DE2250163C3 - Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Anflug- und Landesysteme bekannt, die dem Piloten oder einem automatischen Flugrcgclungssystcm Azimut. Elevation und Schrägabstand relativ zu einem an der Ladebahn angeordneten Lcitstrahlsystem oder direkt Abweichungen von einem vorgegebenen Leitstrahl (ILS) liefern. Bei einem bekannten Verfahren (TACAN) enthält das Leitstrahlsystem 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

ίο Zylinder wird dieser Modulation noch eine Modulation mit 135 Hertz für die Winkelfeinanzeige überlagert Ein weiterhin ausgesandter Referenzimpuls gibt an, wann das Maximum der Strahlung, z. B. genau in östlicher Richtung liegt. Aus der Phasendifferenz der 15-Hertz-Urundmodulation gegenüber diesem Referenzimpuls kann eine Vorrichtung im Flugzeug den Azimutwinkel des Flugzeugs bestimmen.

Eine ähnliche Wirkung wird bei einem anderen bekannten System (SETAC) erzielt, bei welchem mehrere Dipole zur Erhöhung der Genauigkeit im Abstand voneinander angeordnet sind. Ein Dipol sendet mit einer Trägerfrequenz /ö, ein davon im Abstand einer Wellenlänge λ angeordneter zweiter Dipol sendet mit einer davon um 15 Hertz verschiedenen Frequenz und ein dritter Dipol, der im Abstand 9 λ angeordnet ist, sendet mit 6+135 Hertz. Es tritt ein ähnlicher Effekt mit einem mit 15 Hertz 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 kleinerer räumlicher Winkel zugeordnet, so daß die Azimutpositionsbestimmung 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 angeordneter, Dipolen vorgesehen. Durch einen Antennenkommusator vJrd eine Frequenz

■«ι fo + fii mit einer Frequenz f, nacheinander auf die verschiedenen Dipole gegeben, so daß ein Dipol simuliert wird, der nach einer sägezahnförmigen Weg-Zeit-Charakteristik mit der Frequenz h von unten nach oben bewegt wird. Durch Spiegelung der

4-j ausgesandten Wellen am Erdboden wird vom Flugzeug aus außerdem ein entsprechender periodisch nach unten bewegter Strahler beobachtet. Vom Flugzeug aus wird dann eine dem Sinus des Elevalionswinkcls proportionale Doppler-Frequenzverschiebung 4> beobachtet.

">o Zusätzlich wird von dem Leitstrahlsender die Trägerfrequenz k ausgesandt. Das im Flugzeug beobachtete Frequenzspektrum enthält dann

to, A + tu— /ound (n + tu+ fn,

μ woraus found 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 mi einen Sendeimpuls (Antwortimpuls) auslöst. Aus der Zeildifferenz zwischen Abfrage- und Antwortimpuls wird die Schrägentfernung bestimmt.

Ein Anflug- und Landesystem der vorstehend

angedeuteten Art ist beispielsweise beschrieben in dem

ι>·> Aufsatz von Eckert und Röper »Das Anflug- und Landesystem SETAC« in »Luft- und Raumfahrttechnik« 16(1970). Nr. 2.43-48.

Bei den bekannten Anflug- und Landesysiemen ist ein

Leitstrahlsender, welcher Azimut und Schrägentfernung liefert, am Ende der Landebahn angeordnet, während ein Leitstrahlsender, 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 Fugbahnwinkel entspricht, ist bei üblichen Flugzeugen und Landeanflugverfahren sehr klein und liegt in der Größenordnung von 3°.

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 Flugpiatznähe. Bei dicht besiedelten 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 Horizontalflug an, bis es den Leitstrahl erreicht und schwenkt dann im Azimut in die Leitstrahlrichtnng ein, wobei die Leitstrahlrichtung mit der Flugbahnrichtung zusammenfällt. Konventionell fliegt das Flugzeug dann im Horizontalflug an, bis der für den Landeanflug als Bahnwinkel gewählte Elevationswinkel des Funkleitstrahls erreicnt 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 kommandierten scharfen Knick macht, sondern infolge der Trägheit des Flugzeuges über die Sollflugbahn für den Landeanflug überschießt und dann wieder in diese Flugbahn einschwingt. Bei diesem Einschwingvorgang werden zwangsläufig die Flugbahnwinkel größer als der Elevationswinkel des kommandierten Leitstrahles. Das schadet nichts, solange der gewählte Bahnwinkel klein ist und durch das Überschießen z. B. vorübergehend beim Einschwingen auf einen Bahnwinkel von 3° auf einen Wert von ca. 4° ansteigt. Wenn aber der steile Landeanflug mit einem Bahnwinkel von 6" und steiler erfolgen soll, dann würde ein solches Überschießen vorübergehend Bahnwinkel von 8° erfordern, die weder unter dem Gesichtspunkt des Passagierkomforts noch unter dem der Flugsicherheit tragbar sind.

Es ist auch schwierig und nocht ungefährlich, das Flugzeug unter einem steilen Bahnwinkel auf die Ladebahn aufzusetzen, da dabei in der Regel die Vertikalgeschwindigkeit in Bodennähe zu groß wird. Es ist daher erforderlich, gegen Ende des Landeanflugs v/ieder auf einen »iiormalen« geringeren Bahnwinkel von 3° bei konventionellen Flugzeugen und ca. 5 — 6° bei SToL-Flugzeugen über iugehen.

Bei Sicilanflügen muß daher eine nichtgeradlinige Flugbahn geflogen weiden. Es muß aus dem Horizontalflgg 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

ίο dann bei starkem Flugverkehr die anfliegenden Flugzeuge, was die Gefahr von gefährlichen Begegnungen erhöht und zu einer Verminderung der Landefrequenzen unter das ar. sich technisch Mögliche zwingt. Es ist bei dem konventionellen Landeanflug nach Funkleitstrahl auch nicht möglich, während des Landeanfluges Hindernisse oder Wohngebiete, die in Landebahnrichtung liegen, zu umfliegen.

Durch die DE-AS 12 84 852 ist ein Landesystem für lotrecht oder steil landende Luftfahrzeuge, insbesondere für Hubschrauber oder VTOL-Fli^zeuge bekannt, bei welchem aus den mittels funkeiekiri?:her Einrichtungen gemessenen, auf den Landepunkt und die Nordrichtung bezogenen Raumkoordinaten in einem Landeanflugrechner fortlaufend die Horizontalenifernung dev Luftfahrzeugs zum Landepunkt sowie der Istwert seiner Übergrundgeschwindigkeit berechnet wird. Ein Funktionsgeber liefert einen von der Horizontalentfernung abhängigen Sollwert der Übergrundgeschwindigkeit. Die zwischen dent Sollwert und

y.) dem Istwert der Übergrundgeschwindigkeit gebildete Differenz wird entweder auf einem Anzeigegerät dargestellt oder einem Flugregler zugeführt. Auf diese Weise kann bei Hubschraubern oder VTOL-Flugzeugen die Übergrundgeschwindigkeit bei Annäherung an den

J5 Landepunkt kontrolliert herabgesetzt werden, so daß sie bei Erreichen des Landepunktes Null wird. Es sind weitere von der Horizontalentfernung des Luttfahrzeugs zum Landepunkt gesteuerte Funktionsgpber vorgesehen, die eine Soll-Höhe und/oder Soll-Ablage

■to des Luftfahrzeugs von einer durch den Landepunkt gehe.iden Vertikalebene liefern. Die zwischen den Sollwerten und den im Landeanflugrechner berechneten Istwerten gebildeten Differenzen werden entweder auf dem Anzeigegerät dargestellt oder zur selbsttätigen Steuerung verwertet. Auf diese Weise kann das Luftfahrzeug längs einer vorgegebenen Flugbahn zum Landepunkt geführt werden.

Bei dem bekannten System wird aus den vom Leitstrahlempfänger gelieferten Signalen durch einen Entfernungsrechner die Horizontalentfernung gebildet. Diese Horizontalentfernung bildet die Eingangsgröße für die Funktionsgeber für Soll-Geschwindigkeit und

Bei dem Ausführungsbeispiel der DE-AS 12 84 852 wird das Horizonta'cntfernungssignal auf einen Stellmotor mit Stellungsrückführung gegeben. Der Stellmotor verstellt Nocken, durch welche wiederum die Schleifer von Sollwertpotentiometern verstellbar sind.

Die erhaltenen Si/il-Höhen werden bei dem Ausfüh-

bo rungsbeispiel mit der tatsächlichen Höhe verglichen, die von einem Radarhöhenmesser geliefert wird. Es können aber auch Positionssignale mittels eines Ljndeanflugrechners berechnet werden.

Die bekannte Anordnung ist relativ kompliziert. Sie <" benutzt als Eingangssignal die Horizontalentfernung, die zunächst berechnet werden muß. Die Funktionsgeber liefern in Abhängigkeit davon die Soll-Höhe bzw. die Soll-Wegablage. Diese werden mit der Ist-Höhe

bzw. Ist Wegablage verglichen. Dabei kann die Ist-Höhe mit einem Radarhöhenmesser gemessen werden, während die Ist-Wegablage mittels des Landeanflugrechners aus den Signalen eines Leitstrahlempfängers berechnet werden muß. Sowohl die Eingangsgröße des Funktionsgebers als auch die Positionssignalc (mit Ausnahme der »Radarhöhe«) sind daher aus anderen Meßwerten abgeleitete Größen.

Die mittels des Radarhöhenmessers gemessene »Radarhöhe« wird von der Kontur des den Landepunkt umgebenden Geländes beeinflußt, da sie die Höhe jeweils über Grund und nicht etwa über dem Landepunkt angibt. Diese Geländekontiir kann in einem flugzeugseitigen Funktionsgeber, der ein bestimmtes, naturgemäß auf den Landeptinkt bezogenes Anflugprofil vorgibt, nicht berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen zu vereinfachen und unabhängig von der Geländekontiir in der Umgebung des Landepunktes zu machen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs I aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Als Eingangsgröße für den Funktionsgeber dient die unmittelbar gemessene Schrägentfernung. Der Funktionsgcbcr liefert Fiihriingsgrößen für Elcvationswinkcl und/oder Azimutwinkel, die wieder mit unmittelbar vom Leitstrahlcmpfänger gemessenen Istwerten verglichen werden können.

Die Flugbahn wird in Polarkoordinaten bezogen auf den oder die l.eitstrahlscnder vorgegeben und geregelt, d. h. unabhängig von der Kontur des umgebenden Geländes.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

F i g. 1 z.eigt als Blockschaltbild eine Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen;

F i g. 2 ist eine perspektivische Darstellung und zeigt die Anordnung der l.eitstrahlspndrr zn d°r I ;in<lrh:ihn·

F* ι g. 3 ist eine zugehörige Seitenansicht und veranschaulicht die geometrischen Verhältnisse bei der E'lc vationsm essung;

I" i g. 4 dient der Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Höhe. SchrägentfernuriL⁷ und Elevationswinkel:

F i g. 5 ist eine Darstellung verschiedener Flugbahnformen, der zugehörigen ßahnwinkel und des jeweils zugehörigen Verlaufs des Elevationswinkels in Abhängigkeit von der Schrägentfernung:

F i g. 6 zeigt ein .Schaltungsbeispiel für einen Funktionsgeber. der eine aus drei Geradenstücken zusammengesetzte Funktion eines Eingangssignals zu erzeugen gestattet:

Fig./ zeigt eine Schaltungsmöglichkeit für einen solchen Funktionsgeber in einer erfindungsgemäßen Bahnführungsvorrichtung, wobei durch ein Zeitglied eine Glättung von Knickpunkten bewirkt wird:

F i g. 8 zeigt eine abgewandelte Schaltung mit dem F'unktionsgebcr und einem Zeitglied:

Fig. 9 veranschaulicht die mit dem Funktionsgeber von F i g. 6 erzeugbare Funktion des Schrägentfernungssignals sowie den mit einem Zeilglied nach F~ i g. 7 erhaltenen geglätteten Eunktionsveriauf:

Fig. 10 zeigt die zugehörigen Flugbahnen:

Fic. 11 veranschaulicht eine Anwendung der Erfindung bei einem Landcanflug 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 einem Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 14 z.eigt die Flugbahn für einen Senkrechtstarter in ihrer Lage z.u einem Elevations-Leitstrahlscnder;

E i g. 15 zeigt die Geometrie der Flugbahn, nämlich die Höhe als Funktion des Horizonlalabstandcs vom l.eilstrahlsender;

Fig. 16 ist die zugehörige Funktion des Elcvations-Funktionsgebers;

Fi g. 17 z.eigt die Flugbahn eines Hubschraubers und

Fig. 18 die zugehörige Funktion des Elevations-Funktionsgebers;

H ig. 19 zeigt cmc typische nichtradiale Flugbahn für einen fJteilanflug eines aerodynamisch getragenen Flugzeuges mit horizontalem Einfliig:

Fig. 20 ist die zugehörige Funktion des Elevations-Funktionsgebers;

Fig. 21 veranschaulicht die Führung des Flugzeuges in einer Warteschleifc;

Fig 22 zeigt die zugehörige Funktion des A/imut-Funktionsgebers:

Fig. Ii zeigt eine andere Flugbahn für den Stcilanflug eines aerodynamisch getragenen Flugzeuges und

E i g. 24 zeigt die zugehörige Funktion des Elcvalions-Funktionsgcbers.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. ist ein A/inuit-l.eiistrahlscnder 10 am Ende einer Rollbahn oder l.andcbahn 12 angeordnet, während ein Elevations-I.citstrahlsendcr 14 am Anfang der Landebahn 12 neben dem Aufsetzpunkt sitzt. Die Länge der Landebahn 12 und damit der Abstand von Azimut- und Elevations-Leitstrahlscnder beträgt Ri. Der Azimut-l.eitslrahlsendcr 10 enthält auch eine Entfernungsmeßeinheil (DMf;) zur Bestimmung der Schrägentfernung R., vom Λ/ίηηιι-I ritslr.ihlsendor 10 /um Iliip/riiiJ

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. ist die Position /'des Flugzeuges bestimmt durch die .Schrägentfernung R₁ zwischen Elevations-Leitstrahlscnder 14 und Flugzeug und den Elcvationswinkcl ·,·,■ Die drei Größen R,. Ri und γι werden von einem l.eitsirahlcmpfänger lh (Fig. I) aus den Lcilslrahlsignalen gebildet, ebenso der Azimutwinkel y.i. der von dem Azimut-Leitstrahlsender 10 in der eingangs beschriebenen Weise geliefert w ird.

Die so erhaltenen Signale werden von dem in I ι g. 1 dargestellten I lugbahnführungsgerät 18 in folgender Weise verarbeitet:

Das /?.,-Signal von DME wird einem Funktionsgeber 20 zugeführt, der einen Sollwert x/.,,/,-als Funktion der Schrägentfernung vom Azi.nut-Leitstrahlsender liefert:

Im Punkte 22 wird von Rj die I.indebahnlänge Ri subtrahiert. Für kleine Elevationswinkel kann nämlich R_c= R₃- Ri gesetzt werden, d. h. der Schrägabstand R_c vom Elevations-I.eitstrahlsendcr ist näherungsueisc gleich dem Schrägabstand R₃ vom Azimut-Leitstrahlsender minus Absiand Ri der Le-iisirahlsender 50 und 14 voneinander. Dieser Wert /?. — /?/ wird auf einen Funktionsgeber 24 für die Elevation gegeben. Der

Funklionsgcbcr 24 liefen einen Sollwert ;·/.,.» für den Elcvationswinkel

Es w'-xl so also eine kommandierte Flugbahn in Polarkoordinaten durch die vorstehenden Beziehungen für κ/„,«und )'/„,//vorgegeben. Die Sollwerte für Azimut- und Elevationswinkel am Ausgang der Funk'.ionsgeber 20 bzw. 24 werden bei 26 bzw. 28 mit den Istwerten y.i bzw. γι, die ebenfalls vom l.eitstrahlempfänger geliefert werden, verglichen. Man erhält so die Winkelabweichungssignalc/J*/ bzw. Ay/.

Eine Höhenabweichung Ah oder Seilenabweichung infolge einer Störung macht sich im Winkclfchlcr Αγι bzw. Ay.i um so stärker bemerkbar, je näher das Flugzeug an den l.eitstrahlsender herankommt, je kleiner also R, bzw. R,, wird. Damit wird der Regler «der die Anzeige bei Annäherung an den l.eitstrahlsender zunehmend empfindlicher, so daß das Flugzeug schließlich nur noch schwer auf dem Leitstrahl zu halten ist. Um diese Schwierigkeiten /u vermeiden, wird das Schrägentfcrnungssignal R., außerdem auf einen Funktionsgeber 30 gegeben. Der Funktionsgeber 30 liefert ein Signal, welches eine Funktion ^r₁(W.,) von R., ist. Diese Funktion p., kann beispielsweise für kleinere Werte von R., proportional mit R., ansteigen und dann einen kons.anten Wert annehmen. Mit diesem Ausgangssignal des Funktionsgebers 30 wird das Azimut-Winkclabweichungviignnl Ay.i in einem Miiitipli/iergliccl 32 multipliziert. Das Multiplizierglied 32 liefert dann ein Ablagcsignal. welches eine Funktion f(As)der Wegablage As (statt der Winkelablage Ay.i) ist. Bei der oben erwähnten Funktion i:., ergibt sich zunächst eine Proportionalität des Ausgangssignals mit der Wegabla ge As. d. h. eine konstante Empfindlichkeil des Gerätes hinsichtlich wegmäßiger Ablagen von der kommandierten Flugbahn. Für größere .Schrägentfernungen R, ergibt sich ein konstanter Wert der Funktion £.,. was wieder zu einer Proportionalität des Ausgangssignals mit Her WinWpl^hliiiTi* v. fiilirt i\ h .»im*ni A htinL-^n fl«»r

Empfindlichkeit gegen Wegablagen As mit zunehmender Schrägentferniing. Es können je nach Bedarf auch andere Funktionen t:XR.) der Schrägentferniing R. gebildet u erden, um einen gewünschten Empfindlichkeitsverlauf des Gerätes zu erhalten.

In ähnlicher Weise wird das Schrägentferntingssignal R₁-R₁-Ri zusätzlich einem Funktionsgeber 34 zugeführt, dessen Ausgangssignal gXR.,—Ri) in einem Multiplizierglied 36 mn dem Elevations-Winkelablagesignal Ayι multipliziert wird. Fs ergibt sich am Ausgang des Multipliziergliedcs ein Signal f(Ah)als Funktion der Höhenabweichung Ah. Auch in diesem Kanal kann zumindest für kleine R,- eine konstante Empfindlichkeit gegen Höhenabweichungen Aherhalten werden.

Es 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 ge« ünschter Weise vorgegeben.

Die Abweichungssignale f(As) und f(Ah) beaufschlagen einen Flugregler, wie durch die Pfeile 38 und 40 angedeutet ist. Außerdem sind diese Signale auf die beiden Systeme eines Kreuzzeigerinstniments 42 geschaitei.

Anhand von F i g. 4 soll der Zusammenhang zwischen der gewünschten Flugbahn h(RJ und der im Funktions-

geber 24 zu speichernden Funktion /",./?,.) für verschiedene Fälle abgeleitet werden:
Es ist

h = R_rsin;_L.
Durch Differentiation ergibt sich daraus

(3)

Für kleine Winkel (<IO ) kann cos ;·, = I und sin ;·/ = ;■, gesetzt werden. Fs ergibt sich dann

^d/l - R *■'■ . ·,
d«_r '· ti R₁. ■'·

(5)

Besteht die Funktion I₁[K₁.) aus deraden. dann ist

dR,.

(6)

Setzt man dies in (ileichunii (5) ein. dann eruibl sich

il/i
OR,.

= R₁X + ;,„ * (R₁. = 2R₁X f ;·„,

Eine lnteuralion liefert

h = cRl -> ;·,„«,.

(S)

(9)

Einem (ieradenabschnitt der Funktion d.-s I unktionsgcbcrs 24 entspricht somit eine durch den Koordinatenursprung /?, =0. Λ = 0 gehende Parabel in der Flugbahn.

Für f=(\ thi\ri Jt\nt:*\t**. i".*»r:>ft*Mi<.tiii'L" in H»*r [.'imL-lif^ti

f,(R,) ergibt sich als Sonderfall der Parabel eine Gerade durch den Koordinatenursprung.

F i g. 5 zeigt verschiedene Bahnkurven h{R) für die verschiedenen Funktionen ;■/ =/"_c(/f.) und die zugehörigen Bahnwinkel)·/.

Die vorstehend diskutierten Fälle sind in den Spalten ;i. d und e von Fig. 5 dargestellt. In Spall- >».·ι« ist der Fall dargestellt, daß die Funktion yi=f,{R_t) ein horizontales Geradenstück ;.·/ =;·/., ist. In diesem Fall ist die tlugbahn (oberste Zeile) eine geradlinige Bahn durch den Koordinatenursprung mit einem konstanten Bahmvinkel >·/="»>.

Für _{d R}' = c-> 0 (Spalte »d« in F i g. 5) ergibt sich eine

parabelförmige Flugbahn durch den Koordinatenursprung. Eine solche Flugbahn kann beispielsweise für das Abfangen des Flugzeugs vor dem Aufsetzen vorgesehen sein. Der Bahn winkel nimmt gegen R — 0 linear bis zu einem Wert ;.·,„ ab.

ß =c<0 (Spalte »e«) ergibt sich eine nach

oben konvex gekrümmte Parabel. Aus Teilen solcher Parabeln können die Flugbahnen während des Überganges von dem horizontalen Anflug zum Sinkflug gebildet werden.

Für den Horizontalflug in der Höhe h, liefert die

oberste Zeile von Spalte »k« in F i g. 5 die Beziehung
Λ..

^sln Yl.snll * ','ImU ~

R.

(10)

Das ist eine Hyperbelfunktion für y/= £(/?.·). Der Bahnwinkel γι ist Null.

Eine nicht durch den Koordinatcnursprung gehende geradlinige FlugDahn (Spalte »c«)h\ gegeben durch

Ί = - YrR_n + YrK

Daraus folgt wegen

h '■''■ R₁.

FR..

(II)

(12)

(13)

Diese Beziehungen sind in Spalte »c» \on I- i g. 3 dargestellt.

Aus den in F t g. 5 dargestellten Funktionen lassen sich alle gewünschten Flugbahner erzeugen. Üblicherweise genügt es für den Fiinktionsgeber 20 oder 24, wenn er eine aus drei Geradenstücken aufgebaute Funktion liefert, wie si'.· beispielsweise durch die voll ausgezogene Kurve 44 in I i g. 9 repräsentiert wird. Diese Kurve besteht aus drei aneinander anschließenden Kurvenstücken 46, 48, 50. Kurvenstück 46 ist eine abfallende Gerade ähnlich Spalte »c« in F i g. 5. Die dadurch hervorgerufene Bahnkurve ist eint· nach oben konvexe Parabel 52 (Fig. 10). die den Übergang vom Horizontalanflug in den steilen Sinkflug herstellt. Das mittlere Stück der 48 der Funktion /wischen den Werten R; und R< ist horizontal ;·/ =;·';· Die zugehörige Bahnkurve ist eine radiale Gerade 54. die den Sinkflug beim Landeanflug darstellt. In der letzten Phase des l.andeanflugs muiJ der Bahnwinkel wieder vermindert werden (Abfangen). Der Funktionsgeber 24 liefert für R_c<Rn eine ansteigende fierade 50 in der Funktion γι = fi(R<). die gemäß Spalte t/in F i g. 5 eine Bahnkurve in Form einer nach unten gekrümmten Parabel 56 hervorruft, weiche mit einem cnciiicnen uahnwinKci γιη = γιη in den im Aufsetzpunkt liegenden Koordinatenursprung einläuft. Kurz vor dem Aufsetzen erfolgt dann vorteilhafterweise eine Bahnführung mittels Radarhöhenmesser. Es erfolgt eine Umschaltung auf Radarhöhenmesser bei Erreichen von

wobei dann diese Giöße /?~o/> 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 R-. bzw. Ro.

Um solche solche Knickpunkte zu vermeiden, kann eine Anordnung nach F i g. 7 vorgesehen werden. Bei dieser Anordnung ist in dem Funktionsgeber 24 eine Schaltung 62 vorgesehen, die eine in der geschilderten Weise rein aus Geradenstöcken bestehende Funktion des Eingangssignals R_e liefert. Dieser Schaltung 62 ist ein Zeitglied 64 mit einer Übertragungsfunktion

γ —ψ; nachgeschaltet. Damit ergibt sich eine Verzögerung, der gegebenenfalls durch Wahl der Geracenstükke 46 und 50 Rechnung getragen werden kann, und vor allem eine Glättung der Knickpunkte, so clali 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

in Signals R₁,

Eine abgewandelte Ausführung ist in F i g. 8 dargestellt. Hier wird das vom l.eitstrahlsendcr 16 gelieferte Signal /?,. einem Funktionsgeber 24 zugeführt, der eine aus drei Geradenstücken bestehende Funktion als

ι, ungeglätteter Sollwert -//„des Elevations winkeis liefen. Dieser Sollwert des Elevationswinkels wird in einem Multiplizierglied 70 mit dem Schrägentfermingssignal /?,. multipliziert, so daß sich ein (wieder ungeglätteter) MriWoncnlKuoi-t h .. »'i-niKt niot..r tmiroii 1 '■ t t*»l*i ll^l·*»».

• · - '■ ■ " * ■ e- - " '-■ ••■•e.-e-·*-■·«- ■-

sollwert /)„„■;„ wird auf ein Zeitglicd 72 mit einer Übertragungsfunktion

I f 7", s

gegeben, der einen I loheiisollwert Λ.,.', liefert. Dieser Höhensollwerl h_s,.n dient als Fiihrungsgröße für den Autopiloten und wird mit einem llöhcnistwert verglichen.

F i g. 6 zeigt ein Schaltungsbeispiel wie ein I unktionsgeber 62 (Fig. 7) oder 24 (Fig. 8) mit einer aus drei Geradenstücken bestehenden Funktion aufgebaut sein kann.

Bei diesem Schaltungsbeispicl ist ein Sägezahngenerator 74 vorgesehen, durch welchen ein linear ansteigendes Schrägentfernungssigiial simuliert wird, so daß danach die Einstellung der Funktion /,(/?,) z. B. mittels eines Oszillographen erfolgen kann.

Das Schrägentfernungssignal R₁- von dem Leitstrahl empfänger (DME) wird über einen Vorverstärker 76 verstärkt und über einen Umschalter 78. durrh den zu Einstellzwecken statt des Schrägentfcrnungssignals der sägezahngenerator /4 anschaitbar ist. und liner ein Einstellpotentiometer 80 auf einen Sunimicrverstärker 82 gegeben. An dem Eingang des Summierverstärkers 82 liegt außerdem eine an einem Potentiometer 84 einstellbare feste Spannung zum Einstellen von Ri an.

Der Ausgang des S'immierverstärkers 82 liegt am Eingang eines weiteren Summierverstärkers 86. Am Eingang dieses weiteren Sumniierverstärkers 86 liegt über einen als Schalter wirkenden Feldeffekttransistor 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 % des Funktionsgebers.

Das Signal R_c vom Vorverstärker 76 liegt über den Schalter 78 und ein Potentiometer 98 an einem invertierenden Verstärker 100. Der Ausgang des Verstärkers 100 liegt über einen Schalter 102 und einen Feldeffekttransistor 104 an dem Summierverstärker 94. Über den Schalter 102 ist aber statt dessen auch '-!«mittelbar das Signa! vor. dem Potentiometer 98 an den Feldeffekttransistor 104 und den Eingang des Verstärkers 94 anlegbar. An einem Potentiompter 106

kann eine fesie 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 SummierverstärkeKS 94. An einem Potentiometer 110 wird eine Spannung entsprechend der Schrägentfernung R_n (F i g. 9) eingestellt, bei welcher der Übergang von dem Geradenstück 48 zu dem Geradenstück 50 erfolgen soll. An einem weiteren Potentiometer 112 wird eine Spannung entsprechend der Sehrägentferniing R\ eingestellt, bei welcher der Übergang von dem mit wachsendem R, abfallenden Gcradenslück 46 zu dem horizontalen Geradenstück 48 erfolgt. Das Potentiometer 110 liegt an einem Hingang eines !Comparators 114. an dessen anderem Kingang das Schrh'gentfernungssignal R,- liegt und von welchem über Feldeffekttransistor 92 und Verstärker 94 /um Ausgang 96. Die Ausgangsspannung steigt gemäß Gerade 50 an.

Bei R₁ = R₁, wird Feldeffekttransistor 88 leitend. Damit wird das am Potentiometer 80 abgegriffene Schrägentfernungssignal unter Umgehung der invertierenden Summierverstärkers 82 unmittelbar auf den Eingang des Summierverstärkers 86 gegeben- Damit heben sich die von dem Verstärker 86 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 dir Geradenstücke sich bei Rn. wenn der Komparator I K schaltet, stetig ancinanderschließen.

Dei der .Schrägentfernung R₁ = R₁. die am Poicniio meter 112 eingestellt wird, schaltet der Komparator 116 und sperrt den Feldeffekttransistor 92. Dahiit wird der

.,,>■,„, ι „ U .,„.,] .„,ι ,1,.,, V.,r,i;,l,..r„ BO BA ,,,.,·., Λ ,..

und /war derart, daß der Feldeffekttransistor 88 für /?,■< Rd sperrt, jnd für R_i> Ri, leitet. Das Potentiometer 112 liegt an einem Eingang eines /weiten Komparator 116, dessen anderer Eingang ebenfalls über Schalter 78 mit dem Schrägentfernungssignal R₁- b/.w. dem simulier ten Schrägentfernungssignal von dem Sägezahngenerator 74 beaufschlagt ist. Der Komparator 116 steuert über eine Diode 118 den Feldeffekttransistor 92 und über eine Diode 120 den Feldeffekttransistor 104. und /war derart, daß für Schiägrntfernungen R,.<R\ (F'g. 9) der Feldeffekttransistor 92 leitet und der Feldeffekttransistor 194 sperrt und für Schrägenlfermingen /?,.< R< der Feldeffekttransistor 92 sperrt und Feldeffekttransistor 104 leitend wird.

Die Verstärker und Komparaloren sind mit geeignet beschalteten Operationsverstärkern aufgeba.it. Die Summiervcrstärker sind dabei so beschallet, daß sich der Verstärkungsgrad eines ergibt. Der Aufbau und die Beschallung der einzelnen Verstärker, der Komparatorcn und des Sägezahngenerator ist übliche Technik und daher hier nicht im einzelnen beschrieben.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Funktionsgenerators ist folgende:

Die Verstärker 82 und 86 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 L?ge zu den Koordinatenachsen durch die Schalter 102 und 108 im Vor/eichen umkehrbar sind. Die Umschaltung von einem Geradenstück zum nächsten in Abhängigkeit von der Schrägentfernung wird durch die Komparatoren 114, 116 über die Feldeffekttransistoren 88, 92 und 104 bewirkt.

Im einzelnen arbeitet die Schaltung in folgender Weise:

Für R_e< Rn ist Feldeffekttransistor 88 gesperrt. Feldeffekttransistor 92 leitend und Feldeffekttransistor 104 gesperrt. Das Schrägentfernungssignal R_c wird über das Potentiometer 80 und die Verstärker 82 und 86 proportional übertragen mit einem an den Potentiometer 80 einstellbaren Proportionalitätsfaktor, der die Steigung des Geradenstückes 50 in F i g. 9 bestimmt. Durch das Potentiometer 84 wird diesem proportional übertragenen Schrägabstandssignal R_e eine konstante Spannung überlagert, die der, Wert J¹Lu=Z¹Fo (Fig.9) bestimmt. Diese von den Verstärkern 82 und 86 übertragene Summe gelangt über den leitenden abgctrenn'. Dafür wird über den leitend werdenden Feldeffekttransistor 104 der Verstärker 100 oder über den Schäker 102 — unmittelbar das Potentiometer 98 angeschaltet, an dem ebenfalls das Schrägenifernungssignal anliegt. Es entsteht wieder ein dem Schrägentfernungssignal R,- proportionaler Signalameil am Ausgang 96. und /war je nach der Stellung dos Schalters 102 mit positivem oder (wie in F i g. 4) negativem Vorzeichen. Diesem Signalanieil win! eine feste aber einstellbare Spannung vom Potentiometer 106 überlagert, die je nach der Stellung des Schalters 108 positiv oder negativ ist. Diese Spannung muß natürlich so eingestellt werden, daß das Ausgangssignal stelig ist. die Geradenstüeke sich also bei Ri aneinander anschließen.

Mit einem solchen Funktionsgeber können die verschiedenen gewünschten Anflugprofile durch Parabeln und radiale Geraden angenähert werden. In gleicher We'se wie vorstehend die Höhenfiihrung beschrieben ist. kann mit im wesentlichen 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 Diodennet/werke erzeugt werden.

Einige Anwendungen der Erfindung sind in den F i g. 11 bis 24 dargestellt.

Gemäß Fig. Il wird eine Anflugbahn des Flug/enges /u 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 Flugzeug fliegt unter einem Winkel zur Landebahnrichtung zunächst geradlinig bei 124 an. In der Entfernung /?i wird vom Leitstrahl geführt eine Linkskurve 126 und daran anschließend in der Entfernung R] eine Rechtskurve 128 eingeleitet. Damit schwenkt die Flugbahn in die Landebahnrichtung ein. Man kann auf diese Weise mehrere Flugbahnen auseinandergefächert vorsehen und führen, so daß mehrere kurz nacheinander landende Flugzeuge auf verschiedenen Flugbahnen anfliegen können.

F i g. 13 zeigt die zugehörige Funktion des Funktionsgebers 20.

Fig. !4 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.

F i g_r 17 zeigt die Anflugbahn eines Hubschraubers zu einem Landeplatz 132. Die zugehörige Funktion des Funktionsgebers 24 ist in F i g. !8 dargestellt.

Fig. 19 zeigt das Anflugprofil für einen Steilanflug mit einem aerodynamisch getragenen Flugzeug. Das Flugzeug fliegt horizontal an bis zu einer Entfernung Ri. Die Funktion des Funktionsgebers 24 ist in diesem Bereich eine Hyperbel. Zwischen den Entfernungen /?i und R\ erfolgt bei 134 ein geradliniger aber nicht radialer Anflug. Die zugehörige Funktion des Funktionsgebers 24 (F i g. 20) ist wieder eine Hyperbel

wie in Zusammenhang mit Fig.5 Spalte c schon erläutert wurde. Das Abfangen erfoigi bei R_c< R\ längs einer Parabel 136, was einem Geradenstück 138 der

Funktion von Fig,20 entspricht. Zwischen Ri und /?2 erfolgt ein Obergang von der einen Hyperbel zur anderen,
Fig.22 zeigt die Möglichkeit, ein Flugzeug mittels des Funkleitstrahls in einer Warteschleife 140 zu führen. Fig.22 zeigt die hierzu erforderliche Funktion des Azimut-Funktionsgebers 20. Die beiden geraden Bahnen 142 und 144 werden durch Hyperbeistücke 146 bzw. 148 erzeugt. Wegen der Nichteindeutigkeit der Funktion von Fi g, 22 muß an jedem Ende der Warteschleife automatisch eine Umschaltung von einem Zweig der Funktion auf den anderen erfolgen.

Fig.23 zeigt das Anfhigprofil für einen Steilanflug aus einem nichtradialen Sinkflug 150 bis zu einer Schrägentfernung /?> Die Funktion des Funktionsgebers 24 ist eine Hyperbel (»c« in Fig.5). Ein zweiter nicht radialer Sinkflug 152 erfolgt zwischen den Schrägentfernungen Ri und Rs. wo die Funktion wieder eine Hyperbel ist. Das Abfangen erfolgt längs einer Parabel 154, die durch einen Geradcnabschnitt i56 in F i g. 24 erzeugt wird.

Hierzu 12BIaIl Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   K Vorrichtung zur Bahnführung von Flugzeugen, enthaltend;

   eine Einrichtung zur Messung des Abstands zwischen dem Flugzeug und einer Bodenstation und zur Erzeugung eines Abstandssignals, funkelektrische Einrichtungen zur Messung der auf eine Bodenstation bezogenen Flugzeugposition zur Erzeugung von Positionssignalen,
   einen Programmgeber zur Erzeugung von Führungsgrößen in Abhängigkeit von dem Abstandssignal zur Vorgabe einer Flugbahn und
   einen Vergleicher zum Vergleichen der Positionssignal mit den Führungsgrößen für die Steuerung des Flugzeugs längs der vorgegebenen Flugbahn,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   (a) die fiuvkelektrischen Einrichtungen zur Messung der Flugzeugposition einen Funkleitstrahl und einen Leitstrahlempfänger umfassen, welcher die Flugzeugposition relativ zu einer Funkbake nach Elevation und/oder Azimut liefert,

   (b) der Programmgeber mindestens einen von einem Abstandssignal von dem Leitstrahlempfänger beaufschlagten Funktionsgeber für Elevation und/oder Azimut enthält, der eine Elevationswinkel- bzw. Azimutwinkel-Führungsgröße liefert,

   (c) der Vergleicher die Differenzen des vom Leitstrahlempfängdr gelieferten Elevations- und/oder Azimutwkikels und der zugehörigen Elevationswinkel- bzw. \zimutwinkel-Führungsgröße bildet und

   (d) Multipliziermittel vorgesehen sind zur Multiplikation jeder Differenz gemäß c) mit dem Abstand zwischen Flugzeug und Bodenstation oder einer Funktion desselben zur Bildung je eines Regelabweichungssignals.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgeber für Elevation zur Erzeugung einer aus drei Geradenstücken zusammengesetzten Funktion eingerichtet ist, wobei das mittlere Geradenstück horizontal verläuft entsprechend einem, entfernungsunabhängigen Ausgangssignal.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das horizontale mittlere Geradenstück in der Funktion des Funktionsgebers zwischen einer ansteigenden und einer abfallenden Geraden liegt und sich an diese anschließt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktionsgeber ein Zeitglicd nachgeschaltet ist.