DE1954900B2

DE1954900B2 - Informationsdarstellung für den Piloten eines Flugzeuges, insbesondere bei der Allwetterlandung, nach dem Vorbild des Formationsfluges

Info

Publication number: DE1954900B2
Application number: DE1954900A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Schattenmann; Volkmar Dipl.-Ing. 8034 Germering Wilckens
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1968-11-01
Filing date: 1969-10-31
Publication date: 1979-01-04
Also published as: DE1954900C3; DE1954900A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Informationsdarstellung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

2(i Bei einer derartigen Darstellung werden die im Blindflug nicht sichtbare Außenwelt und die bislang unbefriedigenden Instrumentenanzeigen durch eine andersartige anschauliche, vielen Piloten gewohnte Situationsanzeige ersetzt.

>5 Mit Hilfe der heute im Einsatz oder in Entwicklung befindlichen (äußeren) Führungssysteme, wie z. B. ILS und REGAL, die raumfeste Leitebeiien, -linien bzw. beliebig wählbare Sollbahnen bereitstellen, zeigt man jeweils dem Piloten durch Anzeigeinstrumente die zum

so Steuern bzw. Oberwachen erforderlichen Werte an.

Hierbei werden zwei grundverschiedene Wege beschatten. Die eine Richtung befaßt sich mit der künstlichen Erzeugung der gewohnten Sichtverhältnisse aus einer Flugzeugkabine: das sind die sogenannten

r. »Kontakt-Analog-Verfahren«. Da diese Verfahren, konsequent angewendet, die beträchtlichen Mängel der natürlichen Sichtinformation besitzen würden, adoptiert man die fehlenden Werte aus dem zweiten Verfahren, dem der »Symbolischen Anzeige«. Ein Mangel dieses

κι letzteren Lösungsweges wiederum 1st — neben der komplizierten, teueren Instrumentierung — daß der Pilot ständig im Zyklus von Anzeige zu Anzeige fortschreitend beobachten muß, was große Übung verlangt und nur ein intermittierendes Verarbeiten an

4', sich kontinuierlicher Informationen ermöglicht. Dies stellt für ihn eine starke, nicht nötige Belastung dar.

Man versuchte, diese Anzeigesysteme dadurch zu verbessern, daß man z. B. mehrere Anzeigen in einem Instrument zusamnenfaßte oder bzw. und die Informa-

(I tionen auf unendlich fokussiert auf die Frontscheibe projizierte. Diese Maßnahmen haben jedoch die Mängel nur gemildert und nicht beseitigt.

Auch die gegenwärtig modernste, verbreitet im Einsatz befindliche Anzeigeform, die bestimmte einzel-

ϊϊ nen Anzeigen zu Steuerkommandos rechnerisch zusammenfaßt, hat sich als nicht voll befriedigend herausgestellt. Neuerdings setzt sich immer mehr die Erkenntnis durch, daß die Informationen irgendwie anschaulich geboten werden müßten, darm; die bisherigen funda-

Mi mentalen Mängel vermieden werden können.

Es ist bereits vorgeschlagen worden (deutsche Auslegeschrift 15 31 501), das natürliche Informationsprinzip der Landebahn — wie es z. B. bei Nacht mittels Rand- und Mittellinienbcfeuerung dem Piloten sichtbar

t>-. gemacht wird — konsequenzt mit denselben Informationselementen so zu ergänzen, daß es während der gesamten Landung, also auch beim Anflug für laterale und vertikale Führung, mit gleichmäßiger Anzeigcemp-

Findtichkeit verfügbar ist.

Es ist weiterhin ein Verfahren vorgeschlagen worden [deutsche Auslegeschrift 14 81 991), bei dem der Pilot die Silhouette des eigenen Flugzeugs, wie sie von hinten in Richtung der idealen Anflugbahn erscheinen würde, auf ein die Anflug- bzw. Ausschwebebahnen repräsentierendes Fadenkreuz steuert Hierbei wurde bereits eine gewisse Ähnlichkeit ?.u derjenigen Informationsart erkannt, die ein Pilot im Formationsflug benutzt

Das VorbiU der im Formationsflug benutzten Information ist bereits in der britischen Patentschrift 10 66 282 vorgeschlagen worden. In ihr wird die Draulsichtkontur eines vorausfliegenden Körpers dargestellt, die mittels ihrer Formänderungen erforderliche Bewegungen kommandiert und auch Kurs- und Lagewinkel anzeigt

Die Nachteile der fortschrittlichsten, letzteren Lösung sind darin zu sehen, daß die Kontur des vorausfliegenden Flugzeuges verändert werden muß und sie Nullablage nicht deutlich anzeigen kann, weil sie bei Nullablage zu einem Strich mit. Mittelmarkierung verkümmert Ferner kann auf die besondere, mittels eines Rechners erzeugte Kommandofunuiion nicht verzichtet werden.

Die in allen bisher eingesetzten neuen Informationsdarstellungen angewandte asymptotische Gesetzmäßigkeit für Fluglagekommandos berücksichtigt nicht das normale Verhalten des Menschen beim Überwachen vielgliedriger Anzeigen, Fluglagen stufenweise zu ändern und konstant zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Piloten eines Flugzeugs mittels einer bestimmten symbolischen Darstellung eines vorausfliegenden Flugzeugs möglichst genau und leicht beherrschbar die günstigste Flugbahn (einschließlich Kommandoeffekt) bzw. die Nullablage deutlich anzuzeigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Querschnitte, und zwar im Flügel- und Leitwerksbereich, eines vorausfliegenden imaginären Flugzeugs sich geradlinig auf der idealen Sollbahn in einem konstanten Abstand vorausbewegen und durch die relative Lage der Querschniltssymbole zueinander die Sollbahnablagen, und durch ihre gemeinsame Drehung und Verschiebung auf dem Bildschirm die Lagewinkel des Flugzeuges im Raum anzeigen (Abb. 1).

Bei der erfindungsgemäßen Darstellung wird eine gesonderte Kommandobildung bereits dadurch überflüssig gemacht, daß das Symbol geradlinig ohne Querneigung sich in einem konstanten Abstand auf der idealen Sollbahn vor dem Flugzeug bewegt. Diese Situationsdarstellung enthält nämlich bereits sehr flexibel nutzbare Kommandoaussagen.

Eine weitere Vereinfachung und ein damit gekoppelter Gewinn an Informationsgehalt, Fliegbarkeil und Rcproduzierbarkeit der Aufsetzpunkte kann durch folgende Mlaßnahme erzielt werden:

Man läßt das vorausflicgende Symbol keinen Abfangbogen beschreiben, sondern sich geradlinig bis zum Aufsetzpunkt und anschließend horizontal entlang der Pistenmittellinie fortbewegen (A b b. 2). Das Aufsetzen des Symbols und der Beginn der Ausschwebcphasc machen sich dann dadurch deutlich bemerkbar, daß das I.eitwerks-Symbol plötzlich um einen größeren Betrag nach unten spring! und sich anschließend, der Sinkgeschwindigkei· des landenden Flugzeugs entsprechend, proportional zum vorderen Querschnitt aufwärts bewegt.

Um das genaue Einhalten der Bahn zu erleichtern, wird das Symbol so geformt, wie es Abb.3 zeigt Das Halboval des »Rumpfes« (a)\sl so groß dargestellt,daß das umgekehrte und entsprechend bemessene T des

ϊ »Leitwerks« (b + c) bei Null-Ablage mit kleinen Lücken (s) hineinpaßt. Die Flügelsymbole (d) stehen dann beidseitig außen am Rumpf in Höhe des »Höhenleitwerks« (c).

In bestimmten Fällen kann es zweckmäßig sein, dem

κι in der Situationsdarstellung bereits vorhandenen einfachen Längsneigungs- und Kurskommando ein Querneigungskommando hinzuzufügen. Dieses kann durch einen Querneigungswinkel des führenden Flugzeugs z. B. relativ zu einem mitdargestellten Horizont oder

ι^r) durch andere zusätzliche Symbole angezeigt werden.

Die derzeit modernen Instrumente bieten derartige Kommandoanzeigen als Primärinformationen, die ein asymptotisches Einsteuern auf die Sollbahn bewirken. Dadurch wird der Pilot jedoch gezwungen, ständig die

:ii Lage des Flugzeugs in einem sich ändernden Maß zu variieren. Solche Steuersignale ste!¹ :n für eine automatische Steueranlage kein Problem da:. Ein Pilot zieht es jedoch vor, Lageänderungen einzustellen und beizubehalten, bis eine abermalige Korrektur erforderlich wird.

:"> Eine dementsprechende, dem Menschen besser hegende Anzeipe kann durch ein Kommando für eine konstante Querneigung rpt geboten werden, das abhängig ist von der seitlichen Ablage y und der Annäherungsgeschwindigkeit y (Abb.4). Letztere entspricht der Flugge-

Ki schwindigkeit über Grund, multipliziert mit dem Sinus zwischen Flugwegprojektion und idealer Anflugrichtung. Die Gleichung hierzu läßt sich aus A b b. 4 ableiten. Sie lautet als gute Näherung für die erforderliche Querneigung (φ„φ

Wenn ein Flugzeug sich der idealen Brhn a'is einer

in einheitlichen Ablage mit einem bestimmten Kurs nähert (A b b. 4, dicke Linie), wird die Kommandoanzeige eine wi jhsende erforderliche Querneigung gemäß der Kurve <p„r. anzeigen. In einem bestimmten, jedoch weitgehend wählbaren Augenblick folgt der Pilot dem

π Kommando und stellt die gerade angezeigte erforderliche Querneigung ein. Sobald die erforderliche Querneigung erreicht ist, wird das weitere Anwachsen von r/w angehalten. Hält der Pilot diese Querneigung φ* bei, dann wird das Flugzeug auf dem kürzesten Wege auf die

"■ο Sollbahn geführt. Sobald y und y = 0 sind, wird das Kommando zum Aufrichten gegeben (A b b. 4), d. h. (pit —♦ 0.

Bewegt sich das Flugzeug auf einer Flugbahn, die von der Sollflugbahn wegführt (A b b. 4, gestrichelte Kurve),

) ■ dann kann dem Piloten ein Querrieigungskommando zur Flugbahn hin gegeben werden, wobei die Größe q>_Crr. mit /und y anwachsen kann. Sobald der Pilot φ „f. eingestel't hat. wird <p_crf = φι, so lange konstant gehalten, bis sich y wieder dem Wert von 50% y,„_a, nähert, wobei /,„.„

wi elektronisch gespeichert wurde. In diesem Moment wird lediglich das Vorzeichen von r/u umgeschaltet, und der Einsteuerungsvorgang läuft ab wie bereits oben beschrieben.

Die vorliegende Art der Informationsdarstellung hat

h"> den Vorteil, daß die jeweilige Form des Informations-Symbols nur durch die — vom Boden aus leicht und genau meßbaren — vertikalen (x) und lateralen (y) Ablagen vom Soliweg bestimmt wird. Dagegen

bewirken die — an Bord leicht und genau meßbaren — Lagewinkel des Flugzeugs lediglich eine Vertikale (B) bzw. seitliche Verschiebung (ψ) und eine Drehung (φ) des ganzen Symbols.

Diese Gesetzmäßigkeit erlaubt für den Fall, daß die ' Information primär am Boden durch relativ aufwendige, genaue und zuverlässige Geräte gebildet und zum Flugzeug drahtlos übertragen werden soll, eine zuverlässige und sehr wirtschaftliche Erzeugung der vollständigen Information. Das durch ζ und y festgeleg- n te und zum flugzeug übertragene Bild wird dann an Bord mittels der Größen θ. ψ und ψ (die z. B. an entsprechenden bereits im Handel erhältlichen Bordkreiselgeräten abgegriffen werden) in seiner Lage durch sehr einfache elektronische Maßnahmen verschoben ■■'· bzw. gedreht.

In A b b. 5 sind die geometrischen Beziehungen der

drei Darstellungsebenen orthogonal zum Achsensystem des Flugzeugs sowie die betreffenden Formelzeichen .:■ gezeigt. Die vertikal zur Flugzeuglängsachse stehende Ebene zeigt eine Situationsdarstellung, wie sie derjenigen auf dem Bildschirm entspricht. Das folgende Flugzeug befindet sich rechts unterhalb des führenden, auf der gestrichelten ,Sollflugbahn »entlangfliegenden'< : Flugzeugsymbols. Es ist

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Diese Gesetzmäßigkeiten sind leicht aus der A b b. 5 zu erkennen.

Bei den Versuchen hat sich herausgestellt, daß sich ; Landungen auch dann regelmäßig genau und leicht steuern lassen, wenn wund ?= 0 gesetzt, d.h. in den Gleichungen für ι₍·* und Θ* weggelassen werden. Der Eindruck des Formationsfluges wird dadurch nicht nennenswert verfälscht. Es kann sich daher u. U. lohnen. : < diese Systemvereinfachung zu nutzen.

Um den Kommandoeffekt dieser .Situationsdarstellung zu nutzen, braucht der Pilot lediglich die der Bahnneigung bzw. der Horizontalen entsprechende Stelle des Bildschirms z. B. Tiit dem hinteren Quer- ;>> schnitt des vorausfliegendc Symbols in Deckung zu halten, um gleichzeitig sowonl vertikal als auch lateral asymptotisch auf die Sollbahn des Anflugs geführt zu werden. A b b. 6 zeigt die in A b b. 2 dargestellte Situation, so wie sie auf dem Bildschirm des Piloten 5ί erscheint

In diesem Moment beginnt die Ausschwebephase, d. h. die ideale Flugbahn geht allmählich von der geradlinig geneigten über eine Krümmung in eine meist horizontal-geradlinige (Landebahnoberfläche) über. wi

Um diese Bahnkrümmung zu erzeugen, muß der Pilot im richtigen Maße am Steuer ziehen. Man kann sich aus den geometrischen Beziehungen leicht klarmachen, daß das damit verbundene laufende Aufrichten des Flugzeugs sich dadurch bemerkbar macht, daß das f>3 Flugzeugsymbol auf dem Bildschirm nach unten wandert

Der Pilot muß nun — gleichmäßig oder regelnd — gerade soviel ziehen, daß das nach unten gesprungene.

aber (der Sinkgeschwindigkeit des folgenden echten Flugzeugs entsprechend) relativ zum Rumpf-Flügclsymbol wieder nach oben wandernde Leitwerks-Symbol an der (vorher erprobten bzw. eingestellten) Längsneigungsmarke für Horizontalflug stehen bleibt. Dieser Vorgang ist, wie Versuche gezeigt haben, leicht zu beherrschen. Das Flugzeug schwebt dann asymptotisch, d. h. wieder nach einer Traktrix aus und setzt regelmäßig mit ungewöhnlich geringer Sinkgeschwindigkeit auf.

Der Pilot ist jedoch nicht darauf angewiesen, der Kommandoanzeige zu folgen. Nach ebenfalls sehr einfachen Steuerregcln kann /. B. das Einstcuern nach Belieben verkürzt werden, was in der geringstmöglichen Zeit auf sehr zügig geflogenen und ideal einmündenden Bahnen möglich ist.

Damit sich der Pilot leichter die genannten Stellen auf dem Bildschirm merken kann, hat es sich als sehr nützlich erwiesen, das üblicherweise auf den Kathodenstrahlröhren aufgeätzte Raster oder ähnliches mit darzustellen.

In der beschriebenen Information ist noch keine Anzeige der Geschwindigkeit enthalten, deren genaue Einhaltung gerade bei der Landung sehr wichtig ist.

Es ist nicht sinnvoll, f'ahrtabweichungen so darzustellen, wie sie im echten Formationsflug erscheinen, nämlic^ als Änderungen der F.ntfernung R(Abb. 1 und 5) zwischen führendem und folgendem Flugzeug. Diese Anzeige böte bei der hier betrachteten beschränkten Simulation des Formationsfluges keine genügend genaue Fahrtanzeige. Zudem würden die Empfindlichkeiten der anderen, wichtigen Größen bei den zu erwartenden starken Abstandsänderungen sehr variieren.

Stattdessen wird man entweder mittels zusätzlicher auf dem Bildschirm oder am Flugzeugsymbol befindlichen Marken Geschwindigkeitsabweichungen anzeigen. oder man wählt eine Anzeigeart mittels fahrtabhängiger, !eilweiser cck-r vollständiger Färbung des Bildschirms.

Der Abstand R wird (ggf. abhä.igig von den Eigenschaften des zu landenden Flugzeugs) so gewählt, daß der Spielraum für Richtungsänderungen beim Einsteuern genügend groß, die Empfindlichkeit der (von L und R abhängigen) /■ und v-Anzeigen günstig und die für das Ausschweben verbleibende Zeit ausreichend ist.

Der Längenabstand /. (A b b. 1 und 5) des Leitwerk-Symbols vom Rumpfsymbol, d. h. die Rumpflänge des Flugzeugsymbols, kann zwecks Optimierung der Empfindlichkeit der 7- und y-Ablagenanzeige inr-.rhalb vernünftiger Grenzen frei gewählt werden. Bereits bei Einstellungen, die den tatsächlichen Verhältnissen ähnlich sind, konnte bei den Versuchen eine hohe Bahngenauigkeit und leichte Fliegbarkeit erzielt werden. Die optimale Einstellung hängt in erster Linie von den Flug- und Steuereigenschaften des zu landenden Flugzeugs ab.

Um das Erfassen des Ausschwebebeginns nicht zu sehr von der Aufmerksamkeit des Piloten abhängig zu machen, kann man die Annäherung an diesen Zeitpunkt ggf. durch zusätzliche Anzeigen betonen. Hierfür wäre z. B. ein von unten an das Symbol sich nähernder Strich geeignet, der dem Schatten des Symbols auf der Piste entspräche. Im Moment des Aufsetzens müßte dieser das Symbol unten berühren.

Eine andere Möglichkeit wäre die perspektivische Darstellung der sich nähernden bzw. unter dem fühi enden Flugzeug »durchfließenden« Piste

Die beschriebene Informationsdarstellung kann auf einem Bildschirm im instrumentenbrett oder an anderer geeigneter Stelle untergebracht werden. Da die Ablage- und Lagewinkel-Anzeigen jedoch auf die Bewegungsverhältnisse der Außenwelt abgestimmt werden können, eignet sich diese Informationsart auch dazu, ins Blickfeld nach draußen gespiegelt zu werden. (Diese Art d»r Darstellung wird in englischsprachigen Fachkreisen als »Head-Up-Display« bezeichnet).

Das dargelegte Verfahren erlaubt es erstmals dem Piloten, Blindlandungen mit einer Qualität und Zuverlässigkeit manuell zu steuern, wie sie bisher nur mit

guten automatischen Anlagen erreicht wurden. Der dafür erforderliche Aufwand ist außerordentlich gering und daher wirtschaftlich und wenig störanfällig. Neben den Vorzügen der Einsparung eines Kommandorechners kann mit der Erfindung eine bisher unerreicht gute und dauerhafte Anpassung des Menschen an die fundamentalen Systemeigenschaften erreicht werden.

Die Informationsdarstellung kann, ggf. in modifizierter Form, für andere Flugphasen wie Start, Durchstarten, Steig-, Reise- und Sinkflug sowie für spezielle Flugzeugarten wie VTOL-Flugzeuge und Hubschrauber verwendet werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Informationsdarstellung für den Piloten eines Flugzeuges, insbesondere bei der Allwetterlandung, in Form eines simulierten Formationsfluges mit einem Bildschirm, auf dem ein Flugzeugsymbol mittels einer Steuereinrichtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Querschnitte, und zwar im Flügel- und Leitwerksbereich, eines vorausfliegenden imaginären Flugzeugs sich geradlinig auf der idealen Sollbahn in einem konstanten Abstand vorausbewegen und durch die relative Lage der Querschnittsymbole zueinander die Sollbahnablagen und durch ihre gemeinsame Drehung und Verschiebung auf dem Bildschirm die Lagewinkel des Flugzeuges im Raum anzeigen (Abb. 1).

2. Informationsdarstellung nach Anspruch 1, dadurch ,gekennzeichnet, daß das Symbol des führenden Flugzeuges sich auf einer Verlängerung der geradlinigen Sollbahn bis zum Aufsetzen weiterbewegt und dabei ein Abwärtsspringen des hinteren Querschnittsymbols erfolgt (A b b. 2).

3. Informationsdarstellung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Leitwerksymbols (b und c in A b b. 3) bei Nullablage derart in der etwas größeren Form des Rumpfsymbols (a) eingepaßt ist, daß nach dem Einsteuern auf die Sollbahn die Lage des Leitwerks im Rumpfumriß an der Symmetrie des gesamten Symbols bzw. an den Spaltbreiten (s) zwischen Leitwerk und Rumpfsymbol zu erkennen ist und Jaß die beidseitig des Rumpfsymbols angeordneten Flügelsymbole (d) bei vertikaler Nullablage in Höhe !es Höhenleitwerk-Symbols fc/stehen.

4. Informationsdarstellung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die angezeigte Querneigung des Symbols immer die Querneigung des Flugzeugs gegenüber der Horizontalen angibt.

5. Informationsdarstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem führenden Symbol eine Querneigung aufgeschaltet wird, die dein günstigsten Einsteuern auf die Sollbahn entspricht, wobei das Abweichen von der Horizontalen durch einen mitdargestellten künstlichen Horizont sichtbar gemacht wird.

6. Informationsdarstellung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzustellende Querneigung gw abhängig isl von der seitlichen Ablage y von der Sollbahn und der Annäherungsgeschwindigkeit yan die Sollbahn und der Gleichung

(tg)gw= _, entspricht, wobeigdie Erdbeschleunigung darstellt.

7. Informationsdarstellung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß <p_crt so lange sich verändert, bis erstmalig die tatsächliche Querneigung gleich (frri wird, wobei <(„< einen annehmbar beherrschbaren Maximalwert qi_mjx nicht überschreitet und daß Φ^^Φκ danach so lange konstant gehalten wird, bis der Einsteuerungsvorgang vollendet ist und in diesem Moment φ* auf Null zurückgeht.

8. Informationsdarstellung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kurs, der die Ablage vergrößert, ein Kommando φ „γ < <p_mi, zum Sollweg hin gegeben wird, das von vornherein oder sobald erstmalig von (p,_a„ erreicht konstant gehalten

wird, bis sich das Flugzeug 50% der maximal erreichten, elektronisch gespeicherten Ablage y_m, nähert und dann das Kommando ψι_ί auf den entgegengesetzt gleichen Wert umgeschaltet und beim Beenden des Einschwenkens auf die Sollbahn auf Null zurückgenommen wird.

9. Informationsdarstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Querschnittsymbole zueinander von Anlagen an Boden bestimmt und als Signale oder fertiges Bild an Bord übertragen wird, wo es lediglich von den an Bord genau meßbaren Lage- und Kurswinkeln auf dem Bildschirm entsprechend verschoben bzw. gedreht wird.