DE4204164C2 - Positions- und Missionsdatengerät zur Flugnavigations- und Flugdatenverarbeitung mit durch GPS gestütztem Display - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Positions- und Missionsdatengerät zur Flugnavigations- und Flugdatenverarbeitung mit durch GPS (global posi­ tioning satellite system) gestütztem Display gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Bei der Sichtflug und Instrumentenflugnavigation werden heute neben der Sichtkontrolle Systeme eingesetzt, die dem Piloten unmittelbar eine oder mehrere Standlinieninformationen in Form von Entfernungs- oder Winkelan­ gaben zu einem Bezugspunkt durch Funknavigation - wie beispielsweise ADF VOR, DME - vermitteln, nicht jedoch eine direkte Positionsaussage bein­ halten. Eine rasche Umsetzung dieser Standlinien in das Koordinatensy­ stem der Flugkarte erfordert viel Routine und führt immer wieder zu feh­ lerhaften Standortbestimmungen und Fehlinterpretationen, insbesondere bei Streßsituationen. Solche Koordinateninformationen können jedoch in der Praxis nicht als eine optimale Navigationshilfe angesprochen werden, da zum Beispiel eine Umsetzung in die jeweils mitgeführten Flugkarten, im Hinblick auf die beengten Platzverhältnisse im Cockpit, der Pilot in seiner Konzentration auf seine Steuerungs- und Überwachungsaufgaben zwangsläufig beeinträchtigt wird.

Der Stand der Technik begegnet diesem Nachteil dadurch, daß in der all­ gemeinen Luftfahrt, mit der alle zivilen Luftfahrtbereiche mit Ausnahme des Linien- und Charterverkehrs angesprochen sind, daß zur Standortbe­ rechnung Rechner eingesetzt werden, die laufend eine Transformation die­ ser vorgenannten Standlinien in Koordinaten durchführen. Aber auch die­ ses Verfahren kann nicht als optimal angesprochen werden.

Durch die Firmenschrift TRIMBLE NAVIGATION - Avionics Products "GPS Navigator", Airborne GPS/Loran Receiver, S. 5 und 6, Januar 1992 ist ein Gerät bekanntgeworden, das auf dem Navigations-Satelliten-System basiert. Allerdings ist durch dieses Gerät noch keine 24- Stunden-Abdeckung gegeben, obwohl solche auf GPS basierenden Naviga­ tionsverfahren die Sicherheit eines Sicht- oder Instrumentenfluges we­ sentlich verbessern, und außerdem muß nach wie vor die Positionsbestim­ mung auf der Flugkarte durchgeführt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Positions- und Missionsdatengerät der eingangs genannten Art für die allgemeine Luftfahrt zu schaffen, bei dem dem Piloten in Ergänzung zu den verwende­ ten Navigationshilfen anschauliche Informationen über die aktuelle Flug­ zeugposition und vorausliegende Flugabschnitte, also eine exakte Posi­ tionsdarstellung auf einer mitlaufenden Flugkarte geliefert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen an­ gegeben, und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbei­ spiel beschrieben und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer transportablen modularen Ausführungsform,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer hängenden Einbaumöglich­ keit des Gerätes gemäß Fig. 2 im Cockpit,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer ein- und ausfahrbaren Einbaumöglichkeit des Gerätes gemäß Fig. 2 im Instrumentenbereich des Cockpits.

Wie aus der Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht, setzt sich das Ausführungs­ beispiel des vorgeschlagenen Positions- und Missionsdatengerätes aus ei­ ner Reihe von Modulen zusammen, die in einem transportablen, leicht ein- und ausbaubaren Gehäuse 10 zusammengefaßt sind. Der GPS-Empfänger be­ steht aus einer in das Flugzeug einbaubaren Antenne 11, mit der die Sa­ tellitensignale empfangen werden. Das empfangene HF-Signal wird zunächst in einem Antennenvorverstärker 12 verstärkt und in das GPS-Core-Modul 13 eingegeben. In diesem Modul wird aus den Satellitendaten die momentane Position in drei Dimensionen sowie der Kurs und die Geschwindigkeit über Grund bestimmt. Die ermittelten Werte gehen einem sogenannten Rechner­ kern 14 ein, der aus einer Anzahl von bekannten PC-kompatiblen Modulen zusammengesetzt ist, um einmal die Bedienung der Schnittstellen zum GPS- Empfänger 13, zum Display 16, zu den Bedienelementen 18, zum Massenspei­ cher 17 und zu weiteren externen optionellen Geräten 15 und zum andernmal die Bereitstellung der Rechenleistung für den Transfer und die Umrechnung der Daten - die für die Kartendarstellung und die Ein­ blendung weiterer grafischer Symbole erforderlich sind - vorzunehmen. Wei­ terhin werden durch den Rechnerkern 14 die Rechnerleistung für die Be­ nutzerführung und die interne Datenverarbeitung bereitgestellt und au­ ßerdem noch ausreichende Speicherplätze für die Betriebssoftware und die Benutzerdaten. Für den Prozessor, die Speicher und die Schnittstellen können auf dem Markt befindliche Minimodule kleinster Bauweise zur Er­ stellung des Rechnerkerns verwendet werden, der dann im wesentlichen aus drei Minimodulen zusammengesetzt würde.

Wie bereits vorstehend erwähnt, ist der Rechnerkern 14 mit einem Display 16 verbunden, das dem Benutzer mit weitgehend guter Auflösung die Dar­ stellung alphanumerischer und grafischer Informationen ermöglicht. Da generell die Forderung einer weitgehend flachen Bauweise des vorgeschla­ genen Gerätes besteht, kommen für das Display 16 nur LCD, EL und Plasma­ displays in Frage. Die Auflösung beträgt 640×480 Bildpunkte und ist VGA-kompatibel. Weitere Forderungen an das Display 16 sind mindestens sechzehn Graustufen bzw. Farben, ein großer seitlicher Betrachtungswin­ kel und eine gute Ablesbarkeit sowohl bei Sonneneinstrahlung als auch bei Dunkelheit. Auch diese Forderungen lassen sich beispielsweise durch DC-Plasmadisplays des Standes der Technik erfüllen.

Der Rechnerkern 14 ist weiterhin mit einem wechselbaren Massenspeicher 17 verbunden, der neben einer hohen Kapazität, kurzen Zugriffszeiten und kleiner Bauweise auch eine hohe Vibrations- und Schockfestigkeit aufwei­ sen muß. Die Zugriffszeit liegt im ms-Bereich und die Kapazität bei un­ gefähr 200 MByte, damit eine größere Anzahl von Karten gespeichert wer­ den können und auch eine gute Auflösung und gute Farbkontraste gewähr­ leistet sind. Bisher sind hierfür zwei Lösungsmöglichkeiten gegeben, nämlich einmal der Einsatz von Flash-Memory Cards und zum andernmal die Verwendung von CD-ROM′s.

Im erstgenannten Fall sind die Vorteile einer kurzen Zugriffszeit, einer kleinen Bauweise und einer relativ guten Vibrationsfestigkeit gegeben. Als Nachteile aber stehen die zu kleine Kapazität von 4 bis 8 MByte - even­ tuell in absehbarer Zeit bis 16 MByte - und die hohen Medienkosten ent­ gegen.

Im Falle der Verwendung von CD-ROM′s fallen sofort die niedrigen Medien­ kosten (zwischen DM 50,- und DM 200,-) aber auch die hohe Speicherkapa­ zität von bis zu 600 MByte auf. Hiermit ist es beispielsweise möglich, alle Karten Deutschlands auf einer einzigen CD-ROM zu speichern. Aller­ dings fallen hier jedoch die Nachteile ganz besonders ins Gewicht, denn einmal ist die Zugriffszeit sehr hoch. Ganz besonders aber fällt die ab­ solut zu geringe Vibrationsfestigkeit von max. nur 0,2g ins Gewicht. Die Industrie arbeitet hier intensiv an einer Verbesserung, insbesondere im Hinblick auf die Verwendung in der Kraftfahrzeugelektronik, aber mit ei­ ner einigermaßen optimalen Lösung ist in naher Zukunft noch nicht zu rechnen. Bei der Erfindung wird dieses Problem zu der besprochenen Va­ riante durch spezielle vibrationsdämpfende Maßnahmen gelöst.

Eine weitere Kommunikation des Rechnerkerns 14 ist mit dem Bedienelemen­ te-Modul 18 gegeben. Das Konzept dieses Moduls beruht auf einem Dialog mit dem Benutzer über Funktionstasten und einen Slow-Switch. Hierbei funktioniert dieser Slow-Switch wie die Cursortasten eines Terminals.

Das Interface zum Rechnerkern 14 geschieht über die vorhandene Parallel­ schnittstelle. Als weiteres Bedienelement ist der Geräteeinschalter mit Betriebsanzeige zu nennen, wobei anzuführen ist, daß alle anderen Anzei­ gen - beispielsweise die Ergebnisse des Selbsttestes etc. - über das Display 16 erfolgen.

Letztlich ist noch das Stromversorgungsmodul 19 des Gerätes anzuführen, das die benötigten Sekundärspannungen aus dem Bordnetz 20 zu erzeugen hat. Die vorbeschriebenen Elemente und Module sind - wie die Fig. 2 ver­ anschaulicht - in einem flachen rechteckigen Gehäuse 10 aus Aluminium oder metallbedampftem Kunststoff untergebracht. Zwei Ausführungsformen hierfür sind möglich, einmal ist das Display 16 mit allen anderen Kompo­ nenten und Verkabelungen im Gehäuse 10 eingebaut, wobei der Deckel das Display nur mechanisch schützt und gegebenenfalls noch der Aufbewahrung der Kabel dient. Durch diese Ausgestaltung ist eine vorteilhafte Kom­ paktheit gewährleistet und die Verwendung eines störanfälligen dicken Kabels zwischen Display und Grundgehäuse kann vermieden werden. Da die­ ses Kabel sehr hohe Frequenzen transportieren müßte (ca. 30 MHz Rechteck parallel auf 5 Leitungen) ist es bei einer Länge von wenigen cm nur in ECL-Technik mit entsprechender EMV-Problematik realisierbar.

Die zweite Ausführungsform ist aus den Fig. 3 und 4 zu ersehen. Hier ist der wesentliche Vorteil einer sehr flachen Displayeinheit 16 gegeben, die - wie dargestellt - die verschiedensten Einbauweisen in das Cockpit erlaubt. Das Display 16 ist zusammen mit den Bedienelementen 18 geson­ dert zusammengefaßt - beispielsweise im abnehmbaren Deckel des Gehäuses 10 und über Kabel mit den Modulen im Restgehäuse verbunden.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist der Rechnerkern 14 mit einer exter­ nen Peripherie 15 verbunden, denn für die Eingabe von Benutzerdaten, so­ wie für die Flugplanung ist die Eingabe von alphanumerischen Daten unab­ dingbar. Hierzu ist eine extern anschließbare Tastatur erforderlich. Als weitere mögliche Peripherien können Drucker oder ein Floppylaufwerk etc. angesehen werden.

Das vorbeschriebene Gerät liefert also dem Piloten Informationen für al­ le Flugphasen, beginnend bei der Flugplanung, für den An- oder Abflug, für die Rollbewegungen am Boden und in erster Linie während des Fluges, wobei diese Informationen jeweils den Erfordernissen für einen Flug nach Sichtflugregeln (VFR) oder nach Instumentenflugregeln (IFR) angepaßt sind.

Die benötigten Daten sind auf Wechselspeichern festgehalten, wobei je­ weils gesondert die Programmdaten, die Enroutedaten und die Flugplatzda­ ten auf eigenen Speichern festgehalten sind. Der Programmdatenspeicher umfaßt die Daten des jeweiligen Betriebssystems, die benötigte Anwen­ dungssoftware und den Nutzer- bzw. Scratchbereich. Die Daten, die die Information einer ICAO oder Jep.-Karte enthalten, müssen auf einem eige­ nen Medium gespeichert sein, ebenfalls die Daten zu möglichst vielen einzelnen Flug/Landeplätzen. Zur Durchführung der Flugplanung ist tempo­ rär der Anschluß eines Keyboards zur Eingabe der alphanumerischen Werte für die Flugphasenfunktionen erforderlich. Diese beinhalten während des Fluges - also enroute - die Kartenform, deren Nordausrichtung etc., wobei die Karte stationär bleibt und die GPS-Position wandert, ferner die Dar­ stellung der Flugroute mit der geplanten Flugstrecke, der gegenwärtigen Position und der zurückgelegten Strecke sowie die Bedien- und internen Funktionen, wie beispielsweise den Aufruf der Flugplanungsdaten oder das Laden der benötigten Karte und die Nachführung der GPS-Position usw. Zu den Flugphasenfunktionen "enroute" gehört weiterhin der Aufruf der De­ tailkarte, wobei hier die GPS-Position stationär ist und die Karte wan­ dert, die Flugroute jedoch in ihrer geplanten Flugstrecke, der gegenwär­ tigen Position und in der zurückgelegten Strecke dargestellt wird. Das­ selbe gilt für die Flugphasenfunktionen beim An- oder Abflug und bei den Rollbewegungen am Boden.

Durch das vorgeschlagene Positions- und Missionsdatengerät ist nun für die allgemeine Luftfahrt ein Gerät geschaffen worden, das eine unmittel­ bare aussagefähige Darstellung aller situativen Flugzustände gewährlei­ stet und somit eine optimale Navigationshilfe darstellt.

Claims (10)

1. Positions- und Missionsdatengerät zur Flugnavigations- und Flug­ datenverarbeitung mit durch GPS (global positioning satellite system) ge­ stütztem Display für Flugzeuge und Hubschrauber der allgemeinen Luft­ fahrt, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Datengerät (100) aus einer in einem transportablen, ein- und ausbaubaren Gehäuse (10) zusammengefaßten, modulartig aufgebauten Einheit besteht, die zusätzlich zu den in einem Flugzeug oder Hubschrauber integrierten Navigationseinrichtungen an gut überschaubarer Stelle im Cockpit montier- und demontierbar mit einem Bordnetz (20) und einer Antenne (11) für Satellitensignale ankuppelbar angeordnet ist und sich aus einem GPS-Empfänger (11, 12, 13), einem Rechnerkern (14), bestehend aus einer Anzahl an sich bekannter PC-kompatibler Module, zur Bereitstellung der Rechnerleistungen für Datenverarbeitung, Datentransfer und Datenumsetzung für Kartendarstellung, sowie einem Display (16) für die Darstellung alphanumerischer und grafischer Karteninformationen, ferner aus einem oder mehreren wechselbaren Massenspeichern (17) hoher Kapazität, wobei jeweils gesondert Programmdaten, Enroutedaten und Flugplatzdaten auf eigenen Speichern festgehalten sind, sowie einem Bedienelementemodul (18) und einem Stromversorgungsmodul (19) zusammensetzt.

2. Datengerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der GPS-Empfänger sich aus einer in das Flugzeug einbaubaren Antenne (11) für den Empfang der Satellitensignale, einem Antennenvorverstärker (12) und einem GPS-Coremodul zusammensetzt.

3. Datengerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechnerkern (14) aus drei an sich bekannten Minimodulen gebildet wird.

4. Datengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Display (16) LCD-, EL- oder DC-Plasmadisplays einge­ setzt werden.

5. Datengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als wechselbare Massenspeicher (17) sogenannte "Flash-Memory-Cards" mit Zugriffszeiten im ms-Bereich vorgesehen sind.

6. Datengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als wechselbare Massenspeicher (17) CD-ROM′s mit einer Speicherkapazität von 400 bis 600 MByte vorgesehen sind, denen vibra­ tionsdämpfende Einrichtungen im Gehäuse (10) zugeordnet werden.

7. Datengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger des Display (16) mit mindestens acht Funk­ tionstasten versehen ist, die über den Rechnerkern (14) mit dem Bedien­ elementemodul (18) verbunden sind.

8. Datengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Bedienelementemodul (18) zusätzlich ein als Cursor­ taste wirkender Slow-Switch zugeordnet ist, der sich auf der auf dem Display (16) dargestellten Karte bewegt.

9. Datengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Display (16) als Modul mit allen anderen Modulen zu­ sammen in dem Gehäuse (10) integriert ist.

10. Datengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Display (16) zusammen mit den Bedienelementen (18) im abnehmbar konzipierten Gehäusedeckel (10a) integriert ist.