KR0171428B1 - 정밀착륙시스템 - Google Patents

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존 리안 슈톨쯔
칼 윌리엄 콜로즌
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존 리안 슈톨쯔
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Abstract

정밀착륙시스템은 적어도 네 떨어져 위치하는 수신기(Rx1,Rx2, 등)을 구비하고 있다. 각 수신기는, 호출기(Tx)로부터의 신호의 수신기검출과 항공기(16)에 탑재한 트랜스폰더(B)로부터의 응답신호간의 시간간격을 정확히 측정하기 위한 타이머를 포함하고 있다. 기지국의 중앙처리장치(CPU)는, 항공기의 위치를 계산하기 위해 수신기들로부터 시간측정을 사용한다. 기지국은 또한 트랜스폰더 응답시간을 계산할 수 있다. 바람직하게 측정 필터링 계산이 정확도를 증가시키기 위해 사용된다. 항공기의 위치는, 바라는 접근경로의 수학적 작도와 비교되어 위치에러가 결정된 후, 항공기로 즉시 통신된다.

Description

[발명의 명칭]
정밀착륙시스템
[기술분야]
본 발명은 정밀 항공기 착륙시스템 분야에 관한 것이다. 특히, 항공기에 탑재한 트랜스폰더에서의 신호에 기초한 거리 측량계산법을 이용하여 항공기의 위치를 계산하는 착륙시스템에 관한 것이다.
[배경기술]
다양한 정밀 항공기 착륙시스템이 연구 보고서에 기술되어 왔다. 그 일부는, 현재 이용되는 계기 착륙시스템(ILS)처럼, 활주로의 끝에 그 정점을 갖는 원뿔형 또는 피라미드형 활주로 진입 체적을 나타낸다. 이러한 시스템에 있어서, 항공기는 그 축을 따라 체적내 중심에 머무름으로써 적절한 활주로 진입경로를 유지한다(ILS는, 예시한 방법에 의해서, 좌·우 유도장치를 제공하기 위해 로컬라이저(localizer)를, 상·하 유도장치를 제공하기 위해 글라이드 슬로프(glide-Slope)를, 활주로에서의 거리를 표시하기 위해 마커 비콘(marker beacons)을 사용한다). 이러한 착륙시스템은 가상적으로 직선 활주로 진입 경로를 지령하여, 그들을, 휘어지고, 단계적이거나, 또는 분할된 활주로 진입 경로를 요하는 자연 장애물이 있는 공항에 이용하지 못하게 한다.
더욱이, 이러한 착륙시스템에 의해 요구된 안테나의 복잡도 및 관련 경비 때문에, 전형적으로, 단지 하나의 단일한 활주로 진입 경로만이 활주로마다 한정되어, 상이한 활강 경로의 사용을 방지하는 것이 다른 종류의 항공기가 활주로를 이용할때 바람직하다.
다른 종류의 정밀착륙시스템의 항공기의 위치를 결정하고, 그것을 바람직한 활주로 진입 경로와 비교하고, 요구된 임의의 수정사항을 항공기에 전달한다. 네하마(Nehama)의 U.S. 특허 제 3,564,543 호에는, 이러한 시스템뿐만 아니라 피라미드식 활주로 접근경로를 나타내는 좌우 상칭, 및 단순화된 수식을 사용하는 타시스템에 대해 기술하고 있다.
통상, 위치결정 시스템은 네하마 특허에, 세개의 각 거리를 결정하기 위해 지면상의 공지된 세위치 및 착륙 항공기간을 이동하도록 라디오신호에 대해 요구된 시간에 대응하는 것으로 개시되어 있다.
이들 세거리로부터 항공기의 위치가 계산된다. 특히, 네하마의 위치결정 시스템은, 호출기 및 세 수신기를 사용한다. 연산도중, 호출기는 호출신호를, 항공기에 탑재한 트랜스폰더로 전송한다. 트랜스폰더는, 호출신호에 대응하여, 세 수신기에 의해 검출된 응답신호를 전송한다. 각 수신기는, 호출신호중 그의 검출 및 응답신호중 그의 검출 간의 시간 간격을 측정한다. 이들 세 시간간격으로 부터, 항공기의 세 수신기간의 각 거리가 계산된다.
수 마이크로 초의 순서로, 작은 시간 간격이 트랜스폰더의 호출신호 수신 및 잇달은 응답신호의 전송간에 발생한다. 원인 불명의 이간격, 또는 트랜스폰더 응답시간은 항공기의 계산된 위치에서 약 100미터의 오차를 일으킬 수 있다. 네하마의 특허는 트랜스폰더 응답시간의 지연을 인정하고는 있지만, 측정된 시간간격으로부터 이들 인자를 제거하는 방법을 제시하고 있지는 못하다. 그 대신에, 네하마의 특허는, 활주로의 길이에 교차하는 실제 수직 기하면에 송신기와 수신기를 배치하고 있다. 이 배치는, 네하마 특허에서 허용가능하도록 고려된 방향, 즉, 활주로의 축을 따르는 수평방향에서 오차를 발생한다. 이 배치는 부작용으로서, 모든 수신기가 지면에 설치되어 있을 경우, 안테나탑을 항공기의 부근에 높이 설치하여, 사용하도록 하며, 따라서 수평면에서 항공기의 계산된 고도는, 정밀 착륙시스템에 있어서 허용 불가능한 상황이 될수도 있는 실제 오차를 갖게 된다.
메일랜더(Meilander)의 미국특허 제 3,665,464 호에는 항공기의 위치를 선정하는 시스템이 개시되어 있다. 네하마 시스템을 보유하므로서, 호출과 트랜스폰더 응답신호의 검출간의 간격을 조절한다. 또한 메일랜더도 트랜스폰더 응답시간을 인정하고, 측정된 시간간격으로부터 그의 특정값을 감하므로서 그것을 계산한다.
그러나, 트랜스폰더 응답 시간에 관한 명세서 조차도 지터(jitter)의 측정가능량, 즉 트랜스폰더 응답 시간에서, 평균치와의 불일치를 인정한다. 또한 이는, 착륙하는 항공기의 위치결정을 상당히 부정확하게 한다.
따라서, 필요한 것은, 다수의 소정위치에서, 호출 및 트랜스폰더 응답신호의 검출간의 시간간격을 측정함으로써 항공기의 위치를 실시간으로 결정하고, 트랜스폰더 응답시간의 효과를 부정함으로써 부정확성을 회피하는 정밀 항공기 착륙시스템이다.
[발명의 개시]
본 발명은, 최소한 네개의 수신기를 사용하여 착륙하는 항공기의 위치를 실시간으로 반복결정하기 위한 수단을 제공한다. 이러한 네개의 수신기는, 활주로에 연관된 항공기의 위치를 결정하는데 있어서 트랜스폰더 대응시간에 관한 오차를 제거할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 최소한 네 수신기가 항공기 주변의 상이한 소정위치에 위치선정된다. 각 수신기는 트랜스폰더 신호를 검출하기 위해 조정되며, 다른 타이머와 동시 작동하는 정밀 타이머를 구비한다. 트랜스폰더 검출에 대응하여, 각 수신기는 그의 검출시간을 기록한다.
본 발명의 정밀 착륙시스템은, 수신기로 부터 측정된 시간을 모으고, 항공기의 위치를 결정하기 위한 계산을 수행하는 기지국에 중앙처리장치(CPU)(19)를 더 포함한다. 전형적으로, 기지국 CPU는 항공 교통통제기에 의해 쉽게 모니터링하기 위해 관제탑(14)에 위치하고는 있지만, 그 위치는 어느 장소에도 가능하다. 최소한 네개의 독립된 측정이 사용되기 때문에, 기지국 CPU는, 항공기의 3차원 좌표 뿐만 아니라 트랜스폰더 응답시간도 계산할 수 있다.
항공기의 좌표는, 그후 바라는 활주로 진입 경로의 수학적인 작도와 비교된다. 수학적으로 표현될 수 있는 임의의 활주로 접근경로가 곡선이고, 단계적이며, 및 분할된 경로를 포함하여 사용 가능하다. 더해진 이득으로, 다양한 소정의 활주로 진입경로가, 특정 착륙 항공기의 바람직한 착륙 특성에 대응하도록 선택되는 활주로 접근경로를 허용하면서 동일한 활주로에 대해 이용가능하다.
바람직한 실시예에서, 기지국 CPU는, 위치결정의 정확도를 개선하고 결함을 검출하며 및 공차를 제공하기 위해, 칼만(Kalman)필터링과 같은 측정 필터링 계산을 사용한다.
따라서, 본 발명의 제1목적은, 착륙항공기의 위치를 고정밀로 계산하기 위한 시스템을 제공하는 것이다. 이 위치는, 그후 소정의 활주로 진입경로, 결정된 오차, 및 항공기로 전달된 이 정보와 비교될 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 기술된 형태의 항공기 착륙시스템에서, 트랜스폰더 지연시간의 효과를 제거하는 것이다.
본 발명의 이전 및 제3목적, 특정 및 이득은, 수반되는 도면과 함께 취해진 다음의 발명에 대한 상세한 설명을 참조함으로써 더 쉽게 이해될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는, 본 발명에 따라 공항주변에 설치되는 정밀착륙시스템의 구성원을 도시한 투시도.
제2도는, 본 발명에 전형적인 실시예인 정밀착륙시스템의 구성원의 위치 및 거리를 도시하는 단순 개략도.
[본 발명을 실행하기 위한 방법]
제1도에 대해 언급하면, 활주로(12)와 관제탑(14)를 구비하는 공항(10)이 도시되어 있다. 본 발명에 따른 정밀 항공기 착륙시스템은, 활주로로 유도하는, 즉 앞서 말했던 활주로 진입경로(18)를 따라 항공기(16)를 안내하기 위해 작동한다. 정밀착륙시스템은, 공항내 및 그 주변의 공지된 소정위치에 자리하고 있는, 적어도 4개의 다수 수신기(RXi)로 구성되어 있다. 지면에 있을 수도 있는(반드시 동일한 것은 아니지만) 수신기가, 활주로 진입 경로(18)밑으로 뻗어나가는 T형상으로 도시되어 있다. 전형의 실시예에서, 수신기(Rx1및 Rx3)는 활주로 끝으로부터 4킬로미터 떨어져 있고, 수신기(Rxn)는 2킬로미터 떨어져 있다. 통상, 착륙시스템의 정확도는, 이들 거리에서 일부 미정의 한계점으로 증가함에 따라 개선된다. 이 T형 수신기 배치는, 비록 편리하기는 하지만, 착륙시스템의 올바른 작동에 필요하지는 않다. 요구되는 것은, 수신기가 동일 직선상의 위치가 아니라 다르게 위치되는 것이다.
착륙시스템에서 요구되는 것은, 공지된 소정의 위치에 자리하고 있는 접지 호출기(Tx) 및 항공기에 트랜스폰더(B)를 탑재하는 것이다. 이들은 공항 및 항공기의 기타 계기들과 무관하거나 항공교통제어 레이더 비콘 시스템(ATCRBS) 또는 이산번지 비콘 시스템(DABS)에 사용된 유형과 별개일 수 있다. 작동중, 호출기 및 트랜스폰더는, 호출기가 트랜스폰더에 의해 검출된 호출신호를 전송하고, 이에 응하여 트랜스폰더가 응답신호를 전송하는 것에 협동한다.
수신기(Rxi)는, 호출 및 트랜스폰더 응답신호를 검출하기 위해 조절한다. 각 트랜스폰더 내부의 정밀 타이머는 이들 각 신호의 검출간의 시간간격을 측정한다.
이제 제2도를 언급하면, 호출기(Tx), 수신기(Rxi) 및 트랜스폰더(B)가, 일반적인 개략 형태로 도시되어 본 문장뒤의 설명에서 사용된 위치 및 거리를 나타낸다. 호출기(Tx)는 위치(x0, y0, z0)에 자리하고 있다. 수신기(Rxi)는, 수신기의 수 n에 따라, 각 위치(xi, yi, zi)에 자리하고 있다. 항공기에 탑재한 트랜스폰더(B)는 위치(x,y,z)를 보유한다. 각 수신기(Rxi)로 부터 전송기(Tx)까지의 거리는 Li로 나타나 있고, 각 수신기(Rxi)로부터 트랜스폰더(B)까지의 거리는 di로 나타나 있으며, 호출기(Tx)로부터 트랜스폰더(B)까지의 거리는 do로 나타나 있다.
정밀착륙시스템의 작동중, 호출기(Tx)는, 반송 주파수로 변조된 펄스로 조성된 호출신호를 전송한다. 호출신호는 n 수신기(Rxi) 및 트랜스폰더(B)에 의해 수신된다. 호출신호의 수신에 대응하여 트랜스폰더(B)는, 또한 반송주파수로 변조된 펄스로 조성된 응답신호를 전송한다. 호출신호에 대한 트랜스폰더의 수신과 그에 뒤따르는 응답신호의 전송간의 시간간격은 트랜스폰더 응답시간(γ)으로 여기서 언급되고 있다.
전형의 실시예에서, 수신기는 호출신호를 각각 복조하고, 그의 첫 펄스의 첫 시작을 검출한다. 또한 각 수신기는, 응답신호를 복제하고 그의 첫 펄스의 첫 시작을 검출한다. 각 수신기에 구비된 타이머는, 마터로서 각 신호의 첫시작을 사용하여, 호출 및 응답신호를 검출하는 각 수신기간의 시간간격을 측정한다. 각 수신기(Rxi)에 의해 측정된 결과적인 시간간격은 ti이다. 이들 각각 결정된 시간간격(tl-tn)은 기지국 CPU(19)로 전달된다.
호출신호를 검출하는 기능이 수신기의 타이머를 동기화한다는 사실은, 당 기술의 숙련인에게 명백할 것이다. 각 수신기(Rxi)에 도달하기 위해 호출신호에 대해 요구된 시간인(Li/C)를 각 시간측정(ti)으로 가산하는 것은(여기서 c는 전파증식속도), 이와 동시에, 즉 호출기(Tx)가 호출신호를 전송하는 순간; 각 타이머를 효과적으로 개시한다. 트랜스폰더나 호출기와 다른 주파수에서 작동하는 전송기, 또는 광섬유 링크와 같이, 동기화 신호를 타이머를 송신하는 다른 방법은, 동일한 연결결과를 가져올 것이다.
실제로, 동기화 선택 방법으로서, 호출은 본 발명에 따른 착륙시스템의 적정한 동작을 위해 불필요하다; 즉 상기 시스템은 빈번한 간격으로 신호를 전송하는 비콘을 탑재한 항공기를 추적할 수 있다.
만약에 타이머가 완전하다면, 드리프트 프리(drift-free)클록후 시스템 초기화에서 단일 동기화가 충족될 것이다. 그러나, 경제적으로 가능한 타이머가 드리프트되기 때문에, 호출 펄스 상에서의 동기화는 트랜스폰더 응답신호에의 수신 이전 즉시, 발생함으로써, 타이머가 동기성을 유지해야 하는 것을 초과하는 간격을 최소화하는, 이득을 갖게된다.
이 시스템의 선택 실시예에서, 수신기는 신호를 검출하고 시간간격을 측정하는데 상이한 방법을 사용할 수 있다. 이러한 일 시스템에서, 날개 뒷전의 펄스가 대신으로, 또는 추가로 유도 테두리로 검출된다. 다른 시스템에서, 매치된 필터 수신기('라다' 기술에 공지된)는 도착간격 측정의 정확도를 개선하는데 사용될 수 있다. 그러나 다른 시스템에서는 아직, 호출 및 응답간의 간격을 측정하기 위해, 네하마의 미국특허 제 3,564,543 호에 기술된 바와 같은 위상 결합 방법이 사용되지 않고 있다.
본 시스템의 다른 선택 실시예에서, 수신기는 각 호출응답 싸이클 내의 다양한 간격을 조절할 수 있다. 각 간격은 상기 기술된 바와 같이 시작되어, 상이한 간격이 응답신호에서의 상이한 각 펄스의 검출로 종료될 수 있다. 첫번째에 뒤따르는 응답펄스를 사용하는 효과는 트랜스폰더 응답시간에서의 증가와 동일하다. 이들 시간은 측정의 분리집합으로서, 평균화되거나, 또는 처리된다.
일정한 시간간격의 이들 집합으로부터, 기지국 CPU는 트랜스폰더(B)의 위치를 계산함으로써, 항공기의 위치를 계산한다. (계산방법은 아래기술된다.)
다음으로, 계산된 위치는 바라는 활주로 진입경로와 비교된다.
비교의 일반성 때문에, 수학적으로 기술될 수 있는 시용가능한 임의의 항공기의용 활주로 접근 경로가 만들어진다. 따라서, 개시된 시스템의 응용이, 활주로마다 단지 하나의 활주로 접근 경로만으로 제한되지는 않는다.
바라는 활주로 진입경로에 따라 항공기의 위치를 비교한 결과로서, 항공기의 상대적인 위치에서의 임의의 편차가 결정될 수 있다. 이 편차는 다양한 방법으로 항공기로 송신가능하다. 편차는, 가장 간단한 방법으로 항공교통 제어기에 표시되어, 그 정보를 파일럿에게 말로서 전달하게 된다.
편차를 파일럿에게 전달하는 두번째 방법은, 항공기에 전형적으로 설치된 ILS 기구의 사용을 들 수 있다. 보통 동작에서, ILS 기구는, 앞서 본 발명의 배경에서 기술된 바와 같이, 두쌍의 신호를 검출한다. ILS 기구에서, 이들 두 신호의 관계력은, 표시된 착륙활주로 접근 경로로 부터의 항공기의 출발을 나타낸다. 기지국은, 항공기의 ILS 기구가 적절한 수정을 나타내는 것과 같이, 가변성 신호력으로 이들 두쌍의 신호를 전송하는 전송기를 제어할 수 있다.
세번째 통신방법은, 기지국으로부터 정보를 수신하기 위한 특정 항공기 탑재 기구의 사용을 수반한다. 이러한 특정기구는, 아날로그 또는 디지탈 표시로 활주로 진입경로로 부터의 수평 및 수직 편차를 표시할 뿐만 아니라, 활주로, 고도, 및 수직 및 수평속도로 부터의 거리와 같은 계산된 다른 정보를 표시한다.
최종적으로, 기지국은, 항공기를 착륙지로 자동적으로 유도하는 명령을 항공기 탑재 자동 파일럿으로 전달한다.
[네 수신기에 의거한 계산]
항공기에 도달하기 위해 전송기 신호에 요구된 시간은 트랜스폰더 지연시간을 플러스하고, 수신기(Rxi)로 복귀하기 위해 트랜스폰더 응답신호에 요구된 시간은, 수신기에 의해 측정된 시간간격(ti)을 플러스한 수신기(Rxi)에 도달하기 위해 전송기 신호에 요구된 시간과 같다. 따라서, 방정식에서는, 제2도에 도시된 변수를 사용하고 있다.
호출기(Tx)로부터 각 수신기(Rxi) 까지의 거리가 Li로 공지되어 있기 때문에, Ti+ Li/C 와 같은 새로운 변수 T'i를 설정함으로써, 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.
제2도에 도시된 Tx, Rxi, 및 B 의 좌표위치를 사용하여 방정식(2)을 전개함으로써 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
Ti에 네개의 미지의 량이 있다. 즉, x,y,z 및 γ 인데, 따라서 상이하게 알려진 위치에서, 4 수신기의 최소값이 미지의 것을 해결하기 위해 필요하다. 4 측정치 집합 Ti(여기서, i=1,2,3,4)를 생각해 보자. 이는 비선형 방정식과 동시에 풀기 위해 적절한 수치 분석 기술을 사용하여 풀수 있는 4미지의 방정식과 함께 일련의 4비선형 방정식을 구성한다.
결과적으로, 트랜스폰더 지연시간(γ)과 마찬가지로 항공기의 위치(x,y,z)가 결정될 수 있다.
트랜스폰더 지연시간(γ)은 별반 중요치 않기 때문에, 방정식은, γ을 제거하고, 차를 취함으로써 단순화될 수 있다. 이는, 세 미지값 x,y, 및 z의 함수인 세 방정식의 시스템 및 세 새로운량(λi)을 나타낸다. 변수(λi)는 Rxi+1및 Rx1간의 항공기에 대한 범위의 상위점이다.
쌍곡면, 더욱 엄밀히 말하면 두 시트중 쌍곡면의 한 시트를 나타내는 각 방정식(4a),(4b), 및 (4c)를 주시하라. 항공기 위치에 대한 해는 세 쌍곡면의 교점으로 규정된다. 통상, 세볼록면은, 만약 그들이 모두를 교차하고 있다면 두점을 교차해서, 두 해가 있게 되도록 한다. 무관한 해는 실지의 이유로(예를들면, 숨어 있을지도 모르는 한 해) 또는 기타 수단에 의해 무시되어야만 한다.
[4수신기 이상에 근거한 계산]
4수신기 이상이 사용가능하다; 즉 문제는 과하게 결정되는 것이며, 이는 최소제곱법으로 해결될 수 있다. 추가의 수신기는, 수신기가 동일평면 상에 있지 않는한, 또한 무관한 해의 문제를 다소 해결할 수 있다. 어떤 수의 동일 평면상의 수신기도, 수신기에 의해 한정된 면이 대칭하는 면이기 때문에, 항상 두해를 감소시킨다. 해는 그 면을 통하여 나타날 때 해를 유지한다. 그러나, 동일 평면상의 경우 바람직하지 않은 해는, 그것이 숨어 있는 것처럼 쉽게 무시된다. 비동일 평면상의 수신기가 틀린 해를 제거할 것은 확실하다.
이득으로써, 4 수신기 이상의 사용은 반복 수신기를 제공함으로써 시스템에 잘못된 공차를 제공한다. 잔여 작동중의 수신기가 동일 직선상에 있지 않는 한, 기지국 CPU는, 착륙하는 항공기의 위치 계산을 계속할 수 있다.
[필터링 계산]
본 발명에 따른 정밀 착륙시스템의 바람직한 실시예는 항공기 위치의 결정 정확도를 개선하기 위해 칼만 필터링을 사용한다. 필터링은, 대부분의 최근 수신기 측정을 사용할 뿐만 아니라, 항공기 위치, 그 위치의 통계적 신뢰성, 및 현 측정의 통계적 차이를 사전에 결정함으로써 정확도를 개선한다.
4개 이상의 수신기와 조합하여, 칼만 필터링은, 추가적으로 편차검출 및 잘못된 공차를 제공한다. 칼만 필터링은 수신기에 의해 손상을 당함으로써 일어날 수 있는 바와 같이 틀린 데이타를 가지고 적절히 작용할 수 있고, 그밖에 작동중인 수신기로부터 가짜 데이타를 검출할 수 있다.
다른 경우, 칼만 필터링은, 잔여의 작동중인 수신기로부터의 데이타를 근거로 항공기의 위치를, 통계적으로 최적으로 결정하는 것을 보증하는, 비신뢰성 데이타를 버리도록 허용한다. 더욱이, 칼만 필터링은, 위치 판단에 의존하는지 또는 잘못된 활주로 진입를 명하는지를 판단하는 데 유용한, 실시간 에러추정을 제공한다.
칼만 필터 계산에 사용된 량은 표1 아래에 도시되어 있는데, 여기서 m은 대수벡터의 차원이고, n은 측량벡터의 차원이다.
이들 행렬은, 아래 나열된 방정식을 사용한 항공기의 위치를 계산하는데 사용된다.
상기 방정식에서, 기수법(k|j)은 x 및 z 와 더불어 시간 tj를 통해 주어진 데이타를 시간(tk)에서 추정한 값을 의미하고, 기수법(k)은 시간(tk)에서 참값을 의미하는 반면에 (k|j)는 측정치를 나타낸다. 방정식(5 및 6)은 시간갱신 방정식을 나타내고; 방정식(11 및 12)은 측정갱신 방정식을 나타낸다.
대수변이 행렬(Φ), 측량함수(h), 및 측량행렬(H)은, 통상 칼만 필터로 코드화되고, 대수 벡터 x(o|o)의 초기치와 대수 에러 공분산 행렬 p(o|o)은, 초기 센서 콘택트로 부터 계산되거나 발견적 지도법으로부터 측정된다.
진행잡음 공분산 행렬(Q)은 통상 예상된 목적 연습을 조절하기 위한 발견적 집합이지만, 칼만 필터의 더욱 진보된 공식화에 의해 순응적으로 설정될 수 있다.
행렬(R)은 센서의 잡음 특성에 의해 결정된다.
이러한 방정식 집합상의 주요한 변이는, 소위 대수 에러 공분산 행렬(P)의 갱신을 실행하고 이득을 형성하는 다른 방법을 사용하는 필터의 비어만형성 또는 UD라고 불리운다.
[상태 벡터 X]
항공기의 상태벡터(X)는, 항공기의 위치, 항공기의 속도성분, 및 트랜스폰더 응답시간(γ)을 포함한다. 행렬 형태에서 상태벡터(X)는 다음과 같다.
[상태변이행렬 Φ]
상태변이 행렬은 방정식 (5 및 6) 에 사용되어, 항공기의 다음 상태를 예측한다. 착륙하는 항공기가 비가속 상태에서 운항하는 것으로 가정되기 때문에, 단순히 구좌표 플러스 구속도인 신좌표는 시간 증분(△t)을 조절한다. 속도성분 및 트랜스폰더 응답시간(γ)은 변화하지 않는다.
행렬 형태로 나타난, 상태변이 행렬은 다음과 같다.
[프로세스 노이즈 공분산 행렬 Q]
방정식(15)에 도시된 상태변이 행렬은, 가속을 낳지 않고, 트랜스폰더 지연시간(γ)이 이동되도록 허용치 않는다. 프로세스 노이즈 공분산 행렬(Q)은, 그러한 사건들이 발생도록 허용하는 에이징(aging)행렬이다. 통상 그것은 측정된(Q)를 선택하고, 컴퓨터 모의 실험이나 비행시험을 통해서 잘 조절한다. Q에 대한 첫번째 추정은 통상 작동될 것 같은 항공기를 최대로 가속시킨다고 가정함으로써 계산된다. 만약 그 가속이 a이고 △t가 측정치 간의 시간간격이라면, Q의 성분은 다음과 같이 표현가능하다.
방정식(16a 내지 16b)로 규정되지 않는 잔여성분(Q77)은, 단기간의 작은 변화의 누적을 통해 장기간의 이동을 허용하는 것처럼, γ에서의 단기간 변이를 특징지운다. 그것은 틀림없이 실험에 의해, 또는 트랜스폰더 내역에 의지함으로써 결정된다.
[특정함수 h]
각 수신기는 시간간격(do+di-Li)/c+γ을 측정한다. 량(Li)은 각 설치를 조사함으로써 알려져, 간격은 측정함수(h)를 산출하기 위해 방정식(2)에 도시된 바와 같이, 수정될 수 있다. n 수신기(i=1,2,......,n)와 함께, 측정함수 행렬(h)은 다음과 같이 표현된다.
[측정행렬 H]
측정행렬(H)은 다음과 같다.
여기서, xj는 항공기 상태(x)의 j번째 성분이지만, 수신기(j)의 X-위치가 아니다. 따라서 다음과 같다.
[측정에러 공분산 행렬 R]
수신기 간에 기대치않던 상호관련이 있기 때문에, 측정에러 공분산 행렬(R)은, Rii=σi 2; 즉 수신기 Rxi의 타이밍 변이에 비스듬한 대각선이다. 변이 σi 2는 수신기(i)에서의 신호 대 잡음비 및 타이밍 시스템에서의 추가적 에러의 함수이다. 이들은 모두가, σi 2이 수신기(i)에서 측정된 신호 강도에 의거해 계산되는 것처럼 특징지워질 수 있다. 신호레벨의 함수로서 변이 σi 2는, 바람직한 실시예에서 각 수신기에 대해 실험적으로 측정될 수 있다. 이 구경 측정은 필요할때 마다 주기적으로 검사될 수 있다. 변이 σi 2는 또한, 트랜스폰더의 전송된 펄스의 오름함수이다. 이 오름시간은 측정될 수 있어서, 상이한 항공기의 트랜스폰더가 상이한 오름시간을 준다 해도, 각 경우에 적정한 정확도가 사용될 수 있다.
측정함수(h), 측정행렬(H), 및 측정에러 공분산 행렬(R)은, 동시 발생 프로세싱 칼만 필터에 사용되는 바와 같이 특정지워질 수 있다. 그러나 또한 그것은, 연속 처리형 필터에 사용하기 위해 그들을 변환하는 기술에 숙련된 사람들에게 간단한 일일 것이다.
[필터의 초기화]
필터는 이니셜 콘택트를 항공기에 사용함으로써 초기화된다. R1,R2,R3및 Rn과 같은 4수신기로 부터의 시간간격 측정을 사용하며, 항공기의 위치 및 트랜스폰더 응답시간이 4수신기 계산과 관련하여 상기 기술된 바와 같이 계산될 수 있다. 상태 벡터의 속도성분은 0으로 초기화된다. 만약 활주로에 진입하는 항공기의 코스와 속도가 알려져 있다면, 알려진 그 두 사항은 상태벡터(x)의 속도 성분을 초기화시키는데 사용될 수 있다.
x,y,z 및 γ 성분에 상응하는 P(o|o)의 4×4부 행렬은, 표준에러 증식에 의해 R로부터 계산된다.
여기서 H는, 상태를 초기화하기 위해 사용된 4측정치에 상응하는 4×4 H 행렬이다.
상태에러 공분산 행렬(P)의 성분은, 대각선의 행렬을 큰 값으로 설정함으로써 초기화된다.
여기서 Vmax는 항공기 속도와 같은 최대치를 나타내며, 컴퓨터 모의실험 연구에 의해 선택된다. 수직성분(Vmax,v)은 수평성분(Vmax,h)보다 더 작게 된다.
만약 알려진 코스 및 속도가 초기화 속도에 사용되었다면, P44,P55및 P66은 그들 수의 변이를 반영하기 위해 선택되며, 또한 이들 량을 측량하는 기구의 정확도, 예컨대, 항공기의 기구 정확도에 의거한다.
결과적인 상태 에러 공분산 행렬(P)은 다음과 같다.
상태 벡터(x) 및 상태에러 공분산은 두 초기측정치를 사용하여 초기화 될 수 있다. 그리고 나서 속도 성분은, △t로서 분할된, 위치성분을 간의 차이로 초기화 된다. P(o|o)는 유사한 에러 증식법에 의해 파생될 수 있다.
칼만 필터에 의해서 다양한 관찰이 진행될때, 트랜스폰더 지연시간(γ)의 추정치는 상수에 가까울 것이다. 만약 γ이 공지되어 있다면, 단지 수신기들 간의 거리 상의 차이보다는 오히려 각 수신기로부터 항공기까지의 거리가 관측된다. 이경우, 세 수신기는, 항공기를 수신기의 면에 대한 반영내로 위치시키는데 충분하며, 4번째 비동일 평면상에 있는 수신기의 존재가 모호한 사항을 제거할 것이다. 이러한 이유로, 칼만 필터가 올바른 해에 가깝게 초기화 되는 한, 틀린 해가 산출되는 위험성이 극소화 될 것이다.
전기한 명세서에 적용되었던 조건 및 표현은, 설명 및 제한이 없는 조건으로 사용으로 있고, 이러한 조건 및 표현의 사용에 있어서, 도시되고 기술된 형상 및 그 부위의 동등함을 배제하려는 의도가 없으며, 끝으로 본 발명의 범위는 뒤따른 청구범위에 의해서 만이 나타나고 제한된다.

Claims (16)

  1. 호출신호를 전송하는 접지 호출기의 작동영역 내의 소정의 활주로 접근경로를 따라, 호출신호의 수신에 응하여 트랜스폰더 응답신호를 전송하는 트랜스폰더를 탑재한 항공기를 유도하기 위한 정밀착륙시스템에 있어서, (a) ⅰ)상기 호출신호를 수신하기 위한 수단, ⅱ)상기 트랜스폰더 응답신호를 수신하기 위한 수단, 및 ⅲ)상기 호출신호의 수신 및 상기 트랜스폰더 응답신호의 수신간의 경과시간을 결정하기 위한 수단을 각각 구비하며, 소정위치에 각각 위치되어 있는 적어도 4개의 접지 수신기. (b) ⅰ)상기 각 수신기로 부터 상기 각 경과시간을 수신하기 위한 수단, ⅱ)상기 각 경과시간으로부터 상기 항공기의 위치를 계산하기 위한 수단, ⅲ)위치에러를 판정하기 위하여 상기 위치와 상기 소정의 활주로 접근경로를 비교하기 위한 수단을 구비한 컴퓨터; 및 (c) 상기 위치 에러를 상기 항공기로 통신하기 위한 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  2. 소정의 활주로 접근경로를 따라, 접지 트랜스미터로부터의 호출신호의 수신에 응하여 트랜스폰더 응답신호를 전송하는 트랜스폰더를 탑재한 항공기를 유도하기 위한 정밀착륙시스템에 있어서, (a) 호출신호를 전송하기 위한 접지호출수단, (b) ⅰ)상기 호출신호를 수신하기 위한 수단, ⅱ)상기 트랜스폰더 응답신호를 수신하기 위한 수단, 및 ⅲ)상기 호출신호의 수신 및 상기 트랜스폰더 응답신호의 수신간의 경과시간을 결정하기 위한 수단을 각각 구비하며, 소정위치에 각각 위치되어 있는 적어도 4개의 접지 수신기. (c) ⅰ)상기 각 수신기로 부터 상기 각 경과시간을 수신하기 위한 수단, ⅱ)상기 각 경과시간으로부터 상기 항공기의 위치를 계산하기 위한 수단, ⅲ)위치에러를 판정하기 위하여 상기 위치와 상기 소정의 활주로 접근경로를 비교하기 위한 수단을 구비한 컴퓨터; 및 (d) 상기 위치 에러를 상기 항공기로 통신하기 위한 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  3. 소정의 활주로 접근경로를 따라 항공기를 유도하기 위한 정밀착륙시스템에 있어서, (a) 호출신호를 전송하기 위한 접지호출수단, (b) 상기 호출신호를 수신하고, 이에 응하여 트랜스폰더 응답신호를 전송하기 위해 상기 항공기에 탑재한 트랜스폰더 수단, (c) ⅰ)상기 호출신호를 수신하기 위한 수단, ⅱ)상기 트랜스폰더 응답신호를 수신하기 위한 수단, 및 ⅲ)상기 호출신호의 수신 및 상기 트랜스폰더 응답신호의 수신간의 경과시간을 결정하기 위한 수단을 각각 구비하며, 소정위치에 각각 위치되어 있는 적어도 4개의 접지 수신기, (d) ⅰ)상기 각 수신기로 부터 상기 각 경과시간을 수신하기 위한 수단, ⅱ)상기 각 경과시간으로부터 상기 항공기의 위치를 계산하기 위한 수단, ⅲ)위치에러를 판정하기 위하여 상기 위치와 상기 소정의 활주로 접근경로를 비교하기 위한 수단을 구비한 컴퓨터; 및 (e) 상기 위치 에러를 상기 항공기로 통신하기 위한 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수신기 전부는 실질적으로 수평인 단일 기하면내에 포함된 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 계산용 수단이 추정필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 추정 필터가 칼만필터인 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  7. 소정의 활주로 접근경로를 따라, 트랜스폰더 응답신호를 전송하는 트랜스폰더를 탑재한 항공기를 유도하기 위한 정밀착륙시스템에 있어서, (a) ⅰ)상기 트랜스폰더 응답신호를 수신하기 위한 수단; 및 ⅱ)상기 트랜스폰더 응답신호의 수신에 대응하는 도착시간을 결정하기 위한 타이머 수단을 각각 구비하며, 소정위치에 각각 위치되어 있는 적어도 4개의 접지 수신기, (b) 상기 수신기 각각의 상기 타이머 수단을 동기화하기 위한 수단, (c) ⅰ)상기 각 수신기로부터 상기 각 도착시간을 나타내는 신호를 수신하기 위한 수단, ⅱ)상기 각 도착 시간을 나타내는 상기 신호로부터 상기 항공기의 위치를 계산하기 위한 수단, ⅲ)위치에러를 판정하기 위하여 상기 계산된 위치를 상기 소정의 활주로 접근경로와 비교하기 위한 수단을 구비한 접지컴퓨터; 및 (d) 상기 위치에러를 상기 항공기로 통신하기 위한 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 타이머 수단을 동기화하기 위한 상기 수단은 동기화 신호를 수신하기 위한 상기 각 수신기내의 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 타이머수단을 동기화하기 위한 상기 수단은 호출기에 의해 전송된 호출신호를 수신하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 수신기 전부는 실질적으로 수평인 단일 기하면내에 포함된 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  11. 제7항에 있어서, 계산용 상기 수단은 추정필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 추정필터는 칼만필터인 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  13. 제7항에 있어서, 상기 위치에러를 통신하기 위한 상기 수단은 상기 항공기에 탑재한 ILS 기구에 의해 수신된 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  14. 호출신호를 전송하는 접지호출기의 작동영역내의 소정의 활주로 접근경로를 따라, 트랜스폰더 응답신호를 전송하는 트랜스폰더를 탑재한 항공기를 유도하기 위한 정밀착륙시스템에 있어서, (a) ⅰ)상기 트랜스폰더 응답신호를 수신하기 위한 수단; 및 ⅱ)상기 트랜스폰더 응답신호의 수신에 대응하는 도착시간을 결정하기 위한 타이머 수단을 각각 구비하며, 소정위치에 각각 위치되어 있는 적어도 3개의 접지 수신기, (b) 상기 수신기 각각의 상기 타이머 수단을 동기화하기 위한 수단, (c) ⅰ)상기 각 수신기로부터 상기 각 도착시간을 나타내는 신호를 수신하기 위한 수단, ⅱ)추정필터를 포함하여, 상기 각 도착 시간을 나타내는 상기 신호로부터 상기 항공기의 위치를 계산하기 위한 수단, ⅲ)위치에러를 판정하기 위하여 상기 계산된 위치를 상기 소정의 활주로 접근경로와 비교하기 위한 수단을 구비한 컴퓨터; 및 (d) 상기 위치에러를 상기 항공기로 통신하기 위한 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 타이머수단을 동기화하기 위한 상기 수단은 동기화 신호를 수신하기 위한 각 수신기 내의 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 타이머수단을 동기화하기 위한 상기 수단은 상기 호출신호를 수신하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀착륙시스템.
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