DE2158747A1

DE2158747A1 - Hohenvorwahl und Fangsystem für Flugzeuge

Info

Publication number: DE2158747A1
Application number: DE19712158747
Authority: DE
Inventors: Leo P City of Cedar Rapids Ia Kammerer (V St A ) M
Original assignee: Collins Radio Co
Current assignee: Collins Radio Co
Priority date: 1970-12-14
Filing date: 1971-11-26
Publication date: 1972-09-07
Also published as: US3638092A; CA949172A; FR2118497A5; GB1345193A

Description

Wicr;:sir. 2,1. ί·Ίι.-.ύ. .· /- :-3 ίθ. ι'93 Ί732

ν.I./SL

Case 4o68 München-Pullach, den 2^.November 1971

COLLINS RADIO COMPW-, Dallas, Texas, USA

Höhenvorwahl-und Fangsystem f'ir flugzeuge

Die Erfindung betrifft allgemein ein Höhensteuersystem für Flugzeuge und insbesondere eine Steuereinrichtung zum Fangen und Festhalten einer vorgewählten Höhe in ρΐηρτη System, welches ebenso mit einem signal von einem kurf^eoer programmiert werden kann, um eine vert-ikale Geschwindigkeit des Flugzeugs vorzusehen.

Bekannte ^öhensteuersysteme besitzen lediglich Einrichtungen, um auf das Beibehalten einer Höhe zu schalten, wenn eine gewünschte ilöhe erreicht ist. Aufgrund einer mangelhaften Ansprechempfindlichkeit des Flugzeugs besteht jedoch die r.öglichkeit, daß man die gewünschte Höhe weit verfehlt und ^ich somit Zustände entsprechend eines einmaligen oder mehrmaligen Drüberhinausfliegens einstellen. Während derartiger Manöver können die Beschleunigungskraft e sehr unangenehm werden.

Verfeinerte Höhen^teuersysteme verwenden zwei getrennte Quellen eines Fehlersignals. Eine Quelle für ein Fehlersignal wird für ein Höhenfangmanöver verwendet, und eine zweite '.,-uelle wird zum falten der Höhe verwendet. In diesen Systemen gelangt tynisch ein statisches fehlerquellenkorrigiertes (SSEC) Höhenmeßgerät zur Anwendung und dieses sieht ein Fang-Fehlersignal vor und es gelangt ein ninht korrigiprte^Somputer oder primärer Abtaster zur Anwendung, der das Haltesignal vorsieht. Bei diesen Systemen bewirken ?"derungen in der Gewchwindigkeit des Flugzeugs während der Höhen~haltebetricbsphase, daß nich das Haltηaignal ändert

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und sich somit die Höhe des Flugzeugs dadurch ändern kann. Das SSEC Höhenmeßgerät zeigt dann die tatsächliche Höhenänderung an, wodurch der Pilot darüber in Kenntnis gesetzt vird, daß er die gewünschte Höhe nicht einhält.

Bei diesen Systemtypen wird das Signal aus den höhenkorrigierten Höhenmeßgerät wie dem SSEC Höhenmeßgerät bzw. das Ilöhensignal, welches von einem zentralen vom Luftraum^aten liefernden Computer (CADC) vorgesehen wird, dazu verwendet, das Fangfehlersignal vorzusehen, weiter wird ein nicht-korrigierter primärer Abtaster zum Festhalten der Höhe verwendet, da SSEC oder CADC Höhenabtaster langfristig sehr genau sind und hinsichtlich der Luftgeschwindigkeit korrigiert sind. Demnach können diese Abtaster für eine gegebene Höhe eine genaue Bezugsgröße lipfern, sie sprechen jedoch inhärent nicht auf kurzfristige Höhenänderungen an, d.h. sie weisen in ihrer Betriebscharakteristik eine inhärente tote Zone auf und können daher nicht/ausreichendem Maße ansprechen, um sie als eine automatische Fehlersteuer-Bezugsgröße zu verwenden.

Andererseits sind nicht-korrigierte primäre Höhenmeßer oder Abtaster für kurzfristige Änderungen sehr genau und empfindlich und werden somit a.ls Haltefunktion-Bezugseinrichtungen bevorzugt. Jedoch geben nicht-korrigierte primäre Abtaster keine genaue Höhenanzeige, so daß sie eine schlechte Bezugseinrichtung hinsichtlich des Einfangens einer gewünschten Höhe darstellen.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung richtet sich auf die Schaffung eines Höhenfang-und Höhenhalte-Steuersystems, bei dem ein nicht-korrigierter Abtaster für eine Haltebezugsgröße in einem System zur Anv/endung gelangt, indem eine Wullbezugsgröße für einen nicht-korrigierten Abtaster mit einem korrigierten Abtaster verändert wird. Das korrigierte Abtastersignal sieht eine kleine Bezugsgrößeneinstellung vor, so daß dadurch das Fehlersignal auf die korrigierte Höhe bezogen bleibt und man eine langfristige Stabilität erreicht.

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Ebenso ist es Ziel der Erfindung ein verbessertes Höhenfang- und ^iAalte-Steuersystem für ein Flugzeug zu schaffen, indem der Einfan^vorgang sich anpassen kann und bei dem eine gesteuerte Annäherungsgeschwindigkeit unter Beibehaltung eines konstanten G-i*ianövers zu einer asymptotischen Annäherung an die gewünschte Plugbahn realisiert wird.

Die vorliegende Erfindung schafft ein sicn anpassendes Pangsystem, bei dessen Verwendung ein Plugzeug in einen Höhenfnngbetrieb eintreten kann und zwar bei j "der -uuftgeschwindigkeit und höhenmässigen Geschwindigkeit, wobei ein veränderlicher Fangpunkt vorgesehen werden kann, derart, daß durch das gleiche minimale konstante G-Manöver das Flugzeug asymptotisch auf die gewünschte Höhe gebracht wird.

Ein weiteres Llerkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Vorsehung eines iiöhenfang-Steuersysteias für ein Plugzeug, bei dem das Höhenfehler-Befehlssignal zum Zeitpunkt des Einfangens inhärent Hull ist, so daß dadurch, plötzlichen Änderungen in dem Befehlssignal für die Plugzeugsteuerung entgegengewirkt wird, derart, daß der Übergang des Höhensteuerbefehlssignals weich ist.

Durch die vorliegende Erfind mg wird auch ein Höhenfang- und iialtesystern für ein Flugzeug geschaffen, welches Änderungen in einer vorgewählten Höhe während eines ualte- oder Pesthaltebetriebes ermöglicht bzw. das Erreichen einer neu-eingestellten Höhe mit einer bestimmten minimalen Annäherungsgeschwindigkeit ermöglicht, ohne dabei den Einfangzu^fcand aufzulöser: und wieder. zu erneuern.

vorliegende Erfindung vereint in sehr vorteilhafter ."'eise in einem Höhenfang-· und Hsltesteuersystem die inhärent bestpn Eigenschaften ζ-eier Typen von Höhenmesser oder Abtaster. Es wird für die extreme langfristige Genauigkeit ein hinsichtlich statischer Fehlerquellen&orrigierter Höhenmesser verwendet, um den Pangvorgnng für eine gewünschte Höhe zu bewirken, während ein nicht korrigierter primärer Abtaster dazu verwendet wird,

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ein Höhenfehler-Befehls signal p.uf einer genauen Kurzfrist-Grundlage hinsichtlich der Bezugsgröße zu erzeugen, die durch die genaue SSEC Quelle p.uf gebaut wird.

Allgemein ausgesprochen weist dann das Steuersystem nach der vorliegenden Erfindung die Vorteile auf, die sich in analoger Weise bei einem magnetischen Kompaßsystem finden lassen, welches Riohtungskreisel verwendet, wobei der jvreisel und Kompaß zusammen arbeiten, um eine optimale Genauigkeit und Emfpindlichkeit vorzusehen.

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung können allgemein summiert so ausgedrückt werden, daß durch sie (durch eine Kombination von einem sich anpassenden F^ngvorga.ng, gesteuerte Annäherungsgeschwindigkeit und konstante Annäherungsgeschwindigkeit für die letzten paar keter vor dem Erreichen der Höhe ) die Errungenschaft eines schnellstmöglichen Erreichenseiner vorgewählten Höhe erzielt wird, ohne dabei das Plugzeug übermäsRigen Beschleunigungskraften auszusetzen. Das System ist auch mit Einrichrungen ausgestattet, durch welche kleine Änderungen in der gewählten Höhe möglic'i sind, und die neuerlich gewählte Höhe mit einer vorherbestimmten minimalen Annäherungsgeschwindigkeit

den
vom Flugzeug eingenommen wird, ohne/F^rngvorg«ng aufzulösen oder

wieder zu erneuern. - .

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter iiinweis auf die zeichnung.
Es zeigt:

Fig. 1 ein funktionelles Blockschaltbild eines Höhenvorwahl-und Fangsystems nach der vorliegenden Erfindung?

Fig. 2 ein Diagramm, welches typisch die lineare "usgangswellenform eines -^ipgenerators wiedergibt, der in dem System nach Fig. 1 zur Anwendung gelangt·

■Fig. 3 eine Auftragung von errechneten Fpngstrecken für verschiedene Annäherung?folgen oder Geschwindigkeiten: und

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Fig. 4 ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Systems nach Fig. 1, um einen vertikalen Geschwindigkeitsbefehlsbetrieb vorsehen zu können.

Das in Fig. 1 veranschaulichte Vorwahl-und Fpngsystem nach ^vorliegenden Erfindung arbeitet allgemein auf der Basis eines Höhengeschwindigkeitsbefehls. Zunächst sei der primäre nichtkorrigierte Höhenabtaster 5o betrachtet und es sei angenommen, daß der Pilot eine Höhe ausgewählt hat, die die F^nghöhe darstellt, und daß sich das Flugzeug dieser Höhe mit einer gegebenen Annäherungsgeschwindigkeit nähert und zwar in einer anderen Kurseinnahme-Betriebsweise also beispielsweise in einer Mach— Haltebetriebsweise. Der primäre Abtaster 5o wird auf die tatsächliche Flugzeug.^eschwindigkeit bzw. Höhengeschwindigkeit des Flugzeugs schnell nachgezogen. Dies wird mit Hilfe einer Positionsrückkopplung erreicht, bei der der Ausgang 51 des primären Abtasters ^uo über den Mischer 45, den Betriebsschalter 44 (in geschlossener Stellung), und den Mischer 4? zum Servo-Vers'tärker 4^ rückgekoppelt wird, welcher den Motor 4 6 antreibt, um den Nullbezugsmechanismus des Abtasters 5o in Iia&e zu bringen· Unter diesen Bedingungen und in "Rinklang mit der Positions-Rückkopplung ist die Ausgangsgröße des primären Abtasters ^o gleich Null. Der Ausgang 51 aus dem primären Abtaster,'welcher da,s Höhenfehler-Befehlssignal nach der vorliegenden Erfindung enthält, wird von der nachfolgenden Kurssteuerschaltung abgetrennt, da der Betriebsschalter 57 unter diesen Bedingungen nicht an den Abtasterausgang angeschlossen./Fig. 1 zeigt die Vertikalflteuer-Computerschaltung 59 eines Kursgebers, der sich unter dem Steuereinfluß einer Vertikal-Befehlsfehlersignal^i;7echselstromquelle 58 befindet (z.B. eine Mach-Halte-Fehlersignalquelle) und es wird ein Ausgang 6o vorgesehen, um eine Vertikal steuerung des Flugzeugs zu bewirken.

Der Servomotor 46 treibt einen Generator 47 an, um eine Ausgangsgröße 48 vorzusehen, die als Gesohwindigkeitsrüekkopplungsgröße in der Schleife verwendet wird, indem sie dem Mischer 4 5 zugeführt wird und gegenkopplungsmässig mit dem Posit ions-Tiück-

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kopplungssignal des Ausgangs 51 gemischt wird. Die Ausgangsgröße 48 aus dem Generator 47 stellt ein Signal dar, welches Jsjenau proportional zur speziellen Höhengeschwindigkeit ist, die erfahren wurde.

Es wird ein Höhengeschwindigkeitssignal entwickelt und zwar in Form eines Signals, welches zur Differenz zwischen einer gewünschten Höhe, die gefangen werden soll, und zur tatsächlichen Flugzeughöhe ist, die vom SSEC Gerät oder einer CADC Quelle abgetastet wurde. In Fig. 1 kann man eine Höhe dadurch voreinstellen, indem/den Steuerknopf 11 einstellt, wobei in Abhängigkeit von dieser Einstellung die Höhenvorwahlschaltung io ein Susgangssignal 12 erzeugt, welches zur gewählten Höhe proportional ist. Die Ausgangsgröße aus SSEC oder CADC wird subtraktiv in einem Mischer 15 verbunden, um ein Höhenvorwahl—Fehlersignal 16 zu erzeugen, welches zur Verschiedenheit zwischen der vorgewählten Höhe und der tatsächlichen Flugzeughöhe proportional ist.

Drs Höhenvorwahl-Fehlersignal 16 gelangt über den Mischer ¹^2, den Verstärker 3 5 und den Begrenzer ^6 zu einem Mischer 38, wo es mit dem Geschwindigkeitssignal 48 aus dem Generator 47 gemischt wird. Die Ausgangsgröße aus dem kischer ^8, die zur Differenz zwischen der Höhenvorwahl-Fehlergröße 16 und dem Höhengeschwindigkeitssignal 48 proportional ist, wird selektiv dem primären Abtasterservoantrieb über einen weiteren Betriebsschalter 41 zugeführt.

Die Ausgangsgröße aus dem Mischer 38 wird nun als Höhengeschwindigkeits-Befehlssignal verwendet und ist direkt zu dem Abstand von der gewählten Höhe proportional, nimmt jedoch in seiner Größe entsprechend der Annäherung des Flugzeugs an die gewählte Höhe ab. Das nicht bedämpfte Höhengesehwindigkeits-Befehlssignal. 3"7 gelangt als eine erste Eingangsgröße in eine Vergleichastufe 39, in der es größenmässig j&it dem tatsächlichen Höhengeschwindigkeit as ignal 48, welches durch den Generator 47 in der Servoschleife entwickelt wurde, verglichen wird. Die Vergleichs-

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stufen 39 erzeugt eine Fangspannung 4o, wenn (und so lange als) das Höhengeschwindigkeits-Befehlssignal ^J am Ausgang des Begrenzers 36 und dps tatsächliche Höhengeschvindigkeitssignal 48 aus dem Generator 47 der Servoschleife im wesentlichen gleich sind. Durch das Erzeugen der P^ngspannung 4ο wird das zugeordnete Plugsteuersystem von irgendeiner verwendeten Vertikal-Fehlersteuerfunktion ( -iie beispielsweise der Mach-Haltefunktion) auf das Höhenfehler-Befehlssignal 51 geschaltet und zwar mittels der Schleife zwischen dem Ausgang 4o der Vergleichsstufe "^9 und dein Kurs-Schaltblock 55, welcher eine Ausgangsgröße 56 vorsieht j ura den Betriebsschalter 57 pn der Quelle 58 auf die Höhenfehler-Befehlsquelle 51 umzuschalten. Durch das Einleiten einer F^ngspannung (CAP) zu den Zeitpunkt, bei dem das Höhengeschwindigkeitssignal ( proportional zum Unterschied zwischen einer gewählten Höhe und der tatsächlich festgestellten Höhe) gleich dem tatsächlichen Höhengeschwindigkeitssignal ist, wird die Positions-Rückkkopplung der Servoscnleife in dem primären Abtaster-Servomechanismus durch den Betriebsschalter 44 geöffnet. 'Venn die Fⁿng-Betriebsweise eingeleitet wurde, so befindet sich die Ausgangsgröße 51 aus dem primären Abtaster 5o auf einem "#ert von Null, da der Abtaster bis zu diesem Zeitpunkt als geschlossene Positions-Servoschleife gearbeitet hat. Auf diese Weise führt das anfängliche Steuersignal 51, welches zum Zweck einer nachfolgenden Flugzeugsteuerung zugeführt wird, keine abrupten Änderungen in der Steuerung hervor, so daß der Übergang -in den Höhenbefehlsbetrieb sanft oder weich erfolgt.

Die Fpngspannung 4o, beim Öffnen der Positions-Rückkopplung in der Servoschleife mittels des Schalters 4 4 und beim Zuführen des Höhengeschwindigkeitssignal 37 über den Schalter 4 1 zu dem Servosystem, veranlasst .das Servosystem aiit einer Geschwindigkeit zu lpufen, die proportional zum Abstand ist, der von der gewählten Höhe aus gemessen besteht, d.h. der Unterschied zwischen der vorgewählten Höhe und der tatsächlich festgestellten Höhe. A^f diese "Yeise wird ein veränderlicher Fangpunkt realisiert, da. das Höhengeschwindigkeitssignal nicht für Steuerzwecke verwendet wird, bis das Vorwahl-Fehlersignal anzeigt, daß das Flugzeug mit dem

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- 8 Fangma.növer beginnen muß.

Aus der "bisherigen Beschreibung geht hervor, daß da.s Vorwahl-Hönenfehlersignal 16 direkt als Eingangsgröße für das Servosystem zugeführt wird, und zwar beim Einleiten oder Beginn der Fangspannung. Das Zuführen des Vorwahl-Fehlersignals erfolgt jedoch über eine Begrenzung 36, dessen Begrenzungsfunktion derart programmiert wird, daß eine konstante G-Kraft auf das Flugzeug ausgeübt wird und zwar während des Höhenfa-hg-Steuervorgangs, wobei das Flugzeug sich asymptotisch der vorgewählten Höhe s.nnähernd in den Fangbereich gelangt. Es sind nun auch Maßnahmen getroffen, um ein langdauerndes asymptotisches Annähern zu verhindern, was mit Hilfe eines Minimum- Annäherungsgeschwindigkeitsprogramm erfolgt. Dies wird dadurch realisiert, indem man die begrenzende Funktion des Begrenzers 3 6 als bestimmte Funktion der "eit programmiert. Der Begrenzer ^6 wird mit Hilfe eines linearen Kipgenerators 23 zeitgesteuert und die Ausgangsgröße dieses Generators wird selektiv über einen weiteren Betriebsschalter 28 dem Begrenzer zugeführt.

Der Betriebsschalter 28 ist so programmiert, daß er während, der Fang-Phase schließt, so daß die lineare Ausgangsgröße des Kipgenerators 23 dem Begrenzer 36 beim Beginn der Fangspannung steuert. Eine 5oo Ft/ Minute-Bezugsquelle 3o sieht ein Signal 31 vor, welches mit dem linearen Ausgangssignal 27 des Kipgenerators

wi/nr]

in den Mischer 29 summiert/i Der lineare Kipgenerator 2"²I wird mit einer Anfangszustand-Eingangsgföße 2o aus dem Verstärker 19 versorgt. Das Vorwahl-Fehlersignal wird einem Absolutwert-Detektor 17 zugeführt, um den Verstärker 19 mit einer Eingangsgröße 18 zu versehen. Demnach wird der lineare ivipgenerator für eine anfängliche Ausgangs spannung voreingestellt und zwar zum Zeitpunkt, bei dem die Fangspannung 4o einen 7/ert V erreicht, der proportional zum^bsoluten Wert des Vorwahl-Höhenfehlersignals ist.

Der lineare kipgenerator kann von irgendeiner Bauart sein, um eine linear abfallende Ausgangsspannung über eine bestimmte Zeitperiode, die dann von einer anfänglichen Ausgangsspannung V aus-

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geht, vorzusehen, die proportional zum Wert des Höhenvorwahl-Fehlersignals zum Zeitpunkt des Einleitens des F*"ngbetriebes ist. Die Kipspannung aus dem Generator ?3 kann nun zeitlich so gesteuert werden, daß während des Fangbetriebes eine konstante G-Kraft a.uf das Flugzeug ausgeübt wird, wie z.B. o,? G. Das Höhenvorwahl-Fehlersignal 16, welches über den Verstärker 3 5. zum Begrenzer 36 gelangt, wird daher in Einklang mit der linearen iiipspannung aus dem Generator 2^ derart begrenzt, daß· der Ausga.ng 37 aus den: Begrenzer 36 ein Höhengeschwindigkeitssignal darstellt, welches für ein konstantes G bzw. Beschleunigung der vorgewählten Höhe zeitlich programmiert wird. Die 5oo. Ft/Minute Bezugsquelle 30 baut eine maximale Befehlsfolge von 5oo Ft/Minute nach dem Fangvorgang a.uf, um nachfolgende Befehle zu begrenzen.

Die Steuerung des Begrenzers 36 durßh den linearen kipgenerator ?3, um eine Anfangsgrenze aufzubauen, die gleich der Größe des Höhenvorwahl-Fehl er signals zum Zeitpunkt des Fangens ist, ermöglicht einen sich anpassenden Fangvorgang, so daß das Fangen bzw. Erreichen der vorgewählten Höhe mit einem konstanten Beschleunigungsmanöver durchgeführt wird und zwar ungeachtet der Annäherungsgeschwindigkeit vor dem Fangbetrieb.

In Fig. ? ist die Ausgangswellenform des linearen Kipgenerators 23 veranschaulicht und diese ändert sich, ausgehend von einem "Anfangswert bzw. Anfangsspannung zum Zeitpunkt des Beginns des Fangbetriebes lineal- zu einer Spannung von KuIl und zwar über eine bestimmte Zeitperiode von z.B. ?o Sekunden. Der anfängliche Spannungswert der Wellenform der Kipspannung wird durch den absoluten "Wert des Höhenvorwahl-Fehlersignals zum Zeitpunkt des Beginns des Fangbetriebes aufgebaut. Der Fangbetrieb wird eingeleitet, wenn die Ausgangsgröße des gesteuerten Begrenzers, über welchen das Höhengeschwindigkeitssignal zugeführt wird, der tatsächlich festgestellten höhenmässigen Geschwindigkeit gleicht, wach dem Beginn des Fangbetriebes aum Zeitpunkt t , wird das Höhengeschwindigkeitssignal, v/elches am Ausgang des Begrenzers 36 erscheint, als Eingang dem Servoverstärker 4^ zugeführt, um

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den Servomotor zu veranlassen, den Primärabtaster 5o mit einer Anfangsgeschwindigkeit auf eine Bezugsgröße einzustellen, wobei diese Anfangsgeschwindigkeit proportional '.zum Unterschied zwischen der gewählten Höhe und der festgestellten Höhe ist« Diese Geschwindigkeit wird dann über eine ?o Sekunden währende Periode linear vermindert, indem- die Ausgangsgröße des linearen λ-!©generators dem Begrenzer 36 zugeführt wird. Fig. 2 veranschaulicht drei AnfangRgeschwindigkeits-Grenzen zum ~eitpunkt des Fangens (V 1, V 2 und V3- entsprechend proportional geringerer Höhenvorwahl-Fehlersignale zum Zeitpunkt des Einleitens des Fangbetriebes). Es lässt sich somit erkennen, daß die Ausgangsgröße des Kipgenerators 23 ein veränderlich abfallendes Eipsignal ist, welches von einem Anfangsspannungswert, der proportional zum Höhenfehler ist, auf KuIl hin abfällt und zwar während einer gegebenen Zeitperiode.

Es sei hervorgehoben, daß das Höhenvorwahl-Fehlersignal 16 mit einer 5oo Ft/Minute-¥orgabegröße oder Vorspannung pus der Quelle 24 während des Fangens durch Sehliessen des Betriebsschalters gemischt wird. Dadurch wird eine minimale Annäherungsgeschwindigkeit von 5oo Ft/Minute aufgebaut, bis die Höhe erreicht ist und die Umschaltung auf Kurshaltung auftritt. Dadurch wird eine, langwährende asymptotische Annäherung verhindert.

^T-7enn das Flugzeug die vorgewählte Höhe erreicht, so ist das Höhenvorwahl-Fehlersignal 16 aus dem Mischer 15 Null und diese Größe von Null wird von dem Null—Detektor 3⁷S erfasst, um eine ; Kurshalte (TRK) Ausgangsspannung 34 zu erzeugen. Die Kursspan- j nung 34 öffnet den Betriebsschalter 25, um die 5ooFt/Minute-Vorspannquelle zu entfernen, und sie gestattet ebenso dem linearen Kipgenerator 23 durch den Eingang 4o zurückgestellt zu werden, sie beeinflusst jedoch nicht die 5oo Ft/Minute-Begrenzungi da die 5oo Ft/Minute-Grenze konstant durch den Eingang 3_1 aus der Bezugsquelle 31 aufgebaut wird, welcher Eingang dem Begrenzer 36 zugeführt wird. Daher kann der Pilot, nachdem das Flugzwug eine gewünschte Höhe erreicht hat, eine neue Höhe wählen und der Primärabtaster 5o sieht Befehlssignale vor, damit das Flugzeug

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die neuerlich gewählte Höhe mit einer Ann ^;Aherungsge schwindigkeit einnehmen kann, die bis zu einem Maximum von 5oo Ft/minute gehen kann, ohne dabei den Fpngvorgang aufzuheben bzw. erneut einzuleiten.

Fig. ^ veranschaulicht errechnete Annäherungskurse bzw. errechnete Fangkurse für mehrere Annäherungen und unter der Bedingung von unterschiedlichen Annäherungsgeschwindigkeiten. Es sei erwähnt, daß der F^ngbetrieb zum Zeitpunkt t eingeleitet wird und zwar für proportional größere Hö'ienfehler pIr die bestehende Annäherungsgeschwindigkeit, vor dem Fpngvorgang, zunimmt. Der oberste Annäherungskurs zei£t z.B., daß sich das Flugzeug mit einer Geschwindigkeit von 8.000 Ft/Finute annähert,und daß der FangVorgang bei einem Höhenfehler von ca. 1.4oo Ft eingeleitet wird. Entsprechend ergibt eine Annäherungsgeschwindigkeit von 4.000 Ft/minute, vor dem Fpngvorgang, einen Fpngbetrieb bei ca. 7oo Ft Höhenfehler. Es sei auch hervorgehoben, daß mit abnehmenden Anfluggeschwindigkeiten die Annäherungsgeschwindigkeit niemals zunimmt, sondern langsam auf 5oo FtA'inute abfällt.

Fig. ^ zeigt somit den sich anpassenden Fpngvorgang des Systems nach der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor ausgeführt wurde, wird der Fangbetrieb eingeleitet (Zeitpunkt t ), wenn die vorgegebene Geschwindigkeit (commanded rate) und die tatsächlich festgestellte Geschwindigkeit gleich sind. Die vorgegebene Geschwindigkeit wird mit Hilfe eines linearen Zeit-Programms begrenzt. Wenn somit die Annäherungsgeschwindigkeit erhöht wird, so wird der Fpngvorgang bei einem proportional größeren Höhenfehler durchgeführt, da die tatsächlich festgestellte Geschwindigkeit vermittels des schnell nachgeführten Servomotors,'vor dem Fangvorgang, proportional höher ist und demzufolge der vorgegebenen Geschwindigkeit gleicht und ein Fpngbetrieb bei einem entspre-chfnoheren ^wert eines Höhenfehlers eingeleitet wird.

Demzufolge ist die anfänglich vorgegebene Höhengeschwindigkeit zum Zeitpunkt t (dem Fangzeitpunkt) gleich der zum Zeitpunkt t tatsächlich festgestellten Geschwindigkeit, und wird linear von

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einem Wert aus auf ein vorgewähltes Minimum von 5oo Ft/Minute über eine bestimmte Zeitperiode vermindert. Diese Periode ist in Fig. 3 gezeigt und sie kann ca. ?o Sekunden dauern, um also ein konstantes Beschleunigungsmanöver von o,2 G während des Fangens aufzubauen.

Der Fangvorgang auf eine gewählte Höhe passt sich an. Je größer die Annäherungsgeschwindigkeit ist, desto eher wird der F^ngbetrieb eingeleitet. Dies ist analog zu VOR-Leitstrahlbetrieben, die eine Schräglage des Flugzeuges einleiten, und zwar mit zunehmender Flugzeuggeschwindigkeit proportional größer werdenden Entfernungen von einem ausgewählten

Neben dem sich anpassenden Fa.ngbetrieb und dem konstanten Beschleunigungsmanöver, welches durch die vorliegende Erfindung relaisiert werden kann, verbindet das System auch die besten Eigenschaften inhärent träger,,korrigierter Höhenabtaster und von inhärent hinsichtlich einer unteren Schwelle nicht-korrigierter Abtaster, die langfristig ungenauigkeiten einführen. Da der Geschwindigkeitsbefehl während des Fangens auf die genaue SSEC Höhenbezugsquelle bezogen ist, ist das Befehlsprogramm genau ausgerichtet« Befehlsausgangssignale während des Fangens basieren auf einer kurzfristigen Genauigkeit des Primärabtasters und es wird eine wünschenswerte' genaue Steuerung bzw. genaue Regelung erreicht, um die genau fundierte vorgegebene Geschwindigkeit aufrecht zu erhalten.

Demnach wird ein Niederschwellen-Abtaster (der primäre nichtkorrigierte Abtaster) programmiert, um eine vorgewählte Höhe einzunehmen und beizubehalten, die ihrerseits auf die extrem genaue, statisch fehlerquellenkorrigierte Anzeigeeinrichtung (SSEC) des Pilots bezogen ist, Es wird also im Endergebnis ein nicht-korrigierter Abtaster zum Erzeugen eines Kursbefehlssignals verwendet, und zwar mit wünschenwerten Niederschwellen—Eigenschaften, während die langfrist-Ungenauigkeit dieses nicht-korrigierten Abtasters dadurch beseitigt wird, daß über den korrigier« ten Abtaster eine kleine Bezugsgrößeneinstellung vorgenommen

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wird, so daß das ^iederschwellen-Fehlerslgnal a.uf die korrekte Höhe "bezogen bleibt und eine langfristige Stabilität vorgesehen wird. · ■

Pas S? stem zum Steuern der Höhenlage eines Plugzeugs kann a.uch zusätzlich noch mit einem Signal aus dem Kurs<eber programmiert werden, um einen Vertikal-Geschwindigkeitsbetrieb anstelle eines Höhenfangbetiebes vorzusehen. Fig. 4 veranschaulicht diese mögliche Betriebsweise in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 1 und sie zeigt funktionsmässig logische Sch?ltungsabwandlungen, durch die die weitere Betriebsmöglichkeit realisiert werden kann. In diesem Fall wird das Höhen-Geschwindigkeitssignal 37, welches dem Mischer 38 zugeführt wird und selektiv, über den logischen Schalter 41 dem Servosystem zugeführt wird, auf ein Vertikal-Geschwindigkeitssignal 52 geschaltet, welches aus einer Vertikal-Geschwindigkeitssignal erzeugenden Quelle 61 stammt. Die Signalvergleichs stufe 39 wird während des Vertikal-Geschwindigkeitsbetriebes durch öffnen des logischen Schalters 63, in Abhängigkeit von der Vertikal-Geschwindigkeitssparmung VS außer Bereitschaft gesetzt. Die Positionsrückkopplung im Servosystem wird durch die Spannung VS, aufgrund des Öffnens des Schalters 44 außer Bereitschaft gesetzt. Wie bei dem zuvorbeschriebenen Betrieb wird das Servosystem vor der Auswahl der Vertikal-Geschwindigkeits-Betriebsart mit einer tatsächlichen Geschwindigkeit nachgezogen, die durch das Flugzeug vorgegeben ist. Nach dem Auswählen der Vertikalgeschwindigkeit-Betriebsweise durch Zuführen der Vertikal-Geschwindigkeitsspannung 64 (VS) zum Kurs-Schalternetzwerk 55, wird die Servo-Positionsrüekkopplung durch öffnen des Schleifenschaliprs 44 entfernt, und die Ausgangsgröße des Mischers 38, die dem Unterschied zwischen dem Vertikal-Geschwindigkeitssignal 52 und dem tatsächlich festgestellten entspricht, wü^de über dgn. Schalter 41 (durch Schließen der logischen Schaltung vermittels/VS-Betriebs-Spannung 64) ; zum Motor 46 gelangen, um diesen anzutreiben und um auf diese Weise den Null-Korrekturmechanismus des Primär-Höhenabtasters mit einer Geschwindigkeit anzutreiben, welche den Unterschied zwischen der vorgegebenen Geschwindigkeit und der festgestellten

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Geschwindigkeit entspricht. Die Ausgangsgröße 51 aus dem Abtaster 5o wird als Befehlssignal für eine anschliessende Flugzeug-Vertikalsteuerung durch den Eursbetriebs-Schalter 57 zugeführt. Das Vertikal-Geschwindigkeitssignal 5? kann in dieser BetriebspMase konstant sein, oder kann sich mit der Zeit in Einklang mit einem bestimmten Programm ändern. Sämtliche in der Beschr- ibung erkennbaren und in der Zeichnung dargestellten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutungo

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

öhenvorwahl-und Fangsystem für die Höhensteuerung von Flugzeugen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Entwickeln eines ersten Signals, welches proportional zum Unterschied zwischen einer vorgewählten Höhe, auf die geflogen werden soll, und der tatsächlichen Höhe des Flugzeugs ist, die durch einen statisch-fehlerquellen-korrigierten ^ionendetektor, einem nicht-korrigierten barometrischen Höhenabtaster erfasst wird, wobei der nicht-ko^rigierte Abtaster eine elektromechanische Einrichtung zum Null-Abgleich oder Einstellung und einen Ausgangswandler aufweist, dessen Ausgangsgröße ein Höhenfehler-Signal darstellt, weiter durch eine Einrichtung, die die Ausgangsgröße des nicht-korrigierten Abtasters selektiv als Eingangssignal einem Servoverstärker zuführt, dessen Ausgang einen Servomotor speist, wobei dieser Motor die Einricht-ng für den Null-Abgleich oder Einstellung des nicht-korrigierten Abtasters antreibt, weiter durch einen vom Servomotor angetriebenen Generator, dessen Ausgangsgröße degenerativ mit dem Ausgang des Ausgangs-Wandlers verbunden wird, wenn dieser selektiv dem Eingang des Servoverstärkers zugeführt wird, wobei die Ausgangsgröße des Generators und das erste Signal als jeweilige Eingangsgröße zu einer weiteren degenerativ verbindenden Einrichtung geführt- sind, ebenso durch eine Einrichtung zum Vergleichen der Amplitude des ersten Signals mit derjenigen der Ausgangsgröße aus dem Generator, wobei diese Vergleichseinrichtung eine Fangbetrieb-Spannung erzeugt^wenn die dieser Vergleichseinrichtung zugeführten Eingangsgrößen im wesentlichen gleich sind, durch eine Einrichtung zum selektiven Zuführen der Ausgangsgröße der weiteren degenerativ verbindenden Einrichtung als Eingangsgröße zum Servoverstärker, und zum Entfernen des Positions-Rückkopplungssignals aus dem nicht-korrigierten Abtaster und zum Zuführen dieses Positions-Rückkopps⁸ Eingangsgröße zum Servoverstärker in Abhängigkeit

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von der bewirkten Fangbetriebs-Spannung, wobei der Servomotor mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die proportional zur Differenz zwischen dem ersten Signal und dem Ausga.ngssignal des Generators ist.

Srstem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine signalbegrenzende Einrichtung, durch welche das erste Signal vor dem Zuführen zu der weiteren degenerativ verbindenden Einrichtung zugeführt wird.

System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die signalbegrenzende Einrichtung aus einem gesteuerten Begrenzer und aus einer Einrichtung zum Vorsehen einer zeitgesteuerten Begrenzungsfunktion in dein Begrenzer, und zwar anfangend von einem Anfangsgrenzwert, der proportional zu dem absoluten Itevt des ersten Signals zum Zeitpunkt des Beginns der Pangbetriebs-Spannung ist, und fortschreitend mit einer linearen Abnahme puf einen bestimmten Grenzwert, unter Überschreitung des rmllwertes, über eine bestimmte Zeitperiode besteht.

System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Begrenzer spannungsgesteuert ist und eine Steuerspannungsquelle aufweist; daß die Steuerspahnungsquelle einen linearen Kipgenerator, eine Einrichtung zum Aufbauen einer Anfangs-Steuerspannung, die proportional zum absoluten Wert des ersten Signals ist, ebenso eine auf den Beginn der Pangbetriebs-Spannung, ansprechende Einrichtung,um eine lineare Kipspannung, ausgehend von der Anfangs-Steuerspannung bis zum Spannungswert von Mill, und eine auf das Fehlen der Pangbetriebs-Spannung ansprechende Einrichtung zum Rückstellen des Kipgenerators auf"den dann bestehenden·Absolutwert des ersten Signals, aufweist: d&ß weiter Schalter zum selektiven Zuführen der Ausgangsgröße aus dem linearen Kipgeneyatpr zu dem gesteuerten Begrenzer, in Abhängigkeit von der Erzeugung der Pangbetriebs-Spannung, vorgesehen sind.

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5. System n^ch Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum selektiven Addieren eines Vorspannsignals zum ersten Signal, wenn dies zum' gesteuerten Begrenzer geführt wird, vorgesehen sind, wobei das Vorspannsignal einer bestimmten höhenmässigen vorgegebenen Geschwindigkeit entspricht und addiert wird, wenn das erste Signal im wesentlichen Null ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Null-Signaldetektor vorgesehen ist, der das erste Signal empfängt und auf eine Eingangsgröße von Null anspricht, um· eine Kursbetriehs-Spannung zu erzeugen, daß weiter die Einrichtung zum selektiven Anlegen der Ausgangsgröße aus dem linearen Kippgenerator an den gesteuerten Begrenzer auf das Vorhandensein der Kursbetrieb-Spannung anspricht, um die Ausgangsspannung des linearen Kippgenerators von dem gesteuerten Begrenzer zu entfernen, daß die Einrichtung zum selektiven Anlegen 'des vorbestimmten Höhengeschwindigkeits-Vorspannsignals nuf das erste Signal beim Zuführen zum gesteuerten Begrenzer durch das Vorhandensein der Kursbdtrieb-Spannung ausschaltbar ist, und daß die Einrichtung zum selektiven Verbinden der Ausga.ngsgröße aus dem nicht-korrigierten Höhenabtaster als Steuer-P'ehlersignal zur Kursgeber-Schaltung durch die Kursbetriebs-Spannung abschaltbar ist.

7. System na.ch Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltermittel vorgesehen sind, die durch die Fangbetrieb-Spannung einschaltbar sind, um selektiv die Ausgangsgröße aus dem Wandler der Computerschaltung für die-vertikale Kursführung als Fehlereingpngsgröße zuzuführen.

8. S; stern nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen nicht-korrigierten primären Höhenabtaster mit einem Ausgangswandler und mit einem elektromechanischen die Ringingsgröße "nif Null beziehenden Mechanis— mus, durch eine Einrichtung zum 'Antreiben des NuIl-Be f.ugs-MechaniPirtus in Einklang «at der Umdrehung eines Servomotors,

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und durch ein vom Ausgangswandler abgegriffenes Poiitions-Rückkopplungssignal, welches als Eingangssignal einem den Servomotor treibenden Servoverstärker zugeführt wird, wobei der Höhenabtaster mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die proportional zu der tatsächlichen festgestellten Höhengeschwindigkeit des Flugzeugs ist, durch eine Einrichtung zum Entwickeln eines Höhengeschwindigkeitssignals, welches proportional zum Unterschied zwischen der vorgewählten Höhe und der tatsächlichen durch einen korrigierten SSEC Höhenabtaster festgestellten Höhe ist, durch einen vom Servomotor angetriebenen Generator, der ein Ausgangssignal erzeugt, welches proportional zu der vom Flugzeug eingenommenen Höhengeschwindigkeit ist, weiter durch eine signalverbindende Einrichtung zum Entwiekeln eines Steuersignals, welches proportional zum Unterschied zwischen dem vorgegebenen Höhengeschwindigkeitssignal und der Ausgangsgröße aus dem Generator ist, durch eine Vergleichseinrich— tung zum Vergleichen des vorgegebenen Höhengeschwindigkeitssignals mit der Ausgangsgröße aus dem Generator, wobei die Vergleichs einrichtung eine F^ngbetrieb-Ausgangsspannung erzeugt, wenn die vorgegebenenHöhengeschwindigkeil; und die Generator-Ausgpngssignale im wesentlichen gleich sind, durch Schaltermittel, die auf das Aufbauen der Fangbetriebs-Spannung derart ansprechen können, daß dadurch die Positions-Rückkopplung von dem Servoverstärker entfernt wird und die Ausgangsgröße aus der signalverbindenden Einrichtung als Eingangsgröße dem Servoverstärker zugeführt wird, wobei der Nullbezugs-Mechanismus mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die proportional zum Unterschied zwischen der vorgewählten Höhe und der tatsächlichen Höhe des Flugzeugs, die durch den korrigierten Abtaster festgestellt wird, ist, und durch eine Ausgangsschalteranordnung, die auf die Fangbetriebs-Spannung anspricht, um die Ausgangsgröße aus dem AuRgangswandler als Eingangssignal derjenigen Einrichtung zuführt, die die vertikale Führung des Flugzeugs übernimmt·

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g. System nach Ansprcuh 8, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Höhengeschwindigkeitssignal vor dem Zuführen zur Verglexchseinrxchtung und dem selektiven Zuführen zum Servoverstärker, der signalbegrenzenden Einrichtung zugeführt ist, daß die signalbegrenzende Einrichtung eine linear abnehmende Begrenzung des Signals vornimmt und zwar von einem Anfangsgrenzwert aus, der proportional zum Unterschied zwischen der vorgewählten Höhe und der abgetasteten Höhe zum AnfangsZeitpunkt der F^ngbetriebs-Spannung ist,

10. System nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die der linear abnehmende Grenzwert von einem Anfangsgrenzwert aus bis zu einem bestimmten unteren Grenzwert,, der größer als UuIl ist, abnehmen kann.

11. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Höhengeschwindigkeits-Signalquelle vorgesehen ist, weiter eine Einrichtung zum selektiven Zuführen eines der Signale aus der weiteren Quelle bzw. eines der Höhengeschwindigke itssignale als Eingangsgröße zur signalverbindenden Einrichtung vorgesehen ist, daß die Schalteranordnung auc*! auf das selektive Zuführen des Signals aus der weiteren Quelle ansprechen kann, um die Positions-Rückkopplung vom Servoverstärker zu entfernen und die Ausgangsgröße aus der signalsverbindenden Einrichtung als Eingangsgröße dein Servoverptärker zuzuführen, daß weiter eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Verglexchseinrxchtung in Anbhängigkeit von der selektiven Zuführung des Signals aus der weiteren Quelle «ls Eingangsgröße zur signalverbindenden Einrichtung außer Bereitschaft zu setzen, daß die Ausgengsschalter-Anordnung ebenso auf die selektive zuführung des Signals aus der weiteren Quelle ansprechen kenn, um die Ausgangsgröße aus dem Ausgangswandler des primären Höhenabtasters als Eingangssignal derjenigen Einrichtung zuzuführen, welche die vertikale Führung des Flugzeugs übernimmt.

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12. S7^rstem nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine-·-¹ nicht-korrigierten primären Höhenabtaster mit einem Ausgangswandler und mit einem elektromechanischen eint Eingangsgröße auf Null rüokbeziehenden Mechanismus, durch eine Einrichtung zum Treiben des auf Null zurückbeziehenden Mechanismus in Einklang mit der TJmdrehung eines Servomotors, durch ein vom Ausgan n-swandler abgegriffenes Positions-Rückkopplungssignal, welches als Eingangssignal einem Servoverstärker, der einen Servomotor antreibt, zugeführt wird, wobei der Höhenabtpster mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die proportional zur tatsächlichen Höhengeschwidigkeit des Flugzeugs ist, durch eine Quelle für das vorgegebene xiöhengeschwindigkeitssignal, durch einen durch den Servomotor angetriebenen Generator, der ein Ausgangssignal erzeugt, welches proportional zur Höhengeschwindigkeit ist, die im Flugzeug festgestellt wird, durch signalverbindende Einrichtungen zum degenerativen Verbinden des vorgegebene Höhengeschwindigkeitssignals mit der Ausgangsgröße aus dem Generator, weiter durch eine.Einrichtung zum selektiven Zuführen des vorgegebenen Höhengesc windigkeitssignals zur signa.lverbindenden Einrichtung, durch eine schaltende Einrichtung, die auf das selektive Zuführen des vorgegebenen Höhengeschwindigkeitssignals zur signalverbindenden Einrichtung anspricht, um die Positions-Rückkopplung von dem Servoverstärker zu entfernen und die Ai; ρ gangs größe der signalverbindenden Einrichtung als Eingangsgröße dem Servoverstärker zuzuführen, wobei der auf Null rückbeziehende «iechanismus mit einer Geschwindigkeit angetrieben ist, die proportional zum Unterschied zwischen dem vorgegebenen Höhengeschwindigkeitssignal und dem Signal ist, welches die tatsächliche Flugzeug-Höhengeschwindigkeit kennzeichnet, und weiter durch eine Einrichtung, die auf das selektive Zuführen des vorgegebenen Höhengeschwindigkeitssignal ansprechen kann, um die Ausgangsgröße aus dem -Ausganfcswandler des primären Höhenabtasters als Befehls-Eingangssignal derjenigen Einrichtung zuzuführen, welche die vertikale Führung des Flugzeugs ü-bfrnimmt.

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