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 LuftInfo
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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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DE19833340374 DE3340374C2 (de) | 1983-11-08 | 1983-11-08 | Verfahren zur Messung der Gravitation in einem vorgegebenen Gebiet aus der Luft |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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