DE69517725T2 - Gerät zur Vermeidung von Flugzeugkollisionen, insbesondere mit dem Boden durch Anflugneigungskontrolle - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen eines Flugzeugs, insbesondere mit dem Boden, durch Steuerung der Neigung bei der Annäherung. Sie findet insbesondere Anwendung auf Linienflugzeuge beim Endanflug auf ein Gelände. Allgemeiner findet sie Anwendung auf alle Flugzeuge, die im Verlauf ihres Fluges, wenn sie sich der Erde zu schnell nähern, beispielsweise im Fall der Nähe von Bergen, oder sich in Luftraumsektoren bewegen, in denen sie eine Gefahr darstellen, oder selbst in Gefahr sind, während der Phasen des Abhebens, des Flugs oder des Aufsetzens gelenkt werden.
• Vorrichtungen zur Vermeidung von Kollisionen von Flugzeugen mit dem Boden sind bekannt. Diese Vorrichtungen sind im allgemeinen durch die Verwendung von Funkhöhenmessern, Rechnern, die anhand von Druck- und Temperaturmessungen die barometrische Höhe angeben, und Navigationsmittel wie etwa ein Trägheitsnavigations-Leitwerk oder ein Flug-Managementsystem gekennzeichnet. Das Prinzip dieser Vorrichtungen beruht auf der Auswertung der in bezug zum Boden erfaßten altimetrischen Höhe und auf der Auswertung der funkaltimetrischen oder der barometrischen Höhenänderung. Die letztere wird in großen Höhen vor allem aufgrund ihrer höheren Genauigkeit im Vergleich zur altimetrischen Höhenänderung verwendet. Diese Abstände zum Boden werden mit Schwellenwerten verglichen, die ihrerseits von den Höhenwerten und der Konfiguration des Flugzeugs, also beispielsweise davon, ob sein Fahrwerk, seine Flügelklappen oder seine Flügelenden ausgeschwenkt sind, abhängig sind. Wenn die gemessenen Parameter, also die Höhen und insbesondere die Höhenänderungen, als Funktion der Zeit die Schwellenwerte überschreiten, wird ein an die Besatzung gerichteter Alarm ausgesendet. Jedoch weisen solche Vorrichtungen den Nachteil auf, daß sie Meßwerte im Vergleich zur Bewegung des Flugzeugs zu spät angeben und somit häufig zu späte Alarme erzeugen, wodurch die Besatzung daran gehindert wird, rechtzeitig zu reagieren, und somit nicht geeignet sind, Kollisionen zu verhindern. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Vorrichtungen besteht darin, daß sie ungerechtfertigte, auch als Fehlalarme bezeichnete Alarme erzeugen. Diese können vor allem dann auftreten, wenn die Flugzeuge ein Gebiet in ausreichender Sicherheitshöhe überfliegen, jedoch beispielsweise das Ansteigen des Reliefs, das ansonsten ungefährlich ist, diese Fehlalarme erzeugt. Diese setzen die Glaubwürdigkeit dieser Antikollisionssysteme stark herab.
• Die letzteren sind Weiterentwicklungen unterzogen worden, indem insbesondere Datenbanken eingeführt wurden, die eine Modulation des in Abhängigkeit von der geographischen Position der Flugzeuge zu berücksichtigenden Schwellenwertes ermöglichen. Diese Verbesserungen können die Fehlalarme verringern. Jedoch erfordern sie Datenbanken, die für jede Art von Gelände geeignet sind. In der Weiterführung der letzten Lösung kommt in Betracht, ein numerisches Geländemodell zur Verfügung zu stellen, das in Abhängigkeit von der Position des Flugzeugs ein ständiges Wissen über die Gestalt des Reliefs vor dem Flugzeug ermöglicht. Gleichwohl erfordert die Verwendung eines solchen Modells eine Datenbank, die das Relief ausreichend genau beschreibt, und verlangt somit Speicher großen Umfangs. Zu diesem Nachteil kommt die Notwendigkeit von Austausch- und Aktualisierungsprozeduren für eine solche Datenbank hinzu, was deren Verwendung kompliziert macht. Die große Anzahl an gespeicherten Informationen beinhaltet zudem die Gefahr nicht vernachlässigbarer Fehler.
• Schließlich beruht ein letzter Nachteil darin, daß die oben genannten Ausweichvorrichtungen zur Begrenzung der Risiken von Fehlalarmen im allgemeinen unterhalb einer bestimmten Höhe, insbesondere während der Landung außer Betrieb gesetzt werden, und dies aufgrund der Tatsache, daß das Manöver eine Annäherung an den Boden erfordert, jedoch keine großen Variationen der Flugbahn insbesondere nach unten wegen des Vorhandenseins von Hindernissen und des Geländes zuläßt.
• Ein Patent US 3 752 967 beschreibt ein Verfahren, das einem Flugzeug das Verfolgen einer theoretischen Flugbahn ermöglicht.
• Das Ziel der Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile zu beseitigen, insbesondere durch Befreiung von den Risiken von Änderungen der Reliefs, indem die Position des Flugzeugs nicht nur in bezug auf den Boden, sondern auch in bezug auf die bekannten Sicherheitshöhen bestimmt wird und die Ausweichvorrichtung bis in Bodennähe einsatzfähig gemacht wird, indem auf die Überwachung der Neigung der Flugbahn gesetzt wird, was dem Flugzeug das Aufsetzen auf einer Landebahn ermöglicht.
• Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen für ein Flugzeug bei Annäherung an eine Piste, wie sie durch den Anspruch 1 definiert wird, zum Gegenstand.
• Die Erfindung besitzt die Hauptvorteile, daß sie eine Voraussage der Gefahren einer Abweichung der Flugbahn und folglich der Gefahren einer Kollision ermöglicht und somit zur Verringerung der Zeit zur Reaktion auf diese Gefahren durch die Besatzungen beiträgt, daß sie die Anzahl von Fehlalarmen verringert, daß sie die Zuverlässigkeit der Antikollisionssysteme erhöht, daß sie sich an alle Arten von Reliefs, Flugraumsektoren oder Navigationsbedingungen anpassen läßt und daß sie zur Unterstützung der Landung keine Bodensysteme erfordert.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Zuge der folgenden Beschreibung deutlich, die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird, worin:
• Fig. 1 ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
• Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
• Fig. 3 ein Flugzeug in seiner Landephase zeigt;
• Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
• Fig. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Landung auf einem Flughafen 1, während Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält Mittel 21 zur Lokalisierung der geographischen Position des mit diesen ausgestatteten Flugzeugs, nämlich der drei Raumkoordinaten des letzteren. Sie enthält außerdem eine Datenbank 22, die beispielsweise die Informationen bezüglich der Pisten der Flughäfen und der zugehörigen Manöver, beispielsweise für alle Flughäfen dieser Erde oder lediglich für jene, die das Flugzeug betreffen können, enthält. Genauer enthält die Datenbank 22 die Informationen bezüglich der Schwellenhöhe der Piste 2, des Kurses der Piste und der für die Manöver vorgesehenen Annäherungsneigung, und zwar für alle Pisten jedes registrierten Flughafens.
• Erste Vergleichsmittel 23 vergleichen beispielsweise in regelmäßigen Abständen die Position des Flugzeugs mit den Informationen der Datenbank 22, wobei die Vergleichsmittel 23 mit der letzteren und mit den Lokalisierungsmitteln 21 verbunden sind. Wenn das Ergebnis des Vergleichs das Vorhandensein eines Flughafens 1 in der Nähe gemäß der für das Flugzeug eingerichteten Route angibt, wobei diese Route beispielsweise in den Lokalisierungsmitteln 21 oder in einem beliebigen anderen Speichermittel gespeichert sind, liefern die Mittel 24 zum Extrahieren von Koordinaten xo, yo, zo des Aufsetzpunkts auf der Piste diese Koordinaten. Vor dem Einleiten der Landung kann das Flugzeug eine Warteflugbahn 3 einnehmen und danach in einen Landekorridor 4 zur Landung auf einer Piste 2 einschwenken.
• Fig. 3 zeigt ein Flugzeug 31 in seiner Landephase. Die Lokalisierungsmittel 21 ermöglichen insbesondere das Erlangen der Raumkoordinaten xa, ya, za des Flugzeugs 31 mit einem Geschwindigkeitsvektor V. Die Extraktionsmittel 24 ermöglichen das Erlangen der Koordinaten xo, yo, zo des Aufsetzpunkts auf der Piste 2, wobei diese Koordinaten beispielsweise in der Datenbank 22 gespeichert sind. Um diese Daten extrahieren zu können, sind die Extraktionsmittel 24 mit dieser Datenbank 22 verbunden. Mittel 25 zum Berechnen des wirklichen Neigungsvektors γr des Flugzeugs 31 sind mit den Extraktionsmitteln 24 verbunden. Die Komponenten des wirklichen Neigungsvektors γr sind insbesondere zu den Koordinatendifferenzen xa - xo, ya - yo, 2a - zo proportional.
• Mittel 26 zum Extrahieren des theoretischen Neigungsvektors γt des Flugzeugs sind mit der Datenbank 22 verbunden. Diese Mittel 26 suchen dann in der Datenbank 22 den theoretischen Neigungsvektor γt, den das Flugzeug 31 in Abhängigkeit von den in der Datenbank gespeicherten Manövern zur Landung auf der Piste haben muß. In dem Beispiel aus Fig. 2 ermöglichen die Mittel 26 zum Extrahieren der theoretischen Neigung das Erlangen der theoretischen Neigung γt für die Landebahn 2 des Flugzeugs 31.
• Zweite Vergleichsmittel 27 sind mit den Mitteln 25 zum Berechnen des wirklichen Neigungsvektors γr des Flugzeugs und mit den Mitteln 26 zum Extrahieren des theoretischen Neigungsvektors γt verbunden. Diese zweiten Mittel 27 vergleichen diese beiden Vektoren γr und γt, indem sie beispielsweise zuerst einerseits den horizontalen Abstand εH und andererseits den vertikalen Abstand εV berechnen und anschließend einerseits den horizontalen Abstand eH mit einem ersten Schwellenwert und andererseits den vertikalen Abstand εV mit einem zweiten Schwellenwert vergleichen. Die Vergleichsmittel 27 können beispielsweise die berechneten Abstände εH, εV an Anzeigemittel, die der Flugzeugbesatzung zur Verfügung stehen, geliefert werden. Wenn der horizontale Abstand εH den ersten Schwellenwert überschreitet, wird beispielsweise ein Alarm erzeugt. Dieser Alarm wird der Flugzeugbesatzung beispielsweise durch visuelle und/oder akustische Mittel übermittelt. Eine visuelle und/oder akustische Nachricht kann in diesem Fall ein "Annäherungsalarm" sein. Wenn der vertikale Abstand εV den zweiten Schwellenwert überschreitet, wird beispielsweise ein Alarm erzeugt. Dieser Alarm wird der Flugzeugbesatzung beispielsweise durch visuelle und/oder akustische Mittel übermittelt. Eine visuelle und/oder akustische Nachricht kann in diesem Fall ein "Geländealarm" sein. Die oben genannten ersten und zweiten Schwellenwerte, mit denen die Abstände verglichen werden, sind entweder a priori bekannte theoretische Werte oder in der Datenbank 22 enthaltene Werte. Im letzten Fall ist eine Verbindung 28 zwischen der Datenbank 22 und den zweiten Vergleichsmitteln 27 erforderlich.
• Um die Gefahr von Fehlalarmen zu begrenzen, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise nur unterhalb einer bestimmten Höhe aktiviert. Oberhalb dieser Höhe kann ein beliebiger Typ von Anti-Bodenkollisionssystemen verwendet werden.
• Neben den in Fig. 2 gezeigten Mitteln enthält die Vorrichtung beispielsweise Mittel, die ihren Kurs mit den Kursen 32 der Flughafenpisten vergleichen können. Wenn keine in der Nähe des Flugzeugs liegende Piste einen Kurs besitzt, die dem Kurs des Flugzeugs gleicht, kann beispielsweise ein Alarm, in diesem Fall zusammen mit einer visuellen und/oder akustischen Nachricht, erzeugt werden.
• Diese Mittel ermöglichen ferner eine Einschätzung der Piste, der sich das Flugzeug nähert. Dies ermöglicht den Extraktionsmitteln der erfindungsgemäßen Vorrichtung folglich, die mit der wiedererkannten Landebahn verknüpften Parameter und Manöver zu berücksichtigen.
• Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Lokalisierungsmittel 21 sind beispielsweise aus einer Standard-Navigationsvorrichtung 41 und einem Satellitennavigation-Empfänger 42 gebildet, wobei der letztere insbesondere zur Erhöhung der Lokalisierungsgenauigkeit dient. Die ersten Vergleichsmittel 23, die Mittel 24 zum Extrahieren der Koordinaten des Aufsetzpunkts auf der Piste, die Mittel 25 zum Berechnen des wirklichen Neigungsvektors des Flugzeugs, die Mittel 26 zum Extrahieren des theoretischen Neigungsvektors, die zweiten Vergleichsmittel 27 und die Mittel zum Vergleichen der Kurse des Flugzeugs mit den Pisten sind beispielsweise durch einen Rechner 43 gebildet, der mit der Datenbank 22, der Standard-Navigationsvorrichtung 41 und dem Satellitennavigationsempfänger 42 verbunden ist. Der Rechner 43 ist beispielsweise mit akustischen Mitteln 44 verbunden, an die er beispielsweise Alarmmeldungen überträgt. Der Rechner 43 ist außerdem beispielsweise mit Visualisierungsmitteln 45 verbunden, die anhand der von dem Rechner gelieferten Daten Abstandsmessungs- und Lenkungsinformationen sowie beispielsweise Alarmmeldungen reproduzieren.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Funktion der Vermeidung von Kollisionen mit dem Boden bei geringen Höhen effizient und ohne ein erhöhtes Maß an Fehlalarmen erfüllen. Diese Funktion kann mit einem sehr geringen Aufwand an Bodeninstallation für sämtliche Flughäfen sichergestellt werden. Tatsächlich kann in Betracht gezogen werden, die Vorrichtung für jede Piste oder jeden Flughafen ohne Bodenstation zu betreiben. Die Leistungen können jedoch mit Unterstützung durch eine regionale oder lokale Bodenstation verbessert werden.
• Das obenbeschriebene Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft die Landung. Jedoch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch im Fall des Startens, um insbesondere sicherzustellen, daß die Flugneigung beim Abheben den vorgesehenen Manövern entspricht, eingesetzt werden. Allgemein läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in allen Flugphasen, die geneigte Flugbahnen beinhalten, einsetzen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen für ein Flugzeug (31) bei Annäherung an eine Piste (2), die wenigstens umfaßt:

- Mittel (21) zur Lokalisierung des Flugzeugs;

- eine Datenbank (22), die Informationen enthält, die auf die Piste und auf zugeordnete Prozeduren bezogen sind;

- erste Vergleichsmittel (23), die mit den Lokalisierungsmitteln (21) und mit der Datenbank (22) verbunden sind und die Position des Flugzeugs mit den in der Datenbank (22) enthaltenen Informationen vergleichen;

- Mittel (24) zum Extrahieren von Koordinaten (xo, yo, zo) des Aufsetzpunkts auf der Piste (2), die mit den ersten Vergleichsmitteln (23) verbunden sind;

- Mittel (25) zum Berechnen des wirklichen Neigungsvektors (γr) des Flugzeugs (3), die mit den Extraktionsmitteln (24) verbunden sind;

- Mittel (26) zum Extrahieren des theoretischen Neigungsvektors (γt) des Flugzeugs (31), die mit der Datenbank (22) verbunden sind;

- zweite Vergleichsmittel (27), die mit den Mitteln (25) zum Berechnen des wirklichen Neigungsvektors, mit den Mitteln (26) zum Extrahieren des theoretischen Neigungsvektors und mit der Datenbank (22) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Vergleichsmittel, da die Komponenten des wirklichen Neigungsvektors (γr) zu den Koordinatendifferenzen (xa-xo, ya-yo, za-zo) zwischen der Position des Flugzeugs (31) im Raum und dem Aufsetzpunkt auf der Piste proportional sind, den wirklichen Neigungsvektor (γr) mit dem theoretischen Neigungsvektor (γt) vergleichen, wobei die zweiten Vergleichsmittel (27) die Berechnung des vertikalen Abstands (εV) zwischen den beiden Neigungsvektoren (γr, γt) ausführen und dann diesen Abstand mit einem in der Datenbank (22) enthaltenen zweiten Schwellenwert vergleichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Vergleichsmittel (27) die Berechnung des horizontalen Abstands (εH) zwischen den beiden Neigungsvektoren (γr, γt) ausführen und dann diesen Abstand mit einem in der Datenbank (22) enthaltenen ersten Schwellenwert vergleichen.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarm erzeugt wird, wenn der Abstand (εH, εV) größer als der in der Datenbank (22) enthaltene Schwellenwert wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie oberhalb einer bestimmten Höhe nicht aktiviert wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel enthält, die ihr ermöglichen, ihren Kurs mit dem Kurs (32) der Piste (2) zu vergleichen.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokalisierungsmittel (21) aus einer Standard-Navigationsvorrichtung (41) und aus einem Satellitennavigation-Empfänger (42) gebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Vergleichsmittel (23), die Mittel (24) zum Extrahieren der Koordinaten des Aufsetzpunkts auf der Piste, die Mittel (25) zum Berechnen des wirklichen Neigungsvektors des Flugzeugs, die Mittel (26) zum Extrahieren des theoretischen Neigungsvektors und die zweiten Vergleichsmittel (27) durch einen Rechner (43) gebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Piste eine Landebahn ist.