DE69307377T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Grundkollisionsvermeidung für Flugzeuge - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Grundkollisionsvermeidung für Flugzeuge

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DE69307377T2
DE69307377T2 DE69307377T DE69307377T DE69307377T2 DE 69307377 T2 DE69307377 T2 DE 69307377T2 DE 69307377 T DE69307377 T DE 69307377T DE 69307377 T DE69307377 T DE 69307377T DE 69307377 T2 DE69307377 T2 DE 69307377T2
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Description

    Verfahren und Vorrichtung zur Grundkollisionvermeidung für Flugzeuge
  • Die Erfindung betrifft generell das Gebiet der Luftfahrt- Navigationshilfen.
  • Diese Hilfen umfassen vor allem Einrichtungen, die dem Flugzeug ermöglichen, seine Position zu kennen, und solche, die der Feststellung seiner Höhenlage bezüglich des Bodens dienen.
  • Die meisten Flugzeuge sind jetzt mit einem Trägheitsnavigations-Leitwerk ausgerüstet, das ihnen vom Start an ermöglicht, ihre Position zu verfolgen. Das Trägheitsnavigations-Leitwerk liefert die Komponenten der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren des Flugzeugs sowie die damit verbundenen Winkel. Daraus lassen sich Positionsinformationen ableiten, jedoch mit gewissen Abweichungen.
  • Die so erhaltenen Positionsinformationen können denen ähnlich sein, die andere Einrichtungen der Funknavigatin liefern. Man verwendet z.B. die Messungen des sogenannten "Global Positioning System" oder GPS mit einer Kalman-Filtrierung. Dies kann schließlich ziemlich genaue Breiten- und Längeninformationen ergeben. Die Meßabweichung ist größer bei der Höhe.
  • Die Höhe des Flugzeugs zu messen ist nämlich schwieriger. Die Höhe bezüglich der Meeresoberfläche ist bekannt durch Luftdruck-Trägheit-Meßeinrichtungen (moyens de mesure dits "baroinertielle"), jedoch müssen diese periodisch neu eingestellt werden.
  • Außerdem gibt ein Funkhöhenmesser die Höhe des Flugzeugs in bezug auf den Boden, oder "Funksonden-Höhe", an; dabei handelt es sich aber um einen momentanen lokalen Wert, dessen Charakteristik von der Trimmiage des Flugzeugs abhängt, denn diese hat einen Einfluß auf die Art der Abtastung des Bodens durch den Funksondenstrahl. Zudem kann man damit die weitere Entwicklung nicht voraussagen.
  • Diese Messungen sind ausreichend während der Reisephase des Flugs, wenn man wenigstens sicher sein kann, daß das Flugzeug sich in großer Höhe bewegt.
  • Probleme entstehen, wenn das Flugzeug sich der Landung nähert sowie nach dem Start: in beiden Fällen ist das Flugzeug notwendigerweise in Bodennähe, was die Gefahr einer Kollision mit diesem impliziert.
  • Um diese besonderen, die Landung und den Start betreffenden Schwierigkeiten zu meistern, wurden mehrere Vorschläge gemacht.
  • Bestimmte Vorrichtungen, wie z.B. die in der Publikation WO-A-88 00 734 beschriebene, schlagen einen Großspeicher vor, dessen Struktur das Speichern von "topographischen Daten" erlaubt. Dieser Speichertyp kann benutzt werden (wie dies der Fall ist in der Publikatin US-A-4 675 823) um die Zone (Breite) zu bestimmen, wo sich das Flugzeug befindet, zum "Modifizieren der Kriterien" eines Alarms, basierend auf einer gemäß der geographischen Zone gemessenen Höhe, in der das Flugzeug sich befindet.
  • Andere Vorrichtungen greifen zurück auf Bodennähe-Warnsysteme oder "Ground Proximity Warning Systems", abgekürzt GPWS (nicht zu verwechseln mit den GPS genannten Positionierungssystemen).
  • Diese GPWS-Systeme haben gewisse Vorteile, sind aber nicht ganz zufriedenstellend, insbesondere wenn die Reliefs zerklüftet sind (notamment dans les reliefs un tant soit tourmentes).
  • Weiters kennt man durch das Dokument US-A-4224669 eine von einem Flugzeug mitgeführt Vorrichtung, umfassend:
  • - einen Großspeicher zum Speichern der Höhenschwellenwert- Daten, adressierbar durch zwei horizontale Koordinaten,
  • - Eingänge, um Lagedaten zu empfangen, die repräsentativ sind für die gemessene Position und die Bewegung des Flugzeugs,
  • - einen Arbeitsspeicher,
  • - Verwaltungseinrichtungen des Großspeichers, um in dem Arbeitsspeicher den der gegenwärtigen Position des Flugzeugs ensprechenden Höhenschwellenwert zu speichern,
  • - Einrichtungen um eine gewählte Bedingung zu überwachen die sich auf die Relation zwischender gemessenen Höhe und dem Höhenschwellenwert des Arbeitsspeichers bezieht, um eine Aktion wie z.B. einen Alarm zu bewirken, wenn diese Bedingung ein Passieren unter eine Sicherheitshöhe impliziert.
  • In dieser Vorrichtung sind die abgespeicherten Höhendaten vom Typ "minimum safe altitude" oder MSA. Nun weiß der Fachmann, daß dieser Datentyp nur eine entfernte Beziehung zum Relief hat, da es die Höhe ist, in der man normalerweise davon ausgeht, daß das Flugzeug sicher fliegt.
  • Außerdem kann diese Vorrichtung bei den niedrigen Höhenlagen die Bodenhöhe unter dem Flugzeug nicht ohne einen Radar- Höhenmesser definieren. Folglich kann dieser Typ einer Vorrichtung zur Grundkollisionsvermeidung nicht in allen Umständen verläßlich funktionieren, einschließlich (und vor allem) während der Landeanflug- und Startphasen und unabhängig vom Piloten.
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine andere Lösung dieses Problems, ausgehend von einer radikal anderen Betrachtungsweise.
  • Die allgemeine Zielsetzung der Erfindung ist die Vermeidung einer Kollision des Flugzeugs mit dem überflogenen Gelände bzw. Boden in allen eine Gefahr darstellenden Umständen.
  • Noch genauer ist die Erfindung bestrebt, zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten, daß das Flugzeug bezüglich des Geländes nicht in eine unmittelbar gefährliche Situation gerät. Sie strebt ebenfalls an, zu überprüfen, daß die kurzfristige Flugbahn des Flugzeugs es nicht in eine gefährliche Situation bezüglich des Geländes führt.
  • Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, zu diesem Zweck eine Bord-Vorrichtung zu liefern, die unempfindlich gegenüber meteorologischen Bedingungen ist, sich für Dauerbetrieb eignet und im Betrieb unabhängig ist von den am Boden installierten Informations-, Kontroll- und Sicherheitssystemen.
  • Ein drittes Ziel der Erfindung ist es, dem Piloten im Falle einer gefährlichen Situation ein Ausweichmanöver vorzuschlagen und eventuell ein solches Manöver in bestimmten Fällen zu automatisieren.
  • Die Erfindung hat auch das Ziel, dem Piloten ein synthetisches Bild des Bodens bzw. Geländes in Echtzeit zu liefern, auf Sichtweite.
  • Die Erfindung hat auch noch das Ziel, die Ergonomie und Sicherheit eines Flugzeugpiloten zu verbessern.
  • Ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung ist eine regelmäßige Aktualisierung einer Geländedatei (oder Geländedatenbasis) aufgrund der durch eine Gruppe von erfindungsgemäß ausgerüsteten Flugzeugen gemessenen Daten.
  • Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck eine Vorrichtung des in der Einleitung beschriebenen Typs vor:
  • - erstens ist der Großspeicher als Höhenmessungs-Datenbasis organisiert, einen wesentlichen Teil der Erdoberfläche umfassend, mit einer Indexierung, die einen schnellen Zugriff auf Gruppen von aneinandergrenzenden Maschen, welche die genannte Datenbasis enthält, aufgrund der beiden horizontalen Koordinaten entsprechend wenigstens einer Auflösungsebene ermöglicht
  • - zweitens, für jede Masche, repräsentiert der Höhenschwellenwert direkt die maximale Höhe des Bodens innerhalb dieser Masche,
  • - drittens ist der Arbeitsspeicher ein schneller Speicher mit einer geeigneten Größe, um eine temporäre lokale Karte zu speichern, die eine Höhen-Hüllfläche der Zone definiert, in der das Flugzeug sich bewegt, und
  • - viertens sind außerdem vorgesehen:
  • * Einrichtungen zur Kollisionsvermeidung:
  • . um einen Schutzbereich um das Flugzeug herum zu definieren, in übereinstimmung mit einer Folge von vorausgesagten Positionen des Flugzeugs, und
  • . um diesen Schutzbereich zu vergleichen mit der Höhen- Hüllfläche in dem entsprechenden Teil der lokalen Karte, wobei ein Alarm ausgelöst wird, wenn die Relation zwischen dem Schutzbereich und der Höhen-Hüllkurve eine Antikollisionsbedingung erfüllt, die ein nach unten gerichtetes Überschreiten einer Höhen-Sicherheitsmarge impliziert.
  • Vorteilhafterweise umfaßt das Netzwerk Basis-Maschen, von denen einige unterteilt sind durch wenigstens eine Netzwerkebene mit feinerer Auflösung, insbesondere in der Umgebung der Flughäfen.
  • Die Lageinformationen sind Daten, die z.B. ausgedrückt sind in geographischen Koordinaten wie Breite, Länge und Höhe, und sie umfassen ebenfalls den Geschwindigkeitsvektor des Flugzeugs, eventuell mit den dazugehörenden Winkeln.
  • Nach der vorgeschlagenen Erfindung kommen diese Lageangeaben von wenigstens einem Sensor, ausgewählt aus der Gruppe, die wenigstens ein Bord-Trägheitsnavigationsleitwerk, ein Funknavigationsinstrument, insbesondere satellitengestützt, einen Funk-Höhenmesser, einen Höhenbarometer bzw. Luftdruck-Höhenmesser und ein Instrumentenlandesystem umfaßt.
  • Vorteilhafterweise erhalten die Eingänge ebenfalls Steuerungsangaben von der Steuerstelle, wie z.B. die Steuerungsart (manuell oder automatisch), die Art der Flugbahn (Kurve oder gerade Linie) oder die Flugcharakteristika des Flugzeugs.
  • Vorzugsweise wird die Antikollisionsbedingung wenigstens teilweise mit Hilfe einer höhenmäßigen Sicherheitsmarge und/oder von der Steuerstelle kommenden Steuerungsangaben definiert.
  • Dieses Antikollisions- bzw. Kollisionsvermeidungsgesetz drückt die Tatsache aus, daß der vertikale Abstand zwischen dem Schutzbereich und der Höhen-Hüllfläche für die vorausgesagten Punkte der Flugbahn des Flugzeugs wenigstens gleich groß wie die Höhen-Schutzmarge bleibt. Verfeinerte Bedingungen können vorgesehen werden.
  • Nach einem anderen Aspekt der Erfindung sind die Verarbeitungseinrichtungen ebenfalls eingerichtet, um einen Voralarm auszusenden, der eine mittelfristige Kollisionsgefahr mit dem Boden anzeigt, in Abhängigkeit von wenigstens einem zweiten Kollisionsvermeidungsgesetz. Dieses Gesetz kann der Tatsache Rechnung tragen, daß das Flugzeug eine gerade Linie oder eine Kurve fliegt.
  • Vorzugsweise benutzen die Verwaltungseinrichtungen der Datenbasis in den die Erdpole umgebenden Zonen einen Bezugssystem- Wechsel. Sie ordnen ebenfalls den Maschen eine Abmessung zu, die von der Breite in Richtung der Erd-Parallelkreise abhängt.
  • Sehr vorteilhafterweise weist der Großspeicher eine Block- Struktur auf, wobei jeder Block einer als Absolutwert ausgedrückten Höhen-Bezugsgröße zugeordnet ist, während die Maximalhöhe in jeder Masche des Blocks als Relativwert ausgedrückt ist, bezogen auf eine benachbarte Masche, einem festgelegten Gesetz des Durchlaufens der Maschen innerhalb eines Blocks ensprechend, und außerdem sind die Verwaltungseinrichtungen des Großspeichers fähig, beim Laden in den Arbeitsspeicher die relativen Höhen in absolute Höhen umzuwandeln.
  • Vorzugsweise besitzt jeder Block eine Überlappung von wenigstens einer Basis-Masche auf zwei an seine Nachbarn angrenzenden Seiten.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt die Vorrichtung Einrichtungen zum Anzeigen einer synthetischen Abbildung des Geländes entsprechend dem Inhalt des lokalen Speichers.
  • Es wird nun ein besonders vorteilhafter Aspekt der Erfindung behandelt. Die Vorrichtung umfaßt Einrichtungen, um im Flug das durch den lokalen Speicher definierte Gelände zu vergleichen mit dem durch die Bordinstrumente definierten. Das Ergebnis dieses Vergleichs kann angezeigt werden und/oder dazu dienen, den Betrieb der Vorrichtung freizugeben. Außerdem sind Einrichtungen vorgesehen, um die bei diesem Vergleich festgestellten Unterschiede zu speichern. Nach entsprechenden Vergleichen (recoupements convenables) dienen diese gespeicherten Unterschiede der Aktualisierung der Basis-Geländedatei, die am Boden unterhalten wird.
  • Nach noch einem anderen Aspekt der Erfindung eignet sich die vorgeschlagene Vorrichtung für einen wenigstens partiell modifizierten Betrieb in Bodennähe, insbesondere in der Instrumentenlandungsphase.
  • Die Erfindung kann ebenfalls in Form eines Navigationshilfe-Verfahrens für Flugzeuge dargestellt werden. Dieses Verfahren kann dieselben Varianten wie die oben beschriebene Vorrichtung umfassen.
  • Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen aus der detaillierten nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen hervor:
  • - die Figur 1 ist ein sehr allgemeines Grundschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • - die Figur 2 ist ein detaillierteres Grundschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • - die Figur 3 ist ein partiell noch detaillierteres Grundschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • - die Figuren 4A und 4B sind zwei weitere detaillierte Schemata, die zusammen (unter Berücksichtigung ihrer Überschneidung bzw. Schnittstelle) eine erfindungsgemäße Vorrichtung definieren,
  • - die Figur 5 zeigt die Definition der erfindungsgemäßen Maschen,
  • - die Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht, die die Relation zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maschen zeigt,
  • - die Figur 7 zeigt eine Zusammenfassung der Maschen zu Gevierten,
  • - die Figuren 8 und 9 zeigen eine Zusammenstellung der Gevierte,
  • - die Figuren 10a, 10b und 10c zeigen verschiedene Berechnungsarten einer absoluten Höhe aufgrund von für die Gevierte abgespeicherten Daten,
  • - die Figuren 11 und 12 zeigen das Prinzip einer Prüfungsart der abgespeicherten Höhe,
  • - die Figur 13 zeigt einen Unsicherheitsbereich,
  • - die Figur 14 zeigt die mit der Flugbahn des Flugzeugs verbundene Unsicherheit,
  • - die Figuren 15A und 15B zeigen jeweils eine vorausgesagte Flugbahn und ein Höhenprofil, versehen mit einer Sicherheitsmarge, die ihm entspricht,
  • - die Figur 16 schematisiert die Entwicklung der Position eines Flugzeugs in bezug auf eine in einem lokalen Speicher enthaltene Karte,
  • - die Figuren 17a und 17b erläutern die Bestimmung der Relation zwischen der Position des Flugzeugs und dem Inhalt des lokalen Speichers,
  • - die Figur 18 zeigt ein Beispiel der Antikollision-Schutzkurve,
  • - die Figuren 19 und 20 sind Vertikalschnittansichten, die unterschiedliche Situationen eines Flugzeugs gegenüber einem Hindernis zeigen,
  • - die Figur 21 ein Beispiel einer Ausweich-Flugbahn,
  • - die Figuren 22a und 22b zeigen zwei Geländekurven,
  • - die Figuren 23a und 23b zeigen zwei Abstandssignale bezüglich der Geländekurven der Figuren 22a und 22b,
  • - die Figur 24 zeigt einen Ablauf der Analyse dieser Abstandssignale.
  • Die beigefügten Zeichnungen sind im wesentlichen von sicherer bzw. zuverlässiger Art (de caractère certain) und sind folglich integrierender Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Sie können nicht nur dazu dienen, diese besser zu verstehen, sondern ggf.auch zur Definition der Erfindung beitragen.
  • Generell bezieht sich in der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck "Steuerstelle" auf die zum Steuern nötigen Funktionen, unabhängig davon, ob sie manuell oder automatisch ausgeführt werden. Unter zum Steuern nötigen Funktionen versteht man vor allem die eigentlichen Steuerungsfunktionen und die Navigationsfunktionen. Auf einer anderen Ebene kann man die Funktionen selbst und ihre Schnittstelle Mensch/Maschine unterscheiden.
  • Es wird Bezug genommen auf die Figuren 1 bis 48. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im wesentlichen zur Installation in einem Flugzeug bestimmt. Sie umfaßt Ausrüstungen 2, fähig zum Liefern von Flugparameter-Angaben in Form von elektrischen Signalen, nämlich (Figur 3):
  • - einen Trägheitsnavigations-Leitwerk 20 oder INU ("zertifiziertes" Gerät),
  • - ein Funknavigationsinstrument des Typs GPS, bezeichnet mit 21 mit seiner Antenne ("nicht-zertifiziertes" Gerät),
  • - einen Funk-Höhenmesser 22 mit seiner Antenne.
  • Die Trägheitszentrale 20 liefert die Komponenten der Vektoren der Geschwindigkeit (V) und der Beschleunigung (GAMMA) des Flugzeugs. Man kann daraus die charakteristischen zugeordneten Winkel ableiten: vor allem Anstellwinkel, Schiebewinkel, Querneigungswinkel, Nickwinkel, Kurswinkel, Rollwinkel. Jedoch, in dem Maße wie das Trägheitsnavigations-Leitwerk einige dieser Winkel mißt und/oder benutzt, um die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren zu bestimmen, ist es vorzuziehen, die Werte des Trägheitsnavigations-Leitwerks für besagte Winkel direkt dort aufzunehmen, wo man sich ihrer bedient für die Anwendung der Erfindung. Diese Winkelwerte können angezeigt und/oder auf Steuerstellenebene benutzt werden.
  • Für die Höhe wirkt das Trägheitsnavigations-Leitwerk auf bekannte Weise zusammen mit einem barometrischen Höhenmesser (nicht dargestellt).
  • Anschließend werden die Bezeichnungen definiert:
  • - Zb ist die barometrische Höhe, geliefert durch die Luftdruckmessung, die je nach Höhe und meteorologischen Bedingungen variiert,
  • - Zi ist die "Trägheitshöhe", berechnet mittels doppelter Integration der vertikalen Beschleunigung, gemessen durch die Beschleunigungsmesser des Trägheitsnavigations-Leitwerks,
  • - Zbi ist die "Luftdruck-Trägheits-Höhe", d.h. Zb gefiltert durch Zi (z.B. Schleife 3.Ordnung),
  • - Zc ist die berechnete Höhe (HRS + Zta), wo HRS die Funksonden- Höhe ist, geliefert durch den oder die Funk-Höhenmesser des Flugzeugs (Genauigkeit von einigen Metern), und Zta ist die Höhe des Geländes unter dem Flugzeug, geliefert durch die Gelände- Datei (weiter unten definiert),
  • - Zgps ist die durch das GPS gelieferte Höhe.
  • Meistens sind Flugzeuge mit einer Batterie von Trägheitsnavigations-Leitwerken und einer Entscheidungslogik ausgerüstet, die der Gesamtheit der Angaben dieser Leitwerke Rechnung trägt. Für die Anwendung der Erfindung hält es die Anmelderin gegenwärtig für vorteilhaft, die Daten von einem einzigen der Leitwerke zu nehmen (insoweit sie bestätigt werden).
  • Das Funknavigationsinstrument 21 liefert unverarbeitete Messungen der Breite L1, Länge G1 und Höhe Z1 (=Zgps), aufgefrischt mit einem Takt p1 von einigen Sekunden bis einige Minuten. Durch Integration der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren liefert die Trägheitsnavigations-Leitstelle 20 weitere Messungen der Breite L0, Länge G0 und Höhe Z0 (=Zbi), weniger genau, aber von einem "zertifizierten" Gerät. Ein Block 25 vergleicht die beiden Meßtypen und bestätigt bzw. gibt die Größen L1,G1,Z1 frei, wenn sie kohärent sind mit L0,G0,Z0. Solche Freigabetechniken sind bekannt. Die freigegebenen Messungen L2,G2,Z2 sind mit dem Takt p1 verfügbar. Sie werden aber von dem Trägheitsnavigations-Leitwerk mit einem Takt p2 von ungefähr einer Sekunde erneuert bzw. aufgefrischt (affinées).
  • Ein Block 28 extrapoliert die Daten zwischen dem letzten Zeitpunkt der Messung durch das Instrument 21 und dem aktuellen Zeitpunkt (wobei dieser Extrapolation vor allem im Falle von Problemen mit dem Takt der Datenlieferung benutzt werden, der zu niedrig sein kann).
  • Der Funk-Höhenmesser 22 liefert die Höhe über dem Boden, mit HRS bezeichnet.
  • Ein Block 3 enthält eine Geländedatei, deren Erstellung später beschrieben wird. Abhängig von den Größen L und G greift man zu auf einen Teil dieser Datei, lokale Karte genannt und in einem lokalen Speicher 40 gespeichert (Figur 4A).
  • Aufgrund dieser lokalen Karte und den Größen L, G, Z sowie HRS führt der Block 4 Antikollisionsberechnungen durch, vorzugsweise begleitet von Geländevermeidungsberechnungen.
  • Bei Auftreten einer Kollisionsgefahr wird ein Alarm (51) gesendet. Ein Befehlsdirektor (directeur d'ordres) 53 kann ein Ausweichmanöver vorschlagen. Dies ist für die Steuerstelle bestimmt.
  • Die lokale Karte kann ebenfalls für die Erzeugung eines synthetischen Bilds (60) benutzt werden, mit ihrer Sichtbarmachungs-Vorrichtung 55.
  • Sie dient noch Funktionen (7) der Navigationsfreigabe und der Speicherung von Informationen von Abweichungen (oder Unterschieden), mit MDF bezeichnet.
  • Diese Abweichungen werden zum Boden übertragen, vom Block 79 zum Block 10, sortiert, und dienen dann der Ganz- oder Teilaktualisierung der Datenbasis 30.
  • Der Speicher 70 enthält das kartographierte überfolgene Profil, entsprechend der Abfolge der Daten L, G, Z. Der Speicher 71 enthält das überflogene, tatsächliche Profil, abgeleitet von der Höhe HRS. Der Unterschied zwischen diesen beiden Profilen wird in 72 berechnet.
  • Noch genauer (Figur 48): der Unterschied wird in 74 beziehungsweise 75 verglichen mit zwei Schwellenwerten. Er wird anschließend analysiert (77), woraus resultiert:
  • - die Betätigung eines Konformitätsindikators 57, der das einwandfreie Funktionieren der Vorrichtung bestätigt;
  • - die Erzeugung eines Signals VAL.NAV. zur Freigabe der Berechnungen des Blocks 4; und
  • - nach anderen bzw. weiteren Kriterien, die Speicherung von MDF- Informationen in einem Speicher 79, in Übereinstimmung mit den Werten L und G, bei denen sie aufgetreten sind. Diese MDF- Informationen können dann nach dem Flug als Basis für die in dem System 10 der Figur 4A durchgeführten Aktualisierung dienen.
  • In der Praxis stellt der Analyseblock 77 eine Korrelation der beiden Eingänge her, aber unter Berücksichtigung:
  • - der (jüngsten) Flugentwicklung,
  • - der Bewertung der Verlässlichkeit der Daten des Funk- Höhenmessers (Betriebsbereichsgrenzen aufgrund der Trimmlage des Flugzeugs, Selbstüberwachung),
  • - des flüchtigen bzw. unbeständigen Charakters der Schwellenüberschreitung,
  • - der Analse des Resultats (Verzerrungen oder Rauschen oder Sonstiges),
  • - eventuell, von adäquaten gespeicherten Informationen.
  • Die vorliegende Erfindung erfordert eine Aufbereitung am Boden, durchgeführt in regelmäßigen Intervallen.
  • Die Verarbeitungsfunktionen (3) der Gelände-Datei sind an Bord des Flugzeugs installiert. Sie benutzen einen Großspeicher 30 für eine Gelände-Datenbasis BDT. Diesem Großspeicher 30 ist ein Aktualisierungs-Interface 32 und eine Verwaltungseinheit der Datenbasis 35 zugeordnet sowie eine Vorrichtung 37 für die Dekompression der Daten der Basis.
  • Am Boden, außerhalb des Flugzeugs, gewährleistet eine Informatikvorrichtung 10 das Auffüllen und Aktualisieren der Datenbasis 30 durch das Interface 32, aufgrund von Informationen bzw. Daten, die aus einer sehr detaillierten elektronischen Gelände-Datei stammen. Vorzugsweise sieht man, ebenfalls am Boden, einen Block 12 vor, der eine Parametrierung definiert, um die Benutzung der Gelände-Datei an ein bestimmtes Flugzeug anzupassen, und der anschließend diese Informationen überträgt:
  • - zum Antikollisions-Rechner 43, um die Parameter der Antikollisions- und ggf. Ausweichgesetze festzulegen, und
  • - an die Sichtbarmachungs-Vorrichtung 60, um die Sichtbarmachung anzupassen an die dynamischen Charakteristika des Flugzeugs.
  • Die Gelände-Datei am Boden kann regelmäßig aktualisiert werden mit Hilfe von MDF-Rückinformationen, entsprechend kontrolliert.
  • Da die in der Datenbasis 30 enthaltenen Gelände-Daten komprimiert sind, erfordert ihre Verwendung eine Dekompressionsfunktion 37, die weiter unten beschrieben wird.
  • Der Datenbasis-Verwaltungsblock 35 benutzt seinerseits wenigstens einen Index, der in dem Großspeicher 30 abgespeichert werden kann, um die Identifizierung und den schnellen Zugriff auf bezüglich der in der Datenbasis BDT enthaltenen Daten zu ermöglichen.
  • Die Steuerstelle 90 liefert auch Informationen, die wenigstens die Definition einer Höhensicherheitsmarge MCZ enthalten, übertragen zum Block 43. Dort fügt man vorzugsweise ein "Eingangs-Zustandwort" hinzu, das anzeigt:
  • - ob die Steuerung automatisch ist oder manuell;
  • - ob das Flugzeug eine Kurve oder eine gerade Linie fliegt;
  • - die (insbesondere Flug-)Charakteristika des Flugzeugs. Außerdem kann die Steuerstelle 90 die Einstellungen für die synthetische Bilderzeugung des Blocks 60 definieren.
  • Eine der wesentlichen Grundlagen der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, daß die Anmelderin die Möglichkeit erkannt hat, an Bord eines Flugzeugs eine Gelände-Datei abzuspeichern, die die Quasi-Totalität der Erdoberfläche (bloc terrestre) darstellen kann, innerhalb der Kontur- und Auflösungsgrenzen, die geeignet sind für die Bedürfnisse eines Flugzeugs.
  • Zunächst (Figur 5) sind die gespeicherten Informationen definiert in Elementarmaschen MBR mit niedriger Auflösung, die für den gesamten, durch die Datenbasis abgedeckten geographischen Bereich existieren.
  • Dort, wo die Flughäfen sind, oder aus anderen Gründen, kann die Masche MBR unterteilt sein in Maschen MMR mit mittlerer Auflösung, ihrerseits unterteilbar (z.B. in unmittelbarer Flughafennähe) in Maschen MHR mit hoher Auflösung.
  • Die Figur 6 zeigt, daß man jeder Masche, unabhängig von der Auflösung, einen numerischen Wert zuordnet, der repräsentativ ist für die Höhe des höchsten Punktes innerhalb der Masche (es sei daran erinnert, daß die Datei am Boden sehr viel detaillierter ist).
  • Eine weitere wichtige Charakteristik der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß diese Höhenwerte nicht in absoluter Form (Kompression) abgespeichert werden.
  • Um dies zu erläutern wird Bezug genommen auf die Figuren 7 bis 9 (wobei die Wörter "horizontal" und "vertikal" sich hier auf die Ebene der Figur beziehen). Das wesentliche Element zur Definition der Höhengrößen ist das "Geviert" ("pavé") der Figur 7. Ein Geviert (identifiziert durch die Zeichen M und N) umfaßt ein Rechteck von ME x ME Elementarmaschen. ME hat z.B. die Größenordnung 50. Das Aufteilen in Gevierte erfolgt derart, daß zwei aufeinanderfolgende Gevierte sich in einer breiten Spalte einer Masche überlappen, vertikal (Figur 8), und in einer hohen Zeile einer Masche, horizontal (Figur 9).
  • Erfindungsgemäß (Figur 7) ist nur die Höhe Z11, die die in der linken unteren Ecke eines Gevierts befindliche Elementarmasche betrifft, in absoluter Form gespeichert, d.h. mit all ihren signifikativen Ziffern. Alle anderen Höhenwerte im Innern eines Gevierts werden auf relative Weise gespeichert (DEL-Taij), das heißt:
  • - in bezug auf die Masche, die ihr in derselben Zeile direkt vorangeht, wenn es diese Masche in dem Geviert gibt, und
  • - in bezug auf die Masche unmittelbar darunter, wenn man sich in der am weitestens links liegenden Masche einer Zeile befindet.
  • Man stellt fest, daß es aufgrund der Überlappung der Gevierte eine Redundanz der Informationen gibt.
  • Die Figur 10a zeigt, wie man die Höhe ZA der Elementarmasche iA, jA in einem Geviert bestimmt mit Hilfe der Formel (I) (s. den Formel-Anhang am Ende der Beschreibung).
  • Die Figur 10b zeigt, wie man die Höhe desselben Punkts vom darüber befindlichen Geviert bestimmt, in Verbindung mit der Formel (II).
  • Die Figur 10c und die Formel (III) zeigen, wie man die Höhe desselben Punktes noch bestimmt, vom rechts befindlichen Geviert aus.
  • Außerdem ermöglicht diese besonders vorteilhafte Art der kompakten Darstellung der Informationen vollständige Vergleichsprüfungen zwischen aufeinanderfolgenden Gevierten. Die Figur 11 und die Formeln (IV) erläutern die Vergleichsprüfung zwischen zwei vertikal aufeinanderfolgenden Gevierten (in der Überlappungs- Zeile). Die Figur 12 und die Formeln (V) erläutern die Vergleichsprüfung für zwei horizontal aufeinanderfolgende Gevierte in ihrer Überlappungs-Spalte.
  • Beim Abspeichern derartiger Höheninformationen im Speicher 30 hat die Anmelderin festgestellt, daß in der großen Mehrzahl der Fälle jede Größe codiert werden kann mit 4 Bit (höchstens).
  • Außerdem ist es möglich, diese Informationen zu begrenzen:
  • - ebene Oberflächen, insbesondere die großen Meeresoberflächen, bedürfen praktisch keiner Codierung (auf Maschenebene)
  • - es ist denkbar, die relative Höhencodierung mit einer Genauigkeit durchzuführen (niedrigwertigstes Bit oder LSB), die z.B. proportional von der Höhe abhängt;
  • - eventuell trägt man der Tatsache Rechnung, daß bestimmte Zonen des Erdballs niemals überflogen werden.
  • Aus den Arbeiten der Anmelderin resultiert, daß es möglich ist, die Erdoberfläche, d.h. eine Oberfläche von ungefähr 500 Millionen km² mit den Hochauflösungs-Maschen für 1000 Lufthäfen, zu integrieren in einem 200 Megabit-Speicher, was mit den gegenwärtigen Techniken leicht realisierbar ist.
  • Sobald diese Daten gespeichert sind, vervollständigt man sie mit einem permanenten Index aufgrund von Daten bzw. Größen, ausgedrückt in geographischen Koordinaten, um schnell das Geviert oder die Gevierte orten zu können, in denen sich das Flugzeug befindet, sodann jede der richtigen Elementarmaschen und, gegebenenfalls, die Maschen höherer Auflösung, wenn sie vorhanden sind.
  • Die Dekompressionsfunktionen des Blocks 37 bestehen folglich darin, in dem Speicher 40 die absoluten Höhen mit Hilfe der oben beschriebenen Formeln wiederherzustellen (ganz oder teilweise, je nach erwünschtem Prüfungsgrad), unter Berücksichtigung der eventuellen Codierungsverfeinerungen bzw. -aufbereitungen.
  • Die Geländedatei enthält folglich Höhen von Geländepunkten an den Knoten eines Gitters aus Gevierten und Maschen, mit einer Daten-Adressierungs- bzw. Zugriffsweise, die von geographischen Koordinaten ausgeht, in Breite (L) und Höhe (G).
  • In Höhe der Pole genügt es, einen Bezugssystem-Wechsel durchzuführen, um zu einer klassischen Situation zurückzukehren, wobei ein solcher Bezugssystemwechsel praktisch einem Vertauschen der Pole mit zwei dem Äquator entgegengesetzten Punkten entspricht. Diese Angabe ermöglicht dem Fachmann, das was folgt umzusetzen, um es im Fall der Pole anzuwenden.
  • Man prüft nun die Unsicherheiten, einerseits auf der Ebene der Flugparameter, andrerseits auf der der Geländedatei.
  • Bezüglich der Flugparameter hängt die Unsicherheit von den an Bord des Flugzeugs verfügbaren Gerätschaften ab.
  • Ein Trägheitnavigations-Leitwerk, selbst ein sehr gutes, weist nach 10 Stunden Flug eine Abweichung von wenigstens 10 km auf. Die Anmelderin schlägt die Verwendung eines Trägheitsnavigations-Leitwerks von guter Qualität vor, entsprechend abgestimmt in bezug auf die von einer Vorrichtung wie etwa dem GPS stammenden Positionsangaben, wie hinsichtlich Figur 3 beschrieben, Unter diesen Bedingungen sind die erhaltenen Längen- und Breitenkoordinaten G, L mit einer Unsicherheit des GPS-Geräts behaftet, d.h. von ungefähr 100m oder besser.
  • Die Geländedatei ist ebenfalls diesen Unsicherheiten unterworfen.
  • Um die Gesamtheit der Unsicherheiten zu behandeln, schlägt die Anmelderin vor, drei Unsicherheitsmargen zu definieren (Figur 13):
  • - eine Breiten-Unsicherheitsmarge ML,
  • - eine Längen-Unsicherheitsmarge MG, und
  • - eine Vertikal-Unsicherheitsmarge MZ.
  • Das daraus resultierende Unsicherheitsvolumen weist die Form eines Umdrehungsellipsoiden auf, dessen Halbachsen a, b und c nicht notwendigerweise gleich sind (Figur 13).
  • Man ordnet so, wie dargestellt in Figur 14, jedem Punkt der Flugbahn des Flugzeugs einen Unsicherheitsbereich zu. Um zu vereinfachen nimmt man an, daß ML = MG. Bei der vertikalen Projektion in die horizontale Ebene der Figur 14 erhält man dann einen Navigations-Unsicherheitskreis CIN (im Allgemeinfall eine Ellipse). Die Umhüllende dieser Kreise definiert ihrerseits eine Flugzone ZV, um die vorausgesagte Flugbahn TVS herum.
  • Es ist wichtig, festzustellen, daß die vertikale Marge MZ die Summe ist von:
  • - dem von der Steuerstelle oder Block 4 stammenden einstellbaren Wert MZC,
  • - einer mit den Flug-Unsicherheitsparametern verknüpften Marge, wie oben definiert, und
  • - einer mit den Eigenunsicherheiten der Höhen der Geländedatei verknüpften Marge.
  • In der Praxis drücken sich die Unsicherheiten in den beiden horizontalen Dimensionen (Länge und Breite) schließlich aus in einer Unsicherheit der vertikalen Marge: diese horizontalen Unsicherheiten induzieren nämlich eine Unsicherheit bezüglich der "Adressierung" der Geländedatei, woraus eine Höhenunsicherheit resultiert.
  • Ausgehend davon hat die Anmelderin festgestellt, daß es möglich ist, Berechnungen mit einem Erneuerungstakt in der Größenordnung 1Hz durchzuführen, der angepaßt werden kann in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und von der Lenkübertragungsfunktion des Trägerflugzeugs. Der 1-Hertz-Takt reicht aus für Geschwindigkeiten bis ungefähr 275m/s.
  • Man geht davon aus, daß die künftige Flugbahn des Flugzeugs definiert wird durch eine bestimmte Anzahl von Punkten A bis F ab seiner aktuellen Position, wie die Figur 15a darstellt. Diese künftige Flugbahn wird erarbeitet aufgrund der laufenden Position des Flugzeugs (LGZ) und seiner Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren in Verbindung mit den jeweiligen Winkeln, die die Höhe des Flugzeugs definieren. Der Fluglagevektor des Flugzeugs (Position und Geschwindigkeit) wird in dem am Boden befindlichen Koordinaten-Achsenkreuz positioniert, in dem die BDT-Datei definiert ist.
  • Auf Grund des das Flugzeug umgebenden Unsicherheitsbereichs (zur Vereinfachung als Kreis mit dem Radius R betrachtet), und wenn c die Seite bzw. das Maß (côté) der aktuell benutzten Masche bezeichnet (entsprechend ihrer Auflösung), ist die Anzahl m von Maschen, deren Höhe zu prüfen ist:
  • m = INT{ 2 * ( [ R * SQRT(2) /c ] + 1) }
  • wo INT{} die Ganzmengen-Funktion (fonction partie entiere) bezeichnet und SQRT() die Quadratwurzel-Funktion (Figuren 17a und 17b).
  • In einem bestimmten Punkt hat die "quadratische Fläche" der Unsicherheit (gebildet durch die den Unsicherheitsbereich umgebenden Maschen) als maximale Abmessung folglich m x m Maschen.
  • Wenn die vorausgesagte Flugbahn p Punkte umfaßt, als absolute Höhen, empfiehlt es sich, in dem lokalen Speicher 40 über wenigstens p-mal diese Fläche zu verfügen.
  • Die Figur 16 schematisiert die Entwicklung der Position des Flugzeugs, bezogen auf die in dem lokalen Speicher enthaltenen Maschen.
  • Die Aktualisierung des lokalen Speichers kann erfolgen, indem man den Bereich konserviert, in dem sich das Flugzeug befindet, und indem man die drei benachbarten Bereiche aktualisiert, wie in Figur 16 gestrichelt dargestellt.
  • Mit Bezug auf die Figuren 17a und 17b geht man von einer quadratischen Unsicherheitsfläche mit einer Abmessung von m x m Maschen aus. Alle Höhen werden gelesen und nur der größte Höhenwert ZT wird behalten und zu der weiter oben definierten Höhensicherheitsmarge MZ addiert. Die Summe, mit ZTM bezeichnet, ist gestrichelt dargestellt.
  • Die Gesamtheit der ZTM-Werte in der Karte ergibt das theoretische Profil unter dem Flugzeug, und das Antikollisonsgesetz bewirkt einen Vergleich dieses theotetischen Profils unter dem Flugzeug mit der vorausgesagten Flugbahn des Flugzeugs.
  • Diese Arbeitsweise befriedigt insbesondere im Falle eines Autopilot-Flugs, denn die vorausgesagte Flugbahn ist genauer bekannt.
  • Im manuellen Modus unterliegt die Flugbahn des Flugzeugs größeren Variationen.
  • Die Analyse der momentanen und vorausgesagten Situation des Flugzeugs kann zusammengefaßt werden zu einer Gruppe von Kurvenprüfungen, die zwei Arten von Alarmen erzeugen können:
  • - einen Voralarm, der eine mittelfristige Gefahrenkonstellation anzeigt, und
  • - einen Alarm, der eine Konstellation anzeigt, die ein unmittelbares Einschreiten des Piloten erfordert, da die Flugsicherheit auf dem Spiel steht.
  • Zu diesem Zweck sieht man zwei Schutzkurven des Flugzeugs gegenüber dem Gelände vor, nach demselben Prinzip definiert, aber mit unterschiedlichen Parametern, umfassend (Figur 18):
  • - eine kurzfristige Kurve CCT, hauptsächlich dazu bestimmt, ein Unglück zu vermeiden. Sowie ein Geländepunkt eindringt in die Oberfläche oder obere Hülle der Kurve CCT, muß der Pilot einschreiten (Alarm);
  • - eine mittelfristige Kurve CMT, hauptsächlich dazu bestimmt, den Piloten zu warnen, daß die Flugbahn seines Flugzeugs auf ein Hindernis trifft, wenn sie unverändert fortsetzt wird, und daß er ein Ausweichmanöver vorsehen muß (Voralarm).
  • Diese Kurven, die ein wichtiges Element des Schutzsystems bilden, können erstellt werden aufgrund zahlreicher statischer und dynamischer Parameter des Flugzeugs, inbesondere:
  • - die Horizontalgeschwindigkeit Vh des Flugzeugs,
  • - die Steiggeschwindigkeit Vz des Flugzeugs,
  • - der zulässige Lastvielfaches-Faktor n.g,
  • - die vorgesehene Sicherheitshöhe, und
  • - das Rollen des Flugzeugs.
  • Die Figur 19 zeigt ein Beispiel vom Ausbleiben eines Fehlalarms. Hingegen zeigt die Figur 20 einen Fall eines durchaus angebrachten bzw. richtigen Alarms. Der geringe Unterschied zwischen den beiden Zeichnungen zeigt die Schwierigkeit des durch die Erfindung gelösten Problems.
  • Sekundär, wenn eine Kollisionsmöglichkeit mit dem Boden festgestellt wurde, kann die vorgeschlagene Vorrichtung versehen sein mit einer Vorrichtung zum Rechnen eines Ausweichgesetzes, ausgeführt im Block 48 mit Hilfe von verschiedenen, aus den Blöcken 43, 46 und 40 stammenden Parametern. Zum Beispiel wird im Alarmfall ein Befehl zum vertikalen Ausweichen des Flugzeugs erzeugt. Generell berücksichtigt der Ausweichbefehl vor allem:
  • - die Nähe der Gefahr,
  • - die Geschwindigkeit des Flugzeugs,
  • - seine "Manövrierbarkeit",
  • - die Reaktionszeit des Piloten,
  • - die Brennstoffreserven.
  • Es verschiedenen Gründen hält es die Anmelderin gegenwärtig für besser, ein einfaches Ausweichmanöver durchzuführen, gebildet durch einen Tiefenausweichbefehl (ordre dsävitement en profondeur), der ein rwberfliegen des Geländes gewährleistet (mit Abfangen (redressement) des Flugzeug, wenn nötig).
  • Dieser Ausweichbefehl kann auf dem Befehlsdirektor (Block 53) angezeigt oder automatisch verarbeitet werden.
  • Wenn man also zur Vereinfachung den Fall einer geradlinigen Flugbahn nimmt, wird die Ausweichgrenzkurve definiert durch drei Teilstücke (Figur 21):
  • - von T&sub0; bis T&sub1;, das Verfolgen der unveränderten Flugbahn während eines Zeitraums gleich der Verzögerung RTO = T&sub1; - T&sub0;,
  • - von T&sub1; bis T&sub2;, eine Übergangsperiode aufgrund der Veränderung des Krümmungsradius der Flugbahn, der von Unendlich übergeht in den Steigflug-Radius RT,
  • - von T&sub2; bis T&sub3;, die eigentliche Ausweichflugbahn, deren Krümmungsradius RT direkt abhängig ist vom Quadrat der Lineargeschwindigkeit des Flugzeugs, geteilt durch den wirklich angewandten Lastvielfaches-Faktor, also
  • RT = (Vh)²/n.g
  • Der Fachmann weiß, daß ähnliche Betrachtungen die Ausarbeitung eines Kurvenausweichmanövers ermöglichen, jedoch auf eine etwas kompliziertere Art, worauf einzugehen hier nicht angebracht ist.
  • Beispiele von Ausweichtechniken sind beschrieben in der französichen Patentanmeldung Nr. 8617235 im Namen der Anmelderin (FR-A-2607948).
  • Allgemein kennt man Bodenausweichverfahren, die nicht nur Manöver in der Vertikalebene benutzen, sondern auch Manöver in der Horizontalebene. Derartige Vorrichtungen werden gegenwärtig für bestimmte Typen von schnellen Flugzeugen verwendet und können leicht umgestellt werden auf Zivilflugzeuge, vorbehaltlich einer ausreichenden Rechenleistung, wobei festzustellen ist, daß das Problem der Zivilflugzeuge beim Geländeausweichen sehr viel weniger schwierig ist als das schon behandelte.
  • Nun muß noch der Block zur Erzeugung eines sythetischen Bildes betrachtet werden (60, Figur 2a bzw. Figur 4b). Dieser kann auf beliebige geeignete Weise realisiert werden, insbesondere auf die in dem französischen Patent Nr. 82 05121 (FR-A-2524117) oder seinem Zusatzpaten Nr. 83 16580 (FR-A-2553543) im Namen der Anmelderin beschriebene Art.
  • Die Funktionen der Untereinheit des Blocks 7 wurden schon in allgemeinen Worten beschrieben. Zunächst sei festgestellt, daß diese Funktion nur mit den vergangenen und gegenwärtigen Daten arbeitet (L, G, Z und HRS) und nicht mit den vorausgesagten.
  • Ein Beispiel einer Geländehöhenkurve, wie geliefert durch den Speicher 70, ist in Figur 22A dargestellt. Die Figur 22B hingegen erläutert die Berechnung der Geländehöhe Zta = ZA - HRS in dem Speiche 71.
  • Der Block 72 berechnet zwei Abstände:
  • - DeltaP1 = ZT - ZA + HRS, und
  • - DeltaP2, welches z.B. DeltaP1, gleichgerichtet und gefiltert oder irgendeiner anderen geeigneten Behandlung unterzogen, ist.
  • Man vergleicht diese beiden Abstände mit Schwellenwerten S1 beziehungsweise S2. Die Figuren 23A und 23B stellen die beiden Abstände und ihre Schwellenwerte dar, um vier verschiedene Situationen oder Fälle A bis D zu zeigen.
  • Die Figur 24 stellt ein vereinfachtes Beispiel des Vorgehens zum Analysieren von Anomalien dar. Man geht davon aus, daß die Funksondenhöhe HRS gültig bzw. richtig ist (unter Berücksichtigung der weiter oben gemachten Angaben).
  • Nach dem Anfangsschritt 7700 vergleicht eine Prüfung 7702 den absoluten Wert von DeltaP1 mit S1. Dann vergleicht eine Prüfung den absoluten Wert von DeltaP2 mit S2 (getrennte Prüfung in 7704 und 7706, je nach dem Resultat von 7702, zur Verdeutlichung der Zeichnung). Man hat dann:
  • - den Fall A (normal), wenn DeltaP1 < =S1 und DeltaP2 < =S2, wobei man in diesem Fall direkt nach 7780 geht, mit VAL.NAV. richtig.
  • - den Fall B, wenn DeltaP1 < =S1 und Delta P2 > S2. Die Höhe Z ist verschoben. Der Schritt 7712 untersucht eventuell, ob die Verschiebung zurückzuführen ist auf ZA (Ableseprobleme an den Bordinstrumenten) oder auf ZT (systematische Verzerrung (biais) der Gelände-Datei BDT). Auf jeden Fall speichert der Schritt 7740 die Größen L, G und DeltaP1 im Speicher 79 ab, (eventuell das Resultat des Schritts 7712), und dies während der gesamten Dauer der Anomalie. Nichtsdestotrotz fährt man in 7780 fort mit VAL.NAV. richtig.
  • - den Fall C, wenn DeltaP1 > S1 und DeltaP2 > S2. Die Anomalie kommt im Prinzip von der Befragung der Gelände-Datei BDT, entweder wegen ihrer Adressierung (Größen L und/oder G fehlerbehaftet), oder wegen ihrem Inhalt. Eine Analyse der Entwicklung (analyse historique) ermöglicht normalerweise, darüber zu entscheiden (7714), je nach Wiederholungscharakter der Anomalie. In diesem Fall speichert der Schritt 7750 die Größen L und G (eventuell das Resultat des Schritts 7714) im Speicher 79 ab, und dies wenigstens zu Beginn der Anomalie. Man fährt fort durch den Schritt 7785, mit VAL.NAV. falsch.
  • - den Fall D, wenn DeltaP1 > S1 und DeltaP2 &le; S2. Der Schritt 7716 kann überprüfen, ob es sich um eine punktuelle Anomalie handelt, indem er die Hypothesen eines punktuellen Fehlers der Gelände- Datei BDT, eine punktuellen Betriebsstörung eines der Bordinstrumente (Funkhöhenmesser, GPS, Trägheitsnavigations- Leitwerk) oder des Überfliegens eines noch nicht registrierten punktartigen Hindernisses überprüft. Hier speichert der Schritt 7740 wieder die Größen L, G und DeltaP1 ein (eventuell das Resultat des Schritts 7716), und dies während der gesamten Dauer der Anomalie. Man kann in 7780 fortfahren mit VAL.NAV. richtig.
  • Der Vorteil der Benutzung der Entwicklung bzw. Geschichte der Anomalien in den Schritten 7712 bis 7716 wird in der Folge anhand eines Beispiels beschrieben. Es wird auch deutlich, daß die Charakteristika des überflogenen Geländes und insbesondere seine Ebenheit (bezogen aus der Messung ZA - HRS) ermöglichen, die Klassierung der Anomalien zu verfeinern.
  • In dem gewählten Beispiel geht man vom Fall A mit DeltaP1 nahe 0 über zum Fall C, wo DeltaP1 sehr gestört bzw. unruhig ist. Die wahrscheinlichen Ursachen der Anomalie sind dann folgendermaßen analysierbar:
  • - wenn der Übergang von A nach C begleitet wird von einem Übergang aus einem flachen Gelände in ein störendes bzw. unruhiges Gelände, handelt es sich wahrscheinlich um einen Fehler bei den Navigationsparametern;
  • - in den anderen Fällen handelt es sich wahrscheinlich um einen Fehler der Gelände-Datei BDT, wo man folgende drei Fälle unterscheidet: das Gelände bleibt flach; man wechselt von einem unruhigen Gelände in ein anderes unruhiges Gelände, aber mit einem Höhenabfall beim Übergang; man wechselt von einem unruhigen Gelände in ein flaches Gelände.
  • Eine Analyse derselben Art kann mit den anderen Übergängen zwischen den Fällen A bis D durchgeführt werden.
  • Selbstverständlich eignet sich die Erfindung für zahlreiche Varianten und Anpassungen.
  • Zum Beispiel kann sein, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in unmittelbarer Bodennähe gesperrt werden muß, wenigstens bezüglich ihrer Alarme. Dies ist der Fall:
  • - wenn das Flugzeug in der Instrumentenlandungsphase ist (ILS), oder
  • - auf ausdrückliches Verlangen des Piloten.
  • Die Sperrung ist vorteilhafterweise dynamisch (Signal VAL.NAV., schon erwähnt).
  • Außerdem kann es vorteilhaft sein, zwei Gelände-Dateien zu benutzen, die eine für das über die Zeit feststehende Relief (natürliche Höhenmessung), die andere für konstruierte und/oder sich entwickelnde Hindernisse (künstliche Höhenmessung).

Claims (30)

1. Vorrichtung zur Grundkollisinsvermeidung bzw. Luftfahrt-Navigationshilfe, umfassend:
- einen Großspeicher (30), der Höhenschwellenwert-Daten speichern kann, wobei jeder Höhen-Schwellenwert durch zwei horizontale Koordinaten adressierbar ist,
- Eingänge um Lageinformationen bzw. -daten (L,G,Z) zu empfangen, die repräsentativ sind für die gemessene Position und die Bewegung des Flugzeugs,
- - einen Arbeitsspeicher (40),
- Verwaltungseinrichtungen des Großspeichers (35) um in dem Arbeitsspeicher (40) den der gegenwärtigen Position des Flugzeugs entsprechende Höhen-Schwellenwert zu speichern,
- Einrichtungen um eine gewählte Bedingung zu überwachen, die sich auf die Relation zwischen der gemessenen Höhe (Z) und dem Höhen-Schwellenwert des Arbeitsspeichers bezieht, um eine Aktion wie einen Alarm zu bewirken, wenn diese Bedingung ein Passieren unter eine Sicherheitshöhe impliziert,
dadurch gekennzeichnet, daß der Großspeicher organisiert ist als Höhenmessungs-Datenbasis, einen wesentlichen Teil der Erdoberfläche umfassend, mit einer Indexierung, die einen schnellen Zugriff auf Gruppen von aneinandergrenzenden Maschen, welche die genannte Datenbasis enthält, aufgrund der beiden horizontalen Koordinaten entsprechend wenigstens einer Auflösungsebene ermöglicht,
dadurch, daß für jede Masche der Höhen-Schwellenwert eine direkte Darstellung der Maximalhöhe des Grunds bzw. Bodens innerhalb dieser Masche ist,
dadurch, daß der Arbeitsspeicher (40) ein schneller Speicher von geeigneter Größe ist, um eine temporäre lokale Karte aufzunehmen, die in der Zone, in der sich das Flugzeug bewegt, eine Höhen-Hüllfläche definiert,
dadurch, daß die Vorrichtung umfaßt:
- Verarbeitungseinrichtungen der Lageinformationen bzw. -daten (2; 28), um vorausgesagte Höhen zu definieren, in Übereinstimmung mit vorausgesagten Positionen des Flugzeugs, und
- Antikollisions-Verarbeitungseinrichtungen (4; 43, 46), um:
. einen Schutzbereich um das Flugzeug herum zu definieren (43), in Übereinstimmung mit einer Folge von vorausgesagten Positionen des Flugzeugs, und
. diesen Schutzbereich zu vergleichen mit der Höhen-Hüllfläche in dem entsprechenden Teil der genannten lokalen Karte, wobei ein Alarm (51) ausgelöst wird, wenn die Relation zwischen dem Schutzbereich und der Höhen-Hüllfläche eine Antikollisionsbedingung erfüllt, ein nach unten gerichtetes Überschreiten eines Sicherheitshöhenabstands implizierend.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Freigabeeinrichtungen (7) umfaßt um, auf der tatsächlichen Bahn des Flugzeugs, das durch den schnellen Speicher definierte Gelände zu vergleichen mit dem durch die Bordinstrumente des Flugzeugs definierten Gelände, und Einrichtungen zum Erzeugen eines Freigabesignals (VAL.NAV) der Antikollisions-Verarbeitungseinrichtungen (4) in Abhängigkeit von dem durch die Freigabeeinrichtungen durchgeführten Vergleich.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabeeinrichtungen (7) einen das nach der Datei überflogene Gelände betreffenden Speicher (70), einen das nach den Bordinstrumenten überflogene Gelände betreffenden Speicher (71), Einrichtungen (72) zum Erstellen von wenigstens einer für die Abweichung bzw. den Unterschied zwischen diesen beiden Speichern repräsentativen Größe umfassen und Einrichtungen zum Vergleichen dieser Abweichungsgröße mit einem Schwellenwert.
4. Vorrichtung nach Anspruch-3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Analyseeinrichtungen (77) umfassen, um eine Anzeige (57) des Vergleichs zwischen den beiden Speichern des überflogenen Geländes zu steuern.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabeeinrichtungen (7) Einrichtungen (79) zum Speichern von wenigstens einigen der abgelesenen Abweichungen umfassen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Speicher (70,71) auf bzw. nach der Bodenhöhe arbeiten, wobei der zweite Speicher (71) die Höhe (ZA) empfängt und eine Höhe des Flugzeugs über dem Boden (HRS).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk Basis-Maschen umfaßt, von denen bestimmte unterteilt sind durch wenigstens eine Netzwerkebene von feinerer Auflösung, insbesondere in der Nähe der Flughäfen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Großspeicher in Blöcke gegliedert ist, wobei jeder Block verbunden ist mit einer als Absolutwert ausgedrückten Höhen-Bezugsgröße, während die Maximalhöhe in jeder Masche des Blocks als Relativwert ausgedrückt ist, bezogen auf eine benachbarte Masche, in Übereinstimmung mit einem festgelegten Gesetz des Durchlaufens der Maschen im Innern eines Blocks, und dadurch, daß die Verwaltungseinrichtungen des Großspeichers (35) fähig sind, die relativen Höhen in absolute Höhen umzuwandeln, wenn sie in den Arbeitsspeicher geladen werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Block eine Überlappung von wenigstens einer Basis-Masche auf zwei an ihre Nachbarn angrenzenden Seiten aufweist, wobei die Speicherverwaltungseinrichtungen (35) fähig sind, die Kohärenz der relativen Höhendaten zwischen verschiedenen Blöcken zu überprüfen aufgrund ihrer Überlappung.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (25) umfaßt, um Positionsdaten eines Funknavigationsinstruments (21) freizugeben bzw. zu bestätigen in bezug auf diejenigen eines Bord-Trägheitsinstruments (20), wobei die einmal freigegebenen Daten (L,G) der Voraussage (28) der Bahn des Flugzeugs und der Adressierung des schnellen Speichers (40) dienen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Eingänge ebenfalls Steuerungsangaben empfangen, die die Definition eines Höhen-Sicherheitsabstands (MZC) umfassen, und dadurch, daß die genannte erste Bedingung sich auf die Tatsache bezieht, daß die vertikale Distanz zwischen dem Schutzbereich und besagter Höhen-Hüllfläche kleiner ist als dieser Höhen-Sicherheitsabstand.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antikollisions-Verarbeitungseinrichtungen ebenfalls fähig sind, einen Voralarm auszusenden, der eine mittelfristige Grundkollisionsgefahr anzeigt, in Abhängigkeit von einer zweiten Antikollisionsbedingung.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen umfaßt, die fähig sind im Alarmfall einen Befehl bezüglich der wünschenswerten Steuerung zu erstellen, entsprechend einem dem Flugzeug eigenen Gelände- Ausweichgesetz.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausweichgesetz Fluglagewinkeln des Flugzeugs Rechnung trägt, insbesondere der Tatsache, daß das Flugzeug eine gerade Linie oder eine Kurve fliegt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluglagewinkel durch das Trägheitsnavigations-Leitwerk geliefert werden.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Antikollisionsbedingung die Erwägung umfaßt, die Flugbahn nach einer kurzen Verzögerung quasi-maximal hochzuziehen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, kombiniert mit dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Antikollisionsbedingung die Erwägung einer anderen Flugbahn umfaßt, wobei das Hochziehen höchstens ebenso ausgeprägt ist wie bei der ersten Flugbahn, nach einer längeren Verzögerung.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwaltungseinrichtungen der Datenbasis in den die Erdpole umgebenden Zonen einen Bezugssystem-Wechsel benutzen.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (60) umfassen zum Anzeigen eines synthetischen Geländebilds, abhängig vom Inhalt des schnellen Speichers.
20. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Lageangaben von wenistens einem Sensor kommen, ausgewählt aus der Gruppe, die umfaßt: wenigstens ein Bord-Trägheitsnavigations-Leitwerk, ein Funknavigations instrument insbesondere satellitengestützt, einen Funk-Höhenmesser, ein Höhenbarometer, ein Instrumentenlandesystem.
21. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagedaten-Verarbeitungseinrichtungen (2; 28) und die Antikollisions-Verarbeitungseinrichtungen (4; 43, 46) mit einem Erneuerungstakt in der Größenordnung von 1Hz arbeiten.
22. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge ebenfalls wenigstens eine der folgenden Informationen erhalten: automatische oder manuelle Steuerung, Flugzeug fliegt Kurve oder gerade Linie, Flug- Charakteristika des Flugzeugs.
23. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich eignet für einen in Bodennähe wenigstens partiell modifizierten Betrieb, insbesondere während der Instrumentenlandephase.
24. Verfahren zur Luftfahrt-Navigationshilfe, das eine in einem Flugzeug installierte Vorrichtung des Typs benutzt, der umfaßt:
- einen Großspeicher (30), der Höhenschwellenwert-Daten speichern kann, wobei jeder Höhen-Schwellenwert durch zwei horizontale Koordinaten adressierbar ist,
- Eingänge um Lageinformationen bzw. -daten (L,G,Z) zu empfangen, die repräsentativ sind für die gemessene Position und die Bewegung des Flugzeugs,
- einen Arbeitsspeicher (40),
- Verwaltungseinrichtungen des Großspeichers (35) um in dem Arbeitsspeicher (40) den der gegenwärtigen Position des Flugzeugs entsprechende Höhen-Schwellenwert zu speichern,
- Einrichtungen um eine gewählte Bedingung zu überwachen, die sich auf die Relation zwischen der gemessenen Höhe (Z) und dem Höhen-Schwellenwert des Arbeitsspeichers bezieht, um eine Aktion wie einen Alarm zu bewirken, wenn diese Bedingung ein Passieren unter eine Sicherheitshöhe impliziert,
dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:
A - am Boden, Unterhalten einer Geländedatenbasis, die wenigstens einen wesentlichen Teil der Erdkugel darstellt,
B - an Bord des Flugzeugs,
B.1 - Vorsehen eines Großspeichers, fähig, eine aus der Geländedatenbasis extrahierte bzw. gewonnene Datenbasis zu speichern, die wenigstens einen wesentlichen Teil des Erdballs in Form einer Aufteilung darstellt, welche ein Netzwerk auf wenigstens einer Auflösungsebene umfaßt, wobei jede Masche Daten zugeordnet ist, die die maximale Höhe innerhalb dieser Masche darstellen, und eine Indexierung, die aufgrund einer Adressierung mit horizontalen Lage-Koordinaten einen schnellen Zugriff auf Gruppen von aneinandergrenzenden Maschen ermöglicht, die die genannte Datenbasis enthält,
B.2 - Empfangen, von den Bordinstrurnenten, auf den beiden Eingängen, zweier horizontaler Komponenten der Flugzeugposition, einer Vertikalinformation, und des Geschwindigkeitsvektors des Flugzeugs,
B.3 - Laden, in einen schnellen Arbeitsspeicher, in Abhängigkeit von zwei horizontalen Komponenten der Flugzeugposition, einer temporären lokalen Karte, die eine absolute Höhen-Hüllfläche des Geländes der Zone definiert, wo sich das Flugzeug bewegt.
B.4 - Vorausberechnen einer Vielzahl von Punkten der vorausgesagten Bahn des Flugzeugs in Abhängigkeit von der Position und dem Geschwindigkeitsvektor des Flugzeugs,
B.5 - Vergleichen, in jedem vorausgesagten Punkt, der Kontur eines Schutzbereichs um das Flugzeug herum mit der Höhen-Hüllfläche in dem entsprechenden Teil der lokalen Karte, und
B.6 - Erzeugen eines Alarms, wenn die Relation zwischen dem Schutzbereich und der Höhen-Hüllfläche eine Antikollisionsbedingung erfüllt, wobei diese Bedingung das nach unten gerichtete Überschreiten eines Sicherheitshöhenabstands darstellt.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem einen Freigabe- bzw. Bestätigungsschritt (7) umfaßt, um, auf der tatsächlichen Bahn des Flugzeugs, das durch den schnellen Speicher definierte Gelände zu vergleichen mit dem durch die Bordinstrumente definierten Gelände.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabe die Speicherung der Unterschiede bzw. Abweichungen umfaßt, und dadurch, daß der Schritt A die Aktualisierung der Gelände-Datenbasis aufgrund wenigstens bestimmter gespeicherter Unterschiede umfaßt.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk des Schritts Bl außer den Basis- Maschen Zwischenmaschen aufweist, die bestimmte Basis-Maschen unterteilen, und Endmaschen, die ihrerseits bestimmte Zwischenmaschen unterteilen, wobei besagte Zwischen- und Endmaschen wenigstens in der Nähe von Flughafenzonen vorgesehen sind.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt B.1 die Maschen zu Blöcken zusammengefaßt werden, wobei jeder Block einer als Absolutwert ausgedrückten Höhenbezugsgröße zugeordnet ist, während die maximale Höhe in jeder Masche als relativer Wert ausgedrückt wird, bezogen auf eine benachbarte Masche, entsprechend einem festgelegten Gesetz des Durchlaufens der Maschen im Innern eines Blocks, und dadurch, daß ein schneller Arbeitsspeicher vorgesehen ist, wo die relativen Höhen umgewandelt werden in absolute Höhen.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt B.2 die Freigabe bzw. Bestätigung von Positionsdaten eines Funknavigationsinstruments (21) bezüglich derjenigen eines Trägheitsnavigations-Leitwerks (20) umfaßt, wobei die einmal freigegebenen Daten (L,G) den Schritten B.3 und B.4 dienen.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem, im Alarmfall, entsprechend einem Gelände-Ausweichgesetz, die Erstellung eines Ausweichbefehls umfaßt.
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