DE4437451A1 - Verfahren zur Korrektur der von einem Bord-Höhenmesser eines Luftfahrzeuges gelieferten Höhe über Normal-Null - Google Patents

Description

Die Steuerung eines Luftfahrzeugs erfordert die Kenntnis sei­ ner Position und insbesondere seiner Höhe über Normal-Null (NN) Es sind vier Verfahren zur Bestimmung dieser Höhe be­ kannt.

Das erste besteht in der Verwendung eines Höhenbarometers, das den atmosphärischen Druck mißt und davon über eine Um­ wandlungstafel die gesuchte Höhe ableitet, korrigiert um die atmosphärischen Bedingungen des Tags (QNH).

Der gelieferte Wert, der zwar stabil ist, ist jedoch mit einem "Rauschen" behaftet, da die vorgenommene Korrektur nur annähernd ist und die Druckmessung von den Flugbedingungen abhängt. Diese Hö­ henmessung ist zwar nicht abweichend, aber ungenau.

Im zweiten Verfahren verwendet man eine Trägheitsplattform, die durch doppelte Integration der gemessenen Beschleunigun­ gen eine errechnete Höhe über NN liefert. Die Änderungen des Gravitationsfelds lassen jedoch die Höhenberechnung allmäh­ lich divergieren. Dank der Integrationen ist der gelieferte Wert also wenig verrauscht, ist jedoch auf längere Zeit wenig zuverlässig.

Bei dem dritten Verfahren verwendet man ein Höhenbarometer, das die Abweichung einer Trägheitsplattform korrigiert.

Im vierten Verfahren schließlich verwendet man eine Radio­ sonde, die die Höhe des Luftfahrzeugs bezüglich des überflo­ genen Bodenreliefs mißt, und addiert dessen Höhe hinzu. Diese kann dadurch bestimmt werden, daß man in niedriger Höhe ein charakteristisches, gut sichtbares Bodenrelief überfliegt, dessen Höhe bekannt ist und in einer Missionsvorbereitungs­ phase gespeichert wurde. Der Pilot kann nun manuell Positi­ onswerte, die von einer Trägheitsplattform geliefert werden, oder Messungen, die von einem Höhenbarometer geliefert wer­ den, korrigieren.

Um die Vorbereitungsphase und die horizontale Navigation in sehr genauer niedriger Höhe für den obligatorischen Überflug genau über charakteristischen Reliefs und dann die manuelle Korrektur zu vermeiden, kann man in einem Rechner eine Höhen­ korrelation vornehmen zwischen einem Profil des überflogenen Reliefs, das durch die Differenz zwischen den Messungen der Höhe des Flugzeugs über NN und seiner Höhe über dem Relief errechnet wird, und dem Profil desselben Reliefs, das auf ei­ ner digitalisierten Karte abgelesen wird. Diese Karte muß je­ doch von hoher Genauigkeit sein, weshalb man entweder über eine Weltkarte, die umfangreich und kostspielig ist, oder eine austauschbare Kassettenkarte verfügen muß, die eine be­ grenzte Erdoberfläche abdeckt, die jedoch vor der Mission vorbereitet und geladen werden muß.

Die vorstehenden Verfahren besitzen also Einschränkungen, die entweder das Volumen der erforderlichen Geräte oder die Ein­ fachheit der Verwendung betreffen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine automatische Korrektur der Werte eines Höhenmessers oder gleichwertigen Geräts zu gestatten, das die Höhe über NN liefert und gleich­ zeitig die oben angegebenen Nachteile vermeidet.

Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kor­ rektur des von einem Höhenmesser gelieferten Werts der Höhe über NN eines Luftfahrzeugs mit Hilfe einer dreidimensionalen digitalisierten Darstellung des Reliefs an Bord des Luftfahr­ zeugs mit Mitteln, die seine Höhe bezüglich eines überfloge­ nen Reliefs liefern, bei welchem man eine horizontale Flug­ bahn des Luftfahrzeugs bestimmt, auf der man die Messungen der Höhe des Luftfahrzeugs über NN und seiner Höhe über dem Relief und die auf der digitalisierten Darstellung abgelesene Höhe des Reliefs vergleicht, um einen Korrekturwert zur Kor­ rektur der Höhe über NN des Höhenmessers zu bestimmen, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß über die digitalisierte Darstellung ein horizontales Gitternetz gelegt wird und jedem Gitterfeld eine mittlere Bezugshöhe des Reliefs und eine Bezugs-Standardabweichung zugeordnet wird, die die Höhenänderungen des Reliefs im Gitterfeld darstellt,
• - die Flugbahn in Abschnitte geteilt wird, die in den überflogenen Gitterfeldern liegen,
• - wobei auf einem Abschnitt auf dessen ganzer Länge die Höhe des Luftfahrzeugs über dem Relief von seiner ent­ sprechenden Höhe über NN abgezogen wird, um eine Folge von errechneten Höhen des Reliefs zu bestimmen, aus denen man eine Standardabweichung des Profils des errechneten Reliefs bestimmt und diese mit der Bezugs-Standardabweichung des betreffenden Gitterfelds vergleicht, und, wenn diese Standardabweichungen kompatibel sind,
• - die mittlere Höhe des Profils des errechneten Reliefs be­ stimmt wird und diese von der mittleren Bezugshöhe abge­ zogen wird, um den Korrekturwert zu bestimmen.

Auf diese Weise wird die Höhenkorrektur automatisch durchge­ führt, da das Gitterfeld durch seine Standardabweichung ge­ kennzeichnet wird. Da ein Relieftyp sich im allgemeinen nicht plötzlich ändert, können die Gitterfelder jeweils eine große Oberfläche abdecken, und zwar ohne Inhomogenitäten im Relief­ typ und damit in der Standardabweichung. Da außerdem pro Git­ terfeld nur zwei Werte zu speichern sind, kann ein Speicher von sehr geringer Kapazität eine große Erdausdehnung abdec­ ken. Da es drei Höhenniveaus über NN gibt, und zwar die Höhe "Null", die Höhe des Reliefs und die Höhe über NN des Luft­ fahrzeugs, kann die Bestimmung des Werts ein und desselben Niveaus auf zwei verschiedene Weisen, um daraus durch Bildung der Differenz den Korrekturwert abzuleiten, an einem beliebi­ gen dieser drei Niveaus vorgenommen werden.

Vorteilhafterweise führt man die Korrektur in einem Gitter­ feld nur dann aus, wenn jede der Standardabweichungen kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.

Man scheidet auf diese Weise die ungenauen Korrekturen aus, wenn das Gitterfeld zwar korrekt gekennzeichnet ist, jedoch zu starke Geländeunebenheiten aufweist und die Gefahr be­ steht, daß es eine mittlere Bezugshöhe besitzt, die erheblich von der auf der Flugbahn errechneten abweicht.

Vorteilhafterweise nimmt man eine Schätzung der Ungewißheiten der gemessenen und auf der digitalisierten Darstellung abge­ lesenen Höhenwerte über NN und über dem Relief vor und er­ rechnet daraus eine Ungewißheit in der Abweichung der Höhe über NN, der man einen korrigierten Wert der Höhe über NN zu­ ordnet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt eine Beschrei­ bung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Höhenkorrekturverfahrens, in der auf die beiliegende Zeich­ nung Bezug genommen wird. In dieser zeigen

Fig. 1 die Darstellung eines ein Relief überfliegenden Flug­ zeugs,

Fig. 2 ein Organigramm der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 3 eine Darstellung einer Flugbahn des Flugzeugs auf ei­ ner Karte eines digitalen Geländemodells.

Ein Flugzeug 1, das ein Relief 2 überfliegt, besitzt einen Höhenmesser 3, eine Radiosonde 4, eine Trägheitsplattform 5 und ein digitales Bodenmodell 6 für das überflogene Relief 2.

Der Höhenmesser 3 liefert die Höhe Za des Flugzeugs 1 bezüg­ lich eines Bezugsniveaus, im vorliegenden Fall der Meeres­ höhe, während die Radiosonde 4 die Höhe Ha des Flugzeugs 1 über dem Relief 2 liefert. Die Trägheitsplattform 5 liefert die horizontale Position des Flugzeugs 1 und damit seine Flugbahn. Im Flugzeug 1 enthält ein Speicher 7 eines das Ver­ fahren ausführenden Rechners 8 einen Schwellenwert SE.

Das Verfahren besteht aus den folgenden Schritten:
In einem Schritt 10 nimmt man die Bildung eines horizontalen Gitternetzes auf dem digitalen Modell 6 vor und in einem Schritt 11 ordnet man jedem Gitterfeld 21 eine mittlere Be­ zugshöhe ZOs des Reliefs und eine Bezugs-Standardabweichung Es zu, die die Änderungen der Höhe Zs des Reliefs 2 in dem betreffenden Gitterfeld 21 darstellt. Bei diesem Beispiel be­ sitzen die Gitterfelder 21 große Abmessungen von nahe fünf Winkelminuten in Länge und Breite.

In einem Schritt 12 vergleicht man den von der Trägheits­ plattform 5 gelieferten Flugweg 22 mit dem mit einem Gitter­ netz versehenen digitalen Modell 6 und teilt ihn in Ab­ schnitte 23-29, die im Inneren der überflogenen Gitterfelder 21 liegen.

In einem Schritt 13 zieht man für jeden Abschnitt 23-29 auf dem betreffenden Abschnitt 23-29 die Höhe Ha des Flugzeug 1 über dem Relief, die von der Radiosonde 4 geliefert wird, von seiner entsprechenden Höhe über NN Za ab, die vom Höhenmesser 3 kommt, um eine Folge von errechneten Höhen Zc des Reliefs 2 zu bestimmen.

Aus dieser Folge von errechneten Höhen Zc des Reliefs 2 be­ stimmt man in einem Schritt 14 eine Standardabweichung Ec des Profils des errechneten Reliefs Zc und vergleicht sie in ei­ nem Schritt 15 mit der Bezugs-Standardabweichung Es des be­ treffenden Gitternetzes 21, um ihre Differenz DE = Ec-Es zu errechnen.

Der Schwellenwert SE des Speichers 7 wird in einem Schritt 16 von der Differenz DE abgezogen, und, wenn die Differenz DE in einem Schritt 17 kleiner als der Schwellenwert SE 7 ist, d. h. wenn die Standardabweichungen Ec und Es kompatibel sind, be­ stimmt man in einem Schritt 18 die mittlere Höhe ZOc des Pro­ fils des errechneten Reliefs Zc und zieht es in einem Schritt 19 von der mittleren Bezugshöhe ZOs ab, die das digitale Mo­ dell 6 für das betreffende Gitterfeld 21 liefert, um einen Wert DZ der Korrektur der vom Höhenmesser 3 gelieferten Höhe ZA über NN zu bestimmen, die nach Korrektur Z′a geworden ist. Im Fall einer negativen Antwort in Schritt 17 geht man (unterbrochene Linie) für den folgenden Abschnitt 23-29 zum Schritt 12 zurück. Ebenso führt die Bestimmung eines Werts DZ zum Schritt 12 zurück. Es kann vorgesehen werden, vor dem Schritt 15 die Standardabweichungen Ec und Es mit einem obe­ ren Schwellenwert SH zu vergleichen und die Verfahrens­ schritte zur Durchführung der Korrektur erst weiterzuver­ folgen, wenn jede der Standardabweichungen Ec und Es kleiner als der Wert SH ist.

Auf diese Weise wird vor Durchführung einer Höhenkorrektur DZ gewährleistet, daß das Relief 2 nicht zu uneben ist und daß seine mittlere Höhe ZOs damit nicht zu stark von der errech­ neten mittleren Höhe ZOc abweicht, d. h. daß die Korrektur DZ nicht mit einem zu starken Fehler behaftet ist.

Ferner kann vorgesehen sein, eine Schätzung der Unsicherhei­ ten in den gemessenen Höhenwerten Za und Ha in Kenntnis der Genauigkeit des Höhenmessers 3 und der Radiosonde 4 und der Unsicherheit der Trägheitsplattform 5 und des digitalen Mo­ dells 6 vorzunehmen.

Hierbei kann ein Kalman-Filter, das über die oben gelieferten Werte mit ihren Unsicherheiten verfügt, daraus eine Unsicher­ heit (IDZ) in der Abweichung DZ der Höhe über NN errechnen, die man dem korrigierten Wert Z′a der Höhe über NN zuordnet.

Zur Ausschaltung der Wirkung der Unsicherheit der horizonta­ len Position der Flugbahn 21 kann vorgesehen werden, daß man für die Bestimmung der Korrektur DZ nur den Teil jedes Ab­ schnitts 23-29 nimmt, der von den Rändern der Gitterfelder 21 mindestens um eine vorbestimmte Länge entfernt ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Korrektur des von einem Höhenmesser gelie­ ferten Werts der absoluten Höhe über NN (Za) eines Luftfahr­ zeugs mit Hilfe einer dreidimensionalen digitalisierten Dar­ stellung des Reliefs an Bord des Luftfahrzeugs mit Mitteln, die seine Höhe (Ha) bezüglich eines überflogenen Reliefs lie­ fern, bei welchem man eine horizontale Flugbahn (22) des Luftfahrzeugs bestimmt, auf der man die Messungen der Höhe (Za) des Luftfahrzeugs über NN und seiner Höhe (Ha) über dem Relief und die auf der digitalisierten Darstellung abgelesene Höhe (Zs) des Reliefs vergleicht, um einen Korrekturwert (DZ) zur Korrektur der Höhe (Za) des Höhenmessers zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf der digitalisierten Darstellung ein horizontales Gitternetz gebildet wird (10) und jedem Gitterfeld (21) eine mittlere Bezugshöhe (ZOs) des Reliefs und eine Bezugs- Standardabweichung (Es) zugeordnet wird, die die Höhen­ änderungen (Zs) des Reliefs im Gitterfeld darstellt,
• - die Flugbahn (22) in Abschnitte (23-29) geteilt wird (12), die in den überflogenen Gitterfeldern (21) liegen,
• - wobei auf einem Abschnitt (23) auf dessen ganzer Länge die Höhe (Ha) des Luftfahrzeugs über dem Relief von seiner entsprechenden Höhe über NN (Za) abgezogen wird, um eine Folge von errechneten Höhen (Zc) des Reliefs zu bestimmen, aus denen man eine Standardabweichung (Ec) des Profils des errechneten Reliefs (Zc) bestimmt (14) und diese mit der Bezugs-Standardabweichung (Es) der betreffenden Gitterfeld (21) vergleicht (15), und, wenn diese Standardabweichungen kompatibel sind,
• - die mittlere Höhe (ZOc) des Profils des errechneten Re­ liefs (Zc) bestimmt wird (18) und diese von der mittleren Bezugshöhe (ZOs) abgezogen wird (19), um den Korrekturwert (DZ) zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Korrektur in ei­ nem Gitterfeld (21) nur durchgeführt wird, wenn jede der Standardabweichungen (Ec, Es) kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert (SH) ist (14-15).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, in welchem eine Schätzung der Unsicherheiten in den gemessenen Höhenwer­ ten (Za, Ha) und in den auf der digitalisierten Darstellung abgelesenen Höhenwerten (Zc) vorgenommen wird und daraus eine Unsicherheit (IDZ) in der Abweichung der Höhe über NN errech­ net wird, die dem korrigierten Wert (Z′a) der Höhe über NN zugeordnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem für die Bestimmung der Korrektur (DZ) nur der Teil jedes Ab­ schnitts (23) genommen wird, der von den Rändern der Git­ terfelder (21) wenigstens um eine vorbestimmte Länge entfernt ist.