DE2320717C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der Ausrichtung· insbesondere des Anfangskurses, eines Luftfahrzeuges - Google Patents

Description

Gegenstand des Hauptpatentes ist eine Vorrichtung, die durch Triangulation eine schnelle und sehr genaue Bestimmung der Ausrichtung, insbesondere des Anfangskurses, eines Luftfahrzeuges gegenüber einer Bezugsrichtung ermöglicht, wobei auf dem Luftfahrzeug im bekannten, konstanten Abstand voneinander zwei Markierungen angebracht sind, ferner im Abstand zum Luftfahrzeug zwei ebenfalls im bekannten, konslanten Abstand voneinander um senkrechte Achsen drehbare Goniometer vorgesehen sind, mit denen die Markierungen am Luftfahrzeug angepeilt und deren Peilwinkel bestimmt werden, und wobei mittels eines Rechners, in dessen Speicher die Konstan'en und die ermittelter Winkelwerte gespeichert sind. bzw. eingegeben werden die Ausrichtung des Luftfahrzeuges berechnet wird.

Diese Vorrichtung nach dem Hauptpatent bestimmt den Anfangskurs eines Luftfahrzeuges, das momentan im Verhältnis zur Triangulationsvorrichtung an einerr Ort stillsteht. Dieser durch die Vorrichtung gemessen« und berechnete Anfangskurs dient nach Übertragung an das Luftfahrzeug zur Neueinstellung von desser Navigationssystem, so daß anschließend das Luftfahrzeug starten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung nach dem Hauptpatent so weiter auszubilden und zu verbessern, daß der Anfangskurs eines, Luftfahrzeuges außer im Stillstand auch in der Bewegung bestimmt, insbesondere also der Anfangs kurs eines Luftfahrzeuges festgelegt werden kann, das. am Boden rollt, um zur Startbahn zu gelangen, oder selbst während des Startvorganges.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die beider Goniometer derart angeordnet sind, daß sie das Luftfahrzeug von vorn oder im wesentlichen von vorn kommen sehen und daß die beiden Markierungen an den Tragflächenenden, an der Vorderkante der Tragflächen oder auf den Beinen des Fahrgestelles des Luftfahrzeuges in einer Richtung angeordnet und gefluchtet sind, die senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zur Flugachse des Luftfahrzeuges liegt. Die Verwertung der Goniometersignale erfolgt erfindungs gemäß in der Weise, daß eine vorzugsweise auf dem Luftfahrzeug angebrachte Vergleichseinrichtung den von dem Rechner bestimmten augenblicklichen Anfangskurs mit dem Kurs vergleicht, der im selben Augenblick von einem Kurszeiger des Luftfahrzeugen geliefert wird, und daß der von der Vergleichseinrichtung ermittelte Unterschied zwischen den beiden Augenblickskursen als Korrekturelement für die Neueinstellung des Navigationssystems des Luftfahrzeuges auf den von der Triangulationsvorrichtuni;

vorgegebenem Anfangskurs verwendet wird. Im Ergebnis legt die erfindungsgemäße Vorrichtung von außen her einen Anfangskurs des in Bewegung befindlichen Luftfahrzeuges fest, vergleicht diesen An/angskurs mit denn augenblicklichen Kurs des Luftfahrzeuges, der von dessen Kursanzeiger geliefert wird, und verwendet den Unterschied zwischen diesen beiden Informationen als Korrektur, um die Kursgeberkette des Luftfahrzeuges auf den von der Triangulationsvorrichtung gelieferten wahren Kurs neu einzustellen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Genauigkeit mehrere aufeinanderfolgende Messungen für verschiedene Stellungen des sich in Bewegung befindlichen Luftfahrzeuges durchgeführt und aufeinanderfolgende Anfangskurse bestimmt werden, daß die Vergieichseinrichtung jeden augenblicklichen Anfangskurs mit jedem Flugzeugkurs vergleicht, aer jeweils im selben Augenblick vom Kurszeiger des Luftfahrzeuges geliefert wird, und daß ein Rechenglied den arithmetischen Mittelwert aller Unterschiede zwischen jedem Anfangskurs und jedem gleichzeitigen Flugzeugkurs errechnet, wobei dieser aritmhetische Mittelwert als Korrektur verwendet wird.

Weiter besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, zur Bestimmung des Anfangskurses des sich auf einer Startbahn bewegenden Luftfahrzeuges eines der beiden Goniometer auf der einen Seite, das zweite Goniometer auf der anderen Seite der Startbahn anzuordnen. Die beiden Goniometer können sich in gegenläufiger Richtung um ihre vertikale Achse drehen.

Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit kann ein Organ die Drehgeschwindigkeit eines der beiden Goniometer um seine vertikale Achse regeln, damit die Erfassung der Markierungen des Luftfahrzeuges durch die Goniometer gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig erfolgt, wobei das Drehzahlsteuersignal die Zeitspanne sein kann, die zwischen den beiden Augenblikken verstreicht, in welchen eines der Goniometer eine der Luftfahrzeugmarkierungen und dann das andere Goniometer die andere Markierung erfaßt.

Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht einer Triangulationsvorrichtung, die den Anfangskurs eines Luftfahrzeuges liefert, das sich auf einer Zufahrtsbahn bewegt, um zu.' Startbahn zu gelangen,

F i g. 2 ein erklärendes Funktionsschema der in F i g. 1 dargestellten Triangulationsvorrichtung in Verbindung mit einer als Beispiel gegebenen zugeordneten Bordanlage,

Fig.3a und 3b in graphischer Darstellung die Erfassung der Markierungen des Luftfahrzeuges durch zwei Goniometer, die sich m derselben Richtung und in

ι ο gegenläufiger Richtung drehen,

F i g. 4 eine schematische Draufsicht einer Triangulationsvorrichtung zur Bestimmung des Anfangskurses eines auf der Startbahn rollenden Luftfahrzeuges, Fig.5a und 5b in graphischer Darstellung die Erfassung durch zwei Goniometer der Markierungen eines Luftfahrzeuges, dessen Flugachse nicht mit der Achse der Startbahn fluchtet

In Fig. 1 ist eine Triangulationsvorrichtung 1 für die Einstellung des Anfangskurses der Luftfahrzeuge, die mit der in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen identisch ist, derart aufgestellt, daß sie ein Luftfahrzeug 2, das am Boden mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf einer Zufahrt zur Startbahn 3 rollt, von vorn kommen sieht

:s Das Flugzeug 2 ist mit zwei Markierungen 4 und 5 an der Vorderkante der Tragflächen und wenn möglich in gleichen Abständen zur Längsachse des Luftfahrzeuges, an den Tragflächenenden, auf den Beinen des Fahrgestelles oder an jedem anderen geeigneten Ort versehen, vorausgesetzt daß die beiden Markierungen 4 und 5 eine Richtung 6 verkörpern, die senkrecht zur Längsachse ZZ' oder Flugachse des Luftfahrzeuges 2 liegt. Diese senkrechte Ausrichtung ist wünschenswert, aber nicht zwingend, vorausgesetzt, daß der Wert des Winkels φ, den diese Richtung 6 mit der Flugachse ZZ' des Luftfahrzeuges 2 bildet, mit Genauigkeit bekannt ist und dieser Wert in die Berechnung des Flugzeugkurses eingeführt wird.

Die Triangulationsvornchtung 1 erfaßt mit Hilfe ihrer beiden Goniometer 7 und 8 jeweils die Winkel O₀, αϊ und ßo, ß\, die diejenigen Winkel sind, unter denen die genannten Goniometer die Markierungen 4 und 5 des Luftfahrzeuges 2 anpeilen, und sie bestimmt den Winkel A, wie in der Hauptpatentanmeldung beschrieben, durch Lösung derselben Gleichung, die folgendermaßen lautet:

/ = H₀ - arc sin =

sin — , s.n (α, -

l/T_iⁱⁿfc_.-T

\ Lsini«o-/yJ

iⁱⁿfc_.-T + Γ j™

a₁ - /J₁

sin ß₂ sin β_Λ

sin [,I₀ - β₀) sin («,

COS((i,

1 - "0)

Die Berechnung des Anfangskurses, die zur Berücksichtigung des Winkels φ unterschiedlich ist, wird gleich der Summe

C = λ -ι-

φ ■

Hierbei ist γ₀ der Winkel, den die Orientierungsrichtung XX' der Triangulationsvorrichtung 1 mit einer Bezugsrichtung, zum Beispiel dem geographischen Nord (GN), bildet.

Der Winkel φ kann von einem Luftfahrzeug zum anderen schwanken und vorteilhaft, wie in F i g. 2 dargestellt, vorher auf der Kursgeberkette eingestellt und eingegeben werden. Die Triangulationsvorrichtung 1 berechnet nicht mehr den Kurs C sondern den Winkel Λ + γο, der nachstehend durch die Abkürzung Ct (durch Triangulation erhaltener Kurs) bezeichnet wird.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die Tnangulationsvorrichtung 1, die mit der in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen identisch ist und umfaßt: die beiden Goniometer 7 und 8 und zwei ihnen zugeordnete Digitalkodierer 9 und 10. Ein Motor 11 versetzt jedes Goniometer in Drehbewegung um seine vertikale Achse und um die Achse jedes Kodierers. Die Kodierer liefern laufend die Winkelstellung der Goniometer, und diese Stellungswerte werden an einen Speicher 12 durch zwei Tore 13 und 14 gegeber., die

jeweils von den Goniometern 7 und 8 gesteuert werden, wenn diese letzteren eine Flugzeugmarkierung erfassen.

Ein Rechner 15, der über die Informationen λο, αι, j3o, ß\ und γο verfügt, berechnet den Kurs Ci, der zum Beispiel durch einen Funksender 16 an das mit einem Empfäger 17 ausgerüstete Luftfahrzeug 2 übertragen wird.

Der Kurszeiger 18 des Luftfahrzeuges 2 liefert ununterbrochen einen Kurs, bei dem es sich zum Beispiel um einen Richtungskurs Cd handeln kann, zu dem in 19 der Winkel φ addiert wird, um den Wert Cd—φ zu erhalten, der dem Kurs Ct vergleichbar ist, wie nachstehend erläutert wird.

Jedesmal wenn die Goniometer 7 und 8 der Triangulationsvorrichtung 1 die beiden Bordmarkierungen erfaßt haben und wenn anschließend die Triangulationsvorrichtung einen Kurs Ct bestimmt hat, wird dieser an das Luftfahrzeug 2 übertragen, um in 20 mit dem von der Summierstufe 19 gelieferten Winkel (Cd-φ) verglichen zu werden. Nach diesem Vergleich wird die resultierende Information

ε = Ct - (Cd - φ),

die die Korrekturinformation darstellt, in 21 mit dem von dem Kurszeiger 18 des Luftfahrzeuges gelieferten Kurs Cd summiert, um somit einen resultierenden Kurs (Cd+ε) zu erhalten, der den wahren Kurs des Luftfahrzeuges darstellt, der von der Triangulationsvorrichtung 1 bis auf den Winkel φ genau bestimmt ist, und die Navigationsgeräte des Luftfahrzeuges werden auf diesen wahren Kurs eingestellt.

Da der Kurs Cd in kontinuierlicher Weise geliefert wird und um in 20 nur die augenblicklichen Kurse zu vergleichen, da sich das Luftfahrzeug während der Messungen bewegt, ist zwischen die Summierstufe 19 und die Vergleichsstufe 20 ein Tor 22 eingeschaltet, das von der Triangulationsvorrichtung 1 gesteuert wird, sobald diese letztere einen Anfangskurs bestimmt hat Das Tor 22 überträgt den Wert des Winkels (Cd-φ) erst in dem Augenblick an den Komparator 20, in dem dieser letztere die Information Ct erhält.

Um die Genauigkeit der Einheit zu erhöhen, werden nacheinander verschiedene Messungen durchgeführt, und zwar ausgehend von einer maximalen Entfernung bis zu einer minimalen Entfernung zwischen dem am Boden rollenden Luftfahrzeug 2 und der Triangulationsvorrichtung 1. Alle von der Triangulationsvorrichtung 1 zu gegebenen, aufeinanderfolgenden Augenblicken bestimmte Kurse Ct werden jeweils in 20 mit den Kurswerten verglichen, die zu denselben Augenblicken von dem Kurszeiger 18 des Luftfahrzeuges 2 geliefert werden.

Die Unterschiede ε zwischen den beiden Augenblickskurven werden in 23 gemittelt um einen mittleren Unterschied ε,η zu erhalten, der, als Korrekturinformation verwendet, in 21 eingegeben wird, um dort mit dem Flugzeugkurs Cd summiert zu werden.

Die in F i g. 2 gezeigte Bordanlage des Luftfahrzeuges 2 ist ein Beispiel einer Flugzeugkursgeberkette, und es versteht sich, daß für andere Installationstypen die Korrekturinfonnation ε in den Bordrechner eingegeben oder auch dazu verwendet werden könnte, den Kurszeiger des Luftfahrzeuges unmittelbar einzustellen.

Zur Bestimmung eines augenblicklichen Kurses O müssen die beiden Goniometer 7 und 8 der Triangulationsvorrichtung 1 die Markierungen des Luftfahrzeuges 4 und 5 sehr schnell erfassen, damit die Längsverschiebung des Luftfahrzeuges während der Dauer dieser Erfassung geringfügig ist und der in die Kursberechnung eingehende Fehler vernachlässigbar bleibt.

In Fig.3a sind in gleichwertig angenommenen Zeitabständen fi, t₂, h und U die relativen und aufeinanderfolgenden Siellungen der Markierungen 4 und 5 eines im Verhältnis zu den Goniometern 7 und 8 der Triangulationsvorrichtung 1 in Bewegung befindlichen Luftfahrzeuges schematisch dargestellt, wobei

ίο angenommen wird, daß die Bewegungsbahn des Luftfahrzeuges eine Gerade ist. Wenn die beiden Goniometer 7 und 8 sich in der gleichen Richtung um ihre vertikale Achse drehen und wenn man annimmt, daß das Goniometer 7 die Markierung 4 im Zeitpunkt fi,

ι j das Goniometer 8 diese Markierung im Zeitpunkt ti und anschließend das Goniometer 7 die Markierung 5 im Zeitpunkt f₃ und das Goniometer 8 diese Markierung im Zeitpunkt U erfaßt und eine Gerade gezogen wird, die durch die Schnittpunkte der die genannten Goniome-

tern mit den genannten Markierungen verbindenden Geraden läuft, so findet man im Verhältnis zur Bezugsrichtung 6 den Winkelfehler <5.

In Fig.3b drehen sich die Goniometer 7 und 8 in gegenläufiger Richtung um ihre vertikale Achse. Das

2s Goniometer 8 dreht sich zum Beispiel im Uhrzeigersinn und das Goniometer 7 im Gegenuhrzeugersinn, und die beiden Goniometer 7 und 8 erfassen die Markierungen 4 und 5 jeweils zu den Zeitpunkten f* ii, t₂ und fc. Werden die Schnittpunkte der durch die Goniometer und die Flugzeugmarkierungen gelegten Geraden durch eine Gerade verbunden, so zeigt sich, daß der Fehler δ viel kleiner ist als in dem vorherigen Fall.

Dieser Fehler kann noch weiter verringert werden, indem die Drehbewegungen der Goniometer 7 und 8 derart synchronisiert werden, daß, wenn ein Goniometer eine Markierung erfaßt, das zweite die andere Markierung erfaßt. Zum Beispiel wird der Zeitraum zwischen Augenblick, in dem ein Goniometer eine Markierung des Luftfahrzeuges erfaßt, und dem, in dem das zweite Goniometer die andere Markierung erfaßt, als Steuersignal verwendet, um die Geschwindigkeit eines Goniometers im Verhältnis zu der des zweiten zu erhöhen oder zu verringern, damit bei der nächsten Meßfolge die Erfassungen gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig erfolgen.

In F i g. 2 ist ein einziger Motor 11 für den Antrieb der beiden Goniometer 7 und 8 der Triangulation vorrichtung 1 dargestellt. Es versteht sich, daß in die mechanische Verbindung, die den Motor 11 mit dem einen der beiden Goniometer kuppelt, ein Geschwindigkeitsregler eingeschaltet oder ein Motor für jedes Goniometer vorgesehen werden kann, von denen der eine mit Organen ausgerüstet ist, die es ermöglichen, seine Drehzahl zu ändern.

In F i g. 4, die eine zweite Anordnung darstellt ist die Triangulationsvorrichtung t beiderseits der Startbahn 3 aufgestellt

Zum Beispiel befindet sich das Goniometer 7 auf der linken Seite der Bahn und das Goniometer 8 auf der rechten Seite, wobei die beiden Goniometer 7 und * auf eine Richtung XX' aasgerichtet sind, die vorzugsweise senkrecht zur Startbahn 3 liegt Da das Luftfahrzeug 2 aus einer gewissen Entfernung D₁ kommt, wird die Triangulationsvorrichtung 1 durch ein beliebiges Organ

in Betrieb gesetzt das vorteilhaft automatisch arbeiten kann und zum Beispiel durch den Durchgang des Luftfahrzeuges durch ein Luchtbündei 24 ausgelöst wird Desgleict^n würde die Stillsetzung der Triangula-

tionsvorrichuing 1 von dem Luftfahrzeug bei dem Durchgang durch ein zweites Lichtbündel 25 ausgelöst, das sich in einer Entfernung Ch von der Triangulationsvorrichtung 1 befindet. Hierbei ist die Entfernung D\D; diejenige, in der die Erfassung der Markierungen 4 und 5 des Luftfahrzeuges durch die Goniometer 7 und 8 am besten erfolgt.

Der Winkel λ, der derjenige Winkel ist, den die durch die Markierungen 4 und 5 des Luftfahrzeuges gehende Gerade 6 mit der Orientierungsrichtung Λ V
Triangulationsvorrichlung t bildet, ist gleich:

M = *o - θ.

<-> ■-- aresin

sin Hierbei ist öder Winkel,der von der durch die beiden Markierungen 4 und 5 des Luftfahrzeuges gehenden Geraden mit der Geraden gebildet wird, die, wie in F i g. 5a und 5b gezeigt, durch das Goniometer 7 und die Flugzeugmarkierung 4 gelegt ist.

[^s'ⁿ &) T Γ ^s'ⁿ ft T I ^s'ⁿ /'ο ^s'ⁿ ft 1

sin K,-,·;„)J L^siⁿ<"i - ftU Lsin («,, - />'„) sin (α, - ,;,) "' ""J

Um die durch die Berechnung der arc sinus-Funktion der vorstehenden, zur Berechnung von θ dienenden Gleichung bewirkte Unbestimmtkeit auszuschalten, ist das Goniometer 7 vom Rand der Bahn 3 entfernt, damit über die gesamte Wegstrecke des Luftfahrzeuges, in der die Triangulationsvorrichtung Messungen vornimmt, die Markierung 4 des Luftfahrzeuges von dem Goniometer 7 unter einem Winkel äo derart erfaßt wird, daß äo —«t/2 stets größer ist als der Winkel λ, damit der Winkel θ stets gleich oder größer ist als --r/2.

Die übrigens unbedeutende Fluchtungsabweichung der Flugachse ZZ' des Luftfahrzeuges gegenüber der Achse der Bahn 3 kann sich, wie in Fig. 5a und 5h gezeigt, beiderseits der Achse der genannten Bahn befinden, und es könnte eine zweite Unbestimmtheit be dem Winkel λ auftreten. Diese Unbestimmtheit wire durch den Vergleich des Winkels Θ mit «o behoben. 1st C kleiner als oto, so wird der Winkel λ als positiv angesehen, und umgekehrt, wenn Θ größer ist als «c wird λ als negativ betrachtet. Für den Fall, daß θ gleicl "to ist, ist λ gleich Null.

Hierzu 3 Blatt Zeichnunuen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung, die durch Triangulation eine schnelle und sehr genaue Bestimmung der Ausrichtong, insbesondere des Anfangskurses, eines Luftfahrzeuges gegenüber einer Bezugsrichtung ermöglicht, wobei auf dem Luftfahrzeug im bekannten, konstanten Abstand voneinander zwei Markisrungen angebracht sind, ferner im Abstand zum ι ο Luftfahrzeug zwei ebenfalls im bekannten, konstanten Abstand voneinander um senkrechte Achsen drehbare Goniometer vorgesehen sind, mit denen die Markierungen am Luftfahrzeug angepeilt und deren Peilwinkel bestimmt werden und wobei mittels eines Rechners, in dessen Speicher die Konstanten und die ermittelten Winkelwerte gespeichert sind, bzw. eingegeben werden, die Ausrichtung des Luftfahrzeuges berechnet wird, nach Patent 20 02 513, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Goniometer (7,8) derart angeordnet sind, daß sie das Luftfahrzeug (2) von vom oder im wesentlichen von vorn kommen sehen und daß die beiden Markierungen (4, 5) an den Tragflächenenden, an der Vorderkante der Tragflächen oder auf den Beinen des Fahrgestelles des Luftfahrzeuges (2) in einer Richtung angeordnet und gefluchtet sind, die tenkrecht oder im wesentlichen senkrecht zur Flugachse (ZZ')des Luftfahrzeuges liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise auf dem Luftfahrzeug (2) angebrachte Vergleichseinrichtung(20) den von dem Rechner (15) bestimmten augenblicklichen Anfangskurs (Ct) mit dem Kurs (Cd) vergleicht, der im selben Augenblick von einem Kurszeiger (18) des Luftfahrzeuges (2) geliefert wird, und daß der von der Vergleichseinrichtung (20) ermittslte Unterschied (ε) zwischen den beiden Augenblickskursen (Ct und Cd) als Korrektur für die Neueinstellung des Navigationssystems des Luftfahrzeuges (2) auf den von der Triangulationsvorrichtung vorgegebenen Anfangskurs verwendet wird.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Genauigkeit mehrere aufeinanderfolgende Messungen für verschiedene Stellungen des sich in Bewegung befindlichen Luftfahrzeuges durchgeführt und aufeinander folgende Anfangskurse bestimmt werden, daß die Vergleichseinrichtung (20) jeden augenblicklichen Anfangskurs mit jedem Flugzeugkurs vergleicht, der jeweils im selben Augenblick vom Kurszeiger (18) des Luftfahrzeuges (2) geliefert wird, und daß ein Rechenglied (23) den arithmetischen Mittelwert aller Unterschiede (ε) zwischen jedem Anfangskurs und jedem gleichzeitigen Flugzeugkurs errechnet, wobei dieser arithmetische Mittelwert als Korrektur verwendet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Anfangskurses des sich auf einer Startbahn (3) bewegenden Luftfahrzeuges (2) eines der beiden Goniometer (7,

8) auf der einen Seite, das zweite Goniometer auf der anderen Seite der Startbahn angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Goniometer (7, 8) sich in '^ gegenläufiger Richtung um ihre vertikale Achse drehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS ein Organ die Drehgeschwindigkeit eines der beiden Goniometer (7 bzw. 8) um seine vertikale Achse regelt, damit die Erfassung der Markierungen (4,5) des Luftfahrzeuges (2) durch die Goniometer (7, 8) gleichzeitig oder annäternd gleichzeitig erfolgt, wobei das Drehzahlsteuersignal die Zeitspanne sein kann, die zwischen den beiden Augenblicken verstreicht, in welchen eines der Goniometer eine der Luftfahrzeugmarkierungen und dann das andere Goniometer die andere Markierung erfaßt