DE102005031439A1 - Satellite linked simulation system is used to provide aircraft flight management to prevent mid air collisions - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein sattelitengestütztes System zur Warnung vor Kollisionen und zum Verkehrsmanagement von Vehikeln, wie Luftfahrzeugen.The The invention relates to a satellite-based warning system Collisions and traffic management of vehicles, such as aircraft.
Zur Verkehrswarnung und zur Kollisionsvermeidung im Luftverkehr sind in Luftfahrzeugen boardseitig häufig TCAS II-Systeme (Traffic Alert and Collision Avoidance System) installiert. Bei TCAS II wird permanent der Luftraum beobachtet und die Piloten werden rechzeitig vor einer drohenden gefährlichen Begegnung mit einem sich nähernden Flugzeug gewarnt. In kritischen Fällen können zu dem sinnvolle Ausweichanweisungen erteilt werden. Das TCAS II-System ist ein von praktisch allen Fluggesellschaften anerkanntes Sicherheitssystem. Beispielsweise müssen alle im US-Amerikanischen Luftraum fliegende Passagierflugzeuge mit mehr als 30 Sitzplätzen mit einem TCAS II ausgerüstet sein.to Traffic warning and collision avoidance in aviation are in aircraft board often TCAS II (Traffic Alert and Collision Avoidance System) systems installed. TCAS II permanently monitors the airspace and the pilots be in time before a threatening dangerous encounter with a approaching Aircraft warned. In critical cases, you may want to make meaningful fallback instructions be granted. The TCAS II system is one of virtually all airlines approved security system. For example, all in the US Airspace flying passenger aircraft with more than 30 seats with equipped with a TCAS II be.
Um von einer Flugsicherung erkannt werden zu können, gehört beim TCAS II zur Standardausstattung von Verkehrsflugzeugen ein so genannter Transponder, der i.a. auf zwei Frequenzen, nämlich 1030 MHz bei Abfrage und von 1090 MHz bei der Antwort, verschiedene Informationen, wie beispielsweise Kennung, Flughöhe und Geschwindigkeit übermittelt.Around Being recognized by an air traffic control system is a standard feature of the TCAS II of commercial aircraft a so-called transponder i.a. on two frequencies, namely 1030 MHz at query and 1090 MHz at the answer, various information, such as identifier, altitude and speed transmitted.
Hierbei benutzt TACS-II diese Transponderprinzip zur Datenerfassung. Zwei oben und unten am Flugzeugrumpf installierte Antennen funken in jeder Sekunde in alle Richtungen ein Fragesignal in den Luftraum. Empfängt der Transponder eines anderen Flugzeugs diese Signale, so antwortet dessen Transponder je nach Bauart mit den Informationen Entfernung, Flug richtung und Flughöhe.in this connection TACS-II uses this transponder principle for data acquisition. Two Antennas installed at the top and bottom of the fuselage spark in every second in all directions a question signal into the airspace. receives the transponder of another aircraft answers these signals, so answers its transponder depending on the design with the information removal, Flight direction and altitude.
Der im TCAS II vorgesehen Computer berechnet aus den erhaltenen Informationen eine Annäherungsgeschwindigkeit sowie die Zeit bis zu dem Punkt der nächsten Annäherung (CPA: "Closest Point of Approach"). Die Zeit ist die für die weiteren Berechnungen relevante Größe. Nur so ist garantiert, dass den Piloten bei einer eventuellen Warnung oder Ausweichanweisung genügend Zeit zum Reagieren bleibt, und zwar unabhängig von der Geschwindigkeit, mit welcher sich die Flugzeuge aufeinanderzubewegen. Zusätzlich wird in Abhängigkeit von der Flughöhe die Reaktionszeit verlängert, um dadurch den höhenabhängigen Leistungsverlust von Triebwerken auszugleichen.Of the computer provided in the TCAS II calculated from the information received a rapprochement speed and the time to the point of closest approach (CPA: "Closest Point of Approach ") Time is for the further calculations relevant size. Only so is guaranteed that the pilot in case of a warning or avoidance instruction enough Time to react, regardless of speed, with which the planes move towards each other. In addition will dependent on from the altitude lengthens the reaction time, thereby the height-dependent power loss of engines.
Liegt eine potentielle Bedrohung vor, so sieht das TCAS II-System vier Informations- und Anweisungsstufen vor, welche im Cockpit optisch und akustisch wiedergegeben/dargestellt werden. Hierbei ist das Schutzfeld, welches das TCAS II-System um ein Flugzeug aufbaut, in den drei Dimensionen begrenzt. Im allgemeinen hat es einen Durchmesser von etwa 25 km und eine Höhe von etwa 2 km. Das System verfolgt die Flugbewegungen von bis zu 45 Flugzeugen in diesem Schutzschild, wovon ein Großteil zur Anzeige gebracht werden kann. Hierbei können Annäherungsgeschwindigkeiten von bis zu 1200 Knoten (etwa 2220 km/h) und vertikale Annäherungsgeschwindigkeiten von 0 bis 10.000 ft/min vom Prozessor verarbeitet werden.Lies a potential threat, the TCAS II system sees four information and instruction levels, which in the cockpit visually and acoustically be reproduced / represented. Here is the protective field, which the TCAS II system builds around an aircraft, in the three dimensions limited. In general, it has a diameter of about 25 km and a height from about 2 km. The system keeps track of aircraft movements up to 45 aircraft in this shield, much of it for display can be brought. Here you can approach speeds up to 1200 knots (about 2220 km / h) and vertical approach speeds from 0 to 10,000 ft / min from the processor.
Erst wenn ein anderes Flugzeug in das Schutzfeld eindringt, wird eine Verkehrsinformation angezeigt. Hierzu erscheinen auf den Navigationsbildschirmen im Cockpit je nach potentieller Gefahr unterschiedlichen Symbole, lediglich bei dem Symbol RA (Resolution Advisory = dringende Empfehlung) wird im TCAS II-System angezeigt, dass eine akute Kollisionsgefahr besteht. Hierbei liegt der Zeitraum bis zu einer möglichen Kollision zwischen 15 und 35 Sekunden.First if another aircraft enters the protective field, a Traffic information displayed. These appear on the navigation screens in the cockpit depending on the potential danger different symbols, only at the symbol RA (Resolution Advisory) indicated in the TCAS II system that there is an acute risk of collision. Here is the period of time until a possible collision between 15 and 35 seconds.
Zusätzlich erscheint beispielsweise auf der Fluglagen-Anzeige eine Manöveranzeige, die je nach Situation ein sofortiges Steigen oder Sinken fordert; diese Anzeige wird noch durch ein akustisches Signal unterstützt. In einem solchen Fall befolgt die Cockpit-Besatzung die Resolution Advisory (RA) unverzüglich und leitet entsprechend der Manöveranzeige einen Steig- oder Sinkflug ein. Hierbei handelt es sich im aufgezeigten Beispiel um eine korrigierende RA, vorsorgliche oder präventive RA verlangen kein Ausweichmanöver, sondern fordern den Piloten auf, den momentanen Flugweg exakt beizubehalten.Additionally appears for example on the attitude display a maneuver display, which, depending on the situation, requires an immediate rise or fall; these Display is still supported by an acoustic signal. In In such a case, the cockpit crew obeys the resolution Advisory (RA) immediately and directs according to the maneuver display a climb or descent. This is in the indicated Example by a corrective RA, precautionary or preventive RA require no evasive maneuver, but ask the pilot to maintain the current flight path exactly.
Falls beide Flugzeuge über den entsprechenden Transponer verfügen, kommt es beim TCAS II-System zu einer koordinierten Resolution Advisory, dabei ist eine kurzfristige Flugwegänderung beider Flugzeuge vorgesehen, und zwar ausschließlich Ausweichmanöver in vertikaler Richtung. Nach der Ausführung der Resolution Advisory kehren die Piloten umgehend auf ihre ursprüngliche Flughöhe zurück und informieren die zuständige Flugsicherungsstelle.If both planes over have the appropriate transponder, it comes with the TCAS II system to a coordinated resolution advisory, this is a short-term Flugwegänderung Both aircraft provided, and only avoidance maneuvers in vertical Direction. After the execution The Resolution Advisory will immediately return the pilots to their original one altitude back and inform the responsible Air traffic control center.
Hierzu ist festzustellen, dass die Leistungsfähigkeit eines TCAS II-Systems abhängig von dem Transpondertyps des sich nähernden Flugzeug ist. Bestimmte Transponder übermitteln keine Höheninformation; aus Sicherheitsgründen geht dann dass TCAS II-System davon aus, dass sich der Eindringling in der gleichen Flughöhe befindet und gibt Verkehrsinformationen, eine Ausweichanweisung unterbleibt. Flugzeuge ohne Transponder mit ausgeschaltetem Gerät oder mit einigen Transpondertypen rus sischer Bauart, die TCAS II nicht erkennen, bleiben für das Warnsystem unsichtbar, das bedeutet, eine Warnung oder eine Ausweichanweisung unterbleibt.For this is to determine that the performance of a TCAS II system dependent of the transponder type of the approaching aircraft. Certain Transmit transponder no height information; for safety reasons then goes that TCAS II system assumes that the intruder at the same altitude is located and gives traffic information, an alternate instruction omitted. Aircraft without transponder with the device switched off or with some types of transponders of Russian design that do not recognize TCAS II stay for the warning system invisible, that means a warning or a Avoidance instruction is omitted.
Das TCAS II-System gibt Cockpit-Besatzungen Informationen, ist jedoch nicht in der Lage, ein Manöver selbst durchzuführen. Ob und wie eine Resolution Advisory befolgt wird, liegt hier in der Verantwortung des Piloten.The TCAS II system gives cockpit crew information, however unable to make a maneuver to perform yourself. Whether and how a Resolution Advisory will be followed, is in here the responsibility of the pilot.
In Cockpits moderner Verkehrsflugzeuge sind häufig noch weitere Sicherheitssysteme installiert. Ein Share Wind-Warnsystem warnt vor kritischen drehenden Winden. Hierbei schützt eine sogenannte Stall-Warnung das Flugzeug vor einem Strömungsabriss. Ein Boden-Annäherungs-Warnsystem GPWS (Ground Proximity Warning System) reagiert bei einer zu großen Annäherungsrate an den Boden mit optischen und akustischen Signalen.In Cockpits of modern commercial aircraft are often more safety systems Installed. A share wind warning system warns of critical spinning winds. This protects one so-called stall warning the plane from stalling. A GPWS Ground Approach Warning System (Ground Proximity Warning System) reacts at too high a rate of approach to the ground with optical and acoustic signals.
Momentan wird damit begonnen, auf ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)-Systeme umzuschalten. Diese in Flugzeugen installierten Systeme senden Identifizierungs- und Positionsdaten aus. Diese neue Technologie erlaubt es, Piloten in den Cockpits und Fluglotsen auf dem Boden den Luftverkehr mit einer höheren Präzision „zu sehen", als es bisher möglich war. Das in der Einführung begriffene ADS-B-System soll Fliegen sicherer machen und eine effizientere Nutzung des Luftraums ermöglichen.Currently is being started on ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) systems switch. These aircraft-mounted systems send identification and position data. This new technology allows pilots in the cockpits and air traffic controllers on the ground with the air traffic a higher one Precision "to see", as it was previously possible. That in the introduction The purpose of the ADS-B system is to make flying safer and more efficient Allow use of the airspace.
Bei dem ADS-B-System wird die genaue Position eines Flugzeugs im Luftraum über ein digitales Datenlink zusammen mit anderen Daten übermittelt, wie Fluggeschwindigkeit, Flughöhe und die Information, ob das Flugzeug eine Kurve fliegt, steigt oder sinkt. ADS-B-Empfänger, die in dem Luftfahrt-Kontrollsystem integriert oder an Bord eines anderen Flugzeugs installiert sind, versorgen die Nutzer mit einer genauen Wiedergabe des Luftverkehrs in Echtzeit, und zwar sowohl in der Luft als auch auf dem Boden.at The ADS-B system is the exact position of an aircraft in the air above transmitted digital data link together with other data, such as airspeed, altitude and the information as to whether the aircraft is flying a curve rises or falls. ADS-B receiver, integrated in the aviation control system or aboard a other aircraft are installed, provide the users with a accurate reproduction of aviation in real time, both in the air as well as on the ground.
Im Unterschied zu herkömmlichem Radar arbeitet das ADS-B-System bei niedrigen Flughöhen und am Boden, so dass es auch dazu verwendet werden kann, den Verkehr auf dem Rollfeld und den Start- und Landebahnen eines Flughafens zu überwachen. Es ist auch in entfernteren Bereichen oder bei hügeligem Terrain effektiv, wenn es keine Erfassung durch Radar gibt oder die Erfassung durch Radar begrenzt ist. Eines der größten Vorteile des ADS-B-Systems liegt darin, dieselbe Information in Echtzeit (Real-Time) sowohl Piloten in Flugzeug-Cockpits als auch Fluglotsen am Boden zu übermitteln, so dass beide dieselben Datenpakete „sehen".in the Difference to conventional Radar operates the ADS-B system at low altitudes and on the ground, so it can also be used to traffic on the runway and the runways of an airport to monitor. It is also effective in more remote areas or hilly terrain when there is no detection by radar or detection by radar is limited. One of the biggest advantages of the ADS-B system lies therein, the same information in real time (Real-time) both pilots in aircraft cockpits and air traffic controllers to transmit on the ground so that both "see" the same data packets.
Das ADS-B-System beruht auf einem satellitengestützten globalen Positioniersystem, mit welchem eine genaue Position eines Flugzeugs im Luftraum zu bestimmen ist. Das System übersetzt die Position in einen digitalen Code, welche mit anderen Informationen, wie Flugzeugtyp, dessen Fluggeschwindigkeit, dessen Flugnummer und wiederum mit den Informationen versorgt, ob das Flugzeug eine Kurve fliegt, steigt oder sinkt. Hierbei wird der digitale Code, der alle diese Informationen enthält, mehrmals pro Sekunde aktualisiert und von dem Flugzeug auf einer diskreten Frequenz gesendet, Andere Flugzeug- und Bodenstationen im Umkreis von etwa 150 Meilen empfangen die Datalink-Übertragung und zeigen die Information auf einem Computer-Bildschirm. Piloten im Cockpit sehen den Luftverkehr auf einem im Cockpit untergebrachten Luftverkehr-Informationsdisplay (CDTI: Cockpit Display of Traffic Information). Die Fluglotsen am Boden können die ADS-B-Targets auf ihrem regulären Bildschirm zusammen mit anderen Radar-Targets sehen.The ADS-B system is based on a satellite-based global positioning system with which a precise position of an aircraft in the airspace too determine is. The system translates the position in a digital code, which with other information, such as aircraft type, its airspeed, its flight number and in turn, supplied with the information, whether the aircraft is a curve flies, rises or falls. Here is the digital code, all contains this information, Updated several times per second and from the plane on one discrete frequency sent, Other aircraft and ground stations Within about 150 miles receive the Datalink transmission and show the information on a computer screen. pilots in the cockpit see the air traffic on an in the cockpit accommodated Air Traffic Information Display (CDTI: Cockpit Display of Traffic Information). The air traffic controllers on the ground can use the ADS-B targets on their own regular See screen together with other radar targets.
Abgesehen von dem gerade eingeführten ADS-B-System wird im allgemeinen nur eine aktive und/oder passive terrestrische Radarüberwachung, vereinzelt auch mit GPS-Positionsmitteilung durchgeführt. Allerdings gibt es in manchen Teilen der Welt überhaupt keine terrestrische Überwachung, obwohl genügend Satelliten verfügbar wären.apart from the ADS-B system just introduced is generally only an active and / or passive terrestrial Radar monitoring, isolated also performed with GPS position notification. However, there are in some parts of the world at all no terrestrial surveillance, although enough Satellites available would.
Überwiegend wird eine Radarkontrolle durchgeführt. Nur sehr eingeschränkt werden Navigationsdaten, wie Position, durchgegeben, allerdings ohne dass Beschleunigungswerte und Controller-Stellungen eingebunden werden. Damit sind jedoch drohende Kollisionen nicht zuverlässig genug vorhersehbar; obendrein ist das Datenmaterial nicht gut genug. Zudem werden bestenfalls Positionen und Geschwindigkeiten ermittelt, womit nur kurzfristig lineare Prädiktionen einer Flugbahn bzw. einer Schiffsroute möglich sind.Mostly a radar check is carried out. Only be very limited Navigation data, such as position, passed, but without that Acceleration values and controller positions are integrated. However, impending collisions are not reliably predictable enough; On top of that, the data is not good enough. In addition, at best Positions and speeds determined, thus only in the short term linear predictions a trajectory or a ship route are possible.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Luftfahrt oder die Schifffahrt effektiv zu überwachen und Kollisionen zwischen Vehikeln, wie Luftfahrzeugen bzw. Schiffen frühzeitig verhindern zu können.task The invention is the aviation or shipping effectively to monitor and collisions between vehicles, such as aircraft or ships early to be able to prevent.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem satellitengestützten System zur Warnung vor Kollisionen und zum Verkehrsmanagement von Luftfahrzeugen durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Wei terbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. Darüber hinaus kann das System auch zur Warnung vor Kollisionen und zum Verkehrsmanagement von Schiffen anstelle von Luftfahrzeugen eingesetzt werden.According to the invention This is the task with a satellite-based warning system for collisions and the traffic management of aircraft by the features achieved in the characterizing part of claim 1. Advantageous developments are the subject of dependent claims. About that In addition, the system can also be used to warn against collisions and for Traffic management used by ships instead of aircraft become.
Gemäß der Erfindung sind ein Verkehrsträger, wie die Luft- oder Schifffahrt, ein Satellitennavigationssystem, wie das Global Navigation Satellite System (GNSS), ein Satellitenkommunikationssystem und eine Computer-Simulation mit Expertensystem vorgesehen. Hiermit sind auch nichtlineare Prädiktionen einer Flugbahn bzw. einer Schiffsroute möglich. Konventionelle Radarüberwachungseinrichtungen, Funkverbindungen, Systeme zum Verkehrsmanagement können zur Steigerung der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit in das erfindungsgemäße System integriert werden.According to the invention, a mode of transport, such as aviation or shipping, is a satellite navigation system, such as the Global Navigation Satellite System (GNSS), a satellite communication system and a computer simulation with expert systems provided. With this, non-linear predictions of a trajectory or a ship's route are also possible. Conventional radar monitoring devices, radio links, traffic management systems can be integrated into the system according to the invention for increasing the availability and reliability.
Weiterhin werden auch Daten der momentanen Stellungen der Steuergeräte, Wetterdaten, Maschinendaten und Daten über die geplante Route bzw. Flugmanöver übertragen. Dadurch ist am Boden eine sehr präzise Simulation und Prädiktion der räumlichen Verhältnisse durchführbar, und zwar nicht nur für eine lineare Projektion von Bewegungsbahnen, sondern auch eine nichtlineare Projektion unter Berücksichtigung aller Daten. Eventuell drohende Kollisionen können so wesentlich präziser im voraus erkannt und durch Kurskorrekturen verhindert werden.Farther also data of the current positions of the control units, weather data, Machine data and data via transmit the planned route or flight maneuvers. This gives a very precise simulation and prediction on the ground the spatial conditions feasible not only for a linear projection of trajectories, but also a nonlinear one Projection under consideration all data. Pending collisions can be so much more precise in the anticipated and prevented by course corrections.
Das erfindungsgemäße System ist sowohl in der Luftfahrt als auch in der Schifffahrt in vorteilhafter Weise einsetzbar und prinzipiell ähnlich strukturiert. Der wesentliche Unterschied besteht allerdings darin, dass der Luftraum im Vergleich zu der zweidimensionalen Wasseroberfläche dreidimensional ist.The inventive system is beneficial in both aviation and shipping usable and in principle similar structured. The main difference, however, is that that the airspace is three-dimensional compared to the two-dimensional water surface is.
In dem jeweiligen System wirkt sich das auf die Anzahl der Parameter der übertragenen räumlichen Vektoren und im Hinblick auf eine vereinfachte Simulation und Kursprädiktion aus, Allerdings sind die kritischen Zeiträume in der Luftfahrt wesentlich kürzer als in der Schifffahrt. Im folgenden werden diese beiden Anwendungsfelder nicht unterschieden, da, wie schon erwähnt, die erfindungsgemäßen Systeme prinzipiell gleich aufgebaut sind.In This affects the number of parameters in each system the transmitted spatial Vectors and in terms of a simplified simulation and Kursprädiktion However, the critical periods in aviation are much shorter than in shipping. The following are these two application fields not distinguished, since, as already mentioned, the systems of the invention are basically the same.
Bereits existierende Warnsysteme, wie das "Short Term Conflict Alert (STCA)" können durch Einbringen des erfindungsgemäßen Systems erheblich verbessert werden. STCA basiert nur auf einer relativ ungenauen Radarmessung in Verbindung mit einer linearen kurzfristigen Prädiktion der Flugbahn. Gemäß der Erfindung wird jedoch von sehr exakten Positionsangaben der Satellitennavigation und zusätzlichen Messwerten aus dem Flugzeug ausgegangen, wie Lage, Beschleunigungen und Steuerungsparameter. So sind nicht nur lineare Prädiktionen möglich, sondern auch nichtlineare, wie kurzfristige Kurven und mittelfristige Routen. Die vorgesehene Computer-Simulation kann so den ganzen Luftraum modellieren und ein Expertensystem kann daraus Entscheidungen über Warnungen treffen.Already Existing warning systems, such as the "Short Term Conflict Alert (STCA)" can be implemented Introducing the system according to the invention be significantly improved. STCA is based only on a relatively inaccurate Radar measurement in conjunction with a linear short-term prediction the trajectory. According to the invention However, it is characterized by very precise positioning of satellite navigation and additional Measurements taken from the aircraft, such as location, accelerations and control parameters. Such are not just linear predictions possible, but also non-linear, such as short-term curves and medium-term routes. The provided computer simulation can thus the whole air space Modeling and an expert system can use it to make decisions about warnings to meet.
In Verbindung mit den weltweit verfügbaren Satelliten-Navigationssignalen und einem weltweit ausgebauten Satelliten-Kommunikationsnetz ist somit ein effizientes System für ein "Global Air Traffic Management (GATM)" geschaffen. Insbesondere aufwendige Computer-Simulationen und Expertensysteme zur Verhinderung von Kollisionen können so effektiv global organisiert werden. Dennoch ist eine redundante und regional verteilte Auslegung sinnvoll, um die Verfügbarkeit des Systems zu steigern und im Fehlerfall aufrecht zu erhalten.In Connection to the worldwide available satellite navigation signals and a global satellite communications network thus an efficient system for a "Global Air Traffic Management (GATM) ". In particular, complex computer simulations and expert systems to prevent collisions can be so effectively organized globally become. Nevertheless, a redundant and regionally distributed design useful to the availability increase the system and maintain in case of error.
Für terrestrisch gut überwachte Gebiete ist dieses System sozusagen eine Überlagerung und Erweiterung zur konventionellen Luftraumüberwachung. In anderen Gebieten der Welt, beispielsweise Afrika, Weltmeere, ohne funktionierende Bodenüberwachung ist damit erstmalig ein effizientes System zum Verkehrsmanagement und zur Kollisionswarnung geschaffen. In jedem Fall ist aber eine mehrfache Sicherheit und erhöhte Verfügbarkeit ausgesprochen sinnvoll.For terrestrial well supervised Territories, this system is a superposition and expansion, so to speak for conventional airspace monitoring. In other areas of the world, such as Africa, the oceans, without functioning soil monitoring This is the first time an efficient system for traffic management and created for collision warning. In any case, but one multiple security and enhanced Availability makes sense.
Auch wenn momentan die Flugrouten konfliktfrei erscheinen, können beispielsweise durch die Prädiktion anhand der Steuerungsparameter kurzfristige Abweichungen bereits sehr frühzeitig erkannt werden. Insbesondere im sehr dichten Luftraum in der Nähe von überlasteten Flughäfen kann das erfindungsgemäße System dazu beitragen, dass Unfälle verhindert werden können.Also For example, if the routes appear conflict-free right now through the prediction short-term deviations already based on the control parameters very early be recognized. Especially in very dense airspace near congested Airports can the system of the invention help prevent accidents can be.
So hätte das Flugzeugunglück am 1.7.2002 bei Überlingen/D mit dem erfindungsgemäßen System mit hoher Wahrscheinlichkeit verhindert werden können, und zwar insbesondere deswegen, da die Flugunfalluntersuchung ergeben hat, dass neben menschlichem Versagen auch die Kommunikations- und Navigationssysteme problematisch waren. Die Radarsysteme waren zum Teil ungenau und ein effektives Kollisionserkennungs- und Warnsystem war nicht verfügbar. Die in den Flugzeugen eingebauten TCAS Antikollisionssysteme sind, wie eingangs ausgeführt, nur begrenzt (lokal) wirksam und deren Anweisungen standen in diesem Fall im Widerspruch zu den Anweisungen des Fluglotsen. Im Unterschied zu einer Flugzeug-zu-Flugzeug-Kommunikation bei TCAS wird mit dem erfindungsgemäßen System der Luftraum ganzheitlich und genauer betrachtet.So that would have plane crash on 1.7.2002 at Überlingen / D with the system according to the invention with high probability can be prevented, and in particular because the Aircraft Accident Investigation has revealed that in addition to human The communication and navigation systems are also problematic were. The radar systems were partly inaccurate and effective Collision detection and warning system was not available. The TCAS anti-collision systems installed in the aircraft are such initially stated, only limited (locally) effective and their instructions were in this Case contrary to the instructions of the air traffic controller. In difference to an aircraft-to-aircraft communication at TCAS will be with the inventive system the airspace holistic and closer considered.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:following the invention will be described in detail with reference to the drawings. Show it:
In
der prinzipiellen Darstellung einer Gesamtarchitektur in
Durch
eine mit Funkflug bezeichnete Linie mit Pfeilspitzen an beiden Enden
ist die Kommunikation zwischen Flugzeug und in der schematischen
Architektur drei Bodenstationen
In
Es können auch gleich mehrere Satellitennavigationssysteme kombiniert werden, wie GLONASS, GPS, Galileo, oder mehrere Satelliten-Kommunikationssysteme, wie Inmarsat, Iridium ... benutzt werden. Navigationsempfänger können weiterhin mit mehrfachen Antennen die Lage des Flugzeuges im Raum ermitteln ("Satellitenkompass"), was eine interessante Alternative und Erweiterung zum magnetischen Kompass und Kreiseln ist.It can also several satellite navigation systems are combined, like GLONASS, GPS, Galileo, or multiple satellite communication systems, how Inmarsat, Iridium ... are used. Navigation receivers can continue with multiple antennas determine the position of the aircraft in space ("Satellite Compass"), which is an interesting Alternative and extension to magnetic compass and gyroscope is.
Für ein weltweites "Global Air Traffic
Management" (GATM)
müssen
die zu übertragenen
Datenformate standardisiert werden. Erfindungsgemäß ist hierfür ein Datensatz
entsprechend dem Ausführungsbeispiel
in
Wie diese Daten im einzelnen bestimmt werden, beispielsweise durch Messungen mittels Sensoren, durch Berechnungen u.ä. ist bekannt und braucht daher hier nicht im Detail festgelegt zu werden. Das Wissen über die Ermittlungsmethode und Genauigkeiten kann u.U. später anhand der Flugzeug-ID bei der Simulation berücksichtigt werden. Über den gesamten Datensatz wird eine kryptographische digitale Signatur gebildet, die die Authentizität der Daten garantieren soll. Hierdurch ist bzw. soll verhindert werden, dass Angreifer bewusst und zu Sabotagezwecken falsche Daten in das System einspeisen. Mittels einer Public Key Infrastructure (PKI), die auf digitalen X.509 Zertifikaten aufbaut, kann die Signatur am Boden verifiziert werden. Gefälschte Datensätze werden dann nicht berücksichtigt, vielmehr wird Alarm ausgelöst.As This data can be determined in detail, for example by measurements using sensors, through calculations, etc. is known and therefore needs not to be specified here in detail. The knowledge of the Determination method and accuracies may u.U. later on the aircraft ID are taken into account in the simulation. On the entire record becomes a cryptographic digital signature formed the authenticity to guarantee the data. This is or should be prevented that attackers are aware and for sabotage purposes wrong data in the Feed the system. Using a Public Key Infrastructure (PKI), the based on digital X.509 certificates, the signature may be on the ground be verified. fake records will not be considered then rather, an alarm is triggered.
Neben Authentizität ist auch die Vertraulichkeit der Navigationsdaten wichtig, denn sie könnten auch für terroristische Ziele missbraucht werden. Daher werden die Datensätze nur mit starker Verschlüsselung oder über verschlüsselte Kommunikationskanäle übertragen. Mehrfache Sicherheits-Schichten sind sinnvoll, damit bei einer einfachen Sicherheitslücke nicht gleich die Daten angreifbar werden. So kann beispielsweise eine Verschlüsselung der Satelliten-Verbindung kombiniert werden mit einer separaten Verschlüsselung des Datensatzes.In addition to authenticity, the confidentiality of navigation data is important because they could also be misused for terrorist purposes. Therefore, the records are transmitted only with strong encryption or via encrypted communication channels. Multiple security layers make sense, so that in the case of a simple security vulnerability, the data is not immediately vulnerable. For example, an encryption of the satellite connection can be combined with a separa encryption of the data record.
Möglicherweise sind nicht alle Maschinen im Luftraum mit GNSS und Satellitenkommunikation ausgestattet, beispielsweise ältere Flugzeuge, Sportflugzeuge oder Helikopter. Auch der militärische Flugverkehr ist nicht unbedingt darüber erfasst. Deshalb ist es sinnvoll, auch die Daten der konventionellen Radarüberwachung in das System mit einzubeziehen. Die zusätzlichen Flugobjekte sind dann zwar nicht so gut modelliert wie die mit vollständigen Datensätzen, können aber zumindest bei der Kollisions-Prädiktion mit berücksichtigt werden.possibly not all machines in the airspace are equipped with GNSS and satellite communications, for example, older ones Airplanes, sports planes or helicopters. Also the military air traffic is not necessarily about it detected. That's why it makes sense, even the data of conventional radar surveillance into the system. The additional flying objects are then Although not as well modeled as those with full data sets, but can at least in the collision prediction taken into account become.
Für Fluggesellschaften
und die Wartungsteams ist es vorteilhaft, neben Navigationsdaten
auch zusätzlich
Maschinendaten des Flugzeuges zu übertragen. In
In
Unter Berücksichtigung der Zustandsdaten, der Veränderungsvektoren, Reglerstellungen, Flugroutenplanung, Wetterdaten und aerodynamischen (flugzeugtypischen) Berechnungen kann kurzfristig eine sehr genaue Prädiktion erfolgen. Hierbei erfolgt die Prädiktion unter Berücksichtigung der lokalen Wetterlage (Wind), des aerodynamischen Flugverhaltens (typenspezifisch) der Flugzeugsteuerung (standardisierter Parameter vektor), der Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung und der gespeicherten voraussichtlichen Flugroute. Auch längerfristig können anhand dieser Daten voraussichtliche Flugrouten berechnet werden, wenn auch mit gröberer Auflösung.Under consideration the state data, the change vectors, Regulator positions, route planning, weather data and aerodynamic (aircraft typical) Calculations can be a very accurate prediction in the short term respectively. Here, the prediction takes place considering the local weather conditions (wind), the aerodynamic flight behavior (type-specific) of the aircraft controller (standardized parameter vector), the position, velocity and acceleration measurement and the stored estimated flight route. Also in the longer term can using this data, to calculate estimated flight routes, although with coarser Resolution.
Ferner
ist ein Expertensystem (Block
In
Ein
Expertensystem
Eine weitere erfindungsgemäß durchführbare Funktion wäre die eines netzwerkgestützten Flugdatenschreibers ("Black Box"). Mit den gesammelten Positions- und Beschleunigungsdaten kann eine Absturzsituation sehr genau rekonstruiert werden und auch die Rettungskräfte bekommen eine sehr genaue Positionsmeldung über den Unfallort. Oft ist eine Unfallsituation schon in einem gewissen, oft kurzen Zeitraum vorher absehbar. Dann könnten die zeitlichen Abstände verkürzt werden, in denen die Navigationsvektoren per Satellit übertragen werden.A further function that can be carried out according to the invention that would be a network-based Flight Data Recorder ("Black Box "). With the collected position and acceleration data can reconstruct a crash situation very accurately and also the rescue services get a very accurate position message about the accident location. Often one is Accident situation already in a certain, often short period before foreseeable. Then you could the time intervals shortened in which the navigation vectors are transmitted by satellite become.
Flugverbotszonen könnten mit diesem System noch wirksamer kontrolliert werden. Automatisiert können anhand der Prädiktion Alarme ausgegeben werden, noch bevor überhaupt verbotene Zonen erreicht werden. Mit dem erfindungsgemäßen System können auch Kollisionen mit der Landschaft und Bergen (controlled flight into terrain) früher erkannt und somit verhindert werden. Mit einem dynamischen Flugzeugmodell, den Geländedaten und Informationen über die Steuerungsaktionen sind derartige Situationen weitaus früher absehbar als mit rein linearen Prädiktionen und Höhenmessungen.Fly zones could be controlled even more effectively with this system. Automated can based on the prediction Alarms are issued even before any forbidden zones are reached become. With the system according to the invention can also collisions with the landscape and mountains (controlled flight into terrain) earlier be detected and thus prevented. With a dynamic airplane model, the terrain data and information about The control actions foresee such situations much earlier as with purely linear predictions and height measurements.
Mit
dem installierten Satelliten-Kommunikationssystem kann außer den
Navigationsdaten auch ein Satz maschinenspezifischer Daten übertragen werden.
Das Ausführungsbeispiel
in
In
Bisher wurde hauptsächlich vom Luftverkehr gesprochen. Ebenso können das gleiche System und die gleichen Einrichtungen auch in der Schifffahrt von großem Nutzen sein. Auch hier können mit einem derartigen System drohende Havarien rechtzeitig er kannt und verhindert werden. Weiterhin ist automatisiert erkennbar, wenn ein Schiff gefährliche Stellen befährt oder Kurs darauf nimmt, beispielsweise auf Riffe, Sandbänke u.ä. Eine Reederei kann die Navigationsdaten gleichzeitig für das eigene Flottenmanagement benutzen und die Maschinendaten zentral auswerten.So far became main spoken by air traffic. Likewise, the same system and the same facilities are also of great use in shipping be. Again, you can with such a system threatening accidents in time he knows and prevented. Furthermore, it is automatically recognizable if a ship dangerous Bodies traded or course, for example, on reefs, sandbanks, etc. A shipping company The navigation data can be used simultaneously for your own fleet management use and evaluate the machine data centrally.
Modifikationen im Vergleich zum System für die Luftfahrt äußern sich vor allem im räumlichen Modell. Hier sind nur zwei Dimensionen auf der Wasseroberfläche notwendig, anstelle von drei Dimensionen im Luftraum. Die zeitlichen Randbedingungen sind zudem weniger kritisch, da die Vehikel/Schiffe eine wesentlich geringere Geschwindigkeit haben als Luftfahrzeuge. Prinzipiell ist somit das erfindungsgemäße System bei Luftfahrt und Schifffahrt einsetzbar.modifications compared to the system for the Aviation comment especially in the spatial Model. Here are only two dimensions on the water surface necessary instead of three dimensions in the airspace. The temporal boundary conditions are In addition, less critical, since the vehicle / ships a much lower Have speed as aircraft. In principle, this is the inventive system used in aviation and shipping.
Abschließend wird nochmals festgehalten, dass bei dem satellitengestützen System zur Warnung vor Kollisionen und zum Verkehrsmanagement – basierend auf einem Satellitennavigationssystem, einem Satellitenkommunikationssystem, einer Computersimulation und einem Expertensystem – alle Vehikel eines Verkehrsträgers erfasst und deren Routen simuliert werden. Hierbei werden mit Hilfe einer Datenübertragung von Zustands-, Änderungs- und Steuerungsdaten können Routen nicht nur linear abgeschätzt, sondern auch nichtlineare Kurven relativ genau vorausberechnet. Damit sind sehr viel genauere Kollisionswarnungen möglich. Ebenso können gleichzeitig Maschinendaten übertragen werden, die eine komplexe bodengestützte Fehlerdiagnose ermöglichen.Finally, it will again noted that in the satellite-based system warning of collisions and traffic management - based on a satellite navigation system, a satellite communication system, a computer simulation and an expert system - all vehicles a mode of transport recorded and their routes are simulated. This will be done with help a data transfer of state, change and control data Routes are not estimated linearly but also precalculated nonlinear curves relatively accurately. This allows much more accurate collision warnings. As well can simultaneously Transfer machine data that enable a complex ground-based fault diagnosis.
Expertensysteme können basierend auf Simulationen fehlerhafte Zustände und gefährliche Situationen automatisiert erkennen, möglicherweise sehr viel früher als menschliche Beobachter. Auch Warnungen werden derart automatisch generiert, auf die in Kontrollzentralen am Boden relativ schnell und umfassend reagiert werden kann. Der Nutzen des Systems, das eine neue Qualität des Verkehrsmanagements und der Kollisionsvorhersage bietet und sowohl in der Luftfahrt als auch in der Schifffahrt gewinnbringend einsetzbar ist, besteht einerseits in einer erhöhten Sicherheit und andererseits auch in ökonomischen Vorteilen, indem die Wartung optimiert wird und Unfallkosten verringert werden.expert systems can based on simulations automated faulty states and dangerous situations recognize, possibly very much earlier as human observers. Even warnings become so automatic generated in the control centers on the ground relatively quickly and can be comprehensively reacted. The benefits of the system, the a new quality Traffic Management and Collision Prediction offers and both can be used profitably in aviation as well as in shipping is, on the one hand, in an increased security and on the other hand also in economic Benefits by optimizing maintenance and reducing accident costs become.
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