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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein das technische Gebiet der Luftfahrt. Insbesondere betrifft die Beschreibung eine Vorrichtung zum Bestimmen des Auftreffbereichs eines Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche im Notfall. Weiterhin betrifft die Beschreibung ein System bzw. einen Verbund aus einer solchen Vorrichtung und einem Luftfahrzeug, insbesondere einem unbemannten und hochfliegenden Luftfahrzeug.
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Hintergrund der Erfindung
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Grundsätzlich unterliegen Luftfahrzeuge hohen Sicherheitsanforderungen. Diese Sicherheitsanforderungen betreffen sowohl den Betrieb der Luftfahrzeuge als solches als auch die Umgebung der Luftfahrzeuge einschließlich möglicher Auswirkungen der Luftfahrzeuge auf die Erdoberfläche.
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Um ein gewisses Maß der Betriebssicherheit zu erreichen und/oder nachzuweisen, kann ein Luftfahrzeug und dessen Komponenten vor dem Einsatz auf ihre Betriebssicherheit und/oder Ausfallwahrscheinlichkeit untersucht werden. Die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems Luftfahrzeug kann dabei dadurch beeinflusst werden, dass bestimmte Komponenten redundant vorgehalten werden. Ab einem bestimmten Wert der Ausfallwahrscheinlichkeit gilt ein Luftfahrzeug als ausreichend sicher.
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Ein alternativer Ansatz sieht vor, dass operationelle Risiko während des Betriebs eines Luftfahrzeugs laufend zu ermitteln, um im Falle eines Notfalls unter Einhalten einer geforderten Vorwarnzeit in den von dem Notfall des Luftfahrzeugs betroffenen Regionen auf der Erdoberfläche notwendige Maßnahmen ergreifen zu können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es kann als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, das operationelle Risiko während des Betriebs eines Luftfahrzeugs mit einer höheren Genauigkeit zu ermitteln.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Auftreffbereiches mit einem Auftreffpunkt eines Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche in einem Notfall angegeben. Die Vorrichtung weist eine erste Schnittstelle, eine zweite Schnittstelle und eine Recheneinheit auf. Die erste Schnittstelle ist ausgeführt, Luftfahrzeugdaten von dem Luftfahrzeug zu erhalten, wobei die Luftfahrzeugdaten zumindest eine Position des Luftfahrzeugs sowie eine Höhe über der Erdoberfläche enthalten. Die zweite Schnittstelle ist ausgeführt, in einem wiederkehrenden Prozess bestehend aus mehreren einzelnen Empfangsschritten Wetterdaten von einer Wetterinformationsquelle zu erhalten, wobei die Wetterdaten Wettervorhersagen sowie aktuelle Wetterdaten sind, und wobei die Wetterdaten zumindest Luftbewegungen in einem Höhenprofil zwischen dem Luftfahrzeug und der Erdoberfläche enthalten. Die Vorrichtung ist ausgeführt, die erhaltenen Wetterdaten zu speichern, beispielsweise in einem Datenspeicher, in welchem die Wetterdaten flüchtig oder nicht-flüchtig gespeichert werden können. Die Recheneinheit ist ausgeführt, die Wettervorhersagen aus einem vorangegangenen Empfangsschritt mit aktuellen Wetterdaten aus einem nachfolgenden Empfangsschritt abzugleichen und eine Abweichung zwischen den Wettervorhersagen und den aktuellen Wetterdaten zu ermitteln. Die Recheneinheit ist weiter ausgeführt, einen Auftreffbereich des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche in einem Notfall basierend auf der Wettervorhersage für den Zeitpunkt des Notfalls, der Abweichung zwischen den Wettervorhersagen aus einem vorangegangenen Empfangsschritt und den aktuellen Wetterdaten, sowie der Position des Luftfahrzeugs zu ermitteln.
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Wetterdaten einer Wettervorhersage unterliegen in der Regel einer gewissen Unsicherheit, wobei auch das Ausmaß der Unsicherheit unbekannt ist. Führt beispielsweise ein Notfall dazu, dass sich ein Luftfahrzeug unkontrolliert der Erdoberfläche näher oder abstürzt, muss in kurzer Zeit der von dem Absturz möglicherweise betroffene Auftreffbereich ermittelt werden, um beispielsweise Maßnahmen des Bevölkerungsschutzes einzuleiten.
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Um den Auftreffbereich zu ermitteln, sind Wetterdaten notwendig, beispielsweise die Windrichtung und auch die Windgeschwindigkeit. In der Regel liegen die zum Zeitpunkt des Notfalls vorherrschenden exakten Wetterbedingungen nicht vor, weil auch Wetterbedingungen nicht fortlaufend und unterbrechungsfrei, sondern in zyklischen Zeitabständen erfasst und weitergeleitet werden. Daher muss für das Bestimmen eines Auftreffbereiches eines Luftfahrzeugs auf Wetterdaten zurückgegriffen werden, welche einige Minuten oder einige Stunden alt sind und auf denen basierend eine Wettervorhersage erstellt wurde. Systembedingt enthält eine Wettervorhersage Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten wirken sich auf den Auftreffbereich bzw. die Genauigkeit der Vorhersage des Auftreffbereichs aus.
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Die hierin beschriebene Vorrichtung geht mit diesen Unsicherheiten wie folgt um: für die Vergangenheit, also für Wettervorhersagen für vergangene Zeiträume, wird die Wettervorhersage für einen Zeitpunkt mit dem tatsächlich zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Wetter verglichen und die Abweichung zwischen Vorhersage und tatsächlichem Wetter ermittelt. Nachdem die Wetterlage in wiederkehrenden Zeiträumen erfasst und für zukünftige Zeiträume eine Vorhersage erstellt wird, kann für jeden dieser Zeiträume die Vorhersage mit dem dann eingetretenen tatsächlichen Wetter verglichen werden. Aus diesem Vergleich wird die Abweichung zwischen Vorhersage und eingetretenem Wetter ermittelt. Diese Abweichung ist ein Maß für die Unsicherheit der Wettervorhersage. Wenn beispielsweise zum Zeitpunkt eines Notfalls die jüngsten erfassten Wetterdaten zwei Stunden alt sind, arbeitet man für das Bestimmen des Auftreffbereichs mit einer Wettervorhersage (welche aus Sicht des Zeitpunkts der jüngsten erfassten Wetterdaten zwei Stunden in der Zukunft liegt). Wie jede Prognose enthält auch eine Wettervorhersage eine Unsicherheit betreffend ihre Genauigkeit. Indem für vergangene Wettervorhersagen deren Genauigkeit ermittelt wurde, kann diese Genauigkeit historischer Daten auch auf die Zukunft extrapoliert werden. Das Ziel dabei ist nicht, einen Auftreffpunkt des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche so genau wie möglich anzugeben, sondern den in Anbetracht der Unsicherheit der Wettervorhersage wahrscheinlichen Auftreffbereich anzugeben. Es geht also primär darum, die systembedingte Unsicherheit zu kennen und mit ihr umzugehen.
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Der Auftreffbereich des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche hängt zunächst von der Position des Luftfahrzeugs ab. Zu der Position des Luftfahrzeugs gehört die Höhe über der Erdoberfläche sowie die geographischen Koordinaten, welche beispielsweise als Position der Normalen auf der Erdoberfläche ausgehend von dem Luftfahrzeug angegeben werden können. Weiterhin hängt der Auftreffbereich von den Wetterbedingungen, insbesondere Luftbewegungen wie Windrichtung und Windgeschwindigkeit, zwischen dem Luftfahrzeug und der Erdoberfläche ab.
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Für das Bestimmen des Auftreffbereiches kann berücksichtigt werden, ob der Antrieb des Luftfahrzeugs noch aktiv ist oder aktiviert/deaktiviert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann berücksichtigt werden, in welcher Position Steuerklappen des Luftfahrzeugs sind und ob diese Position verstellt werden kann. Der Auftreffbereich kann also in Abhängigkeit der Stellung der Steuerklappen und des daraus resultierenden Flugzustands ermittelt werden. Ebenso kann die Veränderung des Auftreffbereichs in Abhängigkeit der Veränderung der Stellung der Steuerklappen ermittelt werden. Wenn sich also herausstellt, dass durch Aktivieren des Antriebs oder Veränderung der Stellung der Steuerklappen der Auftreffbereich auf eine gewünschte Weise verändert werden kann, können entsprechende Maßnahmen (Antrieb mit einer bestimmten Leistung ansteuern, Steuerklappenstellung ändern) eingeleitet werden.
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Der Auftreffbereich des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche kann theoretisch beliebig genau ermittelt werden, wenn die Position des Luftfahrzeugs, die Wetterbedingungen sowie der Zustand des Luftfahrzeugs (beispielsweise ob der Rumpf gebrochen ist oder nicht, um die Wirkung des Wetters auf das Luftfahrzeug zu bestimmen) exakt bekannt sind. Die Position des Luftfahrzeugs lässt sich genau bestimmen. Ebenso lässt sich der Zustand des Luftfahrzeugs hinreichend genau bestimmen, um mittels Modellrechnungen den Einfluss von Luftbewegungen und/oder der Luftdichte auf das Luftfahrzeug bestimmen zu können. Ein Großteil der Ungenauigkeit wird dadurch eingebracht, dass die Wetterbedingungen nicht an jedem Ort und zu jeder Zeit laufend erfasst werden. Vielmehr werden Wetterbedingungen in der Regel zyklisch erfasst und für die Zeit bis zu einem neuen Erfassungsschritt werden Wettervorhersagen erstellt, welche naturgemäß mit Unsicherheit behaftet sind. Hieraus ergibt sich eine systembedingte Unsicherheit für das Ermitteln des Auftreffpunkts des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche. In anderen Worten: der Auftreffpunkt des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche kann zwar genau berechnet oder simuliert werden, allerdings haftet den Eingangsdaten für diese Berechnung ein gewisses Maß an Unsicherheit an.
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Die Vorrichtung empfängt über die erste Schnittstelle Luftfahrzeugdaten, welche beispielsweise die Position des Luftfahrzeugs, seine Bewegungsrichtung und seine Geschwindigkeit enthalten. Das Luftfahrzeug kann geeignete Sensoren haben, um diese Daten zu erfassen. Die Position kann beispielsweise mittels Nutzung einer satellitenbasierten Ortung bestimmt werden. Beispiele hierfür sind GPS (Global Positioning System) und Galileo. Es ist aber ebenso denkbar, dass das Luftfahrzeug seine Position über terrestrische Systeme bestimmt. Hierzu kann Triangulation benutzt werden, indem die relative Position zu Elementen mit bekannter Position herangezogen wird.
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Über die erste Schnittstelle können auch Telemetriedaten des Luftfahrzeugs an die Vorrichtung übertragen werden. Diese Telemetriedaten können beispielsweise den Antrieb und die Steuerklappen betreffen, sowie andere das Luftfahrzeug betreffende Informationen. Die Vorrichtung kann über die erste Schnittstelle Steuerkommandos an das Luftfahrzeug übertragen, um z.B. den Antrieb zu aktivieren oder die Steuerklappen in eine gewünschte Stellung zu bringen.
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Basierend auf den über die erste Schnittstelle empfangenen Daten kann ein Modell oder ein Abbild des Luftfahrzeugs erstellt werden. Dieses Modell kann als digitaler Zwilling bezeichnet werden. Das Modell kann genutzt werden, um das Verhalten des Luftfahrzeugs unter verschiedenen Wetterbedingungen zu simulieren und vorherzusagen.
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Das Modell des Luftfahrzeugs kann auch aktualisiert werden, wenn sich beispielsweise die Betriebsparameter des Luftfahrzeugs (insbesondere der strukturelle Zustand) verändern. Dieses aktualisierte Modell kann dann für eine bessere Schätzung des Fallverhaltens (und daraus resultierend des Auftreffbereichs) mit geringerer Unsicherheit verwendet werden.
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Über die zweite Schnittstelle erhält die Vorrichtung Wetterdaten von einer Wetterinformationsquelle, wobei diese Wetterdaten so verarbeitet werden, wie weiter oben und im Folgenden beschrieben. Die Wetterdaten enthalten beispielsweise Messdaten von Wetterstationen, Vorhersagen, eigene durch das Luftfahrzeug erfasste Messdaten. Es ist denkbar, dass das Luftfahrzeug Messsonden absetzt, welche auf ihrem Weg in Richtung Erdoberfläche Wetterdaten erfassen und an das Luftfahrzeug oder eine andere Empfangsstation übermitteln. Wetterdaten können insbesondere Vertikalprofile sein. Ein Vertikalprofil enthält beispielsweise Informationen über Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Temperatur, Taupunkt, Luftfeuchtigkeit über einem Punkt der Erdoberfläche an verschiedenen oder mehreren Höhen- oder Druckinkrementen.
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Die Vorrichtung kann in einer Ausführungsform einen Datenspeicher aufweisen, in welchem die erhaltenen Wetterdaten gespeichert werden. Bei dem Datenspeicher kann es sich beispielsweise um einen nicht-flüchtigen oder auch flüchtigen Datenspeicher handeln. Einige Beispiele für geeignete Datenspeicher sind: Festplatten (HDD, SSD), Arbeitsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM).
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Die erste Schnittstelle kann in Form einer Antenne oder einer anderweitigen Vorrichtung zum leitungslosen Übertragen von Daten ausgestaltet sein. Über die erste Schnittstelle können Daten an das Luftfahrzeug übertragen und von dem Luftfahrzeug empfangen werden. Hierzu weist das Luftfahrzeug eine ähnliche Luftschnittstelle auf.
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Die zweite Schnittstelle kann leitungslos oder leitungsgebunden sein. Über die zweite Schnittstelle wird die Vorrichtung mit einer Wetterinformationsquelle verbunden. Diese Verbindung kann über ein öffentliches oder privates Netzwerk (beispielsweise das Internet) erfolgen. Das bedeutet, dass die Wetterinformationsquelle und die Vorrichtung räumlich weit voneinander beabstandet sein können. Die Wetterdaten können entweder durch die Vorrichtung von der Wetterinformationsquelle abgefragt werden oder die Wetterinformationsquelle stellt die Wetterdaten zur Verfügung, sobald neue Wetterdaten vorliegen.
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Die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle sind mit der Recheneinheit verbunden, um Daten austauschen zu können. Die Recheneinheit kann ein herkömmlicher Computer oder ein Prozessor (CPU) sein. Die Recheneinheit ist dergestalt vorbereitet und konfiguriert, dass sie die hierin beschriebenen Schritte zum Ermitteln des Auftreffbereichs ausführt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Recheneinheit ausgeführt, einen Abstand zwischen dem Luftfahrzeug und der Erdoberfläche in eine Mehrzahl von Höhenlagen zu unterteilen und für jede Höhenlage den Einfluss des für den Zeitpunkt des Notfalls vorhergesagten Wetters auf das Luftfahrzeug zu ermitteln. Die Recheneinheit ist weiter ausgeführt, für jede Höhenlage eine Unsicherheit des ermittelten Einflusses basierend auf der Abweichung zwischen den Wettervorhersagen aus einem vorangegangenen Empfangsschritt und den aktuellen Wetterdaten zu ermitteln.
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Der Abstand zwischen Erdoberfläche und Luftfahrzeug kann in mehrere Schichten (Höhenlagen oder Druckinkremente) aufgeteilt werden. Der Abstand kann gleichmäßig auf mehrere Höhenlagen aufgeteilt werden, d.h., dass jede Höhenlage gleich hoch ist. Es ist aber ebenfalls denkbar, dass die Höhenlagen so aufgeteilt werden, dass die Wetterbedingungen in einer Höhenlage homogen oder nahezu homogen sind. Gibt es beispielsweise zwischen der Erdoberfläche und dem Luftfahrzeug Luftbewegungen in verschiedene Richtungen und/oder mit verschiedenen Geschwindigkeiten, können die jeweiligen Höhenlagen so festgelegt werden, dass sich die Windrichtung und/oder die Windgeschwindigkeit innerhalb einer Höhenlage nicht oder nicht wesentlich voneinander unterscheiden.
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Für jede Höhenlage kann individuell der Einfluss auf den Auftreffpunkt des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche sowie die Unsicherheit hiervon ermittelt werden. Für jede Höhenlage kann die Abweichung zwischen den Wettervorhersagen aus einem vorangegangenen Schritt und dem tatsächlich eingetretenen späteren Wetter ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit weiter ausgeführt, die Unsicherheiten aus allen Höhenlagen zu kumulieren und eine Gesamtunsicherheit des Auftreffpunktes zu ermitteln.
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Die Wetterbedingungen in den einzelnen Höhenlagen sowie deren Einfluss auf das Luftfahrzeug überlagern sich und können sich in ihrer Wirkung aufheben oder verstärken. Die Unsicherheit der Wettervorhersage lässt in der Regel keine Aussage zu, ob und wie das tatsächliche Wetter von der Vorhersage abweicht. Geht man von dem schlimmsten möglichen Szenario aus, muss man unterstellen, dass das tatsächliche Wetter in den Höhenlagen eine gleich gerichtete Abweichung von der Vorhersage aufzeigt und dass sich diese Abweichungen verstärken. Die Gesamtunsicherheit kann somit als Summe der Beträge der Unsicherheiten der einzelnen Höhenlagen ausgedrückt werden.
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Diese Gesamtunsicherheit kann die Recheneinheit ermitteln, indem die Werte der Unsicherheit der einzelnen Höhenlagen addiert werden. Die Unsicherheit der Wettervorhersage in einer Höhenlage kann als absoluter oder relativer Wert ausgedrückt werden. Beispielsweise kann für die Windgeschwindigkeit von 15 m/s eine Unsicherheit von +/- 3 m/s oder 20 % angegeben werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit ausgeführt, für unterschiedliche Notfallszenarien jeweils einen Auftreffbereich mit einem Auftreffpunkt auf der Erdoberfläche zu ermitteln.
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In verschiedenen Notfallszenarien wirken sich Luftbewegungen unterschiedlich auf das Luftfahrzeug aus. Gerät ein Luftfahrzeug mit intaktem Rumpf ins Trudeln, unterscheidet sich dessen Fallverhalten von einem Luftfahrzeug mit gebrochenem Rumpf. Diese beiden genannten Szenarien unterscheiden sich mindestens in dem Widerstandsbeiwert und der Fallgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs.
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Es kann vorkommen, dass die Ursache eines Notfalls nicht unmittelbar bekannt ist. Gerade in einem solchen Fall ist es hilfreich, mögliche Auftreffbereiche für verschiedene Notfallszenarien zu berechnen bzw. zu simulieren, um in all diesen Auftreffbereichen die gebotenen Maßnahmen einzuleiten.
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In einem Notfall kann die Fallgeschwindigkeit und die Position des Luftfahrzeugs laufend überwacht und von der Vorrichtung erfasst werden. Mit diesen aktualisierten Parametern kann dann der Auftreffbereich laufend neu ermittelt werden. Diese Parameter können auch einen Hinweis darauf geben, in welchem Zustand das Luftfahrzeug ist. Somit kann die beobachtete Fallgeschwindigkeit benutzt werden, um während des Absturzes des Luftfahrzeugs den Auftreffbereich laufend neu zu ermitteln. Die Fallgeschwindigkeit kann herangezogen werden, um einen Widerstandsbeiwert des Luftfahrzeugs zu ermitteln und diesen Widerstandsbeiwert dann dafür zu nutzen, wie sich seitliche Luftbewegungen in den weiter unten liegenden Höhenlagen auf das Luftfahrzeug auswirken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit ausgeführt, eine Nord-Süd-Komponente und eine Ost-West-Komponente der Luftbewegungen zu erhalten und bei dem Ermitteln des Auftreffbereichs heranzuziehen.
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Diese seitlichen Luftbewegungen (bezogen auf die Fallrichtung des Luftfahrzeugs) haben einen großen Einfluss auf den Auftreffbereich des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche. Das Luftfahrzeug fällt also nicht immer senkrecht auf die Erdoberfläche, sondern wird seitlich abgetrieben. Dies ist insbesondere bei sehr hoch fliegenden Luftfahrzeugen der Fall, beispielsweise bei Flügen in der Stratosphäre bei einer Höhe von 20 km oder mehr über der Erdoberfläche. Der Einfluss der Luftbewegungen auch das Luftfahrzeug verstärkt sich, wenn das Luftfahrzeug ein sehr geringes Gewicht (unter 200 kg oder sogar unter 100 kg) und einen hohen Widerstandsbeiwert aufgrund seiner Größe (Flügelspannweite von mehr als 10 m oder sogar mehr als 20 m) hat.
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Gerade für solche Luftfahrzeuge und die genannten Flughöhen hat die hier beschriebene Vorrichtung große Vorteile. Aufgrund der Flughöhe und der relativ niedrigen Fallgeschwindigkeit von teilweise deutlich unter 10 m/s oder gar unter 5 m/s bleibt genügend Vorwarnzeit, so dass die laufende Überwachung des Luftfahrzeugs in Verbindung mit den Wetterdaten sowie der Wettervorhersage und deren Unsicherheit einen guten Beitrag für die operationelle Sicherheit beim Betrieb des Luftfahrzeugs leistet. Es ist ebenso denkbar, dass die hierin beschriebene Vorrichtung verwendet wird, um eine Luftfahrzeugposition zu ermitteln, bei welcher ein Niedergang des Luftfahrzeugs bewusst eingeleitet wird. In Anbetracht der Wetterdaten sowie der Wetterunsicherheit kann die entsprechende Luftfahrzeugposition für den bewusst eingeleiteten Niedergang so gewählt werden, dass der Auftreffpunkt in einem gewünschten Bereich der Erdoberfläche liegt.
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Unter einem Luftfahrzeug im Sinne dieser Beschreibung kann insbesondere ein Luftfahrzeug mit den oben beschriebenen Rahmenbedingungen betreffend Gewicht, Spannweite und Eignung für die genannte Flughöhe sein. Bei einem Luftfahrzeug kann es sich aber allgemein um einen Flugkörper handeln, der für das Transportieren einer Last ausgelegt ist. Beispielsweise kann unter einem Luftfahrzeug auch ein Flugkörper mit Missionskomponenten zum Ausführen von Missionen verstanden werden. Beispiele für eine Missionskomponente sind: Umgebungssensoren (beispielsweise elektro-optische Sensoren, Gassensoren, Partikelsensoren, Temperatursensoren), Sende-/Empfangseinheiten für Funk- oder Radarsignale, Zielmarkierungseinheiten, etc.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit ausgeführt, Wetterdaten von mehreren Wetterinformationsquellen zu erhalten und basierend auf den Wetterdaten von jeder Wetterinformationsquelle einen Auftreffbereich zu ermitteln.
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Beispielsweise können die Wetterdaten von unterschiedlichen Wetterinformationsquellen genutzt werden, um Auftreffbereiche des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche in Abhängigkeit der Wetterinformationsquelle zu ermitteln.
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Für die einzelnen Wetterinformationsquellen können historische Abweichungen der Vorhersagen von dem tatsächlich eingetretenen Wetter (Unsicherheit) herangezogen werden, um die einzelnen ermittelten Auftreffbereiche mit einer Eintrittswahrscheinlichkeit zu gewichten. Der Auftreffbereich, welcher basierend auf einer Wetterinformationsquelle mit niedriger (historischer) Unsicherheit ermittelt wurde, kann als der meist wahrscheinliche Auftreffbereich gekennzeichnet werden. Nichtsdestotrotz hat auch ein Auftreffbereich, welcher basierend auf einer Wetterinformationsquelle mit hoher (historischer) Unsicherheit ermittelt wurde, eine Aussagekraft und sollte ebenfalls betrachtet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit ausgeführt, für die Abweichung zwischen den Wettervorhersagen und den tatsächlich eingetretenen Wetterdaten für den vorhergesagten Zeitraum zumindest einen der folgenden Parameter zu ermitteln: Mittelwert, Median, die einfache Standardabweichung, einen positiven und einen negativen Maximalwert der Abweichung.
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Grundsätzlich können hier sämtliche statistischen Werkzeuge zur Anwendung kommen, um eine Wettervorhersage mit dem tatsächlich eingetretenen Wetter in Relation zu setzen. Es kann relevant sein, den zeitlichen Abstand des vorhergesagten Zeitpunktes zu den zuletzt tatsächlich gemessenen Wetterdaten zu berücksichtigen. Tendenziell nimmt die Unsicherheit von Wettervorhersagen mit zunehmendem zeitlichem Abstand von den zuletzt tatsächlich gemessenen Wetterdaten zu.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit ausgeführt, den Auftreffbereich so zu ermitteln, dass das Luftfahrzeug mit einer vorgebbaren Wahrscheinlichkeit innerhalb des Auftreffbereichs auf die Erdoberfläche trifft.
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Vorliegend werden die Wettervorhersagen mit statistischen Mitteln analysiert und deren Unsicherheit ermittelt. Durch extreme und rasche Wetterveränderungen kann es dennoch sein, dass das Luftfahrzeug in einer Weise abgetrieben wird, welche aus der Perspektive der Vergangenheit nicht zu erwarten war. Das Risiko von solchen Einflüssen kann dadurch reduziert werden, dass das Luftfahrzeug auch während des Absturzes laufend überwacht wird, indem seine Position, seine seitliche Bewegungsrichtung und seine Fallgeschwindigkeit erfasst werden.
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Beispielsweise kann der Auftreffbereich so ermittelt werden, dass ausgehend von den Unsicherheiten der Wettervorhersage das Luftfahrzeug mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 x 10E-9 außerhalb des ermittelten Auftreffbereiches auf die Erdoberfläche trifft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit ausgeführt, für das Ermitteln des Auftreffbereichs weiterhin mindestens einen der folgenden Parameter heranzuziehen: eine projizierte Fläche des Luftfahrzeugs, einen Widerstandsbeiwert, eine Fallgeschwindigkeit.
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Die projizierte Fläche des Luftfahrzeugs kann der Vorrichtung vorgegeben werden, weil es sich dabei um eine Eigenschaft des Luftfahrzeugs handelt. Dasselbe gilt für den Widerstandsbeiwert. Der Widerstandsbeiwert kann für verschiedene Notfallszenarien experimentell bestimmt werden. Im Falle eines Notfalls kann dann ein Widerstandsbeiwert vorgegeben werden, auf dem basierend der Auftreffbereich des Luftfahrzeugs ermittelt werden soll. Beispielsweise können Widerstandsbeiwerte berechnet werden, für den Fall, dass das Luftfahrzeug trudelt oder dass ein Bruch der Struktur des Rumpfes vorliegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System zum Betreiben eines Luftfahrzeugs angegeben. Das System weist ein Luftfahrzeug und eine Vorrichtung wie oben und im Folgenden beschrieben auf. Das Luftfahrzeug enthält eine Positionsermittlungseinheit, wobei die Positionsermittlungseinheit ausgeführt ist, eine Position des Luftfahrzeugs mit Bezug zu der Erdoberfläche zu bestimmen und an die Vorrichtung zu übertragen. Die Vorrichtung ist ausgeführt, basierend auf der übertragenen Position des Luftfahrzeugs einen Auftreffbereich des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche in einem Notfall zu ermitteln.
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Das Luftfahrzeug kann weitere Sensoren aufweisen, um Zustandsinformationen an die Vorrichtung zu übermitteln. Beispielsweise können Sensoren in dem Luftfahrzeug angeordnet sein, um die strukturelle Integrität des Luftfahrzeugs festzustellen oder gegebenenfalls Bruchstellen am Rumpf zu identifizieren und an die Vorrichtung zu übertragen. Die geographische Position als Normale über der Erdoberfläche kann von der Positionsermittlungseinheit festgestellt werden. Die Positionsermittlungseinheit ist beispielsweise ein Empfänger für Positionssignale aus einem satellitengestützten Ortungssystem wie GPS oder Galileo. Eine solche Positionsermittlungseinheit kann auch die Höhe über der Erdoberfläche ermitteln. Aus der Änderung der Höhe über die Zeit kann die Fallgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs abgeleitet werden.
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Die von diesen Sensoren erfassten Zustandsinformationen können in das oben genannte Modell des Luftfahrzeugs einfließen, um das Modell zu aktualisieren.
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In diesem System kann die Vorrichtung also genutzt werden, um das Luftfahrzeug während des Flugs zu überwachen und zu zeigen, dass eine gewählte Flugroute im Rahmen der erwarteten Sicherheit als sicher gilt. In Abhängigkeit der Position des Luftfahrzeugs sowie der Wetterdaten und Wettervorhersagen mit der damit verbundenen Unsicherheit kann laufend ein Auftreffbereich des Luftfahrzeugs bei einem instantan eintretenden Notfall gezeigt werden. Die Flugroute kann dann dynamisch angepasst werden, beispielsweise um das Luftfahrzeug so zu bewegen, dass ein bestimmter Bereich der Erdoberfläche nicht innerhalb des Auftreffbereiches liegt.
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In anderen Worten kann ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung wie folgt beschrieben werden: die hierin beschriebene Vorrichtung zum Bestimmen des Auftreffbereichs des Luftfahrzeugs nutzt Parameter betreffend das Luftfahrzeug und/oder Elemente an Bord des Luftfahrzeugs sowie Wetterdaten und Vorhersagen, um das Verhalten des Luftfahrzeugs bei einer Bewegung in Richtung Erdoberfläche vorherzusagen. Die Parameter betreffend das Luftfahrzeug und/oder Elemente an Bord des Luftfahrzeugs können einerseits vorgegebene oder vorgebbare Parameter und andererseits von Sensoren erfasste aktuelle Parameter betreffend das Luftfahrzeug und/oder Elemente an Bord des Luftfahrzeugs betreffen, sowie Kombinationen dieser beiden Arten von Parametern sein. Der Zustand des Luftfahrzeugs und Bestandteilen davon kann überwacht werden, indem laufend oder in vorgegebenen zeitlichen Abständen Zustandsinformationen erfasst und an die Vorrichtung übertragen werden, um dann dort für das Bestimmen eines möglichen oder wahrscheinlichen Auftreffbereichs verwendet zu werden. Diese Zustandsinformationen können auf das digitale Modell des Luftfahrzeugs angewendet werden. Das Verhalten des digitalen Modells kann laufend oder in zeitlichen Abständen vorhergesagt werden. Diese Vorhersagen des Verhaltens des digitalen Modells können dann mit dem Verhalten des Luftfahrzeugs abgeglichen werden. Abweichungen dazwischen können genutzt werden, um die Parameter des digitalen Modells anzupassen, so dass die Vorhersagen mittels des digitalen Modells näher an dem Verhalten des realen Luftfahrzeugs liegen. Es wird also ein iterativer Ansatz implementiert, welcher eine verbesserte Vorhersage des Verhaltens eines Luftfahrzeugs ermöglicht.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung von Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Höhenlagen.
- 2 eine schematische Darstellung von Auftreffbereichen eines Luftfahrzeugs in verschiedenen Notfallszenarien.
- 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 4 eine schematische Darstellung von zyklisch aktualisierten Wetterdaten sowie Wettervorhersagen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein beispielhaftes Wetterdatendiagramm 1. Auf der senkrechten Achse 2 ist die Höhe über der Erdoberfläche aufgetragen und auf der waagerechten Achse 3 ist die Windgeschwindigkeit aufgetragen.
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Ein solches Wetterdatendiagramm 1 kann jeweils für Luftbewegungen in Nord-Süd-Richtung und in Ost-West-Richtung erzeugt werden. Die Windgeschwindigkeit kann dabei positive oder negative Werte annehmen. Beispielsweise können positive Werte auf eine Windbewegung nach Norden bzw. Osten deuten wohingegen negative Werte auf eine Windbewegung nach Süden bzw. Westen deuten.
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Die Höhe kann in mehrere Höhenlagen 8 aufgeteilt werden, um diese Höhenlagen einzeln heranziehen zu können, um den Einfluss auf ein fallendes Luftfahrzeug zu ermitteln.
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Die als Strich-Punkt-Linie dargestellt Linie 4 entspricht den abgerufenen Wetterinformationen bzw. der Wettervorhersage für einen bestimmten Zeitpunkt. Die gepunktete Linie 5 entspricht der tatsächlichen Wettersituation, wie sie für den vorhergesagten Zeitpunkt tatsächlich festgestellt wurde. Der Unterschied zwischen der Linie 5 und der Linie 4 entspricht der Abweichung 6 zwischen Vorhersage und tatsächlich eingetretenem Wetter. Die Abweichung 6 wird als Differenz zwischen Vorhersage und tatsächlich eingetretenem Wetter in einer bestimmten Höhenlage ermittelt, wie dies von den beiden aufeinander zeigenden Pfeilen 7 dargestellt ist.
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Die Abweichung 6 kann beispielsweise ermittelt werden, indem die Vorhersage für den Zeitpunkt der nächsten Wettermessung mit dem tatsächlichen Ergebnis der dann erfolgten Wettermessung verglichen wird.
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2 zeigt beispielhaft zwei Auftreffbereiche 15, 17 auf der Erdoberfläche 10 unter bestimmten Wetterbedingungen und ausgehend von einem Luftfahrzeug P an der Position 12. Der erste Auftreffbereich 15 mit einem Mittelpunkt 14 wurde für ein erstes Notfallszenario ermittelt und der zweite Auftreffbereich 17 mit einem Mittelpunkt 16 wurde für ein zweites Notfallszenario ermittelt.
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Der Durchmesser des ersten Auftreffbereiches ist kleiner als der Durchmesser des zweiten Auftreffbereiches. Dies kann insbesondere daher resultieren, dass für das erste Notfallszenario im Vergleich zu dem zweiten Notfallszenario eine höhere Fallgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs unterstellt ist.
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Die betrachtete Region der Erdoberfläche 10 kann eine Landkarte sein. Für die operationelle Planung kann nun die Flugroute so gewählt werden, dass die Auftreffbereiche 15, 17 in Abhängigkeit der Bewegung des Luftfahrzeugs sich so über die Erdoberfläche bewegen, dass sie sich nicht mit bestimmten Bereichen der Erdoberfläche überlappen. Beispielsweise kann das Luftfahrzeug so gesteuert werden, dass sich die Auftreffbereiche nicht mit dicht besiedelten Gebieten überlappen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Bestimmen eines Auftreffpunktes eines Luftfahrzeugs 200. Die Vorrichtung 100 weist eine erste Schnittstelle 110, eine zweite Schnittstelle 120 und eine dritte Schnittstelle 130 auf. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 eine Recheneinheit 140 und einen Datenspeicher 160 auf.
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Über die erste Schnittstelle 110 kann eine leitungslose Verbindung zu einer Schnittstelle 210 des Luftfahrzeugs 200 hergestellt werden. Über diese Verbindung können Daten bidirektional oder unidirektional übertragen werden. Das Luftfahrzeug 200 weist eine Positionsermittlungseinheit 220 auf. Die Positionsermittlungseinheit 220 ist beispielsweise ein GPS-Empfänger und ist ausgeführt, eine Position des Luftfahrzeugs 200 zu bestimmen. Positionsdaten und andere Daten das Luftfahrzeug betreffend können über die Verbindung zwischen der Schnittstelle 210 und der ersten Schnittstelle 110 übertragen werden. Die Schnittstelle 210 und die Schnittstelle 110 können beispielsweise Antennen sein.
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Die zweite Schnittstelle 120 dient dazu, Daten von einer Wetterinformationsquelle 300 zu empfangen. Die zweite Schnittstelle 120 kann beispielsweise ein Netzwerkanschluss sein, um die Wetterinformationsquelle 300 über ein zwischengeschaltetes Netzwerk (beispielsweise das Internet) zu erreichen.
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Die dritte Schnittstelle 130 dient dazu, eine Anzeigeeinheit 150 anzuschließen und anzusteuern. Die Anzeigeeinheit 150 kann auch als Teil der Vorrichtung 100 ausgestaltet sein. Die Anzeigeeinheit kann ein Monitor oder ein Display sein, auf welchem ein Ausschnitt einer Landkarte, die Position des Luftfahrzeugs sowie mindestens ein Auftreffbereich im Falle eines instantanen Notfalls angezeigt wird.
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Der Datenspeicher 160 dient dazu, Wetterdaten abzuspeichern und für die spätere statistische Auswertung vorzuhalten. Der Datenspeicher kann beispielsweise eine Festplatte sein.
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Die Recheneinheit 140 kann ein Prozessor sein, welcher ausgeführt ist, die hierin beschriebenen Schritte auszuführen, um mindestens einen Auftreffbereich eines Luftfahrzeugs unter den vorherrschenden Wetterbedingungen zu ermitteln.
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4 zeigt schematisch wie Wetterdaten sowie Vorhersagen verarbeitet werden, um den Auftreffbereich und die Unsicherheit des Auftreffbereiches zu ermitteln. Diese Schritte werden von der Recheneinheit 140 ausgeführt, indem dafür die von der Wetterinformationsquelle 300 empfangenen und in dem Datenspeicher 160 gespeicherten Wetterinformationen verwendet werden.
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Zu einem ersten Zeitpunkt T0 werden Wetterdaten W0 von der Wetterinformationsquelle 300 bereitgestellt. Diese Wetterdaten enthalten zunächst eine Information A betreffend das aktuelle Wetter und Vorhersagen V1 und V2 betreffend die Zukunft. Auch wenn in 4 die Vorhersagen über lediglich zwei zukünftige Zyklen gezeigt sind, können die Vorhersagen sich über mehr als die beiden zukünftigen Zyklen erstrecken.
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Zu einem zweiten Zeitpunkt T1 werden Wetterdaten W1 von der Wetterinformationsquelle 300 bereitgestellt. Wie auch die Wetterdaten W0 enthalten auch die Wetterdaten W1 eine Information A' betreffend das aktuelle Wetter und Vorhersagen V1' und V2'. Die Information A' der Wetterdaten W1 betreffen den gleichen Zeitraum wie die Information V1 der Wetterdaten W0.
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Somit kann über einen Vergleich von A' und V1 die Genauigkeit der Vorhersage in den Wetterdaten W0 bestimmt werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass Wetterdaten üblicherweise selbst bei der erstmaligen Verfügbarkeit einen vergangenen Zustand der Wetterlage abbilden und ein paar Minuten oder gar Stunden alt sein können. Das bedeutet, dass man für das Ermitteln eines Auftreffbereiches des Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche selbst dann mit einer Wettervorhersage arbeitet, wenn das Luftfahrzeug unmittelbar nach Abrufen von Wetterdaten abstürzt. Aus diesem Grund ist es hilfreich, die Unsicherheit von Vorhersagen zu kennen.
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Zu einem dritten Zeitpunkt T2 werden Wetterdaten W2 von der Wetterinformationsquelle 300 bereitgestellt. Wie auch die Wetterdaten W0 und W1 enthalten auch die Wetterdaten W2 eine Information A" betreffend das aktuelle Wetter und Vorhersagen V1" und V2". Die Information A" der Wetterdaten W2 betreffen den gleichen Zeitraum wie die Information V1' der Wetterdaten W1 und V2 der Wetterdaten W0.
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Somit kann über einen Vergleich von A" und V1' die Genauigkeit der Vorhersage in den Wetterdaten W2 bestimmt werden. Der Abgleich von A' mit V1 und A" mit V1' liefert die Unsicherheit der kurzfristigen Wettervorhersage (jeweils einen Zyklus rückblickend), wohingegen der Abgleich von A" mit V2 und A'" mit V2' eine Unsicherheit der längerfristigen Vorhersage angibt. Somit ist auch die Unsicherheit in Abhängigkeit des Alters der jüngsten verfügbaren Wetterdaten ermittelbar. Tendenziell nimmt diese Unsicherheit zu, je mehr Zeit seit dem letzten Aktualisieren der Wetterdaten vergangen ist. Je größer der zeitliche Abstand zwischen den jüngsten verfügbaren Wetterdaten und einem Notfall des Luftfahrzeugs ist, desto größer ist die Unsicherheit des ermittelten Auftreffbereichs. Die Recheneinheit 140 kann diesen zeitlichen Abstand für das Ermitteln des Auftreffbereichs berücksichtigen, beispielsweise mit einem in Abhängigkeit von dem zeitlichen Abstand exponentiell wachsenden Multiplikator.
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Typischerweise werden aktualisierte Wetterdaten in einem Abstand von 6 Stunden geliefert. Solange diese Wetterdaten tatsächlich alle 6 Stunden geliefert werden, kann es ausreichend sein, die Abweichung zwischen A' und V1, A" und V1', usw. zu ermitteln. Es kann allerdings sinnvoll sein, auch die längerfristige Abweichung über mehr als einen zukünftigen Zyklus (also zwischen A" und V2, A'" und V2') zu ermitteln, um für den Fall von ausbleibenden Wetterdaten ebenfalls einen Auftreffbereich ermitteln zu können.
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Die Wetterdaten werden in dem Datenspeicher 160 gespeichert. Die Abweichung zwischen Vorhersage aus einem vorangegangenen Empfangsschritt und tatsächlicher Wetterlage in einem unmittelbar folgenden Empfangsschritt wird durch den Prozessor laufend ermittelt. Um eine höhere statistische Aussagekraft zu erreichen, kann diese Abweichung über mehrere Tage oder sogar Wochen ermittelt werden.
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Die so ermittelte Abweichung ist das Maß der Unsicherheit bei der Berechnung des Auftreffpunktes eines Luftfahrzeugs auf der Erdoberfläche bei ansonsten bekannten oder vorgegebenen Bedingungen (insbesondere Fallgeschwindigkeit und Widerstandsbeiwert). Die Unsicherheit dient dazu, um einen an sich genau berechenbaren Auftreffpunkt mit einer Bandbreite möglicher Abweichungen zu versehen welche dann als Auftreffbereich auf einer Landkarte dargestellt wird.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wetterdatendiagramm
- 2
- Höhe
- 3
- Windgeschwindigkeit
- 4
- abgerufene Wetterinformationen
- 5
- tatsächliche Wettersituation
- 6
- Abweichung
- 7
- Informationsfehler
- 8
- Höhenlage
- 10
- betrachtete Region der Erdoberfläche
- 12
- Position eines Luftfahrzeugs
- 14
- Auftreffpunkt in Szenario 1
- 15
- Auftreffbereich
- 16
- Auftreffpunkt in Szenario 2
- 17
- Auftreffbereich
- 100
- Vorrichtung zum Bestimmen eines Auftreffpunktes eines Luftfahrzeugs
- 110
- erste Schnittstelle
- 120
- zweite Schnittstelle
- 130
- dritte Schnittstelle
- 140
- Recheneinheit
- 150
- Anzeigeeinheit
- 160
- Datenspeicher
- 200
- Luftfahrzeug
- 210
- Datenübertragungsschnittstelle
- 220
- Positionsermittlungseinheit
- 300
- Wetterinformationsquelle
