DE2148764A1

DE2148764A1 - Kollisionsverhuetungssystem der luftfahrt

Info

Publication number: DE2148764A1
Application number: DE19712148764
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl-Ing Michaelis; Kurt Dipl-Ing Schieder; Friedrich Scholtz; Christian Dipl-Ing Wilke; Heino Dipl-Ing Zimmermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-09-30
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1973-04-05
Also published as: GB1397142A

Description

LIOIN TI 4 ent~VePwalt
6QQ0 Frankfurt (Main) 70,

Ulm (Donau), ST, SepfcBfce ξΓ Pr/S/ UL 70/216

der- Luftfahrt"

Die Erfindung betrifft ein bodenunabhä'ngiges Kolli3lon5verhütungssyst^ni dQV Luftfahrt, ir\sTt>eSQi*deFe eiri, Nahbereilchs« Ortungssys^em lun? Ermäg!lohen tines lcollisionsfreien engen Verbandfluges von am System tellnehrntnden LuftfaüRr?;eugen. Das erfindungagemäSe System ermöglloht beispielsweise Hub«- sohraubern auoh bei fehlender gegenseitiger Sicht einen sicheren Verbandsflug mit gegenseitigen Mindest-Abständen der Hubschrauber von ea. 50 bis IQQ m.

Voraussetzung für einen solchen kollielonsgesioherten bandsflug ist, daß jeder Sy^temteilnehmer zyklisch« beispielsweise mindestens einmal pro Sekunde* eine vollständige Information über die Position ( zumindest deren relative Entfernung, Richtung und Höhe zum eigenen Luftfahrzeug) der übrigen

■S κ

- 2 - UL 70/216

Systemteilnehmer erhält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der einleitend genannten Art anzugeben, das mit funktechnischen Mitteln realisierbar ist und dessen Betriebssicherheit durch Signalausbreitungsstörungen oder Mehrwegübertragungen zwischen den Systemteilnehmern nicht gefährdet wird.

Das erfindungsgemäße System ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Luftfahrzeuge - nacheinander in einem vorgegebenen Zyklus abwechselnd - seine augenblickliche Entfernung zu den übrigen Luftfahrzeugen nach dem Laufzeitprinzip ermittelt, und zwar durch Bestimmung der Größe des Ze it Intervalls zwischen seiner ungerichteten Aussendung eines impulsoodierten Abfragesignals und dem Empfang der von den übrigen Luftfahrzeugen stammmenden und KennungsSignale enthaltenden Antwortsignale unter Berücksichtigung der in den übrigen Luftfahr- ^ zeugen vorgegebenen Antwortverzögerungen, deren jeweilige Dauer zur Vermeidung gleichzeitiger und sich gegenseitig störender Antworten von Luftfahrzeug zu Luftfahrzeug unterschiedlich ist, daß in jedem der Luftfahrzeuge ein Peller vorgesehen ist, der die Richtungen von eigenen zu den übrigen Luftfahrzeugen durch Peilung ihrer Sendesignale bestimmt, daß die AntworteignaIe jedes der Luftfahrzeuge zusätzliche Informa-

- 3 3098U/013?

- 3 - ' UL 70/216

2H8764

tionen beinhalten, die die eigenen Entfernungs- und/oder Richtungsmeßwerte bezüglich eines ausgewählten weiteren, von Antwortzyklus zu Antwortzyklus anderen der übrigen Luftfahrzeuge betreffen, daß in Jedem der Luftfahrzeuge eine Einrichtung vorgesehen ist, die die zusätzlichen Informationen aller empfangenen Antwortsignale - und somit auch derjenigen Antwortsignale, die auf nicht selbst ausgesendete Abfragesignale eintreffen - zur Ergänzung und/oder Kontrolle der eigenen Meßwerte auswertet, und daß in jedem der Luftfahrzeuge eine Anzeige-, Alarm- und/oder automatische Steuerbeeinflussungs-Einrichtung vorgesehen ist, die die relativen Positionen der Systemteilnehmer anzeigt und/oder bei drohender Kollision mit einem derselben kollisionswarnend bzw. kollisionsverhindernd wirkt.

Beim erfindungsgeraäßen System wird demzufolge die Entfernung von Jedem Luftfahrzeug zu den übrigen Luftfahrzeugen zeitgestaffelt in periodischer Wiederholung nach dem Zweiweg-Laufzeitprinzip ermittelt, wie es auch beispielsweise bei dem System zum Ermitteln der gegenseitigen Entfernungen zumindest zweier Fahrzeuge, in denen je ein Transponder mit einer ungerichteten Antenne und ein rundstrahlender Abfragesender vorgesehen sind, gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 921 356, geschieht. Bei diesem bekannten System fragt in

- 4 30981 4/0137

- 4 - UL 70/216

2U8764

einem vorgegebenen Zyklus jedes Fahrzeug auf einer gemeinsamen Abfragefrequenz mittels seines Abfragesenders alle übrigen Fahrzeuge nach der Transpondermethode gleichzeitig und ohne Selektivruf ab] alle abgefragten Fahrzeuge antworten daraufhin mittels ihrer Transponder auf einer gemeinsamen Antwortfrequenz, jedoch mit einer jedem Fahrzeug individuell zugeordneten Antwortverzögerung, die sich von einem zum zeitlich als nächste» antwortenden Fahrzeug jeweils um mindestens die doppelte Signal-Laufzeit zwischen den am weitesten voneinander entfernten Systemteilnehmern steigert. Die Entfernungen zu den übrigen Systemteilnehmern werden hierbei in jedem Fahrzeug aus der Zeitdifferenz der Empfangszeitpunkte der Antwortsignale zu ihren zugehörigen Abfragesignal-Sendezeitpunkten bestimmt.

Die Richtungen vom eigenen zu den übrigen Luftfahrzeugen werden beim erfindungsgemäßen System besonders zweckmäßig duroh Peilung mittels eines beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 977 79? bekannten Peilers für impulsförmige Signale mit von dieser Patentschrift abweichender Art der Signa !auswertung bestimmt. Die Peilantenne besteht hierbei aus einem System aus p, beispielsweise sechs oder acht, Einzelantennen, die vorzugsweise auf einem gemeinsamen Kreis odor Kreisbogen in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.

30 9 8 1,4-/0 1 3 7

- 5 - UL 70/216

2H8764

Die Einzelantennen weisen jeweils einseitig gerichtete Diagramme auf, deren Achsen radial bezüglich des Antennenkreises liegen und jeweils um den Winkel << · · gegeneinander ge· dreht sind. Die Richtdiagramms benaohbarter Antennen müssen sich berühren oder teilweise überlappen, damit eine kontinuierliche Azimutanzeige bei Bewegung eines entsprechenden Senders um das Peilsy3tem möglich ist.

Die Betriebssicherheit des erfindungsgemäSen Systems wird durch einen zusätzlichen Datenaustausch zwischen den einzelnen Systemteilnehmern den praktischen Erfordernissen angepaßt. Dieser zusätzliche Datenaustausch erfolgt gemäß dem einen Merkmal der Erfindung dadurch, daß die Antworteignale jedes der Luftfahrzeuge zusätzliche Informationen beinhalten, die die eigenen Entfernungs- und Richtungsmeßwerte bezüglich eines ausgewählten weiteren, von Antwortzyklus zu Antwortzyklus anderen der übrigen Luftfahrzeuge betreffen. In jedem der Luftfahrzeuge wertet eine Einrichtung diese zusätzlichen Informationen aus allen empfangenen Antwortsignalen - und somit auch aus denjenigen Antworteignalen, die auf nicht selbst ausgesendete Abfragesignale eintreffen - zur Ergänzung und/oder Kontrolle der eigenen Meßwerte aus.

Dieser zusätzliche Datenaustausch und seine Auswertung an

- 6 309 8 1 A /01 3 7

- 6 - UL 70/216

2U8764

Bord jedes einzelnen Luftfahrzeuges ist im wesentlichen we- · gen vier Störmöglichkeiten erforderlich, und zwar erstens wegen einer möglichen Unterbrechung der Signalausbreitungswege zwischen einzelnen der Systemteilnehmer infolge Abschattung, zweitens wegen einer vorübergehenden, beispielsweise aus taktischen Gründen erforderlich werdenden Verbandsauflösung, durch die der Punkkontakt vorübergehend unterbrochen ■ wird, drittens wegen möglicher Funkstörungen zufälliger oder P beabsichtigter Art und schließlich viertens wegen möglicher Signal-Mehrwegausbreitungen, beispielsweise Bodenreflexionen.

Eine zeitweilige Abschattung und damit eine vorübergehende Unterbrechung des Punkkontaktes zwischen einzelnen der Systemteilnehmer ist bei einem Verbandsflug von z. B. 20 Hubschrau*· bern, dessen Hauptausdehnung in Plugrichtung liegt, beispielsweise die Folge von Geländehindernissen oder von Hubschraubern, die in die Sichtlinie zwischen zwei weiteren Hubschraufe bern gelangen. Diese Abschattungen treten in zunehmendem Maße auf, je höher die verwendete Arbeitsfrequenz ist. Diese wird möglichst hoch, beispielsweise im GHz-Bereich liegend gewählt, um mit möglichst kleinen konstruktiven Abmessungen der verwendeten Antennen auszukommen. Die Abschattungen können weiterhin darin ihre Ursache haben, daß die Antennendiagramme der Abfrage- und Antworte lnr ichtvnr/ η und der Peilantenne

BAD ORIGINAL - 7 -

309814/0137

- 7 - . UL 70/216

zeitlich veränderliche Verformungen in Abhängigkeit von den augenblicklichen Rotorstellungen haben. Die Verformungen können sich im Diagramm sogar als Nullstelle äußern und dazu führen, daß zeitweise Lücken in der übertragung bzw, schwankende Peilfehler auftreten, wodurch die Meßwerte stark fluktuieren würden.

Bei einer vorübergehenden Verbandsauflösung beispielsweise eines Hubschrauberverbandes können sich die einzelnen Syst ernteilnehmer so weit voneinander entfernen, daß ein gegenseitiger Funkkontakt abreißt und dann natürlich auch nicht mehr erforderlich ist. Es muß jedoch sichergestellt sein, daß beim Wiederzusammenfinden der einzelnen Hubschrauber und der Neubildung des Hubschrauberverbandes der Abfragezyklus von neuem beginnt, ohne daß Störungen infolge falschen Einfädeins einzelner Hubschrauber in das Zeitschema auftreten. Der Abfragezyklus wiederholt sich deswegen zweckmäßigerweise in einem allen Systemteilnehmern, insbesondere auch neu hinzukommenden Systemteilnehmern, bekannten Bezugszeitpunkt periodisch. Zur Feststellung des Bezugszeitpunktes sind vorteilhafterweise Borduhren genügender Ganggenauigkeit in jedem Luftfahrzeug, das am System teilnehmen soll, vorgesehen. Der BezugsZeitpunkt kann bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung jedoch auch durch Aussendung ent-

- 8 3Ü9 8U/013 7

- 8 - UL 70/216

sprechender Zeltmarkierungssignale von einer Hauptstetion festgelegt werden.

Funkstörungen können beispielsweise durch Rauschen oder durch aktive Punkstörungen verursacht werden. Hiergegen hilft die Verwendung eines an sich bekannten fehlergesicherten Datenübertragungsverfahren mit zusätzlich zu den Datenbits der Abfrage- und Antwortsignale übertragenen Redundanzbits. Als redundanter Code kommt hierbei beispielsweise der sogenannte Hamming-Gode in Betracht, bei dem 50 % der Fehler erkennbar sind.

Besonders beim Tiefflug treten häufig Mehrwegausbreitungen auf, die dann besonders störend sind, wenn das Umwegsignal mit einer Verzögerung empfangen wird, die in der Größenordnung einer Impulslänge oder eines Impulsabstandes liegt. Dann findet nämlioh eine Überdeckung von Impulsen gleichen oder verschiedenen Nachrichteninhaltes statt. Zur Vermeidung dieser Fehlermöglichkeiten werden beim erfindungsgemäßen System die Impulsabstände und die Impulsmodulationsart zweckmäßigerweise entsprechend gewählt; beispielsweise eignen sich als günstige Modulationsarten hierbei das Frequenzumtast- oder das Phasendifferenztastverfahren, bzw. die Pulsabstandsmodulation.

-- 9 - ■

3 0 9 8 U / 0 1 3 7

- 9 - UL 70/216

2U8764

Anhand der Pig. 1 sei nunmehr ein Beispielsfall erläutert, ν»ie die zusätzlichen Informationen in den Antwortsignalen empfangsseitig zur Ergänzung und/oder Kontrolle der eigenen Meßwerte beim erfindungsgemäßen System ausgenutzt werden können.

Hubschrauber X habe Kontakt mit Hubschrauber Y, Jedoch nicht mit Hubschrauber Z, dafür hat Hubschrauber Y Kontakt mit Hub· schrauber Z. Richtung o^y und Entfernung R^ kann X direkt messen. Als Antwort auf den Aufruf duroh X gibt Y seinerseits die im bekannten Werte α und R_yz zurück. Damit lassen sich o^ und R_{xz besfcinunen zu}

^RXY
sin θγ_Ζ + —- sin

r.

XY
^{COS 0}YZ ⁺ R^ ^{COS 0}XY

^Rxz ^{Ä r}xy^{2 + r}yz^{2 + 2R}xy ^ryz ^{cos (α}χγ

so daß die Position von Z nun auch X bekannt ist. Beim nächsten Aufruf sendet Y als Antwort die Position eines anderen von ihm vermessenen Hubschraubers usw. Da dieses Spiel jeder Hubschrauber durchführt und alle anderen Hubschrauber die Antworten mithören können, verfügt nach einer bestimmten Zeit

- 10 -

309 8 U/0 137

- 10 - UL 70/216

2U8764

jeder Hubschrauber über genügend Informationen, um auch die Positionen derjenigen Hubschrauber zu berechnen und anzuzeigen, zu denen er keinen direkten Kontakt hat.

Neben Richtung und Entfernung werden zweckmäßigerweise weiterhin die barometrische Höhe H und die Teilnehroernummern der miteinander verkehrenden Hubschrauber übermittelt. Die . übermittelten, mitgehörten und gemessenen Informationen gestatten es auch, Positionen mehrfach zu berechnen. Sie können daher dazu verwendet werden, um die oben erwähnten Fluktuationen zu glätten.

Pig, 2 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung bei Verwendung von Hubschraubern als Luftfahrzeuge.

Über die Ri(?tungsantenne und den Richtungsempfänger wird hierbei aus den Antworteignalen die Richtung zu den mitfliegenden Hubschraubern vermessen. Der Richtungswinkel ergibt sich bezüglich der Hubschrauberlängsa'chse. Im Richtungsaddierer wird dieser Winkel mit Hilfe einer Lagereferenz auf die Nordrichtung korrigiert und an den Datenzuordner weitergegeben.

- 11 -

309ÖU/0137

- 11 - UL 70/216

2H876A

Über die Rundstrahlantenne werden die eigenen Aufruf- und tibergabesignale gesendet und die Aufruf» bzw. Übergabesignale und die Antworten anderer Hubschrauber empfangen. Die Entkopplung zwischen Sende- und Empfangszweig geschieht durch die S/E-Weiche.

Der Entfernungs- und Datenempfänger verstärkt die empfangenen Signale und leitet sie zwei Zweigan zu. In der Entfer·« nungsmeßstufe wird die Entfernung bestimmt. Dazu stellt die Zeitsteuerstufe den notwendigen Takt bereit. Die gemessene und anschließend binär codierte Entfernung gelangt in den Datenzuordner. I» Demodulator werden die hochfrequenten Impulse demoduliert, anschließend decodiert und dem Datenauswerter zugeleitet und hier zwischengespeichert.

Die Zeitsteuerstufe liest die Adressen der empfangenen Daten aus, kann damit zeitrichtig die empfangenen sowie die gemessenen Daten im Datenzuordner sortieren und für das Einlesen an den richtigen Platz im Datenspeicher sorgen.

Mit den verfügbaren Daten werden im Positionsrechner die Positionen der mitfliegenden Hubschrauber berechnet und im Datenspeicher abgelegt. Die Anzeigesteuerstufe bereitet diese

- 12 -3098U/0137

- 12 - UL 70/216

Positionswerte für die Ansteuerung des Anzeigegerätes auf, wo sie in geeigneter Form dargestellt werden. Zusätzlich dargestellt werden die Videosignale des Hinderniswarnradars.

Im Falle des Aussendens veranlaßt die Zeitsteuerstufe das Auslesen der notwendigen Daten aus dem Datenspeicher. Die Daten werden dem Codierer zugeführt, der das Datenformat aufbereitet, anschließend moduliert und nach Verstärkung im Sender über die Rundstrahlantenne ausgestrahlt. Am Bediengerät werden lediglich die Teilnehmerzahl und die Teilnehmernummer eingestellt. Das Betätigen einer Start-Taste zu Beginn des Fluges veranlaßt den Uhrenvergleich.

Die Lagereferenz und der Höhenmesser werden als im Hubschrau« ber vorhanden vorausgesetzt.

309814/0137

Claims

- 13 - UL 70/216

Patentansprüche

( 1,) Bodenunabhängiges Kollisionsverhütungssystem der Luftfahrt, vorzugsweise Nahbereichs-Ortungssystem zum Ermöglichen eines kollisionsfreien engen Verbandsfluges von am System teilnehmenden Luftfahrzeugen, beispielsweise von Hubschraubern mit gegenseitigen Mindestabständen von z, B. 50 m, dadurch gekennzeichnet,daß jedes der Luftfahrzeuge - nacheinander, vorzugsweise in einem vorgegebenen Zyklus abwechselnd seine augenblickliche Entfernung zu den übrigen Luftfahrzeugen nach dem Laufzeitprinzip ermittelt, und zwar vorzugsweise durch Bestimmung der Größe des ZeitIntervalls zwischen seiner vorzugsweise ungerichteten Aussendung eines Abfragesignals, das vorzugsweise impulscodiert ist, und dem Empfang der von den übrigen Luftfahrzeugen stammenden Antwortsignale, die vorzugsweise Kennungssignale beinhalten, unter Berücksichtigung der in den übrigen Luftfahrzeugen vorgegebenen Antwortverzögerungen, deren, jeweilige Dauer zur Vermeidung gleichzeitiger und sich gegenseitig störender Antworten von Luftfahrzeug zu Luftfahrzeug unterschiedlich gewählt ist, daß in jedem der Luftfahrzeuge ein Peiler vorgesehen ist, der die Richtungen vom eigenen zu den übrigen Luftfahrzeugen

- 14 -3098U/0137

. ■ - i4 - UL 70/216

2U8764

durch Peilung deren Sendesignale bestimmt, daß die Antwortsignale jedes der Luftfahrzeuge zusätzliche Informationen beinhalten, die die eigenen Entfernungs- und/oder Richtungsmeßwerte bezüglich eines ausgewählten weiteren," vorzugsweise von Antwortzyklus zu Antwortzyklus anderen der übrigen Luftfahrzeuge betreffen, daß in jedem der Luftfahrzeuge eine Einrichtung vorgesehen ist, die die zusätzlichen Informationen aller empfangenen Antwortsignale - und somit auch derjenigen Antwortsignale, die auf nicht selbst ausgesendete Abfragesignale eintreffen - zur Ergänzung und/oder Kontrolle und/ oder Verbesserung der eigenen Meßwerte auswertet, und daß in jedem der Luftfahrzeuge eine Anzeige-, Alarm- und/oder automatische Steuerbeeinflussungs-Einrichtung vorgesehen ist, die die relativen Positionen der Systemteilnehmer anzeigt und/oder bei drohender Kollision mit einem derselben kollisionswarnend bzw. kollisionsverhindernd wirkt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrufsignale zusätzlich Informationen über die Plughöhe, z. B. die barometrische Höhe, des das jeweilige Aufrufsignal aussendenden Luftfahrzeuges enthalten.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, durch

- 15 -3098U/0137

- 15 - UL 70/216

2U8764

empfangseitige Daten-Extrapolations und -Glättungsmittel, die bei zeitlich und/oder in der Genauigkeit schwankender Meßwertfolge eine Datenmittelung durchführen und eine von Scheinbewegungen weitgehend befreite Positionsanzeige der Systemteilnehraer ermöglichen.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Peiler folgende an sich bekannte Merkmale aufweist:

a) Die Peilung erfolgt unter Verwendung eines Antennensystems mit ρ Einzelantennen (z. B. 6 oder 8), die vorzugsweise auf einem Kreis oder Kreisbogen in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.

b) Die Einzelantennen weisen jeweils einseitig gerichtete Diagramme auf, deren Achsen radial bezüglich des Antennenkreises liegen und jeweils um den Winkel ~— gegeneinander gedreht sind. Die Richtdiagramme benachbarter Antennen müssen sich berühren oder teilweise überlappen» damit eine kontinuierliche Azimutanzeige bei Bewegung eines entsprechenden Senders um das Peilsystem möglich ist.

- 16 3098U/0T37

- 16 - UL 70/216

2U8764

ο) Die über die Antennen empfangenen impulsförmigen Signale werden getrennt gleichgerichtet und jeweils in einem Videoverstärker verstärkt.

d) Jedes der verstärkten Signale wird einem Spelcherglied zugeführt, das zu einem definierten Zeitpunkt einen Modulator ansteuert.

e) Pur diese Modulatoren wird, entsprechend ihrer

Zuordnung zu den Antennen, aus einem Hilfsoszillator eine Spannung der Frequenz f₀ mit verschie-

dener, sich Jeweils um den Phasenwert unterscheidender Phasenlage abgeleitet. Die Modulatoren sind so ausgelegt, daß sie nur bei Ansteuerung durch ein gespeichertes Signal die anliegenden Spannungen der Frequenz f_Q mit derjenigen Amplitude durchlassen, wie sie der Große des von der Antenne empfangenen Signals entspricht. Die Ausgänge aller Modulatoren werden In einem Summierglied zusammengefaßt.

f) Da bei sich überlappenden Antennendiagrammen meist mehr als eine Antenne von einem einfallenden Signal

- 17 3 0 9 B U / 0 1 3 7

- 17 - UL 70/216

2H8764

beaufschlagt wird, überlagern sich an der Summierungssteile mehrere, von der Einfausrichtung ab* hängige Spannungen gleicher Frequenz, jedoch verschiedener Phasen. Damit ergibt sich eine Summen· spannung der Frequenz f_Q.

g) Die Phasendifferenz zwischen dieser Summenspannung und einer gleiohfrequenten Bezugsspannung aus einem Hilfsoszillator ist bei geeigneter Bemessung der Antennendiagramme ein genaues Maß für den gesuchten Einfallswinkel.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Abfragezyklus sich von einem allen Systemteilnehmern, insbesondere auch neu hinzi^Jiommenden Systemteilnehmern, bekannten Bezugszeitpunkt an periodisch wiederholt.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß in den Abfrage- und Antwortsignalen die Impulsabstände und die Impulsmodulationsart so gewählt sind, daß der Nachrichteninhalt empfangsseitig auch bei Mehrwegsignalausbreitung, z. B. bei Bodenreflexionen, eindeutig erkennbar bleibt.

- 18 3098U/0137

- 18 - UL 70/216

2U8764
7. System nach Anspruch β, gekennzeichnet durch die Wahl des Frequenzumtast- oder des Phasendifferenztastverfahrens bzw. der Pulsabstandsmodulation als die Modulationsart.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis I₃ gekennzeichnet durch die Anwendung eines an sich bekannten fehlergesicherten Datenübertragungsverfahrens mit zusätzlich zu den Datenbits der Abfrage- und Antwortsignale übertragenen Redundanzbits.

30981 4/0137

Leerseite