DE212022000130U1 - Dynamic onboard system for automatically measuring the mass and balance, pitch, yaw, roll and equilibrium displacement of an aircraft on earth and in space - Google Patents
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Abstract
Dynamische Bordmethode zur automatischen Messung von Masse und Gleichgewicht, Nickwinkel, Gier-, Roll- und Gleichgewichtsverschiebung eines Flugzeugs am Boden und im Flug ist die Verwendung der Trägheitsnavigation. Die dynamische Methode besteht aus einem Körper, Beschleunigungsmessern, in der Zusammensetzung enthaltenen Trägheitsverschiebungssensoren, Integratoren und einem Rechner . Das dynamische Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Berechnungen der Parameter Masse und Längszentrierung sowie des Nickwinkels durchgeführt werden Differenzmessungen . O existieren Berechnungen vor und nach der Flugzeugbelastung der vertikalen Verschiebungen der Bug- und Heckabschnitte des Rumpfes. O existieren Berechnungen nach den Signalen zusätzlich installierter Beschleunigungsmesser an den entsprechenden Rumpfteilen. Dynamic onboard method for automatically measuring the mass and balance, pitch angle, yaw, roll and balance displacement of an aircraft on the ground and in flight is the use of inertial navigation. The dynamic method consists of a body, accelerometers, inertial displacement sensors included in the composition, integrators and a calculator. The dynamic method is characterized by the fact that the calculations of the parameters mass and longitudinal centering as well as the pitch angle are carried out using differential measurements. O exist calculations before and after aircraft loading of the vertical displacements of the nose and tail sections of the fuselage. O there are calculations based on the signals from additionally installed accelerometers on the corresponding fuselage parts.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mess- und Steuerungssysteme und soll die Flugsicherheit und Zuverlässigkeit von Flugzeugen (LA) verbessern, kann zur hochpräzisen Messung der räumlichen Position, Richtung und Bewegung des Fluges eingesetzt werden sowie zur hochpräzisen Steuerung der Flugbahn verschiedener dynamischer Objekte.The present invention relates to measurement and control systems and is intended to improve the flight safety and reliability of aircraft (LA), can be used for high-precision measurement of the spatial position, direction and movement of flight, as well as high-precision control of the trajectory of various dynamic objects.
Die Masse und das Gleichgewicht eines Flugzeugs sind Hauptindikatoren für Steuerbarkeit, Stabilität, Zuverlässigkeit und Flugsicherheit [1, 2, 3]. Beim Be- und Entladen des Flugzeugs, beim Bewegen von Fracht und Passagieren, beim Abwerfen von Fracht, bei Fallschirmjägern, beim Ausbrennen von Treibstoff, beim Aus- und Einfahren des Fahrwerks, beim Bewegen von Flügelmechanisierungen und beim Entwickeln des Flugzeugs wird die Position des Schwerpunkts (CG) verändert. Änderungen. Während des Fluges eines Flugzeugs belasten die resultierenden äußeren aerodynamischen Kräfte das Flugzeug und erzeugen zusätzliche Kraftmomente. Zur Durchführung verschiedener Manöver ist es erforderlich, die auf das Flugzeug einwirkenden äußeren Kräfte und Momente relativ zum Wechselstrom des Flugzeugs ganz oder teilweise auszugleichen. Daher ist es notwendig, den zulässigen Bereich der Masse und des Gleichgewichts des Flugzeugs genau zu kennen, um diesen nicht zu überschreiten.The mass and balance of an aircraft are main indicators of controllability, stability, reliability and flight safety [1, 2, 3]. When loading and unloading the aircraft, moving cargo and passengers, dropping cargo, paratroopers, burning fuel, extending and retracting the landing gear, moving wing mechanizations and developing the aircraft, the position of the center of gravity is determined (CG) changed. Changes. During an aircraft's flight, the resulting external aerodynamic forces place stress on the aircraft and generate additional moments of force. To perform various maneuvers, it is necessary to fully or partially balance the external forces and moments acting on the aircraft relative to the alternating current of the aircraft. Therefore, it is necessary to know exactly the permissible range of mass and balance of the aircraft in order not to exceed it.
Ein Bericht des Niederländischen Luft- und Raumfahrtlabors aus den Jahren 1970 - 2005 zeigt, dass von den 82 Unfällen 50 (61 %) Unfälle mit zivilen und 32 (39 %) Unfälle mit Frachtflugzeugen aufgrund der Überschreitung der Gewichts- und Schwerpunktsgrenze waren. In den Berichtsjahren 1970 - 2005 waren 93 % des Luftverkehrs Passagierflugzeuge und 7 % Frachtflugzeuge. Somit übersteigen die mit der Überschreitung der Gewichts- und Schwerpunktgrenzen bei Frachtflugzeugen verbundenen Risiken die bei Passagierflugzeugen um das 8,5-fache. Die Ursachen für Flugunfälle sind in den meisten Fällen falsches Ausfüllen der Bilanztabelle, falsche Ladungsverteilung im vorderen und hinteren Gepäckraum, zu hohes Startgewicht und Ladungsverschiebungen. Für den Zeitraum 1998 - 2004 enthält das Dokument eine Vielzahl von Flugsicherheitsberichten von mehr als 40 Betreibern, in denen 1200 Flugunfälle (Unfälle) identifiziert und einige Unfälle (Vorfälle) im Zusammenhang mit Masse und Gleichgewicht analysiert wurden [4].A report from the Netherlands Aerospace Laboratory from 1970 - 2005 shows that of the 82 accidents, 50 (61%) were civil aircraft accidents and 32 (39%) were cargo aircraft accidents due to exceeding the weight and center of gravity limits. In the reporting years 1970 - 2005, 93% of air traffic was passenger aircraft and 7% was cargo aircraft. Therefore, the risks associated with exceeding the weight and center of gravity limits for cargo aircraft exceed those for passenger aircraft by 8.5 times. In most cases, the causes of flight accidents are incorrect filling out of the balance sheet, incorrect load distribution in the front and rear luggage compartment, excessive take-off weight and load shifts. For the period 1998 - 2004, the document contains a large number of aviation safety reports from more than 40 operators, identifying 1200 aviation accidents (accidents) and analyzing some accidents (incidents) related to mass and balance [4].
Die Blockschaltbilder von Autopiloten moderner Flugzeuge sehen keine Störungskontrolle vor, die den Einfluss einer gefährlichen Abweichung vom Nennwert des Gleichgewichts des Flugzeugs berücksichtigt [5, 6, 7, 8, 9].The block diagrams of autopilots of modern aircraft do not provide for fault control that takes into account the influence of a dangerous deviation from the nominal value of the aircraft's balance [5, 6, 7, 8, 9].
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Gewichts und der Position des Flugzeugschwerpunkts umfasst die Installation von Drucksensoren am Zylinder jedes stoßgedämpften Fahrwerks, die Messung des sich ändernden Gasdrucks im Zylinderhohlraum und die Berechnung des Gasdrucks auf der Grundlage der Mittelung von Änderungen im Gasdruck in den stoßgedämpften Zylindern des Fahrwerks, Kräfte, die auf jedes Fahrwerk wirken, Gewicht und Position des Schwerpunkts des Flugzeugs, Messung des Gasdrucks, der beim Rollen des Flugzeugs über die Unebenheiten des Flugplatzes entsteht, wo Bedingungen für mehrfache Änderungen des Gasdrucks in den Flaschen geschaffen werden [10].A known method for determining the weight and position of the aircraft's center of gravity involves installing pressure sensors on the cylinder of each shock-absorbed landing gear, measuring the changing gas pressure in the cylinder cavity, and calculating the gas pressure based on averaging changes in gas pressure in the shock-absorbed cylinders of the Landing gear, forces acting on each landing gear, weight and position of the aircraft's center of gravity, measurement of gas pressure created when the aircraft rolls over the unevenness of the airfield, where conditions are created for multiple changes in gas pressure in the cylinders [10].
Die Nachteile des bekannten Verfahrens sind:
- der Einbau von Drucksensoren an den Federbeinen jedes Fahrgestells, was zusätzliche Befestigungspunkte der Sensoren mit sich bringt und zu einer verminderten Zuverlässigkeit der Federbeine des Fahrgestells führt;
- die Unfähigkeit, Roll-, Gier-, Nick- und Massenverschiebungen sowie den Schwerpunkt während des Fluges des Flugzeugs zu messen.
- the installation of pressure sensors on the struts of each chassis, which entails additional mounting points of the sensors and leads to reduced reliability of the struts of the chassis;
- the inability to measure roll, yaw, pitch and mass shifts, as well as the center of gravity during aircraft flight.
Es gibt ein Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Flugzeugs und der Lage seines Massenschwerpunkts, implementiert in einem Gerät, bei dem die Masse des Flugzeugs durch Summierung an Drucksensoren, beispielsweise piezoelektrischen Sensoren, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wobei aus mehreren Sensoren die Masse des Flugzeugs und durch Verteilung auf diese Sensoren die Lage seines Massenschwerpunkts ermittelt wird [11]. An der Verbindungsstelle des Fahrwerks mit der restlichen Flugzeugstruktur sind Drucksensoren installiert, die den Druck seiner Masse erfassen, wodurch in den Sensoren ein druckproportionales elektrisches Signal entsteht.There is a method for determining the mass of an aircraft and the location of its center of mass, implemented in a device in which the mass of the aircraft is converted into an electrical signal by summing at pressure sensors, for example piezoelectric sensors, the mass of the aircraft being determined from several sensors The position of the aircraft's center of mass is determined by distributing it to these sensors [11]. At the junction of the landing gear with the rest of the aircraft structure, pressure sensors are installed that record the pressure of its mass, which creates an electrical signal proportional to the pressure in the sensors.
Zu den Nachteilen des bekannten Verfahrens gehört auch der Einbau zusätzlicher Befestigungspunkte für Drucksensoren, was die Zuverlässigkeit des stoßgedämpften Fahrwerks verringert und die Messung von Nick-, Gier-, Roll-, Massenverdrängung und Zentrierung im Flug des Flugzeugs unmöglich macht.The disadvantages of the known method also include the installation of additional attachment points for pressure sensors, which reduces the reliability of the shock-absorbed landing gear and makes it impossible to measure pitch, yaw, roll, mass displacement and centering in flight of the aircraft.
Ein bekanntes System zur Bestimmung der Position des Schwerpunkts des Flugzeugs vor dem Start umfasst eine Messgewichtsplattform (IP), die in einer quadratischen Aussparung des Fundaments auf dem Rollweg (RD) der Landebahn (RWY) installiert ist. Die IP wird mit der Befestigung in der Mitte auf Scharnierstützen hergestellt. Die Länge jedes Arms der IP ist für die gleichzeitige Platzierung des Vorder- und Hauptfahrwerks des Flugzeugs darauf ausgelegt. In das System werden eine Fernsehübertragungskamera und eine Kamera eingeführt, deren optische Achsen so ausgerichtet sind, dass sie auf der MAR-Skala ausgerichtet sind und sich in einem Punkt oberhalb der MT-Rotationsachse schneiden. Eine Kamera, die Sendekamera, ist auf dem Fundament der Plattform installiert, um die MAR-Marke zu befestigen und den Zeitpunkt des Durchgangs der Signale der Koordinaten des Schwerpunkts zu markieren. Der Ausgangskanal ist mit der Funkleitung verbunden, um der Besatzung und den ATC-Betreibern Informationen über das Startverbot zu übermitteln.A known system for determining the position of the aircraft's center of gravity before takeoff includes a measuring weight platform (IP) installed in a square recess in the foundation on the taxiway (RD) of the runway (RWY). The IP is manufactured with fastening in the middle on hinged supports. The length of each arm of the IP is designed for simultaneous placement of the aircraft's front and main landing gear on it. A television broadcast camera and a camera are introduced into the system, the optical axes of which are aligned so that they are aligned on the MAR scale and intersect at a point above the MT rotation axis. A camera, the transmitting camera, is installed on the foundation of the platform to fix the MAR mark and mark the time of passage of the signals of the coordinates of the center of gravity. The output channel is connected to the radio line to convey information about the no-takeoff to the crew and ATC operators.
Die Nachteile des bekannten Systems sind:
- Installation einer zusätzlichen Vertiefung des Fundaments auf dem Rollweg der Landebahn;
- bei der Messung der Koordinaten des Schwerpunkts des Flugzeugs wird zusätzliche Zeit benötigt, was zur Verzögerung der Flugleistung des Flugzeugs beiträgt,
- die Unmöglichkeit, Nick-, Gier-, Roll- und Massenverschiebungen sowie die Zentrierung im Flug des Flugzeugs zu messen.
- Installation of an additional deepening of the foundation on the runway taxiway;
- when measuring the coordinates of the aircraft's center of gravity, additional time is required, which contributes to the delay in the flight performance of the aircraft,
- the inability to measure pitch, yaw, roll and mass displacements as well as centering in flight of the aircraft.
Es ist ein Bordsystem zur Bestimmung des Gewichts und des Gleichgewichts eines Flugzeugs [13] bekannt, das
über mehrere Fahrwerke verfügt, von denen jedes eine pneumatische Stoßdämpfungsstrebe umfasst,
- - ein System bestehend aus: Kalibrierungsdatenspeicher, Speicher, einschließlich Reibungsdaten des Ausgangsteils der jeweiligen stoßdämpfenden Streben jedes Fahrwerks, gespeicherte Kalibrierungsdaten, einschließlich einer Vielzahl aufeinanderfolgender konstanter Auslassdrücke jedes Fahrwerks, die während des Be- und Entladens des Flugzeugs beobachtet werden, und einer Vielzahl von Auslassreibungsdaten, die dem jeweiligen Auslass zugeordnet sind.Dabei werden jeweilige Ausgangsdrücke und tatsächliche Belastung berechnet, die während des Kalibrierungsladens und -entladens auf die Beine wirkt.
has multiple landing gears, each of which includes a pneumatic shock absorption strut,
- - a system consisting of: calibration data memory, memory including friction data of the output part of the respective shock absorbing struts of each landing gear, stored calibration data including a plurality of successive constant outlet pressures of each landing gear observed during loading and unloading of the aircraft, and a plurality of outlet friction data , which are assigned to the respective outlet. This calculates the respective output pressures and actual load acting on the legs during calibration loading and unloading.
Es werden Drucksensoren zur Messung des Drucks der jeweiligen Stoßdämpfer beim anschließenden Be- oder Entladen des Flugzeugs; Lastsensoren zur Messung der Vertikallasten, die beim anschließenden Be- oder Entladen auf das jeweilige Fahrwerk des Flugzeugs wirken, benutzt.Pressure sensors are used to measure the pressure of the respective shock absorbers when the aircraft is subsequently loaded or unloaded; Load sensors are used to measure the vertical loads that act on the respective landing gear of the aircraft during subsequent loading or unloading.
Ferner sind Lagesensoren zur Messung der Lage des Flugzeugs gegenüber dem Horizont beim anschließenden Be- oder Entladen, sowie a Computer zur Berechnung der tatsächlichen Vertikallast vorgesehen, die von jedem Fahrwerk beim anschließenden Be- oder Entladen Signale empfangen werden.Position sensors are also provided for measuring the position of the aircraft relative to the horizon during subsequent loading or unloading, as well as a computer for calculating the actual vertical load, which signals are received by each landing gear during subsequent loading or unloading.
Im Speicher werden Kalibrierungsdaten der Stoßdämpferauslassreibung, von den Fahrwerkslastdrucksensoren abgelesener Stoßdämpferdruck gespeichert. Nachteil des bekannten Verfahrens ist auch die Installation zusätzlicher Befestigungspunkte für Drucksensoren, was zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit des stoßgedämpften Fahrwerks und zur Unmöglichkeit der Messung von Nick-, Gier-, Roll-, Massenverdrängung und Ausrichtung führt.The memory stores shock absorber outlet friction calibration data, shock absorber pressure read from the chassis load pressure sensors. A disadvantage of the known method is also the installation of additional attachment points for pressure sensors, which leads to a reduction in the reliability of the shock-absorbed chassis and the impossibility of measuring pitch, yaw, roll, mass displacement and alignment.
Dem beanspruchten Gegenstand (der beanspruchten Methode) kommt in technischer Hinsicht am nächsten eine Methode zur Verwendung der Trägheitsnavigation zur Bestimmung der Koordinaten, Rollwinkel, Gier-, Nick- und Winkelgeschwindigkeiten verschiedener Flugzeuge [14].The closest technical approach to the claimed subject matter (method) is a method of using inertial navigation to determine the coordinates, roll angles, yaw, pitch and angular velocities of various aircraft [14].
Nachteil dieser Methode ist die Unmöglichkeit, die Masse und Ausrichtung sowie die Verschiebung der Masse und Ausrichtung des Flugzeugs am Boden und im Flug zu messen.The disadvantage of this method is the impossibility of measuring the mass and orientation as well as the displacement of the mass and orientation of the aircraft on the ground and in flight.
Das dem beanspruchten Objekt (System) technisch am nächsten kommende System ist ein Trägheitsnavigationssystem bestehend aus Gyroskopen, Beschleunigungsmessern und Korrekturblöcken, das die Koordinaten, Rollwinkel, Nick-, Gier- und Winkelgeschwindigkeiten des Flugzeugs messen soll [14].The system that technically comes closest to the object (system) in question is an inertial navigation system consisting of gyroscopes, accelerometers and correction blocks, which is intended to measure the coordinates, roll angles, pitch, yaw and angular velocities of the aircraft [14].
Nachteil dieses Systems ist die Unmöglichkeit, die Masse und das Gleichgewicht des Flugzeugs sowie die Verschiebung der Masse und das Gleichgewicht des Flugzeugs am Boden und im Flug zu messen.The disadvantage of this system is the impossibility of measuring the mass and balance of the aircraft as well as the displacement of the mass and the balance of the aircraft on the ground and in flight.
Ziel der Erfindung ist die autonome Messung der Masse und Ausrichtung, Verschiebung der Masse und Ausrichtung des Flugzeugs am Boden und im Flug sowie Roll-, Gier- und Nickbewegungen ohne den Einsatz von Lasergyroskopen.The aim of the invention is the autonomous measurement of the mass and orientation, displacement of the mass and orientation of the aircraft on the ground and in flight, as well as roll, yaw and pitch movements without the use of laser gyroscopes.
Das technische Ergebnis wird dadurch erreicht, dass in äquidistanten Abständen vom Mittelwert des Schwerpunkts des OO/Flugzeugs entlang der Z- Achse an den Flügelspitzen, entlang der Y-, X- Achsen, zusätzliche Beschleunigungsmesser in Nase und Heck angebracht werden, Teile, die entlang der entsprechenden Achsen elektrisch miteinander verbunden sind. Durch das Be- oder Entladen bewegen sich bei einer Schwerpunktverlagerung des Flugzeugs die Bug- und Heckteile sowie die Flügelspitzen ungleichmäßig relativ zum Durchschnittswert des Schwerpunkts des OO/Flugzeugs.The technical result is achieved by installing additional accelerometers in the nose and tail at equidistant distances from the average of the center of gravity of the OO/aircraft along the Z axis on the wing tips, along the Y, X axes, parts that run along the corresponding axes are electrically connected to each other. As a result of loading or unloading, when the aircraft's center of gravity shifts, the nose and tail parts as well as the wing tips move unevenly relative to the average value of the OO/aircraft's center of gravity.
Um die Bewegung der angegebenen Punkte des Flugzeugs zu messen, schalten sich nach dem Öffnen der Passagiertüren, Frachträume, Deckel der Fülltanks zu den wahrgenommenen elektrischen Signalen der Positionssensoren (offene und geschlossene Position) zusätzlich installierte Beschleunigungsmesser ein. Die von diesen Beschleunigungsmessern gemessene Beschleunigung bestimmt nach doppelter Integration die Verschiebung der entsprechenden Punkte, wonach die anfänglichen vertikalen Positionen der Bug- und Heckpunkte des Rumpfes (Nickkanal) sowie der rechten und linken Teile der Flügelspitzen (Rollkanal) festgelegt werden. Die vertikalen Positionssignale werden im Speicher des Rechners oder Computers des entsprechenden Kanals aufgezeichnet. Nach dem Schließen der Passagiertüren, Laderäume und Tankdeckel werden die zusätzlich eingebauten Beschleunigungssensoren durch wahrgenommene elektrische Signale der Positionssensoren wieder aktiviert. Darüber hinaus werden nach doppelter Integration der von zusätzlich installierten Beschleunigungsmessern erhaltenen Beschleunigungen die endgültigen vertikalen Positionen der Bug- und Heckpunkte des Rumpfes (Nickkanal) sowie der rechten und linken Teile der Flügelspitzen (Rollkanal) gemessen und festgelegt. Diese Signale werden im Speicher des Rechners oder Computers des entsprechenden Kanals aufgezeichnet. Die Differenz zwischen der Anfangs- und Endposition der entsprechenden Kanäle berechnet die vertikalen Verschiebungen des Nickkanals und des Rollkanals. So wird je nach Masse und Zentrierung des Flugzeugs die vertikale Verschiebung der Spitzen- und Heckpunkte des Rumpfes, der rechten und linken Teile der Flügelspitzen relativ zur Landebahn bestimmt. Der Computer ermittelt nach einem bestimmten Algorithmus, der die vertikalen Verschiebungen des Nickkanals berechnet, die Längszentrierung und deren Verschiebung, den Ausgleichsarm sowie den tatsächlichen Nickwinkel. Der Computer berechnet durch einen bestimmten Algorithmus die vertikalen Verschiebungen des Rollkanals und bestimmt die Querzentrierung und deren Verschiebung, den tatsächlichen Rollwinkel. Vor dem Start wird der von anderen Systemen gemessene tatsächliche Kurswinkel als Referenzsignal in den Computerspeicher des Gierkanals eingegeben. Künftig kann im Feld durch die Messung des Gierwinkels aus dem Referenzsignal zusätzlich auch der aktuelle Flugkurs des Flugzeugs berechnet werden.To measure the movement of the specified points of the aircraft, after opening the passenger doors, cargo compartments, lids of the filling tanks, additionally installed accelerometers are turned on to the perceived electrical signals of the position sensors (open and closed positions). The acceleration measured by these accelerometers, after double integration, determines the displacement of the corresponding points, after which the initial vertical positions of the nose and tail points of the fuselage (pitch channel) and the right and left parts of the wing tips (roll channel) are established. The vertical position signals are recorded in the memory of the calculator or computer of the corresponding channel. After closing the passenger doors, cargo compartments and tank cap, the additionally installed acceleration sensors are activated again by perceived electrical signals from the position sensors. In addition, after double integration of the accelerations obtained from additionally installed accelerometers, the final vertical positions of the nose and tail points of the fuselage (pitch channel) and the right and left parts of the wing tips (roll channel) are measured and established. These signals are recorded in the memory of the calculator or computer of the corresponding channel. The difference between the initial and final positions of the corresponding channels calculates the vertical displacements of the pitch channel and the roll channel. Thus, depending on the mass and centering of the aircraft, the vertical displacement of the tip and tail points of the fuselage, the right and left parts of the wing tips relative to the runway is determined. The computer determines the longitudinal centering and its displacement, the compensation arm and the actual pitch angle according to a specific algorithm that calculates the vertical displacements of the pitch channel. The computer calculates the vertical displacements of the roll channel using a certain algorithm and determines the transverse centering and its displacement, the actual roll angle. Before takeoff, the actual heading angle measured by other systems is entered into the yaw channel's computer memory as a reference signal. In the future, the current flight path of the aircraft can also be calculated in the field by measuring the yaw angle from the reference signal.
Um das Ziel zu erreichen, messen die entsprechenden Beschleunigungsmesser nach dem Differentialschema vor und nach der Belastung durch Messung der Verschiebung der Extrempositionen der Flugzeugpunkte am Boden und im Flug lineare Abweichungen relativ zum Schwerpunkt des Flugzeugs. Dies hilft bei der Bestimmung relativ zur X-, Y- und Z-Achse sowie bei Rollwinkeln, Kurs und Neigung.To achieve the goal, the corresponding accelerometers measure linear deviations relative to the center of gravity of the aircraft according to the differential scheme before and after loading by measuring the displacement of the extreme positions of the aircraft points on the ground and in flight. This helps determine relative to the X, Y and Z axes as well as roll angles, heading and pitch.
Das dynamische Bordverfahren und -system (Gerät) zur automatischen Messung von Masse und Gleichgewicht, Nicken, Gieren, Rollen und Zentrieren eines Flugzeugs am Boden und im Weltraum bietet eine Reihe von Vorteilen:
- • Trägheitsmessung der Roll-, Kurs- und Nickwinkel des Flugzeugs mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit, jedoch ohne Lasergyroskop;
- • Erhöhung der Zuverlässigkeit und Zuverlässigkeit von Informationen;
- • Verbesserung der Flugsicherheit, die im Flugverkehr oberste Priorität hat;
- • Steigerung der Flugleistung.
- • Inertial measurement of aircraft roll, heading and pitch angles with high sensitivity and accuracy, but without a laser gyroscope;
- • Increase the reliability and reliability of information;
- • Improving aviation safety, which is a top priority in air travel;
- • Increase in flight performance.
Die dynamische Bordmethode und das System (Gerät) zur automatischen Messung von Masse und Ausrichtung, Nick-, Gier-, Roll- und Versatz der Flugzeugausrichtung am Boden und im Weltraum, die in der Verwendung der Trägheitsnavigation besteht, sind in den Diagrammen dargestellt (
Bei dieser Methode werden im Wesentlichen Beschleunigungsmesser in gleichen Abständen vom durchschnittlichen Schwerpunkt des Flugzeugs entlang der Z- Achse an den Spitzen der Seitenteile (Flügel) und entlang der Y-, X-Achsen vorne und hinten platziert (Bug- und Heckteile). Von Flugzeugen und Seeschiffen wird es möglich, ein automatisches System zur Messung der Abweichung der Winkelposition von Flugzeugen und Seeschiffen von einer vorgegebenen Flugbahn aufzubauen. Auf der Grundlage der vorgeschlagenen Methode ist es möglich, ein zusätzliches autonomes automatisches Lande- und Festmachersystem an Bord einzuführen.This method essentially places accelerometers at equal distances from the aircraft's average center of gravity along the Z axis at the tips of the side panels (wings) and along the Y, X axes front and back (nose and tail panels). From aircraft and sea vessels, it becomes possible to build an automatic system for measuring the deviation of the angular position of aircraft and sea vessels from a predetermined trajectory. Based on the proposed method, it is possible to introduce an additional autonomous automatic landing and mooring system on board.
Laut Quelle [17] ist bekannt, dass der Schwerpunkt als das Verhältnis (A - B) des Abstands vom Schwerpunkt des Flugzeugs zur Spitze des MAR (durchschnittliche aerodynamische Sehne) zur Länge definiert ist. C des MAR in Prozent (
MAC (mittlere aerodynamische Sehne),
A - Abstand vom Koordinatenursprung zum Schwerpunkt (oder Masse) des Flugzeugs,
B - Abstand vom Koordinatenursprung zur MAR-Zehe,
C - Länge der mittleren aerodynamischen Sehne (MAC) des Flügels
sind.According to source [17], it is known that the center of gravity is defined as the ratio (A - B) of the distance from the center of gravity of the aircraft to the tip of the MAR (average aerodynamic chord) to the length. C of MAR in percent (
MAC (mean aerodynamic chord),
A - distance from the origin of coordinates to the center of gravity (or mass) of the aircraft,
B - distance from the coordinate origin to the MAR toe,
C - Length of the wing's mean aerodynamic chord (MAC).
are.
Am Beispiel des Flugzeugs (Flugzeug) Boeing 747-8F (
Am Beispiel eines bestimmten Flugzeugs ist, wie aus den Formeln (1) und (2) hervorgeht, der variable Parameter der Abstand vom bedingten Koordinatenursprung zum Massenschwerpunkt des Flugzeugs - BA, was von der Be- oder Entladung des Flugzeugs abhängt. Formel (1) gilt für viele Flugzeugtypen.Taking a specific aircraft as an example, as can be seen from formulas (1) and (2), the variable parameter is the distance from the conditional origin of coordinates to the center of mass of the aircraft - BA, which depends on the loading or unloading of the aircraft. Formula (1) applies to many types of aircraft.
Mit dieser Methode werden die notwendigen Parameter zur Berechnung der tatsächlichen Lage des Flugzeugschwerpunkts und seiner Verschiebung (
Wenn sich der Schwerpunkt innerhalb des normalen Bereichs (z. B. bis zu 33 % MAR) zum Heckteil verlagert, erhöht sich der Wert der vertikalen Auslenkung des Bugs. Der Wert der vertikalen Auslenkung des AV DV Heckteils sinkt auf den Wert
Wenn zusätzliche Beschleunigungsmesser auf der Rumpflängsachse in äquidistanten Abständen vom Mittelwert des Schwerpunkts des OO / Flugzeugs in der Nase (im Punkt AV) und im Heck installiert werden, ist eine Messung der Vertikalen möglich.If additional accelerometers are installed on the longitudinal axis of the fuselage at equidistant distances from the average of the center of gravity of the OO / aircraft in the nose (at point A V ) and in the tail, measurement of the vertical is possible.
Basierend auf den Signalen dieser Beschleunigungsmesser, die die Beschleunigungen zweimal integrieren, erhält man die vertikalen Bewegungen von Nase AVBV und
In diesem Fall ist es in Echtzeit möglich, die tatsächliche Länge des Ausgleichsarms zu messen, BA, die sich auch während des Fluges ändern kann (beim Treibstoffverbrauch, Aus- und Einfahren des Fahrwerks, Flügel- und Heckmechanisierung, Verschiebung der Ladung, Bewegung der Passagiere). Basierend auf diesem Wert wird die tatsächliche Ausrichtung des Flugzeugs und dessen Versatz ermittelt.In this case, it is possible to measure in real time the actual length of the balance arm, BA, which may also change during the flight (in fuel consumption, extension and retraction of the landing gear, wing and tail mechanization, movement of cargo, movement of passengers ). Based on this value, the actual orientation of the aircraft and its offset are determined.
Bei einem bestimmten Wert des Nickwinkels Δϑ, unabhängig von der Verschiebung des Schwerpunkts (vorderer oder hinterer Schwerpunkt), ändern sich zwar die Abweichungen der Werte von Bug und Heck (nach der Hebelregel), aber die Summe bleibt konstant:
Wenn nach gemäß
Bei einer Verschiebung der Mitte nach vorne aufgrund einer Verringerung der Länge des vorderen Arms und einer Zunahme der Länge des hinteren Arms (Hebelregel) relativ zum tatsächlichen Schwerpunkt des Flugzeugs:
Im Falle einer Verschiebung der hinteren Mitte aufgrund einer Vergrößerung des vorderen Teils der Armlänge und einer Verringerung des hinteren Teils der Armlänge (Hebelregel) relativ zum tatsächlichen Schwerpunkt des Flugzeugs:
Wenn der Schwerpunkt am ΔL Balancearm zum Bug verlagert wird, verringert er sich um ΔL, d. h. A=BA=L-ΔL=Av0-ΔL=AVC, und die Länge
Bei einer Schwerpunktverlagerung in den Heckbereich ΔL vergrößert sich der Ausgleichsarm um ΔL, d. h.
Für den Fall, dass der Schwerpunkt zum Bug verlagert wird, kann Formel (4) geschrieben werden als:
Gemäß
Basierend auf der vorgeschlagenen Methode messen Beschleunigungsmesser die vertikalen Bewegungen der Nase AVBV und die Heckteile des Rumpfes
Durch das vorgeschlagene Verfahren wird der Ort der vorderen oder hinteren Verschiebung der Längszentrierung sowie deren Wert durch die Formeln (5), (6), (7), (9) bestimmt. Daraus ist ersichtlich, dass diese vertikalen Bewegungen der Rumpfnase und des Rumpfhecks zur dynamischen Bestimmung der Masse und Zentrierung beitragen, indem sie äquidistant (oder proportional) vom Schwerpunkt des Flugzeugs installierte Beschleunigungsmesser verwenden, die sich in der Nase und dem Heck des Flugzeugs befinden (
Wenn das Flugzeug Boeing 747-8 F um einen Winkel von der aktuell voreingestellten Neigung abweicht, Δϑ = 10, wird basierend auf der vorgeschlagenen Methode die gesamte vertikale Abweichung
Wenn die Beschleunigungsmesser im Bug- und Heckbereich auf besondere Weise entlang der Rumpfachse in äquidistanten Abständen installiert sind, die dem Abstand vom bedingten Koordinatenursprung zum gemittelten Schwerpunkt entsprechen, und der Abstand zwischen den Beschleunigungsmessern 57,295 m beträgt, dann ist die gesamte lineare vertikale Abweichung der Achse an den Installationspunkten des Beschleunigungsmessers relativ zur anfänglichen horizontalen Position beim Nicken mit einem Winkel Δϑ = 1c gleich
Werden Beschleunigungsmesser mit einer Empfindlichkeitsschwelle (geringste Fähigkeit zur Messung der Beschleunigung) ap = 10-7g (10-6м/ceк2) bei einer anfänglichen Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs von Null angewandt, dann beträgt die Empfindlichkeitsschwelle für vertikale Bewegungen, d. h. die kleinste Fähigkeit, die vertikale Verschiebung in der Zeit t \u003d 1 Sekunde zu messen, definiert als
Für Werte Δϑ = 1°,
Wenn die theoretische Flugbahn der geraden Linie von der Flughöhe des Flugzeugs um einen Winkel Δϑ = 1° abweicht, dessen Länge D = 10000км (wenn ein Punkt der Linie fest ist) die Verschiebung des beweglichen Endpunkts dieser Linie von der Ausgangsposition (d. h. die Länge des großen Bogens in der Höhe) mit R = D = 10000км ist, wird definiert nach:
Bei einer Abweichung um einen Winkel ϑg = 0.000001° ist die Verschiebung des Endpunkts dieser Linie von der Anfangsposition entlang der Vertikalen (die Länge des kleinen Höhenbogens) definiert als:
Durch die Installation horizontaler Beschleunigungsmesser im vorderen und hinteren Teil des Rumpfes in einem Abstand von 28,647 m vom gemittelten Schwerpunkt, wurde die horizontale Auslenkung des Rumpfes entlang des Kurses relativ zur Längslinie bei Werten von ΔΨ = 1° gemessen.By installing horizontal accelerometers in the front and aft parts of the fuselage at a distance of 28.647 m from the average center of gravity, the horizontal deflection of the fuselage along the course relative to the longitudinal line was measured at values of ΔΨ = 1°.
Die Formel
Anhand
Nachdem die Beschleunigungsmesser an den Flügelspitzen (
Die Querzentrierungsverschiebung wird analog zu (9) in der Form bestimmt:
Gemäß
Wenn die Flugbahn der geraden Linie des Flugkurses des Flugzeugs um einen Winkel ΔΨ = 1° abweicht, dessen Länge D = 10000км (wenn ein Punkt der Linie fixiert ist) der Bewegung des beweglichen Endpunkts dieser Linie von der Ausgangsposition entspricht, d. h. die Länge eines großen Bogens mit dem Radius R = D = 10000км ist definiert als
Bei einer Abweichung um einen Winkel Ψg = 0.000001° ist die horizontale Verschiebung des Endpunkts dieser Linie von der Anfangsposition (die Länge des kleinen Bogens) definiert als:
Theoretische Möglichkeit zur Bestimmung der Flugbahnabweichung des Flugzeugs Boeing 747-8 FTheoretical way to determine the flight path deviation of the Boeing 747-8 F aircraft
Bei einem Flug in einer Entfernung von 10.000 km kann die Flugbahnabweichung ohne Verwendung eines Lasergyroskops und alternativer Navigationsdatenquellen 0,1745 m betragen. Basierend auf dieser Methode ist es möglich, ein zusätzliches hochpräzises automatisches Navigations-, Lande- und Festmachersystem zu implementieren.When flying at a distance of 10,000 km, the trajectory deviation can be 0.1745 m without using a laser gyroscope and alternative navigation data sources. Based on this method, it is possible to implement an additional high-precision automatic navigation, landing and mooring system.
Somit ist die theoretische Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Systems um mehrere Größenordnungen höher als die der Satellitennavigation und hochpräziser Onboard-Lasergyroskope, die in modernen Flugzeugen und Schiffen eingesetzt werden [14, 16].Thus, the theoretical sensitivity of the proposed system is several orders of magnitude higher than that of satellite navigation and high-precision onboard laser gyroscopes used in modern aircraft and ships [14, 16].
In der anfänglichen Startposition des Flugzeugs wird als Referenzsignal der gemessene Flugkurs mit hoher Genauigkeit durch verschiedene bestehende Methoden in die Ausgangsposition eingegeben, und anschließend werden diese Informationen im Computerspeicher gespeichert. Darüber hinaus kann das vorgeschlagene Verfahren im Flugprozess relativ zum Referenzkurssignal ein hochpräzises und hochempfindliches autonomes automatisches Navigations-, Lande- oder Festmachersystem einführen.In the initial starting position of the aircraft, as a reference signal, the measured flight heading is entered into the starting position with high accuracy through various existing methods, and then this information is stored in the computer memory. In addition, the proposed method can introduce a high-precision and high-sensitivity autonomous automatic navigation, landing or mooring system in the flight process relative to the reference heading signal.
Das dynamische Bordsystem (Gerät) zur automatischen Messung der Masse und Längsausrichtung, des Nickwinkels und des Längsversatzes des Flugzeugs am Boden und im Flug, das in der Anwendung der vorgeschlagenen Methode besteht, ist im Diagramm dargestellt (
Das System besteht aus:
- zwei Beschleunigungsmessern, deren Empfindlichkeitsachsen in der Nickebene ausgerichtet sind, die zur Messung der vertikalen Beschleunigung der Bug- und
- Heckpunkte des Rumpfes ausgelegt sind und an den Bug- und Heckpunkten auf derselben Längsachse des Rumpfes installiert sind,
- dem Rumpf,
- zwei Integratoren zur einfachen und doppelten Integration der vertikalen Beschleunigungen von Bug- und Heckpunkten,
- Rechner (Computereinheiten) des Verhältnisses der vertikalen Verschiebungen der Bug- und Heckpunkte,
- Nickwinkelrechner,
- Rechner für den Längsausrichtungsversatz,
- Ausgleichsarm-Rechner,
- Zentrierungsrechner relativ zur durchschnittlichen aerodynamischen Profiltiefe (MAC),
- vertikalem Flugbahncomputer.
- two accelerometers, whose sensitivity axes are aligned in the pitch plane, which are used to measure the vertical acceleration of the bow and
- stern points of the hull are designed and installed at the bow and stern points on the same longitudinal axis of the hull,
- the hull,
- two integrators for single and double integration of the vertical accelerations of bow and stern points,
- Calculator (computer units) of the ratio of vertical displacements of the bow and stern points,
- pitch angle calculator,
- Longitudinal Alignment Offset Calculator,
- balance arm calculator,
- Centering calculator relative to average aerodynamic profile depth (MAC),
- vertical trajectory computer.
Mit einer einfachen Integration der vertikalen Beschleunigungen der Bug- und Heckpunkte wird die vertikale Geschwindigkeit bestimmt. Mit einer doppelten Integration wird die vertikale Verschiebung der entsprechenden Punkte bestimmt.The vertical speed is determined with a simple integration of the vertical accelerations of the bow and stern points. Double integration is used to determine the vertical displacement of the corresponding points.
Das dynamische Bordsystem (Gerät) zur automatischen Messung der Masse und Längsausrichtung, des Gierwinkels und des Längsversatzes der Flugzeugausrichtung am Boden und im Flug, das in der Anwendung der vorgeschlagenen Methode besteht, ist im Diagramm dargestellt (
Das System besteht aus:
- zwei Beschleunigungsmessern, deren Empfindlichkeitsachsen in der Gierebene ausgerichtet sind, die zur Messung der horizontalen Beschleunigung ausgelegt sind und senkrecht zur Längsachse an den Bug- und Heckpunkten des Rumpfes installiert sind,
- zwei Integratoren zur ein- und zweifachen Integration der horizontalen Beschleunigungen der Bug- und Heckpunkte,
- Rechner (Computereinheiten) des Verhältnisses der horizontalen Verschiebungen der Bug- und Heckpunkte,
- Gierwinkelrechner,
- Rechner für den Längsausrichtungsversatz,
- Ausgleichsarm-Rechner,
- Zentrierungsrechner relativ zur durchschnittlichen aerodynamischen Profiltiefe (MAC),
- Computer für horizontale Flugbahnen.
- two accelerometers, whose sensitivity axes are aligned in the yaw plane, designed to measure horizontal acceleration and installed perpendicular to the longitudinal axis at the bow and stern points of the fuselage,
- two integrators for single and double integration of the horizontal accelerations of the bow and stern points,
- Calculator (computer units) of the ratio of horizontal displacements of the bow and stern points,
- yaw angle calculator,
- Longitudinal Alignment Offset Calculator,
- balance arm calculator,
- Centering calculator relative to average aerodynamic profile depth (MAC),
- Horizontal trajectory computer.
Mit einer einfachen Integration der horizontalen Beschleunigungen der Bug- und Heckpunkte wird die horizontale Geschwindigkeit bestimmt. Mit einer doppelten Integration wird die horizontale Verschiebung der entsprechenden Punkte bestimmt.The horizontal speed is determined with a simple integration of the horizontal accelerations of the bow and stern points. The horizontal displacement of the corresponding points is determined using double integration.
Das dynamische Bordsystem (Gerät) zur automatischen Messung von Masse und seitlicher Ausrichtung, Rollwinkel und seitlicher Verschiebung der Flugzeugausrichtung am Boden und im Flug, das in der Anwendung der vorgeschlagenen Methode besteht, ist im Diagramm dargestellt (
Das System besteht aus:
- zwei Beschleunigungsmessern, deren Empfindlichkeitsachsen in der Rollebene ausgerichtet sind, die dazu bestimmt sind, die vertikale Beschleunigung des rechten und linken Punktes der Flügelspitzen zu messen, und die an den entsprechenden Punkten des Flügels installiert sind,
- zwei Integratoren zur einfachen und doppelten Integration der Vertikalbeschleunigungen der rechten und linken Punkte der Flügelspitzen,
- Rechner (Rechnereinheiten) des Verhältnisses der vertikalen Verschiebungen der rechten und linken Punkte der Flügelspitzen,
- Bankwinkelrechner,
- vertikaler Flugbahncomputer.
- two accelerometers, whose sensitivity axes are aligned in the roll plane, intended to measure the vertical acceleration of the right and left points of the wing tips and installed at the corresponding points of the wing,
- two integrators for single and double integration of the vertical accelerations of the right and left points of the wing tips,
- Calculator (calculator units) of the ratio of vertical displacements of the right and left points of the wing tips,
- bench angle calculator,
- vertical trajectory computer.
Mit einer einfachen Integration der vertikalen Beschleunigungen der rechten und linken Punkte der Flügelspitzen wird die vertikale Geschwindigkeit bestimmt. Mit einer doppelten Integration wird die vertikale Verschiebung der entsprechenden Flügelpunkte bestimmt.With a simple integration of the vertical accelerations of the right and left points of the wing tips, the vertical speed is determined. The vertical displacement of the corresponding wing points is determined with a double integration.
In ähnlicher Weise können das vorgeschlagene Verfahren und das System (Gerät) die Navigations- und Zentrierleistung von Unterwasser- und Überwasserschiffen sowie Raketen autonom mit hoher Genauigkeit berechnen.Similarly, the proposed method and system (device) can autonomously calculate the navigation and centering performance of underwater and surface ships and missiles with high accuracy.
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023087080A1 (en) | 2023-05-25 |
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