DE102016114334B4

DE102016114334B4 - Method and device for predicting positions of an aircraft on the basis of acoustic measurements

Info

Publication number: DE102016114334B4
Application number: DE102016114334.0A
Authority: DE
Inventors: Carsten Spehr; Markus Rütten
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2036-08-04
Also published as: DE102016114334A1

Abstract

Verfahren zur Vorhersage von Positionen eines Flugzeugs (1) mit- Messen (11) von Schallwellen, die von dem Flugzeug (1) ausgehen, an mehreren am Boden verteilten Orten, wobei ortsabhängige Messsignale (6) erhalten werden; und- Auswerten der ortsabhängigen Messsignale (6), um eine zukünftige Flugbahn (3) des Flugzeugs (1) abzuschätzen, auf der sich das Flugzeug (1) weiterbewegt, nachdem die gemessenen Schallwellen von ihm ausgingen, und um eine akustische Signatur des Flugzeugs (1) zu bestimmen,- wobei die akustische Signatur hinsichtlich aktueller Flugmanöver des Flugzeugs (1) analysiert wird und- wobei die aktuellen Flugmanöver als Grundlage für das Abschätzen (17) der zukünftigen Flugbahn (3) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuellen Flugmanöver anhand von sich in der akustischen Signatur abzeichnenden Klappenstellungen des Flugzeugs (1) detektiert werden.Method for predicting positions of an aircraft (1) with measurement (11) of sound waves emanating from the aircraft (1) at several locations distributed on the ground, location-dependent measurement signals (6) being obtained; and - evaluating the location-dependent measurement signals (6) in order to estimate a future flight path (3) of the aircraft (1) on which the aircraft (1) will continue to move after the measured sound waves emanated from it, and in order to create an acoustic signature of the aircraft ( 1), - the acoustic signature being analyzed with regard to current flight maneuvers of the aircraft (1) and - the current flight maneuvers being used as a basis for estimating (17) the future flight path (3), characterized in that the current flight maneuvers can be detected on the basis of the flap positions of the aircraft (1) which are evident in the acoustic signature.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorhersage von Positionen eines Flugzeugs mit den Schritten Messen von Schallwellen, die von dem Flugzeug ausgehen, an mehreren am Boden verteilten Orten, wobei ortsabhängige Messsignal erhalten werden; und Auswerten der ortsabhängigen Messsignale, um eine Flugbahn des Flugzeugs abzuschätzen, auf der sich das Flugzeug weiterbewegt, nachdem die gemessenen Schallwellen von ihm ausgingen, und um eine akustische Signatur des Flugzeugs zu bestimmten.The invention relates to a method for predicting positions of an aircraft, comprising the steps of measuring sound waves emanating from the aircraft at a plurality of locations distributed on the ground, with location-dependent measurement signals being obtained; and evaluating the location-dependent measurement signals in order to estimate a flight path of the aircraft, on which the aircraft continues to move after the measured sound waves emanated from it, and to determine an acoustic signature of the aircraft.

Weiterhin bezieht sich Erfindung auf eine Vorrichtung zur Vorhersage von Positionen eines Flugzeugs mit einem Feld von Mikrofonen, die an mehreren am Boden verteilten Orten anzuordnen sind, um Schallwellen, die von dem Flugzeug ausgehen, zu messen, wobei ortsabhängige Messsignale erhalten werden; und mit einer Auswerteeinrichtung für die ortsabhängigen Messsignale, die ausgebildet ist, um das voranstehend definierte Verfahren auszuführen.The invention also relates to a device for predicting positions of an aircraft with a field of microphones which are to be arranged at several locations distributed on the ground in order to measure sound waves emanating from the aircraft, location-dependent measurement signals being obtained; and with an evaluation device for the location-dependent measurement signals, which is designed to carry out the method defined above.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Verfahren zur Erfassung und Vorhersage von Positionen eines Flugzeugs auf der Basis von Schallmessungen sind älter als Radar-basierte Verfahren. Da nicht alle Flugzeuge, insbesondere sogenannte Tarnkappen-Flugzeuge, für Radar sichtbar sind, aber immer Schallwellen von ihnen ausgehen, sind schallbasierte Verfahren auch heute noch zur Erfassung und Vorhersage von Positionen eines Flugzeugs von Interesse.Methods for recording and predicting positions of an aircraft on the basis of sound measurements are older than radar-based methods. Since not all aircraft, in particular so-called stealth aircraft, are visible to radar, but sound waves always emanate from them, sound-based methods are still of interest today for recording and predicting positions of an aircraft.

Ein grundsätzlicher Nachteil von schallbasierten Verfahren besteht darin, dass die Schallgeschwindigkeit, insbesondere im Vergleich zu hohen subsonischen und transsonischen Geschwindigkeit vieler Flugzeuge, niedrig ist, so dass die von einem Flugzeug ausgehenden Schallwellen erst dann am Boden gemessen werden können, wenn das Flugzeug bereits eine neue Position eingenommen hat. Bei schallbasierten Verfahren zur Vorhersage von Positionen eines Flugzeugs muss daher versucht werden, eine Flugbahn des Flugzeugs abzuschätzen, auf der sich das Flugzeug weiterbewegt, nachdem die gemessenen Schallwellen von ihm ausgingen. Hierzu können verschiedene Positionen des Flugzeugs ermittelt werden, in denen die am Boden gemessenen Schallwellen von dem Flugzeug ausgingen. Die zeitliche Abfolge dieser Positionen kann dann stetig fortgesetzt werden, um die Positionen des Flugzeugs auf dieser Basis für zukünftige Zeitpunkte zu extrapolieren. Dabei kann neben dem Verlauf der aus den gemessenen Schallwellen selbst bestimmten Positionen auch der hieraus bestimmbare Verlauf der Geschwindigkeit des Flugzeugs stetig in die Zukunft fortgesetzt werden, um die zukünftigen Positionen des Flugzeugs abzuschätzen.A fundamental disadvantage of sound-based methods is that the speed of sound, especially compared to the high subsonic and transonic speed of many aircraft, is low, so that the sound waves emanating from an aircraft can only be measured on the ground when the aircraft is already receiving a new one Has taken position. In sound-based methods for predicting positions of an aircraft, an attempt must therefore be made to estimate a flight path of the aircraft on which the aircraft will continue to move after the measured sound waves have emanated from it. For this purpose, various positions of the aircraft can be determined in which the sound waves measured on the ground originated from the aircraft. The time sequence of these positions can then be continued continuously in order to extrapolate the positions of the aircraft on this basis for future points in time. In addition to the course of the positions determined from the measured sound waves themselves, the course of the speed of the aircraft that can be determined therefrom can also be continuously continued into the future in order to estimate the future positions of the aircraft.

Zum Bestimmen der Position des Flugzeugs aus den an mehreren am Boden verteilten Orten gemessenen Schallwellen kann ein sogenanntes Beamforming eingesetzt werden, bei dem aus dem Phasenversatz der an den verschiedenen Orten am Boden eintreffenden Schallwellen auf den Ausgangspunkt dieser Schallwellen rückgeschlossen wird.To determine the position of the aircraft from the sound waves measured at several locations on the ground, so-called beamforming can be used, in which the starting point of these sound waves is deduced from the phase offset of the sound waves arriving at the different locations on the ground.

Aus der US 2009/0257314 A1 ist ein Verfahren zum Detektieren und Verfolgen von Flugzeugen unter Verwendung von Schallsensoren bekannt. Die Schallsensoren messen von einem Flugzeug ausgehende Schallwellen an einer Vielzahl von Orten. Die Position des Flugzeugs zu einem gegebenen Zeitpunkt wird durch Vergleichen eines Satzes von harmonisch verwandten Dopplerverschobenen Frequenzen für die gemessenen Schallwellen mit einer erwarteten nicht Dopplerverschobenen Frequenz abgeschätzt. Diese abgeschätzte Position wird verwendet, um die Flugbahn des Flugzeugs zu verfolgen. Das Flugzeug kann zudem basierend auf einem Vergleich des Spektrums der gemessenen Schallwellen mit bekannten akustischen Signaturen, wie beispielsweise Propeller- oder Motorabgasharmonischen, identifiziert werden.From the US 2009/0257314 A1 a method for detecting and tracking aircraft using sound sensors is known. The sound sensors measure sound waves emanating from an aircraft at a large number of locations. The position of the aircraft at a given point in time is estimated by comparing a set of harmonically related Doppler-shifted frequencies for the measured sound waves with an expected non-Doppler-shifted frequency. This estimated position is used to track the aircraft's flight path. The aircraft can also be identified based on a comparison of the spectrum of the measured sound waves with known acoustic signatures, such as propeller or engine exhaust harmonics.

Aus Anne M. Zelnio: Detection of Small Aircraft Using an Acoustic Array, Master Thesis, Wright State University, 2009 ist ein Verfahren zur Detektion kleiner Flugzeuge bekannt, die aufgrund ihrer geringen Größe, geringen Geschwindigkeit und ihres geringen Radarquerschnitts für Radarsensoren schwer sichtbar sind. Mit einem Feld von Schallsensoren wird ein Beamforming durchgeführt, um die Position des Flugzeugs aus den von ihm ausgehenden Schallwellen zu bestimmen.From Anne M. Zelnio: Detection of Small Aircraft Using an Acoustic Array, Master Thesis, Wright State University, 2009 a method for the detection of small aircraft is known, which is difficult to see for radar sensors due to their small size, low speed and small radar cross-section. Beamforming is carried out with an array of sound sensors in order to determine the position of the aircraft from the sound waves emitted by it.

Aus Henry A. Siller: Localisation of Sound Sources on Aircraft in Flight, Berlin Beamforming Conference (BeBeC) 2012 ist es bekannt, Schallquellen an Flugzeugen im Flug unter Verwendung von phasenempfindlichen Mikrofonfeldern zu lokalisieren und analysieren. So können verschiedene Schallquellen an einem Flugzeug, wie Seitenkanten einer Landeklappe, ein ausgefahrenes Bugfahrwerk oder der Abgasausstoß aus einem Triebwerk, erkannt und lokalisiert werden. Dabei muss die Flugbahn bekannt sein, um das Signal an der Schallquelle aus den Dopplerverschobenen Mikrofondaten zu rekonstruieren, und um die Schallquellen durch Anwendung von Beamforming zu orten.From Henry A. Siller: Localization of Sound Sources on Aircraft in Flight, Berlin Beamforming Conference (BeBeC) 2012, it is known to localize and analyze sound sources on aircraft in flight using phase-sensitive microphone fields. Different sound sources on an aircraft, such as the side edges of a landing flap, an extended nose landing gear or the exhaust gas emissions from an engine, can be detected and localized. The trajectory must be known in order to reconstruct the signal at the sound source from the Doppler-shifted microphone data, and to locate the sound sources using beamforming.

Aus Robert P. Dougherty: Functional Beamforming, Berlin Beamforming Conference (BeBeC) 2014 ist ein neuer schneller Beamforming-Algorithmus bekannt, der funktionelles Beamforming genannt wird. Als Anwendung des funktionellen Beamforming wird die Ortung von Schallquellen an einem Modell eines Verkehrsflugzeugs beschrieben.From Robert P. Dougherty: Functional Beamforming, Berlin Beamforming Conference (BeBeC) 2014, a new fast beamforming algorithm is known, the functional beamforming is called. The location of sound sources on a model of a commercial aircraft is described as an application of functional beamforming.

Aus der US 8,059,489 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren eines Flugzeugs bekannt, wobei das bekannte Verfahren die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Die aktuellen Flugmanöver, die als Grundlage für das Abschätzen der zukünftigen Flugbahn des jeweiligen Flugzeugs verwendet werden, werden anhand von sich in der akustischen Signatur des Flugzeugs abzeichnenden Triebwerkseinstellungen des Flugzeugs detektiert. Die Identifikation von unterschiedlichen Frequenzlinien in einem Spektrum der akustischen Signatur ermöglicht die Abschätzung und/oder Identifikation von Flugzeugflugparametern, wie beispielsweise Geschwindigkeit und Schrägentfernung.From the US 8,059,489 B1 a method and a device for detecting an aircraft are known, the known method having the features of the preamble of independent claim 1. The current flight maneuvers, which are used as the basis for estimating the future flight path of the respective aircraft, are detected on the basis of the aircraft engine settings that are evident in the aircraft's acoustic signature. The identification of different frequency lines in a spectrum of the acoustic signature enables the estimation and / or identification of aircraft flight parameters, such as, for example, speed and slope distance.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schallbasiertes Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine genauere Vorhersage von zukünftigen Positionen eines Flugzeugs möglich ist, als bisher. Weiterhin soll eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung aufgezeigt werden.The invention is based on the object of showing a sound-based method with which a more precise prediction of future positions of an aircraft is possible than before. Furthermore, a device suitable for carrying out this method is to be shown.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 8 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Patentanspruch 9 ist auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.The object of the invention is achieved by a method having the features of independent patent claim 1. The dependent claims 2 to 8 relate to preferred embodiments of the method according to the invention. Claim 9 is directed to a device for carrying out the method according to the invention.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vorhersage von Positionen eines Flugzeugs mit den Schritten Messen von Schallwellen, die von dem Flugzeug ausgehen, an mehreren am Boden verteilten Orten, wobei ortsabhängige Messsignale erhalten werden; und Auswerten der ortsabhängigen Messsignale, um eine Flugbahn des Flugzeugs abzuschätzen, auf der sich das Flugzeug weiterbewegt, nachdem die gemessenen Schallwellen von ihm ausgingen, und um eine akustische Signatur des Flugzeugs zu bestimmen, wird die die akustische Signatur hinsichtlich aktueller Flugmanöver des Flugzeugs analysiert, und die aktuellen Flugmanöver werden als Grundlage für das Abschätzen der Flugbahn verwendet.In the method according to the invention for predicting positions of an aircraft, comprising the steps of measuring sound waves emanating from the aircraft at a plurality of locations distributed on the ground, with location-dependent measurement signals being obtained; and evaluating the location-dependent measurement signals in order to estimate a flight path of the aircraft on which the aircraft continues to move after the measured sound waves emanated from it, and in order to determine an acoustic signature of the aircraft, the acoustic signature is analyzed with regard to current flight maneuvers of the aircraft, and the current flight maneuvers are used as the basis for estimating the flight path.

Für die Abschätzung der Flugbahn, auf der sich das Flugzeug weiterbewegt, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also zumindest auch Informationen verwendet, die aus der akustischen Signatur des Flugzeugs gezogen werden. Konkret geht es dabei um solche Details der akustischen Signatur, aus denen sich Hinweise auf aktuelle Flugmanöver des Flugzeugs ergeben. Die akustische Signatur wird demnach zumindest nicht nur dazu verwendet, um das Flugzeug nach seinem Typ, seiner Ausstattung oder seiner Beladung zu identifizieren. Vielmehr wird zumindest auch der aktuelle Flugzustand des Flugzeugs analysiert, der Rückschlüsse auf bereits laufende oder eingeleitete Flugmanöver zulässt. Die Ermittlung dieser Flugmanöver stellt wichtige Anhaltspunkte dafür bereit, wie sich die Flugbahn des Flugzeugs demnächst fortsetzen wird, die über das hinaus gehen, was durch eine stetige Fortsetzung der bisherigen Flugbahn in Bezug auf die bisherigen Positionen und bisherigen Geschwindigkeiten des Flugzeugs abgeschätzt werden kann.For the estimation of the flight path on which the aircraft is moving on, the method according to the invention also uses at least information that is drawn from the aircraft's acoustic signature. Specifically, it is about details of the acoustic signature that provide information about the aircraft's current flight maneuvers. The acoustic signature is therefore at least not only used to identify the aircraft according to its type, its equipment or its load. Rather, at least the current flight status of the aircraft is also analyzed, which allows conclusions to be drawn about flight maneuvers that are already in progress or that have been initiated. The determination of these flight maneuvers provides important clues as to how the flight path of the aircraft will continue in the near future, which goes beyond what can be estimated by a constant continuation of the previous flight path in relation to the previous positions and previous speeds of the aircraft.

Dass die Schallwellen, die von dem Flugzeug ausgehen, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an mehreren am Boden verteilten Orten gemessen werden, bedeutet, dass die Schallwellen mit einem Feld oder Array von Schallsensoren, insbesondere Mikrofonen, gemessen werden. Die Schallsensoren oder Mikrofone müssen dabei nicht direkt am Boden angeordnet sein, sondern sie können auch in bestimmter Höhe über dem Boden angebracht sein. Das Messen der Schallwellen erfolgt so, dass die benötigten Informationen erhalten werden, um die Flugbahn des Flugzeugs abzuschätzen und die akustische Signatur des Flugzeugs zu bestimmen. Dies impliziert insbesondere, dass beim Messen der Schallwellen deren Frequenz, Amplitude und Phase erfasst wird.The fact that the sound waves emanating from the aircraft are measured in the method according to the invention at several locations distributed on the ground means that the sound waves are measured with a field or array of sound sensors, in particular microphones. The sound sensors or microphones do not have to be arranged directly on the floor, but they can also be attached at a certain height above the floor. The measurement of the sound waves is done in such a way that the information required to estimate the flight path of the aircraft and to determine the acoustic signature of the aircraft is obtained. This implies in particular that when the sound waves are measured, their frequency, amplitude and phase are recorded.

Dass beim Messen der Schallwellen ortsabhängige Messsignale erhalten werden bedeutet nicht, dass diese Messsignale nicht auch zeitabhängig sind. Vielmehr ist dies sicher der Fall.The fact that location-dependent measurement signals are obtained when measuring the sound waves does not mean that these measurement signals are not also time-dependent. Rather, this is certainly the case.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die aktuellen Flugmanöver, das heißt die bereits laufenden oder erst eingeleiteten Flugmanöver, anhand von sich in der akustischen Signatur abzeichnenden Klappenstellungen des Flugzeugs detektiert. Insbesondere die Kanten ausgefahrener oder ausgelenkter Klappen eines Flugzeugs sind Schallquellen, von denen signifikante Schallwellen ausgehen. Das Messen dieser Schallwellen und das Auswerten der entsprechenden Messsignale ermöglicht daher Rückschlüsse auf die Klappenstellungen und damit auf Flugmanöver des Flugzeugs, für die diese Klappenstellungen charakteristisch sind.In the method according to the invention, the current flight maneuvers, that is to say the flight maneuvers that are already in progress or have just been initiated, are detected on the basis of the flap positions of the aircraft that are evident in the acoustic signature. In particular, the edges of extended or deflected flaps of an aircraft are sound sources from which significant sound waves emanate. The measurement of these sound waves and the evaluation of the corresponding measurement signals therefore enables conclusions to be drawn about the flap positions and thus about flight maneuvers of the aircraft for which these flap positions are characteristic.

Alternativ oder zusätzlich können die aktuellen Flugmanöver anhand von sich in der akustischen Signatur abzeichnenden Triebwerkseinstellungen des Flugzeugs detektiert werden. Zu solchen Triebwerkseinstellungen zählen insbesondere Triebwerksschubeinstellungen und Triebwerksschubvektorstellungen. Beide genannten Triebwerkseinstellungen gehen mit charakteristischen Komponenten in der akustischen Signatur des Flugzeugs einher.As an alternative or in addition, the current flight maneuvers can be detected on the basis of the engine settings of the aircraft that are evident in the acoustic signature. Such engine settings include in particular Engine thrust settings and engine thrust vector positions. Both of these engine settings are associated with characteristic components in the aircraft's acoustic signature.

Weiterhin können die aktuellen Flugmanöver anhand von sich in der akustischen Signatur abzeichnenden Umströmungsgeschwindigkeiten von Kanten des Flugzeugs detektiert werden. Insbesondere bei Kenntnis des jeweiligen Flugzeugstyps lassen sich bestimmte Komponenten der akustischen Signatur den Schallwellen zuordnen, die von der Umströmung bestimmter Kannten des jeweiligen Flugzeugs ausgehen, wobei die Frequenz und Amplitude dieser Umströmung der Geschwindigkeit des Flugzeugs und insbesondere der resultierenden Umströmungsgeschwindigkeit der jeweiligen Kante des Flugzeugs abhängt.Furthermore, the current flight maneuvers can be detected on the basis of the flow velocities around the edges of the aircraft which are evident in the acoustic signature. In particular, if the respective aircraft type is known, certain components of the acoustic signature can be assigned to the sound waves that originate from the flow around certain edges of the respective aircraft, the frequency and amplitude of this flow around the speed of the aircraft and in particular the resulting flow speed around the respective edge of the aircraft .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden typischerweise zuerst aus den ortsabhängigen Messsignalen Positionen bestimmt, an denen sich das Flugzeug befand, als die gemessenen Schallwellen vom ihm ausgingen, und diese Positionen werden ebenfalls als Grundlage, konkret als Aufpunkte für das Abschätzen der Flugbahn des Flugzeugs verwendet.In the method according to the invention, positions are typically first determined from the location-dependent measurement signals at which the aircraft was when the measured sound waves emanated from it, and these positions are also used as a basis, specifically as starting points for estimating the flight path of the aircraft.

Dabei können die Positionen des Flugzeugs aus den Messsignalen durch Beamforming bestimmt werden. Vorzugsweise kommt funktionelles Beamforming zur Anwendung, wie es aus Robert P. Dougherty: Functional Beamforming, Berlin Beamforming Conference (BeBeC), 2014 bekannt ist und das sich gegenüber anderen Beamforming-Verfahren durch eine sehr schnelle Ermittlung der Positionen aus den Messsignalen auszeichnet.The positions of the aircraft can be determined from the measurement signals by beamforming. Functional beamforming is preferably used, as is known from Robert P. Dougherty: Functional Beamforming, Berlin Beamforming Conference (BeBeC), 2014 and which, compared to other beamforming methods, is characterized by a very fast determination of the positions from the measurement signals.

Weiterhin wird bei dem bekannten Verfahren die bisherige Flugbahn in der Regel aus den eingangs bestimmten Positionen sowohl nach Verlauf als auch nach Geschwindigkeit bestimmt.Furthermore, in the known method, the previous trajectory is usually determined from the positions determined at the beginning, both in terms of course and speed.

Vorzugsweise werden die so über die bisherige Flugbahn gewonnenen Informationen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet, um die ortsabhängigen Messsignale bezüglich des Doppler-Effekts zu korrigieren, wie er am jeweiligen Ort des Messens der Schallwellen auftritt, bevor die akustische Signatur des Flugzeugs aus den Messsignalen bestimmt wird. Diese Korrektur ist vielfach Voraussetzung für eine Detailanalyse der akustischen Signatur in Bezug auf die aktuellen Flugmanöver des Flugzeugs.The information obtained in this way about the previous flight path is preferably used in the method according to the invention to correct the location-dependent measurement signals with respect to the Doppler effect, as occurs at the respective location where the sound waves are measured, before the acoustic signature of the aircraft is determined from the measurement signals . This correction is often a prerequisite for a detailed analysis of the acoustic signature in relation to the aircraft's current flight maneuvers.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vorhersage von Positionen eines Flugzeugs mit einem Feld von Schallsensoren oder Mikrofonen, die an mehreren am Boden verteilten Orten anzuordnen sind, um Schallwellen, die von dem Flugzeug ausgehen, zu messen, wobei ortsabhängige Messsignale erhalten werden, weißt eine Auswerteeinrichtung für die ortsabhängigen Messsignale aus, die ausgebildet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren schätzt die Flugbahn des Flugzeugs ausgehend von dem Zeitpunkt, zu dem die gemessenen Schallwellen von dem Flugzeug ausgingen, zumindest soweit in die Zukunft hinein ab, dass die momentane Position des Flugzeugs mit guter Genauigkeit erhalten wird. Auch darüber hinaus gehende Abschätzungen der Flugbahn in der Zukunft sind mit gegenüber bekannten Verfahren erheblich verbesserter Genauigkeit möglich.The device according to the invention for predicting positions of an aircraft with a field of sound sensors or microphones, which are to be arranged at several locations distributed on the ground in order to measure sound waves emanating from the aircraft, with location-dependent measurement signals being obtained, has an evaluation device for the location-dependent measurement signals that are designed to carry out the method according to the invention. The method according to the invention estimates the flight path of the aircraft starting from the point in time at which the measured sound waves emanated from the aircraft, at least far enough into the future that the current position of the aircraft is obtained with good accuracy. Estimates of the trajectory in the future that go beyond this are also possible with a significantly improved accuracy compared to known methods.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention emerge from the patent claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are only exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention. Without changing the subject matter of the attached claims, the following applies to the disclosure content of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible in a way deviating from the selected back-references of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Features listed in the claims can also be omitted for further embodiments of the invention.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Schallsensor die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Schallsensor, zwei Schallsensoren oder mehr Schallsensoren vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.The number of features mentioned in the claims and the description are to be understood in such a way that precisely this number or a greater number than the specified number is present without the need for the explicit use of the adverb “at least”. So when a sound sensor is mentioned, for example, it is to be understood that there is exactly one sound sensor, two sound sensors or more sound sensors. The features listed in the claims can be supplemented by other features or be the only features that the respective product has.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the claims do not restrict the Scope of the subject matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 ist eine Prinzipdarstellung zu dem erfindungsgemäßen Verfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In the following, the invention is further explained and described with reference to preferred exemplary embodiments shown in the figures.

1 is a schematic diagram of the inventive method of the inventive device and
2 Figure 3 is a block diagram of the method of the invention.

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

In 1 ist ein Flugzeug 1 schematisch dargestellt, dass sich in Richtung eines Pfeils 2 längs einer Flugbahn 3 bewegt. Dabei gehen von dem Flugzeug 1 Schallwellen aus, die mit einem Feld 4 von Mikrofonen 5 am Boden gemessen werden. Daraus resultierende Messsignale 6 werden mit einer Auswerteeinrichtung 7 ausgewertet. Aufgrund der relativ geringen Geschwindigkeit des Schalls treffen die zu einem Zeitpunkt t₁ von dem Flugzeug 1 ausgehenden Schallwellen erst dann an dem Feld 4 von Mikrofonen 5 ein, wenn sich das Flugzeug bereits auf seiner Flugbahn 3 fortbewegt hat. Dasselbe gilt für die folgenden Zeitpunkte t₂, t₃ ... t_n. Durch Beamforming bei der Auswertung der Messsignale 6 kann so die Position des Flugzeugs 1 nur für Zeitpunkte in der Vergangenheit bestimmt werden. Hieraus kann die Flugbahn durch Extrapolieren ihres bisherigen Verlaufs in die Zukunft abgeschätzt werden, um sowohl die momentane Position des Flugzeugs als auch seine Position zu verschiedenen Zeitpunkten in der Zukunft mit zumindest gewisser Genauigkeit zu bestimmten. Diese Extrapolation ermöglicht für alle Zeitpunkte, für die noch keine Schallwellen am Boden gemessen und entsprechende Messsignale 6 ausgewertet wurden, das Abschätzen der Flugbahn 3 nur innerhalb eines Wahrscheinlichkeitskegels 8. Dabei ist es von Interesse, den Öffnungswinkel des Wahrscheinlichkeitswinkels 8 möglichst klein zu halten. Dazu sind möglichst viele Informationen aus den Schallwellen beziehungsweise den resultierenden Messsignalen 6 zu extrahieren. Erfindungsgemäß zählen zu diesen Informationen solche über aktuelle Flugmanöver des Flugzeugs 1, die sich konkret aus Details der akustischen Signatur des Flugzeugs 1 extrahieren lassen. Dabei ist mit der akustischen Signatur des Flugzeugs neben dem Frequenzspektrum der von ihm ausgehenden Schallwellen auch die räumliche Verteilung der Schallquellen über das Flugzeug 1 gemeint, von denen diese Schallwellen ausgehen. Indem die akustische Signatur des Flugzeugs 1 in Hinblick auf aktuelle Flugmanöver, das heißt bereits laufende oder erst eingeleitete Flugmanöver analysiert wird, werden Informationen gewonnen, mit denen der Wahrscheinlichkeitskegel 8 eingegrenzt werden kann. Dabei kann der Wahrscheinlichkeitskegel durch die Auswertung der akustischen Signatur im Hinblick auf die aktuellen Flugmanöver eine der hieraus abgeschätzten Flugbahn folgende, gekrümmte Achse aufweisen.In 1 is an airplane 1 shown schematically that is in the direction of an arrow 2 along a trajectory 3 emotional. Doing this go from the plane 1 Sound waves coming out with a field 4th of microphones 5 be measured on the ground. Resulting measurement signals 6th are equipped with an evaluation device 7th evaluated. Because of the relatively low speed of the sound, they hit the aircraft at a time t ₁ 1 outgoing sound waves only then at the field 4th of microphones 5 one when the aircraft is already on its flight path 3 has moved. The same applies to the following times t ₂ , t ₃ ... t _n . By beamforming when evaluating the measurement signals 6th so can the position of the aircraft 1 can only be determined for points in time in the past. From this, the flight path can be estimated by extrapolating its previous course into the future in order to determine both the current position of the aircraft and its position at different times in the future with at least a certain degree of accuracy. This extrapolation enables corresponding measurement signals for all times for which no sound waves have yet been measured on the ground 6th were evaluated, estimating the trajectory 3 only within a probability cone 8th . It is of interest to know the opening angle of the probability angle 8th to be kept as small as possible. For this purpose, as much information as possible is required from the sound waves or the resulting measurement signals 6th to extract. According to the invention, this information includes information about current flight maneuvers of the aircraft 1 that can be specifically derived from details of the aircraft's acoustic signature 1 let extract. In addition to the frequency spectrum of the sound waves emanating from it, the acoustic signature of the aircraft also includes the spatial distribution of the sound sources over the aircraft 1 meant from which these sound waves emanate. By adding the acoustic signature of the aircraft 1 With regard to current flight maneuvers, that is, flight maneuvers that are already in progress or that have just been initiated, information is obtained with which the probability cone is determined 8th can be narrowed down. By evaluating the acoustic signature with regard to the current flight maneuvers, the probability cone can have a curved axis following the flight path estimated therefrom.

Bei einem Flugzeug mit geringer Radarsignatur sind akustische Verfahren häufig die einzige Möglichkeit zur Vorhersage seiner zukünftigen Positionen. An solchen Flugzeugen ist das erfindungsgemäße Verfahren sogar besonders effizient durchführbar. Flugzeuge mit geringer Radarsignatur werden, um ihren Radarquerschnitt zu minimieren, oft durch Schubregelung ihrer Triebwerke gesteuert. Hieraus resultieren Komponenten ihrer akustischen Signaturen in Folge beschleunigter Strömungen bei der Kantenüberströmung. Wenn solche Flugzeuge schallreduzierte Triebwerke aufweisen, um ihre akustische Ortung zu erschweren, sind dadurch diese Komponenten der akustischen Signaturen sowie Klappeneinstellungen, die auf Steuereinstellungen schließen lassen, leichter zu orten als bei ungedämpften Triebwerken. Aus der Konfiguration der Klappenstellungen, der Triebwerksschubeinstellungen und Triebwerksdüsen- oder Schubvektorstellungen lässt sich auf die aktuellen Flugmanöver schließen. Dadurch lässt sich die Vorhersage der weiteren Flugbahn und der darauf liegenden Flugpositionen um die Zeit erweitern, in der das Flugzeug in dieser Konfiguration bleibt, das heißt dieses Flugmanöver weiter ausführt. Die Ortung des Flugzeugs kann dadurch erleichtert werden, dass Flugzeuge typischerweise nur auf bestimmtem, terrainabhängigen Flugrouten fliegen, die sich nur an bestimmten Punkten verzweigen. Dadurch liefern kurzzeitige Informationen über das aktuelle Flugmanöver längerfristige Vorhersagen über die weitere Flugbahn innerhalb des Terrains auf den dort sinnvollen Flugrouten.For an aircraft with a low radar signature, acoustic methods are often the only way to predict its future positions. The method according to the invention can even be carried out particularly efficiently on such aircraft. Aircraft with a low radar signature are often controlled by thrust control of their engines in order to minimize their radar cross-section. This results in components of their acoustic signatures as a result of accelerated flows when flowing over the edges. If such aircraft have low-noise engines to make their acoustic localization more difficult, these components of the acoustic signatures as well as flap settings, which indicate control settings, are easier to locate than with undamped engines. The current flight maneuvers can be inferred from the configuration of the flap positions, the engine thrust settings and the engine nozzle or thrust vector positions. As a result, the prediction of the further flight path and the flight positions lying on it can be expanded by the time in which the aircraft remains in this configuration, that is to say continues this flight maneuver. The location of the aircraft can be facilitated by the fact that aircraft typically only fly on specific, terrain-dependent flight routes that only branch off at specific points. As a result, short-term information about the current flight maneuver provides longer-term predictions about the further flight path within the terrain on the flight routes that make sense there.

Gemäß dem in 2 gezeigten Blockdiagramm beginnt das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Messen 11 der Schallwellen. An den resultierenden Messsignalen 6 wird ein Beamforming 12 zur Bestimmung von Positionen des Flugzeugs durchgeführt, an denen sich das Flugzeug befand, als die gemessenen Schallwellen von ihm ausgingen. Basierend hierauf erfolgt ein Bestimmen 13 von Geschwindigkeiten des Flugzeugs längs seiner bisherigen Flugbahn. Anschließend wird ein Korrigieren 14 der Messsignale 6 hinsichtlich des Doppler-Effekts durchgeführt. Anhand der korrigierten Messsignale 6 erfolgt eine Bestimmung 15 der akustischen Signatur des Flugzeugs. Aus einer Analyse 16 dieser akustischen Signatur werden Rückschlüsse auf die aktuellen Flugmanöver des Flugzeugs gezogen. Diese Erkenntnisse werden beim Abschätzen 17 der zukünftigen Flugbahn 3 des Flugzeugs verwendet. Anhand dieser Flugbahn 3 kann dann ein Bestimmen 18 von Positionen des Flugzeugs zu bestimmten Zeitpunkten in der Zukunft erfolgen.According to the in 2 As shown in the block diagram, the method according to the invention begins with a measurement 11 of the sound waves. On the resulting measurement signals 6th becomes a beamforming 12 to determine positions of the aircraft at which the aircraft was when the measured sound waves emanated from it. A determination is made based on this 13th the speeds of the aircraft along its previous flight path. Then a correction is made 14th of the measurement signals 6th with regard to the Doppler effect. Based on the corrected measurement signals 6th a determination is made 15th the acoustic signature of the aircraft. From an analysis 16 This acoustic signature allows conclusions to be drawn about the aircraft's current flight maneuvers. These findings are used when estimating 17th the future trajectory 3 of the aircraft used. Using this trajectory 3 can then determine 18th of positions of the aircraft at certain times in the future.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Flugzeugplane
22: Pfeilarrow
33: FlugbahnTrajectory
44th: Feldfield
55: Mikrofonmicrophone
66th: MesssignalMeasurement signal
77th: AuswerteeinrichtungEvaluation device
88th: WahrscheinlichkeitskegelProbability cone
1111: Messenmeasure up
1212: BeamformingBeamforming
1313: BestimmenDetermine
1414th: KorrigierenCorrect
1515th: Bestimmungdetermination
1616: Analyseanalysis
1717th: AbschätzenAppraise
1818th: BestimmenDetermine
t₁ t ₁: Zeitpunkttime
t₂ t ₂: Zeitpunkttime
t₃ t ₃: Zeitpunkttime

Claims

Method for predicting positions of an aircraft (1) with - measuring (11) of sound waves emanating from the aircraft (1) at several locations distributed on the ground, with location-dependent measurement signals (6) being obtained; and - evaluating the location-dependent measurement signals (6) in order to estimate a future flight path (3) of the aircraft (1) on which the aircraft (1) will continue to move after the measured sound waves emanated from it, and in order to create an acoustic signature of the aircraft ( 1), - the acoustic signature being analyzed with regard to current flight maneuvers of the aircraft (1) and - the current flight maneuvers being used as a basis for estimating (17) the future flight path (3), characterized in that the current flight maneuvers can be detected on the basis of the flap positions of the aircraft (1) which are evident in the acoustic signature.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the current flight maneuvers are detected on the basis of the engine settings of the aircraft (1) which are evident in the acoustic signature.

Procedure according to Claim 2 , characterized in that the engine settings comprise engine thrust settings and / or engine thrust vector positions.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the current flight maneuvers are detected on the basis of the flow velocities around the edges of the aircraft (1) which are evident in the acoustic signature.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that positions are determined from the location-dependent measurement signals (6) at which the aircraft (1) was when the measured sound waves emanated from it, and that these positions serve as the basis for the estimation ( 17) of the trajectory (3) can be used.

Procedure according to Claim 5 , characterized in that the positions are determined by functional beamforming (12).

Procedure according to Claim 5 or 6th , characterized in that the previous trajectory (3) is determined according to course and speed from the positions.

Procedure according to Claim 7 , characterized in that the location-dependent measurement signals (6) are corrected with respect to the Doppler effect before the acoustic signature of the aircraft (1) is determined.

Device for predicting positions of an aircraft (1) with - A field (4) of sound sensors or microphones (5), which are to be arranged at several locations distributed on the ground in order to measure (11) sound waves emanating from the aircraft (1), with location-dependent measurement signals (6) being obtained ; and - An evaluation device (7) for the location-dependent measurement signals (6), which is designed to carry out the method according to one of the preceding claims.