DE102006037899A1

DE102006037899A1 - Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung für ein Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102006037899A1
Application number: DE200610037899
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Gollnick
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) für ein Luftfahrzeug (60, 70), mit der die Umgebung des Luftfahrzeuges auf ein sich relativ zu dem Luftfahrzeug bewegenden Objekt (26) hin überwacht werden kann. Um ein sicheres eigenständiges System zur Luftraumüberwachung bereitzustellen, wird vorgeschlagen, eine erste Erfassungseinrichtung (22) zum Erfassen eines Objekts in einem Fernbereich und eine zweite Erfassungseinrichtung (24) zum Erfassen eines von dem Fernbereich in einen Nahbereich eintretenden Objektes vorzusehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung für ein Luftfahrzeug, mit einer Überwachungseinrichtung zum Überwachen einer Umgebung des Luftfahrzeugs auf sich relativ zu dem Luftfahrzeug bewegende Objekte hin und einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten von von der Überwachungseinrichtung gelieferten Signalen, um eine relative Bewegung des Luftfahrzeuges und eines von der Überwachungseinrichtung erfassten Objektes zu überwachen, so dass die Gefahr einer möglichen Kollision erkannt werden kann, wobei die Überwachungseinrichtung eine erste Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich in einem ersten Bereich der der überwachten Umgebung befindlichen Objekts aufweist.
Eine solche Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung ist aus der DE 28 43 239 B1 bekannt. Auf diese Druckschrift wird hiernach noch näher eingegangen.
Kollisionswarnungen im Luftverkehr erfolgen bisher ausschließlich auf kommunikative Weise. Hierzu warnen sich mit Transpondern ausgestattete Luftfahrzeuge gegenseitig über ihre Transponder durch Frage- und Antwortsignale. Viele Luftfahrzeuge, wie z.B. Ultraleichtflugzeuge oder unbemannte Flugsysteme verfügen jedoch nicht über einen solchen Transponder. Daher funktioniert das bisher breite verwendete Kollisionswarnsystem bei solchen Luftfahrzeugen nicht. Hinzu kommt, dass Vorstellungen, wie der Luftverkehr in Zukunft gestaltet werden kann, davon ausgehen, dass sich Luftfahrzeuge nicht mehr ausschließlich auf festen Luftverkehrsstrassen bewegen und von der Flugsicherung geführt werden, sondern dass sich Luftfahrzeuge vielmehr selbständig gegenseitig bezüglich Lufthöhe und Abstand staffeln müssen. In Zukunft werden nicht mehr nur die klassischen Luftfahrzeuge am kontrollierten Luftverkehr teilnehmen, sondern auch unbemannte Systeme werden in diesen Lufträumen operieren.
Hinzu kommt, dass zur Erhöhung der Luftverkehrskapazität das relativ starre Luftverkehrstrassensystem durch kooperative Modelle ersetzt werden soll, in denen die Luftfahrzeuge selbständig ihren Abstand nach bestimmten Regeln zueinander gestalten.
Als weiteres großes Problem erweist sich der Betrieb von Hubschraubern oder dergleichen Luftfahrzeugen im unkontrollierten Luftraum, z.B. bei Rettungseinsätzen. Im unkontrollierten Luftraum können auch Klein- und Ultraleichtflugzeuge operieren, die nicht über geeignete Kommunikationsmittel verfügen. Eingeschränkte Sichtverhältnisse wirken hier weiter besonders erschwerend, so dass Hubschrauber oder dergleichen einem großen Kollisionsrisiko ausgesetzt sind. Eine lokale Sperrung von Lufträumen durch die Flugsicherung, um z.B. Rettungseinsätze gefahrlos zu ermöglichen, gestaltet sich schwierig bis unmöglich, da nicht alle Teilnehmer über die notwendigen Kommunikationseinrichtungen verfügen.
Aus der eingangs erwähnten DE 28 43 239 B1 ist eine Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung in Form einer Kollisionswarneinrichtung bekannt, die ein Radargerät aufweist, das gleichzeitig die Entfernung und die Annäherungsgeschwindigkeit zu dem möglichen Kollisionsgegner misst. In einem Mikroprozessor wird der Quotient aus der Entfernung und der Annäherungsgeschwindigkeit berechnet. Unterschreitet dieser Quotient einen bestimmten Grenzwert, dann gibt die Kollisionswarneinrichtung eine Warnung ab und zeigt zumindest die Richtung zu dem erfassten möglichen Kollisionsgegner an. Dieses einfache System mag zwar eine Hilfe für Hubschrauberpiloten beim Tiefflug sein; als Basis für ein durch Luftfahrzeuge selbst verwaltetes Luftsicherungssystem in einem dichter besetzten Luftverkehrsraum ist diese bekannte Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung jedoch ungeeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung zu schaffen, die als Basis für eine selbstständige gegenseitige Staffelung von Luftfahrzeugen bezüglich Flughöhe und Abstand dienen kann.
Zum Lösen dieser Aufgabe wird eine Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1 vorgeschlagen.
Durch diese erfindungsgemäße Merkmalskombination lässt sich eine Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung schaffen, die besonders sicher ist, und so für Luftfahrzeuge aller Art eine Möglichkeit bietet, selbstständig andere Luftfahrzeuge um sich herum zu erkennen und mögliche Kollisionsgefahren zu detektieren, beispielsweise um sodann Ausweichlösungen über Algorithmen vorzuschlagen. Aufgrund der besonderen Sicherheit bietet die erfindungsgemäße Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung eine gute Basis für eine selbständige Staffelung damit ausgerüsteter Luftfahrzeuge.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Flugsicherungssystem unter Verwendung einer solchen Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung ist in dem Nebenanspruch angegeben.
Ausgehend von einer Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung der eingangs genannten Art wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Umgebung des Luftfahrzeuges noch eine zweite Erfassungseinrichtung aufweist, die zum Erfassen eines Objekts in einem zweiten, sich näher als der erste Bereich an dem Luftfahrzeug befindlichen Bereich der überwachten Umgebung ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung weist somit mindestens zwei unterschiedliche Erfassungseinrichtungen, nämlich die erste Erfassungseinrichtung für eine Weitbereichdetektion (z.B. in der Größenordnung von 20 km) und die zweite Erfassungseinrichtung für eine Nahbereichdetektion (z.B. in der Größenordnung unterhalb von 10 km).
Die zweite Erfassungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgestattet, dass sie eine Klassifikation der erfassten Objekte nach Art und Gefährlichkeit erlaubt.
Vorteilhafter Weise weist die Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung mindestens zwei Arten von Sensoren auf, vorzugsweise zwei Arten von Sensorsätzen. Bevorzugt weist die erste Erfassungseinrichtung für die Weitbereichdetektion ein Radargerät auf. Die zweite Erfassungseinrichtung weist vorzugsweise eine Kamera oder ein Kamerasystem auf. Die Kamera bzw. das Kamerasystem arbeitet weiter vorzugsweise im sichtbaren Bereich und/oder im Wärmebereich. Mit einer Kamera lassen sich beispielsweise die Form und die Größe des Objekts oder sonstige näheren Eigenschaften des Objekts erfassen, so dass Aussagen über Art und Gefährlichkeit des Objekts getroffen werden können.
Die Auswerteeinheit weist vorzugsweise eine Rechnereinheit mit mehreren Funktionsblöcken auf. Die Funktionsblöcke umfassen bevorzugt eine Einheit zur Signalauswertung oder Bildauswertung der Sensoren, eine Einheit zur Objektverfolgung sowie eine Einheit zur Berechnung einer Ausweichtrajektorie. Alle Funktionen laufen bevorzugt in Echtzeit ab. Besonders bevorzugt ist, dass die Weitbereichsensorik in Abhängigkeit von der Richtung und der Annäherungsgeschwindigkeit sowie der Entfernung als Entscheidungskriterium die Nahbereichsensorik zur konkreten Objektklassifizierung und Berechnung einer Kollisionsvermeidung steuert.
Ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Lösung liegt in der Autonomie des Systems. Luftfahrzeuge, die dieses System eingebaut haben, können ohne Kommunikation mit anderen Luftfahrzeugen diese erkennen und im Einzelfall ausweichen. Des weiteren muss nicht jedes Luftfahrzeug ein solches System an Bord haben. Kostengünstigere Luftfahrzeuge, wie beispielsweise Ultraleichtflugzeuge, unbemannte Flugsysteme, Ballons oder dergleichen könnten z.B. mit leicht nachrüstbaren Reflexionsflächen versehen werden, so dass sie sicher erkannt werden können.
Die erfindungsgemäße Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung und/oder deren vorteilhafte Ausgestaltungen lassen sich schnell, kurzfristig und flächendecken zur Erhöhung der Flugsicherheit in einem freier gestalteten Luftverkehr anwenden.
Mit der Erfindung lässt sich somit ein Autonomes Verkehrsüberwachungssystem (im Folgenden kurz ATAS für „Autonomes Traffic Awareness System" genannt) schaffen, welches Luftfahrzeugen im kontrollierten Luftraum eine selbstständige Staffelung ermöglicht und die Sicherheit von Hubschraubern bei Einsätzen im unkontrollierten Luftraum deutlich erhöht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung des grundsätzlichen Systemaufbaus einer solchen Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung des Flugzeuges mit einer Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung; und
3 eine schematische Darstellung eines Hubschraubers mit einer Kollisonsgefahrdetektionsvorrichtung.
Zunächst wird anhand der 1 der grundsätzliche Aufbau der insgesamt mit 10 bezeichneten Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung beschrieben.
Die Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung 10 befindet sich an Bord eines in 1 nicht näher dargestellten Luftfahrzeuges und weist eine Überwachungseinrichtung 12 zum Überwachen einer Umgebung des Luftfahrzeuges, also insbesondere des das Luftfahrzeug umgebenden Luftraumes 14, eine Auswerteeinrichtung 54 zum Auswerten der gelieferten Signale sowie eine Ausweichberechnungseinrichtung 16 auf, die bei einer durch die Überwachungseinrichtung 12 festgestellten drohenden Kollisionsgefahr eine Ausweichtrajektorie für das Luftfahrzeug berechnet und an einen Missionsplanungs- oder Flugregelungsrechner 18 übergibt. Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung 10 weist weiter eine Warneinrichtung 20 auf, die den Piloten vor der drohenden Kollision warnt.
Die Überwachungseinrichtung 12 weist eine erste Erfassungseinrichtung 22 und eine zweite Erfassungseinrichtung 24 auf. Die erste Erfassungseinrichtung 22 dient zur Detektion eines Objekts 26 – als Beispiel ist ein Flugzeug dargestellt – in einem ersten Bereich 28 des Luftraumes 14. Die zweite Erfassungseinrichtung 24 dient zur Klassifikation und zur Verfolgung des Objektes 26 in einem zweiten Bereich 30 des Luftraumes 14. Der erste Bereich 28 ist weiter von dem Luftfahrzeug entfernt als der zweite Bereich 30, so dass der erste Bereich 28 auch als Fern- oder Weitbereich und der zweite Bereich 30 als Nahbereich bezeichnet werden kann. Die beiden Bereiche 28, 30 sind in 1 durch eine strichpunktierte Grenzlinie 32 abgetrennt dargestellt; dies dient nur zur Darstellungszwecken; tatsächlich überlappen sich der durch die erste Erfassungseinrichtung 22 überwachte erste Bereich 28 und der durch die zweite Erfassungseinrichtung 24 überwachbare zweite Bereich 30 in gewissen Maße. Beispielsweise ist die erste Erfassungseinrichtung in einem Luftraum beginnend mit etwa 4 bis 5 km Entfernung vom Luftfahrzeug bis etwa 20–30 km Entfernung vom Luftfahrzeug sensitiv, während die zweite Erfassungseinrichtung Objekte im Nahbereich um das Luftfahrzeug bis zu etwa 5 bis 10 km Entfernung überwachen kann.
Die erste Erfassungseinrichtung 22 weist wenigstens einen ersten Sensor 34 einer ersten Sensorart auf, die zur Erfassung von Objekten 26 in dem weiter entfernten ersten Bereich 28 fähig ist. Die zweite Erfassungseinrichtung 24 weist wenigstens einen zweiten Sensor 36 einer zweiten, zur ersten Sensorart unterschiedlichen Sensorart auf, welche zur genaueren Erfassung und Klassifizierung des Objektes in dem zweiten Bereich 30 fähig ist.
In den Ausführungsbeispielen ist die erste Erfassungseinrichtung durch ein Radargerät 38 oder ein Radarsystem mit einem Satz von ersten Sensoren 34 in Form von Antennen 40 des Radargerätes 38 ausgebildet. Weiter ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiele die zweite Erfassungseinrichtung mit einer Kamera 42 ausgebildet, die den zweiten Sensor 36 bildet. Vorzugsweise ist ein Satz von zweiten Sensoren 36, also mit z.B. ein Satz mehrerer Kameras 42, vorgesehen, wie dies auch in den 2 und 3 gezeigt ist. Die wenigstens eine Kamera 42 arbeitet im sichtbaren und/oder Infrarotbereich. Das Sichtfeld 44 der Kamera 42 lässt sich gezielt auf Sektoren des zweiten Bereiches 30 ausrichten. Dies ist in dem Ausführungsbeispiel durch mittels einer Steuereinheit 53 steuerbaren Stellmotoren 46 angedeutet, mittels welchen die Kamera 42 ausrichtbar ist. Alternativ oder zusätzlich könnte eine Vielzahl von Kameras 42 oder Kameraelementen fest installiert sein, die elektronisch gezielt ansteuerbar sind (nicht explizit dargestellt).
Die erste Erfassungseinrichtung 22 weist weiter eine – hier bereits einen Teil der Auswerteeinrichtung 54 bildende – Signalauswerteeinheit 48 auf, die die Signale der Antennen 40 auswertet, um das Objekt 26 sowie dessen Entfernung von den Luftfahrzeug und dessen Geschwindigkeitsvektor – Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit – zu erfassen. Die zweite Erfassungseinrichtung 24 weist eine Bildauswerteeinheit 50 – hier ebenfalls bereits als Teil der Auswerteeinrichtung 54 dargestellt – auf, um die von der Kamera 42 gelieferten Bilder so auszuwerten, dass z.B. über die Kontur und Größe sowie die Bewegungsrichtung des von der Kamera 42 erfassten Objekte 26 das Objekt nach seiner Art und nach seiner Kollisionsgefahr klassifiziert werden kann. Beispielsweise lässt sich über Bildauswertung erkennen, ob das erfasste Objekt 26 ein größeres oder ein kleineres Flugzeug, ein Hubschrauber, ein Leichtflugzeug, ein Ballon oder ein Objekt am Boden – Hügel, Baum, Bauwerk usw. – ist. Je nach Geschwindigkeit und Richtung sowie Entfernung des von der Kamera 42 erfassten Objektes 26 kann man das Objekt danach klassifizieren, ob eine geringe, mittlere oder größere Kollisionsgefahr besteht. Dies alles lässt sich mit bekannten Signalauswerteverfahren sowie Bildauswerteverfahren leicht realisieren.
Die Auswerteeinrichtung 54 weist weiter eine Objektverfolgungseinrichtung 52 auf, die mit der Signalauswerteeinheit 48 und der Bildauswerteeinheit 50 verbunden ist. Erfasst die erste Erfassungseinrichtung 22 das Objekt 26, so verfolgt die Objektverfolgungseinrichtung 52 die Bewegung des Objektes 26. Tritt das Objekt 26 in den zweiten Bereich 30 ein, so steuert die Objektverfolgungseinrichtung 52 die Stellmotoren 56, um die Kamera 42 auf das Objekt 26 oder ein mögliches Kollisionsgebiet auszurichten, um so das Objekt 26 weiterzuverfolgen und zu klassifizieren. Ergibt sich aus der dann näher erfassten Bewegungsbahn des Objektes 26 und der derzeitigen Bewegungsbahn (Trajektorie) des Luftfahrzeuges eine mögliche Kollisionsgefahr, so gibt die Objektverfolgungseinrichtung 52 über die Warneinrichtung 20 eine Warnung ab und gibt die erfassten Objektdaten an die Aus weichberechnungseinrichtung 16 ab. Diese berechnet eine Ausweichtrajektorie und übergibt die berechneten Daten auf den Missionsplanungs- oder Flugregelungsrechner 18.
Die Signalauswerteeinheit 48, die Bildauswerteeinheit 50, die Objektverfolgungseinrichtung 52 und die Ausweichberechnungseinrichtung 16 sind Teil der Auswerteeinrichtung 54, die in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Rechnersystemes 55 ausgebildet ist. Das Rechnersystem 55 enthält auch die Steuereinheit 53 zum Steuern der zweiten Sonsoren 36, die hier als der Objektverfolgungseinrichtung 52 zugeordnet dargestellt ist. Demnach sind die Einheiten und Einrichtungen 58, 50, 52, 53 und 16 als Funktionsblöcke in dem Rechnersystem 55 in Form von Software ausgebildet. In dem dargestellten Beispiel ist das Rechnersystem 55 in einem einzelnen Rechner untergebracht. Doch können die einzelnen Einrichtungen und Einheiten 58, 50, 52, 53, 16 auch auf mehrere miteinander verbundene Rechner verteilt sein. Auch sind in der Luftfahrttechnik übliche Redundanzsysteme vorgesehen.
Die dargestellte Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung 10 basiert demnach auf zwei unterschiedlichen Sensorarten für größere und kürzere Entfernungen, also z.B. ein Radar mit synthetischer Apertur (SAR) – Radargerät 38 – für den Fernbereich 28 und Bildkameras 42 für den Nahbereich 30. Die Verwendung unterschiedlicher Sensorprinzipien gewährleistet eine weitergehende Unempfindlichkeit gegen Schlechtwettereinflüsse wie Regen, Schnee, Nebel. Die Detektion sich bewegender Objekte 26 erfolgt durch ein Radarsystem auf größere Entfernung.
Wie in 2 dargestellt, sind die Antennen 40 des hierzu verwendeten Radargeräts 38 bei einem Flugzeug 60 an geeigneten Plätzen auf dem Rumpf 62 angeordnet. Mit 64 bis 67 sind die einzelnen Sichtfelder der verschiedenen Antennen 40 des so am Rumpf 62 gebildeten Radarantennengürtels bezeichnet. Außerdem sind zwei beispielhafte Anbringungsorte für die Kameras 42 angegeben. Erkennbar ermöglichen die in der Haut des Flugzeugs integrierten statischen Antennen 40 im Fernbereich 28 zusammen eine Sichtfeldabdeckung von 360° × 360°. Für nähere Einzelheiten, wie ein solcher Antennengürtel sowie das entsprechende Radargerät 38 aufgebaut sein kann, wird ausdrücklich auf die DE 101 20 536 C2 sowie die dabei zitierten Druckschriften verwiesen.
Beim Hubschrauber können die Antennen 40 sowohl auf dem Rumpf als auch auf dem Rotor integriert sein. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Hubschrauber 70, wobei der Hubschrauberrotor 72 als drehendes System für die Integration der Antennen 40 sinnvoll und platzsparend genutzt ist. Die Antennen 40 des Radargerätes 38 sind in die Spitzen der Rotorblätter 74 integriert. Alternativ ist auch eine Anordnung wie in 2 für das Flugzeug 60 gezeigt möglich, die aber für den Hubschrauber 70 nicht explizit dargestellt ist.
3 zeigt das Gesamtsichtfeld eines drehenden Rotorantennensystems zur Luftverkehrsbeobachtung. An den Spitzen jedes Rotorblattes 74 ist wenigstens eine der Antennen 40 angeordnet. Die an den Rotorblättern 74 sitzenden Antennen 40 sind jeweils unterschiedlich ausgerichtet, so dass verschiedene Sichtfelder 76–79 der am Hubschrauberrotor 72 angeordneten Antennen 40 erzeugt werden. Zusätzlich sind zwei bevorzugte Positionen für die Kameras 42 angedeutet. Mit der 82 ist die neutrale Rotorebene bezeichnet, auf die sich die Andeutung der Sichtfelder 76 bis 79 bezieht. Im Flug schlagen die Rotorblätter aus, wie dies bei 84 und 85 angedeutet ist.
Durch die im Rotorumlauf sich bewegenden Antennen 40 wird eine 360° Umsicht in der Horizontalen erreicht. Über eine unterschiedliche Aufspannung und Ausrichtung der Antennen 40 an den einzelnen Rotorblättern 74 wird in dem dargestellten Beispiel eine vertikale Sichtebene bis ca. 180° abgedeckt. Zusätzlich wird eine sichere Überlappung der Sichtbereiche durch die Schlagbewegung der umlaufenden schlagenden Rotorblätter 84, 85 erreicht. Dabei heben sich die schlagenden Rotorblätter 84 im vorderen Bereich des Hubschraubers 70 aus der neutralen Rotorebene 82 nach oben heraus, und im hinteren Bereich des Hubschraubers 70 tauchen die schlagenden Rotorblätter 85 unter die neutrale Rotorebene 82. Die mit dieser Schlagbewegung verbundene Veränderung der Position des Rotorblattes 74, 84, 85 wird im Vorfeld ermittelt und als Korrekturkennlinie (Umlaufwinkel, Schlagwinkel) zur Ermittlung der aktuellen Sensorposition in die Sensorsteuerung eingebaut. Das rotorgebundene Antennensystem wird mit einer eigenen Antennensteuerung – nicht näher dargestellt – betrieben, und die Signale werden erfasst und zu der Signalauswerteeinheit 48 geleitet. Für weitere Einzelheiten zu dem rotorgebundenen Antennensystem und dem dieses verwendenden Rotorsystem wird auf die mitanhängige Patentanmeldung der Anmelderin vom gleichen Tag mit dem Titel „Radargerät für einen Drehflügler sowie Antennensatz zur Verwendung darin" verwiesen.
Im folgenden wird die Funktion der Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung 10 beschrieben.
In der als eine erste Auswerteeinheit wirkenden Signalauswerteeinheit 48 werden die von den Antennen 40 des Flugzeuges 60 oder des Hubschraubers 70 kommenden Signale hinsichtlich sich bewegender Objekte 26 ausgewertet. Die Objekte 26 werden so durch die erste Erfassungseinrichtung 22 auf größere Entfernung mit ihren dynamischen Eigenschaften Bewegungsrichtung, Position im Luftraum 14 und Bewegungsgeschwindigkeit erfasst. Dazu werden über eine Laufzeitmessung des Radarsignals die Entfernung und über das Schwenken der Antenne 40 bzw. die aktuelle Rotorblattposition (Umlaufwinkel) die Richtung ermittelt. Durch wiederholte Erfassung des Objektes 26 berechnet ein Algorithmus aus den Zeit punkten die Geschwindigkeit des Objektes 26. Aus mindestens zwei aufeinanderfolgenden Messungen bestimmt der Algorithmus die Bewegungsrichtung.
Als weitere Funktion verfolgt die Signalauswerteeinheit 48 sich bewegende Objekte 26 bis zu einer Grenzentfernung, z.B. 5 Km, wie sie durch die Linie 32 angedeutet ist. Bewegt sich ein Objekt auch bei Unterschreiten dieser Grenzentfernung auf die Trajektorie des Luftfahrzeuges 60, 70 zu, so werden Richtung und Entfernung des Objektes 26 an das zweite Sensorsystem der zweiten Erfassungseinrichtung 24 übergeben, das aus Kameras 42 und/oder Wärmebildgeräten (nicht dargestellt) besteht. Wie sich aus den 2 und 3 ergibt, sind diese zweiten Sensoren 36, die in dem Ausführungsbeispiel aus Kameras und/oder Wärmebildgeräten gebildet sind, beim Hubschrauber 70 auf dem Rotormast 88 sowie unter dem Rumpf 90 angeordnet und bei dem Flugzeug 60 auf dem Seitenleitwerk 56, dem Bug 57, dem Heck 58 und unter dem Rumpf 62 angeordnet. Diese zweiten Sensoren 36 haben die Aufgabe, das Objekt 26 zu klassifizieren.
Hierzu verfügt die Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung 10 über eine zweite Auswerteeinheit, hier in Form der Bildauswerteeinheit 50, die als separates Gerät oder – wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt – in einem Gerät (hier: Dem Rechnersystem 55) mit der durch die Signalauswerteeinheit 58 gebildeten ersten Auswerteeinheit ausgeführt sein kann. Diese in dem Ausführungsbeispiel durch die Bildauswerteeinheit 50 gebildete zweite Auswerteeinheit steuert die Ausrichtung der bildgebenden zweiten Sensoren 36 in Abhängigkeit von den Signalen des Radargerätes 38. Insbesondere dann, wenn der Geschwindigkeitsvektor des Objektes 26 bei Erreichen der durch die Grenzlinie 32 angedeuteten Grenzentfernung auf die Trajektorie des eigenen Luftfahrzeugs gerichtet ist, wird die zweite Erfassungseinrichtung 22 mittels der Steuereinheit 53 auf diese Richtung des Objektes 26 ausgerichtet. Des weiteren verarbeitet die hier durch die Bildauswerteeinheit 50 gebildete zweite Auswerteeinheit die eingehenden Sensorsignale der zweiten Sensoren 36 mit den Algorithmen der Bilddatenverarbeitung inklusive optischem Fluss, so dass sich bewegende Objekte 26 extrahiert werden.
In einem dritten Auswertungsschritt, der beispielsweise in der Objektverfolgungseinrichtung 52 statt finden kann, werden die Objektinformationen der beiden Sensorsysteme oder Erfassungseinrichtungen 22, 24 anhand der dynamischen Eigenschaften des Objektes 26 – insbesondere Richtung, Geschwindigkeit, Entfernung – korreliert, so dass eindeutig festgestellt werden kann, ob beide Erfassungseinrichtungen 22, 24 gleiche oder unterschiedliche Objekte erkannt haben. Die hierbei zu berücksichtigende notwendige Toleranz bei der Feststellung der Übereinstimmung ergibt sich aus der Auflösung der verwendeten Sensoren 34, 36.
Das damit verbundene Verifikationsergebnis wird mit den Angaben über Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Position des Objektes 26 an den Missionsplanung- oder Flugregelungsrechner 18 übergeben, der daraus ein notwendiges Ausweichmanöver berechnet und anschließend das Luftfahrzeug 60, 70 wieder auf die ursprüngliche Trajektorie zurückführt. Werden mehrere Objekte 26 gleichzeitig erfasst, die zu einer Kollision führen würden, so wird das Ausweichmanöver unter Berücksichtigung aller Objekte 26 berechnet.
Aufgrund der besonderen Auslegung der hier beschriebenen Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung 10 ist es möglich, größere Luftfahrzeuge 60, 70 damit auszustatten und ihnen die Fähigkeit dazu verleihen, selbständig mögliche Kollisionssituationen zu erfassen. Somit kann durch mehrere mit einer solchen Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung 10 ausgestattete Luftfahrzeuge 60, 70 ein Autonomes Traffic Awareness System ATAS errichtet werden, mit dem sich die Luftfahrzeuge selbstständig staffeln können. Kleine Luftfahrzeuge, die aus Kostengründen derartige Systeme nicht erhalten, sind durch Anbringung geeigneter passiver Einrichtungen, die durch die Sensoren 34, 36 leicht erfassbar sind, in der Lage, zusam men mit Großflugzeugen 60 und Hubschraubern 70 in einem gemeinsamen Luftraum 14 als ATAS-Teilnehmer passiv zu operieren. Beispielsweise können diese kleineren und kostengünstigeren Luftfahrzeuge mit einer Reflexionseinrichtung in Form geeigneter Reflexionsflächen ausgerüstet werden. Die nachträgliche Anbringung solcher Reflexionsflächen und auch deren zukünftige Anbringung bereits bei der Produktion solcher kostengünstigerer Luftfahrzeuge ist technisch einfach und sehr kostengünstig durchführbar.

10: Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung
12: Überwachungsvorrichtung
14: Luftraum
16: Ausweichberechnungseinrichtung
18.: Missionsplanungs- oder Flugregelungsrechner
20.: Warneinrichtung
22: erste Erfassungseinrichtung
24: zweite Erfassungseinrichtung
26: Objekt
28: erster Bereich (Fernbereich)
30: zweiter Bereich (Nahbereich)
32: Grenzlinie zwischen erstem und zweitem Bereich
34: erster Sensor
36: zweiter Sensor
38: Radargerät oder Radarsystem
40: Antennen
42: Kamera
44: Sichtfeld Kamera
46: Stellmotor
48: Signalauswerteeinheit (erste Auswerteeinheit)
50: Bildauswerteeinheit (zweite Auswerteeinheit)
52: Objektverfolgungseinrichtung
54: Auswerteeinheit
55: Rechnersystem
56: Seitenleitwerk
57: Bug
58: Heck
60: Flugzeug
62: Rumpf
64: Sichtfeld
65: Sichtfeld
66: Sichtfeld
67: Sichtfeld
70: Hubschrauber
72: Hubschrauberrotor
74: Rotorblätter
76: Sichtfeld
77: Sichtfeld
78: Sichtfeld
79: Sichtfeld
82: neutrale Rotorebene
84: schlagendes Rotorblatt
85: schlagendes Rotorblatt
88: Rotormast
90: Rumpf des Hubschraubers

Claims

Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) für ein Luftfahrzeug (60, 70), mit: einer Überwachungseinrichtung (12) zum Überwachen einer Umgebung (14) des Luftfahrzeugs (60, 70) auf sich relativ zu dem Luftfahrzeug (60, 70) bewegende Objekte (26) hin und einer Auswerteeinrichtung (54) zum Auswerten von von der Überwachungseinrichtung (12) gelieferten Signalen, um eine relative Bewegung des Luftfahrzeuges (60, 70) und eines von der Überwachungseinrichtung (12) erfassten Objektes (26) zu überwachen, so dass die Gefahr einer möglichen Kollision erkannt werden kann, wobei die Überwachungseinrichtung (12) eine erste Erfassungseinrichtung (22) zum Erfassen eines sich in einem ersten Bereich (28) der überwachten Umgebung (14) befindlichen Objekts (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (12) eine zweite Erfassungseinrichtung (24) aufweist, die zum Erfassen eines Objektes (26) in einem zweiten, sich näher als der erste Bereich (28) an dem Luftfahrzeug (60, 70) befindlichen Bereich (30) der überwachten Umgebung (14) ausgebildet ist.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erfassungseinrichtung (22) wenigstens einen ersten Sensor (34) einer ersten Sensorart aufweist und dass die zweite Erfassungseinrichtung (24) wenigstens einen zweiten Sensor (36) einer zweiten, unterschiedlichen Sensorart aufweist.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, dass die zweite Erfassungseinrichtung (24) zur Kassifikation erfasster Objekte (26) nach Art, Größe, Kontur, Kollisionsgefahr oder dergleichen fähig ist.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erfassungseinrichtung (22) ein Radargerät (38) aufweist.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Erfassungseinrichtung (24) wenigstens eine im sichtbaren Bereich und/oder Infrarotbereich oder Wärmebereich wirksame Kamera (42) aufweist.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Radargerät (38) ein Radar mit synthetischer Apertur – SAR – ist, wobei eine Signalauswerteeinheit (48) nachgeschaltet ist, und dass die Kamera (42) eine Bildkamera ist, wobei eine Bildauswerteeinheit (50) nachgeschaltet ist.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Radargerät (38) am Rumpf (62) eines Flugzeuges (60) angeordnete Antennen (40) oder am Rumpf (90) und/oder an dem Rotor (72) eines Hubschraubers (70) angeordnete Antennen (40) aufweist, die vorzugsweise eine 360°-Rundumsicht in Horitzontalrichtung erlauben.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinrichtung (54) eine Objektverfolgungseinrichtung (52) zugeordnet ist, die die Bewegung eines von der ersten Erfassungseinrichtung (22) erfassten Objektes (26) überwacht und aus der erfassten Bewegung eine Bewegungsbahn des Objektes berechnet.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausweichberechnungseinrichtung (16) vorgesehen ist, die bei einer drohenden Kollisionsgefahr eine Ausweichtrajektorie für das Luftfahrzeug (60, 70) berechnet.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausweichberechnungseinrichtung (16) bei gleichzeitiger Erfassung mehrerer Objekte (26), die eine Kollisionsgefahr darstellen können, die Ausweichtrajektorie unter Berücksichtigung der Objektdaten aller dieser Objekte (26) durchführt.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinheit (53) vorgesehen ist, die bei einer Feststellung einer Annäherung eines durch die erste Erfassungseinrichtung (22) erfassten Objekts (26) die zweite Erfassungseinrichtung (24) derart steuert, dass diese das in den zweiten Bereich eintretende oder eingetretene Objekt (26) erfasst und dessen Art und/oder dessen Bewegung genauer analysiert, um eine drohende Kollision zu erkennen und um eine Änderung an Bewegungsparametern des Luftfahrzeuges (60, 70) zum Vermeiden einer Kollision zu berechnen.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des durch die Reichweite der ersten Erfassungseinrichtung (22) bestimmten ersten Bereichs (24) zwischen etwa 4 bis etwa 10 km Entfernung vom Flugzeug liegt und das Ende des ersten Bereichs, je nach Beginn, zwischen etwa 8 und 30 km Entfernung vom Luftfahrzeug (60, 70) liegt und dass die zweite Erfassungseinrichtung (24) zur gezielten Erfassung und Verfolgung in dem zweiten Bereich (30) fähig ist, der sich bis zu einer Entfernung von etwa 5 bis 10 km von dem Luftfahrzeug (60, 70) aus erstreckt.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Erfassungseinrichtung (24) von der ersten Erfassungseinrichtung (22) die Information erhält, in welchem Sektor des zweiten Bereichs die Bewegungsbahn eines von der ersten Erfassungseinrichtung an die zweite Erfassungseinrichtung zu übergebenden Objekts (26) eine Bewegungsbahn des Luftfahrzeuges kreuzen könnte, um die zweite Erfassungseinrichtung (24) gezielt auf diesen Sektor auszurichten.
Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (54) zur Auswertung von Informationen beider Erfassungseinrichtungen (22, 24) über ein Objekt (26) derart fähig ist, dass feststellbar ist, ob beide Erfassungseinrichtungen (22, 24) gleiche oder unterschiedliche Objekte (26) erkannt haben.
System zur Vermeidung von Kollisionen mehrerer Luftfahrzeuge (60, 70), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Luftfahrzeuge (60, 70) mit einer Kollisionsgefahrdetektionsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgerüstet ist.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Luftfahrzeug mit einer Reflexionseinrichtung, die wenigstens durch die erste Erfassungseinrichtung (22) sicher erfassbar ist, ausgerüstet ist.
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionseinrichtung eine nachrüstbare Reflexionsfläche zur Reflektion von Radarwellen ist.