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VORRECHTSANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht das Vorrecht vor der am 21. August 1998 eingereichten
vorläufigen
US-Patentanmeldung
Nr. 60/097,392 mit dem Titel "Device
and Method for Improved Altimetry" und der am 24. Februar 1998 eingereichten
vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.
60/075,809, "Device
and Method for Improved Altimetry".
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen
der Höhe
und insbesondere eine Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen
eines Höhenwerts
unter Verwendung vorhandener Sensoren.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Mehrere
Anwendungen hängen
für ihre
Leistung von der genauen Höhenmessung
ab. In der Luftfahrt sind die Flugzeugtrennung, Instrumentenflugrouten
und andere Navigationsaufrechterhaltungsverwaltungsfunktionen Beispiele
für derartige
Anwendungen. Diese Anmeldung bespricht die Höhenmessung im Kontext einer
besonderen Anwendung, die als Bodennähewarnungen und genauer als
verbesserte Bodennähewarnungssysteme
(EGPWS) bezeichnet wird. Ein EGPWS-System ist in der US-Patentschrift
Nr. 5,839,080, die hierin verweisend aufgenommen ist, gezeigt und
beschrieben.
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Verbesserte
Bodennähewarnungssysteme benötigen die
genaue geometrische Höhe
in Bezug auf die mittlere Meereshöhe. Bis heute wird dieses Eingangssignal
in Form der korrigierten barometrischen Höhe durch den Luftdatencomputer
(ADC) des Flugzeugs bereitgestellt.
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Barometrische
Höhenmesser
messen den Luftdruck anstelle der geometrischen Höhe. Die
Umwandlung vom Druck zur Höhe
basiert auf einer international vereinbarten Standardatmosphäre (ISA). Die
ISA ist für
durchschnittliche Mittelbreitengradbedingungen am kennzeichnendsten.
Die ISA nimmt an, daß die
Atmosphäre
statisch und trocken ist, wobei der Luftdruck in erster Linie von
der Lufttemperatur, der Schwerkraft und anderen physikalischen Konstanten
abhängt.
Es wird angenommen, daß die atmosphärische Temperatur
bis zu einer Höhe
von 11 Kilometern, der Troposphäre,
mit einer konstanten Rate abnimmt, an welchem Punkt angenommen wird,
daß sie
bis zu 20 Kilometern konstant bleibt. Die Meereshöhentemperatur
wird mit 15°C
angenommen, und der Meereshöhendruck
wird mit 1013,25 Millibar (mb) angenommen. Die tatsächliche
Atmosphäre
kann jedoch von diesem Standard weit abweichen. Diese Abweichung
kann bei einem Vergleich mit der geometrischen Höhe Fehler in der angegebenen
Druckhöhe
verursachen.
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Wenn
wir von "geometrischer
Höhe" sprechen, meinen
wir jene Höhe,
wie sie beispielsweise in der abhandelnden Introduction to Flight,
3rd Edition, (Mc-Graw-Hill Series in Aeronautical
and Aerospace Engineering, McGraw-Hill, November 1988) auf Seite 70
definiert ist. Im Beispiel, das in dieser Abhandlung gegeben wird,
wäre "die geometrische
Höhe, d.
h., die Höhe über der
Meereshöhe" dann, wenn ein über Daytona
Beach schwebender Helikopter ein Maßband fallen lassen würde, "definitionsgemäß die Messung
auf dem Maßband". Die "Druckhöhe" ist in der gleichen
Abhandlung auf Seite 79 als eine Höhe definiert, die unter Verwendung "des tatsächlichen Außenluftdrucks" (d. h., einer lokalen
Druckmessung) wie auch angenommener Werte (ISA) für den Druck
auf Meereshöhe,
die Temperatur auf Meereshöhe
und die Temperaturabfallsrate (die angenommene Veränderung
der Temperatur als eine Funktion der Höhe) berechnet wird. Wie in
der Abhandlung, auf die verwiesen wurde, auf Seite 70 bis 83 besprochen
wird, kann die Druckhöhe
durch Korrekturfaktoren für
den tatsächlichen
Druck auf Meereshöhe,
die tatsächliche
Temperatur auf Meereshöhe,
die lokale Temperatur, Abweichungen in der Abfallsrate vom angenommenen
Wert, und Veränderungen
in der Erdbeschleunigung ("g") ergänzt werden.
Ein anderer Ausdruck für
die Druckhöhe
ist "Hydrostatikhöhe", da die Berechnung
auf der bekannten Hydrostatikgleichung basiert, die die Höhe einer
Gassäule
als eine Funktion des Unterschieds des Drucks des Gases zwischen
der Oberseite und der Unterseite der Säule berechnet. So, wie hierin
verwendet, soll "Druckhöhe" die nur unter Verwendung
einer lokalen Druckmessung und von Standardzahlen berechnete Höhe wie auch
jene Höhe,
die ferner Korrekturfaktoren enthält, um Abweichungen von den
Standardwerten (angenommenen Werten) Rechnung zu tragen, bedeuten.
Sofern nicht anders angegeben, versteht sich, daß wir bei der Verwendung des
Ausdrucks "Höhe" hierin die Schätzung der
geometrischen (oder "wirklichen") Höhe unter
Verwendung der beschriebenen Verfahren oder Vorrichtung meinen.
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Die
oben erwähnten
Fehler in der angegebenen Druckhöhe
sind in Flugzeugreisehöhen
typischerweise nicht von Bedeutung, da es die Hauptverwendung des
Höhenmessers
ist, die Trennung zwischen Flugzeugen in unterschiedlichen Flughöhen aufrechtzuerhalten.
Flugzeuge im gleichen allgemeinen Bereich erfahren innerhalb der
Geräteausstattungsgrenzen
die gleichen atmosphärischen
Bedingungen und daher die gleiche Druckhöhe. Für Instrumentenanflugsvorgänge ist
die wirkliche geometrische Höhe
kritisch, um sichere Geländeabstände aufrechtzuerhalten.
Dies ist auch für
das EGPWS der Fall. Obwohl die Ausführung des EGPWS in seinen alarmierenden
Hüllkurven
einen gewissen Spielraum für
Höhenfehler
bereitstellt, können
große
Fehler in der Druckhöhe
verursachen, daß das
EGPWS keinen Alarm abgibt, wenn dies erforderlich ist, oder falsche
Warnungen abgibt. Nachstehend sind einige atmosphärische Bedingungen
angeführt,
die zu einem Nicht-ISA-Zustand führen
können.
- 1. Der Meereshöhendruck entspricht nicht ISA.
- 2. Die Temperatur ist höher
oder niedriger als ISA.
- 3. Große
senkrechte Windstöße aufgrund,
beispielsweise, extremer Wetterbedingungen, Bergwellen, und anderer
atmosphärischer
Erscheinungen.
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Einem
nicht dem Standard entsprechenden Meereshöhendruck wird normalerweise
Rechnung getragen, indem der Pilot den Höhenmesser des Flugzeugs manuell
auf die lokale Druckeinstellung, d. h., die korrigierte barometrische
Höhe, einstellt. Nicht-ISA-Temperaturfehler
können
ziemlich bedeutend sein. Wenn die Temperatur niedriger als ISA ist, ist
die angegebene Druckhöhe
höher als
die wirkliche geometrische Höhe,
und wenn die Temperatur höher als
ISA ist, ist die angegebene Druckhöhe niedriger als die wirkliche
geometrische Höhe.
Andere Temperaturfehler werden durch nicht standardgemäße Abfallsraten
aufgrund von Inversionen oder andere atmosphärische Bedingungen verursacht.
Inversionen in niedriger Höhe,
die während
des Abends oder in Wintergebieten mit Schneedecke auftreten, sind
von besonderer Bedeutung.
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Eine
andere Fehlerquelle tritt auf, wenn sich ein Flugzeug einer konstanten
Druckoberfläche
folgend waagerecht über
die Erdoberfläche
bewegt. Die Verwendung der korrigierten barometrischen Höhe kann
auch andere Fehler einbringen. Da, zum Beispiel, die korrigierte
barometrische Höhe
auf die Eingabe des richtigen lokalen Drucks durch den Piloten angewiesen
ist, kann dies ebenfalls zu Fehlern führen. In anderen Beispielen
verursacht die Verwendung von QFE-Höheneinstellungen,
wobei der Höhenmesser
so eingestellt ist, daß auf
der Landebahn "Null" abgelesen wird,
im EGPWS Probleme.
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US-A-4,431,994
offenbart eine Höhenfeststellanordnung,
die einen barometrischen Höhenmesser
mit einem Radarhöhenmesser
verknüpft.
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Ein
erster Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Bestimmen
eines modifizierten Flugzeughöhensignals,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Empfangen eines Druckhöhensignals,
eines Zulässigkeitssignals
des empfangenen Druckhöhensignals,
eines Flugzeughöhensignals
und mindestens eines Fehlersignals und eines dem Flugzeughöhensignal
zugeordneten Zulässigkeitssignals;
Initialisieren
des Druckhöhensignals;
Berechnen
eines Fehlersignals für
das Druckhöhensignal
auf der Basis der Initialisierung des Druckhöhensignals;
Kalibrieren
des empfangenen Druckhöhensignals
auf der Basis des empfangenen Flugzeughöhensignals, des mindestens
einen, dem Flugzeughöhensignal zugeordneten
Fehlersignals und des berechneten Fehlersignals für das Druckhöhensignal;
Berechnen
eines Fehlersignals für
das kalibrierte empfangene Druckhöhensignal;
Bestimmen der
Zulässigkeit
des kalibrierten empfangenen Druckhöhensignals auf der Basis des
empfangenen Zulässigkeitssignals
des empfangenen Druckhöhensignals
und dem empfangenen Zulässigkeitssignals
des empfangenen Flugzeughöhensignals; und
Erzeugen
eines modifizierten Flugzeughöhensignals auf
der Basis der bestimmten Zulässigkeit
des Druckhöhensignals,
des empfangenen Flugzeughöhensignals
und des kalibrierten Druckhöhensignals.
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Ein
zweiter Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum Bestimmen
eines modifizierten Flugzeughöhensignals,
wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:
eine Empfangskomponente
zum Empfangen eines Druckhöhensignals,
eines Zulässigkeitssignals
des empfangenen Druckhöhensignals,
eines Flugzeughöhensignals
und mindestens eines Fehlersignals und eines dem empfangenen Flugzeughöhensignal zugeordneten
Zulässigkeitssignals;
einen
Initialisierer zum Initialisieren des Druckhöhensignals;
einen Druckhöhenfehler-Rechner
zum Berechnen eines Fehlersignals für das Druckhöhensignal
auf der Basis der Initialisierung des Druckhöhensignals;
ein komplementäres Filter
zum Kalibrieren des empfangenen Druckhöhensignals auf der Basis des
empfangenen Flugzeughöhensignals,
des mindestens einen, dem Flugzeughöhensignal zugeordneten Fehlersignals
und des berechneten Fehlersignals für das Druckhöhensignal;
einen
Kalibrierter-Druckhöhenfehler-Rechner
zum Berechnen eines Fehlersignals für das kalibrierte empfangene
Druckhöhensignal;
einen
Zulässigkeitsbestimmer
zum Bestimmen der Zulässigkeit
des kalibrierten empfangenen Druckhöhensignals auf der Basis des
empfangenen Zulässigkeitssignals
des empfangenen Druckhöhensignals und
des empfangenen Zulässigkeitssignals
des empfangenen Flugzeughöhensignals;
und
einen Flugzeughöhengenerator
zum Erzeugen eines modifizierten Flugzeughöhensignals auf der Basis der
bestimmten Zulässigkeit
des Druckhöhensignals, des
empfangenen Flugzeughöhensignals
und des kalibrierten Druckhöhensignals.
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Ein
Verfahren zum Bestimmen der wahrscheinlichen Höhe insbesondere eines Flugzeugs
ist ebenfalls offenbart, ebenso ein Verfahren zum Bestimmen des
wahrscheinlichen Fehlers in der Höhe eines Flugzeugs. Die Erfindung
beinhaltet ferner eine Vorrichtung zum Durchführen der Verfahren. Als eine Basis
für die
Druckhöhe
verwenden die Verfahren die Druckhöhe, die auf einer Höhenablesung
an einer bekannten ersten Stelle wie etwa einer Abflugslandebahn
basiert, und senkrechte Veränderungen
im Hydrostatikdruck unter Verwendung einer Hydrostatikdruckgleichung,
die vom lokalen Druck abhängt,
um eine korrigierte Druckhöhe
zu berechnen. Eine lokale Temperaturmessung kann verwendet werden,
um die korrigierte Druckhöhe
weiter zu verfeinern. Die auf der Hydrostatikgleichung basierende
Höhe kann
ferner mit einer Höhenmessung
von einer sekundären Quelle
wie etwa einer globalen Positionierungseinheit oder einem Funkhöhenmesser
ergänzt
werden. Vorzugsweise verwendet das Verfahren eine globale Positionierungssatellitenhöhe (GPS-Höhe), um
die Druckhöhe,
die auf der Hydrostatikgleichung basiert, zu ergänzen. Die GPS-Höhe kann
aufgrund der beabsichtigten Abweichung, die der Höhenablesung durch
Verwaltungen auferlegt wird, kurzfristig verhältnismäßig ungenau sein. Langfristig
ist die GPS-Höhe jedoch
typischerweise sehr stabil. Im Gegensatz dazu kann die auf der Hydrostatikgleichung
basierende Höhe
kurzfristig sehr genau sein, neigt jedoch aufgrund von langfristigen
Integrationsgleichungsfehlern wie auch der waagerechten Bewegung über Druckgradienten
langfristig zum Aufbau von Fehlern. Die Höhen können unter Verwendung eines
komplementären
Filters verknüpft
werden, dass die langfristige Genauigkeit von GPS-Höhen mit
der kurzfristigen Genauigkeit der auf der Hydrostatikgleichung basierenden
Höhe verknüpft. Das
komplementäre
Filter kann so gestaltet sein, daß es den langfristigen Fehler
der Hydrostatikgleichung ausfiltert wie auch den kurzfristigen Fehler
der GPS-Höhe verringert.
Das komplementäre
Filter verwendet vorzugsweise eine variable Zeitkonstante, um optimierte
Ergebnisse zu erzielen. In einer Ausführungsform basiert die Zeitkonstante
auf einem geschätzten
Fehler in der GPS-Höhe
zu jeder beliebigen gegebenen Zeit.
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Für jede Höhe, die
verwendet wird, um die endgültige
Höhenlösung zu
berechnen, wird vorzugsweise ein geschätzter Höhenfehler berechnet. Diese
geschätzten
Höhenfehler
können
verwendet werden, um die endgültige
Höhenlösung zu
gewichten. Wenn, beispielsweise, die Höhe aus dem Durchschnitt einer
Höhe auf
Basis der Hydrostatikgleichung, einer globalen Positionierungshöhe und einer Funkhöhenmessungshöhe besteht,
wird der geschätzte
Fehler für
jede dieser Höhen
auf Basis jener Faktoren berechnet, die zu Fehlern in der in Betracht gezogenen
bestimmten Höhe
beitragen. Höhen,
die größere geschätzte gegenwärtige Fehler
aufweisen, werden in der endgültigen
Lösung
außer
Acht gelassen, und jenen Höhen,
die kleinere Fehler aufweisen, wird in der endgültigen Lösung größeres Gewicht gegeben. Vorzugsweise
beinhaltet der Algorithmus zum Verknüpfen der verschiedenen Höhen zu einer
endgültigen
Höhenlösung auch
ein Fenster oder ein Filter, das wir als eine "Angemessenheitsprüfung" bezeichnen werden, die berücksichtigt,
ob jede beliebige gegebene Höhe
zu jeder beliebigen gegebenen Zeit eine angemessene Schätzung der
tatsächlichen Höhe ist.
Jene Höhen,
die als unangemessen erachtet werden, werden in der endgültigen Höhenlösung nicht
berücksichtigt.
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Nach
einem Gesichtspunkt der Erfindung wird die Zeitkonstante, die im
komplementären
Filter verwendet wird, um die GPS-Höhe zu korrigieren, aus einer
optimierten Formel berechnet, die die geschätzten Fehler sowohl in der
GPS-Höhe
als auch in der Druckhöhe
berücksichtigt.
In einer zweiten Ausführungsform
basiert die Zeitkonstante nur auf einer Schätzung des Fehlers in der GPS-Höhe.
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1 und 2A bis 2D zeigen
ein Gesamtblockdiagramm eines Höhenkorrekturverfahrens
nach einem Gesichtspunkt der Erfindung. Das Verfahren macht von
zusätzlichen
Sensoren am Flugzeug Gebrauch, um zu einer Gesamtschätzung der
wirklichen geometrischen Höhe
des Flugzeugs zu gelangen. Das Verfahren kann die folgenden sechs
Hauptquelle für
die Höhenbestimmung
beinhalten:
- 1. eine Druckhöhenberechnung aus dem statischen
Druck, wobei die lokale Temperatur beinhaltet sein kann,
- 2. eine GPS-Höhen-Verarbeitung,
- 3. eine Kalibrierung der Druck- oder einer anderen Höhe mit der
GPS-Höhe,
- 4. eine Kalibrierung der Druck- oder einer anderen Höhe mit der
Funkhöhe,
- 5. eine korrigierte barometrische Höhenverarbeitung,
- 6. eine Gesamtvermengung und eine Angemessenheitsprüfung.
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Andere
Quellen zur Höhenbestimmung
können
ebenfalls aufgenommen werden. Der Algorithmus der Erfindung verwendet
eine genaue Schätzung
der Fehler eines jeden der Eingangssignale. Der Algorithmus stellt
große
Druckhöheneinstellfehler
automatisch fest und beinhaltet eine Logik zum Feststellen und Korrigieren
der QFE-Höheneinstellung,
bei der der Höhenmesser
so eingestellt wird, daß er
auf der Landebahn eine Ablesung von "Null" aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Diagramm, das
die Gliederung von 2A bis 2D darstellt, die gesammelt
ein Gesamtblockdiagramm des Höhenalgorithmus
nach einem Gesichtspunkt der Erfindung darstellen.
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2A bis 2D stellen gesammelt ein Gesamtblockdiagramm
des Höhenalgorithmus
nach einem Gesichtspunkt der Erfindung dar.
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3 zeigt ein Diagramm, das
die Gliederung von 4A bis 4D darstellt, die gesammelt
das Blockdiagramm einer Druckhöhenberechnung
darstellen.
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4A bis 4D stellen gesammelt das Blockdiagramm
einer Druckhöhenberechnung
dar.
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5 zeigt ein Diagramm, das
die Gliederung von 6A bis 6D darstellt, die gesammelt
das Blockdiagramm einer Kalibrierung der Druckhöhe mit der GPS-Höhe darstellen.
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6A bis 6D stellen gesammelt das Blockdiagramm
einer Kalibrierung der Druckhöhe
mit der GPS-Höhe
dar.
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7 zeigt ein Diagramm, das
die Gliederung von 8A bis 8F darstellt, die gesammelt
das Blockdiagramm einer Funkhöhenkalibrierung
der Druckhöhe
darstellen.
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8A bis 8F stellen gesammelt das Blockdiagramm
einer Funkhöhenkalibrierung
der Druckhöhe
dar.
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9 zeigt ein Diagramm, das
die Gliederung von 10A bis 10F darstellt, die gesammelt das
Blockdiagramm für
die korrigierte barometrische Höhe
darstellen.
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10A bis 10F stellen gesammelt ein Blockdiagramm
zum Korrigieren der barometrischen Höhe dar.
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11A stellt das Logikdiagramm
einer Angemessenheitsprüfung
dar.
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11B stellt die Logik eines
endgültigen
Signalauswahlprozesses dar.
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11C stellt ein Logikdiagramm
zum Bestimmen, ob die selektive Verfügbarkeit übermäßig ist, dar.
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12 stellt das Blockdiagramm
eines komplementären Filters
dar, das verwendet wird, um die verknüpfte GPS-Höhe
und Hydrostatikdruckhöhe
zu korrigieren.
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13 stellt ein Kurvenbild
der Zeitkonstanten Tau als eine Funktion des Fehlerausgangssignals VFOM
während
des waagerechten Flugs dar.
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14 stellt ein Kurvenbild
der Zeitkonstanten Tau als eine Funktion des Fehlerausgangssignals VFOM
während
des Steig- und Sinkflugs dar.
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15 stellt ein Kurvenbild
dar, das optimierte Werte der Zeitkonstanten Tau im Vergleich zu vorgewählten Werten
von Tau zeigt.
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16 stellt ein Kurvenbild
dar, das vorhergesagte Filterausgangssignalwerte für optimierte Werte
der Zeitkonstanten Tau im Vergleich zu vorgewählten oder standardisierten
Werten von Tau zeigt.
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17 ist ein Kurvenbild von
Daten, die beim Verstehen eines oder mehrerer Gesichtspunkte der
Erfindung helfen.
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18 ist ein Kurvenbild von
Daten, die beim Verstehen eines oder mehrerer Gesichtspunkte der
Erfindung helfen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
DER ERFINDUNG
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Es
werden Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe und eines
geschätzten Fehlers
in der Höhe
offenbart. Das Verfahren berücksichtigt
die durch verschiedenste Mittel berechnete Höhe, und für jede Höhe kann auch ein geschätzter Fehler
berechnet werden. Die endgültige
Höhe (geschätzt) wird
durch Berücksichtigen
der verschiedenen Höhen,
die durch verschiedenste Mittel bestimmt wurden, und des geschätzten Fehlers
für jede
der Höhen
bestimmt, und läßt vorzugsweise
jene Höhen außer Acht,
die einen größeren Fehler
aufweisen, während
sie jenen Höhen,
die einen geringeren geschätzten
Fehler aufweisen, ein größeres Gewicht gibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
verwendet die Erfindung eine erste Höhe, die unter Verwendung einer
Hydrostatikgleichung auf Basis einer ersten bekannten Höhe an einem
Ursprungspunkt wie etwa der Abflugslandebahn berechnet wird, und den
lokalen Druck an dem Punkt, an dem eine Kenntnis der Höhe gewünscht wird.
Die Hydrostatikgleichung kann durch eine Messung der lokalen Temperatur
ergänzt
werden. Eine zweite Höhe,
die vorzugsweise eine Höhe
ist, die von einem globalen Positionierungssatellitensystem (GPS-System)
bestimmt wird, wird in Verknüpfung
mit der ersten Höhe
verwendet. Wechselweise kann anstelle der globalen Positionierungshöhe eine
Funkhöhe
verwendet werden. Bevorzugter wird die Funkhöhe in Verbindung mit der globalen
Positionierungshöhe
verwendet.
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Die
Verknüpfung
der Hydrostatikhöhe
und der globalen Positionierungshöhe ist vorzuziehen, da die
Hydrostatikhöhe
kurzfristig verhältnismäßig genau
bestimmt werden kann, sich aber langfristig aufgrund von kumulativen
Integrationsfehlern in der Lösung
wie auch die waagerechte Bewegung über Druckgradienten verschlechtert.
Im Gegensatz dazu ist die GPS-Höhe
langfristig verhältnismäßig genau, kurzfristig
jedoch etwas ungenau. Dies ist das Ergebnis einer absichtlich zitternden
Frequenz oder einer selektiven Verfügbarkeit, die dem GPS-Signal
aus Gründen
der Sicherheit der Verwaltung auferlegt wird. In der bevorzugten
Ausführungsform,
bei der die Hydrostatikhöhe
und die GPS-Höhe
verwendet werden, um die endgültige
Höhe zu
bestimmen, werden die zwei Komponenten unter Verwendung eines komplementären Filters
verknüpft,
um den langfristigen Fehler der Hydrostatikgleichung auszufiltern
und den kurzfristigen Fehler der GPS-Höhe zu verringern. Das Filter
verwendet einen Algorithmus, der vorzugsweise auf einer Zeitkonstanten
basiert, die eine Funktion des geschätzten Fehlers in der GPS-Höhe ist.
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Die
Zeitkonstante kann basierend auf einer Optimierungsgleichung berechnet
werden, die den geschätzten
Fehler in der GPS-Höhe
und eine Schätzung
der zitternden Frequenz der selektiven Verfügbarkeit, die in das GPS-Signal
eingebracht wird, berücksichtigt.
Zusätzlich
berücksichtigt
die optimierte Gleichung den geschätzten Fehler in der Hydrostatikhöhe. Wechselweise
kann die Zeitkonstante (Tau) aus einer Nachschlagetabelle gewählt werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
werden mehrere Quellen der Höhe
miteinander verknüpft, um
zu einer optimierten endgültigen
Höhenlösung zu gelangen.
Bevorzugter ist jede der Höhen,
die in der endgültigen
Berechnung verwendet wird, mit einem entsprechenden geschätzten Fehler
versehen. Vor dem Verknüpfen
jeder beliebigen gegebenen Höhe zur
endgültigen
Höhenlösung wird
die Höhe
bevorzugter gegen ein Filter oder ein Fenster geprüft, das in
Betracht zieht, ob die Höhe
angemessen ist und in der endgültigen
Berechnung verwendet werden sollte, und unangemessen ist und nicht
verwendet werden sollte. Danach werden die verbleibenden Höhen vorzugsweise
nach dem Inversen des zugeordneten Fehlers gewichtet, um zu einer
bevorzugten Lösung zu
gelangen. Der geschätzte
Fehler für
jede Höhe basiert
auf den möglichen
Fehlerquellen für
jene Höhe,
die wahrscheinlich eine bemerkbare Auswirkung auf die Höhe aufweisen
werden.
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Ausführungsformen
der Erfindung umfassen ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen der
wahrscheinlichen Höhe
eines Flugzeugs und des geschätzten
Fehlers jener Höhe.
Die Vorrichtung ist so gestaltet, daß sie Signale von einer Vielfalt
von Höhenbestimmungsquellen
empfangen kann, welche GPS, Druck- und Temperaturmessungen für die Hydrostatikberechnung,
einen Funkhöhenmesser
und eine lokal gesendete Höhe
beinhalten können.
Die Vorrichtung beinhaltet einen Prozessor, einen computerlesbaren
Speicher und eine Ausgabeanzeige. Der computerlesbare Speicher ist
so gestaltet, daß er die
verschiedenen der Höhe
zugeordneten Daten und andere sensorische Messungen, die verwendet werden,
um die Höhe
und den geschätzten
Fehler der Höhen
zu berechnen, empfangen und speichern kann. Der Prozessor ist ferner
mit einer Serie von ausführbaren
Computerbefehlen zum Berechnen der geschätzten Fehler und der korrigierten
Höhen und zum
Verknüpfen
der Höhen
zu einer endgültigen
Höhenlösung wie
auch zum Durchführen
einer Bestimmung, welche Höhen
in der endgültigen
Höhenberechnung
verwendet werden sollten, versehen. Sobald eine endgültige Höhe berechnet
ist, werden die Höhe
und ihr entsprechender geschätzter
Fehler einem Benutzer durch eine Ausgabeanzeige bereitgestellt,
die beispielsweise eine Digitalanzeige oder eine Flüssigkristallbildschirmanzeige
umfassen kann.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung gestaltet, um in Verbindung mit dem verbesserten
Bodennähewarnungssystem
(EGPWS) zu arbeiten, um einem Piloten Informationen hinsichtlich
einer Beeinträchtigung
der Flugroute durch den Boden bereitzustellen. Um genau zu bestimmen,
ob die Flugroute beeinträchtigt
werden könnte,
ist es wichtig, daß dem
EGPWS eine genaue Schätzung
der gegenwärtigen
geometrischen Höhe
des Flugzeugs bereitgestellt wird.
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Besondere
Gesichtspunkte der Erfindung werden nun ausführlich bereitgestellt werden.
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BESTIMMUNG
DER HYDROSTATIKHÖHE
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Die
durch den Luftdatencomputer (ADC) berechnete Druckhöhe kann
verglichen mit der wirklichen geometrischen Höhe des Flugzeugs merklich falsch
sein und wird in erster Linie durch die Verwendung eines atmosphärischen
Standardmodells und insbesondere die Annahme einer linearen Temperaturabfallsrate
verursacht. Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Höhenberechnung
auf Basis der Hydrostatikgleichung bereit, die sich nicht auf diese
Annahmen verläßt.
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Der
Hydrostatikhöhenalgorithmus
verwendet die Standardhydrostatikgleichung der Atmosphäre. Zunehmende
Veränderungen
in der Höhe
dZ und im Druck dP stehen wie folgt in Zusammenhang: dZ = (T*R/gP)dP Gleichung 1wobei
P
der atmosphärische
Druck,
Z die geometrische Höhe,
T
die Lufttemperatur,
g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft,
R
die universelle Gaskonstante
ist.
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Das
Lösen von
Gleichung 1 durch trapezförmige
Integration führt
zu Zn = Zn1 – R/2g*[(Tn/Pn)
+ (Tn1/Pn1)]*
(Pn – Pn1) Gleichung 2wobei
n
die gegenwärtige
Abtastung,
n1 die letzte Abtastung
ist.
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Die
Echtzeitberechnung von Gleichung 2 bildet den grundlegenden Hydrostatikhöhenalgorithmus.
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Die
Hydrostatikhöhe
muß beim
Anlaufen initialisiert werden. Wenn sich das Flugzeug am Boden befindet,
wird die Hydrostatikhöhe
auf die gegenwärtige
Landebahnortshöhe
initialisiert. Wenn das Hochfahren in der Luft auftritt, wird die
Hydrostatikhöhe
auf die GPS-Höhe
initialisiert. Die grundlegende Hydrostatikgleichung basiert auf
einer senkrechten Luftsäule
und zieht keine Fehler aufgrund des Flugs des Flugzeugs durch Druckgradienten
in Betracht. Gute Druck- und Temperatursensoren vorausgesetzt wird der
Druckgradientenfehler zur vorherrschenden Fehlerquelle. Vor dem
Verwenden der Standard-ADC-Gleichungen war der Druckunterschied zwischen
der angenommenen Standardatmosphäre und
der wirklichen Atmosphäre
die vorherrschende Fehlerquelle.
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Die
Hydrostatikhöhe
ist zum Messen relativer senkrechter Veränderungen über kurze Zeiträume und
Entfernungen wie etwa während
des Starts und des Anflugs äußerst genau.
Die Hydrostatikhöhe stellt
keine absolute Höhe
bereit und ist aufgrund der Auswirkungen von Druckgradienten und
Langzeitintegrationsfehlern für
bedeutende Fehler anfällig.
Aufgrund dieser Beschränkungen
wird die Hydrostatikhöhe
nicht direkt verwendet, sondern vor der Verwendung in der endgültigen Höhenlösung mit
zusätzlichen
Signalen wie etwa der GPS-Höhe
verknüpft. Dies
ist in späteren
Abschnitten ausführlich
beschrieben.
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SCHWERKRAFTBERECHNUNG
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Die
Schwerkraft ist keine Konstante, sondern schwankt als eine Funktion
der Höhe
und der Breite. Diese Schwerkraftabweichung ist äußerst klein und könnte ignoriert
werden, aber die Erfindung kann durch Verwenden der Gleichung g = g0*[1 – (2*Z/RE)] Gleichung 3 wobei
g0
die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft auf Meereshöhe, 9,80665
m/sek2,
Z die Druckhöhe,
RE
der mittlere Erdradius WGS-84 = 6,378,178 Meter,
ist,
auch
diese Abweichung in Betracht ziehen.
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SCHÄTZUNGSFEHLER – HYDROSTATIKHÖHE
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Wie
oben erwähnt
hängt der
Höhenalgorithmus
von einer genauen Schätzung
des gegenwärtigen
Fehlers ab. Für
die Hydrostatikhöhe
sind die Fehlerquellen:
- 1. ein Drucksensorfehler,
- 2. ein Temperatursensorfehler,
- 3. atmosphärische
Fehler,
- 4. Berechnungsfehler,
- 5. ein Initialisierungsfehler.
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Genaue
Druck- und Temperatursensoren stellen eine Gesamtgenauigkeit bereit.
Man meint, daß gegenwärtige ARINC-geeignete
Sensoren, die an den meisten Flugzeugen verwendet werden, eine ausreichende
Genauigkeit bereitstellen. Die Genauigkeit von Druck- und Temperatursensorfehlern
wird beispielsweise wie folgt angenommen:
Druckfehler = ± 0,6 Millibar
Temperaturfehler
= ± 2,0°C
Temperatur-
und Druckzeitkonstante = 1 Sekunde
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Zur
Beachtung: Diese Fehler sind das Doppelte des ARINC 706 ADC-Standards.
Die Simulation zeigt, daß die
während
des Steigflugs angehäufte Sensorfehler
dazu neigen, sich während
des nachfolgenden Sinkflugs aufzuheben. Atmosphärische Fehler bestehen aus
Fehlern im Modell der Atmosphäre wie
auch aus Druckgradientenfehlern.
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Berechnungsfehler
treten aufgrund der Langzeitintegration, die durch die Hydrostatikgleichung
benötigt
wird, als Ergebnis der in der Berechnung verwendeten Integrationsrate
und Genauigkeit auf. Es wird eine Gleitkommamathematik verwendet, um
die Langzeitintegrationsfehler bei einem Mindestwert zu halten.
Eine Analyse hat gezeigt, daß der Fehler
aufgrund der Integrationsrate von einer Sekunde klein ist. Diese
Fehler werden durch den Konservatismus im Gesamtfehlermodell abgedeckt.
Der Initialisierungsfehler ist der erwartete Fehler im anfänglichen
Wert, der dem Algorithmus gegeben wird. Am Boden ist dies die Landebahnortshöhe. Diese liegt
innerhalb ±50
Fuß. In
der Luft ist dies die GPS-Höhe,
und der Fehler ist daher GPS VFOM (vertikaler Gütefaktor). Um die obigen Fehler
abzudecken, basiert der geschätzte
Fehler (VFOM) auf dem Folgenden:
- 1. der Zeit
seit der Initialisierung,
- 2. der seit der Initialisierung zurückgelegten Entfernung,
- 3. Höhenveränderungen
seit der Initialisierung,
- 4. dem geschätzten
Fehler bei der Initialisierung.
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Eine
Analyse von Flugversuchsdaten und eine Analyse von Wetterdaten wird
verwendet, um die obigen Werte festzusetzen. Beispielsweise sind die
verwendeten anfänglichen
Werte
Zeit = 50 Fuß/Stunde;
Entfernung
= 1,5 Fuß pro
Seemeile;
Höhenveränderungen
= 1,0% der Höhe;
Initialisierungsfehler
= 50 Fuß am
Boden, GPS VFOM in der Luft.
-
Da
die obigen Fehler unkorreliert sind, wird das RSS- Verfahren verwendet,
um wie nachstehend gezeigt zum endgültigen VFOM zu gelangen: VFOM = √(Zeit2 +
Entfernung2 + Höhe2 +
Initialisierung2) Gleichung
4
-
Betrachten
Sie als Beispiel einen dreistündigen
Flug, in dem das Flugzeug auf 36000 Fuß steigt und dann zu einem
Flughafen auf Meereshöhe
absinkt. Nehmen Sie an, daß sich
das Flugzeug während
dieses Fluges mit einer Geschwindigkeit von 750 Seemeilen fortbewegt.
Die geschätzte
Genauigkeit der Hydrostatikhöhe
bei der Ankunft ist durch VFOM = √(50*3)2 + (750*0,5) + (36000*0,001)2 +
(50)2 gegeben. VFOM =
543 Fuß
-
3 und 4A bis 4D stellen
das Blockdiagramm der Hydrostatikhöhenberechnung dar.
-
GPS-HÖHENVERARBEITUNG
-
Bei
aktiver selektiver Verfügbarkeit
(SA) beträgt
die gegenwärtige
garantierte Genauigkeit der GPS-Höhe 150 Meter bei 95%. Aufgrund
dieses Fehlers weist die GPS-Höhe alleine
nur eine beschränkte Verwendung
auf. Die Erfindung vermengt die GPS-Höhe mit anderen Sensoren, um
die gewünschte
Genauigkeit zu erzielen. Die Hauptfehlerquelle in der GPS-Höhe ist auf
die selektive Verfügbarkeit
zurückzuführen, die
das Ergebnis eines beabsichtigten Zitterns des Satellitentakts ist.
Dieses Zittern des Satellitentakts erscheint als ein sich langsam
verändernder
Fehler mit einer Periode von etwa 5 Minuten. Die GPS-Höhe ist zur
Verwendung durch das EGPWS auf die mittlere Meereshöhe ausgangsbezogen. Der GPS-Empfänger weist
ein Modell des WGS-84-Geoids auf, wobei das WGS-84 eine Annäherung der
Oberfläche
der Erde ist, die ein Koordinatensystem definiert, das eine Bezugsoberfläche für GPS bereitstellt,
und das Geoid ist der Unterschied zwischen dem WGS-84-Modell und
der wirklichen Oberfläche
der Erde. Da die GPS-Höhe
eine leidlich genaue Schätzung
ihrer gegenwärtigen
Genauigkeit bereitstellt, benutzt sie die Erfindung als eine Angemessenheitsprüfung hinsichtlich
der anderen Höhenberechnungen.
Höhen,
die nicht innerhalb des Fensters der GPS-Höhe ± GPS VFOM liegen, werden
als unzulässig
betrachtet und nicht für
die endgültige
Höhenlösung verwendet.
Die empfängerautonome
Integritätsüberwachung
(RAIM) ist ein Standardalgorithmus, der im GPS-Empfänger ausgeführt wird,
um die Integrität
der GPS-Signale zu prüfen.
Die GPS-Höhe wird
nicht verwendet, wenn sie unzulässig
ist, oder wenn die RAIM ein Versagen festgestellt hat, bei dem sie
nicht fortfahren kann. Zusätzlich
wird der Wert der vertikalen Integritätsgrenze (VIL) anstelle von
VFOM als die Genauigkeitsschätzung
verwendet, wenn der RAIM-Algorithmus ein Satellitenversagen festgestellt hat,
aber nicht fähig
ist, dieses von der Lösung
zu isolieren.
-
Eine
zusätzliche
Berücksichtigung
wird Höhenunterstützungsalgorithmen
geschenkt, die in den meisten modernen GPS-Motoren verwendet werden. Da
die Erfindung wie später
beschrieben die GPS-Höhe
verwendet, um die Druckhöhe
zu kalibrieren, wird Sorgfalt darauf verwendet, zu Bestimmen, daß die GPS-Höhe nicht bereits mit Druckhöhenfehlern
verfälscht
ist. Die meisten modernen GPS-Motoren verwenden in der Navigationslösung die
Druckhöhe,
doch sie ist in der endgültigen
Lösung
merklich in der Gewichtung verringert. Dies ist zumindest der Fall,
wenn viele Satelliten verfügbar
sind. Mit der Abnahme der Anzahl von Satelliten in der Lösung nimmt die
Auswirkung der Druckhöhe
auf die endgültige
Höhenlösung zu.
Daher zieht die Erfindung die Anzahl der verwendeten Satelliten
und, wenn verfügbar,
das Statuswort, das angibt, ob eine Höhenunterstützung verwendet wird, in Betracht.
Wenn eine Höhenunterstützung verwendet
wird, wird die Kalibrierung verzögert,
bis die Anzahl der Satelliten zunimmt. Der vertikale Gütefaktor
(VFOM) des GPS wird als die gegenwärtige Schätzung der Genauigkeit der GPS-Höhe verwendet,
solange kein wie oben beschriebenes nichtisolierbares Satellitenversagen
auftritt, in welchem Fall die senkrechte Integritätsgrenze
(VIL) verwendet wird.
-
KALIBRIERUNG
DER HYDROSTATIKHÖHE
MIT DER GPS-HÖHE
-
Wie
im Abschnitt zur Hydrostatikhöhe
beschrieben sammeln sich Hydrostatikhöhenfehler als eine Funktion
der Zeit, der Entfernung und von Höhenveränderungen an. Aufgrund dieser
Ansammlung von Fehlern ist es wünschenswert,
die Hydrostatikhöhe
gelegentlich zu rekalibrieren. Wenn eine andere Quelle der Höhenschätzung anstelle
der oder ergänzend
zur Druckhöhe
verwendet wird, sollte die Fehlerquelle in jener Quelle ebenfalls
auch berücksichtigt werden.
Die GPS-Höhe
kann verwendet werden, um dies zu tun. Siehe 5 und 6A bis 6A, was das Blockdiagramm
betrifft. Die Rekalibrierung der Hydrostatikhöhe wird mit einem komplementären Filter erreicht.
Wann immer die geschätzte
GPS-Höhengenauigkeit
geringer als die gegenwärtige
geschätzte geometrische
Höhengenauigkeit
ist, wird dem komplementären
Filter ein Verfolgen gestattet. Während des Verfolgens lautet
die Übergangsfunktion
wie folgt: GPSHge
= Hgps/(Tau*S + 1) +
Tau*S*Hge/(Tau*S + 1) Gleichung 5Wobei
GPSHge
die GPS-kalibrierte Hydrostatikhöhe,
Hgps
die GPS-Höhe,
Hge
die Hydrostatikhöhe,
Tau
die Filterzeitkonstante, die nachstehend besprochen wird,
S
der Laplace-Operator
ist.
-
Ein
Blockdiagramm des komplementären
Filters ist in 12 dargestellt.
Die Filterzeitkonstante, Tau oder ϑ, ist eine Funktion
des gegenwärtigen GPS-Gütefaktors.
Die Zeitkonstante ist um so niedriger, je geringer GPS VFOM ist.
Daher folgt das Ausgangssignal um so schneller der GPS-Höhe, je genauer
das GPS ist. Wenn sich die Genauigkeit des GPS verschlechtert, folgt
das Ausgangssignal der Druckhöhe
um so enger. Wenn der GPS-Gütefaktor zunimmt,
hält das
Filter das Verfolgen an. Dies wird durch Einstellen der Zeitkonstanten
auf unendlich erreicht. An diesem Punkt wird das Filterausgangssignal GPSHge = Hge + K Gleichung 6wobei
K
der letzte erlangte Korrekturwert vom Filter ist.
-
Wenn
sich der Filter für
einen langen Zeitraum im Verfolgemodus befunden hat, würden K = Hgps – Hge und
GPSHge bei der Haltezeit "0" Hgps gleich sein.
-
An
diesem Punkt wird der GPSHge geschätzte Gutefaktor mit dem GPS
VFOM festgelegt. Während
er sich in diesem Haltemodus befindet, wird dem geschätzten Gütefaktor
gestattet, wie nachstehend beschrieben auf Basis der angenommenen Fehlerraten
der Hydrostatikhöhe
zu driften. Wenn der geschätzte
GPSHge-Fehler den gegenwärtigen
GPS VFOM plus einen zusätzlichen
Faktor, zum Beispiel 50 Fuß, übersteigt,
beginnt das Filter erneut mit dem Verfolgen. Zusätzlich befindet sich das Filter
im Verfolgemodus, wenn sich der GPS VFOM unter die gegenwärtige Schätzung verbessert.
Während
der GPS VFOM konstant bleibt, wird sich das Filter im Verfolgemodus
befinden. Am Boden wird das Filter mit dem Unterschied zwischen
der Druckhöhe
und der Landebahnortshöhe
initialisiert.
-
Bei
einem Hochfahren in der Luft wird das Filter auf den Unterschied
zwischen der GPS-Höhe und
der Druckhöhe
voreingestellt. Das Filter wird in den Verfolgemodus gestellt. Dies
führt dazu,
daß das Ausgangssignal
die GPS-Höhe
ist und VFOM dem GPS VFOM gleich ist. Wie im GPS-Abschnitt beschrieben
ist der größte Fehler
in der GPS-Höhe
auf die Auswirkungen der SA zurückzuführen. Durch
das Wählen
einer Zeitkonstanten, die groß genug
ist, werden die Auswirkungen der SA verringert. Zusätzlich nimmt
der GPS VFOM während
Zeiträumen
von großen
SA-Fehlern typischerweise zu. Da sich das Filter während dieser
Zeiten nicht im Verfolgemodus befindet, beeinflussen die SA-Fehler
das Filter nicht.
-
SCHÄTZUNGSFEHLER – GPS-KALIBRIERTE
HYDROSTATIKHÖHE
-
Die
Fehler in der GPS-Kalibrierung der Hydrostatikhöhe sind grundsätzlich der
GPS VFOM bei der Kalibrierung und die Veränderung von Höhenschätzungsfehlern.
Wie oben erwähnt
ist der Fehler am Boden der Fehler in der Landebahnortshöhe. Sobald
man sich in der Luft befindet, ist der Fehler GPS VFOM, wenn sich
das Filter im Verfolgemodus befindet. Wenn sich das Filter im Haltemodus
befindet, basiert der Fehler auf Folgendem:
- 1.
der Zeit seit dem letzten Verfolgen,
- 2 der zurückgelegten
Entfernung seit dem letzten Verfolgen,
- 3. Höhenveränderungen
seit dem letzten Verfolgen,
- 4. dem GPS VFOM beim letzten Verfolgen.
-
Die
Punkte 1 bis 3 basieren auf der Hydrostatikhöhenfehlerrate und entsprechen
ihnen daher.
-
Beispielsweise
sind die verwendeten Anfangswerte
Zeit = 50 Fuß pro Stunde;
Entfernung
= 1,5 Fuß pro
Seemeile;
Höhenveränderungen
= 10 Fuß für jede 1000
Fuß der
Höhenveränderung.
-
Da
die obigen Fehler unkorreliert sind, wird das RSS-Verfahren verwendet,
um wie nachstehend gezeigt zum endgültigen VFOM zu gelangen: VFOM = √(Zeit2 +
Entfernung2 + Höhenveränderung2 +
GPSVFOMhalten2) Gleichung
7
-
Betrachten
Sie als ein Beispiel einen Flug, bei dem die Höhe zuletzt bei 3000 Fuß, 10 Seemeilen von
der Landebahn entfernt kalibriert wurde. Nehmen Sie außerdem an,
daß das
Flugzeug bis zur Ankunft am Flughafen 5 Minuten benötigt. Nehmen
Sie außerdem
an, daß der
GPS VFOM bei der Kalibrierung 250 Fuß war. Die geschätzte Genauigkeit
bei der Ankunft ist durch VFOM = √[50*0,067)2 + (10*0,5)2 + (3000*0,01)2
+ (250)2]gegeben. VFOM = 251 Fuß
-
FUNKHÖHENKALIBRIERUNG
DER HYDROSTATIKHÖHE
-
Die
Hydrostatikhöhe
kann beim Anflug auch unter Verwendung der Funkhöhe kalibriert werden. Dies
ist über
ziemlich flachem Gelände
höchst
nützlich,
wo es zu einem sehr genauen Kalibrierungswert führen kann, und helfen kann,
die Gesamtgenauigkeit nahe an der Landebahn zu verbessern, wenn Genauigkeit
am meisten benötigt
wird. 7 und 8A bis 8F stellen das Blockdiagramm dar. Der Kalibrierungswert
basiert auf dem gegenwärtigen Wert
der Funkhöhe
und dem durchschnittlichen Geländedatenbankwert
unter dem Flugzeug. Der durch den Funkhöhenmesser abgedeckte Bereich
auf der Geländedatenbank
ist eine Funktion der Höhe
des Flugzeugs, der Datenbankauflösung,
des Antennenmusters und des Funkhöhenverarbeitungsalgorithmus,
d. h., ein Verfolgen der Vorderflanke und ein Mitteln. Beispielsweise
stellt die EGPWS-Geländedatenbank
einen "Neun-Zellen-Bereich" um die gegenwärtige Position
des Flugzeugs bereit, worin die Datenbank in neun Quadrate von gleicher
Größe in einem
Muster von 3 × 3
zerteilt wird, die rechtweisend Nord ausgerichtet sind, wobei das
Flugzeug das Mittelquadrat einnimmt. Der "Neun-Zellen-Bereich" bezieht sich auf die neun Quadrate
um die gegenwärtige
Position des Flugzeugs. Um die Berechnungen zu vereinfachen, wird
der Neun-Zellen-Bereich um die gegenwärtige Position des Flugzeugs
gemittelt, um den zu verwendenden Datenbankwert zu bestimmen. Der
Korrekturwert ist dann Fehler
= Hr + DBOrtshöhe – Hge Gleichung 8wobei
Fehler
der Fehlerkorrekturfaktor,
Hr der Funkhöhenwert,
DBOrtshöhe der durchschnittliche
Geländedatenbankwert
von neun Zellen,
Hge die Hydrostatikhöhe
ist.
-
Die
Kalibrierung der Hydrostatikhöhe
erfolgt nur, wenn sich das Flugzeug im Anflugmodus befindet, die
Funkhöhe
weniger als 2000 Fuß beträgt, die Flügel waagerecht
stehen und sich das Flugzeug innerhalb von zehn Seemeilen von der
Landebahn befindet. Nachdem eine Kalibrierung abgeschlossen ist, wird
sie nicht wiederholt, bis wie nachstehend beschrieben ein genauerer
Kalibrierungswert erhalten wird. Die funkhöhenkalibrierte Hydrostatikhöhe wird ungültig gestellt,
bis die erste Kalibrierung abgeschlossen ist. Sie bleibt dann gültig, bis
das Flugzeug landet.
-
GESCHÄTZTE DATENBANKGENAUIGKEIT
-
Die
geschätzte
Genauigkeit der Kalibrierung ist in erster Linie eine Funktion der
Datenbankgenauigkeit, der Auflösung
und der Flachheit. Eine Schätzung
der Flachheit des Geländes
wird durch Berechnen der Standardabweichung der Neun-Zellen-Datenbankwerte
erhalten. Sie wird zur einer festen Schätzung auf Basis der Datenbankauflösung addiert.
Für eine
höhere
Auflösung
bestehen geringere Werte. Wenn die Berechnungen bestimmen, daß sich das
Flugzeug über
Wasser befindet, d. h., die Standardabweichung "Null" und
die durchschnittliche Ortshöhe "Null" beträgt, wird
die geschätzte
Datenbankgenauigkeit mit "Null" festgesetzt. Wenn
die Kalibrierung abgeschlossen ist, wird die geschätzte Datenbankgenauigkeit
wie auch die gegenwärtige
Flugzeugposition, die Höhe
und die Systemzeit zwischengespeichert. Dieser Kalibrierungswert
wird solange verwendet, bis sich das Flugzeug über einen Bereich mit einer
höheren
geschätzten
Datenbankgenauigkeit bewegt, zu welchem Zeitpunkt die Kalibrierung wiederholt
werden wird.
-
SCHÄTZFEHLER – FUNKHÖHENKALIBRIERUNG DER
HYDROSTATIKHÖHE
-
Die
Fehler in der Funkhöhenkalibrierung
der Hydrostatikhöhe
sind in erster Linie die Genauigkeit der Kalibrierung und die Veränderung
der Hydrostatikhöhenschätzfehler
mit der Zeit, der Entfernung und der Höhe.
-
Der
Fehler basiert auf Folgendem:
- 1. der Zeit seit
der letzten Kalibrierung;
- 2. der zurückgelegten
Entfernung seit der letzten Kalibrierung;
- 3. Höhenveränderungen
seit der letzten Kalibrierung;
- 4. der geschätzten
Datenbankgenauigkeit bei der letzten Kalibrierung; und
- 5. der geschätzten
Funkhöhengenauigkeit.
-
Die
Punkte 1 bis 3 basieren auf der Hydrostatikhöhenfehlerrate und entsprechen
ihnen daher. Beispielsweise sind die verwendeten Anfangswerte
Zeit
= 50 Fuß pro
Stunde;
Entfernung = 1,5 Fuß pro Seemeile;
Höhenveränderungen
= 10 Fuß für jede 1000
Fuß der
Höhenveränderung;
Datenbankgenauigkeit
wie oben beschrieben; und
Funkhöhengenauigkeit = 50 Fuß.
-
Da
die obigen Fehler unkorreliert sind, wird das RSS-Verfahren verwendet,
um wie nachstehend gezeigt zum endgültigen VFOM zu gelangen: VFOM = √(Zeit2 +
Entfernung2 +
Höhenveränderung2 +
Datenbank2 + Funkhöhe2) Gleichung 9
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Betrachten
Sie als ein Beispiel einen Flug, bei dem die Höhe zuletzt bei 2000 Fuß, 8 Seemeilen von
der Landebahn entfernt kalibriert wurde. Nehmen Sie außerdem an,
daß das
Flugzeug bis zur Ankunft am Flughafen 5 Minuten benötigt. Nehmen
Sie außerdem
an, daß die
Datenbank bei der Kalibrierung auf eine Genauigkeit von bis zu innerhalb
100 Fuß geschätzt wurde.
Die geschätzte
Genauigkeit bei der Ankunft ist durch VFOM = √[50*0,067)2 + (8*0,5)2 + (2000*0,01)2
+ (100)2 +
(50)2] gegeben. VFOM
= 114 Fuß
-
KORRIGIERTE
BAROMETRISCHE HÖHE
-
Wie
oben erwähnt
ist die korrigierte barometrische Höhe das Eingangssignal, das
gegenwärtig durch
das EGPWS für
die Höhe
verwendet wird. Wie ebenfalls oben erwähnt kann die korrigierte barometrische
Höhe während nicht
dem Standard entsprechenden atmosphärischen Bedingungen an deutlichen
Fehlern leiden, und da der Pilot die Druckkorrektur eingibt, wird
ein menschlicher Fehler eingebracht. Die Verwendung der QFE-Korrektur
kann Probleme mit dem EGPWS verursachen, welches erwartet, daß die Höhe auf die
mittlere Meereshöhe
bezogen wird. Andererseits ist die korrigierte barometrische Höhe nahe
an der Landebahn und unter Nichtberücksichtigung von QFE und des
Pilotenfehlers wahrscheinlich das genaueste verfügbare Höhensignal. Daher ist die korrigierte
barometrische Höhe, falls
sie am Flugzeug verfügbar
ist, ein Teil der vermengten Höhenlösung. 9 und 10A bis 10F stellen
das Blockdiagramm zum Korrigieren der barometrischen Höhe dar.
-
TEMPERATURKORREKTUR – BAROMETRISCHE HÖHE
-
Eine
Hauptfehlerquelle im korrigierten barometrischen Höhensignal
ist auf eine nicht dem Standard entsprechende atmosphärische Temperatur
zurückzuführen. Die
vorliegende Erfindung verringert den Fehler im korrigierten barometrischen
Höhensignal
durch Anwenden eines auf dem Unterschied zwischen der vorhergesagten
ISA-Temperatur und der Temperatur am Flugzeug basierenden Korrekturfaktors
merklich. Eine Analyse hat gezeigt, daß im Durchschnitt eine fünfzigprozentige
Verringerung im Ausmaß des
Fehlers erhalten wird. Das Folgende leitet die Formel ab, die für die Temperaturkorrektur
für die
Standardatmosphäre
verwendet wird. Das Modell von Druck in Bezug zur Höhe lautet htp = (T0/LM)[1 – (P/P0)[(LM·R)/G0]] Gleichung 10wobei
T0
die angenommene Meereshöhentemperatur
nach ISA – 288,15°K – ist,
LM
die angenommene Abfallsrate nach ISA – 0,0065°K/m – ist,
P0 der angenommene
Meereshöhendruck
nach ISA – 1013,25
Millibar – ist,
G0
die angenommene Meereshöhenbeschleunigung aufgrund
der Schwerkraft nach ISA - 9,80665 m/sek2 – ist,
R
die Gaskonstante für
trockene Luft – 287,05 Meter2/°K·kmol·sek2 ist,
P der angegebene Druck in Millibar
ist.
-
Die
Gleichung 10 nimmt eine Standardtemperaturabfallsrate und eine Standardmeereshöhentemperatur
an. Eine genauere Höhe
wird erhalten, wenn die tatsächliche
Meereshöhentemperatur
bekannt ist. Somit wird Tagen mit einer nicht dem Standard entsprechenden
Temperatur, d. h., Tagen, die heißer oder kälter als 288,15°K sind, Rechnung
getragen. Eine wie folgende Modifizierung von Gleichung 10 erreicht
dies. htp = (T0act/LM)[1 – (P/P0)[(LM·R)/G0]] Gleichung 11wobei
T0act die tatsächliche Meereshöhentemperatur
in °K
ist.
-
Gleichung
11 stellt eine genaue Höhe
bereit, solange die Temperaturabfallsrate der Standard bleibt, indem sie
eine Korrektur für
eine konstante Temperaturverschiebung vornimmt. In der Praxis ist es
schwierig, die tatsächliche
Meereshöhentemperatur
zu erhalten. Die tatsächliche
Meereshöhentemperatur
wird aus der gegenwärtig
gemessenen Temperatur am Flugzeug geschätzt, welche aus der statischen
Lufttemperatur erhalten wird. Die geschätzte Meereshöhentemperatur
wird dann wie nachstehend gezeigt durch Verwenden der Standardabfallsrate und
der gegenwärtigen
Druckhöhe
des Flugzeugs erhalten. T0act = SAT + ht*LM Gleichung 12wobei
SAT
die statische Lufttemperatur in °K
ist,
Hp die Druckhöhe
(Gleichung) ist,
LM die angenommene Abfallsrate nach ISA – 0,0065°K/m – ist.
-
Durch
das Einsetzen von Gleichung 12 in Gleichung 11 ergibt sich htp = [(SAT + hp·LM)/LM][1 – (P/P0)[(LM·R)/G0]] Gleichung 13
-
Um
zu einer Gleichung der gewünschten Form htp = hp*kzu gelangen, wird die folgende Äquivalenz
verwendet: htp/hp
= {[(SAT + hp·LM)/LM][1 – (P/P0)[(LM·R)/G0]]}/
{(T0/LM)[1 – (P/P0)[(LM·R)/G0]]} Gleichung 14
-
Das
Vereinfachen und Lösen
für htp
führt zu htp = hp·[(SAT + hp·LM)/T0] Gleichung 15
-
Gleichung
15 ist die Formel, die verwendet wird, um eine Temperaturkorrektur
der barometrischen korrigierten Höhe vorzunehmen. Wie oben erwähnt korrigiert
die temperaturkorrigierte barometrische korrigierte Höhe nur hinsichtlich
einer Temperaturverschiebung, nicht hinsichtlich nicht dem Standard
entsprechenden Abfallsraten aufgrund einer Temperaturinversion oder
anderer nicht dem Standard entsprechender atmosphärischer
Bedingungen.
-
FESTSTELLEN
VON TEMPERATURINSTABILITÄTEN
-
Die
Genauigkeit der korrigierten barometrischen Höhe wird während nicht dem Standard entsprechenden
atmosphärischen
Bedingungen verschlechtert. Die obige Temperaturkorrektur verringert den
Fehler für
die Temperaturverschiebung, verbessert jedoch die Genauigkeit während nicht
dem Standard entsprechenden Abfallsraten nicht. Nicht dem Standard
entsprechende Abfallsraten und große Temperaturveränderungen
zeigen eine instabile atmosphärische
Bedingung an. Eine Feststellung dieser nicht dem Standard entsprechenden
Temperaturbedingung verbessert die Einschätzung der Genauigkeit der Höhenmessung.
Wie im Blockdiagramm in 9 und 10A bis 10F gezeigt wird das Feststellen dieser
nicht dem Standard entsprechenden Temperaturbedingung durch Berechnen
des Unterschieds zwischen der gegenwärtigen Temperaturveränderungsrate
und der vorhergesagten Temperaturveränderungsrate aus den Standardatmosphäremodellen
erreicht. Große
Unterschiede zeigen eine instabile Bedingung an, und daher wird
die geschätzte Genauigkeit
der berechneten Höhe
verringert. Der Funktionsgenerator der vorliegenden Erfindung stellt die
verringerte geschätzte
Genauigkeit der berechneten Höhe
bereit. Die Werte für
den Funktionsgenerator basieren auf den Ergebnissen von Simulationen und
Flugversuchen.
-
QFE-BETRIEB
-
Es
gibt heute nach wie vor manche Staaten, die den QFE-Druckeinstellstandard
("Null wird als Flughafenhöhe verwendet)
und nicht die gewohntere QNH-Einstellung (für die Flughafenhöhe wird
die MSL-Ablesung verwendet) verwenden, bei der der Höhenmesser
auf die angegebene Ortshöhe
des Flughafens eingestellt wird. Die QFE-Einstellung stellt den Druckhöhenmesser
so ein, daß auf
der Landebahn "Null" abgelesen wird.
Da das EGPWS eine auf die mittlere Meereshöhe bezogene Höhe benötigt, kann
dies lästige
Alarme verursachen. Heute verwenden China, die meisten der Staaten
des ehemaligen Sovietblocks und einigen wenige Militärflughäfen nach
wie vor den QFE-Standard. Eine der Herausforderungen zur Lösung dieses
Problems ist, zu wissen, wann der Pilot eine QFE-Einstellung gewählt hat.
Diese Information ist am Flugzeug für gewöhnlich nicht verfügbar. Daher
bleibt es dem EGPWS überlassen,
zu raten, wann QFE gewählt
wurde. Dies ist leicht, wenn die Fluglinie so wie American Airlines stets
sogar außerhalb
der normalen QFE-Bereiche QFE betreibt. Dies wird jedoch für Betreiber,
die normalerweise QNH betreiben, aber QFE betreiben müssen, wenn
sie beispielsweise nach China gelangen, zu einer größeren Herausforderung.
Wenn sich der QFE-Flughafen in einer bedeutenden Höhe über der
Meereshöhe
befindet, stellt die Erfindung fest, wann QFE gewählt wurde.
Beispielsweise wird, wenn sich der Flughafen 5000 Fuß über der
mittleren Meereshöhe
(MSL) befindet, sich die korrigierte barometrische Höhe im Vergleich
zur GPSHöhe
um so etwa 5000 Fuß irren,
wenn der Pilot die QFE-Einstellung wählt. Wenn
sich der Flughafen andererseits auf 400 Fuß MSL befindet, liegt der Unterschied
von 400 Fuß innerhalb
des normalen Fehlerspielraums der GPS-Höhe.
-
Wie
nachstehend unter "Angemessenheitsprüfung" besprochen werden
wird, veranlaßt
der in einer Höhe
von 5000 Fuß gelegene
QFE-Flughafen automatisch, daß das
korrigierte barometrische Höhensignal
aus der endgültigen
Lösung
ausgeschlossen wird. Ein Ausschließen des korrigierten barometrischen
Höhensignals
würde typischerweise
ausreichen, um das Problem zu lösen.
Doch die Erfindung schließt
das korrigierte barometrische Höhensignal nicht
aus, wenn man sich nahe der Landebahn befindet, da es typischerweise
das genaueste Höhensignal
sein wird. Daher ist es wünschenswert,
die Höhe, wenn
möglich,
zu QNH zurück
zu korrigieren und ihre Verwendung zu gestatten. Wie dargestellt
wird die Korrektur der Höhe
zurück
zu QNH ausgeführt,
wenn die Erfindung bestimmt hat, daß es sich um einen QFE-Bereich
handelt und sich das Flugzeug unterhalb der Überflugshöhe befindet. Zusätzlich hat
die Erfindung bereits festgestellt, daß die korrigierte barometrische
Höhe unangemessen
ist. An diesem Punkt wird die nächste
Landebahnortshöhe
zur korrigierten barometrischen Höhe addiert und diese neue Höhe hinsichtlich
der Angemessenheit geprüft.
Wenn diese neue Höhe
die Angemessenheitsprüfung
besteht, verwendet sie die Erfindung in der endgültigen Höhenlösung.
-
Die
Verwendung der nächsten
Landebahn kann verursachen, daß das
EGPWS die falsche Landebahnhöhe
zur Verwendung auswählt,
aber dies würde
typischerweise nur in einiger Entfernung von der Landebahn vorkommen.
Zusätzlich
muß die
Landebahnhöhe
immer noch die Angemessenheitsprüfung
bestehen. Wenn sich das Flugzeug der Landebahn nähert, steigen die Chancen,
daß das
EGPWS die richtige Landebahn auswählt. Zusätzlich weisen die Gebiete,
in denen QFE nach wie vor verwendet wird, sehr wenige Landebahnen
auf, weshalb die Chancen eines Auswählens der falschen Landebahn stark
verringert werden. Der EGPWS-Landebahndatenbank wird eine QFE-Bereichs-Markierung hinzugefügt, um die
Chancen eines irrtümlichen
Verwendens von QFE zu verringern, wenn der Flughafen kein QFE-Bereich
ist. Wie früher
besprochen kann es sein, daß Flughäfen zwischen
200 und 500 Fuß MSL die
QFE-Logik nicht auslösen.
Da die endgültige Höhenlösung vermengt
ist, wird die tatsächliche
Auswirkung eines Höhenfehlers
von 500 Fuß auf
die korrigierte Höhe
abhängig
von den vorhergesagten Genauigkeiten der anderen Höhensignale
verringert.
-
SCHÄTZFEHLER – BAROMETRISCHE
KORRIGIERTE HÖHE
-
Da
der Pilot die Höhe
auf die lokale Druckeinstellung korrigiert und die lokale Druckeinstellung typischerweise
auf der Bestimmungslandebahn ist, basiert der geschätzte Fehler
in der korrigierten Höhe auf
der Entfernung und der Höhe über der
Landebahn. Da die korrigierte Höhe
eine Standardatmosphäre
annimmt, sind die Fehler in der senkrechten Achse merklich schlimmer
als jene, die durch die Druckhöhenberechnung
angenommen werden. Zusätzlich
sind die Fehler nicht linear, die Fehlerrate ist aufgrund der komplizierteren
Wechselwirkungen der Atmosphäre
mit dem Boden näher
zum Boden größer als
in der Höhe.
Durch Anwenden der Temperaturkorrektur verringert die Erfindung
die Gesamtfehlerrate in der Größenordnung
von etwa 50%. Um diese Gesamtfehlerratenverringerung zu erreichen,
wird eine beispielhafte Drei-Ebenen-Fehlerrate wie nachstehend dargestellt
verwendet.
Fehler der Höhe über der
Landebahn
< 6000
Fuß über der
Landebahn = 50 Fuß pro
1000 Fuß;
> 6000 Fuß bis 18000
Fuß über der
Landebahn = 40 Fuß pro
1000 Fuß;
> 18000 Fuß über der
Landebahn = 20 Fuß pro
1000 Fuß.
-
Zusätzlich wird
ein beispielhafter Fehlerfaktor hinzugefügt, der auf der Entfernung
zur Landebahn basiert.
Fehler der Entfernung zur Landebahn
= 1,0 Fuß pro Seemeile.
-
Wie
ebenfalls oben beschrieben wird ein zusätzlicher Faktor hinzugefügt, der
auf der gegenwärtigen
vorhergesagten Instabilität
der Atmosphäre
auf Basis der Rate der Veränderung
der atmosphärischen
Temperatur basiert. Und ein beispielhafter Basisfehlerfaktor von
50 Fuß wird
verwendet, um Höhenmesserfehlern
und anderen Ausrüstungsfehlern Rechnung
zu tragen. Da die obigen Fehler unkorreliert sind, wird das RSS-Verfahren
verwendet, um wie nachstehend gezeigt zum endgültigen VFOM zu gelangen. VFOM = √(Entfernung2 +
Höhe2 + Instabilität2 +
Basis2) Gleichung
16
-
Als
ein Beispiel ist die geschätzte
Genauigkeit der korrigierten Höhe
im Anflug beim Erreichen von 18000 Fuß, 50 Seemeilen von der Landebahn entfernt,
und unter der Annahme, daß sich
die Landebahn auf Meereshöhe
befindet und keine Instabilität vorhergesagt
wurde, durch VFOM = √{[(6000*50/1000)2 +
((18000 – 6000)*40/1000)2] + (1,0*50)2 +
502}gegeben. VFOM
= 783 Fuß oder ± 4,3%.
-
Beim
Erreichen von 3000 Fuß bei
10 Seemeilen verringert sich dies zu VFOM = 158 Fuß oder ± 5,3%.
Wie man erkennen kann, verbessert sich die geschätzte Genauigkeit näher an der
Landebahn. Dies ist die erwartete Beziehung unter Verwendung der
korrigierten barometrischen Höhe.
-
ANGEMESSENHEITSPRÜFUNG
-
Um
sicherzustellen, daß in
der endgültigen Höhenlösung keine
unzulässigen
Werte verwendet werden, wird für
alle Eingangssignale vor ihrer Verwendung eine Angemessenheitsprüfung durchgeführt. Da
die GPS-Höhe
eine ziemlich genaue Schätzung
ihrer gegenwärtigen
Genauigkeit enthält,
wird sie als die Grundlinienhöhe
verwendet, gegen die geprüft
wird. Wie in 11A gezeigt
wird unter Verwendung der GPS-Höhe
und GPS VFOM ein Höchst- und
Mindesthöhenfenster
gebildet. Jede Höhe
wird gegen dieses Fenster geprüft.
Wenn die Prüfung nicht
bestanden wird, wird die Höhe
als unzulässig festgelegt
und in der endgültigen
Höhenlösung nicht verwendet.
Aufgrund der SA wird sich der GPS-Höhenfehler
manchmal dem VFOM-Wert nähern,
in diesen Fällen
könnte
eine Höhe,
die tatsächlich
genauer als GPS ist, verworfen werden. Nach einer Ausführungsform
der Erfindung vergrößert die
Erfindung das Fenster durch Multiplizieren von VFOM mit einem zusätzlichen
Faktor, um das Verwerfen eines genaueren Höhensignals zu vermeiden. Ein
Beispiel für
diesen zusätzlichen
Faktor ist 1,5. Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung verwendet die
Erfindung VIL anstelle von VFOM. VFOM ist im Grunde ein Zwei-Sigma-Wert,
während
VIL ein Drei-Sigma-Wert ist.
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Nach
noch einer anderen Ausführungsform dieser
Erfindung zeigt 11B einen
Algorithmus, um das Feststellen der Auswirkungen der SA auf die GPS-Höhe zu erreichen.
Das Nehmen des Unterschieds zwischen der GPS-Höhe und der Hydrostatikhöhe läßt einen
Fehlerwert zurück,
der aus vielen Teilen besteht. Auf Seiten des GPS besteht der Fehler
in erster Linie aus zwei Teilen. Die erste und größte Fehlerquelle
ist die SA-Auswirkung des Zitterns des Takts, was als ein zufälliger,
sich langsam verändernder
Fehler mit einer Periode von etwa 500 Sekunden erscheint. Ein sekundärer Fehler
ist auf atmosphärische
Auswirkungen und die Satellitengeometrie zurückzuführen.
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Der
Hydrostatikhöhenfehler,
zumindest während
des waagerechten Flugs, ist in erster Linie auf das Queren von Druckgradienten
zurückzuführen und
erscheint als ein sehr langsam ansteigender Fehler. Die Erfindung
wendet auf diesen Fehlerwert ein auf die zitternde Frequenz der
SA zentriertes Bandpaßfilter
an, welches die Auswirkungen eines großen SA-Fehlers feststellt.
Eine Ausführungsform der
Erfindung verwendet eine feste Bandpaßfrequenzmitte bei 0,002 Hz.
Eine andere Ausführungsform
verwendet ein adaptives Filter, das die Mittelfrequenz der Zitterfrequenz
findet.
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ENDGÜLTIGE HÖHENVERMENGUNG
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wählt die
zulässige
Höhe mit
dem geringsten geschätzten Gütefaktor
als ein Verfahren der endgültigen
Höhenvermengung.
Eine andere Ausführungsform
mittelt die verschiedenen Höhensignale.
Noch eine andere Ausführungsform
der Erfindung gewichtet jedes der Höhensignale in der endgültigen Lösung auf
Basis der gegenwärtigen
geschätzten
Genauigkeit jedes Signals. Dieses Gewichten gibt jenen Höhensignalen,
die die Erfindung gegenwärtig
als von höchster Qualität einschätzt, das
meiste Gewicht, ignoriert jedoch jedes beliebige Höhensignal
in der endgültigen Höhenlösung nicht
völlig.
Dieses Gewichten minimiert die Auswirkung von Fehlern in einem Höhensignal
auf die endgültige
Lösung.
Das Gewichten verhindert auch merkliche Sprünge in der Höhe, wenn
sich die Gütefaktoren
verändern.
Die Formel für
den gewichteten Durchschnitt lautet wie folgt: Höhe = (GPSEge*w1 + Hc*w2 + RADHge*w3)/
(w1
+ w2 + w3) Gleichung 17wobei
GPSEge
die GPS-korrigierte Hydrostatikhöhe
ist,
Hc die korrigierte barometrische Höhe ist,
RADHge die Funkhöhenkalibrierung
der Hydrostatikhöhe
ist,
w1 1/PSHge VFOM ist,
w2 1/RADHge VFOM ist,
w3
1/Hc VFOM ist.
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Zur
Beachtung: Wenn ein Signal unzulässig oder
unangemessen ist, wird es nicht in den gewichteten Durchschnitt
aufgenommen. Die sich ergebende geschätzte Genauigkeit des gewichteten
Durchschnitts wird wie folgt berechnet: VFOM = 1/(w1 + w2 + w3) Gleichung 18
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Dies
ist auch in 11C dargestellt.
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WEITERE GESICHTSPUNKTE
DER ERFINDUNG
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Obwohl
sich die obige Besprechung in erster Linie auf das Ergänzen der
Druckhöhe
mit anderen Höhenschätztechniken,
um zu einer verbesserten Höhenschätzung zu
gelangen, konzentriert, muß erkannt
werden, daß ein
Gesichtspunkt der Erfindung das Verknüpfen eines ersten Höhenschätzungsverfahrens
mit einer zweiten Höhenschätzung, um
zu einer verbesserten Höhenschätzung zu
gelangen, umfaßt.
Die Verknüpfung
zieht vorzugsweise die Fehlerquellen des ersten und zweiten Höhenschätzungsverfahrens
in Betracht und gewichtet den Beitrag jedes Schätzungsverfahrens nach dem Ausmaß des Fehlers
jedes Verfahrens in der beschriebenen Weise.
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Ein
anderer Gesichtspunkt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe. Das Verfahren umfaßt ein Korrigieren
der geschätzten
geometrischen Höhe
unter Verwendung von Informationen von einem globalen Positionierungssatellitensystem
(GPS). In einer Ausführungsform
umfassen die Informationen vom globalen Positionierungssatellitensystem
GPS-Höheninformationen
und sind sie die einzigen Informationen, die verwendet werden, um
die geschätzte
geometrische Höhe
zu korrigieren. Die geschätzte
geometrische Höhe
kann eine Schätzung
auf Basis jedes beliebigen aus der Druckhöhe, die korrigiert oder unkorrigiert
sein kann, der Funkhöhe
und anderer Verfahren des Schätzens
der Höhe,
wie sie im oben beschriebenen Verfahren angegeben sind, umfassen.
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ANALYSE DER
ZEITKONSTANTEN DES KOMPLEMENTÄREN
FILTERS
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Wie
im Abschnitt zur Hydrostatikhöhe
beschrieben ist die Hydrostatikhöhe
zum Messen relativer senkrechter Veränderungen über kurze Zeiträume und
Entfernungen wie etwa während
des Starts und des Anflugs äußerst genau.
Die Hydrostatikhöhe stellt
keine absolute Höhe
bereit und ist über
ausgedehnte Zeiträume
und Entfernungen hinweg aufgrund der Auswirkungen von Druckgradienten
und Langzeitintegrationsfehlern für merkliche Fehler anfällig.
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Zusätzlich ist
die GPS-Höhe
wie im Abschnitt zur GPS-Höhe beschrieben
langfristig äußerst genau,
während
die Genauigkeit jedoch kurzfristig an der Einbringung der selektiven
Verfügbarkeit
auf das GPS-Signal leidet.
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Das
Obige vorausgesetzt wäre
es daher wünschenswert,
sich ein Verfahren auszudenken, bei dem die besten Teile einer jeden
der obigen Höhen verwendet
werden. Dies wird durch ein Verknüpfen der GPS-Höhe und der
Hydrostatikhöhe
durch ein komplementäres
Filter erreicht. Das komplementäre Filter
ist dynamisch optimiert, um Fehler in der GPS-Höhe, die durch die selektive
Verfügbarkeit
verursacht werden, zu verringern, während die Druckgradienten-
und Driftfehler der Hydrostatikhöhe
minimiert werden.
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Da
sich die Fehlerbedingungen an den Eingangssignalen in das Filter
dynamisch verändern, wird
die Filterzeitkonstante Tau oder ϑ dynamisch berechnet.
Ein vereinfachtes Verfahren, das nur auf der geschätzten Genauigkeit
der GPS-Höhe
(VFOM) basiert, kann verwendet werden, oder es kann eine etwas optimalere
Berechnung durchgeführt
werden, die geschätzte
Genauigkeiten für
beide Eingangssignale in das Filter verwendet.
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Wie
oben beschrieben ist die selektive Verfügbarkeit der größte Beitragende
(~75%) zum GPS-Fehler. Der Fehler aufgrund der selektiven Verfügbarkeit
kann als eine Sinuswelle mit einer durch den Wert von GPS VFOM definierten
Spitzenamplitude modelliert werden. Die Periode dieser Sinuswelle wird
als die typische SA-Frequenz
von 0,015 Radian pro Sekunde genommen.
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Die
Hydrostatikhöhe
wird durch die Echtzeitintegration der Hydrostatikgleichung berechnet.
Als solche ist sie langsamen driftenden Fehlern aufgrund von Druckgradientenfehlern
usw. ausgesetzt. Für den
waagerechten Flug ist die Fehlerrate in erster Linie auf die Druckgradientenfehler
zurückzuführen und
ist sie daher eine Funktion der Rate der Veränderung der atmosphärischen
Bedingungen, die selbst eine Funktion sowohl der Zeit als auch der
Flugzeuggeschwindigkeit ist. Einer größeren Fehlerrate begegnet man
während
des Steig- und des Sinkflugs aufgrund der Fehler in der Messung
des Drucks und der Temperatur.
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12 stellt das komplementäre Filter
und das Fehlermodell dar.
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Die
Gestaltung des komplementären
Filters führt
zu einem Tiefpaßfilter
an der GPS-Höhe
und einem Hochpaßfilter
an der Hydrostatikhöhe.
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Das
Tiefpaßfilter
an der GPS-Höhe
führt zum folgenden
Mindestwert: FehlerGPS = VFOM/(√1 + Ω2·τ2) wobei
VFOM
GPS VFOM ist,
Ω die
geschätzte
Fehlerfrequenz aufgrund der selektiven Verfügbarkeit ist,
τ die Filterzeitkonstante
ist.
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Das
Hochpaßfilter
an der Hydrostatikhöhe führt nach
einigen Zeitkonstanten zum folgenden Mindestwert: FehlerHydrostatik ≈ D*τwobei
D
die geschätzte
Fehlerrate der Hydrostatikhöhe
ist,
τ die
Filterzeitkonstante ist.
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Da
der Fehler an der GPS-Höhe
und der Fehler an der Hydrostatikhöhe unkorreliert sind, ist der
Gesamtfehler im Fall der Verknüpfung Fehler ≈ √{[VFOM/(√1 + Ω2·τ2)]2 + (D*τ)2}
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Der
Mindestfehlerwert ist dann der Punkt, an dem die Ableitung des Obigen "Null" ist, und der optimale
Wert für
Tau kann an diesem Punkt wie folgt gefunden werden: (d/dτ)Fehler =
0
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Dies
führt zum
folgenden Ausdruck für
den Mindestfehlerwert.
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Fehlermin ≈ √[D*(2*VFOM*Ω – D)/Ω2],und der entsprechende Wert für Tau bei
diesem Mindestwert beträgt τOptimum ≈ [√(VFOM*Ω – D)/D]/Ω
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Daher
ist der optimale Wert für
Tau eine Funktion des geschätzten
Fehlers in der GPS-Höhe (VFOM)
wie auch des geschätzten
Fehlers in der Hydrostatikhöhe.
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Typische
Bodengeschwindigkeiten und Steigflug-/Sinkflugraten für Zivilflugzeuge angenommen
werden Hydrostatikhöhenfehlerraten
von 0,1 Fuß pro
Sekunde für
den waagerechten Flug und 0,3 Fuß pro Sekunde für den Steigflug/Sinkflug
berechnet. Den kleinen Unterschied zwischen diesen beiden Werten
vorausgesetzt kann eine vereinfachte Tau-Berechnung abgeleitet werden,
die nur GPS VFOM betrachtet.
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13 bis 16 zeigen verschiedenste graphische Darstellungen,
die die obigen Gleichungen verwenden.
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In 13 ist für den waagerechten Flug erkennbar,
das ein Erhöhen
der Zeitkonstanten über 350
Sekunden hinaus wenig zusätzlichen
Nutzen bringt. Für
den Steigflug/Sinkflug (14)
erzielt eine Zeitkonstante zwischen 100 und 300 Sekunden günstige Ergebnisse,
um den Fehler zu minimieren. Dies ist graphisch in 15 gezeigt, worin die Linie 101,
die vorgewählte
Zeitkonstante zeigt, die zwischen VFOM von 100 und 300 linear zunehmen
und danach bei ungefähr
350 Sekunden konstant sind, mit den tatsächlichen Werten für Tau, wie
sie in den Linien 103 und 105 gezeigt sind, verglichen
wird. Das Verwenden der vorgewählten
Werte für
Tau von Linie 101 gestattet dem System, im Gegensatz zum Durchführen der
oben beschriebenen Berechnungen eine Nachschlagetabelle zu verwenden. 16 zeigt die Auswirkung
des Verwendens von vorgewählten Werten
für Tau
in Bezug auf die Durchführung
der Berechnungen. Für
den waagerechten Flug zeigt die Linie 113 das Ausgangssignal,
wenn ein berechneter Wert für
Tau verwendet wird, während
Linie 111 das Ausgangssignal bei Verwendung eines vorgewählten Werts
für Tau
zeigt. Für
den Steigflug zeigt die Linie 117 das Ausgangssignal, wenn
ein berechneter Wert für
Tau verwendet wird, während
die Linie 115 das Ausgangssignal bei Verwendung eines vorgewählten Werts
für Tau
zeigt. Man kann erkennen, daß sich das
Ausgangssignal je nachdem, ob Tau berechnet oder vorgewählt ist,
nicht bedeutend verändert.
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Es
sollte bemerkt werden, daß der
Bedarf am Filter mit der Abnahme von VFOM verringert ist. Zusätzlich wird
erwartet, daß auch
das Ausmaß der Auswirkungen
der selektiven Verfügbarkeit
verringert ist. Für
VFOM-Werte von 100 Fuß oder
weniger muß SA
nicht eingeschaltet werden oder Differential-GPS in Verwendung stehen.
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Aufgrund
dessen scheint eine nur auf VFOM basierende Zeitkonstante die beste
Wahl zu sein. Sie wird so ausgewählt,
dass sie für
den obigen Optimumfilter bei den VFOM-Werten von 300 bis 400, die man
typischerweise bei eingeschalteter SA erkennen wird, etwas passend
sind. Zusätzlich
wird die Zeitkonstante mit der Verringerung von VFOM drastisch verkürzt, bis
sie bei einem VFOM von 100 Fuß "Eins" wird. Dies gestattet
eine zukünftige
Verwendung bei ausgeschalteter SA von LAAS/WAAS/DGPS-Anwendungen,
bei denen das Filter nicht länger
nötig sein wird
(d. h., das System die GPS-Höhe
direkt verwenden kann).
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Die
vorhergesagten Ergebnisse wurden dann mit echten Versuchsdaten verglichen.
Das Folgende betrachtet die Ergebnisse von Flugversuchsdaten, die
von einem Kingair-Flugzeug stammen. Die Daten beinhalten 14 Flüge von mehr
als einer Stunde Länge
für eine
gesamte Flugzeit von 35 Stunden. Die Daten beinhalten Flüge durch
nicht dem Standard entsprechende Temperaturen, sowohl heiß als auch kalt,
wie auch über
bedeutende Druckgradienten hinweg. Es sind auch einige typische
Tage beinhaltet.
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Die
Ergebnisse für
die Roh-GPS-Höhe
und zwei Ausführungen
von komplementären
Filtern, wobei eine die "optimale" Filterzeitkonstante
verwendet und eine die nur auf GPS-VFOM basierende Zeitkonstante
verwendet, sind gezeigt.
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Sowohl
der höchste
Fehlerwert als auch die Standardabweichung sind gegeben.
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Wie
in den Kurvenbildern von 17 und 18 erkennbar ist, wurden
der Spitzenfehler und die Standardabweichung im Durchschnitt um
einen Faktor von "Zwei" verringert. Der
durchschnittliche höchste Fehler
am GPS beträgt
etwa 300 Fuß,
was mit dem komplementären
Filter auf etwa 150 Fuß verringert wird.
Die Standardabweichung für
GPS beträgt
etwa 100 Fuß,
was den meisten veröffentlichten
Werten für
GPS mit eingeschalteter SA entspricht. Für das komplementäre Filter
wird dies auf etwa 50 Fuß verringert.
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Man
kann auch erkennen daß beide
Ausführungen
der Zeitkonstanten des komplementären Filters eine gute Leistung
ergeben.
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Wie
Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet der Fluginformationsverarbeitung
leicht verstehen werden, beinhalten viele der Fluginformationen,
die durch verschiedenste Flugzeugsystemkomponenten erzeugt werden,
wie auch Fluginformationen, die von Systemen abseits des Flugzeugs
empfangen werden, ein Zulässigkeitssignal
und auch einen Fehlerwert. Das Zulässigkeitssignal wird für gewöhnlich geprüft, bevor
der entsprechende Wert durch das System verwendet wird.
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Die
Erfindung wurde gemäß den anwendbaren
Vorschriften beschrieben. Veränderungen
und Modifikationen werden für
Fachleute leicht offensichtlich sein. Es versteht sich daher, daß die Erfindung nicht
auf die gezeigten und beschriebenen besonderen Merkmale beschränkt ist,
da die Offenbarung bevorzugte Formen der Ausführung der Erfindung umfaßt. Die
Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche definiert.