DE2626043A1 - Integriertes mehrfachkommunikationssystem - Google Patents

Description

DIETiMCH LSWiNSKY

Ht»NZ-JOACHiM HUBER

REINER PRIETSCH

MÜNCHEN 21

GOTTHARDSTR-81

THOMSON-CSF, 173,Bd.Haussmann, Paris (Prankreich) Integriertes Mehrfaehkommunikationssystem

Priorität vom 10. Juni 1975 aus der französischen Patentanmeldung 75 18059

Die Erfindung betrifft ein integriertes Mehrfaehkommunikationssystem für Flugzeuge einschließlich deren Ortung untereinander und in Bezug auf den Boden, d.h. daß das System in der Lage ist, mit Bodengeräten und Bordgeräten den größten Teil des Kommunikationsverkehrs abzuwickeln, der zwischen dem Boden und Flugzeugen bzw. Luftfahrzeugen notwendig ist, und zwar in allen Phasen des Fluges einschließlich der Landung. Irr. Rahmen eines solchen Systems betrifft die Erfindung insbesondere die Funktion der gegenseitigen Ortung von Luftfahrzeugen, die auch als Antikollisionsfunktion bezeichnet wird und verwirklicht ist, ohne daß die genormten Geräte des Systems abgeändert werden müßten.

Bei einem von der Anmelderin bereits vorgeschlagenen, integrierten System beruht die Antikollisionsfunktion auf der Messung der Entfernung zwischen Luftfahrzeugen und der Annäherungsgeschwindigkeit. Zu diesem Zweck sendet jedes Luftfahrzeug zyklisch eine Nachricht aus und empfängt die Sendungen der anderen Luftfahrzeuge.

Jedoch ist die auf diese Weise verwirklichte Antikollisionsfunktion nicht vollständig befriedigend in dem Sinne, daß das Alarmkriterium entsprechend dem minimal zulässigen Wert der Annäherungszeit von zwei Luftfahrzeugen gleich dem Verhältnis der Entfernung zwischen ihnen und der Änderung dieser Entfernung im

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Verlauf aufeinanderfolgender Wiederholperioden oder Wiederkehren nicht mit ausreichender Genauigkeit ermittelt wird und zu einer relativ hohen Zahl von Fehlalarmen führt.

Mit der Erfindung ist angestrebt, die Gesamtgenauigkeit der Antikollisionsfunktion oder des Äntikollisionsverfahrens dadurch zu verbessern, daß ab dem Zeitpunkt der Kenntnis des Minimalwertes der Annäherungszeit die sogenannte Begegnungs- oder Passier-entfernung der zwei Luftfahrzeuge bestimmt wird, und zwar durch Er-' richtung und Benutzung einer bilateralen Kommunikation zwischen diesen beiden betrachteten Luftfahrzeugen. Mittels dieser bilateralen Verbindungen, die mit Hilfe des Sender/Empfängerr-Systems an Bord der Luftfahrzeuge errichtet und in dem integrierten Mehrfachkommunikationssystem verwendet werden, wird an Bord der betreffenden Luftfahrzeuge systematisch deren gegenseitige Position und die Änderung dieser Position bestimmt.

Dieses Antikollisionsverfahren ist im Rahmen des integrierten Systems dadurch möglich, daß eine rasche Kommunikationsverbindung von einem Flugzeug aus gewissermaßen im wahlfreien Zugriff mit dem- oder denjenigen Flugzeugen hergestellt werden kann, die eventuell eine Kollisionsgefahr heraufbeschwören.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 a ein Schemadiagramm der zyklischen, synchronisierten Sendungen von Luftfahrzeugen,

Fig. 1 b den Aufbau einer Nachricht im Sendeverfahren der Fig. 1 a,

Fig. 2 a das Schemadiagramm der Sendungen der Luftfahrzeuge im Abfrage/ Antwort-betrieb,

Fig. 2 b den Aufbau einer Nachricht bei dem Verfahren der Fig. 2 a,

Fig. 3 a ein Schema der Relativpositionen von zwei Flugzeugen zueinander, -^-

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Pig. 3 b die Kurve der Relativgeschwindigkeit der Flugzeuge,

Fig. 3 c die Kurve der Relativbeschleunigung der Flugzeuge und

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Bordausrüstung eines Flugzeuges.

Bei einem integrierten Mehrfachkommunikationssysteni erscheint es rationell und logisch, daß die größte Zahl der Funktionen, die im weitesten Sinn den Flug des Luftfahrzeuges unterstützen, erfüllt werden kann, ohne daß es notwendig ist, Spezialgeräte zu benutzen.

Das von der Anmelderin bereits vorgeschlagene integrierte System ist in der Lage, alle Funktionen zur Unterstützung des Fluges eines Luftfahrzeuges zu übernehmen, die gegenwärtig ins Auge gefaßt sind. Eine Funktion wird jedoch nicht so befriedigend erfüllt, wie es wünschenswert wäre, nämlich die Antikollisionsfunktion, die erst ääan als befriedigend arbeitend anzusehen ist, wenn man den Punkt der wahrscheinlichen Kollision von zwei Luftfahrzeugen mit solcher Genauigkeit kennt, daß Ausweichmanöver an Bord der betreffenden Luftfahrzeuge nicht schon dann ausgelöst werden, wenn noch keine unmittelbare Gefahr droht.

Gegenwärtig wird die Antikollisionsfunktion an Bord von Luftfahrzeugen in Form eines Systems verwirklicht, das auf zyklischen, synchronisierten Sendungen beruht, die in Zeitintervallen stattfinden, die jedem Luftfahrzeug zugewiesen sind und eine mit der Wiederholperiode oder Wiederkehr verknüpfte Frequenz besitzen. An Bord jedes Luftfahrzeuges wird die Annäherungsgeschwindigkeit durch Messung der Dopplerfrequenz und die Entfernung zwischen den Luftfahrzeugen durch Bestimmung des Zeitpunktes des Empfangs der Nachricht des anderen Luftfahrzeuges ermittelt. Hieraus wird das Alarmkriterium abgeleitet, d.h. der Zeitpunkt, zu dem die Gefahr einer Kollision so groß geworden ist, daß ein Eingreifen erforderlich ist, wobei das Alarmkriterium der Minimalwert der Zeit bis

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zur Begegnung der Luftfahrzeuge, kurz der Treffzeit {X - D/V) ist, die wiederum das Verhältnis aus der Entfernung D der Luftfahrzeuge und der Änderung V dieser Entfernung im Verlauf aufeinanderfolgender Wiederholperioden ist.

Jedoch führt die Verwendung dieses einzigen Kriteriums zu einer relativ hohen Zähl von Fehlalarmen, da die Messung der Dopplerfrequenz wenig genau ist und über eine große Stabilität hinaus zusätzlich eine große Stabilität der Synchronisation voraussetzt. Die Annäherungsgeschwindigkeit ist folglich mit nur geringer Genauigkeit bekannt.

Nach der Erfindung wird die tatsächliche Passierentfernung bestimmt, d.h. in Wirklichkeit die Entfernung, die zwischen den zwei betreffenden Luftfahrzeugen existiert, die ihren Flugbahnen in Richtung auf den künftigen Kollisionspunkt folgen. Die Ausweichmanöver werden ausgelöst, wenn diese Passierentfernung den Wert der sogenannten Sicherheitsentfernung erreicht hat, unterhalb derer die Kollision nicht mehr vermieden werden könnte.

Nach der Erfindung wird der an Bord errechnete Minimalwert der entsprechend den vorstehenden Ausführungen ermittelten Annäherungszeit nicht zur Auslösung eines Kollisionsgefahralarmes benutzt, sondern zur Auslösung eines anderen Schätzungsverfahrens, das das erste vervollständigt. Dieses zweite Verfahren beruht auf der Errichtung bilateraler Verbindungen mit großer Abfragehäufigkeit zwischen zwei Luftfahrzeugen, die nach dem Abfrage/Antwort-Verfahren ablaufen und die im Rahmen des integrierten Mehrfachkommunikat ions syst ems mit Leichtigkeit zwischen zwei Luftfahrzeugen hergestellt werden können, die sich innerhalb der gegenseitigen Gerätereichweite befinden.

Figur 1 a zeigt den Aufbau der zyklischen synchronisierten Sendungen, deren Sendefrequenz in jeder Wiederholperiode geändert wird.

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Die Wiederholperioden sind durch die Zeitpunkte markiert, in denen die Synchronisierspitzen, nämlich TO, TO + 1, TO + 2 usw. gesendet werden. Beispielsweise beträgt die Dauer der Wiederholperiode oder Wiederkehr 1,5 ms. Während der ersten Wiederkehr wird auf der Frequenz f 1 von einem Plugzeug A 1 gesendet, während der zweiten Wiederkehr auf der Frequenz f 2 von einem Flugzeug A 2 usw. und diese Sendungen wiederholen sich in derselben Reihenfolge ab der fünften Wiederkehr. Beispielsweise beträgt die Sendedauer eines Luftfahrzeuges 3 Sekunden oder 2000 Wiederholperioden.

Figur 1 b veranschaulicht den Aufbau einer bei jeder Wiederkehr von einem Luftfahrzeug gesendeten Nachricht.

Zwischen A und B wird der Teil gesendet, der in dem integrierten Mehrfachkommunikationssystem das "Vorwort" genannt wird und die Akquisitionsinformation und die Entfernungssynchronisation enthält; zwischen B und C wird der exakte Träger, der zur Messung der Geschwindigkeit des Luftfahrzeuges dient, gesendet; zwischen C und D seine Identität; zwischen D und E sein Empfangscode; zwischen E und F die Höheninformation; zwischen F und G die Kursinformation; zwischen G und H die Steig- oder Sinkgeschwindigkeit; zwischen H und I die Synchronisation; der Rist der Wiederkehr, nämlich zwischen I und J entspricht der Laufzeit der Nachricht.

Wie bereits gesagt, erlauben diese Sendungen die Bestimmung der Annäherungszeit t - D/V zwischen Luftfahrzeugen, deren Minimalwert den Alarm für die Gefahr einer künftigen Kollision auslöst. Das Bezugszeichen D entspricht der Entfernung zwischen den Luftfahrzeugen A 1 und A 2, wie dies in Figur 3 a veranschaulicht ist, wo die Relativposition von zwei im Verlauf des ersten Teils des Verfahrens festgestellten Luftfahrzeugen dargestellt ist; V ist die durch die Auswertung der Dopplerfrequenz bestimmte Annäherungsgeschwindigkeit. In der Figur 3 a ist auch die Relativgeschwindigkeit Vr auf der Flugbahn des Flugzeuges A 2 in Richtung der Flugbahn des anderen Flugzeuges A 1 dargestellt. Der Kreu-

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zungspunkt C dieser beiden Plugbahnen legt die Entfernung d, die sogenannte Passierentfernung zwischen den zwei Plugzeugen fest, die gemäß der Erfindung ab dem Moment ermittelt wird, wo der Kollisionsgefahralarm gegeben wird und die größer als ein Grenzwert entsprechend der minimal zulässigen Sicherheitsentfernung bleiben muß.

Figur 2 zeigt in schematischer Porin, wie sich der Informationsaustausch zwischen zwei Plugseugen gestaltet, der die Ermittlung dieser Passierentfernung gestattet. Diese Ermittlung folgt der Herstellung der bilateralen Verbindungen zwischen den Luftfahrzeugen, für die Kollisxonsgefahralarm im Gefolge der zyklischen synchronisierten Sendungen gegeben wurde.

Figur 2 a zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf der Abfragezyklen I und der Antwortzyklen R zwischen zwei hier im vorstehend erläuterten Sinne betrachteten Luftfahrzeugen.

Während einer ersten Wiederkehr, die beispielsweise in der Größenordnung von 2 ms. liegen kann, fragt das Luftfahrzeug A 1 das Luftfahrzeug A 2 ab, das während der zweiten Wiederkehr antwortet usw., dies mit großer Abfragehäufigkeit bzw. schneller Abfragefolge. Man mißt somit mit großer Folgegeschwindigkeit die Ankunftszeit der Nachrichten, die es gestattet, die Entfernung zwischen den Luftfahrzeugen und anschließend die Änderung dieser Entfernung zu messen, d.h. die Annäherungsgeschwindigkeit, die demzufolge mit einer größeren Genauigkeit bekannt ist als durch die Errechnung über die Dopplerfrequenz. Der Bordrechner bestimmt anschließend die Passierentfernung zwischen den zwei Luftfahrzeugen und ihre Änderung. Für einen vorgegebenen Minimalwert werden Ausweichmanöver ausgelöst.

Figur 2 b zeigt schematisch den Text der von einem Luftfahrzeug zurückgesendeten Nachricht. Dieser Text unterscheidet sich wenig von demjenigen, der schematisch in Figur 1 b wiedergegeben ist.

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Er umfaßt ein "Vorwort" KL für die Information "Akquisition-Synchro" und einen Text LM, der die Identität, die Höhe, den Kurs, die Geschwindigkeit, die Position des Luftfahrzeuges, die Luftgeschwindigkeit und die Peststellungen enthält, die bezüglich der Annäherungsgeschwindigkeit und der Passierentfernung getroffen wurden.

Durch dieses Abfrage/Antwort-Verfahren tauschen die Luftfahrzeuge Informationen aus, die diejenigen ergänzen, die während des ersten Teils des Verfahrens erhalten wurden und die eine bessere Kenntnis der auf das jeweilige Plugzeug bezogenen Daten vermitteln. Es ist somit möglich, den Begegnungsablauf zu verfolgen und zu kontrollieren, im Bedarfsfall die Situationen der Luftfahrzeuge auf eine Karte zu übertragen, bis über den Passierpunkt in der geringsten Entfernung hinaus, folglich eine Begegnung oder auch eine Kreuzung mit aller Sicherheit abzuwickeln.

Die bilateralen Verbindungen stellen in dem Sonderfall des im Rahmen des integrierten Systems abzuwickelnden Antikollisionsverfahrens eine relativ geringe Nachrichten- bzw. Datenbelastung dar, so daß sie unter Verwendung des Zeitmultiplexverfahrens in einem Kanal gemeinsam mit einer anderen, relativ wenig Kapazität beanspruchenden Punktion, etwa der Navigationsfunktion, errichtet werden können. Jedoch ist es natürlich auch möglich, einen gesonderten Kanal hierfür vorzusehen.

Es ist natürlich der Bordsender des integrierten Mehrfunktionensystems, der verwendet wird, wobei die verschiedenen Sendungen, mit denen er belastet ist, einschließlich derjenigen der Abfrage im Fall der Antikollisionsfunktion nach dem Zeitmultiplexverfahren abgewickelt werden.

Sofern das System das S >®-Ortungsverfahren verwendet, wobei die Navigations- und KommunikationsSendungen im Verlauf ein und derselben Wiederholperiode stattfinden, wird für die AbfrageSendung

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das Zeitintervall, benutzt, das der KommunikationsSendung zugewiesen ist j jedoch mit einer Sonderkennung, um jegliche Irrtümer zu vermeiden.

Es wurde bereits erwähnt, daß Figur 3 a die Relativposition von zwei Flugzeugen darstellt, wobei auch die Passierentfernung d eingezeichnet ist, die durch folgende Gleichung gegeben ist:

2 2

cT = 1 - vf ;

2 2

hierin ist D die Entfernung zwischen den zwei Flugzeugen, V die Geschwindigkeit des Flugzeuges A 2 und Vr seine Relativgeschwindigkeit .

Figur 3 b zeigt die Relativgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Passierentfernung, d.h. die Änderung der Geschwindigkeit V im Verlauf der Wiederholperioden in einem Koordinatensystem VD, die die Errechnung des Alarmkriteriums f= D/V ermöglicht.

Figur 3 c zeigt die Relativbeschleunigung zwischen den zwei Flugzeugen, die die Errechnung der maximalen Relativbeschleunigung p

. Vr

Q max =

ermöglicht.

Man stellt fest, daß die ZeItT=DAV, die bis zur Kollision virtuell bleibt, eine Funktion der Relativgeschwindigkeit Vr zwischen den Flugzeugen 1st, aber auch im Fall keiner Kollision eine Funktion der Minimalentfernung d der Kreuzung _s in diesem Fall geht sie durch ein Minimum:

Ύ λ - -2d
L min * ^-

Auf diese Weise gestattet die Kenntnis sowohl der Annäherungszeit als auch der Passierentfernung, deren Ermittlung durch einen fest-

- 9 609852/0760

gelegten Wert der Annäherungszeit exakt ausgelöst wird, im Rahmen des integrierten Mehrfunktionensystems mit größtmöglicher Genauigkeit den optimalen Zeitpunkt vorherzusagen_s zu dem die Ausweichmaßnahmen an Bord der Luftfahrzeuge ergriffen werden müssen. Diese Kenntnis hat auch eine Verminderung der Zufallsalarme zur Folge.

Man kann auch unter Berücksichtigung des Belastungsfaktors, d.h. der Fähigkeit der Plugzeuginsassen ihnen auferlegte Ausweichmanöver auszuhalten, festlegen, unter welchen Bedingungen ein Ausweichen in der Horizontalebene vorgenommen werden kann. Bei der Genauigkeit, mit der man die Geschwindigkeit V und folglich die Zeit X und die Entfernung d ermitteln kann, kann man nämlich ohne weiteres ein Ausweichen innerhalb der Breite des Luftweges in Betracht ziehen.

Für ein Ausweichen in der vertikalen Ebene muß wegen der Notwendigkeit, die Höhe zu ändern, die Bodenüberwachung eingreifen; das Manöver darf also nicht automatisch ausgelöst werden.

Figur 4 zeigt das Blockschaltbild einer Bordausrüstung, die in der Lage ist, die bilateralen Kommunikationsverbindungen herzustellen, die die Antikollisionsfunktion in optimaler Weise gemäß der Erfindung sicherstellen.

Dabei ist festzuhalten, daß diese Geräteausrüstung ohne Änderung ihres Aufbaues in der Lage ist, die anderen Funktionen des integrierten Systems zu erfüllen.

Die Ausrüstung umfaßt zwei Sender E 1, E 2, von denen der eine aus Sicherheitsgründen redundant ist, sowie beispielsweise vier Empfänger R 1 bis R 4. Weiterhin ist ein Antennensystem An 1, An 2 (hoch/niedrig) vocgesehen, das mit einem Duplexer D verbunden ist, der als Weiche zwischen dem Sendeteil und dem Empfangsteil arbeitet. Der Sendeteil umfaßt einen Schalter C 1, der mit den bereits erwähnten Sendern E 1 und E 2 verbunden ist, von denen

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jeder über einen Schalter C 2 mit einem Pilotsender P 1, P2 verbunden ist, die ihrerseits über einen Schalter C 3 mit einer Verarbeitungs- und Speicherschaltung TM verbunden sind, die verschiedene Daten von einem Rechner OR erhält, mit dem sie im Austausch steht. Dieser Rechner OR ist es, der die im Zusammenhang mit der Beschreibung der Antikollisionsfunktion erwähnten, interessierenden Daten errechnet und der auch den automatischen übergang vom ersten Teil des Verfahrens auf den zweiten Teil festlegt.

Die Verarbeitungs- und Speicherschaltung TM ist auch mit dem Empfangsteil verbunden, der hinter dem Duplexer D einen Schalter C 4 umfaßt, der mit zwei breitbandigen Vorverstärkern PA 1 und PA 2 verbunden ist, die ihrerseits mit den Empfängern R 1 bis R 4 verbunden sind, welche mit der Verarbeitungs- und Speicherschaltung TM über einen Multiplexer MV verbunden sind. Schließlich ist in der Figur auch noch eine Taktgeberanordnung H symbolisch dargestellt.

Beschrieben wurde ein integriertes Mehrfachkommunikationssystem für den Datenverkehr und zur Ortung von Luftfahrzeugen untereinander und in Bezug auf den Boden, insbesondere die Ortungsfunktion der Luftfahrzeuge untereinander oder Antikollisionsfunktion, im Verlauf welcher eine bessere Abschätzung der notwendigen Daten zur Vermeidung einer Kollision verwirklicht wird mit Hilfe von bilateralen Verbindungen zwischen zwei sich in Kollisionsgefahr befindenden Luftfahrzeugen auf der Basis von zyklischen synchronisierten Sendungen.

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Claims (3)

PATENTANWÄLTE 26260 A3 DIETRICH LEWINSKY .^. HUiNZ-JOACHIM HUBER REINER PRIETSCH MÖNCHEN 21 GOTTHARDSTR. 81 THOMSON-CSP 10.6.1976 8962-IV/Lk Patentansprüche:

1./Integriertes Mehrfachkommunikationssystem für den Datenverkehr ^ und zur Ortung von Luftfahrzeugen untereinander und in Bezug auf den Boden, bei dem die gegenseitige Ortung von zwei Luftfahrzeugen im Sinne einer Antikollisionsfunktion ausgehend von synchronisierten, zyklischen Sendungen, die in jedem Luftfahrzeug zugewiesenen Intervallen und auf einer von der Wiederholperiode abhängigen Frequenz stattfinden, verwirklicht ist und die Bestimmung einer Treffzeit als Verhältnis der Entfernung zwischen zwei Luftfahrzeugen zu deren Änderung durch Messung der Dopplergeschwindigkeit im Verlauf aufeinanderfolgender Wiederholperioden gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Treffzeit zwischen zwei Luftfahrzeugen, die einen kollisionsgefahrbedeutenden, kritischen Wert erreicht, eine zweiseitige Kommunikationsverbindung mit hoher Taktfolge zwischen diesen beiden Luftfahrzeugen errichtet wird und zwar nach dem Prinzip der Abfrage, gefolgt von einer Antwort, gemäß dem Zeitmultiplexverfahren für die Sendung, wobei an Bord der Zeitpunkt des Eintreffens einer Nachricht gemessen wird, und es erlaubt, mit hoher Taktfolge die Entfernung zwischen den Luftfahrzeugen und ihre Änderung oder die Annäherungsgeschwindigkeit festzustellen, dann die Passierentfernung zwischen den zwei Luftfahrzeugen zu errechnen, gemäß

d² - D² (1 - ^₂) Vr

■tfrorin D die Entfernung zwischen den Luftfahrzeugen, Vr die

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Relativgeschwindigkeit und V die zeitliche Änderung dieser Entfernung D sind, und die Ausweichmanöver für einen vorbestimmten Minimalwert dieser Passierentfernung ausgeführt werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachrichten- oder Datenaustausch im Verlauf der bilateralen Verbindung gemeinsam in einem der Navigationsfunktion zugewiesenen Kanal erfolgt oder auf einem besonderen Kanal.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrage/Antwort-Sendungen das Zeitintervall benutzen, dafc der Sendung einer Kommunikationsnachricht zugewiesen ist, die mit derselben Wiederkehr wie die Sendung stattfindet und daß die Sendung z.B. von Navigationsnachrichten mit einer Nummer besonderer Art bezeichnet ist, die es gestattet, für die Antikollisionsfunktion auf einen anderen Kanal überzugehen.

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