager). In aufwendigeren Servos kommen auch Glockenankermotoren sowie digitale Regelungen zum Einsatz.

Für spezielle Anwendungen gibt es spezielle Servos:

• Segelwinde: Servo zur Betätigung von Seilzügen, meist mit sehr langem Stellweg;
• Stellservo: Servo mit langem Stellweg oder hohem Stellwinkel, meist langsam
• Schaltservo: Servo mit festen oder einstellbaren Endpositionen, nicht proportional;
• Linearservo: Statt einer Abtriebswelle, die sich dreht, gibt es einen Hebel, der verschoben wird. Im Gegensatz zu einem normalen Servo ist der Weg proportional zur Hebelstellung, nicht zum Sinus der Hebelstellung.

Neben Servos werden zur Umsetzung von Steuersignalen empfängerseitig auch elektrische Steller oder Regler eingesetzt, die bei Modellen mit Elektromotoren etwa die Geschwindigkeit fernsteuern. Neben Spannungs-Stellern werden auch Drehzahlregler eingesetzt, z. B. für Hubschrauber-Modelle, wo die Drehzahl des Motors auch bei veränderlicher mechanischer Belastung konstant gehalten wird. Spezielle Regler für Brushless-Motoren regeln das elektrische Drehfeld direkt gemäß der Steuervorgabe (Drehstromregler).

Bei Modellen mit mehreren Motoren können Steller auch zur Richtungssteuerung eingesetzt werden. Beispiele sind z. B. Kettenfahrzeuge mit getrennt angetriebenen Kettenantrieben, zwei- oder mehrmotorige Modellflugzeuge oder Koaxial-Hubschraubern. In diesen Fällen kann auf mechanisch aufwändigere Servos und Ansteuerungen verzichtet werden.

Eisenbahn

• Fernsteuerung von Strecken-, Rangier- und Kleinlokomotiven bei Rangierarbeiten. Das Bediengerät wird meist wie eine Bauchlade getragen. Es enthält einen Neigungssensor, der bei Sturz des Bedieners eine Schnellbremsung auslöst.
• Fernsteuerung von Verschublokomotiven am Ablaufberg in großen Rangierbahnhöfen. Die Fernsteuerung erfolgt bei dieser Anwendung von ortsfesten Anlagen aus, die mit dem Stellwerk des Rangierbahnhofes verbunden sind.
• Fernsteuerung von Streckenlokomotiven bei Güterzügen. Das System wird für die Fernsteuerung von Zwischen- und Schiebelokomotiven angewendet, wobei die Sende- und Empfängermodule fest in die Lokomotiven eingebaut sind. Beim Einsatz von aus mehreren Lokomotiven zusammengesetzten Lokomotivpaketen empfängt nur die führende Lokomotive des Paketes die Befehle, während die geführten Lokomotiven des Paketes konventionell über die Leitung der Mehrfachtraktionssteuerung die Befehle von der führenden Lokomotive erhalten. Bei einer Unterbrechung der Funkverbindung in einem Tunnel führen die ferngesteuerten Lokomotiven weiterhin den zuletzt erhaltenen Zugkraftbefehl aus, erst bei Absenkung des Drucks in der Hauptluftleitung wird die Zugkraft abgeschaltet. Das System wird im Englischen als RDP, abgekürzt für Radio Distributed Power bezeichnet. Es wird vornehmlich von Bahnen in Nordamerika und Australien bei schweren Erz- und Kohlezügen eingesetzt.

In der Schweiz wurde das System Ende der 1990er Jahre für den Güterverkehr am Gotthard zur Betriebsreife entwickelt. Es standen mehrere Re 4/4 II, Re 6/6 und Re 460 zur Verfügung, die mit von GE gelieferten Locotrol-Geräten zur Funkfernsteuerung ausgerüstet waren. Sie wurden zur Unterscheidung von nicht-ausgerüsteten Lokomotiven mit einem zusätzlichen f hinter dem e bezeichnet, so dass die neuen Bezeichnungen Ref 4/4 II, Ref 6/6 und Ref 460 lauteten. Die Ref 4/4 II und Ref 6/6 konnten nur eine Ref 460 fernsteuern, konnten aber nicht selbst von einer anderen Lokomotive aus ferngesteuert werden. Die Ref 460 konnten als führende Lokomotiven auch andere Ref 460 fernsteuern – technisch wären bis zu 16 Lokomotiven zusammen steuerbar gewesen. Das System konnte kurz nach dessen Einführung nicht mehr genutzt werden, weil der Betrieb der SBB in die Divisionen Güterverkehr und Personenverkehr aufgeteilt wurde und alle Ref 460 zur Division Personenverkehr gelangten und somit für den Güterverkehr nicht mehr zur Verfügung standen.