Verfahren und Vorrichtung zur Flugüberwachung von Luftfahrzeugen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein Computerprogramm zur Überwachung von mobilen Systemen insbesondere zur Flugüberwachung von Luftfahrzeugen mittels Datenerfassung und Datenfernübertragung und ist anwendbar insbesondere für kleinere und mittlere Motor-, Sport- und Segelflugzeuge.
Das erfindungsgemäße Flugüberwachungssystem ist bevorzugt überall dort einsetzbar, wo Kontroll- und Überwachungsaufgaben in der privaten Luftfahrt zu lösen sind.
Aus dem Stand der Technik ist es hinreichend bekannt, Betriebsdaten von Fahrzeugen in geeigneter Form zu erfassen und mittels Funk an Leitstände zu übertragen. Ein allgemein bekanntes Beispiel ist hierzu die funktechnische Übertragung von beispielsweise Motordrehzahl, Geschwindigkeit, Temperaturwerten etc. bei Autorennveranstaltungen.
Weiterhin ist es bekannt, Flugzeuge mit einem Flugschreiber auszurüsten, welcher relevante Betriebs- und Flugdaten speichert, um diese Daten später gezielt, beispielsweise zur Ermittlung der Absturzursache, auswerten zu können.
Mit der DE 196 08 516 AI wird ein Dokumentationssystem zum Aufnehmen von Daten von Flugobjekten beschrieben, bei dem die Ortung und Bergung von Flugschreibern zur Klärung von Absturzursachen nicht mehr notwendig ist. Zu diesem Zweck ist dem Flugobjekt eine Datenaufnahme zum Aufnehmen der zur Klärung von Absturzursachen relevanten Daten und ein die Daten kontinuierlich abstrahlender Sender zugeordnet. Die Daten werden über Satellit übertragen und von einem am Boden stationierten Empfänger aufgefangen, der mit einem Aufzeichnungsgerät zum kontinuierlichen Speichern der empfangenen Daten versehen ist.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass zwei Flugschreiber bzw. zwei Gegenstellen (Module) benötigt und die Daten aufwendig per Satellit übermittelt werden.
Aus der DE 39 29 581 AI ist eine Einrichtung zur Registrierung von Flugwegen und Flugmanövern von Flugzeugen bekannt, bei welcher zwecks dieser Registrierung am Flugzeug ein datensammelndes Gerät angebracht ist. Dieses Gerät dient zur Aufzeichnung der Flugwege und Flugzustände. Zweck der Registrierung ist die nachträgliche Simulation beim Pilotentraining.
Mit dieser Lösung werden nur Flugdaten erfasst und es existiert keine Datenfernübertragung. Eine Auswertung der Daten erfolgt erst nach dem Flug.
Die DE 100 46 007 Cl beschreibt ein Flugkontrollsystem, welches im Cockpit installiert ist und selbständig sicherheitskritische Flugzustände erkennt und dem Piloten rechtzeitig beratende Hinweise zur Korrektur dieser Flugzustände übermittelt.
Unter Verwendung eines parallel zur Flugregelung mitlaufenden Computers sowie von Fuzzi Logik erfolgt eine Risikobewertung bezüglich des aktuellen Flugzustandes. Diese Lösung basiert auf einer Fehlersummierungsanzeige und beinhaltet keine Datenfernübertragung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung mit geringem Gewicht sowie ein Computerprogramm zur Flugüberwachung von Luftfahrzeugen zu schaffen, welche eine effektive, sichere und preiswerte Datenerfassung, Datenspeicherung, Datenverarbeitung und Datenübertragung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 11 und 18 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im jeweiligen Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine zeitnahe und umfassende Erfassung, Verarbeitung und Übermittlung von Daten über den technischen Zustand und den Flugzustand von Luftfahrzeugen ermöglicht wird, indem folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:
Erfassung von technischen Betriebsdaten des Luftfahrzeuges, Erfassung von Flugdaten und Positionsdaten des Luftfahrzeuges sowie von Allgemeindaten, Speicherung und Verarbeitung der erfassten Betriebsdaten, Flugdaten, Positionsdaten und Allgemeindaten im Luftfahrzeug,
Übertragung der erfassten und/oder gespeicherten und/oder verarbeiteten Betriebsdaten, Flugdaten, Positionsdaten und Allgemeindaten per GSM, GPRS, Kabel, W-LAN, Bluetooth, Funk, u.a. Medien an eine Empfangsstation.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht im Erkennen des Erreichens beziehungsweise Überschreitens von individuell einstellbaren Grenzwerten und Belastungsgrenzen mittels einer Vorrichtung, welche ein Bordcomputer zur Datenspeicherung und/oder Datenverarbeitung mit einem Messmodul, welches mit Sensoren/Datengebern zur Erfassung technischer Betriebsdaten des Luftfahrzeuges verbunden ist, einem GPS-Modul zur Erfassung von Flugdaten und Positionsdaten sowie einem Kommunikationsmodul zur Datenfernübertragung verbunden ist.
Das Erkennen des Überschreitens von Grenzwerten und Belastungsgrenzen eines Luftfahrzeuges ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn Schadenverursacher von Motor- und anderen Schäden ermittelt und haftbar gemacht werden müssen. Darüber hinaus bietet die Möglichkeit des zeitnahen Verfol- gens von bestimmten technischen Daten und Flugdaten (zum Beispiel Motordrehzahl, Drücken, Temperaturen, Stellungen von Rudern, Gashebeln u.a., Höhe, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Position und Kurs) Ansatzpunkte zum Vermeiden von Grenzüberschreitungen, zur Einhaltung von Fluggebieten, zur Erhöhung der Flugsicherheit, beispielsweise auch der subjektiv empfundenen Sicherheit von Flugschülern und zur Terrorismusabwehr, zur optimalen Flugaus- und -bewertung und zum Führen von elektronischen Flugbüchern und Anbindung an weitere Auswertungssoftware.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Computerprogramm zur Flugüberwachung von Luftfahrzeugen mittels Datenerfassung und Datenübertragung es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Flugüberwachungsverfahren durchzuführen, wobei technische Betriebsdaten des Luftfahrzeuges erfasst werden, Flugdaten und Positionsdaten des Luftfahrzeuges sowie Allgemeindaten erfasst werden, erfasste Betriebsdaten, Flugdaten, Positionsdaten und Allgemeindaten im Luftfahrzeug gespeichert und verarbeitet werden, erfasste und/oder gespeicherte und/oder verarbeitete Betriebsdaten, Flugdaten, Positionsdaten und Allgemeindaten per GSM, GPRS, Kabel, W-LAN, Bluetooth, Funk an eine Empfangsstation übertragen werden.
Beispielsweise können diese Computerprogramme (gegen Gebühr oder unentgeltlich, frei zugänglich oder passwortgeschützt) downloadbar in einem Daten- oder Kommunikationsnetz bereitgestellt werden. Die so bereitgestellten Computerprogramme können dann durch ein Verfahren nutzbar gemacht werden, bei dem ein Computerprogramm nach Anspruch 18 aus einem elektronischen Datennetz wie beispielsweise aus dem Internet auf eine an das Datennetz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen wird, z.B Einbindung in Internet Fluginfosysterme bis zu Flugschul, -club und Verchartererabrechnungen .
Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wird vorteilhafterweise ein computerlesbares Speichermedium eingesetzt, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einem Computer ermöglicht, nachdem es in den Speicher des Computers geladen worden ist, ein Verfahren zur Flugüber-
wachung von Luftfahrzeugen mittels Datenerfassung und Datenübertragung durchzuführen, wobei
- technische Betriebsdaten des Luftfahrzeuges erfasst werden,
- Flugdaten und Positionsdaten des Luftfahrzeuges sowie Allgemeindaten erfasst werden,
- erfasste Betriebsdaten, Flugdaten, Positionsdaten und Allgemeindaten im Luftfahrzeug gespeichert und verarbeitet werden, erfasste und/oder gespeicherte und/oder verarbeitete Betriebsdaten, Flugdaten, Positionsdaten und Allgemeindaten per GSM, GPRS, Kabel, W-LAN, Bluetooth, Funk an eine Empfangsstation übertragen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computerprogramms ist vorgesehen, dass erfasste Daten komprimiert und/oder in einem nichtflüchtigen Speicher wie beispielsweise einem EEProm gespeichert werden. Damit wird erreicht, dass eingeschriebene Daten resistent sind gegen Netz-, Akkuausfall und gegen Zerstörung anderer Komponenten und die Daten sind kompatibel zu Auswertesystemen von offiziellen Stellen z.B. der Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung (BFU) .
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computerprogramms ist vorgesehen, dass das Computerprogramm ein Speicherplatzmanagement, insbesondere eine Reduzierung des für ein- und/oder auszulesende Daten genutzten Speicherplatzes, durchführt zur Reduzierung von Zugriffszeiten auf die Daten. Insbesondere kann mit dieser Maßnahme verhindert werden, dass ankommende Befehle, die beispielsweise in SMS enthalten sein können, verloren gehen. Lange Zugriffszeiten durch die Modemhardware (Lesen einzelner SMS) werden z. B. dadurch vermieden, dass ein
Teil des Speicherplatzes aufgefüllt und/oder gesperrt wird. Speziell das Modem meldet dann „Speicher voll" an die Provider-Zentrale. Der Speicherplatz wird dadurch zur Kurzmitteilungszentrale verschoben .
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computerprogramms sieht vor, dass zur Steuerung des Verfahrens zur Flugüberwachung von Luftfahrzeugen genutzte Protokolle um benutzter- und/oder gerätespezifische Befehle und Anwendungen erweiterbar sind.
Zusätzlich ist es möglich, dass das Computerprogramm eine Überprüfung von für die Datenfernübertragung erforderlichen Kriterien, wie beispielsweise Guthaben für Kommunikationsgebühren, durchführt. Mit einer Abfrage von Daten, welche nicht direkt technische Betriebsdaten oder Flugdaten sind, wird verhindert, dass z. B. durch ein aufgebrauchtes Kommunikationsguthaben die Übermittlung von kritischen technische Betriebsdaten oder Flugdaten beeinträchtigt wird. Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, dass das Computerprogramm Daten zyklisch erfasst.
Von Vorteil ist es ebenfalls, dass das Computerprogramm Module umfasst, welche, gesteuert durch Protokollbefehle, (de) aktivierbar sind. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass diese Protokollbefehle im Bedarfsfall extern über Tastatur, Handy oder Internet-PC eingegeben werden. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass eine Aktivierung/ Deaktivierung von Modulen passwortabhängig erfolgt.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Computerprogramms ist vorgesehen, dass
eine parallele oder sequentielle Abarbeitung von Protokollbefehlen, eine Kennzeichnung von kritischen Betriebsdaten, Flugdaten, Positionsdaten und/oder Allgemeindaten und/oder eine bevorzugte Abarbeitung und/oder eine zwangsweise Übermittlung von gekennzeichneten Daten erfolgt.
Die vorliegende Erfindung realisiert eine Systemlösung mit Flug- und Technikdatenerfassung, Datenübertragung und Datenauswertung sowie Langzeitspeicherung für insbesondere kleine Luftfahrzeuge.
Das System
- erhöht die allgemeine und besondere Flugsicherheit (speziell auch den Sabotageschutz und ermöglicht zusätzlichen Terrorismusschutz) beziehungsweise die Sicherheit gegenüber Missbrauch oder Diebstahl, einschließlich eines optionalen Eingriffs in das Management des Luftfahrzeuges wie zum Beispiel Abschalten des Motors über sicherem Gelände und Verhinderung des unbefugten Benutzens des Luftfahrzeuges (mittels Wegflugsperre) ,
- kann bei Auslösung des Rettungssystems oder über manuell ausgelöste Notsendung die letzten Positionsdaten absenden, um schnellstmögliche Rettung und erste Hilfe zu leisten,
- unterstützt den ordnungsgemäßen und sorgfältigen Umgang mit dem Fluggerät,
- vermeidet beziehungsweise reduziert überhöhten Verschleiß der Flugzeugzelle,
- hilft, Gewährleistungsansprüche zu erhalten beziehungsweise ermöglicht gesichertes Haftbarmachen von fahrlässigen oder vorsätzlichen Schadensverursachern,
kann bei Luftsportveranstaltungen, Wettbewerben und Meisterschaften Grundlage und Arbeitsmittel einer optimalen Auswertung sein, ermöglicht ein elektronisches Flugbuch, kann Flugschüler besser überwachen bei Überschreitung von Grenzwerten und eine optimale Flugauswertung und Beratung unterstützen . hat eine offene Hardwareplattform (flexible Hardwareplattform) , eine ähnliche Handhabung/Bedienoberfläche am KAPI und in den Auswertungsprogrammen wie Home-PC, Mobiltelefonmenues u.a., und ist damit vom Nutzer einfach, z.T selbsterklärend bedienbar. beinhaltet innovative Auswertungsanalysen über eigenentwickelte Software, welche über gängige PC- Softwarearbeitsoberflächen (z.B. WINDOWS-EXEL) bei Kontakt mittels Datenkabel und oder W-LAN - Verbindungen zwischen KAPI Datenschreiber und PC bzw. PC Handgeräte wie MDA/PDA geöffnet und gesteuert werden. Die einzelnen Daten können selektiv abgefordert, unterschiedlich kombiniert analysiert und grafisch in einem Koordinatensystem dargestellt werden, ermöglicht eine automatische Dokumentationserstellung mit Anbindung an Programme zu Erfassung von
Wirtschaftlichkeit und Effizienz des Luftfahrzeuges/ des erfassten Systems . ( z.B. Kraftstoffverbrauch, Rollwege, Standzeiten, etc.) . ermöglicht eine Archivierung in Datenbanksystemen, generiert automatisch eine systematische
Logbuchaufbereitung (ein Logbucheintrag = ein Flug, eine Fahrt, usw.). Start und Landungen nach einstellbaren Start- und Landedefinitionen (entsprechend bei Fahrten zu Lande oder auf dem Wasser) werden erfasst und sind
mittels eigen entwickelter Software als abgeschlossener Flug (Fahrt) registriert .
- hat eine variabel-kompatible und offene Software, z.B für: - Versicherungen - verschiedene (Bundes) behörden - AERO- Clubs, -Schulen, Vercharter, usw. - Antikollisionssysteme wie z.B. Flarm
- ermöglicht eine Anbindung an Flugsimulationssoftware für real stattgefundene Flüge zur Auswertung von Flügen (Fahrten) am PC. ((z.B. Flug-) (schul) -ausbildung, Vorkommnisauswertung u.a.)
- ermöglicht während des Fluges im Cockpit eine realzeitliche Darstellung von GPS- und anderen Daten mittels Anbindung von MDA/PDA/Touchpanel u.a..
- unterstützt mögliche Unfallauswertungen von offiziellen Stellen, auch mittels Kompatibilität und mehrfacher SpeicherSicherheit
Alle im Luftfahrzeug registrierte Daten oder nur Grenzwertüberschreitungen können erfasst, gespeichert und gesendet werden. Bevor das LFZ landet, sind die wichtigsten Flug und Triebwerksdaten empfangen worden. Als Empfänger dient beispielsweise ein Funktelefon (oder es kann der klassische Funk als Mittler zum GSM-Netz fungieren) . Die Daten können auch zu einer zentralen Erfassung auf einem Server (PC) gesendet werden.
Die erfassten Positions- und Kursdaten können informativ oder kartografisch festgestellt werden.
Das System funktioniert als Zusammenspiel aus weitgehend autarken Sensoren/Datengebern, Rechen-/ Datenverarbeitungseinheiten sowie Anzeigen- und Sendekomponenten. Im System
finden laufend (zeitnah) geordnet und abgestimmt folgende
Aktionen statt: Erfassen Berechnen Verknüpfen Auswerten Anzeigen in Echtzeit, akustisch und optisch vor Ort (im Fluggerät bzw. im mobilen System oder am Boden bei Verwendung von entsprechenden Übertragungsmedien) Senden (zeitnah) von Daten während des Fluges bzw. während der Landung per SMS u./o. DFÜ (Datenfernübertragung) (u./o. mittels klassischem Funk als Mittler zum GSM-Netz), d.h. über GMS-Modem, bzw. während der Fahrt bei anderen mobilen Systemen Anzeigen in Echtzeit und zeitnahes Senden 1. als Grenz- bzw. Sollwertüberschreitung mit „Das" und „Was" als Alarmmeldung mit variabel per DFÜ oder per Gerätetastatur einstellbaren Grenzwerten 2. bei Anforderung als Senden des vollständigen Datensatzes des gesamten Flugabschnittes bzw. Fahrabschnittes bei anderen mobilen Systemen Anzeige wird wie folgt als KAPI-Code gestaltet (in Anlehnung bestehender Kodierungen aus der Avionik entwickelt) : o Datum Tag, Monat, Jahr/UTC/Position/Höhe Fuß/Ground- Speed km/h/ o Geschw. AS km/h/ Kurs Grad/Temp. CHT (Zylinderkopf) c7 o Temp. Oel C°/Temp. Wasser/ o Drez. RPM /Beschleunigung g in Richtung aller 3 räumlichen Achsen o Weitere Daten wie Umgebungstemperatur, vertical speed, Ruderstellungen u.a.
Beispiel (SMS) 1803/140105/N524343-E0133800/ft:04000/GS:230/ TC:050/AS:210/ CHT:170/ OT:100/WT:85/ RPM: 3200/gx-max 2/gx-min 0,5/ gy-max 1/gy-min -1/ gz-max 3/gz-min -0,5
Das ausgewählte System insbesondere für kleinere und mittlere Motor-, Sport- und Segelflugzeuge arbeitet mit folgenden Sensoren/Datengebern:
Erfassen technischer Zustände: A Drehzahl (Motor) B Temperatur Zylinderkopf (Motor) C Temperatur Motoröl D Temperatur Wasser (bei wassergekühltem Motor) , Öldruck
Erfassen von Flugzustandsdaten E Geschwindigkeit über Grund (speed over ground) F Geschwindigkeit gegenüber der umströmenden Luft, wahre Geschwindigkeit (true air speed, indicated air speed als airspeed - AS) G Beschleunigung in Richtung aller drei räumlichen Achsen (x-, y- und z-Achse) H Höhe über MSN I senkrechte Geschwindigkeit (Vario, Vertical Speed Indicated
Erfassen weiterer/sonstiger Daten J Regensensor K GPS-Position L GPS-Kurs
M Datum, Uhrzeit N Sensoren zur Analyse Ruder-, Klappen-, Hebelstellungen (oder anderen mechanischen Elementen) .
Aufzeichnen, Verarbeiten und Senden bzw. Empfangen von: 0 medizinischen Daten von Passagieren und/oder Piloten P Umgebungsdaten in der Kabine wie Sauerstoff, Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid, Feuchtigkeit und Temperaturen Q Aufzeichnungen mittels voice recorder R Informationen peripherer Systeme, z.B Antikollisionssysteme (FLARM)
Vorteilhafte Optionen für bestimmte Anwendungsfälle sind digitale Video- und Audioaufzeichnungen in einem oder mehreren Rundspeichern, welche sich nach einer bestimmten Zeit selbst überschreiben sowie eine eigene Auswertungssoftware zur Unterstützung der technisch vorgeschriebenen Wartungszyklen von Luftfahrzeugen oder anderen Systemen und Fernwartung und Fernanalyse beim Service und der Wartung des KAPI Datenschreibers mittels Freigabe durch „Nutzercode" . Eine Wartung und/oder Prüfung des Datenschreibers kann so aus der Ferne erfolgen.
Eine weitere Option ist ein zusätzlicher nichtlöschbarer digitaler zusätzlicher Echtzeitspeicher über die letzten 10-20 Minuten eines Fluges mit höherer Datenabspeicherrate von ca. 0,5 - 2 sec und eigenem voice recorder (Sicherheitsspeicher) . Dieser Speicher überschreibt automatisch alle Daten nach 10-20 Minuten unabhängig aller anderen Speicher im Grundgerät.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht im überwiegenden Einsatz von autarken Sensoren, also von Sensoren, die unabhängig von vorhandenen Flugsensoren oder anderen Erfassungsgeräten eingesetzt werden. Hierdurch resultiert eine Redundanz in Hardware und Software.
In folgender Tabelle sind beispielhaft zu erkennende, zu vermeidende und zu kontrollierende technische oder Flugzustände aufgelistet mit den jeweiligen „Verantwortungen" der Sensoren/Datengebern:
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 2 ein Beispiel eines Flugdiagramms.
Wie aus Figur 1 zu ersehen ist, beinhaltet die Vorrichtung zur Flugüberwachung von Luftfahrzeugen neben dem Bordcomputer 1 das GPS-Modul 3, das Messmodul 2 und das Kommunikationsmodul 4.
Das Programm „Flugdatenschreiber" besteht aus folgenden Hauptmodulen : dem GPS-Modul dem Mess- , Auswertungs- und Verarbeitungsmodul dem Kommunikationsmodul Alle Module 2, 3, 4 sind über definierte Schnittstellen verknüpft und mit dem Bordcomputer 1 verbunden. Je nach Anwendungsfall laufen die Module 2, 3, 4 sequentiell oder im Multitaskingmodus.
Außerdem wurde bei der Programmierung ein offenes System realisiert. Perspektivische Erweiterungen sind deshalb ohne Weiteres mögliche.
Innerhalb der Module 2, 3, 4 sind einzelne Programmteile extern durch Tastatur, Handy oder Internet-PC zuschaltbar.
Nachfolgend werden die einzelnen Module 2, 3, 4 detailliert beschrieben.
Das GPS-Modul 3
Das System besitzt mehrere serielle Schnittstellen. Eine davon ist direkt mit einem handelsüblichen GPS-Gerät verbunden.
Vorraussetzung für einen reibungslosen Empfang ist das standardisierte NMEA-Format.
Folgende Funktionen werden durch das GPS-Modul 3 realisiert : mehrfaches Einlesen der GPS-Daten im definierten Zeitzyklus, mehrfache Prüfung auf Gültigkeit des Datensatzes im definierten Zeitzyklus,
Selektion des Datum-Zeit-, Geschwindigkeits- und Positionsdatensatzes (RMC-) und des Höhen- (GGA-) Datensatzes,
Aufarbeitung des RMC-Datensatzes für Datum, Weltzeit (UTC) , genaue Position, Geschwindigkeit (über Grund/GS in Km/h beziehungsweise Knoten) und Kurs (TC)
Aufarbeitung des GGA- Datensatzes für die Höhe (ft oder m) , . sowohl die Geschwindigkeit als auch die Höhe werden je nach Option in verschiedene Messgrößen innerhalb des Programms umgerechnet,
visuelle Formatierung zur weiteren Verarbeitung in anderen Modulen, mathematische Formatierung für Vergleichsoperationen (zum Beispiel Maximalwertermittlung),
Zuordnung und Verknüpfung der Daten mit flugtechnischem Fachvokabular,
Aufbau zuschaltbarer Programmteile für verschiedene Ausgabe- und Visualisierungsmöglichkeiten (Laptop, TV, LCD, Grafikterminal ... ) ,
Aufbau des I-Codes (GPS-Teil 1 und 2) zum SMS- und E-Mail-Versand,
Verwaltung der permanenten Speicherbank für GPS- Rohdaten,
Die GPS-Daten werden in einem zentralen Speicherpuffer eingelesen. Gegenüber der direkten Lesemethode hat es den Vorteil, dass ein direkter zeitlicher Zusammenhang des RMC- und des GGA Datensatzes gewährleistet wird. Das heißt die Geschwindigkeit (RMC-Datensatz) wird im gleichen Zeitfenster wie die Höhe (GGA-Datensatz) registriert.
Aus dem Speicherpuffer werden die o.g. Datensätze selektiert und gesondert abgespeichert. Diese können dann über das Kommunikationsmodul durch SMS, Mail beziehungsweise durch eine schnelle GPRS-Datenübertragung genutzt werden.
Herkömmliche Kartensysteme benötigen die direkte Einspeicherung eines GPS-Gerätes zur kartografischen Ausgabe. Im Gegensatz dazu ermöglich das erfindungsgemäße System mittels einer microcontroller-gesteuerten GPS-Simulation die Einsparung einer aufwendigen Kartenprogrammierung beziehungsweise die Nutzung vorhandener Kartensoftware. Das heißt, es werden die gespeicherten RMC- und GGA- Datensätze vom Sendemodem (zum Beispiel aus einem Luftfahrzeug) in ein stationäres Modem-Speichersystem übertragen. Somit kann das Modem-Speichersystem ein GPS-Gerät emulieren und so direkt in einen PC oder Notebook die Daten zyklisch übertragen. Eine Routenverfolgung lässt sich somit einfach realisieren. Eine zusätzliche Generierung von GPS Logbuch- und Trackdateien erfolgt über eine selbst auf Basis Excel entwickelte KAPI Auswertungssoftware.
Nachdem die RMC- und GGA Datensätze selektiert sind, werden die Kerndaten wie Datum, UTC, Position, Geschwindigkeit über Grund, Kurs und Höhe bearbeitet. Die Kerndaten liegen in Zeichenform (ASCII-Format) vor. Um schnelle logische Operationen, Routinen und weiterführende mathematische Verknüpfungen durchführen zu können, muss eine Umformatie- rung vorgenommen werden, zum Beispiel die Maximalwertermittlung der Geschwindigkeit und der Höhe, des weiteren die Gegenüberstellung von „ground speed" (aus GPS) und „air speed" (siehe Beschreibung Messmodul 2) zur Windeinflussberechnung .
Für den Aufbau des Codes werden die Kerndaten in Strings umgewandelt. Es entsteht dadurch eine übersichtliche Form von relevanten GPS- und Betriebsdaten (siehe Beschreibung Messmodul 2) . Der Code wird durch Mehrfachverkettung von GPS-und Betriebsdatenstrings realisiert (siehe Beschreibung
Messmodul 2) . Dieser eignet sich wiederum zum SMS-Versand (Handy, Pocket PC) .
Eine für dieses Ausführungsbeispiel charakterisierte SMS hat folgenden Inhalt:
• Datum Tag, Monat, Jahr/UTC/Position/Höhe Fuß/Ground- Speed km/h/
• Kurs Grad/Geschw. AS km/h/ Temp. CHT (Zylinderkopf) C°/
• Temp. Oel C°/Temp. Wasser/
• Drehz. RPM / Beschleunigung g in Richtung aller 3 räumlichen Achsen
Beispiel (SMS)
1803/140105/N524343-E0133800/ft:04000/GS:230/ TC:050/TAS:210/ CHT:170/ OT:100/WT:85/ RPM: 3200/ gx-max 2/gx-min 0,5/ gy-max 1/gy-min -1/ gz- max 3/gz-min -0,5
Oben genannte Kerndaten-Formate lassen sich auch zur Ansicht auf unterschiedlichen Ausgabemedien einsetzen. Der Code besitzt als optionale Variante die Anschlussmöglichkeit von LCD-, LED und Grafikdisplayanzeigen. Auch der direkte Anschluss an Notebook und TV ist möglich.
Das GPS-Modul 3 enthält im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch eine Zeitsteuerung zur Einstellung des Empfangszyklus und eines selbst vom Nutzer gewählten Speicherzyklus. Diese
Einstellungen beinhalten die Stauchung bzw. Streckung der zeitlichen Gesamtdokumentation. Empfangszyklen können von permanenter Überwachung (Echtzeit) bis hin zu 1 Minute eingestellt werden, dementsprechend auch die Speicherzyklen.
Sämtliche GPS-Rohdaten wie auch die formatierten Kerndaten werden in einem internen Rundspeicher abgelegt . Bei der größten Speicherkapazität erlangt man eine Gesamtdokumen- tation von max.120 Stunden oder mehr. Nichtabgerufene Daten werden nach voreingestellter SMS-Warnung überschrieben.
Das Messmodul
Das Messmodul 2 beinhaltet die Erfassung, Formatierung und Aufbereitung der Betriebsdaten. Hardwareseitig besteht das Messmodul 2 aus Messplatine 6, Multiplexer 7 und Messadapter 8.
Folgende Betriebsdaten können erfasst und verarbeitet werden: die Zylinderkopftemperatur die Öltemperatur die Wassertemperatur die Umgebungstemperatur (Aussentemperatur) die Geschwindigkeit gegenüber der umströmenden Luft als „air speed" (true air speed oder indicated speed) der barometrische Druck die direkte Drehzahl (Spannungsfolger) vom Messinstrument
die optisch, kapazitiv, induktiv, magnetisch und/oder akustisch erfasste Drehzahl der Feuchtigkeitsindex die Beschleunigung (in Richtung aller 3 Achsen) die Winkelbeschleunigung die Aufzeichnungen eines voice recorders
Die Zylinderkopftemperatur-Messung erfolgt mit verschiedenen Sensoren. Sowohl analoge Widerstandssensoren als auch digitale l2C-Bus-Sensoren kommen zum Einsatz. Der Vorteil besteht in der Zuverlässigkeit und der Lineari- tät mehrerer Komponenten als auch im direkten Abgleich (Fehlerminimierung) .
So können verschiedene Messpunkte (zum Beispiel Zylinder II) ausgewertet werden.
Programmtechnisch ist eine mehrstufige Mittelwertbildung implementiert. So werden bis zu 200 Messzugriffe mit nachfolgenden Annäherungverfahren gekoppelt. Die Genauigkeit wird im Dezimalstellenbereich garantiert.
Parallel läuft im Hintergrund eine Berechnung nach folgender Formel ab: Temperatur - (0.390802/ (2*0.00005802) ) -math. sqrt (((0.390802*0.390802)/ (4*0.0000582*
0.0005802) -( (Widerstand-100) / (0.00005802) ))) +273.15
Die Bearbeitung der Öl-, Wasser- und Umgebungstemperatur erfolgt analog zum oben genannten Verfahren.
Die Erfassung der „wahren Geschwindigkeit" wird durch ein Druckdifferenz-Sensormodul gespeist. Die Druckdifferenz wird durch eine Spannung ausgegeben. Über Optokoppler und Analog-Digital-Wandler entsteht ein mathematisches Raster
(0-1023 Messwerte) . Der weitere Zugriff über eine Zuordnungstabelle ermöglicht die Auslesung genauer Geschwindigkeitswerte. Eine sorgfältige Eichung und Testung ist die Voraussetzung für oben genanntes Messverfahren.
Analog zu den letztgenannten Verfahren wird die Feuchtigkeit bearbeitet.
Die direkte Messung der Drehzahl (Abgriff vom Messinstrument) ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die technisch und mathematisch aufwendigste Lösung. Analog zur Motordrehzahl folgt eine Wechselspannung von 0 bis 11 Volt. Die Schwankungsbreite pro Zeiteinheit ist gravierend groß. Aufwendige Beschaltung, ein Mittelwert und Korrelationsverfahren bestimmen die Ausgabe der Drehzahl. Ursache dieser Spitzen ist der Abgriff am Motormanagement des Flugzeuges .
Das interne Messinstrument ist sehr träge und ermöglicht so im Gegensatz zur digitalen Auswertung eine akzeptable Anzeige .
Programmtechnisch wird die geglättete und geteilte Spannung über einen Optokoppler und Messplatine dem AD-Wandler zugeführt. Der Teilerfaktor muss wiederum einer empirisch ermittelten Tabelle zugeordnet werden. Danach kommt es zur rasterorientierten Drehzahlausgabe .
Im Gegensatz zur direkten Drehzahlausgabe ist die Messung über optische Sensoren einfacher.
Lediglich die Einschränkung bei Nachtflügen ist zu berücksichtigen .
Anhand der Rotor-Anzahl wird ein interner Teilerfaktor festgelegt. Die physischen Signale werden einem Frequenz-
port zugeführt. Dort erfolgt die Frequenzbestimmung. Die anschließende Multiplikation gewährleistet die Angabe in U/min. Speziell entwickelte Hardware zur induktiven und/oder kapazitiven (elektromagnetischen) Erfassung von Drehzahlen, z. B. mittels Wicklungen um das Zündkabel im Triebwerk, kann zum Einsatz kommen.
Alternativ zur direkten Messung kann ein magnetisches Verfahren eingesetzt werden. Die Installation wird im internen Motormanagement an rotierenden Teilen angebracht. Dieses Verfahren hat sich in der Industrie bewährt. Anhand von Hallsensoren erfolgt die Auslesung und weitere Verarbeitung über oben genannte Analog-Digital-Wandlung. Speziell entwickelte Hardware zur akustischen Drehzahlerfassung gelangt vorrangig bei Dieselmotoren (adaptives Verfahren - Vergleichsverfahren mittels Oszillatoren) zum Einsatz.
Die Erfassung der Beschleunigung/Winkelbeschleunigung unterliegt einer zeitkritischen Routine. Ein kapazitives Verfahren gewährleistet die Beschleunigungsmessung bis 10 g. Um einen Impuls zu erfassen, ist eine Thread-Routine (Parallelverarbeitung auf atomarer Ebene lt. Microcontroller-Handbuch) erforderlich. Ausführliche „vor Ort Tests" ermöglichen aber ein empirisches Abgleichen.
Des Weiteren ist die Position des Schaltkreises zu eichen (3-Achsen) .
Sämtliche aufbereitete Daten werden einem Unterprogramm zur Maximalwertermittlung zugeführt. Dieses Unterprogramm berechnet den aktuell erfassten Maximalwert und steht nach entsprechender Formatierung zur SMS-/Mail-Anforderung bereit .
Je nach Kundenwunsch kann das Unterprogramm zu- und ausgeschaltet werden.
Im laufenden Messmodul 2 kommt es zu einem Vorabgriff der Echtzeitwerte (Betriebsdaten) . Diese werden in einem Komprimierungsunterprogramm minimiert (Ausblendung höherwer- tiger Bits) .
Vorteil der Aktion ist das weitaus größere Speichervolumen (100:1) gegenüber einer Zeichenkettenspeicherung. Die Ablage der komprimierten Werte erfolgt in einem EEProm. Eingeschriebene Daten sind somit resistent gegen Netz-, Akkuausfall und gegen Zerstörung der anderen Komponenten. In Notsituationen können diese mit Hilfe eines Zweitgerätes rückgelesen und ausgewertet werden.
Nach SMS-/Mail-Anforderung läuft der Prozess in umgekehrter Reihenfolge ab. Die EEProm-Daten gelangen über ein Formatierungsprogramm und Aufbau des Codes zum Sender (siehe Beschreibung Kommunikationsmodul 4).
Die Struktur des Softwaremoduls „Messen" wurde so gestaltet, dass sämtliche hinzukommende innovative Sensortechnik schnellstmöglich und unkompliziert eingebunden werden kann. Zeitkritische Routinen laufen wie oben beschrieben parallel ab.
Zu beachten ist aber, dass die Größe und Leistungsfähigkeit der Software durch den Microcontroller beschränkt bleibt.
Das Kommunikationsmodul GSM/GPRS
Hardwarebasis für das Kommunikationsmodul 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Industriemodem. Das Einsatz-
gebiet betrifft hauptsächlich die SMS/E-Mail/FAX- und Datenübertragung. Sprachausgaben sind optional zuschaltbar. Sämtliche Initialisierungen, Prüfabläufe, Sende- und Empfangsroutinen müssen in der so genannten Modemsprache (AT-Programmierung) durch die vom Microcontroller vorgegebene C-Sprache emuliert werden. Jeder AT-Befehl ist durch eine Programmfunktion deklariert.
Beispiel.: „Lösche SMS auf Modemspeicherplatz 1" function cmgdl () { //Ausgabe Schnittstelle A, at+cmgd=l, ... }
Das Kommunikationsmodul 4 ist umfangreich dokumentiert. Alle benutzten Hayes-Befehle (Erfinder der Modemsprache) sind in der Quelle (Programmcode) enthalten.
Zusätzlich programmierte Funktionen ermöglichen eine visuelle (über Notebook) und akustische (Starthymne, Tonsequenzen) Kennung über den aktuellen Stand des Programmablaufs .
Das Modem besitzt hardwareseitig 40 SMS Speicherplätze. Um lange Zugriffszeiten durch die Modemhardware (Lesen einzelner SMS) zu vermeiden, wird folgende Maßnahme angewendet: Von den 40 Speicherplätzen benötigt der Code maximal 2 auszuwertende SMS. Der Rest wird aufgefüllt und gesperrt. Das Programm vermeidet dadurch, dass mehrere ankommende SMS verloren gehen können. Das Modem meldet nämlich nach 2 eingegangenen SMS-Meldungen, „ Speicher voll" an die Provider- Zentrale. Der Speicherplatz wird dadurch zur Kurzmittei- lungszentrale verschoben.
Nach Abarbeitung der SMS-Anforderungen, gibt das Modem die Speicherplätze frei. Die Zentrale liefert dann die aufge-
laufenen SMS, welche ohne Verluste bearbeitet werden können .
Zur anwenderfreundlichen Nutzung bzw. aus sicherheitsrelevanten Aspekten entstand das so genannte KAPI-Proto- koll. Die Struktur abgehender und eingehender SMS ist folgendermaßen gegliedert:
Beispiel 1: Rahmenbeginn *«
- Passwort 3stellig ,pwd" (per SMS und Programm veränderbar)
- Befehl 3stellig ,ala" (Zuweisung neue Alarm handy Nr. ) Rahmenende ,#XΛ Zusatzinfo/Text ,&+491718106056*" (neue Alarmhandy Nr.)
weitere Anwendungen: *pwdair# - Kurzbefehl dies bedeutet: eingehende SMS-Anforderung -> Sendung des allgemeinen KAPI-Codes aufs Handy oder/und in das Internet,
*pwdlcd#&Bitte um Rueckruf* - ausführlicher Befehl dies bedeutet: SMS erscheint auf der bordinternen LCD mit
Text „Bitte um Rückruf".
*pwdeon#&andreaspilawski@web.de* dies bedeutet: parallele Zuschaltung d. angegeben E-Mail
Adresse, die Daten/KAPI-Code werden sowohl aufs Handy/MDA als auch ins Internet gesendet.
*pwdgua# dies bedeutet: Info-Anforderung Guthaben GSM-Karte/Pre paid-Karte per SMS.
*pwdflb# dies bedeutet: SMS Anforderung Sendung Flugbucheintrag (mit Mail-Zuschaltung in das Internet) .
Insgesamt stehen zurzeit ca. 50 Befehle dem Anwender zu Verfügung. Zusätzliche Kundenwünsche lassen sich ohne Komplikationen erweitern.
Um einen sicheren und störungsfreien Ablauf bei der GSM- Modemkommunikation zu gewährleisten, müssen sämtliche Einbuchungsvorgänge einzeln interpretiert und geregelt werden.
Folgende Initialisierungsschritte werden im online-login geschaltet und ausgewertet.
Einstellung des Textmodus, Anweisung bei Änderung des Netzwerkstatus stellen, Automatische Netzeinwahl, Einstellung der Syntax GSM 07.05 PH+ (standardisierte Ausgaben und Meldungen ) , Einstellung der Übertragungsrate (Baudrate) , Aktivierung der Tel. -Nr. der Kurzmitteilungs- zentrale, Deaktivierung des Modem-Echo, Parametersetzung um eingehende SMS zu registrieren, Setzung des zeitlichen Abfragezyklus.
Der nächste Schritt beinhaltet die Abfrage „Modem online ?" . Das Unterprogramm spricht dabei das Modem mit dem Hayes-Befehl „at" an. Nach positiver Nachricht wird ein Flag (Statuszelle) gesetzt.
Weitere Abfragen sind:
Abfrage der geforderten Signalstärke, Einlesen des Kartenguthabens, Kontrolle des Guthaben auf Unterschreitung.
Sinkt die Guthabengrenze (bei verwendeter Prepaid-Karte) des KAPI auf unter 5,00 Euro, erfolgt umgehend die Information per SMS/Mail an den Anwender/Nutzer. Diese wiederholt sich zyklisch pro angefangenen Start.
Die Flagsetzung der einzelnen Prozeduren beeinflusst den weiteren Programmablauf maßgeblich.
Folgende Statusmeldungen werden zyklisch untersucht. Passwort_Flag Tel. Nr._Flag Alarm Tel . -Nr ._Flag Text_Flag Modem online_Flag Modem eingebucht_Flag Signalstaerke OK_Flag Guthaben_Flag (nicht bei Vertragskarten)
Die Initialisierung der RS 232 Schnittstellen beendet den „check in" des KAPI.
Nach erfolgreicher Initialisierung des Modems beginnt der Hauptzyklus. Dabei wird wie in der Anfangs-Init, zyklisch das Modem auf Funktionalität geprüft.
Parallel werden die Empfangspuffer und sämtliche Statuszellen rückgesetzt.
Der Microcontroller beginnt mit dem Zugriff auf die SMS- Speicherplätze 1 und 2. Zur Sicherheit werden die Zugriffe doppelt ausgeführt. Ein Filter blendet alle nicht sichtbaren Zeichen aus .
Im Textmodus wird die Struktur der gesendeten Handy-Nummer überprüft und gesondert abgelegt. Im Zusammenhang mit dem SMS-Befehl „air", kann die anrufende GSM-Nummer (Handy) sofort als Ziel eingeschrieben werden.
Der zweite Schritt beinhaltet die rasterorientierte Selektierung von Passwort, Befehl inklusive der Zusatzinformation. Ebenso wie o.g. Tel-Abspeicherung erfolgt die gesonderte Ablage von Passwort/Befehl und Zusatzinformation.
Nach erfolgreicher Filterung der SMS-Anforderung beginnt die in Funktionen verzweigte Befehlsabarbeitung. Diese ist modular aufgebaut und kann durch die Befehlsstruktur von 3 Buchstaben und/oder Zahlen „air/lcd/123/xyz" beliebig erweitert werden (siehe oben) .
Zu beachten ist, dass die Übergabe des „Alarm-Flag" (zum Beispiel Drehzahl > 2800 U/min) oberste Priorität besitzt und vor allen Funktionsverzweigungen bearbeitet wird. Dementsprechend auch die hardwareseitig automatisch oder durch den Piloten ausgelöste Notsituationsmeldung.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugs zeichenliste
1 Bordcomupter 2 Messmodul 3 GPS-Modul 4 Kommunikationsmodul 5 Cock-Pit-Modul 6 Messplatine 7 Multiplexer 8 Messadapter