DE102004040249A1

DE102004040249A1 - Tiefflug-Führungssystem, Warnsystem zur Tiefflugführung, Warnungs-Generator zur Tiefflugführung und Verfahren zur Tiefflugführung

Info

Publication number: DE102004040249A1
Application number: DE102004040249A
Authority: DE
Inventors: Anton Dr.-Ing. Walsdorf; Johannes Dr.-Ing. Drexler; Lars Dipl.-Ing. Schöpfer; Alexander Hermann Dr.-Ing. Knoll
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2003-08-30
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2005-05-25
Also published as: FR2859177A1; FR2859177B1

Abstract

Tiefflug-Führungssystem für Flugzeuge mit einem Warnungs-Generator (11) zur Erzeugung von Warnungs-Ausgängen an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder einen Autopiloten, mit einer Sensorik (13) mit einer Gelände-Datenbank (21) sowie einem Berechnungsmodul zur Bestimmung der aktuellen Position (P1) des Flugzeugs (1) sowie einer Referenzhöhe des Geländes an der aktuellen Position (P1), einer Sensorik zur Messung der Flughöhe über Grund, einem Sensor zur Ermittlung der aktuellen Steigrate des Flugzeugs (1) und Geländedaten in der Umgebung der prädizierten Position P2, mit einem Modul (15) zur Prädiktion einer Höhe, das aus der vom Sensorsystem (13) zugeführten Höhe des Flugzeugs 1 über Grund h¶G¶, einer für die prädizierte Position P2 vorausberechneten Flughöhen-Differenz DELTAh¶F¶, einer Sicherheits-Höhe DELTAh¶WCTP¶ sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position (P1) und die prädizierte Position (P2) ermittelten Differenzhöhe DELTAh¶P2¶ eine Abstandshöhe h* ermittelt, sowie ein Warnsystem, ein Warnungs-Generator zur Tiefflugführung und ein Verfahren zur Tiefflugführung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Tiefflug-Führungssystem, ein Warnsystem zur Tiefflugführung, einen Warnungs-Generator zur Tiefflugführung und ein Verfahren zur Tiefflugführung.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Tiefflug-Führungssysteme bekannt, die aufgrund einer aktuellen Entfernung zum Boden Warnsignale erzeugen. Bei sehr geringen Flughöhen und auch bei Flugzeugen, mit denen nur eine relativ geringe Vertikalbeschleunigung erreicht werden kann, kann die Besatzung des Flugzeugs nicht mit der notwendigen Zuverlässigkeit des Warnsystems unterstützt werden. Es treten entweder häufige Fehlalarme auf, oder die Warnung kommt nicht oder zu spät.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes System und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem bzw. durch das auch bei geringen Flughöhen über Grund und einer verhältnismäßig geringen Manövrierbarkeit des Flugzeugs vorteilhafte Warnsignale zu übermitteln, so das der Pilot oder ein System in der Lage ist, das Flugzeug aus der Gefahrensituation heraus zu manövrieren.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diese rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Tiefflug-Führungssystem für Flugzeuge in bodennahen Operationen, ein Warnsystem zur Tiefflugführung, einen Warnungs-Generator zur Tiefflugführung und ein Verfahren zur Tiefflugführung vorgesehen, das darauf basiert,

– dass eine Abstandshöhe h^* aus der von einem Sensorsystem zugeführten Höhe des Flugzeugs über Grund h_G, einer für die prädizierte Position P2 vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F, einer Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position und die prädizierte Position ermittelten Differenzhöhe Δh_P2 ermittelt wird,
– wobei die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position (P2) in einer Umgebung der prädizierten Position (P2) ermittelt wird, wobei von der prädizierten Flughöhe h_F die Differenzhöhe Δh_P2 und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen werden, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten.

Die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP wird dabei aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position (P2) in einer Umgebung der prädizierten Position (P2) ermittelt.

Der Sensor zur Messung der Flughöhe über Grund kann ein Radar-Höhenmesser sein.

Die Prädikitions-Vorgabe kann inbesondere eine Prädiktionszeit t_P oder eine Prädiktionsstrecke sein. Dabei kann die für die prädizierte Position (P2) prädizierte Flughöhe h_F aus der aktuellen Höhe über Grund h_G minus der Steigrate multipliziert mit der Prädiktionszeit ermittelt werden.

Weiterhin kann die Prädikitions-Vorgabe eine Flugrichtung oder ein Flugbahn-Abschnitt sein. Dabei kann die Flugrichtung wiederum eine Ist-Flugrichtung oder eine Soll- Flugrichtung und der Flugbahn-Abschnitt ein Sollbahn-Abschnitt oder ein aus Ist-Daten ermittelter Flugbahn-Abschnitt sein.

Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Warnsystem zur Tiefflugführung

– mit einem Warnungs-Generator zur Erzeugung von Warnungs-Ausgängen in Bezug auf eine prädizierte Position an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder einen Autopiloten,
– mit einem Modul zur Prädiktion einer Höhe für den Warnungs-Generator vorgesehen, bei dem
– eine Warnung basiert auf dem Erreichen, dem Überschreiten einer Warnungshöhen-Grenze (h^*) oder der Annäherung an dieselbe,
– in dem Prädiktions-Modul die Bestimmung der prädizierten Position (P2) aufgrund einer Prädiktions-Vorgabe erfolgt,
– das Höhenprädiktions-Modul aus der von einem Sensorsystem zugeführten Höhe des Flugzeugs über Grund h_G, einer für die prädizierte Position vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F , einer Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position (P1) und die prädizierte Position ermittelten Differenzhöhe Δh_P2 eine Abstandshöhe h^* ermittelt wird,

wobei die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position in einer Umgebung der prädizierten Position ermittelt wird,
wobei von der prädizierten Flughöhe h_F die Differenzhöhe Δh_P2 und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen werden, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Warnungs-Generator zur Tiefflugführung zur Erzeugung von Warnungs-Ausgängen in Bezug auf eine prädizierfe Position an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder einen Autopiloten vorgeschlagen,

– dem eine Sensorik mit einer Gelände-Datenbank sowie einem Berechnungsmodul zugeordnet ist zur Bestimmung der aktuellen Position des Flugzeugs in dem in der Gelände-Datenbank gespeicherten Gelände sowie einer Referenzhöhe h_DB des Geländes an der aktuellen Position, einer Sensorik und einem Modul zur Ermittlung einer vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F an der prädizierten Position, und Geländedaten in der Umgebung der prädizierten Position,
– dem ein Modul zur Prädiktion einer Abstandshöhe h^* zugeordnet ist,
– wobei in einem Prädiktions-Modul die Bestimmung der prädizierten Position (P2) aufgrund einer Prädiktions-Vorgabe erfolgt,
– wobei in einem Höhenprädiktions-Modul aus der vom Sensorsystem zugeführten Höhe des Flugzeugs 1 über Grund h_G, einer für die prädizierte Position P2 vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F, einer Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position P1 und die prädizierte Position P2 ermittelten Differenzhöhe Δh_P2 eine Abstandshöhe h^* ermittelt wird,

wobei die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position (P2) in einer Umgebung der prädizierten Position (P2) ermittelt wird,
wobei von der prädizierten Flughöhe h_F die Differenzhöhe Δh_P2 und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen werden, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Tiefflugführung für ein Flugzeug mit folgenden Schritten vorgeschlagen:

– Bestimmung der aktuellen Position des Flugzeugs in dem in einer Gelände-Datenbank gespeicherten Gelände sowie einer Referenzhöhe h_DB des Geländes an der aktuellen Position,
– Bestimmung der prädizierten Position aufgrund einer Prädiktions-Vorgabe,
– Ermittlung eine Abstandshöhe h^* aus einer von einem Sensorsystem zugeführten Höhe des Flugzeugs über Grund h_G, einer für die prädizierte Position vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F, einer Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position P1 und die prädizierte Position P2 ermittelten Differenzhöhe Δh_P2, wobei die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position P2 in einer Umgebung der prädizierten Position P2 ermittelt wird, wobei von der prädizierten Flughöhe h_F die Differenzhöhe Δh_P2 und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen werden, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten,
– Bewertung der Abstandshöhe h^* in Bezug auf zumindest eine Abstandshöhen-Grenze bewertet und aufgrund dieser Bewertung gegebenenfalls Warnsignale an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle übermittelt wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Figuren beschrieben, die zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gelände-Höhenprofils, eines Flugzeugs sowie verschiedener System-Daten zur Ermittlung einer Höhen-Differenz zu einer Sicherheitshöhe,
2 ein Funktionsschaltbild des erfindungsgemäßen Tiefflug-Führungssystems im Überblick mit einem Höhen-Prädiktionsmodul zur Ermittlung einer Sicherheits-Höhe,
3 in einem Funktions-Schaltbild wesentliche Funktionen des Höhen-Prädiktionsmoduls, und
4 eine schematische Darstellung der Punkte einer Geländedatenbank in der Umgebung eines für die Prädiktion maßgebenden Punktes P2, die zur Ermittlung der Sicherheits-Höhe gebildet wird.
1 zeigt zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Lösung schematisch ein Flugzeug 1, das sich im Tiefflug über einem Gelände 3, das als Geländeprofil dargestellt ist, fliegt. Dem Flugzeug ist eine Flugbahn 5 zugeordnet, die grundsätzlich dreidimensional ist und in der 1 als zweidimensionale prädizierte Flugbahn eingezeichnet ist. Zur weiteren Erklärung der Erfindung sind in der 1 geometrische Hilfsgrößen/Hilfslinien 9 eingetragen. Generell hat das Flugzeug 1 eine aktuelle Position in Bezug auf ein erdfestes Koordinatensystem, die durch zwei Dimensionen, z.B. den Längen- und Breitengrad, bestimmt ist. Die aktuelle Flugzeug-Position ist in der 1 mit dem Bezugszeichen P1 angedeutet.
Das erfindungsgemäße, zur Implementierung in ein Flugzeug 1 vorgesehene Tiefftlug-Führungssystem 10 weist einen Warnungs-Generator 11 auf, der ausgehend von Sensordaten zur Position P1 Warnungs-Ausgänge oder Warnungen in Bezug auf eine zukünftige, vorhergesehene oder prädizierte Position P2 ermittelt. Die Warnungen können an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder einen Autopiloten übermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Tiefflug-Führungssystem 10 umfasst neben dem Warnungs-Generator 11 eine Sensorik oder ein Sensorsystem 13, ein Modul 15 zur Prädiktion einer Höhe für den Warnungs-Generator 11 oder Höhenprädiktions-Modul 15, optional eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 17 sowie eine Eingabe-Vorrichtung 19 für die Flugzeug-Besatzung zur Initiierung der erfindungsgemäßen Betriebsart zur Durchführung der Tiefflugführung oder zur Eingabe erforderlicher Parameter. Anstelle einer Mensch-Maschine-Schnittstelle 17 kann ein Autopilot vorgesehen sein, der dem Tiefflug-Führungssystem 10 zugeordnet ist und der aufgrund der an diesen übermittelten Warnungen automatisch vorbestimmte Flugmanöver kommandiert oder an eine Flugsteuerung übermittelt.
Das Sensorsystem 13 umfasst eine Datenbank 21 mit geografisch referenzierten Höhen-Informationen. Diese Höhen-Informationen werden im folgenden kurz als Höhendaten 22 und die genannte Datenbank als Datenbank mit Höhendaten bezeichnet. Die Höhen-Informationen können Gelände-Daten, Kulturdaten wie Gebäude oder Bepflanzungen, Infrastruktur-Elemente oder militärische Bedrohungen oder eine Kombination derselben umfassen. Zu den Infrastruktur-Elementen können Strassen, Schienenwege oder Verkehrs- und Transportsysteme wie z.B. Seilbahnen gehören. Die Höhendaten sind üblicherweise und vorzugsweise digital abgespeichert.
Das Sensorsystem 13 umfasst außerdem weitere Sensorik und ein Berechnungsmodul zur Bestimmung der Position des Flugzeugs innerhalb der geografisch referenzierten Höhen-Informationen der Datenbank 21. Zu diesem Zweck umfasst die Sensorik 13 vorzugsweise weitere Sensoren, z.B. einen Radar-Höhenmesser sowie optional Inertialsensoren. Die Höhendaten 22 liegen primär in Form von Vektoren [z] mit Koordinaten Z1, Z2, Z3 vor. Alternativ können die Höhendaten 22 als Punktereihe in einem äquidistanten Grid, d.h. in einem Raster von Gitterpunkten vorliegen. Beispielsweise wird mit Z1 und Z2 die Länge und Breite auf einem erdfesten Koordinatensystem und mit Z3 die Höhe z.B. des Geländepunktes über einer Bezugshöhe bezeichnet. Die Höhenkoordinaten Z3 ergeben sich generell aus den jeweils verwendeten Höhendaten, d.h. abhängig davon, ob lediglich die Geländedaten oder außerdem weitere Daten, wie z.B. Kulturdaten, berücksichtigt werden.
Das Sensorsystem 13 dient weiterhin zur Ermittlung der aktuellen Steigrate
des Flugzeugs 1, die bei entsprechendem Vorzeichen auch eine Sinkrate sein kann. Im folgenden wird diese Größe kurz als Steigrate bezeichnet. Dazu kann eine Luftdaten-Sensorik 25 mit Luftdatensensoren und einem Berechnungsmodul vorgesehen sein, um insbesondere die Ermittlung der Steigrate
des Flugzeugs 1 vorzunehmen. Die Steigrate
kann jedoch auch aus einer anderen Sensorik oder Sensoreinheit des Flugzeugs, z.B. einer Inertialsensorik des Navigationssystems oder eines anderen Systems, ermittelt werden.
Als elementarer Teil der Sensorik 13 ist ein Sensor zur Messung der Höhe über Grund vorgesehen, wozu verschiedene Sensoren oder Geräte in Betracht kommen. Gerätetechnisch ist vorzugsweise der Sensor, mit dem die momentane Höhe des Flugzeugs 1 über Grund ermittelt wird, als Radar-Höhenmesser 27 realisiert. Anstelle des Radar-Höhenmessers kann auch ein Laser-Höhenmesser oder ein anderer Sensor nach dem Stand der Technik verwendet werden. Die Verwendung eines Radar-Höhenmessers oder noch besseren Höhenmessers ist vorteilhaft, da mit diesem eine relativ hohe Genauigkeit bei geringen Gerätekosten erreicht und somit der Flug in extremer Bodennähe sinnvoll unterstützt werden kann. Sensoren mit geringerer Genauigkeit würden Sicherheitsreserven erfordern, die die Mindest-Flughöhe vergrößern würde. Im Falle der Verwendung eines Radar-Höhenmessers 27 kann dieser identisch sein mit dem genannten Radar-Höhenmesser zur Ermittlung der Position des Flugzeugs 1 in den gespeicherten Höhendaten. Es können jedoch für diese Aufgaben auch verschiedene Geräte verwendet werden, da mit diesen Aufgaben unterschiedliche technische Anforderungen verbunden sind.
Zusammenfassend ist also festzustellen, dass die Sensorik 13 des erfindungsgemäßen Tiefflug-Führungssystems 10 auf verschiedene Weise realisiert sein und verschiedenartige Sensoren umfassen kann. Wesentlich ist, dass die Sensorik 13 folgende Daten ermittelt: die Höhe des Flugzeugs 1 über Grund h_G, die aktuelle Position P1 des Flugzeugs 1 in der Geländedatenbank und/oder eine aus den Geländedaten ermittelte Referenzhöhe h_DB ₍ _P1 ₎ des Geländes an der Position P1, die momentane Steigrate des Flugzeugs 1 und Geländedaten in der Umgebung der prädizierten Position P2.
Anstelle dieser Größen können auch Größen verwendet werden, aus denen die genannten Größen ableitbar sind.
Das Höhen-Prädiktionsmodul 15 ermittelt die prädizierte Position P2 aufgrund einer Prädiktions-Vorgabe, die ein Prädiktions-Parameter oder eine andere Prädiktions-Vorgabe sein kann. Bei der Verwendung eines Prädiktions-Parameters ist dieser in dem Höhen-Prädiktionsmodul 15 fest vorgegeben oder einstellbar. Dieser kann auch in zugeordneten Funktionen ermittelt werden. Der Prädiktions-Parameter ist eine Angabe 30 zur Ermittlung der Position P2 aus der Position P1 und weiterer Daten an der Position P2, und ist z.B. eine Prädiktionszeit t_P oder eine Prädiktionsstrecke. Zusätzlich oder alternativ können andere Prädiktions-Vorgaben, z.B. eine Flugrichtung oder ein Flugbahn-Abschnitt, also ein Bahnabschnitt im Raum mit Bezug auf ein erdfestes Koordinatensystem, verwendet werden. Die Flugrichtung kann eine Ist-Flugrichtung oder eine Soll-Flugrichtung oder allgemein eine Soll-Vorgabe, z.B. eine Steuer-Vorgabe sein. Analog kann der Flugbahn-Abschnitt ein Sollbahn-Abschnitt oder ein aus Ist-Daten ermittelter Flugbahn-Abschnitt sein. In den Fällen der Verwendung einer Flugrichtung oder Flugbahn zur Prädiktion von P2 ist die aktuelle Steigrate vorzugsweise nicht erforderlich. Dabei können die Flugbahnen auch von der Steigrate abhängig sein. Die Prädiktions-Parameter oder Daten zur Ermittlung der Position P2 aus der Position P1 können auch aus einer Kombination der genannten Größen ermittelt werden.
Diese Prädiktions-Vorgaben und insbesondere die Prädiktions-Parameter werden allgemein in Form von Daten, die in der 3 mit [x] bezeichnet sind, übermittelt bzw. verarbeitet. Dabei können die Prädiktions-Vorgaben manuell in das Tiefflug-Führungssystem 10 bzw. Höhen-Prädiktionsmodul 15 eingegeben werden oder aus einem zugeordneten System, z.B. einem Autopiloten oder auch dem Sensorsystem 13 zugeführt werden. In der Darstellung der 3 werden die Daten [x] aus dem Navigationssystem 20 zugeführt. Bei diesen Daten kann es sich also um einen Wert z.B. für eine Zeitangabe oder Strecke, oder um einen Vektor x → z.B. für die Flugrichtung oder um einen Datensatz z.B. für einen Flugbahn-Abschnitt handeln. Geeignete Daten, insbesondere die Prädiktionszeit t_P oder Prädiktionsstrecke, können im Tiefflug-Führungssystem 10 bzw. Höhen-Prädiktionsmodul 15 auch fest vorgegeben oder manuell in diesem einstellbar sein.
Die Prädiktionsparameter, also insbesondere die Prädiktionszeit t_P, und/oder die weiteren Prädiktions-Vorgaben hängen von den Flugeigenschaften des Flugzeugs 1 und der Leistungsfähigkeit des in diesem implementierten Systems oder auch von der Einsatzart des Flugzeugs 1 ab. Diese können auch speziell für bestimmte Einsatzarten festgelegt und im Höhen-Prädiktionsmodul verfügbar sein.
Das Höhenprädiktions-Modul 15 ist in der 3 dargestellt. Dieses ermittelt aus der vom Sensorsystem 13 zugeführten Höhe des Flugzeugs 1 über Grund h_G, einer für die Position P2 vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F, einer für die Position P2 ermittelten Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten für die Position P2 ermittelten Differenzhöhe Δh_P2 eine Abstandshöhe h^* oder Warnhöhe h_Warn als eine von der Abstandshöhe h^* abgeleitete Größe. Diese Abstandshöhe h^* oder Warnhöhe h_Warn wird dem Warnungs-Generator 11 zugeführt, der entsprechende Warnsignale an die Mensch-Maschine-Schnittstelle übermittelt.
Zur Bestimmung der Differenzhöhe Δh_P2 wird eine für die Position P2 prädizierte Flughöhe h_F vorzugsweise aus der aktuellen Höhe über Grund h_G minus der Steigrate multipliziert mit der Prädiktionszeit ermittelt. Analog kann bei Verwendung der alternativen Prädiktions-Parameter verfahren werden. Von der prädizierten Flughöhe h_F werden die Differenzhöhe Δh_P2 und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten. Daraus kann optional noch eine Abstandshöhe h^* abgeleitet werden. Dabei ist in bekannter Weise eine einheitliche Festlegung der Vorzeichen vorzunehmen, so dass auch negative Werte verarbeitet werden können.
Die für die Position P2 vorausberechnete Flughöhen-Differenz Δh_F wird aus dem aktuellen Flugzustand des Flugzeugs 1 ermittelt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Flughöhen-Differenz Δh_F aus der aktuellen Steigrate des Flugzeugs 1 multipliziert mit der die Prädiktionszeit t_P als Prädiktionsparameter ermittelt wird.
Die aus Höhendaten für die Position P2 ermittelte Differenzhöhe Δh_P2 wird aus der Differenz zwischen einer Geländedaten-Höhe Z3 an der Position P2 und einer Referenzhöhe H₀ an der Position P2 ermittelt. Die Referenzhöhe H₀ ist vorzugsweise gleich dem Wert der Höhenkoordinate Z3 eines Postions- bzw. Geländepunktes der Datenbank 21 mit geografisch referenzierten Höhen-Informationen, der der aktuellen Position P1 des Flugzeugs 1 entspricht oder der aus dieser abgeleitet ist. Da die Höhendaten vorzugsweise digital vorliegen, kann sich der der Position P1 zugeordnete Positionspunkt durch ein Näherungsverfahren ergeben.
Die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP an dem Positionspunkt P2 wird aus der jeweiligen Höhen-Koordinate Z3 der Höhendaten 22 ermittelt. Genauer gesagt wird die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP generell aus einem Vergleich der Werte der Höhen-Koordinate Z3 der Höhendaten in einer bestimmten Umgebung U der Position P2 mit dem Höhenwert der Positionspunktes P2 gebildet. In einer bevorzugten Alternative wird die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP durch die Differenz des Wertes der Höhen-Koordinate Z3 des Positionspunktes P2 und des Höhen-Koordinatenwerts Z3 des höchsten Punktes in der Umgebung der Position P2 ermittelt, falls es einen Punkt in der Umgebung gibt, der einen größeren Höhenwert besitzt als der Positionspunkt P2. Falls es keinen Punkt in der Umgebung U gibt, der einen größeren Höhenwert besitzt als der Positionspunkt P2, wird die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP gleich Null gesetzt. Die Ermittlung der Differenz kann durch Gleichsetzen des Differenzwertes bzw. des Wertes Null mit der Sicherheits-Höhe Δh_WCTP oder zusätzlich unter Einbeziehung einer arithmetischen Funktion wie z.B. einer Faktorisierung (z.B. mit einem zusätzlichen Sicherheitsfaktor) oder einer Addition (ein Offset) gebildet werden. ???? Die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP kann auch mittels anderer mathematischer Verfahren, z.B. mittels statistischer Verfahren oder mittels der Wahrscheinlichkeitsrechnung bestimmt werden.
Zur Bestimmung der Umgebung U wird vorzugsweise eine geometrische Figur um den Positionspunkt P2 angenommen und dieser in algorithmischer Weise dem Positionspunkt P2 zugeordnet. Deren Größe und in besonderen Anwendungsfällen auch deren Form kann aus Flugzustandsgrößen oder Parametern des System-Zustands abgeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Größe bzw. die Form der geometrischen Figur in vorbestimmter Weise festgelegt sein. Insbesondere in diesem Fall wird die Größe bzw. die Form der geometrischen Figur gleich dem Systemfehler TSE („total system error") gesetzt. Der Systemfehler wird vorzugsweise aus dem horizontalen Fehler der Höhendaten 22 der Datenbank 21 und/oder aus dem dreidimensionalen Fehler des Navigationssignals und/oder Abweichung vom Sollflugpfad (PSE, „path steering error") gebildet.
Vorzugsweise wird als Form der geometrischen Figur ein Kreis, eine Ellipse, ein Quadrat oder ein Rechteck verwendet. Zur fiktiven Positionierung der geometrischen Figur wird der Flächenschwerpunkt oder gegebenenfalls eine andere entsprechende geometrische Bezugsgröße identisch gesetzt mit dem Positionspunkt P2. Zur Bestimmung der Sicherheits-Höhe Δh_WCTP wird innerhalb der festgelegten Umgebung U derjenige höchste Punkt der Höhendaten, der ein Geländepunkt P3 und/oder ein Kultur- oder Hindernispunkt sein kann (Punkt P4).
Nach dem in der 4 dargestellten Beispiel ist die geometrische Figur ein Kreis. Zur Ermittlung der Sicherheits-Höhe Δh_WCTP wird mittels eines entsprechenden Algorithmus dessen Mittelpunkt in den Positionspunkt P2 gelegt und die Höhen-Koordinatenwerte der Höhendatenpunkte innerhalb dieses Kreises mit dem Höhen-Koordinatenwert des Positionspunktes P2 verglichen. In dem in der 4 dargestellten Beispiel ist die Höhe P4 größer als die Höhe P3. Die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP ergibt sich dann insbesondere aus dem Höhen-Koordinatenwert des höchsten Punktes in der ermittelten Umgebung abzüglich des Höhen-Koordinatenwerts des prädizierten Position P2, falls diese Differenz positiv ist, oder andernfalls dem Wert Null, gegebenenfalls jeweils unter Berücksichtigung einer weiteren Funktion.
Die für die Position P2 ermittelte Abstandshöhe h^* wird dem Warnungs-Generator 11 zugeführt, der die Abstandshöhe h^* bewertet und aufgrund dieser Bewertung gegebenenfalls Warnsignale an die Mensch-Maschine-Schnittstelle übermittelt.
In dem Warnungs-Generator 11 wird zur Bewertung der Annäherungssituation des Flugzeugs an das Gelände oder allgemein an ein Hindernis mittels der Abstandshöhe h^* zumindest eine Abstandshöhen- oder Warnungs-Grenze h_warn implementiert. Diese Warnungs-Grenze kann h^* selbst sein oder mittels einer Funktion unter der Verwendung von h^* und insbesondere unter der Verwendung der Ableitung von h^* nach der Zeit, also dh^*/dt, sein. Eine prädizierte Annäherung des Fluggerätes an dieselbe in einem vorbestimmten Maße oder ein prädiziertes Überschreiten derselben in einem vorbestimmten Maße oder ein prädiziertes Erreichen wird gleichgesetzt einer zu starken Annäherung des Fluggerätes an das Gelände an der prädizierten Position P2, so dass in dieser Situation der Pilot entsprechend zu warnen ist.
Es ist zumindest eine Abstandshöhen-Grenze vorgesehen, die vorbestimmt sein kann oder abhängig vom Flugzustand und insbesondere von der Flugzeug-Geschwindigkeit oder der Annäherungsgeschwindigkeit des Flugzeugs an ein Hindernis, von der Aktivierung einer Betriebsart des Flugzeugsystems oder anderer Systemzustände sein.
In einer Ausführungsform des Warnungs-Generators 11 sind drei Warnungshöhen-Grenzen implementiert, so dass das Warnsignal W1 und/oder W2 verschiedene Warnsignale erhält, je nachdem, ob ein Erreichen der jeweiligen Warnungshöhen-Grenze durch die Abstandshöhe h^* bejaht wird.
In einer weiteren Ausführungsform werden zwei Warnungshöhen-Grenzen verwendet und die Warnungen gemischt visuell und akustisch erzeugt. Eine erste akustische Warnung erfolgt bei Überschreiten der entsprechenden ersten Warnungshöhen-Grenze, die die größte Höhe von allen Warnungshöhen-Grenzen aufweist. Nach dem Überschreiten dieser ersten Warnungshöhen-Grenze erfolgt zusätzlich zu der akustischen Warnung eine visuelle Darstellung auf dem HUD. Dabei ist vorzugsweise eine Darstellung in Form eines Pfeiles vorgesehen, die der Crew entsprechende Hochzieh-Anweisungen gibt. Erst nach dem Überschreiten der zweiten Warnungshöhen-Grenze, die als unmittelbare Kollisionsgefahr des Fluggerätes mit dem Boden gewertet wird, wird eine letzte akustische Warnung zum Hochziehen des Flugzeugs an den Piloten übermittelt. Die Bestimmung dieser letzten Warnung erfolgt vorzugsweise auf der Annahme von extrem kurzen Reaktionszeiten und maximal zulässigen Lastfaktoren der Crew sowie maximalen Werten für Rollrate, Nickrate und Gierrate des Flugzeugs. Zusätzlich kann hierbei auch ein Sicherheitsabstand oder ein Sicherheitsfaktor angewendet werden.
In einer alternativen Ausführungsform des Tieflug-Führungssystems erzeugt das Tonerzeugungs-Modul 42 bei Erreichen einer ersten Warnungshöhen-Grenze ein in einer ersten Frequenz gepulstes Tonsignal, bei Erreichen einer zweiten Warnungshöhen-Grenze ein konstantes Tonsignal, und bei Erreichen einer dritten Warnungshöhen-Grenze ein in einer zweiten Frequenz gepulstes Tonsignal, wobei die zweite Frequenz unmittelbar erkennbar größer, z.B. zweifach größer ist als die erste Frequenz. Der zweiten Warnungshöhen-Grenze wird dabei einer Abstandshöhe h^* zugeordnet, die geringer ist als die der ersten Warnungshöhen-Grenze zugeordneten Abstandshöhe h^*. Dies gilt in diesem Ausführungsbeispiel analog auch für die dritte und zweite Grenze. Optional kann bei Erreichen der dritten Warnungshöhen-Grenze die Frequenz variabel und zwar proportional einer Vergrößerung der Unterschreitung der dritten Warnungshöhen-Grenze gestaltet sein.

Claims

Tiefflug-Führungssystem für Flugzeuge – mit einem Warnungs-Generator (11) zur Erzeugung von Warnungs-Ausgängen in Bezug auf eine prädizierte Position (P2) an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder einen Autopiloten, – mit einer Sensorik (13) mit einer Gelände-Datenbank (21) sowie einem Berechnungsmodul zur Bestimmung der aktuellen Position (P1) des Flugzeugs (1) in dem in der Gelände-Datenbank (21) gespeicherten Gelände sowie einer Referenzhöhe h_DB des Geländes an der aktuellen Position (P1), einer Sensorik und einem Modul zur Ermittlung einer vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F an der prädizierten Position (P2), und Geländedaten in der Umgebung U der prädizierten Position P2, – mit einem Modul (15) zur Prädiktion einer Höhe für den Warnungs-Generator (11), dadurch gekennzeichnet, – dass eine Warnung basiert auf dem Erreichen, dem Überschreiten einer Warnungshöhen-Grenze (h^*) oder der Annäherung an dieselbe, – dass dem Prädiktions-Modul die Bestimmung der prädizierten Position (P2) aufgrund einer Prädiktions-Vorgabe erfolgt, – dass das Höhenprädiktions-Modul (15) als Abstandshöhen-Grenze aus der vom Sensorsystem (13) zugeführten Höhe des Flugzeugs 1 über Grund h_G, einer für die prädizierte Position P2 vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F, einer Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position (P1) und die prädizierte Position (P2) ermittelten Differenzhöhe Δh_P2 eine Abstandshöhe h^* ermittelt wird, wobei die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position (P2) in einer Umgebung der prädizierten Position (P2) ermittelt wird, wobei von der prädizierten Flughöhe h_F(P2) die Differenzhöhe Δh_P2 und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen werden, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten.
Tiefflug-Führungssystem nach dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Messung der Flughöhe über Grund ein Radar-Höhenmesser ist.
Tiefflug-Führungssystem nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädikitions-Vorgabe eine Prädiktionszeit t_P oder eine Prädiktionsstrecke ist.
Tiefflug-Führungssystem nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die prädizierte Position (P2) prädizierte Flughöhe h_F aus der aktuellen Höhe über Grund h_G minus der Steigrate multipliziert mit der Prädiktionszeit ermittelt wird.
Tiefflug-Führungssystem nach dem Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädikitions-Vorgabe eine Flugrichtung oder ein Flugbahn-Abschnitt ist.
Tiefflug-Führungssystem nach dem Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flugrichtung eine Ist-Flugrichtung oder eine Soll-Flugrichtung ist.
Tiefflug-Führungssystem nach dem Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flugbahn-Abschnitt ein Sollbahn-Abschnitt oder ein aus Ist-Daten ermittelter Flugbahn-Abschnitt ist.
Warnsystem zur Tiefflugführung – mit einem Warnungs-Generator (11) zur Erzeugung von Warnungs-Ausgängen in Bezug auf eine prädizierte Position (P2) an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder einen Autopiloten, – mit einem Modul (15) zur Prädiktion einer Höhe für den Warnungs-Generator (11), dadurch gekennzeichnet, – dass eine Warnung basiert auf dem Erreichen, dem Überschreiten einer Warnungshöhen-Grenze (h^*) oder der Annäherung an dieselbe, – dass in dem Prädiktions-Modul die Bestimmung der prädizierten Position (P2) aufgrund einer Prädiktions-Vorgabe erfolgt, – dass das Höhenprädiktions-Modul (15) aus der von einem Sensorsystem (13) zugeführten Höhe des Flugzeugs 1 über Grund h_G, einer für die prädizierte Position P2 vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F, einer Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position (P1) und die prädizierte Position (P2) ermittelten Differenzhöhe Δh_P2 eine Abstandshöhe h^* ermittelt wird, wobei die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position (P2) in einer Umgebung der prädizierten Position (P2) ermittelt wird, wobei von der prädizierten Flughöhe h_F die Differenzhöhe Δh_P2und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen werden, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten.
Warnungs-Generator zur Tiefflugführung zur Erzeugung von Warnungs-Ausgängen in Bezug auf eine prädizierte Position (P2) an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle oder einen Autopiloten, – dem eine Sensorik (13) mit einer Gelände-Datenbank (21) sowie einem Berechnungsmodul zugeordnet ist zur Bestimmung der aktuellen Position (P1) des Flugzeugs (1) in dem in der Gelände-Datenbank (21) gespeicherten Gelände sowie einer Referenzhöhe h_DB des Geländes an der aktuellen Position (P1), einer Sensorik und einem Modul zur Ermittlung einer vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F an der prädizierten Position (P2), und Geländedaten in der Umgebung der prädizierten Position P2, – dem ein Modul (15) zur Prädiktion einer Abstandshöhe h^* zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, – dass dem Prädiktions-Modul die Bestimmung der prädizierten Position (P2) aufgrund einer Prädiktions-Vorgabe erfolgt, – dass das Höhenprädiktions-Modul (15) aus der vom Sensorsystem (13) zugeführten Höhe des Flugzeugs 1 über Grund h_G, einer für die prädizierte Position P2 vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F, einer Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position (P1) und die prädizierte Position (P2) ermittelten Differenzhöhe Δh_P2 eine Abstandshöhe h^* ermittelt wird, wobei die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position (P2) in einer Umgebung der prädizierten Position (P2) ermittelt wird, wobei von der prädizierten Flughöhe h_F die Differenzhöhe Δh_P2 und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen werden, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten.
Verfahren zur Tiefflugführung für ein Flugzeug (1) mit folgenden Schritten: – Bestimmung der aktuellen Position (P1) des Flugzeugs (1) in dem in einer Gelände-Datenbank (21) gespeicherten Gelände sowie einer Referenzhöhe h_DB des Geländes an der aktuellen Position (P1), – Bestimmung der prädizierten Position (P2) aufgrund einer Prädiktions-Vorgabe, – Ermittlung eine Abstandshöhe h^* aus einer von einem Sensorsystem (13) zugeführten Höhe des Flugzeugs (1) über Grund h_G, einer für die prädizierte Position (P2) vorausberechneten Flughöhen-Differenz Δh_F, einer Sicherheits-Höhe Δh_WCTP sowie einer aus Geländedaten in Bezug auf die aktuelle Position (P1) und die prädizierte Position (P2) ermittelten Differenzhöhe Δh_P2, wobei die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP aus der Differenz aus der Höhe des höchsten Punktes und der Höhe der prädizierten Position (P2) in einer Umgebung der prädizierten Position (P2) ermittelt wird, wobei von der prädizierten Flughöhe h_F die Differenzhöhe Δh_P2 und die Sicherheits-Höhe Δh_WCTP abgezogen werden, um die Abstandshöhe h^* zu erhalten, – Bewertung der Abstandshöhe h^* in Bezug auf zumindest eine Abstandshöhen-Grenze bewertet und aufgrund dieser Bewertung gegebenenfalls Warnsignale an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle übermittelt wird.