DE3145389C2

DE3145389C2 - Gerät zur Bestimmung des Windgradienten (Scherwind) und Abwindwinkels an Bord eines Fluggerätes

Info

Publication number: DE3145389C2
Application number: DE3145389A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Stieler
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-11-15
Filing date: 1981-11-16
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE3145389A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Bestimmung des Windgradienten (Scherwind) an Bord eines Fluggerätes, mit dem aus den Meßsignalen der horizontalen Komponente der Fahrzeugbeschleunigung (b) und der Fahrt (V) ein Signal für den Windgradienten (V^w) dadurch abgeleitet wird, daß die Differenz der horizontalen Komponente der Beschleunigung (b) mit einem Rückführsignal (x₂) integriert wird, das sich aus der Differenz des Ausgangs des Integrators und der Fahrt (V) verstärkt mit einem Verstärkungsfaktor ergibt, der die Eckfrequenz des geglätteten Signals für den horizontalen Windgradienten festlegt, wobei das Rückführsignal x₂ dem geglätteten Windgradienten entspricht.

Ein System der gattungsgemäßen Art (US-PS 38 92 374) ermöglicht eine einfache Messung des Scherwindes bei gleichzeitiger Abschwächung der Störsignale durch Windböen und Sensorrauschen und darauf aufbauend die Kompensation der gefährlichen Scherwindeinflüsse auf das Flugzeug.

Es ist weiter ein System bekannt (GB-PS 15 38 815), mit dem neben dem Scherwind auch der Abwind bestimmbar ist und aus der Summe beider Signale ein Signal zur Warnung des Piloten bzw. zur Ansteuerung der Regelautomatik abgeleitet wird.

Der horizontale Scherwind ist bekanntlich die Differenz aus der zeitlichen Ableitung der Fahrt Kund der t>o Übergrundbeschleunigung V^K = b_h. Bei dem bekannten System wird die Ableitung der Fahrt V durch ein Differenzier-Netzwerk (rate network) gewonnen. In diesem Netzwerk wird eine sehr kritische Operation durchgeführt, da sie das Signal infolge kurzzeitiger Windböen und des Sensorrauschens sehr stark erhöht. Das Signal V für die zeitliche Ableitung der Fahrt muß daher vordem Differenzieren geglättet werden. Dies hat wiederum die Folge, daß auch die Beschleunigung V^K geglättet werden muß zur Vermeidung von Phasenverschiebungen zwischen Kund V^K. Neben dem Differenzier-Netzwerk ist somit in allen Entgegenhaltungen auch ie ein Filter sowohl für das Signal der Fahrt, als auch der Beschleunigung erforderlich, damit hochfrequente Störungen durch Windböen und Sensorrauschen unterdrückt warden gegenüber dem gesuchten niederfrequenten Windgradienten (Scherwind), der die Flugsicherheit gefährdet. A uch der Abwind wird bei diesem System über eine Schaltung bestimmt, die ein Differenzier-Netzwerk aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß mit einer einfachen Schaltung zusätzlich zum Windgradienten (Scherwind) auch der Abwindwinkel bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Signal für den Abwindwinkel dadurch erzeugt wird, daß die Vertikalgeschwindigkeit durch die Fahrt dividiert wird und das Ausgangssignal subtrahiert wird vom negativen Anstellwinkel und dem Nickwinkel, und daß das daraus resultierende Signal durch einen Tiefpaß geglättet wird.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird das resultierende Signal für den Abwindwinkel mit der gleichen Eckfrequenz geglättet wie das geglättete Signal für den horizontalen Windgradienten und die beiden geglätteten Signale werden summiert.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung ist die Schaltung eines Systems wiedergegeben, mit dem der horizontale Scherwind unter Berücksichtigung des Abwindwinkels bestimmbar ist. Zusätzlich stehen die Flughöhe h und die Vertikalgeschwindigkeit h zur Verfugung.

In die Schaltung werden die Meßsignale der Fahrt K, des Sinus und des Cosinus vom Nickwinkel θ und Rollwinkel Φ, weiterhin die Meßsignalc des Nickwinkels Θ, des Anstellwinkels a, der barometrischen Höhe h_b eingegeben. Die vom Nick- und Rollwinkel abhängigen trigonometrischen Funktionen (sin Θ, cos θ cos Φ; als gestrichelte Signale eingezeichnet) werden direkt an den Resolvern des Vertikalkreisels abgenommen.

Es ist der Fall dargestellt, daß an Bord eines Flugzeugs kein Inertialsystem zur Verfugung steht und die Beschleunigung in Richtung der Flugbewegung und senkrecht dazu nach unten mit flugzeugfest montierten Sensoren gemessen wird, die zweckmäßig in dem System integriert sind. Ist ein Inertialsystem vorhanden, vereinfacht sich das System, da dann der senkrechte Beschleunigungsmesser 20 und der Längs-Beschleunigungsmesser 2 nicht benötigt werden und die Verarbeitung der trigonometrischen Funktionen des Roll- und Nickwinkels nicht erforderlich ist. Stattdessen wird die horizontale und vertikale Beschleunigung (b_h und b_D) dem Inertialsystem entnommen und in das System eingespeist.

Im unteren Teil der Schaltung ist in strichpunktierten Linien eingeschlossen die bekannte Schaltung zur Bestimmung des Windgradienten mit dem Ausgangssignal X₂ dargestellt.

Der Scherwindbestimmung liegt ein Regelkreis zugrunde. Es wird hier die Längsbeschleunigung b_x/g (g = Fallbeschleunigung) korrigiert mit dem bei einer Längsneigung θ wirkenden Anteil der Vertikalbeschleunigung (b_D/g) sin θ abzüglich dem Rückführsi-

gnal X₂ (s. Knotenpunkt 4) in einen Integrierer 6 eingespeist. Die in 8 gebildete Differenz aus dem Ausgangssignal X₁ des Integrierers und dem Signal für die Fahrt V geteilt durch g wird in ein Netzwerk 10 mit der Verstärkung l/T eingespeist. Dessen Ausgangssignal ist das oben erwähnte Rückführsignal .v₂, das gleich dem geglätteten Windgradienten V^u ist, und zwar entsprechend der Beziehung

10

wobei s = Laplace Operator.

Der Längsbeschleunigungsmesser 2 ermittelt die Beschleunigung b_x, die sich skaliert in Einheiten der Erdbeschleunigung g zusammensetzt aus:

(2)

(3)

20

die Flugzeugbeschleunigung in Lotrichtung ist. Letztere wird in 24 ermittelt und in 12 mit sin Θ verstärkt. In

3 erfolgt schließlich die Kompensation von — sin Θ an

dem Ausgangssignal b_x/g des Beschleunigungsmessers 2.

Vertikalgeschwindigkeit Λ und Höhe /!werden auf folgendem Wege bestimmt, wobei zunächst zur Vereinfachung angenommen wird, daß die Beschleunigung in Lotrichtung gemessen wird.

Der vertikale Beschleunigungsmesser eines Inertialsystems mißt die Beschleunigung b_D in Lotrichtung, was dem Ausgang 24 entspricht. Nach Kompensation der konstanten Erdbeschleunigung g in 26 gewinnt man durch einmalige Integration in 30 nach Subtraktion des Rückführsignals aus 28 im Knotenpunkt 26 ein Meßsignal für die Vertikalgeschwindigkeit /;. Durch nochmalige Integration in 36 wird nach Subtraktion des Rückführsignals aus 34 in 32 ein Meßsignal für die Höhe /; ermittelt. Dieses wird in 38 verglichen mit der barometrischen Höhe /J₄, wobei die Differenz zur Erzeugung der Rückführsignale in 28 und 34 dient.

Die Meßsignale h und h Tür die Höhe und Vertikalgeschwindigkeit sind qualitativ sehr gute Signale mit guter Kurzzeitgenauigkeit und einer durch den barometrischen Höhenmesser definierten Langzeitgenauigkeit.

Steht an Bord des Flugzeugs kein Inertialsystem zur Verfügung, das die Ermittlung der Beschleunigung in Lotrichtung gestattet, so wird im Steig- und Kurvenflug b_D aus den Meßsignalen b. des körperfest montierten senkrechten Beschleunigungsmessers 20 und b_x des körperfest montierten Längs-Beschleunigungsmessers 2 wie folgt berechnet:

b_D " g + * — £_v sin Θ + b. cos Φ cos Θ (5)

woraus sich mit den vom Vertikalkreisel gemessenen Funktionen sin Θ, cos Θ und cos Φ die gesuchte Beschleunigung b_D in Lotrichtung durch Verstärkung von b- mit cos Φ cos 0 in 22 und Addition in 24 des in 40 mit sin Θ verstärkten Ausgangssignals b_x von 2 ermitteln läßt.

Mit Hilfe dieses Systems und des gemessenen Anstellwinkels a'sowie des Nickwinkels Θ kann nun der Abwindwinkel x" auf folgendem Weg ermittelt werden.

Der in 42 gebildete Quotient zwischen Vertikalgeschwindigkeit h und Fahrt V ist ein Signal für den Flugbahnwinkel y^K.

Auch die in 44 gebildete Differenz zwischen Nickwinkel Θ und Anstellwinkel α enthält den Flugbahnwinkel y^A, allerdings überlagert mit dem Flugwindwinkel y" bzw. Abwindwinkel, wenn y* < 0

Q-a=y^k + y"\ (6)

Somit ist schließlich die in 46 gebildete Differenz von Θ - a - y^K gleich dem gesuchten Flugwindwinkel y"'. Dieses Signal wird über einen Tiefpaß 48 geleitet, dessen Zeitkonstante T zweckmäßig gleich der des horizontalen Scherwindsignals ist. Nun können die geglätteten Signale y" und V"/g in 50 zusammengefaßt werden als ein Signal, das gleich dem Verhältnis des erforderlichen zusätzlichen Schubes A F zum Flugzeuggewicht G ist, um den Energiehaushalt des Flugzeugs beim Durchflug eines Scherwindes oder Abwindes konstant zu halten, d. h., das in 52 gebildete Summensignal x_} sollte für die Zeit des Scherwinddurchfluges auf null gehalten werden.

Von großer Bedeutung für die Flugregelung ist auch das zeitliche Integral x₄ der Summe von y"' + KVg und des vom Piloten bzw. der Triebwerksregelung eingestellten zusätzlichen Schub/Gewichtsverhältnisses A F/G. Die Generierung dieses Signals erfolgt über den Integrierer 54. Das Signal .V₄ ist proportional der Summe aus Energiehöhenverlust infolge Scherwind oder Abwind und dem Energiehöhengewinn infolge Schuberhöhung.

Beide Ausgangssignale .v, und .v₄ sind für die Sicherheit des Flugzeugs, insbesondere im Landeanflug, von lebenswichtiger Bedeutung und werden in bekannter Weise weiterverarbeitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. System zur Bestimmung des Windgradienten (Scherwind) an Bord eines Fluggerätes, mit dem aus den Meßsignalen der horizontalen Komponente der Fahrzeugbeschleunigung (b) und der Fahrt (K) ein Signal fur den Windgradienten (K") dadurch abgeleitet wird, daß die Differenz der horizontalen Komponente der Beschleunigung (b) und ein Rückführsignal (X₂) integriert wird, das sich aus der Differenz des Ausgangs des Integrators und der Fahrt (K) verstärkt mit einem Verstärkungsfaktor ergibt, der die Eckfrequenz des geglätteten Signals für den horizontalen Windgradienten festlegt, wobei das Rückführsignal dem geglätteten Windgradienten entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal Tür den Abwindwinkel (y^H) dadurch erzeugt wird, daß die Vertikalgeschwindigkeit (h) durch die Fahrt (V) dividiert wird und das Ausgangssignal subträniert wird vom negativen Anstellwinkel (a) und dem Nickwinkel (Θ), und daß das daraus resultierende Signal durch einen Tiefpaß (48) geglättet wird.

2. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal für den Abwindwinkel (y*) mit der gleichen Eckfrequenz geglättet wird, wie das geglättete Signal (x₂) für den horizontalen Windgradienten und die beiden geglätteten Signale summiert werden.

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