DE1812999A1 - Kollisions-Schutzsystem,insbesondere fuer Flugzeuge - Google Patents

Description

THE BENDIX 0OKPORATION, Fisher Building, Detroit, Michigan, U.S.A.

Kollisions-Schutzsystem, insbesondere für Plugzeuge

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kollisions-Schutzsystem insbesondere für Flugzeuge, in dem Einrichtungen vorgesehen sind, um die Kapazität des Systems zu erhöhen.

Das Problem einer Verhinderung einer Kollision von Flugzeugen in der Luft beschäftigt die Luftfahrtindustrie allgemein schon seit langem. Dieses Problem ist besonders aktuell aufgrund der Einführung relativ großer und kostspieliger Flugzeuge, die eine große Anzahl von Passagieren in jedem Flugzeug aufnehmen können. Die Öffentlichkeit erwartet, daß die kommerzielle Luftfahrtindustrie einen umfassenden Flugplan schafft, der in Hinblick auf einen hohen Sicherheitsgrad ausgeführt ist und die Industrie hat sich bemüht, so etwas zu schaffen. Man hat jedoch erkannt, daß die Kapazität des herkömmlichen Luftverkehrkontrollsystems (ATO) unter sehr ernst zu nehmenden Beschränkungen leidet, was sich auf das Anwachsen des Luftverkehrs zurückführen lässt. Unter herkömmlichen ATC-Begriffen wird jedem Flugzeug ein ausschließliches Volumen eines Luftraumes zugeteilt. Da aber die Verkehrsdichte zunimmt und auch die Geschwindigkeiten in der Luft zunehmen, so muß der Raum, der jedem Flugzeug zugeteilt .,wird, vergrößert werden. Befinden sich aber mehrere Flugzeuge in der Luft, so erschöpft sich der zur Verfügung stehende Luftraum, wobei als Alternative verbleibt, ent-

909850/0665

weder das zugeteilte Volumen für jedes Plugzeug zu reduzieren, oder den Luftverkehr zu beschränken und zwar unter dasjenige Maß, für das Bedürfnis besteht.

Wenn man die Position eines sich in der Luft befindenden Flugzeuges genauer bestimmen könnte und zwar in Beziehung zu einem anderen Flugzeug, das sich in seiner Nähe befindet, und wenn das Flugzeug nach Maßgabe dieser Informationen gesteuert werden könnte, so könnte auch der effektiv zur Verfügung stehende Luftraum um ein Vielfaches vergrößert werden. Während es vorstellbar ist, daß dies durch Einrichtungen in Bodenstationen.erreicht werden kann, so weisen doch die gegenwärtigen Anzeichen dahin, daß die erforderliche Genauigkeit und Flugzeugsteuerung dadurch nicht erreicht werden kann. Eine praktische Lösung des Problems scheint daher im Ausstatten jedes Flugzeugs mit einer geeigneten Einrichtung zu liegen, um den Piloten vor einer drohenden gefahrvollen Situation zu warnen, und zwar hinsichtlich des nahen anderen Flugzeuges. Das Ziel war seit vielen Jahren, ein unabhängiges Kollisions-Schutzsystem zu entwickeln, mit dessen Hilfe ein damit ausgestattetes Flugzeug in der Lage sein würde, ohne jegliches äusseres Zutun zu bestimmen, wann eine Kollision mit einem anderen Flugzeug in den Bereich des Möglichen rückt und man die nötigen Schritte unternehmen könnte, um eine Kollision zu vermeiden. Der Reiz eines unabhängigen Systems liegt in erster Linie in dem Gedanken begründet, daß das ausgerüstete Flugzeug sich selbst schützen kann, ohne sich darauf verlassen zu müssen, daß alle Flugzeuge in der Luft in geeigneter V/eise ausgerüstet sind und es kann eine Sicherheit dort erkauft werden, wo sie erforderlich ist, ohne dass andere Flugzeuge so ausgerüstet sein müssen. Ein vorgeschlagenes unabhängiges, und unabhängig arbeitendes System enthält einen Computer, der eine drohende Kollision aufgrund von Richtung- und Entfernungsinformationen vorhersagt, die er über ein genaues

909850/0665

Radarsystem für kurze Entfernungen erhält. So reizvoll das unabhängige System ist, so ließ sich der Gedanke doch nicht verwirklichen und zwar insofern, als ein wirksames Radarsystem mit genügender Winkelauflösung, um eine bevorstehende Kollision aus einer richtungskonstanten Information vorher zu sagen, zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf diesem Gebiet noch nicht möglich ist, und zwar aufgrund schwerwiegender Beschränkungen, die sich auf Grund von Bodenstörungen, Anforderungen an die Antennenabmasse, durch Abtastverluste, durch Abtastverluste, durch Szintillation des Echosignals am Ortungsobjekt, und durch zur Verfügung stehende Ausgangsleistung, ergeben.

Als eine Alternative ist ein zusammenwirkendes Kollisions-Schutzsystem vorgeschlagen worden, bei dem jedes Plugzeug im Anti-Kollisionsnetz mit einer geeigneten Ausrüstung ausgestattet war, wie einem Höhenmesser, einem Kodierer, einem Computer, einem Sender und einem Empfänger. Ein eindringendes Flugzeug, das sich in einer gegebenen Anti-Kollisionslage befand, sendete seine Höhe, die vom Höhenmesser hergeleitet wurde, in willkürlich ausgewählten Zeitintervallen, um die Wahrscheinlichkeit von zwischenauftretenden Signalen herabzusetzen. Alle anderen Plugzeuge in dem Anti-Kollisionsnetz empfingen diese Information, und zwar sowohl über einen geradlinigen direkten Sendeweg, als auch über den Bodenreflexionsweg. Die Zeitdifferenz beim Empfang des direkt empfangenen Signals und des über die 3odenreflexion empfangenen Signals ermöglichen dem empfangenden Plugzeug in Verbindung mit der Höhe des empfangenden Plugzeugs und der Höhe des sendenden Plugzeugs, die jaitfernung des sendenden Plugzeugs herzuleiten. Nach dem eine Anzahl von Entfernungen in dem empfangenden Plugzeug errechnet wurden, konnte zusätzlich die Entfernungsänderung errechnet werden. Das Verhältnis Ent-

9 O 9 8 5 C ·'·:???

fernung zur Entfernungsanderung, das als Tau-Funktion definier wird, stellt ein Kriterium für den Kollisionsverlaüf dar. Die Wirksamkeit von Tau als eine Vorhersage für einen Kollisionsverlauf, hängt davon ab, wie nahe sich Tau der wirklichen Zeit zur nächsten Annäherung (T) des sendenden Flugzeuges zum empfangenden Flugzeug annähert. Eine Analyse hat gezeigt, und es ist auch auf diesem Gebiet gut bekannt, daß für große Werte von Tau für große Entfernungen, Tau eine gute Annäherung von T darstellt, und gleich T ist, wenn die Richtungen und Geschwindigkeiten der Flugzeuge derart sind, daß ein tatsächlichejr Zusammenstoß eintreten kann. Auch wenn die relative Geschwindig keit zwischen den Flugzeugen groß ist, so stellt Tau eine gute Näherung zu T, herab bis zu einem vorgegebenen Alarm-Schwellenwert von Tau, dar. Wenn sich Jedoch die Flugzeuge auf einem leicht konvergierenden Kurs befinden, so daß die Entfernungsänderung klein ist, so wird Tau ziemlich groß und kann unter diesen Umständen nicht als ein richtiges Kriterium für den Verlauf angesehen werden. Ein ergänzendes Kollisionsverlauf-Kriterium, das auf einer minimalen Entfernung basiert, muß daher verwendet werden. Es sei daran erinnert, daß sowohl die Entfernungsänderung als auch die Entfernung zur Verfügung stehen, so daß eine vollständige Bewertung eines Kollisionsverlaufes vorgenommen werden kann. Zwei Probleme haben gezeigt, daß dieses System unpraktisch ist. Das erste ist darin zu sehen, daß nacheinanderfolgende Berechnungen der Entfernungen erforderlich sind, bevor eine Entfernungsänderung berechnet werden kann, und es muß eine vergleichsweise lange Zeit vom Zeitpunkt der ersten erhaltenen Kollisions-Schutznachricht verstreichen, bis der Computer eine Auswertung einer Kollisions gefahr durchführen kann. In einer praktischen Ausrüstung waren nahezu 20 sek. für die Datenverarbeitung erforderlich, um die Entfernungsanderung zu errechnen. Das zweite Problem wird durch den kurzen Zeitintervall aufgeworfen, der zwischen dem Empfang eines direkten Signals und des reflektierten

909850/Ö665

Signals-bei niedrigen Höhen auftritt, wodurch eine große Unsicherheit der Entfernungsnachrichten eingeführt werden kann. Eines der neuerlich vorgeschlagenen Kollisions-Schutzsysteme, das die "besten Aussichten für die Schaffung eines praktischen Kollisions-Schutznetzwerk hat, verwendet ebenso Tau und die Entfernungskriterien, wie zuvor ausgeführt wurde. Dieses System verwendet eine sogenannte Hauptzeittechnik (master time technique), bei der jedes zusammenwirkende Flugzeug mit einer genau gehenden Uhr ausgerüstet ist, die mit allen anderen im Flugzeug eingebauten Uhren im Anti-Kollisionsnetz synchronisiert ist und zusätzlich noch durch eine Hauptuhr (master grouni clock) synchronisiert ist. Eine Zeitperiode von 5 sek. wird hierbei in Zeitschlitze mit gleichem Abstand aufgeteilt und jedem Flugzeug im Kollisionsnetz wird ein gegebener Zeitschlitz zugeteilt. Nimmt man an, daß alle Uhren im Netz auf den Anfang des ZeitIntervalls synchronisiert sind, so senden alle sich in der Luft befindlichen Systeme gleichzeitig ein Startsignal zu Beginn dieses Intervalls. Danach, bei dem im zugeordneten Zeitschlitz, sendet ein Flugzeug Kollisions-Schutznachrichten, die Informationen über seine Höhenänderung und über seine Höhe beinhalten. Die Frequenz, auf der diese Nachrichten gesendet werden, wird in einer vorgegebenen Weise durch die Uhr gesteuert, so daß die Senderfrequenz allen anderen Flugzeugen bekannt ist, und demnach eine Dopplerversehiebung in der empfangenen Frequenz beim empfangenden Flugzeug ein Maß für die Entfernungsänderung des sendenden Flugzeugs hinsichtlich des empfangenden Flugzeuges darstellt. Zusätzlich, da der Zeitpunkt, an dem das sendende Flugzeug seine Sendung beginnt, bekannt ist, stellt die Zeit des Empfangene der Nachricht ein Maß für die Entfernung zwischen dem sendenden Flugzeug und dem empfangenden Flugzeug dar. Es ist festgesetzt worden, daß eine Periode von typischen 800 Mikroeekunden zum Senden der Kollisions-Schutzsystemnachrioht erforderlich ist. Das

909850/0665

vorliegende zusammenwirkende System ist dazu bestimmt vor einer drohenden Kollision zu warnen, und zwar auf eine Entfernung von 110 km. Wenn man jedoch bestimmte Bedingungen von Antennenabtaststörungen, Sendeleistung, iSmpfängeransprechempfindlichkeit usw. betrachtet, so wird das System wahrscheinlich auf Signale entsprechend einer Entfernung von 1100 km (600 Meilen) ansprechen, was der Strecke einer möglichen Sicht für zwei Plugzeuge in einer Höhe von 18250 m (60,000 feet) entspricht. Die Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung auf Sichtweite wird daher zu einem sehr realen Problem,das bei der Festlegung eines praktischen Kollisions-Schutzsystems in Betracht gezogen werden muß und zwar inclusive zusammenwirkender Systeme, die auf der zuvor erwähnten Standardzeit-Frequenztechnik (standaid-time-frequency techniques) basieren. Normalerweise muß ein Zeitschlitz ausreichend lang sein, um eine Sendung von Kollisions-Schutzsystemnachrichten zu ermöglichen, puls der Übergangszeit der Nachricht zu einem möglichen Empfänger. Diese 1100 km Sichtstrecke entspricht einer Übergangszeit von nahezu 3,7 mill.Sekunden. Diese Zeit addiert zu einer Dajtenperiode von nahezu 800 mill.Sekunden, bedeutet eine Schlitzperiode von 4,5 mill.Sekunden, wenn benachbarte Schlitzbeeinflussungen zwischen Flugzeugen, die die zuvor erwähnten 1100 km Sichtstrecke als Grenzwert aufweisen, ausgeschlossen werden soll. Nimmt man eine Intervallperiode von 5 Sekunden an, so ist offensichtlich, daß nur 1100 dieser 4,5 mill.Sekunden Schlitze in einem einzelnen Hochfrequenzkanal (single r.f. channel) untergebracht werden können. Es ist diese Zahl an Zeitschlitzen nicht nur offensichtlich nicht ausreichend, um sich an das in der Zukunft geplante Flugzeugwesen anzupassen, sondern es besteht nun auch noch die Gefahr einer Überbelastung bei bestimmten Umweltbedingungen mit großer Häufigkeit, auch wenn man eine strikte regionale Handhabung

909850/0665

^:'ii "Ij ff·¹'¹ ! !["'

812999

der Zeitschlitze oder einen Kunstgriff in dieser Beziehung annimmt.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung richtet sich auf die Schaffung eines zusammenwirkenden Flugzeug-Kollisions-Schutzsystems, indem eine Diversity-Frequenzzeitmultiplex-Einrichtung die Kapazität des Systems erhöht.

Die Erfindung richtet sich demzufolge auf die Schaffung einer Diversity-Frequenzzeitmultiplextechnik und auf eine Einrichtung, die es ermöglicht, die Kapazität in einem gegebenen Zeitbereich nahezu auf das Vierfache zu erhöhen; und in diesem System wird die Schlitzperiode bestimmt durch die Daten-Sendeperiode plus der maximal gestalteten Entfernungszeit, und zwar gegenüber der Datensendeperiode plus der maximalen, der Sichtweite entsprechenden Sendezeit, in bevorzugter Weise. Nimmt man somit eine Verwendung einer Nachrichtenstruktur von 790 Mikrosekunden in der Länge und eine Entfernung von 110 km an, über die die Nachricht übertragen werden soll, so braucht der Schlitz nur 790 Mikrosekunden für die Nachricht, plus 382 Mikrosekunden für die Entfernung von maximal 110 km zu sein, was bedeutet, daß eine Schlitzperiode von nur 1,172 mill.Sekunden erforderlich ist. Eine Beeinflussung benachbarter Schlitze entsprechend der Sichtweite wird eliminiert, indem man die Frequenz am Ende einer sinnvollen Schlitzperiode durch vier feste Frequenzen zyklisch stuft, und zwar eine für jeden von vier aufeinanderfolgenden Seitenschlitze und indem man dann das Programm für die nächsten vier folgenden Zeitschlitze wiederholt, usw. Demnach, würde man den dem Sender zugeteilten Schlitz auf einer Frequenz 1 senden, und alle Empfänger wurden auf einer Frequenz 1 empfangen; der dem Sender zugeordnete Schlitz 2 würde auf einer Frequenz 2 gesendet werden, und alle Empfänger wurden auf der Frequenz 2 empfangen; der Sender 3 würde auf

909850/066 5

812999

der Frequenz 3 und der Sender 4 auf der Frequenz 4 senden, wobei sich ergibt, daß wenn die Folge wiederholt werden würde, der Sender 5 auf der Frequenz 1, der Sender 6 auf der Frequenz 2 usw. senden würde. Diese Technik, naheliegende Schlitzperioden zu eliminieren, ermöglicht eine Gesamtschlitzzahl von 4250 Schlitzen in einem Zeitbereich von 5 Sekunden. Es sei erwähnt, daß der Zeitintervall, der erforderlich ist, um durch vier aufeinanderfolgende Zeitschlitze zu schreiten, 4,688 mill.Sekunden beträgt, oder etwas mehr als die. Zeit beträgt, die für eine Übertragung über eine Sichtstrecke von 1100 km erforderlich ist. Da, wie erwähnt wurde, 1100 km die Sichtgrenze für zwei Flugzeuge auf einer Höhe von 18250 m (60,000 feet) beträgt, wird eine Möglichkeit der Signalbeeinflussung bei Flugzeugen, die unterhalb dieser Höhe arbeiten, eliminiert, und sie wird bei Flugzeugen, die oberhalb dieser Höhe arbeiten, sehr unwahrscheinlich.

Dieses System schafft eine Erhöhung der Kapazität in einem gegebenen Zeitbereich um das Vierfache, und die Kompliziertheit wird sehr wenig erhöht. Alles was erforderlich ist, ist, daß der örtliche %npfängeroszillator In Frequenzen gestuft werden muß, und zwar müssen diese Frequenzen synchron mit den Schlitzzählungen sein und ähnlich müssen die Sender die selben vier Frequenzen senden, können, da die Flugzeug-Schlitzzuordnung die Trägerfrequenz der Sendung bestimmt.

weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnungen. In dieser zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm des Aufbaus eines Kollisions-Schutz-

nachrichtensystems nach der erfindungsgemäßen Technik;

90 9 8 50/066 5

812 9 99

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer im Plugzeug eingebauten Station nach der vorliegenden Erfindung .

Aus Pig. 1 lässt sich entnehmen, daß das Kollisions-Schutznachrichtensystem, das ein zusammenwirkendes Plugzeug in seinem Zeitschlitz sendet> aus einem 200 Mikrosekunden Trägerwellenimpuls (cw. pulse) 10 besteht, der zur Bestimmung der Doppler-Entfernungsänderung erforderlich ist. Die Vorderflanke des-200 Mikrosekunden Dopplerimpulses, wenn dieser mit der Hauptuhr im empfangenden Plugzeug verglichen wird, sorgt für eine Bestimmung der Entfernung zum sendenden Plugzeug vom empfangenden Plugzeug aus. Eine Vielweg-Schutzzeit 12 von 170 Mikrosekunden ist hinter dem Dopplerimpuls vorgesehen, um eine Bodenbeeinflussung (ground interference) zu eliminieren. Die Schutzzeit setzt sich aus 120 Mikrosekunden für einen 18250 Meter Höhenrundflug, plus 50 Mikrosekunden Rufzeit (ringing time) zusammen. Als nächstes wird ein Höhenänderungsimpuls 14, der typisch 2-4 Mikrosekunden lang ist, gesendet, dessen Vorderflanke hinsichtlich der Vorderflanke des Dopplerimpulses, die Höhenänderung des sendenden Plugzeugs mitteilt. Die Vorderflanke eines Höhenänderungsimpulses tritt weniger als 400 Mikrosekunden nach der Vorderflanke des Dopplerimpulses auf und zeigt eine abnehmende Höhe an, während eine ähnliche Anstiegsflanke oder Vorderflanke nach mehr als 400 Mikrosekunden, nach dem Dopplerimpuls auftritt und eine zunehmende Höhe angezeigt, auf und eine Vorderflanke, die 400 Mikrosekunden nach der Vorderflanke des Dopplerimpulses auftritt, zeigt eine Höhenänderung von 0 an. Zusätzlich wird folgender Höhenänderungs-Impulspositionscode empfohlen:

909850/06 65

Ί8Ί-2 999

Höhenänderung

Bewertungsfaktor

Abweichung der Impulsvorderflanke von 400^ s

610
1 525

610 m/min 1525 m/min 6100 m/min

75 m/min//<sec 150 m/mIn/pse c 500 m/min/^sec

0 - 8 //see 9-14 15 - ,29

Als Beispiel einer HöhenänderungsbeStimmung sei angenommen, daß ein Höhenänderungsimpuls 385 Mikrosekunden nach der Impulsvorderflanke eines Dopplerimpules empfangen wird. Das bedeutet eine -15 Mikrosekunden Abweichung der 400 Mikrosekunden Schlitzzeit. Die Höhe des sendenden Flugzeuges kann dadurch so betrachtet werden, daß sie mit einer Geschwindig-, keit von 75 m/Min./Mikrosek. (250 Ft./Min./Mikrosek.) für die ersten 8 Mikrosekunden der Abweichung oder 610 m/Min. (2000 Ft./Min.) plus 150 m/Min./Mikrosek. (500 Ft./Min/Mikrosek. für die nächsten 9-14 Mikrosekunden der Abweichung, oder 915 m/Min. (3000 Ft./Min. zusätzlich plus 300 m/Min./Mikrosek. (1000 Ft./Min./Mikrοsek.) für die letzte Mikrosekundenabweichung für vollständige 1825 m/Min. (6000 Ft./Min.) abnimm-t. Eine maximale Höhenänderung von 6100 m/Min. (20000 Ft./Min.) muss erwartet werden, so daß der Höhenänderungsimpuls innerhalb des ZeitIntervalls von 370 zu 430 Mikrosekunden nach der Impulsvorderflanke des Dopplerimpulses eintreten sollte.

Dem Höhenänderungsimpuls folgt eine andere Vielweg-Schutzzeit von 170 Mikrosekunden, und dieser folgt wiederum ein Höhenimpuls 18, der ebenso typisch 2-4 Mikrosekunden lang ist. Die Lage der Impulsvorderflanke des Höhenimpulses hinsichtlich der Vorderflanke des Dopplerimpulses gibt die Höhe des sendenden Plugzeuges an, wobei eine Höhe von 0

9 09850/0665

1812999 - 11 - durch einen Impuls angezeigt wird, der 600 Mikrosekunden nach der Schlitzzeit 0 beginnt. Der folgende Höhencode wird empfohlen:	Bewertungsfaktor	Abweichung der Impuls- vorderflanke von 600 ^s
	75 m/>vsec 150 m/iisec 300 m///sec	0 - 80 //see 81 - HO ^sec au-dessus de HO «see
Höhe	Errechnet man die Höhe des sendenden Flugzeuges in der selben Weise wie die Höhenänderung berechnet wird, so zeigt ein Höhenimpuls, der eine Vorderflanke bd 750 Mikrosekunden Schlitzzeit aufweist, eine Höhe von 6 100 m (2OK Pt.) plus 9 15Om (3OK Ft.) plus 3000 m (10K Ft.) für ein Ganzes von 18250 Meter (60,000 feet) an. Die Plugzeughöhen unter 30 500 m (100 000 feet) müssen zwischen 600 und 790 Mikrosekunden nach der Vorderflanke des Dopplerimpulses auftreten. Der Zeitschlitz dauert für weitere 382 Mikrosekunden an, was der Übergangszeit für eine Entfernung von etwas mehr als 110 km entspricht. Man sieht, daß die Schlitzperiode 1172 Kikrosekunden beträgt, bei deren Ende die Frequenz gestuft *.vird, um eine Beein flussung benachbarter Schlitze entsprechend der Sichtweite zu eliminieren. Obwohl gezeigt wurde, daß vier Frequenzen ein Optimum für die Nachrichtenlänge und für den gewünschten Sichtweitenschutz (line of sight protection) darstellen, so kann eine unter schiedliche Nachrichtenlänge oder Sichtweiteschutz (line of
0 - 6100 in 6 100 -15250-m 15 250 -30500 in

90985 0/0665

Ί Ö Ί 2 9 9

sight protection), eine unterschiedliche Zahl von Frequenzen diktieren oder vorgeben.

Es sei wiederholt, daß einem Flugzeug nur ein einzelner Zeitschlitz in einem zyklischen Intervall zugeteilt ist, der nahezu 5 Sekunden lang ist, und daher jedes Flugzeug seine Kollisions-Schutznachricht einmal alle 5 Sekunden sendet. Da jedoch alle eine drohende Kollision bestimmenden Faktoren durch eine einzige Kollisions-Schutznachricht bestimmt sind, beträgt die maximale Zeit, die zur Auswertung einer Kollisionsgefahr erforderlich ist, nachdem ein eindringendes Flugzeug in den Nachrichtenbereich eines empfangenden (geschützten) Flugzeuges gelangt, 5 Sekunden und zwar dort, wo der Eindringling sofort nach Beendigung seines zugeteilten Zeitschlitzes in den Nachrichtenbereich gelangt.

In Fig. 2 ist ein HF-Generator mit 20 bezeichnet, und dieser ist in geeigneter V/eise ein Normalfrequenzgenerator (frequency synthesizer) und er stellt einen Teil des Senderabschnitts einer einzelnen örtlichen Einheit in einem Kollisions-Schutzsystem dar und erzeugt vier HF-Träger

und f₄, die in einem Kollisions-

frequenzen, f_r f₂, _{3 4}

Schutzsystemnetzwerk in geeigneter Y/eise verwendet werden können. Die HF-Frequenzen werden jeweils an Tore oder Gatter 22, 24, 26 und 28 angelegt. Eine Uhr 30, die geeignete Zählstromläufe plus einer steuernden Cäsium-Atomuhr enthält, wobei letztere mit allen anderen Uhren in dem Kollisions-Schutzsystem synchronisiert ist, führt dem HF-Generator 20 eine Bezugsfrequenz zu, um genau die Ausgangsfrequenzen des Generators zu steuern und erzeugt zusätzlich toröffnende Impulse der Reihe nach auf den Leitungen 30A, 30B, 30C und 30D. Jeder toröffnende Impuls besitzt eine Periode, die gleich der Periode eines einzelnen

909850/0665

TETTÜW

Zeitschlitzes ist. Die Ausgänge der Tore 22, 24, 26 und werden an ein ODER-Gatter 31 geführt, wobei der Ausgang dieses Gatters zu einem UND-Gatter 32 gelangt, das durch einen von der Uhr erzeugten, das Tor öffnenden -Impuls geöffnet wird, der auf der Leitung 301 erscheint-, und die Dauer dieses öffnenden Impulses ist gleich der Periode eines Zeitschlitzes und der Puls beginnt mit dem Beginn des Zeitschlitzes, der dieser speziellen Einheit zugeteilt ist. Die durch das Gatter 32 gelangende Trägerfrequenz wird im Verstärker 33 verstärkt und dann einem Impulspositionsmodulator 38 zugeführt. Gleichzeitig mit dem Öffnen des Gatters 32 wird die Information durch die Uhr über die Leitung 3OP dem Impuls-Positionsmodulator 38 zu dem Zweck zugeführt, die Doppler-, Höhen- und Hö'henände rungs impul se hinsichtlich der Schlitzzeit 0 zu positionieren. Die Vorderflanke des Höhenimpulses wird durch die Höheninformation festgesetzt, die aus dem Höhenmesser 42 empfangen wird, während die Vorderflanke des Höhenänderungsimpulses durch die Höhenänderungsinformation festgelegt wird, die vom Höhenmesser empfangen wird, der in geeigneter Weise ein Doppler Höhenmesser ist und sowohl Höhen- als auch Höhen-"änderungssignale erzeugt. Der Ausgang des Gatters 32, der die Trägerfrequenz darstellt, wird dadurch moduliert und dann über die Antenne 40 gesendet.

Der üimpfängerabsc-hnitt der Einheit besteht aus den örtlichen Oszillatoren 54, 56, 58 und 60, deren Ausgänge jeweils den UND-Gattern 62, 64, 66 und 68 zugeführt werden. Die Empfänger UND-Gatter werden durch dieselben Öffnungsimpulse erregt, die auch die Sender UND-Gatter erregen, die Gatter 22 und 62 werden gleichzeitig erregt und in ähnlicher Weise die Gatter 24 und 64, die Gatter 26 und 66, und ebenso werden die Gatter 28 und 68 gleichzeitig erregt.

909850/0665

irrzsw

-H-

Me Kollisions-Schutznachrichten werden an der Antenne empfangen und an den Mischer 52 gegeben. Nimmt man an, daß die empfangene Nachricht eine Frequenz f.. ist, da alle Uhren in dem System synchronisiert sind, so wird die Uhrenleitung 30A erregt, und die Gatter 22 und 62 geöffnet. Die örtliche Oszillatorfrequenz 1 gelangt durch das Gatter 62 und v/ird mit der empfangenen HP-Frequenz f.. in dem Mischer 52 gemischt, und die sich ergebende Mvischenfrequenz wird in dem ZF-Verstärker 53 verstärkt und dann an den Dekoder 74 gelegt. Zusätzlich wird die Vorderflanke des empfangenen Dopplerimpulses mit dem Beginn des Zeitschlitzes verglichen, wie dieser durch die Uhr 30 festgelegt wurde und wird über die Leitung 74A dem Dekoder zugeführt, um die Entfernung zwischen dem sendenden und dem empfangenden Flugzeug zu erzeugen, während die Vorderflanken des Höhenimpulses und des Höhenänderungsimpulses mit der Vorderflanke des empfangenen Dopplerimpulses verglichen werden, um die Höhe des sendenden Flugzeugs und die Höhenänderung zu erzeugen bzw. zu erhalten. iJer Dekoder 74 enthält typisch einen phasenschiebenden Kristalldiskriminator, um die Phasenverschiebung des empfangenen Dopplerimpulses, und somit die -^ntfernungs änderung des sendenden Flugzeuges zu bestimmten. Zusätzlich enthält der Dekoder in geeigneter Weise drei Zähler, deren erster zum Zählen getriggert wird

und zwar aufgrund des Starts der Einheit beim Erzeugen des Zeitschlitzsignales, das von der Uhr über die Leitung 74A zugeführt wird, und v/ird durch die Vorderflanke eines empfangenen Dopplerimpulses beendet, wobei diese empfangene Vorderflanke den zweiten und dritten Zähler zum Zählen triggert. Die Zählungen des zweiten und dritten Zählers werden jeweils durch den Empfang des Höhenänderungsimpulses und des Höhenimpulses beendet. Die Bewertungsnetzwerke (weighting net-work) an den Ausgängen des Zählers er-

909850/0665

ΟΊ2999

zeugen Spannungssignale, die der Entfernung, der Höhenänderung und der Höhe proportional sind, während der Ausgang des phasenschiebenden Diskriminators ein Spannungssignal darstellt, das der Entfernung des empfangenden zum sendenden Plugzeugs proportional ist.

Gleichzeitig, beim Start des nächsten Zeitschlitzes, wird die Leitung 3OB erregt, so daß die Gatter 24 und geöffnet sind. Y/enn eine Kollisions-Schutzsystemeinheit zu dieser. Zeitschlitz zugeordnet ist und seine nachrichten sendet, so werden diese Nachrichten an der Antenne empfangen und mit der örtlichen Oszillatorfrequenz 2 gemischt. Die fischprodukte, werden dem Dekoder 74 zugeführt, um so die Kollisions-Schutzinformation hinsichtlich des empfangenden Flugzeuges zu erzeugen, und das Plugzeug sendet dann seine Kolliolons-Schutznachrichten. Die örtlichen Oszillatorfrequenzen sind natürlich zueinander um einen Betrag versetzt, der ausreichend ist, den Zwischenfrequenzausgang des Mischers 52 konstant zu halten. Die örtlichen Oszillatoren werden mit Hilfe eines Bezugssignals stabilisiert, das von der Uhr geliefert wird.

Die Ausgänge des Dekoders 74, nämlich die Entfernung des Eindringlings, die Entfernungsänderung, die Höhe und die Höhenänderung, werden in den Kollisionsgefahr-Computer 76 eingespeist, der die empfangenen Informationen auswertet und den Piloten ein Manöverkommando gibt, wenn er herausfindet, daß eine Kollisionsgefahr besteht. 7/ie schon ausgeführt wurde, so kann die Kollisi-onsgefahr aus Tau und der Entfernung abgeschätzt bzw. ausgewertet werden. Um unnötigen Manöveralarm zu vermeiden und um zu entscheiden, welche Art Kanöverkommando angegeben werden soll, wenn eine Kollisionsgefahr besteht, vergleicht

909850/0665

812999

der Kollisionsgefahr-Computer 76, nach dem er festgestellt hat, daß Tau oder die Entfernung als Kriterien angeben, daß eine Kollisionsgefahr besteht, die Höhe des Eindringlings und die Höhenänderung mit der Höhe des eigenen Flugzeugs und der Höhenänderung, um weiter zu bestimmen, ob sich nach der vorhergesagten Zeit der engsten Annäherung, der Eindringling innerhalb eines vorherbestimmten vertikalen Abstands zum eigenen Flugzeug befindet. Wenn dieses zusätzliche Kriterium ebenso in Betracht gezogen wurde, so daß der Eindringling sich innerhalb des vertikalen Abstandsschutzes des eigenen Flugzeugs zum Zeitpunkt der engsten Annäherung befindet, so wird das Manöverkomrnando gegeben. Drei grundlegende Manöverkommandos wurden vorgeschlagen:

1. Steigen/Fallen

2. die Höhe beibehalten ;

3. Abfangen (level off) ■ ·

4. in linearen Flug zurückkehren.

Die wirkliche Betriebsweise und konstruktiven Details des Kollisions-Schutzeomputers sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, und dieser Computer ist nur gezeigt, um die Art und V/eise darzulegen, in welcher die abgeleitete Entfernung-, Entfernung ε änderung, die Höhe und die Höhenänderungssignale mit der Höhe des eigenen Flugzeugs und der Höhenänderung verbunden werden können, um die Y/ahrscheinlichkeit einer Kollision und das erforderliche Ausweichmanöver zu bestimmen, um diese Y/ahrseheinlichkeit zu vermindern.

Sämtlich in der Beschreibung dargestellten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

909 850/06 6 5

Claims (9)

"8T79W Patentansprüche

1. Kollisions-Schutzsystem, insbesondere für Plugzeuge, zum Senden und Empfangen von Kollisions-Schutzmessungen zwischen individuellen sich in der Luft befindlichen Einheiten dieses Systems, dadurch gekennzeichnet , daß jede dieser Einheiten einen Sender zum Senden einer Kollisions-Schutznachricht während eines einzelnen, dieser Einheit in einem Zeitabschnittsystem zugeteilten Zeitschlitzes enthält, dass diese Einheit einen Empfänger zum Empfangen aller gesendeten Systemnachrichten und eine Uhr (30) zum Zählen und Zeitsteuern dieser Zeitschlitze beinhaltet, und daß die Uhr (30) mit allen anderen Systemuhren synchronisiert ist, daß jede Einheit seine Kollisions-Schutznachricht auf einer dem Zeitschlitz zugeordneten HF-Frequenz sendet, wobei der Zeitschlitz dieser Einheit zugeordnet ist, daß dieser Sender eine Frequenzquelle (20) beinhaltet, die auf von der Uhr (30) erzeugte Signale ansprechbar ist und zwar in Übereinstimmung mit den Zeitschlitzen, um eine Vielzahl von bestimmten HF-Frequenzen (f.., fp> f*j f^) inclusive der HF-Frequenz, die dem Zeitschlitz der zugeordneten Einheit zugeordnet ist, zu erzeugen, daß Sender-Gatterschaltungen (22, 24, 26, 28; 31, 32) auf diese Uhrsignale ansprechen können, um die HF-Frequenz, die der Einheit zugeordnet ist, während des der Einheit zugeordneten Zeitschlitzes

auszuwählen, daß die Vielzahl der HF-Frequenzen (f-, fp f.) hintereinander liegen und zyklisch den Zeitschlitzen zugeteilt sind, so daß unterschiedliche Frequenzen benachbarten Zeitschlitzen zuteilbar sind.

2. Kollisions-Schutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einheit eine Einrichtung zum Erzeugen von Signalen (18, 14) enthält, die jeweils korelativ zur

9098 50/066 5

■- 18 -

Höhe und Höhenänderung des eigenen Flugzeugs sind, daß Schaltmittel auf die Höhen- und Höhenänderungssignale (18, 14) und die Uhrsignale in der Weise ansprechen, um die ausgewählte HF-Frequenz, die der Einheit zugeteilt ist, zu modulieren, wobei die Kollisions-Schutznachrichten der Einheit die Höhen- und Höhenänderungsinformationen der Einheit beinhalten. :

3. Kollisions-Schutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger örtliche Gszillatorschaltungen (54, 56, 58, 60) enthält, die auf die Uhrsignale ansprechen, um eine Vielzahl von örtlichen Oszillatorfrequenzen zu erzeugen, daß jede der örtlichen Oszillatorfrequenzen einer der bestimmten HF-Frequenzen (f₁, f₂, f , f.) entspricht, und daß ein Mischfrequenzprodukt irgendeiner örtlichen Oszillatorfrequenz mit ihrer entsprechenden HF-Frequenz gleich der Zwischenfrequenz der Einheit ist, daß Empfänger-Gatterschaltungen (62, 64, 66, 68) auf die Uhrsignale ansprechen, um eine vorherbestimmte. Frequenz aus den örtlichen Oszillatorfrequenzen während jedes Zeitschlitzes 'auszuwählen, daß eine Antenne (50) zum Empfangen der System- gesendeten Nachrichten vorgesehen ist, daß ein Mischer (52) an die Antenne (50) und die Empfängergatterschaltungen (62, 64, 66, 68) zum ■_ Erzeugen des Mischfrequenzproduktes der ausgewählten örtlichen Oszillatorfrequenz und der empfangenen Nachrichtenfrequenz angeschlossen ist, daß Schaltmittel (53; 74) an den Mischer (52) angeschlossen sind, um Kollisions-Vermeidungsinformationen aus den Mischfrequenzprodukten zu gewinnen.

4. Kollisions-Schutzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderfrequenzquelle (20) vier bestimmte HF-Frequenzen (f₁, f₂, ϊ^, f^) erzeugt und daß die örtliche OszillatOrschaltung (54, 56, 58, 60) vier entsprechend ört-

909850/0665

liehe Oszillatorfrequenzen erzeugt, daß die vier bestimmten HF-Frequenzen zyklisch, auf einander folgenden Zeitschlitzen, zugeteilt sind.

5. Kollisions-Schutzsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Sendergatterschaltung eine Vielzahl von ersten Toren (22, 24, 26, 28; 31) beinhaltet, die auf die Uhrsignale ansprechbar sind, und daß ein Tor zum Durchlassen jeder erzeugten HF-Frequenz während des der HF-Frequenz zugeteilten Zeitschlitzes dient, und daß ein zweites Tor (32) auf die Uhrsignale anspricht und als Eingang die HF-Frequenz aufweist, die durch die ersten Tore (22, 24, 26, 28; 31) hindurchgelassen wurde, um die der Einheit zugeteilten HF-Frequenz während des der Einheit zugeteilten Zeitschlitzes auszuwählen.

6. Kollisions-Schutzsystem nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Uhrsignale und die Höhen- und Höhenänderungssignale ansprechenden Schaltmittel (38) die zugeteilte und ausgewählte IIF-Frequenz mit einem Dopplerimpuls (10), einem Höhenimpuls (18) und einem Höhenänderungsimpuls (14) in einer vorherbestimmten Yteise modulieren, und daß die Schaltung zum Gewinnen der Kollisions-Schutzinformationen einen Dekoder (74) zum Gewinnen der Entfernungs- und Entfernungsänderungsinformationen der sendenden Einheit im Hinblick auf die empfangende Einheit von einem empfangenen Dopplerimpuls enthält, und diesen (74) enthält um eine Höheninformation und eine Höhenänderungs information der sendenden Einheit jeweils aus dem Höhenimpuls (18) und dem Höhenänderungsimpuls (14) zu beziehen.

7. Kollisions-Schutzsystem nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender den Dopplerimpuls (10) zu Beginn des der Einheit zugeteilten Zeitsehlitzes und den

90985 0/0665

1 ο ί 2 a a a

Höhen- (18) und Höhenänd e rungs impuls (H) in zeitlichen Lagen hinsichtlich der Vorderflanke des Dopplerimpulses (10) sendet, und zwar so, wie dies durch die Höhen- und Höhenänderungssignale bestimmt wird, und daß der Doppler- (10), der Höhen- (18) und der Höhenänderungsimpuls (H) die Kollisions-Schutznachrichten in der Einheit darsteLlen.

8. Kollisions-Schutzsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dekoder (74) Schalteinrichtungen zum Messen der Zeit vom Start eines Zeitschlitzes zum Empfang des Dopplerimpulses (10) einer empfangenen Kollisions-Schutznachricht beinhaltet, um die Entfernung der die Kollisions-Sehutznachricht sendenden Einheit zu bestimmen, daß Mittel zum Messen der Zeit von der Vorderflanke des empfangenen Dopplerimpulses (10) bis zur Vorderflanke des Höhenänderungsimpulses (14) dieser Messung verwendet sind, um die Höhenänderung der die Nachrichten sendenden Einheit zu bestimmen, daß Mittel zum Messen der Zeit von der Vorderflanke des empfangenen Dopplerimpulses (10) bis zur Vorderflanke des Höhenimpulses (18) der Nachrichten vorgesehen sind, um die Höhe der die Nachrichten sendenden Einheit zu bestimmen, und daß Schaltmittel zur Bestimmung der Frequenzverschiebung des empfangenen Dopplerimpulses (10) hinsichtlich der zugeteilten Frequenz für den auftretenden Zeitsohlitz vorgesehen sind, um die Entfernungsänderung der die Nachrichten sendenden Einheit zu ermitteln.

9 0 9 850 /Ob B;)