DE3340374C2 - Verfahren zur Messung der Gravitation in einem vorgegebenen Gebiet aus der Luft - Google Patents

Verfahren zur Messung der Gravitation in einem vorgegebenen Gebiet aus der Luft

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Gravitation in einem vorgegebenen Gebiet aus der Luft.
Die Verwendung von Luftfahrzeugen zur Gravitationsmes­ sung ist beispielsweise in Reviews of Geophysics, Bd. 5, Nr. 4, November 1967, S. 477-526, veröffentlicht von The American Geophysical Union of 2000 Florida Avenue, N.W., Washington, D.C. 20009, beschrieben, wobei auf S. 520-524 auf Luftfahrzeuge mit feststehenden Flügeln Be­ zug genommen wird.
Die Gravitationsmessung mittels Hubschraubern kann dem Aufsatz beginnend aus S. 1-1 der "Airborne Gravity Surveying, Technical Information", veröffentlicht von Carson Geoscience, Perkasie, Pennsylvania, März 1981, entnommen werden.
Verschiedene Patente befassen sich mit Geräten zur Gra­ vitationsmessung. In den US-Patentschriften 3 011 347, 3 038 338, 3 180 151, 3 447 293 sowie in der kanadischen Patentschrift 652 757 sind Instrumente zur Gravitations­ messung bzw. zur Messung von Gravitationsableitungen des Erdgravitationsfeldes beschrieben.
Die US-Patentschriften 2 293 437, 2 377 889, 2 964 948, 2 977 799 (La Coste), 2 626 525, 2 674 887, 3 211 003, 3 019 655, 3 033 037, 3 062 051, 3 194 075, 3 495 460, 3 501 958, 3 546 943 und 3 583 225 betreffen Gravita­ tionsmesser bzw. Gravitationsdrehwaagen, jedoch keine praktischen Systeme zur genauen Vermessung der Gravita­ tion mit Luftfahrzeugen.
Die US-Patentschriften 2 610 226, 2 611 802 und 2 611 803 betreffen Verfahren und Geräte zur Durchfüh­ rung von Messungen bzw. Vermessungen für geophysikali­ sche oder magnetische Forschungen; die Gravitationsmes­ sung mit Luftfahrzeugen wird aber dabei weder erörtert noch behandelt.
Aus der DE-OS 22 28 911 sind mathematische Verfahren zur Auswertung bereits gewonnener Navigations- und Gravita­ tionsdaten bekannt.
Sämtlich bisher gemachte Vorschläge zur Gravitations­ messung aus der Luft haben den Nachteil gemeinsam, keine genauen Meßergebnisse zu erbringen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Gravitation aus der Luft mit hoher Präzision ermittelt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des An­ spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung basiert mit anderen Worten auf der Er­ kenntnis, daß präzise Gravitationsdaten aus der Luft nur dann ermittelt werden können, wenn die Flugbahn des Luftfahrzeugs mit relativ hoher Genauigkeit auf der Grundlage eines Koordinatengitters des auszumessenden Gebietes eingehalten wird und wenn die Daten über den Ort des Luftfahrzeugs, das das erdmagnetische Feld und die Gravitation im Sekundentakt erfaßt, zur präzisen Aus­ wertung digital abgespeichert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild des Verfahrensab­ laufs zur Messung der Gravitation in einem vorgegebenen Gebiet aus der Luft.
Bezugnehmend auf die Figur ist festzustellen, daß jedes geeignete Luftfahrzeug Verwendung finden kann: ein Flugzeug mit feststehenden Flügeln, ein Luftfahrzeug, das leichter als die Luft ist, und Hubschrauber.
Wird ein Hubschrauber als Luftfahrzeug verwendet, so ist ein geeigneter Hubschrauber mit internen Treibstoffbehältern mit einem Fassungsver­ mögen für eine Flugzeit bis etwa 8 Stunden bevorzugt.
Der Hubschrauber hat vorzugsweise eine speziell abge­ stimmte automatische Flugsteueranlage unter Verwendung des sog. collective lift zur Steuerung der Vertikal­ bewegung des Flugzeuges während des Fluges ohne Änderung der Längsneigung, also des Anstellwinkels.
Für jedes Luftfahrzeug ist wesentlich, daß es eine Flug­ steueranlage zur Steuerung der Vertikalbewegung des Luft­ fahrzeuges im Flug, vorzugsweise zur Begrenzung des Höhenänderungs­ bereichs auf ±10 Fuß (±3,3 m) in dreißig Sekunden gegenüber einer vorgegebenen Höhe hat.
Vorzugsweise wird im Luftfahrzeug eine abgeschlossene Kammer verwendet, welche auf stabiler Temperatur und vorzugs­ weise in sauberer Umgebung gehalten wird.
Die kombinierte Verwendung einer Trägheitsnavigation und elektronischer Anlage zur Entfernungsmessung gewährleistet für den Luftfahrzeugpiloten eine kontinuierliche Überwachung, Kontrolle und Steuerung der geographischen Breite, Länge und der Fluggeschwindigkeit. Dieses Gesamtnavigations­ paket erlaubt die Einhaltung der Fluggeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von ±2,5 Knoten und des vorbestimmten Flugweges mit einer Genauigkeit von einigen hundert Metern.
Bei Verwendung eines Hubschraubers werden die Rotor­ blätter zur Erzielung eines gleichmäßigen Fluges mechanisch sauber geführt und ausgerichtet.
Eine Sonde zum Messen des statischen Luftdruckes, nicht jedoch des Staudruckes ist als Hilfsmittel zum Messen der Flughöhe des Luftfahrzeuges vorgesehen und derart angeordnet, daß nur der statische Luftdruck gemessen wird, wobei die Sonde bei Hubschraubern vor dem Hubschrauber oder einige Fuß über dem Hubschrauber oder oberhalb der Rotorblätter in deren Drehzentrum einziehbar angeordnet ist. Diese Sonde ist mit der Umgebungskammer verbunden.
Zur Bestimmung der Flughöhe des Luftfahrzeuges ist eine Kombination aus Radar- oder Laser- oder empfindlichen Druckmessungen zur Bestimmung der Flughöhe bis zu inner­ halb von zehn Fuß vorgesehen. Geeignete Radargeräte und geeignete Lasergeräte sind am Markt erhältlich.
Geeignete Geräte zur Messung des absoluten Druckes sind ebenfalls am Markt erhältlich.
Relativmessungen der Flughöhe werden mit einer Genauig­ keit von bis zu 0,5 Fuß (16,5 cm) gemacht und registriert.
Es gibt zwei Arten von Druckhöhenmessern. Der eine ist ein Absolutwertmesser, der den Druck und die Druckänderun­ gen der Atmosphäre mißt. Am Boden stationierte absolute Höhenmesser registrieren die Veränderungen in Bodenhöhe, wobei alle diese Messungen zur Feststellung und Aufzeichnung von Druckoberflächenveränderungen im Meßbe­ reich kombiniert werden.
Der zweite weist zwei Zweirichtungstransduktoren bzw. Druck-Meßwertwandler mit engem Meßbereich auf, die in der Umgebungskammer temperaturstabilisiert sind und zur Messung und Aufzeichnung von kleinen Veränderungen der Flughöhe verwendet werden. Solche Wandler sind am Markt erhältlich. Für diese Meßinstrumente ist eine turbulenzfreie Druckluft liefernde Luftdruckquelle in Form der Drucksonde vorge­ sehen, die jedoch zum Messen des statischen Luftdruckes, nicht jedoch des Staudruckes ausgebildet ist.
Zur Erzielung einer Aufzeichnung der gesammelten Daten werden alle Daten im Abstand von einer Sekunde oder in einem anderen gewünschten Abstand auf Magnetband aufge­ zeichnet. In allen Analogdatenkanälen wird mit einer Empfindlichkeit der Größenordnung von 0,0001 Volt aufgezeichnet. Ein geeignetes Aufzeichnungsgerät ist am Markt erhältlich. Nach der Aufzeichnung auf Band wird die Information über einen Papierband­ schreiber ausgelesen. Auch ein am Markt erhältliches Digitalvoltmeter ist als Sichtkontrollgerät zur Überwachung jedes beliebi­ gen Datenkanals vorgesehen.
Zur Steuerung und Kontrolle der Navigation des Luft­ fahrzeuges kann eine auf Sicht bzw. mit Visierlinien arbeitende elektronische Entfernungsmeßanlage verwendet werden, die mit mehreren Bodenstationen zusammenarbeitet und ebenfalls am Markt erhältlich ist.
Eine andere Anlage zur Steuerung der Navigation des Luft­ fahrzeuges ist als SERIES Satelite Emission Radio bekannt, am Markt erhältlich und im Third Annual NASA Program Review, Crustal Dynamics Project, Geodynamics Research, January 26-29, 1981, Goddard Space Flight Center beschrieben. Ein Beispiel dieser Anlage ist zudem in der US-Patentschrift 4 170 776 gezeigt. Das in dieser Patent­ schrift erkannte Ikonosphäreneichproblem wird von einer neuen Technik erfolgreich berücksichtigt, die als Satellite L-band Iconospheric Calibration (SLIC) bezeichnet wird und die Fähigkeit einer einzigen SERIES-Station zur Ableitung des gesamten Elektronensäuleninhalts bzw. -gehalts durch die Kreuzkorrelation der beiden Rundfunkkanäle des Globular Positioning Systems (GPS) hat. Ein bedeutender zusätzlicher Datentyp ist ein Doppler-Gerät mit einer effektiven Wellenlänge von 86 cm.
Ein Gittermusterbild aus gleichmäßig im Abstand voneinan­ der befindlichen Linien in zwei Richtungen wird gewählt, um zu ermöglichen, daß eine mehrfache Anzahl von Über­ schneidungen, welche für alle von dem Luftfahrzeug durchzuführenden Messungen Meßpunkte festlegen, statt­ finden. Diese Linien können Eichinformationen, Geräteveri­ fizierungen und Datengültigkeitskennzeichnungen aufzei­ gen, wobei jede dieser Linien mit entlang derselben befindlichen und wie nachfolgend ausgeführt aufgezeich­ neten Daten zu befliegen ist.
Jede Bodenstation ist an einem genauen geodätischen Markierungsfunkfeuerplatte angeordnet, der unter Verwen­ dung des Navy transit satellite system in der Betriebs­ art "Translocation" mit einer ausgezeichneten statisti­ schen Stichprobenmessung guter Winkeldurchläufe zur Berechnung einer Position bis auf weniger als 1 Meter hinsichtlich Breite, Länge und Höhe bestimmt wird.
Jeder der Transponder, die jeweils an jeder der Boden­ stationen vorgesehen sind, wird eingestellt, um eine geeichte Entfernung in einem bekannten Bereich zu messen, bevor er in die Bodenstation installiert wird.
Nachdem sämtliche Bodenstationen aktiviert worden sind, wird das Luftfahrzeug zum Mittelpunkt zwischen zwei Stationen zum Prüfen der Anfluggrundlinienentfernung geflogen. Mehrere Durchläufe entlang jeder Grundlinie werden vor dem Beginn der Vermessung durchgeführt. Diese Eichungen und Messungen werden so ausgeführt, daß die berechnete Position mit einer Genauigkeit der Größen­ ordnung eines Kreises eines Durchmessers von drei Metern festgelegt wird.
Nach der Wahl eines Vermessungsbereiches wird ein Plan der Linien, die beflogen werden sollen, erstellt. Eine Rechnerauflistung des die Anfangs- und Schlußpunkte der Linien und alle Schnittpunkte zweier beliebiger Linien darstellenden Gitters wird erstellt. Diese Auflistung wird in den Rechner des Luftfahrzeuges eingegeben.
Zumindest drei eindeutige Bereiche werden zur Bestimmung der Position des Luftfahrzeuges jede Sekunde gemessen. Ein Bordrechner errechnet die Position des Luftfahrzeuges und liefert die Daten an den Navigatorplatz und an ein Sichtgerät im Pilotenschalttafelfeld. Diese ge­ sammelten Daten werden mit einem vorbestimmten Flugweg verglichen, der im Speicher eines Rechners im Luftfahrzeug vorgesehen ist, und das Luftfahrzeug wird dann entlang des erforderlichen Flugweges geführt.
Zur Erlangung der gewünschten Informationen wird ein am Markt erhältlicher, modifizierter Gravitationsmesser mit einer um drei Achsen stabilisierten Plattform verwendet. Der Gravitations­ messer ist derart abgewandelt, daß die Daten mit einer Filterung von nur 1,5 Sekunden aufgezeichnet werden. Außerdem ist ein Kurz­ schlußschalter vorgesehen, der die Ausgänge der Verstärker auf Null bringt, so daß der Gravitationsmesser in kurzer Zeit stabilisiert werden kann.
Alle Parameter des Gravitationsmessers und seiner Platt­ form werden jede Sekunde auf Magnetband aufgezeichnet. Die Gravitationsmesserausgangssignale der gesamten Be­ schleunigungsmessung werden modifiziert mit so gut wie keiner Filterung aufgezeichnet. Daher ist die Stabili­ sierungszeit des Messers sehr kurz, da die Ausgangssignale elektronisch auf Null gehalten werden, bis sich das Luftfahrzeug im stabilen Flugzustand befindet. Dann wird der Messer freigegeben, um die Gesamtbeschleunigungen zu ermitteln.
Alle wichtigen Ausgangssignale werden in Streifenblatt­ schreibern zur Kontrolle dargestellt, so daß die Einzelheiten der Arbeit des Gravitationsmessers, wenn erforderlich, überwacht und berichtigt werden können. Un­ ter diesen Ausgangssignalen befinden sich die Kreuz­ kopplungskorrekturen, d. h. innewohnende und Unvollkommen­ heitstypen. Diese Korrekturen sind grundsätzlich Korrek­ turen, die am Messer vorgenommen werden, wenn er geringfügig nicht eingepegelt ist, und wenn sich die mechanischen Bauelemente des Messers unter der Beschleunigung biegen. Dies wird in der zuvor erwähnten Veröffentlichung von La Coste auf Seiten 501 bis 505 näher beschrieben.
Es folgt nun die Beschreibung der Arbeitsweise.
Nachdem sämtliche Sensoren (Meßfühler) am Boden geeicht worden sind, startet das Luftfahrzeug und fliegt bis zur für die Vermessung erforderlichen Flughöhe. Eine Bezugs­ höhe aus dem Radar- oder Laserhöhenmesser wird vorzugs­ weise über einer bekannten geographischen Höhe, wie z. B. einem Binnensee oder einem Flugplatz, bestimmt.
Alle Daten werden im Flug durch Analog-Streifenblatt­ schreiber oder Meßwertschreiber mit Gleichtaktmeßwerten registriert. Die Analogregistrierungen betreffen den Gravitationsmesser in bezug auf die heftige Keulenbewegung, die Federspannung, die durchschnittliche Keulenbewegung, die Kreuz- oder Querbeschleunigung, die Längsbeschleunigung und die Ansteuerung durch das Trägheitsteil des Gravitationsmessers; diese Daten werden auf Magnetband registriert.
Analogregistrierungen sind auch aus den Höhenmessersen­ soren erhältlich und betreffen auch die Radar- oder Laserentfernung, die Anzeige des Standes des absoluten Druckes sowie Bewegungen in bezug auf den Relativdruck und werden auf Magnetband aufgezeichnet.
Analogregistrierungen werden auch aus dem Navigations­ system z. B. in bezug auf die jeweiligen Entfernungs­ messungen erhalten und unabhängig vom verwendeten Navigationssystem auf Magnetband registriert.
Auch zusätzliche Daten werden auf Magnetband aufgezeich­ net, wie z. B. die Anzahl der Linien, die Zeit, die beobachtete Gravi­ tation, die Digitalradarmessung, der beobachtete Magnetismus, die Gesamtkorrektur, die Kreuzkopplung, die durchschnittliche Keulen­ bewegung in verschiedenen Filterungsstufen; fünf ver­ schiedene Kreuzkopplungen: die quadrierte Kreuzbeschleuni­ gung, die quadrierte Vertikalbeschleunigung, die Vertikal­ kreuzkopplung, die Längskreuzkopplung und Kreuzbeschleuni­ gung; die Ost- und Nordgyroskopausgangssignale, Daten vom Azimut­ kreisel, der Inertialnavigationskurs, das Druckhöhenmesseraus­ gangssignal mit zusätzlicher Filterung und das Grundsignal, wobei die Signale gleichzeitig digital dargestellt und mit einem Samplingintervall von einer Sekunde abgetastet und auf das Band aufgezeichnet werden.
Vor, während und nach jedem Flug werden sämtliche Infor­ mationen auf einen Papierstreifen ausgedruckt, um sicher­ zustellen, daß Daten gesammelt werden. Analog-Meßwert­ schreiber registrieren ununterbrochen alle wichtigen Signalparameter.
Während des Fluges kann die Bedienperson des Gravitations­ messers die Empfindlichkeit der Daten- bzw. Meßwert­ schreiber zur präzisen Registrierung der Arbeitsweise bzw. -leistung des Systems ändern. Auf diese Weise kann sie den Plattformpegel und die Keulen­ lage sehr genau überprüfen. Die Keule ist ein interner Bestandteil des vorstehend genannten Gravitationsmessers. Die Keule wirkt als Hebel zwischen der Masse im Gravitations­ messer und dem Hebel- oder Drehpunkt der Federspannungs­ meßschraube. Die Null-Längefeder im Gravitationsmesser ist an der Masse befestigt, die von der Keule gestützt wird. Die Keulenlagenmessung ist wichtig, da der automa­ tische Nullagekreis des Gravitationsmessers erfordert, daß die Keulenlage eine nullnahe Lage ist, sonst würde die Feder von dem Wert, der für die besten Ablesun­ gen notwendig ist, weggedrängt werden. Wird diese Feder von Null weggedrängt, so braucht der Messer 10 bis 30 Minuten zur vollen Stabilisierung, damit genaue Abmessungen registriert werden können. Der Anfang der Linienfestlegung erfordert Konzentration und volle Koordination zwischen der Bedienperson des Gravitationsmessers, dem Navigator und dem Piloten, um jegliche Veränderung von Flughöhe, Flugkurs und Fluggeschwindigkeit, wodurch die Keulenlage beeinträchtigt werden könnte, zu ver­ meiden. In Regionen mit steilen Gravitationsgradienten oder unebener Topographie erfordert die Anfangsnull­ einstellung des Gravitationsmessers gelernte Kräfte als Bordpersonal.
Der Bordnavigationsrechner und -kurvenschreiber gewähr­ leistet eine durchgehende Überwachung des Flugwegs des Luftfahr­ zeuges. Vorgegebene Pläne der vorgeschlagenen Fluglinienabstände werden erstellt und in den erwähnten Navigationsrechner eingegeben. Nachdem es einer der Fluglinien des Planes gefolgt ist, kehrt das Luftfahrzeug zum Start der nächsten Linie des vorgegebenen Plans, welchem dann mit Daten, die wie zuvor verfügbar und registriert sind, gefolgt wird, zurück.
Der Rechner weist den Piloten in bezug auf den Start der Fluglinie ein und errechnet die Geschwindigkeit über Grund. Falls der Flugweg beginnt, von der vorprogrammier­ ten Linie abzuweichen, können kleine Kursänderungen vom Piloten ausgeführt werden.
Am Ende des Fluges kehrt das Luftfahrzeug zur bekannten Bezugshöhe über dem See bzw. zum Flugplatz zurück, wobei die Höhe vor der Landung geeicht wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung der Gravitation in einem vorge­ gebenen Gebiet aus der Luft, umfassend folgende Schritte:
  • 1.1. Erstellen eines aus sich kreuzenden Linien beste­ henden Gitters des Gebietes;
  • 1.2. Auflisten der Koordinaten der Anfangs- und der Endpunkte aller Linien sowie aller Schnittpunkte;
  • 1.3. Eingeben der Auflistung sowie einer vorbestimmten Flughöhe in den Navigationsrechner eines Luftfahr­ zeuges;
  • 1.4. Eichen aller Meßgeräte vor dem Start des Luftfahr­ zeuges;
  • 1.5. Eichen der Navigationsgeräte des Luftfahrzeuges in der Luft;
  • 1.6. Von dem Navigationsrechner gesteuertes Abfliegen der Linien bei Einhaltung der Flughöhe mit einer Genauigkeit von zumindest ±1,7 m und Einhaltung der Fluggeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von zumindest ±12,5 Knoten, wobei zumindest
    • - den Ort des Luftfahrzeuges
    • - das erdmagnetische Feld
    • - die Gravitation
  • repräsentierende Daten im Sekundentakt gemessen und digital auf ein Magnetband aufgezeichnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugggeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von ±2,5 Knoten eingehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vom Navigationsrechner gesteuerte Abfliegen der Linien bei Einhaltung der Flugbahn in seitlicher Richtung mit einer Genauigkeit von zumin­ dest ±825 m erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugbahn in seitlicher Richtung mit einer Ge­ nauigkeit von ±82,5 m eingehalten wird.
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