DE2250163A1 - Vorrichtung zur bahnfuehrung von flugzeugen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen unter Verwendung eines Funkleitstrahls, welcher die Flugzeugposition relativ zu einer Funkbake in Polarkoordinaten nach Elevation, Azimut und Schrägabstand liefert.
• Es sind Anflug- und Landesysteme bekannt, die dem Piloten oder einem automatischen Flugregelungssystem Azimut, Elevation und Schrägabstand relativ zu einem an der Landebahn angeordneten Leitstrahlsystem oder direkt Abweichungen von einem vorgegebenen BeSstrahl ;LS) liefern. Bei einem bekannten Verfahren (TACAN) enthält das Leistrahlsystem einen zentralen vertikalen Dipol, der impulsförmige Signale aussendet.
• Um diesen Dipol rotiert mit 15 Hertz ein Zylinder mit einem auf einer Mantellinie desselben angeordneten Reflektor. Dadurch wird das von dem Dipol ausgesandte Signal in jeder -Richtung mit 15 Hertz moduliert, wobei jedoch die Phasenlage der Modulation richtungsabhängig ist. Durch einen weiteren, ebenfalls mit 15 Hertz rotierenden mit neun Reflektoren versehenen Zylinder wird dieser Modulation noch eine Modulation mit 135 Hertz für die Winkelfeinanzeige überlagert. ein weiterhin ausgesandter Referenzimpuls gibt an, wenn das Maximum der Strahlung z.B. genau in östlicher Richtung liegt. Aus der Phasendifferenz der 15 Hertz-Grundmodulation gegenüber diesem Referenzimpuls kann eine Vorrichtun im Flugzeug den Azimutwinkel des Flugzeugs bestimmen.
• Line ähnliche Wirkung wird bei einem anderen belannten System (SETAC) erzielt, bei welchem mehrere Dipole zur Erhöhung der Genauigkeit im Abstand voneinander angeordnet sind. in Dipol sendet mit einer Trägerfrequenz f0, ein davon im Abstand einer Wellenlänge # angeordneter zweiter Dipol sendet mit einer davon um 15 Hertz verschiedenen Frequenz und ein dritter Dipol, der im Abstand 9# angeordnet ist, sendet mit fo + 135 Hertz. uS tritt ein ähnlicher Effekt mit einem mit 15 iicrtz umlaufenden Strahlungsdiagramm auf, dem die 135 Hertz-Modulation überlagert ist, so daß eine vom Azimutwinkel abhängige Modulation der Feldstärke am Ort des Flugzeugs erhalten wird. Dabei ist jedoch einem bestimmten Phasenwinkel ein z.B. um einen Faktor 10 kleine nerer räumlicher Winkel zugeordnet, so daß die Aziiutpositionsbestimmung wesentlich präziser wird.
• Die Elevationsmessung erfolgt bei dem bekannten System durch Ausnutzung des Dopplereffekts. Es ist ein Antennensystem mit einer Vielzahl übereinander und parallel zueinander angeordneten Dipolen vorgesehen. Durch einen Antennenkommutator wird eine Frequenz fo + f nit einer Frequenz fs nacheinander auf die verschiedenen Dipole gegeben, so daß ein Dipol simuliert wird, der nach einer sägezahnförmigen Weg-Zeit-Charakteristik mit der Frequenz fs von unten nach oben bewegt wird. Durch ie-Oelung der ausgesandten Wellen am Erdboden wird om Flugzeug aus außerdem ein entsprechender periodisch nach unten bewe,Cter Strahler beobachtet. Vom Flugzeug aus wird dann eine de1e Sinus des Elevationswinkels proportionale Doppler-Frequenzverschiebung D beobachtet.
• Zusätzlich wird von dem Leitstrahlsender die Trägerfrequenz f0 ausgesandt. Das im Flugzeug beobachtete Frequenzspektrum enthält dann f0, f0 + fH - fD und f0 + fH + fD, woraus fD und der Elevationswinkel bestimmbar sind.
• Die Schrägentfernung wird nach einem bekannten Verfahren aus der Laufzeit von Impulsen bestimmt. Das im Flugzeug angeordnete Gerät sendet einen Impuls aus (Abfrageimpuls) der an dem zugehörigen Bodengerät einen Sendeimpuls (Ahtwortimpuls) auslöst. Aus der Zeitdifferenz zwischen Abfrage- und Anwortimpuls wird die Schrägentfernung bestimmt.
• Ein Anflug- und Landesystem der vorstehend angedeuteten Art ist beispie-lsweise beschrieben in dem Aufsatz von Eckert und körper "Das Anflug- und Landesystem SETAC" in "Luft- und Raumfahrttechnik" 16 (1970) Nr. 2, 43 - 48.
• Bei den bekannten Anflug- und Landesystemen ist ein Leistrahlsender, welcher Azimut und Schrägentfernung liefert, am Ende der Landebahn angeordnet, während ein Beistrahlsender, der ein Signal für den Elevationswinkel erzeugt, neben der Landebahn in Höhe des idealen Aufsetzpunktes sitzt. Der Landeanflug erfolgt dann längs einer geraden radialen Flugbahn, die einem konstanten Elevationswinkel entspricht und in Landeplatzrichtung liegt. Der Elevationswinkel, welcher dabei zugleich dem Flugbahnwinkel entspricht, ist bei üblichen Flugzeugen und Landeanflugverfahren sehr klein und liegt in der Größenordnung von 30 Es ist nun wünschenswert, auch auf kurzen Landebahnen landen zu können, die von Hindernissen und/oder dicht besiedelten Gebieten umgeben sind. Dabei ist es erforderlich, besonders steil anzufliegen, damit einerseits z.B. die Hindernisse am Rande des Rollfeldes sicher überflogen werden und andererseits das Flugzeug exakt am Anfang der Landepiste aufsetzt und die volle Länge der Landepiste zum Ausrollen zur Verfügung hat.
• Hindernisse sind bei militärischen Anwendungen auch Angreifer mit leichten Waffen in Flugplatznähe. Bei dichtbesiedelten Gebieten in Flughafennähe ergibt sich die Notwendigkeit eines Steilanfluges aus der Forderung, daß der Fluglärm in den dicht besiedelten Gebieten gering gehalten werden muß und daher die Flughöhe bis in Flugplatznähe ein gewisses Maß nicht unterschreiten darf. Um Hindernisse sicher zu überfliegen und die Lärmbelästigung minimal zu halten, sind in vielen Fällen steile, nichtgeradlinige Anflugprofile erforderlich. Diese sind mit den konventionellen mitteln zur manuellen und automatischen Bahnführung von Flugzeugen nicht erreichbar.
• Beim Anflug fliegt das Flugzeug zunächst im IIorizontalflug an, bis es den Beitstrahl erreicht und schwenkt dann im Azimut in die Beitstrahlrichtung ein, wobei die Leitstrahlrichtung mit der Flugbahnrichtung zusammenfällt. Konventionell flieht das Flugzeug dann im IIorizontalflug an, bis der für den Landeanflug als Bahnwinkel gewählte Elevationswinkel des Funktleitstrahls erreicht ist. Das Kreuzzeigerinstrument hat dann Nulldurchgang. Dann wird umgeschaltet auf geradlinigen Landeanflug unter diesem Winkel. Es läßt sich nicht vermeiden, daß die tatsächliche Flugbahn dabei nicht den kommeindierten scharfen Knick macht, sondern infolge der Trägheit des Fluszeuges über die Sollflugbahn für den Landeanflug überschießt und dann wieder in diese Flugbahn einschwingt. Bei diesem Einswingvorgang werden zwangsläufig die Flugbahn winkel größer als der Elevationswinkel des kommandierten Leitstrahles, Das shadet nichts, solange der gewählte Bahnwinkel klein ist und durch das '0berschießen z.B. vorübergehend beim Einschwingen auf einen Bahnwinkel von 30 auf einen Wert von ca. 4 ansteigt. Wenn aber der steile Landeanflug mit einem Bahnwinkel von Go und steiler erfolgen soll, darm würde ein solches Uberschießen vorübergehend Bahnwinkel von 80 erfordern, die weder unter dem Gesichtspunkt des Passagierkomforts noch unter dem der Flugsicherheit tragbar sind.
• Es ist auch schwierig und nicht ungefährlich, das Flugzeug unter einem steilen Bahnwinkel auf die Landebahn aufzusetzen, da dabei in der Regel die Vertikalgeschwindigkeit in Bodennähe zu groß wird. Es ist daher erforderlich, gegen Ende des Landeanflugs wieder auf einen "normalen" geringeren Bahnwinkel von 30 bei konventionellen Flugzeugen und ca. 5 - 60 bei STOL-Flugzeugen überzugehen.
• Bei Steilanflügen muß daher eine nichtgeradlinige Flugbahn geflogen werden. Es muß aus dem Horizontalflug allmählich in den geführten Sinkflug übergegangen werden, so daß nicht wie bei einem kommandierten Knick ein Überschießen stattfindet, und es muß vor dem Aufsetzen der Flugbahnwinkel wieder verringert werden.
• Bei konventionellen Anflügen fliegt das Flugzeug stets in Richtung der Leitstrahlachse und damit in Landebahnrichtung an.
• In dieser Richtung drängen sich dann bei starkem Flugverkehr die anfliegenden Flugzeuge, was die Gefahr von gefährlichen Begegnungen erhöht und zu einer Verminderung der Landefrequenzen unter das an sich technisch mögliche zwingt. Es ist bei dem konventionellen tandeanflug nach Funkleitstrahl auch nicht möglich, während des Landeanfluges Hindernisse oder Wohngebiete, die in Landebahnrichtung liegen, zu umfliegen.
• Der Erfindung, liegt die rufgabe zurunde, eine Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen längs einer nicht rein radial zu einem Leitstrahlsender verlaufenden und ggf. nichtreradlinigen (gekrümmten) Flugbahn zu schaffen.
• Der Erfindung liegt die speziellere Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur automatischen Bahnführung von Flugzeugen bei einem STOL-Landeanflug (Steilanflug) zu schaffen.
• Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art besteht die Erfindung darin, daJ ein von den Funkleitstrahlsignalen beaufschlagter Flugbahnrechner vorgesehen ist, der Führungsgrößen zur Führung des Flugzeuges läns einer nicht rein radial zu dem Leitstrahlsender verlaufenden und ggf.
• nichtgeradlinigen Flugbahn liefert. Es können diese Führungsgrößen mit den tatsächlichen, z.B. ebenfalls vom Leitstrahl gelieferten, Positionswerten verglichen und die Abweichungen an einem Kreuzzeigerinstrument oder dgl. angezeigt werden.
• Vorzugsweise sind die Führungsgrößen auf einen Flugbahnregler aufgeschaltet.
• Hach der Erfindung werden die von dem Funkleitstrahl erhaltenen Informationen nicht nur benutzt, um eine geradlinige Flurbahn mit einem konstanten gewählten Elevations- und Azitnutwinkel zu steuern. Es wird vielmehr die Tatsache ausgenutzt, daß der Funkleitstrahl die Position des Flugzeuges in Polarkoordinaten angibt. Es kann dann in diesen 'Koordinaten z.B.
• in der Parameterdarstellung (1) #Lsoll - fa(Ra) (2) γ Lsoll fe (Ra-R) = f (Re) mit tLsoll = kommandierter Azimutwinkel, γLsoll = kommandierter Elevationswinkel und Ra = Schrägabstand eine Sollflugbahn vorgegeben und mit der jeweiligen Istposition #L, γL bei dem gemessenen Schrägabstand Ha verglichen werden. Danach kann durch den Piloten oder einen automatischen'Flugbahnregler diese Sollflugbahn erhalten werden. RL ist der Abstand zwischen Azimut- und Elevationssender.
• Die Erfindung ist für beliebige Flugbahnen anwendbar, z.B.
• auch für konventionelle Landeanflüge unter kleinem Bahnwinkel. Mit besonderem Vorteil wird die Erfindung jedoch eingesetzt, wenn der Bahnrechner Führungsgrößen für ein nichtgeradliniges Flugprofil für einen SUOL-Landeanflug und steilere Anflüge mit konventionellen Flugzeugen zur Lärmreduzierung liefert.
• Dabei ist vorteilhafterweise die Anordnung so getroffen, daß der Flugbahnregler umschaltbar von einem Höhenmessersignal, einem aus dem Funkleitstrahl abgeleitetes Positionssignal oder dem Signal eines Radarhöhenmessers beaufschlagt ist, wobei im Reiseflug das Höhenmessersignal, im Landeanflug das Positionssignal von dem Funkleitstrahl und in der letzten Phase des Landeanflugs das Signal von dem Radarhöhenmesser auf den Flugbahnregler aufschaltbar ist.
• Im Landeanflug kann Ggf. zur Bestimmung der Ist-Position statt der Signale von dem Funkleitstrahl auch ein Inertialnavigationssystem benutzt werden.
• In der letzten Phase des Landeanflugs vor dem Aufsetzen, in der die I1aschine abgefangen werden muß, erfolgt vorteilhaft eine Regelung der Flugbahn durch einen Radarhöhenmesser, der eine genauere Höhenmessung in diesem Bereich gestattet. Das Abfangen und die Umschaltung muß in einer umso größeren höhe über Grund erfolgen, je höher die Sinkgeschwindigkeit des Flugzeuges ist. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn die Umschaltung auf den Xadarhöhenmesser in der letzten Phase des Lande anflugs automatisch bei Erreichen von h+ch =0 erfolgt, wobei h die Höhe über Grund und c eine Konstante ist. Es kann dann weiterhin in der letzten Phase des Landeanflugs durch den Flugbahnregler die Größe h + c h auf null regelbar sein.
• Bei großen Sinkgeschwindigkeiten h wird in größeren Iföhen hc über Grund geschaltet. Beim Abfangen wird dann eine Flugbahn der Form kommandiert, wobei h die Radarhöhe bei Beginn des Abfangens 0 ist.
• In weiterer Ausbildung der erfindung ist die Vorrichtung zur Bahnführung gekennzeichnet durch einen von dem Schräg abstandssignal und dem Elevationswinkelsignal beaufschlagten Rechner zur Erzeugung eines Elevationswinkel-Regelabweichungssignals und Mittel zur analogen oder digitalen Bildung des Produktes dieses 1Elevationswinlrel-Regelabweichungssignals mit dem Schrägabstand oder einer Funktion desselben, welches Produkt als RegelabvJeichungssignal den Flugbahnregler beaufschlagt.
• Es wird auf diese Weise die IIöhendifferenz # #h zwischen Isthöhe und Sollhöhe geregelt. Die Regelung der Höhenablage anstelle der Elevationswinkelablage vermeidet den "Tüteneffekt", der sonst beim Anflug auf Leitstrahlsender auftritt, d.h. die starke Erhöhung der Empfindlichkeit bei klein nerwerdenden Abstand von dem Leitstrahlsender. Bei kleinem Abstand R von dem Leitstrahlsender macht sich die Höhenabweichung #h als wesentlich stärkere Elevationswinkelabweichung #γLbemerkbar als bei großem Abstand. Durch Multiplikation von #γmit R wird als Regelabweichung unabhängig von dem Schrägabstand die Höhenablage 4h gewonnen. Durch Multiplikation mit einer Funktion von R kann die auf #h bezogene Empfindlichkeit noch entfernungsabhängig in gewünschter Weise variiert werden.
• In ähnlicher Weisekönnen nach der Erfindung auch im Azimut nichtgeradlinige Flugbahnen geflogen werden. Es ist dann möglich, beim Landeanflug geführt vom Leitstrahl längs einer nicht-geradlinigen Flugbahn Hindernisse oder Wohngebiete usw.
• zu umfliegen. Es kann auch vermieden werden, daß sich alle anfliegenden Flugzeuge in der Landebahnrichtung drängen. Vielmehr macht es die Erfindung möglich, die Anflugrichtung im Azimut auseinanderzufächern. Die Flugzeuge können dann - wieder geführt vom Leitstrahl - aus verschiedenen itichtungen anfliegen und erst in der letzten Phase des Anflugs in die Landebahnrichtung einschwenken. Die Flugzeuge können dann in relativ dichter Folge aufsetzen und ausrollen, was technisch beherrschbar ist, befinden sich aber während des Landeanfluges auf verschiedenen Flugbahnen, so daß ohne Gefänrdung der einzelnen Flugzeuge eine höhere Landefrequenz erreicht werden kann.
• Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bahnführunr von Flugzeug gen.
• Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung und zeigt die Anordnung der Leitstrahlsender zu der Landebahn.
• Fig. 3 ist eine zugehörige Seitenansicht und veranschaulicht die geometrischen Verhältnisse bei der Elevationsmessnung.
• Fig. 4 dient der Veranschaulichung des Zusammenhanges zwischen Hohe, Schrägentfernung und levationswinkel.
• Fig. 5 ist eine Darstellung verschiedener Flugbahnformen, der zugehörigen Bahnwinkel und des jeweils zuehöhrigen Verlaufs des Elevationswinkels in Abhängig keit von der Schrägentfernung.
• Fig. 6 zeigt ein Schaltungsbeispiel für einen Funktionsgeber, der eine aus drei Geradenstücken zusammengesetzte Funktion eines Eingangssignals zu erzeugen gestattet.
• Fig. 7 zeigt eine Schaltungsmöglichkeit für einen solchen Funktionsgeber in einer erfindungsgemäßen Bahnführungsvorrichtung, wobei durch ein Zeitglied eine Glättung von Knickpunkten bewirkt wird.
• Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Schaltung mit dem Funktionsgeber und einem Zeitglied.
• Fig. 9 veranschaulicht die mit dem Funktionsgeber von Fig. 6 erzeugbare Funktion des Schrçntfernungssignales sowie den mit einem Zeitglied nach Fig. 7 erhaltenen geglätteten Funktionsverlauf.
• Fig.1O zeigt die zugehörigen Flugbahnen.
• Fig.11 veranschaulicht eine Anwendung der Erfindung bei einem Landeanflug längs einer im Azimut gekrümmten Bahn.
• Fig.12 veranschaulicht das "Auseinanderfächern" von Anflugbahnen im Azimut.
• Fig.13 ist die zu einer Anflugbahn nach Fig. 12'gehörige Funktion des Azimut-Funktionsgebers bei einer Bahnführungsvorrichtung nach der Erfindung.
• Fig. 14 zeigt die Flugbahn für einen Senkrechtstarter in ihrer Lage zu einem Elevations-Leitstrahlsender Fig. 15 zeigt die Geometrie der Flugbahn, nämlich Höhe als Funktion des Horizontalabstandes vom Leitstrahlsender.
• Fig. 16 ist die zugehörige Funktion des Elevations-Funktionsgebers.
• Fig. 17 zeigt die Flugbahn eines Hubschraubers und Fig. 18 die zugehörige Funktion des Elevations-Funktionsgebers.
• Fig. 19 zeigt eine typische nichtradiale Flugbahn für einen Steilanflug eines aerodynamisch getragenen Flugzeuges mit horizontalem Einflug.
• Fig. 20 ist die zugehörige Funktion des Elevations-Funktionsgebers.
• Fig. 21 veranschaulicht die Führung des Flugzeuges in einer Warteschleife.
• Fig. 22 zeigt die zugehörige Funktion des Azimut-Funktionsgebers.
• Fig. 23 zeigt eine andere Flugbahn für den Steilanflug eines aerodynamisch getragenen Flugzeuges und Fig. 24 zeigt die zugehörige Funktion des Elevations-Funktionsgebers Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist ein Azimut-Leitstrahlsender 10 am Ende einer Rollbahn oder Landebahn 12 angeordnet, während ein Elevations-Leitstra'hlsender 14 am Anfang der Landebahn 12 neben dem Aufsetzpunkt sitzt. Die Länge der Landebahn 12 und damit der Abstand von Azimut- und Elevations-Leitstrahlsender beträgt R. Der Azimut-Leitstrahlsender 10 enthält auch eine Entfernungsmeßeinheit (DI;E) zur Bestimmung,der Schrägentfernung Ra vom Azimut-Leitstrahlsender 10 zum Flugzeug.
• Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Position P des Flugzeuges bestimmt durch die Schrägentfernung Re zwischen Elevations-Leitstrahlsender 14 und Flugzeug und den Elevationswinkel γL. Die drei Größen Ra, RL und γL werden von einem Leitstrahlempfänger 16 (Fig. 1) aus den Leistrahlsignalen gebildet, ebenso der Azimutwinkel γl, der von dem Azimut-Leitstrahlsender 10 in der eingangs beschriebenen Weise geliefert wird.
• Die so erhaltenen Signale werden von dem in Fig. 1 dargestellten Flugbahnführungsgerät 18 in folgender Weise verarbeitet: Das R Ra-Signal von der DIE wird einem Fuktionsgeber 20 zugeführt, der einen Sollwert 4 soll als Funktion der Schrägentfernung vom Azimut-Leitstrahlsender liefert: (1) γLsoll = fa (Ra) Im Punkte 22 wird von Ra die Landebahnlänge RL subtrahiert.
• Für kleine Elevationswinkel kann nämlich Re = Ra - RL gesetzt werden, d.h. der Schrägabstand Re von Elevations-Leitstrahlsender ist näherungsweise gleich dem Schrägabstand Ra vom Azimut-Leitstrahlsender minus Abstand Rt der Leitstrahlsender 10 und 14 voneinander. Dieser Wert A RL wird auf einen Funktionsgeber 24 für die Elevation gegeben. Der Funktionsgeber 24 liefert einen Sollwert γLsoll für den Elevas tionswinkel Es wird so also eine kommandierte Flubahn in Polarkoordinaten durch die vorstehenden Beziehungen für γLsoll und γLsoll vorgegeben. Die Sollwerte für Azimut- und Elevationswinkel am Ausgang der Funktionsgeber 20 bzs. 24 werden bei 26 bzw. 28 mit den Istwerten γ, bzw. γ, die ebenfalls vom Leitstrahlempfänger geliefert werden, verglichen. silan erhält so die Winkelabweichungssignale #γL bzw. #γL.
• Eine Höhenabweichung #h oder Seitenabweichung infolge einer Störung macht sich im Winkelfehler #γL bzw. #γL umso stärker bemerkbar, je näher das Flugzeug an den Leitstrahlsender herankommt, je kleiner also Re bzw. ?L a wird. Damit wird der Regler oder die Anzeige bei Annäherung an den Leitstrahlsender zunehmend empfindlicher, so daß das Flugzeug schließlich nur noch schwer auf dem Leitstrahl zu halten ist. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wird das Schrägentfernungssignal R außerdem auf einen Funktionsgeber ,0 gegeben. Der Funka tionsgeber 30 liefert ein Signal, welches eine Funktion ga (Ra) von Ra ist. Diese Funktion ga kann beispielsweise für lileinere Wcrte von R proportional mit K ansteigen und a a dann einen konstanten Wert annehmen. Mit diesem Ausgangssignal des Funktionsgebers 30 wird das Azimut-Winkelabweichungssignal #γL in einem Multiplizierglied 32 multipliziert.
• Das Multiplizierglied 32 liefert dann ein Ablagesignal, welches eine Funktion f (A s) der Wegablage As (statt der Winkelablage # #γL) ist. Bei der oben erwähnten Funktion ga ergibt sich zunächst eine Proportionalität des Ausgangssignals mit der Wegablage #s, d.h. eine konstante Empfindlichkeit des Gerätes hinsichtlich wegmäßiger Ablagen von der kommandierten Flugbahn. Für größere Schrägentfernungen Ha ergibt sich ein konstanter Wert der Funktion g ga, was wieder zu einer Proportionalität des Ausgangssignal mit der Winkelablage<γL, führt, d.h. einem Absinken der Empfindlichkeit gegen Wegablagen #s mit zunehmender Schrägentfernung. Es können je nach Bedarf auch andere Funktionen ga (Ra) der Schrägentfernung Ha gebildet werden, um einen gewünschten Empfindlichkeitsverlauf des Gerätes zu erhalten.
• In ähnlicher Weise wird das Schrägentfernungssignal Re = Ra-RL zusätzlich einem Funktionsgeber 34 zugeführt, dessen signal ga (Ra-RL) in einem Multiplizierglied 36 mit dem Elevations-Winkelablagesignal #γL multipliziert wird. Es ergibt sich ani Ausgang des Multipliziergliedes ein Signal f (4 h) als Funktion der Höhenabweichungh. Auch in diesem Kanal kann zumindest für kleine He eine konstante Empfindlichkeit gegen Höhenabweichungen #h erhalten werden.
• Bs wird also durch die Funktionsgeber 20 und 24 eine gegebenenfalls nicht-geradlinige Flugbahn kommandiert. Durch die Funktionsgeber 30 und 34 wird die Empfindlichkeit der Anzeige oder der Regelung längs dieser Flugbahn in gewünschter Weise vorgegeben.
• Die Abweichungssignale f(# s) und (# h) beaufschlagen einen Flugregler, wie durch die Pfeile 38 und 40 angedeutet ist. Außerdem sind diese Signale auf die beiden Systeme eines Kreuzzeigerinstruments 42 geschaltet.
• Anhand von Fig. 4 soll der Zusammenhang zwischen der gewünschten Flugbahn h (Re) und der im Funktiongeber 24 zu speichernden Funktion fe(Re) für verschiedene Fälle abgeleitet werden: Es ist (3) h = Resin γL.
• Durch Differentation ergibt sich deraus Für kleine Winkel (<10°) kann cos γL= 1 und sin γL = γL gesetzt werden. Es ergibt sich dann Besteht die Funktion fe (Re) aus Geraden, dann ist oder (7) γL = γLO + cRe.
• Setzt man dies in Gleichung (5) ein, dann ergibt sic Eine Integration liefert (9) h = cRe² + γLORe einem Geradenabschnitt der Funktion des Funktionsgebers 24 entspricht sonit eine durch den Koordinatenursprung Re o, h = o gehende Parabel in der Flugbahn. Für c = o Chorizontales Geradenstück in der Funktion fe(Re) ergibt sich als Sonderfall der Parabel eine Gerade durch den Koordinatenursprun.
• Fiß. 5 zeit verschiedene Bahnkurven h(Re) für die verschiedenen Funktionen γL= fe(Re) und die zugehörigen Bahnwinkel γF.
• Die vorsthenden diskutierten Fälle sind in den Spalten a, d und e von Fig. 5 dargestellt. In Spalte "a" ist der Fall dargestellt, daß die Funktion γL=fe(Re) ein horizontales Geradenstück γL=γLO ist. In diesem Fall ist die Flugbahn (oberste zeile eine geradlinige Bahn durch den koordinatenursprung mit einem konstanten Bahnwinkel γF= γLO Für (Spalte "d" in Fi. 5) ergibt sich eine eine parabelförmige Flugbahn durch Koordinatenursprung.
• ine solche Flugbahn kann beispielsweise für das Abfangen des Flugzeugs vor dem Aufsetzen vorgesehen sein. Der Bahnwinkel nimmt geben X = o linear bis zu einem Wert γFO ab.
• Für (Spalte "e") ergibt sich eine nach oben konvex gekrümmte Parabel. Aus Teilen solcher Parabeln können die Flugbahnen während des Ueberganges von dem horizontalen Anflug zum Sinkflug gebildet werden.
• Für den Horizontal flug in der Höhe ho liefert die oberste Zeile von Spalte "b" in Fig. 5 die Beziehung Das ist eine Hyperbelfunktion für γL = fe(Re). Der Bahnwinkel γL ist null.
• Eine nicht durch den Koordinatennursprung gehende geradlinige Flugbahn (Spalte "c") ist gegeben durch (11) h = -γFR0 + γFRe Daraus folht wegen (12) γL = Re Diese Beziehungen sind in Spalte "c" von Fig. 5 dargestellt.
• Aus den in Fig. 5 dargestellten Funktionen lassen sich alle ewünschten Flugbahnen erzeugen. Üblicherweise genügt es für den Funktionsgeber 20 oder 24, wenn er eine aus drei Geradenstücken aufgebaute Funktion liefert, wie sie beispielsweise durch die voll ausgezogene Kurve 44 in Fig.
• S repräsentiert wird. Diese Kurve besteht aus drei aneinander anshcließenden Kurvenstücken 46, 48, 50. Kurvenstück 46 ist eine abfallende Gerade ähnlich Spalte "e" in Fig. 5. Die dadurch hervorgerufene Bahnkurve ist eine nach oben konvexe Parabel 52 (Fig. 10), die den Übergang vom Horizontalanflug in den steilen Sinkflug herstellt. Das mittlere Stück der 48 der Funktion zwischen den Werten Ho und R1 ist horizontal =γL. Die zugehörige Bahnkurve ist eine radiale Gerade 94, die den SinkfluE beim Landeanflug darstellt. In der letzten Phase des Ladeauflugs muß der Bahnwinkel wieder vermindert weruen (Abfangen). Der Funktionsgeber 24 liefert für R <R0 eine ansteigende Gerade 50 in der Funktion γL = fe(Re), die Spalte d in Fig. 5 eine Bahnkurve in Form einer nach unten gekrümmten Parabel 56 hervorruft, welche mit einem endlichen Bahnwinkel γFO = G in den io Aufsetzpunkt liegenden Koordinatenursprung einlwuft. Kurz vor dem Aufsetzen erfolgt dann vorteilhaftorweise eine Bahnführung mittels Radarhöhenmesser. Es erfolgt eine Umschaltung auf Radarhöhenmesser bei Erreichen von h + c1h = 0 wobei dann diese Gröe h + c1h weiterhin auf den Wert null geregelt wird.
• Die durch die Geradenstücke in der Funktion des Funktionsgebers 24 kommandierte Bahnkurve entspricht zwar weitgehend den Erfordernissen, enthält aber noch unerwünschte Knickpunkte 58, 60 bei R1 bzw. XO- Um solche Knickpunkte zu vermeiden, kann eine Anordnung nach Fig. 7 vorgesehen werden. Bei dieser Anordnung ist in dem Funktionsgeber 24 eine Schaltung 62 vorgesehen, die eine in der geschilderten Weise rein aus Geradenstücken bestehende Funktion des Eingangssignals Re liefert. Dieser Schaltung 62 ist ein Zeitglied 64 mit einer Übertragungsfunktion 1 + 'Ps nachgeschaltet. Damit ergibt sich eine Verzögerung, der gegebenenfalls durch Wahl der Geradenstücke 46 und 50 Rechnung getragen werden kann, und vor allem eine Glättung der Knickpunkte, so daß sowohl in der vom Funktionsgeber 24 gelieferten Funktion als auch in der dadurch erzeugten Bahnkurve ein abgerundeter Übergang von einem Kurvenabschnitt zum nächsten erfolgt. Das ist durch die gestrichelten Kurven 66 in Fig. 9 und 68 in Fig. 10 dargestellt. Im übrigen ist die Anordnung von Fig. 7 genau so aufgebaut, wie der entsprechende Teil von Fig. 1.
• Der Funktionsgeber 34 ist hier eine direkte Übertragung des Signals Re.
• Eine abgewandelte Ausführung ist in Fig. 8 dargestellt. Hier wird das vom Leitstrahlsender 16 gelieferte Signal Re einem Funktionsgeber 24 zugeführt, der eine aus drei Geradenstücken bestehende Funktion als ungeglätteter Sollwert iLu des Elevationswinkels liefert. Dieser Sollwert des Elevationswinkels wird in einem Multiplizierglied 70 mit dem Schrägentfernungssignal Re multipliziert, so daß sich ein (wieder ungeglätteter) Höhensollwert soll u ergibt. Dieser ungeglättete Höhensollwert zoll u wird auf ein Zeitglied 72 mit einer Ubertragungsfunktion 1 + v gegeben, der einen Höhensollwert h5011 liefert. Dieser Höhensollwert hsoll dient als Führungsgröße für den Autopiloten und wird mit einem Höhenistwert verglichen.
• Fig. 6 zeigt ein Schaltungsbeispiel wie ein Funktionsgeber 62 (Fig.?) oder 24 (Fig. 8) mit einer aus drei Geradenstücken bestehenden Funktion aufgebaut sein kann.
• Bei diesem Schaltungsbeispiel ist ein Sägezahngenerator 74 vorgesehen, durch welchen ein linear ansteigendes Schrägentfernungssignal simuliert wird, so daß danach die Einstellung der Funktion fe(Re) z.B. mittels eines Oszillographen erfolgen kann.
• Das Schrägentfernungssignal Re von dem Leiterstrahlempfänger (DME) wird über einen Vorverstärker 76 verstärkt und über einen Umschalter 78, durch den zu Einstellzwecken statt des Schrägentfernungssignals der Sägezahngenerator 74 anschaltbar ist, und über ein Einstellpotentiometer 80 auf einen Summierverstärker 82 gegeben. An dem Eingang des Summierverstärkers 82 liegt außerdem eine an einem Potentiometer 84 einstellbare feste Spannung zum Einzeller von RL an.
• Der Ausgang des Summierverstärkers 82 liegt am Eingang eines weiteren Summierverstärkers 86. Am Eingang dieses weiteren Summierverstärkers 86 liegt über einen als Schalter wirkenden Feldeffekttraisistor 88 einmal die am Eingang des Summierverstärkers 82 anliegende Signalspannung vom Potentiometer 80 und zum anderen eine an einem Potentiometer 90 abgegriffene -feste Spannung. Der Ausgang des Summierverstärkers 86 liegt über einen als Schalter wirkenden Feldeffekttransistor 92 und. einen Summierverstärker 94 an einem Ausgang 96 des Funktionsgebers.
• Das Signal Re vom Vorverstärker 76 liegt über den Schalter 78 und ein Potentiometer 98 an einem invertierenden Verstärker 100. Der Ausgang des Verstärkers 100 liest über einen Schalter 102 und einen Feldeifekttransistor 104 an dem Summierverstärker 94. Über den Schalter 102 ist aber stattdessen auch unmittelbar das Signal von dem Potentiometer 98 an den Feldeffekttransistor 104 und den Eingang des Verstärkers 94 anlegbar. An einem Potentiometer 106 kann eine feste Spannung angestellt werden. Das Potentiometer 106 kann über einen Schalter 108 wahlweise an eine positive oder eine negative Gleichspannung angelegt werden. Die an dem Potentiometer abgegriffene feste Spannung liegt über den Feldeffekttransistor 104 ebenfalls am Eingang des Summierverstärkers 94. An einem Potentiometer 110 wird eine Spannung entsprechend der Schrägentfernung Ro (Fig. 9) einLestellt, bei welcher der tbergang von dem Geradenstück 48 zu dem Geradenstück 50 erfolgen soll. An einem weiteren Potentiometer 112 wird eine Spannung entsprechend der Schrägentfernung R1 eingestellt, bei welcher der Übergang von dem mit wachsendem Re abfallenden Geradenstücken 46 zu dem horizontalen Geradenstück 48 erfolgt. Das Potentiometer 110 liegt an einem Eingang eines Komparators 114, an dessen anderem Eingang das Schrägentfernungssignal Re liegt und von welchem über eine Diode 116 der Feldeffekttransistor 88 gesteuert ist, und zwar derart, daß der Fzldeffekttransistor 88 für ReK Ro sperrt, und für Xes Ro leitet. Das Potentiometer 112 liegt an einem Eingang eines zweiten Komparators 116, dessen anderer Eingang ebenfalls über Schalter 78 mit dem Schrägentfernungssignal Re bzw. dem simulierten Schrägentfernungssignal von dem Sägezahngenerator 74 beaufschlagt ist. Der Komparator 116 steuert über eine Diode 118 den Feldeffenkttransistor 92 und über eine Diode 120 den Feldeffekttransistor 104, und zwar. derart daß für Schrägentfernungen Re< R1 (Fig. 93'der Feldeffekttransistor 92 leitet und der Feldeffekttransistor 194 sperrt und für Schrägentfernungen R,)R1 der Felieffekttransistor 92 sperrt und Feldeffekttransistor 104 leitend wird.
• Die Verstärker und Komparatoren sind mit geeignet beschalteten Operationsverstärkern aufgebaut. Die Summierverstärker sind dabei so beschaltet, daß sich der Verstärkungsgrad eins ergibt. Der Aufbau und die Beschaltung der einzelnen Verstärker, der Komparatoren und des Sägezahngenerators ist übliche Technik und daher hier nicht im einzelnen beschrieben.
• Die Wirkungsweise des beschriebenen Funktionsgenerators ist folgende: Die Verstärker 82 und 66 mit den Potentiometern 80 und 84 bestimmen das Geradenstück 50 (Fig. 9). Das Potentiometer 90 bestimmt das horizontale Geradenstück 48, und der Verstärker 100 mit den Potentiometern 98 und 106 bestimmen das sich daran anschließende Geradenstück 46, dessen Steigung und Lage zu den Koordinatenachsen durch die Schalter 102 und 108 im Vorzeichen umkehrbar sind. Die Umschaltung von einem Geradenstück zum nächsten in Abhängigkeit von der Schragentfernung wird durch die Komparatoren 114, 116 über die Feldeffekttransistoren 8, 92 und 104 bewirkt.
• Im einzelnen arbeitet die Schaltung in folgender Weise: Für Re<R0 ist Feldeffekttransistor 88 gespert, Feldeffekttransistor 92 leitend und Feldeffekttransistor 104 gesperrt.
• Das Schrägentfernungssignal e wird über das Potentiometer 80 und die Verstärker 82 und 86 proportional übertragen mit einem an dem Potentiometer 80 einstellbaren Proportionalitätsfaktor, der die Steigung des Geradenstückes 50 in Fig. 9 bestimmt.
• Durch das Potentiometer 84 wird diesem proportional übertragenen Schrägabstandssignal R eine konstante Spannung überlagert, die den WertγLO = γFO (Fig. 9) bestimmt. Diese von den Verstärkern 82 und 86 übertragene Summe gelangt über den leitenden Feldeffekttransistor 92 und Verstärker 94 zum Ausgang 96. Die Ausgangsspannung steigt gemäß Gerade 50 an.
• Bei Re = R0 wird Feldeffekttransistor 88 leitend. Damit wird das am Potentiometer 8G abgegriffene Schrägentfernungssignal unter Umgeh-ung des invertierenden Summierverstärkers 82 unmittelbar auf den Eingang des Summierverstärkers 86 gegeben. Damit heben sich die von dem Verstärker 8o anliegenden entfernungsabhängige Signalanteile heraus, so daß die Steigung der Funktion null wird. Die Höhe des am Ausgang erhaltenen Signals kann in diesem Bereich mittels des Potentiometers 90 eingestellt werden, wobei diese Einstellung natürlich so gewählt werden muß, daß die Geradenstücke sich bei Ro, wenn der Komparator 114 schaltet, stetig aneinanderschließen.
• Bei der Schrägentfernung Re = R1, die am Potentiometer 112 eingestellt wird, schaltet der Komparator 116 und sperrt den Feldeffekttransistor 92. Damit wird der gesamte Kanal mit den Verstärkern 82, 86 vom Ausgang abgetrennt. Dafür , wird über den leitend werdenden Fel'deffekttransistor 104 der Verstärker 100 oder - über den Schalter 102 - unmittelbar das Potentiometer 98 angeschaltet, an den ebenfalls das Schrägentfernungssignal anliegt. Es entsteht wieder ein dem Schrägentfernungssignal Re proportionaler Signalanteil am Ausgang 96, und zwar je nach der Stellung des Schalters 102 mit positivem oder (wie in Fig. 9) negativem Vorzeichen-. Diesem Signalanteil wird eine feste aber einstellbare Spannung vom Potentiometer 10G überla£ert, die je nach der Stellung des Schalters 10S positiv oder negativ ist. Diese Spannung muß natürlich so eingestellt werden, daß das Ausgangssignal stetig ist, die Geradenstücke sich also bei R1 aneinander anschließen.
• Damit einem solchen Funktionsgeber können die verschiedenen gewünschten Anflugprofile durch Parabeln und radiale Geraden angenähert werden. In gleicher Weise wie vorstehend die Höhe führung beschrieben ist, kann mit wewentlichen gleichen mitteln eine Seitenführung erfolgen. Es können natürlich auch andere Funktionsgeber zur Erzeugung geeigneter Funktionen des Schrägabstandes verwendet und miteinander kombiniert Werden.
• Beispielsweise können Hyperbelfunktionen in bekannter Weise durch geeignete Diodennetzwerke erzeugt werden.
• Einige Anwendungen der Erfindung sind in den Figuren 11 bis 24 dargestellt.
• Gemäß Fig. 11 wird eine Anflugbahn des Flugzeuges zu der Landebahn 12 im Azimut nicht geradlinig geführt. so daß sie um ein Hindernis 122 seitlich herumgeführt wird.
• Fig. 12 zeigt einen im Azimut geführten Landeanflug. Das Flugzeugt fliegt unter einem Winkel zur Landebahnrichtung zunächst geradlinig bei 124 an. In der Entfernung R2 wird vom Leitstrahl geführt eine Linkskurve 126 und daran anschließend in der Entfernung R1 eine Rechtskurve 128 eingeleitet. Damit schwenkt die Flugbahn in die Landebahnrichtung ein. Nan kann auf diese Weise mehrere Flugbahnen auseinandergefächert vorsehen und führen, so daß mehrere kurz nacheinander landende Flugzeuge auf verschiedenen Flugbahnen anfliegen können.
• Fig. 13 zeigt die zugehörige Funktion des Funktionsgebers 20.
• Fig. 14 zeigt die Flugbahn, auf der ein VTOL-Flugzeug durch einen Elevations-Leitstrahlsender 14 zu einem VTOL-Landeplatz 130 geführt wird. Fig. 15 zeigt die Geometrie der Flugbahn und Fig. 16 zeigt die zugehörige Funktion des Funktionsgebers 24.
• Fig. 17 zeigt die Anflugbahn eines Hubschraubers zu einem Landeplatz 132. Die zugehörige Funktion des Funktionsgebers 24 ist in Fig. 18 dargestellt.
• Fig. 19 zeigt das Anflugprofil fiir einen Steilanflug mit einem aerodynamisch getragenen Flugzeu. Das Flugzeug fliege horizontal an bis zu einer Entfernung R Die Funktion des Funktionsgebers 24 ist in diesem Bereich eine Hynerbel. Zwischen den Entfernungen R2 und R1 erfolgt bei 134 ein geradlinizer aber nicht radialer Anflug. Die zugehörige Funktion des Funktionsgebers 24 (Fig. 20) ist wieder eine Hyperbel wie in Zusammenhang mit Fig. 5 Spalte c schon erläutert wurde. Das Abfangen erfolgt bei Re < R1 längs einer Parabel 136, was einem Geradenstück 138 der Funktion von Fig. 20 entspricht.
• Zwischen Rf und R2 erfolgt ein tbergang von der einen Hyperbel zur anderen.
• Fig. 22 zeigt die Möglichkeit, ein Flugzeug mittels des Funkleitstrahls in einer Warte schleife 140 zu führen. Fig. 22 zeigt die hierzu erforderliche Funktion des Azimut-Funktionsgebers 20.
• Die beiden geraden Bahnen 142 und 144 werden durch Hyperbelstücke 146 bzw. 148 erzeugt. Wegen der Nichteindeutigkeit der Funktion von Fig. 22 muß an jedem Ende der Warteschleife automatisch eine Umschaltung von einem Zweig der Funktion auf den anderen erfolgen.
• Fig. 23 zeigt das Anflugprofil für einen Steilanflug aus einem nichtradialen Sinkt log 150 bis zu einer Schrägentfernung H3. Die Funktion des Funktionsgebers 24 ist eine Hyperbel ("c'l in Fig.
• 5). Ein zweiter nicht radialer Sinkt log 152 erfolgt zwischen den Schrägentfernungen R2 und R3, wo die Funktion wieder eine Hyperbei ist. Das Abfangen erfolgt längs einer Parabel 154, die durch einen Geradenabschnitt 156 in Fig. 24 erzeugt wird.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen unter Verwendung eines Funkleitstrahls, welcher die Flugzeugposition relativ zu einer Funkbake in Polarkoordinaten nach Elevation und/oder Azimut und Schrägabstand liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein von den Funkleitstrahlsignalen beaufschlagter Flugbahnrechner vorgesehen ist, der Führungsgrößen zur Führung des Flugzeuges längs einer nicht rein radial zu dem Leitstrahlsender verlaufenden und ggf. nichtgeradlinige Flugbahn liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgrößen auf einen Flugbahnregler aufgeschaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugbahnrechner je einen Funktionsgeber für Elevation und Azimut enthält, auf die jeweils ein Schrägabstandssignal von dem Leitstrahlempfänger aufgeschaltet ist und die eine Elevationswinkel- bzw. Azimutwinkel-Führungsgröße liefern, und daß je ein Vergleicher vorgesehen ist, durch den die Elevationswinkel-Führungsgröße mit einem von dem Beitstrahlempfänger gelieferten Elevationswinkelsignal bzw. die Azimutwinkel-Führungsgröße mit einem vom Leitstrahlempfänger gelieferten Azimutwinkelsignal verglichen wird, und daß von den dabei erhaltenen Abweichungssignalen ein Kreuzzeigerinstrument und/oder ein Autopilot beaufschlagt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bahnrechner Führungsgrößen für ein gekrümmtes Flugprofil für einen STOL-Landeanflug liefert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elevations-Funktionsgeber zur Erzeugung einer aus drei Geradenstücken zusammengesetzten Funktion eingerichtet ist, wobei das mittlere Geradenstück horizontal verläuft entsprechend einem entfernungsunabhängigen Ausgangssignal.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das horizontal mittlere Geradenstück in der Funktion des Funktionsgebers zwischen einer ansteigenden und einer abfallenden Geraden liegt und sich stetig an diese anschließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Funktionsgebern ein Zeitglied nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugbahnregler umschaltbar von einem barometrischen Höhenmessersignal, einem aus dem Funkleitstrahl abgeleitetes Positionssignal oder dem Signal eines Radarhöhenmessers beaufschlagt ist, wobei im Reiseflug das Höhenmessersignal, im Landeanflug das Positionssignal von dem Funkleitstrahl und in der letzten Phase des Landeanflugs das Signal von dem Radarhöhenmesser auf den Flugbahnregler aufschaltbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung auf den Radarhöhenmesser in der letzten Phase des Landeanflugs automatisch bei Erreichen'von h + c h = o erfolgt, wobei h die Höhe über Grund und c eine Konstante ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der letzten Phase des Lande anflugs durch den Flugbahnregler die Größe h + c h auf null regelbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen von dem Schrägabstandssignal und dem Elevationswinkelsignal beaufschlagten Rechner zur erzeugung eines Elevationswinkel-Regelabweichungssignals und Mittel zur analogen oder digitalen Bildung des Produktes dieses Elevationswinkel-Regelabweichungssignal mit dem Schrägabstand oder einer Funktion desselben, welches Produkt als Regelabweichungssignal den Flugbahnregler beaufschlagt.

L e e r s e i t e