DE2648693A1

DE2648693A1 - Messanordnung zur geschwindigkeitsmessung eines luftfahrzeugs

Info

Publication number: DE2648693A1
Application number: DE19762648693
Authority: DE
Inventors: Eberhard Graewe; Siegfried Krajewski
Original assignee: Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-10-27
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1978-05-03
Also published as: US4143548A; DE2648693C2; GB1571141A

Description

7623-25 Bi-fc.-se.i, de/» 15· Ckt. 1975

Sm/Bw

Vereinigte Flugtechnische Verke-Fokker Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Meßanordnung zur Geschwindigkeitsmessung eines Luftfahrzeuges

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum Messen der Geschwindigkeit eines Luftfahrzeuges mit einem Ultraschallsender, zwei in Richtung der Luftfahrzeuglängsachse mit gleichem Abstand zum Sender angeordneten Ultraschallempfängern und einer Auswerteschaltung, welche die Geschwindigkeit aufgrund des durch die Luftströmung entstehenden Laufzeitunterschiedes der Ultraschallsignale ermittelt.

Zur Geschwindigkeitsmessung von Luftfahrzeugen ist .es allgemein bekannt, Ultraschallgeräte zu benutzen. In der Regel wird dazu ein Ultraschallsender am Luftfahrzeug angeordnet, der Ultraschallsignale in Flugrichtung und Gegenrichtung Über gleich große Meßstrecken abstrahlt. Die Laufzeiten der mit Empfängern am Ende der Meßstrecken empfangenen Ultraschallsignale unterscheiden sich dann aufgrund der Luftströmung, und zwar je nach dem, ob die Luftströmung gleich oder entgegen gesetzt zur Richtung der Schallausbreitung erfolgt. Aus den Unterschieden der Laufzeiten kann dann in bekannter Weise mit Hilfe einer Auswerteschaltung die Geschwindigkeit · des Luftfahrzeuges ermittelt werden.

Es ist üblich, den Ultraschall in Form von Impulsen auszusenden, da mit diesem Verfahren im allgemeinen eine hinreichend genaue Laufzeitmessung möglich ist. Dies gilt insbesondere zur Messung relativ hoher Geschwindigkeiten, bei denen die Einschwingvorgänge von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger das Meßergebnis praktisch nicht beeinflussen. Bei

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kleinen und mittleren Fluggeschwindigkeiten, wie sie insbesondere beim Schwebeflug senkrecht startender bzw. landender Luftfahrzeuge vorkommen, ergeben sich aber aufgrund dieser Einschwingvorgänge relativ große Ungenauigkeiten. Da diese Ungenauigkeiten die Größenordnung von 20 % erreichen können, wird dieses Meßprinzip insbesondere zur Geschwindigkeitsmessung senkrecht startender und landender Luftfahrzeuge als nicht geeignet angesehen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallmeßanordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Luftfahrzeugen vorzusehen, die in der Lage ist, sowohl Messungen sehr kleiner als auch sehr großer Geschwindigkeiten mit großer Genauigkeit durchzuführen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ultraschallsender kontinuierlich frequenzmodulierte Ultraschallsignale abstrahlt und die Laufzeitunterschiede von den Phasenwinkeln der durch Demodulation der empfangenen Ultraschallsignale wiedergewonnenen Modulationssignale abgeleitet sind, und daß die Frequenz des Modulationssignals auf einen Wert eingestellt ist, bei dem die Wellenlänge größer ist, vorzugsweise doppelt so groß als der Abstand zwischen Sender und Empfänger.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es möglich, eine Meßanordnung aufzubauen, die es gestattet, Geschwindigkeitsmessungen von Luftfahrzeugen von einigen Zentimetern pro Sekunde bis zu einigen hundert Metern pro Sekunde mit großer Genauigkeit zu messen. Dabei kann die erfindungsgemäße Meßanordnung zwei weitere senkrecht zur Längsachse mit gleichem Senderabstand am Luftfahrzeug angeordnete Ultraschallempfänger aufweisen, deren Ausgangssignale zusammen mit den Ausgangssignalen der in der Längsachse des Luftfahrzeuges angeordneten Ultraschall» empfängern einer Rechenstufe der Auswerteschaltung zur Ermittlung der Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung zugeführt sind.

Die Umschaltung auf verschiedene Meßbereiche wird zweckmäßigerweise durch gleichzeitige Modulation des abgestrahlten Ultraschalls mit Modulationssignalen verschiedener Frequenzen duchgeführt, wobei durch entsprechende Filterunschaltung in den Ultraachallempfängern das dem jeweiligen Meßbereich zugeordnete Modulationssignal ausfilterbar ist.

809818/0127 .₃.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßanordnung Fig. 2 ein Diagramm und

Fig. 3 die räumliche Anordnung eines Ultraschallsenders und vier Ultraschallempfänger an einem Luftfahrzeug.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßanordnung zu sehen, bei der ein Ultraschallsender 10 frequenzmodulierte Ultraschallsignale abstrahlt. Dazu wird der Ultraschallsender 10 mit Modulationssignalen eines Signalgenerators 11 versorgt, der die Modulationssignale gleichzeitig auch einer Auswerteschaltung 12 zuführt. Die Abstrahlung der Ultraschallsignale vom Ultraschallsender 10 erfolgt in Flugrichtung und Gegenrichtung eines damit ausgerüsteten Luftfahrzeuges, an dem in den. Abständen S^ und S2 je ein Ultraschallempfänger 13, l4 angeordnet ist. Jeder Ultraschallempfänger besteht aus einer Eir.pfangsstufe 15, der jeweils ein Verstärker l6, ein Demodulator 17 und ein Filter 18 nachgeschaltet ist. Die Ausgangssignale der Ultraschallempfänger 13, l4 stehen an den Filtern l8 zur Verfügung und werden von dort der Auswerteschaltung 12 zugeführt. Die Umschalter 19 an den Filtern und der Umschalter 20 in der Auswerteschaltung 12 sind zur Einstellung verschiedener Meßbereiche vorgesehen und werden gemeinsam verstellt. Zur Vermeidung von Einschwingvorgängen, die bei der Umschaltung auf die dem jeweiligen Meßbereich zugeordnete Modulationsfrequenz sonst entstehen würden, wird die Trägerfrequenz des Ultraschallsenders 10 gleichzeitig mit drei Modulationsfrequenzen des Signalgenerators 11 moduliert. Die eigentliche Umschaltung auf die jeweiligen Meßbereiche erfolgt durch Umschaltung der Filter l8 mit Hilfe der Umschalter 19 sowie durch Umschaltung der Auswerteschaltung 12 mit dem Umschalter 20. Es ist aber auch möglich, die Umschaltung automatisch durchzuführen, und zwar in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitssignal der Auswerteschaltung 12.

In der Auswerteschaltung wird ein Vergleich der Phasen der empfangenen und demodulierten Modulationssignale zur Ermittlung der Laufzeitunter-

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schiede der mit den Ultraschallempfängern 13, l4 empfangenen Ultraschallsignale durchgeführt. Wie aus dem Verlauf der Kurvenzüge 25, 26 in Fig. 2 zu ersehen ist, haben die demodulierten Modulationssignale die gleiche Phasenlage, was bedeutet, daß die Laufzeiten t_v der Ultraschallsignale über die Strecken Sj, S₂ gleich groß sind. Da aber die Strecken S₁, S₂ aus Zweckmäßigkeitsgründen gleich groß gewählt werden, bedeutet dies eine Geschwindigkeit von Null. Dies wird auch durch die bekannte Formel

2 \, t_vl t_v2

belegt, welche der Geschwindigkeitsermittlung zugrunde liegt. In der Auswerteschaltung 12 gemäß Fig. 1 sind entsprechende Schaltstufen vorgesehen, sodaß nach Ermittlung der Laufzeiten t_v die Geschwindigkeit als entsprechendes Signal ausgegeben wird. Unterscheiden sich aber aufgrund einer durch die Bewegung des Luftfahrzeuges hervorgerufenen Strömung die Phasenwinkel Ϋ" der demodulierten. Modulationssignale, dann wirkt sich dies, wie die Kurvenzüge 25' bzw. 26' zeigen, auch in unterschiedlichen Laufzeiten t_v' aus. Die Ermittlung der Geschwindigkeit in der Auswertestufe 12 ergibt sich jetzt mit

Aus dieser Formel kann man sofort erkennen, daß sich für die Geschwindigkeit ν ein positiver Wert ergibt, da der Wert des Bruches

tvl¹

1 ist. Daraus folgt, die Geschwindigkeit ν wird vorzeichenrichtig

ermittelt, denn wenn <C 1 wird, ergibt sich für ν ein nega-

t_vli χ t_v2'

tiver Wert, was in diesem Fall bedeutet, daß die Flugbewegung in entgegengesetzter Richtung erfolgt.

Die einzelnen Baustufen der erfindungsgemäßen Meßanordnung nach Fig. 1 wie Sender, Empfänger, Verstärker, Demodulator und Filter sind bekannte Baustufen und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung. Aus Fig. 2 ist dabei zu erkennen, daß die Frequenz des Modulntionssignals so gewählt ist, daß die Bedingung \ 7 ,£ erfüllt ist.

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Fig. 2 zeigt darüberhinaus, daß die Wellenlänge ^ des Modulationssignals so gewählt wurde, daß ^=S ist. Auf diese Weise werden bei

der Laufzeitmessung gemäß der Erfindung vieldeutige Meßergebnisse vermieden, wobei noch zu erwähnen ist, daß die Meßbereichsumschaltung vor erreichen eines Phasenwinkels von 36O⁰ vorgenommen wird. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Meßanordnung kann auch mit bekannten digitalen Bausteinen verwirklicht werden. Zur Erzielung einwandfreier Meßergebnisse ist es dabei natürlich zweckmäßig, die Trägerfrequenz des Ultraschallsenders und den Modulationshub, für den die Amplitude der Modulationssignale verantwortlich ist, in einen Bereich zu legen, der insbesondere frei von Störungen aufgrund von Triebwerkslärm der Luftfahrzeuge ist.

Fig. 3 zeigt die räumliche Anordnung eines Ultraschallsenders JO und vier Ultraschallempfänger 31» 32, 33t 3^ einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, die an einem Luftfahrzeug zur Messung der Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung vorgesehen ist. Der Ultraschallsender 30 hat eine Rundumcharakteristik, sodaß die mit gleichem Abstand in der Längsachse 35 des Luftfahrzeuges bzw. senkrecht dazu angeordneten Ultraschallempfänger 31» 32, 33» 3** von diesem Sender angestrahlt werden. Erfolgt die Bewegung eines Luftfahrzeuges zum Beispiel im Schwebeflug nicht in Richtung der Flugzeuglängsachse 35» sondern unter dem angegebenen Winkel /3 ,so kann diese Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung ermittelt werden. Der Geschwindigkeitsvektor y wird dazu in seine Komponenten ν_χ und Vy zerlegt, die in Richtung der Flugzeuglängsachse 35 bzw. senkrecht dazu auftreten. Da die Abstände Sj, S2, S* und S^, wie zuvor schon erwähnt, gleich groß sind und die Laufzeiten t_vj, t_v2> t_vo, t_y^ auf die gleiche Art wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfaßt werden, können die Komponenten V_x und v_y in einer Rechenstufe einer Auswerteschaltung errechnet werden. Es ergibt sich v_x = ν - cosß = 1 (^- - |2 ] . § (L- - f- I und

^x ' 2 ^t_vl t_v2// 2 ^t_vl t_v2y

. /J 1 IS-, SL \ S /l 1 )

v_y = ν - sm£ = - (-2- - -L.J - _Έ (T^ - _tkJ

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Aus diesen Verten kann die Geschwindigkeit ν wie folgt in einer weiteren Rechenstufe ermittelt werden:

ν = Tiv · cosß )² ♦ Xv · sinjS)²

Der Winkel A ergibt sich dann zu ß = arc tan f —' ·——i? /

Z*-¹ ? \ ν · cosßj

Die erfindungsgemäße Meßanordnung zeichnet sich durch eine sehr genaue Messung der Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen aus, und zwar im Bereich von einigen Zentimetern pro Sekunde bis einige hundert Meter pro Sekunde. Dabei können neben den üblicherweise vorgesehenen zwei Ultraschallempfängern gemäß Fig- 3 zwei weitere Ultraschallempfänger vorgesehen werden 1 sodaß es insbesondere für Luftfahrzeuge im Schvebeflug möglich ist, die Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung .zu ermitteln.

Patentansprüche

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Claims

-τ- Patentansprüche

1. Meßanordnung zum Messen der Geschwindigkeit

eines Luftfahrzeuges mit einem Ultraschallsendery zwei in Richtung der Luftfahrzeuglängsachse mit gleichem Abstand zum Sender angeordneten Ultraschallempfängern und einer Auswerteschaltung, welche die Geschwindigkeit aufgrund des durch die Luftströmung entstehenden Laufzeitunterschiedes der Ultraschallsignale ermittelt, dadurch g e k e η η Be i chne t, daß der Ultraschallsender (lOj 30) kontinuierlich frequenzmodulierte Ultraschallsignale abstrahlt und die Laufzeiten (t_v) von den Phasenwinkeln ( iß) der durch Demodulation der empfangenen Ultraschallsignale wieder gewonnenen Modulationssignale abgeleitet sind, und daß die Frequenz des Modulationssignals auf einen Wert eingestellt ist, bei dem die "Wellenlänge (A) größer ist, vorzugsweise doppelt so groß, als der Abstand (S) zwischen Sender und Empfänger.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung zwei weitere senkrecht zur Längsachse (35) mit gleichem Senderabstand (S) am Luftfahrzeug angeordnete Ultraschallempfänger (33t 3^) aufweist, deren Ausgangssignale zusammen mit den Ausgangssignalen der in der Längsachse (35) des Luftfahrzeuges angeordneten Ultraschallempfängern (31, 32) einer Rechenstufe der Auswerteschaltung zur Ermittlung der Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung zugeführt sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß zur Umschaltung des Meßbereichs die abgestrahlten Ultraschallsignale gleichzeitig mit Modulationssignalen verschiedener Frequenzen frequenzmoduliert sind, und daß die Ultraschall empfänger (l3, l4) Filter (l8) enthalten, die zur Selektion der dom jeweiligen Meßbereich zugeordneten Modulationsfrequenz umschaltbar sind.

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4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenz und der Modulationshub der Ultraschallsender (lO, JO) insbesondere wegen des Lärms der Flugzeugtriebwerke derart gewählt sind, daß ein hinreichender Signal- Rauschabstand gewährleistet ist.

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