WO1999028885A1 - Verfahren zur führung von flugzeugen auf rollwegen - Google Patents

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Rolf Zimmermann
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    • G08G5/06—Traffic control systems for aircraft, e.g. air-traffic control [ATC] for control when on the ground
    • G08G5/065—Navigation or guidance aids, e.g. for taxiing or rolling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64F—GROUND OR AIRCRAFT-CARRIER-DECK INSTALLATIONS SPECIALLY ADAPTED FOR USE IN CONNECTION WITH AIRCRAFT; DESIGNING, MANUFACTURING, ASSEMBLING, CLEANING, MAINTAINING OR REPAIRING AIRCRAFT, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; HANDLING, TRANSPORTING, TESTING OR INSPECTING AIRCRAFT COMPONENTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B64F1/002—Taxiing aids
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/0083—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots to help an aircraft pilot in the rolling phase

Definitions

  • the invention relates to a method for guiding aircraft on taxiways.
  • NLA New Large Aircraft, e.g. Airbus A3XX
  • ICAO International Civil Aviation Organization
  • ACI Airports Councii International
  • the A3XX could safely maneuver on existing taxiways (Taxiways Code E / Group V) approved for B 747, including curves and branches, if the lateral deviation of the main landing gear from the taxiway center line is at most 0.5 m.
  • This requires, among other things, a considerable oversteer of the nose landing gear or a control of the nose landing gear along an invisible aircraft-specific ideal line that deviates significantly from the center line
  • the required lateral accuracy and driving along an ideal line to be calculated for the nose gear cannot be achieved by manual control by a pilot.
  • Navigation systems are known for road vehicles, which include the following components:
  • Inertial system autonomous navigation systems based on motion sensors, e.g. wheel rotation measurement and electronic compass
  • errors that are generally proportional to the distance traveled since the last base or to the past (gyro systems)
  • Satellite navigation system if applicable (due to shadowing and multiple reception of signals from individual satellites in road traffic, can only be used for accuracies in the range of around 100 m) i.a. only to support the inertial system
  • the object of the invention is to provide a method for guiding aircraft To create taxiways with the help of which aircraft with a lateral deviation of less than 0.5 m can be guided from an ideal line.
  • the next generation large aircraft (New Large Aircraft) should be able to taxi safely on the taxiways that are already available.
  • the system for carrying out the method according to the invention has the following components:
  • Inertial system customary in aircraft e.g. an inertial navigation system.
  • an additional navigation system that is independent of the aircraft e.g. a satellite navigation system can be used. It is also possible to use several navigation systems in parallel.
  • the navigation system need only have a limited accuracy (typically 10 m), which alone is not sufficient to achieve the object on which the invention is based.
  • - Storage medium with reference information in particular in the form of a digital taxiway map. It contains the exact coordinates of the light exit openings of all fires of the intended taxiways and apron areas suitable as a base. The accuracy of the taxiway map contained coordinates is, for example, approx. 10 cm.
  • the measurement should e.g. with an accuracy of approx. 10 cm. Suitable for this are e.g. Video cameras or scanners, which are advantageously arranged on the main landing gear of the aircraft.
  • the taxiway to be driven can be selected by input from the pilot (in consultation with the tower) or by data transfer from the tower.
  • the detection of the fire by the sensor can be facilitated by only shading the fire of the intended taxiway.
  • the method according to the invention is not limited to NLA, but can be used for all aircraft and vehicles that enter areas with lights.
  • the degree of automation can be very different and e.g. have the following forms:
  • - manual taxiing by the pilot using guidance information generated by the system, e.g. voice output, visible input glare into the outside view (head-up display) or on a monitor, - semi-automatic taxiing with automatic steering and manual longitudinal guidance (accelerate, brake) by the pilot, - automatic taxiing, if necessary with monitoring by the pilot.
  • guidance information generated by the system, e.g. voice output, visible input glare into the outside view (head-up display) or on a monitor, - semi-automatic taxiing with automatic steering and manual longitudinal guidance (accelerate, brake) by the pilot, - automatic taxiing, if necessary with monitoring by the pilot.
  • FIG. 2 shows the schematic representation of a system for carrying out the method according to the invention.
  • the sequence of the method according to the invention is described by way of example with reference to FIG. 2.
  • the current position of the aircraft is determined with an accuracy of, for example, 5 m.
  • the position of the fire detected by the sensor SEN is determined in the control unit ST and compared with the reference information contained in the digital taxiway map REF.
  • the assignment of a detected fire to the corresponding fire on the taxiway map REF is clear if the distance between adjacent fires is greater than the blurring of the navigation system NAV (here, for example, the 5 m mentioned above).
  • the position of the detected fire taken from the reference information serves as a base for the navigation system NAV.
  • the aircraft is determined with increased accuracy compared to the original position determination of the navigation system.
  • the aircraft position can be determined with an accuracy of less than 0.5 m.
  • guide information is generated in the FRG unit.
  • the pilot reaches a certain position on the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung von Flugzeugen auf Rollwegen (R) des Flughafenvorfelds, wobei auf den Rollwegen (R) und ggf. an weiteren Orten des Flughafenvorfelds Positionsfeuer (FE) angeordnet sind. Es umfaßt folgende Verfahrensschritte: Bestimmung der momentanen Position des Flugzeuges mit einer bestimmten Genauigkeit mittels eines Navigationssystems (NAV), Detektion und Vermessung der Position der Feuer mit einem am Flugzeug angeordneten Sensor (SEN), Bereitstellung von Referzenzinformationen (REF) mit den Positionen der einzelnen Feuer (FE), Vergleich des von dem Navitationssystem (NAV) verfolgten Weges mit den Referenzinformationen (REF), und Nutzung der detektierten Feuer (FE) als Stützpunkte für das Navigationssystem (NAV), und hieraus Bestimmung der momentanen Position des Flugzeugs mit gegenüber der ursprünglichen Positionsbestimmung des Navigationssystems (NAV) erhöhten Genauigkeit; Generierung von Führungsinformationen auf der Basis der so ermittelten Position des Flugzeugs.

Description

Verfahren zur Führung von Flugzeugen auf Rollwegen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung von Flugzeugen auf Rollwegen.
NLA (New Large Aircraft, z.B. Airbus A3XX) haben größere Abmessungen als die bisher größten zivilen Flugzeuge Boeing B 747. ICAO (International Civil Aviation Organization) und ACI (Airports Councii International) sowie die Flugzeughersteller suchen daher nach Lösungen, wie NLA auf vorhandenen Flughäfen ohne kostspielige Neu- oder Umbaumaßnahmen landen, rollen und abgefertigt werden können.
So könnte die A3XX auf existierenden und für B 747 zugelassenen Rollwegen (Taxiways Code E/Group V) einschließlich Kurven und Abzweigungen sicher manövrieren, wenn die seitliche Abweichung des Hauptfahrwerks von der Rollwegmittellinie höchstens 0,5 m beträgt. Dies erfordert unter anderem bei Kurven ein erhebliches Übersteuern des Bugfahrwerks bzw. ein Steuern des Bugfahrwerks entlang einer unsichtbaren flugzeugspezifischen Ideallinie, die erheblich von der Mittellinie abweicht Die erforderliche laterale Genauigkeit und das Entlangfahren an einer zu berechnenden Ideallinie für das Bugfahrwerk ist mittels manueller Steuerung durch einen Piloten nicht erreichbar.
Für Straßenfahrzeuge sind Navigationssysteme bekannt, die unter anderem folgende Komponenten aufweisen:
- Inertialsystem (autonome Navigationssysteme auf Basis von Bewegungssensoren, z.B. Radumdrehungsmessuπg und elektronischer Kompaß) mit Fehlern, die im allgemeinen proportional sind zum zurückgelegten Weg seit dem letzten Stützpunkt bzw. zur vergangenen Zeit (Kreiselsysteme)
- gegebenenfalls Satelliteπnavigationssystem (durch Abschattungen und Mehrfachempfang von Signalen einzelner Satelliten im Straßenverkehr nur für Genauigkeiten im Bereich von etwa 100 m einsetzbar) i.a. nur zur Unterstützung des Inertialsystems
- digitale Straßenkarte mit Speicherung des Verlaufs aller Straßen und aller Abbiegemöglichkeiten des Straßennetzes
- Map-Matching-Verfahren zum ständigen Vergleich des vom Inertialsystem verfolgten Weges mit dem gespeicherten Straßennetz und Nut- zung jeder engen Kurve und jedes Abbiegevorganges als Stützpunkt für das Inertialsystem.
Mit dieser Kombination (gegebenfalls auch ohne Satellitennavigation) lassen sich Genauigkeiten von etwa 5 m erreichen, die für die Zielführung (z.B. Sprachausgabe an den Fahrer "in 50 m rechts abbiegen") ausreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Führung von Flugzeugen auf Rollwegen zu schaffen, mit dessen Hilfe Flugzeuge mit einer seitlichen Abweichung unter 0,5 m von einer Ideallinie geführt werden können. Insbesondere sollten die Großflugzeuge der nächsten Generation (New Large Aircraft) sicher auf den derzeit schon vorhandenen Rollwegeπ rollen können.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das für die Navigation von Straßen- fahrzeugen bekannte Verfahren auf die Führung von Flugzeugen auf Rollwegen zu übertragen. Dabei werden die einzelnen Feuer der Rollwegbefeuerung (bevorzugt die Feuer der Mittellinien-Befeuerung) als Stützpunkte für die Navigation verwendet. Das System zur Durchführung des erfindungsgemäs- sen Verfahrens weist folgende Komponenten auf:
- flugzugübliches Inertialsystem, z.B. ein Trägheitnavigationssystem. Es kann jedoch auch ein zusätzliches, unabhängig vom Flugzeug vorhandenes Navigationssystem, z.B. ein Satellitennavigationssystem eingesetzt werden. Es ist auch möglich, parallel mehrere Navigationssysteme zu ver- wenden.
Das Navigationssystem braucht nur eine begrenzte Genauigkeit (typischerweise 10 m) aufzuweisen, die für sich aliein nicht ausreicht, die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen.
- Speichermedium mit Referenzinformationen, insbesondere in Form einer digitalen Rollwegkarte. Sie enthält die genauen Koordinaten der Lichtaustrittsöffnungen aller als Stützpunkt geeigneten Feuer der vorgesehenen Rollwege und Vorfeldbereiche. Die Genauigkeit der in der Rollwegkarte enthaltenen Koordinaten beträgt z.B. ca. 10 cm.
- zusätzlicher Sensor zur Erkennung von Feuern und deren Vermessung. Die Vermessung sollte z.B. mit einer Genauigkeit von ca. 10 cm erfolgen. Geeignet hierfür sind z.B. Videokameras oder Scanner, die vorteilhaft am Hauptfahrwerk des Flugzeugs angeordnet werden.
- Map-Matching-Verfahren zum ständigen Vergleich des vom Inertialsystem verfolgten Weges mit dem gespeicherten Rollwegnetz und Nutzung jedes erkannten Feuers als Stützpunkt für das Inertialsystem.
Mit dieser Kombination lassen sich Genauigkeiten der Flugzeugpositionsbestimmung von deutlich besser als 0,5 m erreichen, die eine automatische Querführung und den korrekten Ablauf des Übersteuerπs des Bugfahrwerks ermöglichen.
Die Auswahl des zu befahrenden Rollwegs kann durch Eingaben des Piloten (in Absprache mit dem Tower) oder durch Datenübertragung vom Tower erfolgen. Die Erkennung der Feuer durch den Sensor kann dadurch erleichtert werden, daß nur die Feuer des vorgesehenen Rollwegs eingeschattet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf NLA beschränkt, sondern für alle Flugzeuge und Fahrzeuge nutzbar, die Bereiche mit Befeuerung befahren. Der Automatisierungsgrad kann dabei sehr unterschiedlich sein und z.B. folgende Ausprägungsformen besitzen:
- manuelles Rollen durch den Piloten mit Hilfe von aus dem System erzeugter Führungsinformation, z.B. Sprachausgabe, sichtbare Ein- blendung in die Außensicht (Head-Up-Display) oder auf einem Monitor, - halbautomatisches Rollen mit automatischer Lenkung und manueller Längsführung (beschleunigen, bremsen) durch den Piloten, - automatisches Rollen, gegebenenfalls mit Überwachung durch den Piloten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden mit Bezug auf zwei Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 Skizze zur Führung eines Flugzeugs (A3XX) auf einem Rollweg;
Fig. 2 die schematische Darstellung eines Systems zur Durchführung des er- finduπgsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 erläutert die der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung, wie sie in der Beschreibungseinleitung beschrieben wurde, am Beispiel eines Airbus A3XX, der auf dem Rollweg R geführt werden soll. Die gewählten Dimensionen des Rollwegs R entsprechen denjenigen der zur Zeit auf Flughäfen vorhandenen Rollwegen (Breite: ca. 23 m). Die Ideallinien für das Bugfahrwerk sowie für die äußeren Ränder des Hauptfahrwerks sind jeweils eingezeichnet. FE bezeichnet die Feuer der Mittellinienbefeuerung.
Anhand Fig. 2 wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft beschrieben. Mit Hilfe des Navigationssystems NAV wird die momentane Position des Flugzeugs mit einer Genauigkeit von z.B. 5 m bestimmt. Auf der Basis dieser Flugzeugposition wird in der Steuereinheit S T die Position des von dem Sensor S E N detektierten Feuers ermittelt und mit der in der digitalen Rollwegkarte REF enthaltenen Referenzinformation verglichen. Diese enthält die Positionen sämtlicher für die Navigation geeigneter Feuer FE (Fig. 1 ) mit einer Genauigkeit von z.B. 10 cm. Die Zuordnung eines detektierten Feuers zu dem entsprechenden Feuer der Rollwegkarte REF ist dann eindeutig, wenn der Abstand benachbarter Feuer größer ist als die Unscharfe des Navigations- Systems NAV (hier z.B. die oben erwähnten 5 m). Die aus der Referenzinformation entnommene Position des detektierten Feuers dient als Stützpunkt für das Navigationssystem NAV. Unter Verwendung dieser Stützpunkte erfolgt eine Positionsbestimmung des Flugzeugs mit erhöhter Genauigkeit verglichen mit der ursprünglichen Positionsbestimmung des Navigationssystems. Mit dem beschriebenen Verfahren kann dadurch die Flugzeugposition mit einer Genauigkeit von weniger als 0,5 m bestimmt werden. Unter Verwendung der gewonnenen hochgenauen Positionsdaten werden in der Einheit FRG Füh- rungsiπformationen generiert. Diese betreffen je nach Automatisierungsgrad
- Informationen für die akustische oder optische Ausgabe an den Piloten. So wird z.B. der Pilot beim Erreichen einer bestimmten Position auf dem
Rollweg angewiesen, mit dem Einschlagen des Bugfahrwerks zu beginnen.
- Informationen für die automatische Lenkung des Bugfahrwerks, eventuell in Verbindung mit Informationen für die akustische oder optische Ausga- be an den Piloten zur manuellen Längsführung (beschleunigen, bremsen) durch den Piloten.
- Informationen für die automatische Lenkung des Bugfahrwerks und die automatische Längsführung (beschleunigen, bremsen) des Flugzeugs.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Führung von Flugzeugen auf Rollwegen (R) des Flughafenvorfelds, wobei auf den Rollwegen (R) und ggf. an weiteren Orten des Flughafenvorfelds Positionsfeuer (FE) angeordnet sind, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bestimmung der momentanen Position des Flugzeuges mit einer bestimmten Genauigkeit mittels eines Navigationssystems (NAV);
- Detektion und Vermessung der Position der Feuer mit einem am Flugzeug angeordneten Sensor (SEN),
- Bereitstellung von Referenzinformationen (REF) mit den Positionen der einzelnen Feuer (FE),
- Vergleich des von dem Navigationssystem (NAV) verfolgten Weges mit den Referenzinformationen (REF), und Nutzung der detektierten Feuer (FE) als Stützpunkte für das Navigationssystem (NAV), und hieraus
- Bestimmung der momentanen Position des Flugzeugs mit gegenüber der ursprünglichen Positionsbestimmung des Navigationssystems (NAV) erhöhten Genauigkeit; - Generierung von Führungsinformationen auf der Basis der so ermittelten Position des Flugzeugs.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die
Führungsinformationen dem Piloten zur manuellen Steuerung des Flugzeugs übermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsinformationen zur automatischen Steuerung des Flugzeugs ohne Zwischenschaltung des Piloten dienen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsinformation zur halbautomatischen Steuerung des Flugzeugs dienen, wobei die Längsführung durch den Piloten gesteuert wird und die Lenkung automatisch gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vermessenden Positionsfeuer (FE) die der Mittellinien-Befeuerung des Rollwegs (R) sind.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Referenzinformation (REF) in Form einer digitalen Karte gespeichert werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der am Flugzeug angeordnete Sensor (SEN) eine Videokamera oder ein Scanner ist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (SEN) am Hauptfahrwerk des Flugzeugs angebracht wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Navigationssystem (NAV) das flugzeugeigene Navigationssystem, z.B. ein Trägheitnavigationssystem, eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Navigationssystem (NAV) ein Satellitennavigationssystem eingesetzt wird.
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