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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren, Vorrichtungen und
Computerprogrammprodukte zur Bestimmung der Vertikalgeschwindigkeit
eines Flugzeugs und insbesondere auf Verfahren, Vorrichtungen und
Computerprogrammprodukte zur Bestimmung der Vertikalgeschwindigkeit
eines Flugzeugs zur Verwendung in einem Bodenannäherungswarnsystem.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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In
der Luftfahrt ist die Vertikalgeschwindigkeit oder vertikale Geschwindigkeit
eines Flugzeugs ein wichtiger Flugparameter und wird verwendet in
einer Vielzahl von unterschiedlichen Arten. Zum Beispiel verwendet
ein Verkehrswarn- und Kollisionsverhinderungssystem (TCAS) die Vertikalgeschwindigkeit
eines Flugzeugs bei der Bestimmung der Abstände zwischen Flugzeugen und
der Leistung von anderen Navigationsbeibehaltungs-Steuerungsfunktionen.
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Ein
Maß für die Vertikalgeschwindigkeit
eines Flugzeugs kann bereitgestellt werden durch einen von mehreren
unterschiedlichen Typen von Avionikausrüstung, die herkömmlich von
Verkehrsflugzeugen getragen wird. Zum Beispiel können ein Trägheitsnavigationssystem (INS)
oder ein Trägheitsbezugssystem
(IRS) die Vertikalgeschwindigkeit, sowie die Beschleunigung, Fluglage,
Höhe, Position,
den missweisenden Steuerkurs/Kurs über Grund, den rechtweisenden
Steuerkurs/Kurs über
Grund und die Geschwindigkeit über
Grund eines Flugzeugs anzeigende Signale bereitstellen. Alternativ
kann ein Air Data Computer (ADC) die Vertikalgeschwindigkeit sowie
die Höhe,
die berechnete Fluggeschwindigkeit, die korrigierte Höhe, die
wahre Fluggeschwindigkeit und die Außentemperatur anzeigende Signale
bereitstellen.
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Als
Beispiel ist ein besonders wichtiges Avionikteilsystem, das die
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs sowie eine Anzahl von anderen
Flugparametern verwendet ein Bodenannäherungswarnsystem. Bodenannäherungswarnsysteme,
ebenfalls bekannt als Terrain-Awareness-Systeme, analysieren die
Flugparameter des Flugzeugs einschließlich der Vertikalgeschwindigkeit,
und das das Flugzeug umgebende Gelände. Basierend auf dieser Analyse,
stellen diese Warnsysteme Alarmsignale für die Flugzeugbesatzung in
Bezug auf ungewollte Kollisionen des Flugzeugs mit dem umgebenden
Gelände
oder anderen Hindernissen einschließlich Fälle, in denen sich aus der
Flugbahn des Flugzeugs eine zu kurze Landebahn ergeben würde, bereit.
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Bodenannäherungswarnsysteme
haben oft mehrere Modi, um abhängig
von den Flugbedingungen verschiedene Arten von Alarmsignalen bereitzustellen.
So hat zum Beispiel das von Honeywell, Inc. bereitgestellte verbesserte
Bodenannäherungswarnsystem
sechs primäre
Betriebsmodi, von denen mindestens zwei von der Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs abhängig
sind. In dieser Hinsicht ist Modus 1 darauf ausgelegt, Alarmsignale
für ein
Flugzeug bereitzustellen, das eine überhöhte Sinkgeschwindigkeit, d.
h., eine negative Vertikalgeschwindigkeit mit einer übermäßig großen Größenordnung
hat, das relativ nahe am darunter liegenden Gelände ist. Modus 2 stellt
ein Alarmsignal bereit in Fällen,
in denen sich das Flugzeug dem Gelände in einer überhöhten Geschwindigkeit
annähert,
sogar in Fällen,
in denen das Flugzeug nicht sinkt. Modus 3 stellt Alarmsignale
bereit in Fällen,
in denen ein Flugzeug sofort nach dem Abflug oder während einem
verfehlten Anflug bedeutend an Höhe
verliert. Modus 3 wird indes basierend auf der Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs aktiviert und deaktiviert. Modus 4 stellt
Alarmsignale bereit für
ungenügende
Sicherheitshöhe über dem Gelände basierend
auf der Flugphase und der Geschwindigkeit des Flugzeugs. In dieser
Hinsicht stellt Modus 4 Alarmsignale bereit basierend auf
unterschiedlichen Kriterien abhängig
davon, ob das Flugzeug in der Startphase des Flugs oder in der Reiseflugphase
oder Anflugphase des Flugs ist und des Weiteren abhängig davon,
ob das Fahrwerk in einer Landekonfiguration ist. Modus 5 stellt
ebenfalls zwei Stufen von Alarmsignalen bereit, wenn die Flugbahn
des Flugzeugs bei Front-Course Instrumentenlandesystem (ILS) Anflügen unter dem
Gleitpfad-Strahl ist. Zuletzt, stellt Modus 6 Alarmsignale
oder Call-Outs bereit für
ein Sinken unterhalb vorbestimmter Höhen oder ähnliches während eines Anflugs, sowie
Alarmsignale für übermäßige Roll-
und Querneigungswinkel.
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Zusätzlich zu
den verschiedenen Betriebsmodi, definiert das von Honeywell, Inc.
bereitgestellte verbesserte Bodenannäherungswarnsystem eine Alarmhülle und,
insbesondere, sowohl eine Vorwarnungshülle als auch eine Warnungshülle. Die
imaginären
Alarmhüllen
bewegen sich mit dem Flugzeug und sind aufgebaut, um sich vor dem
Flugzeug auszudehnen und, um einen Bereich zu definieren, in dem
Alarmsignale erzeugt werden, wenn Geländehindernisse oder andere
Hindernisse durch Eindringen in eine der Alarmhüllen eintreten. In dieser Hinsicht
beschreibt die US-Patentschrift Nr. 5,839,080 von Hans R. Muller
et al. und übertragen
auf Allied-Signal
Inc. ein vorteilhaftes Bodenannäherungswarnsystem,
das eine Alarmhülle
erzeugt.
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Wie
durch die US-Patentschrift Nr. 5,839,080 beschrieben, ist eine Alarmhülle definiert
durch eine Anzahl von Parametern, die eine Look-Ahead-Distanz (LAD),
eine Basisbreite (DOFF) und einen Geländeboden (H) aufweisen. In
allgemeinen Worten, definiert die Look-Ahead-Distanz die Distanz vor dem Flugzeug, über die
sich die Alarmhülle
erstreckt. In ähnlicher
Weise, ist die Basisbreite die seitliche Breite der Alarmhülle bei einer
Stelle in der Nähe
des Flugzeugs. Des Weiteren definiert der Geländeboden typischerweise eine vertikale
Entfernung unter dem Flugzeug, die verwendet wird während dem
Aufbau des Bodens der Alarmhülle. Oftmals
neigt sich der Geländeboden
abwärts
oder aufwärts
abhängig
vom Flugbahnwinkel des Flugzeugs, welcher seinerseits zumindest
teilweise abhängig
ist von der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs. Demzufolge ist
der Aufbau der Alarmhülle
teilweise abhängig
von der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs.
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Wie
in der US-Patentschrift Nr. 5,839,080 beschrieben, kann das Bodenannäherungswarnsystem
ein Paar von Alarmhüllen
aufbauen, und zwar eine Vorwarnungshülle und eine Warnungshülle, die
beide teilweise abhängig
sind von der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs, wie vorhergehend
beschrieben. Während
jede Hülle,
wie vorhergehend beschrieben, eine ähnliche Form hat, erstreckt
sich die Vorwarnungshülle
typischerweise weiter vor dem Flugzeug nach vorne als die Warnungshülle und
ist deshalb allgemein größer als
die Warnungshülle.
Demzufolge wird das Bodenannäherungswarnsystem
Vorwarnungs-Alarmsignale erzeugen in Fällen, in denen das bevorstehende
Gelände
oder andere Hindernisse in die Vorwarnungshülle, aber nicht in die Warnungshülle, eindringen.
Wenn das bevorstehende Gelände
oder andere Hindernisse in die Warnungshülle eindringen, wird das Bodenannäherungswarnsystem
indes ein stärkeres
Warnungs-Alarmsignal erzeugen. Als solcher kann der Pilot die Schwere
des Alarmsignals und die Geschwindigkeit, mit der Ausweichmanöver durchgeführt werden
müssen,
um das bevorstehende Gelände
oder andere Hindernisse zu vermeiden, basierend auf der Art des
bereitgestellten Alarmsignals, d. h., ein weniger starkes Vorwarnungs-Alarmsignal und
ein schwereres Warnungs-Alarmsignal,
erkennen.
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Während Bodenannäherungswarnsysteme
das Situationsbewusstsein der Flugzeugbesatzungen von Verkehrsflugzeugen
durch Bereitstellen von einer Vielzahl von Alarmsignalen von bevorstehenden
Situationen, die die Aufmerksamkeit der Flugzeugbesatzungen verdienen
und durch Bereitstellen von grafischen Anzeigen des bevorstehenden
Geländes,
Hindernissen oder anderen beachtenswerten Merkmalen, wesentlich verbessert
haben, benötigen
Bodenannäherungswarnsysteme
allgemein einen relativ stabilen Satz von Eingabeparametern, einschließlich der
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs wie vorhergehend erwähnt. Zum Beispiel
benötigen
herkömmliche
Bodenannäherungswarnsysteme
ein die Funkhöhe
anzeigendes Signal von einem Funkhöhenmesser, die Höhe, die
berechnete Fluggeschwindigkeit, die korrigierte Höhe, die
barometrische Höhengeschwindigkeit,
d. h., die Vertikalgeschwindigkeit, die wahre Fluggeschwindigkeit,
die Außentemperatur
anzeigende Signale von einem Air Data Computer (ADC), die Position,
den missweisenden Kurs über Grund
und die korrigierte Höhe
anzeigende Signale von einem Flight Management System (FMS), die
Beschleunigung, Fluglage, Höhe,
Vertikalgeschwindigkeit, Position, den missweisenden Steuerkurs/Kurs über Grund,
den rechtweisenden Steuerkurs/Kurs über Grund und die Geschwindigkeit über Grund
anzeigende Signale von einem Trägheitsbezugssystem
(IRS), einem Trägheitsnavigationssystem
(INS) und/oder Fluglage- und Steuerkursreferenzsystem (AHRS), die
Position, Positionsqualität,
Höhe, Geschwindigkeit über Grund, Flugweg über Grund,
Datum, Zeit und Status anzeigende Signale von einem globalen Navigationspositionierungssystem
(GNPS) oder einem globalen Positionierungssystem (GPS) (worauf nachstehend
gemeinsam mit GPS Bezug genommen wird), die Gleitpfadabweichung,
Landekurssenderabweichung und die gewählten Landebahnkoordinaten
anzeigende Signale von einem Instrumentenlandesystem (ILS) und/oder
Mikrowellenlandesystem (MLS) sowie andere Signale von anderen Avionikteilsystemen.
Deshalb muss das Flugzeug, damit das herkömmliche Bodenannäherungswarnsystem
vollständig
funktionsfähig
ist, nicht nur das Bodenannäherungswarnsystem
sondern ebenfalls eine Anzahl von anderen Teilsystemen tragen, wie
einen Funkhöhenmesser,
einen ADC, ein FMS, ein IRS, ein INS oder ein AHRS, ein GPS und
ein ILS oder ein MLS. Es ist offensichtlich, dass jedes dieser Teilsysteme
recht teuer ist. Für
die meisten großen
Verkehrsflugzeuge ist jedoch vorgeschrieben, über die meisten, wenn nicht
sogar über
alle dieser Teilsysteme zu verfügen,
derart, dass die Eingabeparameter, die für ein herkömmliches Bodenannäherungswarnsystem
erforderlich sind, ohne weiteres verfügbar sind.
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Im
Gegensatz zu Verkehrsflugzeugen, sind für Flugzeuge der allgemeinen
Luftfahrt, wie leichte Turbinen- und Kolbenflugzeuge, nicht viele
der vorhergehenden Teilsysteme vorgeschrieben und demzufolge tragen
sie die meisten der vorhergehenden Teilsysteme nicht, da jedes Teilsystem
recht teuer ist. Zum Beispiel weisen die meisten Flugzeuge der allgemeinen
Luftfahrt nicht einen Funkhöhenmesser,
einen ADC, ein INS oder ein IRS auf. Obwohl GPS immer erschwinglicher
wird und viele Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt deshalb GPS-Ausrüstung tragen,
können
herkömmliche
Bodenannäherungswarnsysteme
basierend auf den lediglich durch das GPS bereitgestellten Parametern
und ohne Dateneingabe von einer Vielzahl von anderen Teilsystemen,
die nicht allgemein durch Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt getragen
werden, nicht richtig funktionieren. Als solches wurde ein Bodenannäherungswarnsystem
von Honeywell, Inc. entwickelt, das spezifisch darauf ausgelegt
ist, basierend auf einem reduzierten Satz von Eingabeparametern
zu wirken, wie beschrieben durch die US-Patentanmeldung mit dem
Aktenzeichen Nr. 09/534,222 mit dem Titel „Ground Proximity Warning
System and Method Having a Reduced Set of Input Parameters", eingereicht am
24. März
2000.
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In
Bezug auf die Vertikalgeschwindigkeit, tragen die meisten Flugzeuge
der allgemeinen Luftfahrt nicht die Avionikteilsysteme, die typischerweise
die die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs anzeigenden Signale bereitstellen.
In dieser Hinsicht tragen die meisten Flugzeuge der allgemeinen
Luftfahrt nicht einen ADC, ein INS oder ein IRS, die typischerweise
die die Vertikalgeschwindigkeit für Verkehrsflugzeuge anzeigenden
Signale bereitstellen. Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt haben
indes verschiedene Möglichkeiten
zum Erhalten eines Vertikalgeschwindigkeitswerts. Zum Beispiel kann
bei Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt, die eine GPS-Einheit tragen,
die GPS-Einheit die die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs anzeigenden
Signale bereitstellen. Zusätzlich,
wird die GPS-Einheit die Höhe
des Flugzeugs anzeigende Signale bereitstellen, von denen die Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs durch Berechnen der Änderungsrate der Höhe des Flugzeugs bestimmt
werden kann. Während
der von einer GPS-Einheit
entweder direkt oder durch Ableitung aus den Höhenwerten erhaltene Wert der
Vertikalgeschwindigkeit eine relativ gute Auflösung hat, wie zum Beispiel
1 Fuß, ist
die von einer GPS-Einheit erhaltene Vertikalgeschwindigkeit einer
Abdrift ausgesetzt, derart, dass die von einer GPS-Einheit erhaltene
Vertikalgeschwindigkeit langfristig weniger zuverlässig ist,
als allgemein erwünscht.
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Flugzeuge
in der allgemeinen Luftfahrt weisen ebenfalls Mittel zum Bestimmen
der Drückhöhe auf, von
der die Vertikalgeschwindigkeit basierend auf der Änderungsrate
der Druckhöhe
errechnet werden kann. Wie in der US-Patenanmeldung mit dem Aktenzeichen
Nr. 09/255,670 mit dem Titel „Method
and Apparatus for Determining Altitude", eingereicht am 23. Februar 1999, beschrieben,
ist die Druckhöhe
indes einigen Fehlern ausgesetzt, basierend auf der Berechnung der
Druckhöhe
vom tatsächlichen
Außenluftdruck,
d. h., eine lokale Druckmessung, sowie vorausgesetzte Werte der
internationalen Normatmosphäre
(INA) für
Druck auf Meeresspiegel, Temperatur auf Meeresspiegel und vertikaler
Temperaturgradient, d. h., die vorausgesetzte Änderung der Temperatur als
Funktion der Höhe.
Siehe „Introduction
to Flight", 3rd
Edition (McGraw-Hill Series in Aeronautical and Aerospace Engineering),
S. 79 (Nov. 1988). Zum Beispiel weisen die meisten Flugzeuge in
der allgemeinen Luftfahrt einen Höhenencoder zum Messen der Druckhöhe, wenn
auch nur bis zu einer Auflösung
von 100 Fuß,
auf. Während
einige Blindencoder bessere Auflösungen
bieten als Höhenencoder,
sind Blindencoder immer noch beschränkt auf eine Auflösung von
ungefähr
10 Fuß.
Als solche wird, während
Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt Mittel zum Bestimmen der Druckhöhe, von
der die Vertikalgeschwindigkeit berechnet werden kann, aufweisen,
die Schätzung
der von der Änderungsrate
der Druckhöhe
abgeleiteten Vertikalgeschwindigkeit eine unerwünscht schlechte Auflösung haben.
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Flugzeuge
der allgemeinen Luftfahrt fliegen typischerweise in viel niedrigeren
Höhen und
in viel größerer Nähe in Bezug
auf das darunter liegende Gelände
und andere Hindernisse als Verkehrsflugzeuge und es würde sich
daher ein zumindest gleich großer,
wenn nicht sogar größerer Bedarf
an einem genauen Maß der
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs zur Verwendung in einem Bodenannäherungswarnsystem
und ähnlichem
herausstellen. Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt können indes
nicht allgemein eine genaue Darstellung der Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs erzeugen, da Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt nicht
die anderen Teilsysteme wie zum Beispiel ein INS, ein IRS und einen
ADC, die von Verkehrsflugzeugen zum Messen der Vertikalgeschwindigkeit
verwendet werden, tragen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt werden
gemäß dieser
Erfindung bereitgestellt zum genauen Bestimmen der Vertikalgeschwindigkeit
eines Flugzeugs auf eine Art, unabhängig von durch einen Air Data
Computer, ein Trägheitsbezugssystem
und ein Trägheitsnavigationssystem
bereitgestellten Signalen. Das Verfahren, die Vorrichtung und das Computerprogrammprodukt
dieser Erfindung sind deshalb besonders gut geeignet für Flugzeuge
der allgemeinen Luftfahrt, die nicht einige der teureren Avionikteilsysteme
aufweisen, die aber einer genauen Schätzung der Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs zur Verwendung in einem Bodenannäherungswarnsystem und ähnlichem
bedürfen.
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Gemäß dieser
Erfindung wird eine erste Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs
bestimmt, basierend auf einem mit dem Flugzeug verbundenen Druckhöhe-Wert.
Typischerweise, wird die erste Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs
bestimmt durch die Änderungsrate
eines Druckhöhe-Werts über die
Zeit. Die Druckhöhe kann
durch eine Vielzahl von Instrumenten gemessen werden, einschließlich eines
Höhenencoders,
eines Blindencoders und ähnlichem.
Gemäß dieser
Erfindung, wird ebenfalls eine zweite Vertikalgeschwindigkeit des
Flugzeugs erhalten von einem vom Flugzeug getragenen GPS-Empfangsapparat.
In einer Ausführungsform
wird die zweite Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs erhalten durch
Empfangen einer Reihe von Höhenwerten
vom GPS-Empfangsapparat über die
Zeit und anschließendes
Bestimmen der Änderungsrate
der durch den GPS-Empfangsapparat bereitgestellten Höhenwerte.
Um die Genauigkeit der zweiten Vertikalgeschwindigkeit weiter zu
verbessern, kann die Änderungsrate
der durch den GPS-Empfangsapparat
bereitgestellten Höhenwerte
ebenfalls tiefpassgefiltert werden. Alternativ kann die zweite Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs direkt von einem GPS-Empfangsapparat, der darauf ausgerichtet
ist, die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs zu messen, erhalten
werden.
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Gemäß dieser
Erfindung, werden die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
kombiniert, um die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs zu bestimmen.
In dieser Hinsicht, werden die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
kombiniert in einer Art, die poten tielle Fehler in den ersten und
zweiten Vertikalgeschwindigkeiten kompensiert. Als solche ist die
resultierende Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs genauer als
die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten allein genommen.
In dieser Hinsicht, werden die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
kombiniert durch ergänzendes
Filtern der ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten. Genauer
gesagt, wird die erste Vertikalgeschwindigkeit vorzugsweise tiefpassgefiltert,
um Hochfrequenzrauschen, das auf die relativ geringe Auflösung des
ersten Vertikalgeschwindigkeitswerts zurückführbar ist, zu beseitigen. Zusätzlich wird
die zweite Vertikalgeschwindigkeit vorzugsweise hochpassgefiltert,
um durch langfristige Abdrift hervorgerufene Fehler zu reduzieren.
Folglich wird die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs gemäß dieser
Erfindung bestimmt, um die besten Attribute sowohl der ersten als
auch der zweiten Vertikalgeschwindigkeitswerte zu erhalten und die
geläufigsten
Arten von in den ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeitswerten
enthaltenen Fehlern zu beseitigen. Folglich sollte diese Erfindung
eine genaue Schätzung
der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs bereitstellen, auch wenn
die Vertikalgeschwindigkeit nicht mit einem ADC, einem INS oder
einem IRS gemessen wird.
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Zur
weiteren Verbesserung der Genauigkeit, mit der die Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs bestimmt wird, kann mindestens eine der ersten und
zweiten Vertikalgeschwindigkeiten basierend auf ihrer entsprechenden
Auflösung
gewichtet werden. Zum Beispiel, kann die erste Vertikalgeschwindigkeit
gewichtet werden basierend auf der Auflösung des Druckhöhe-Werts
von dem die erste Vertikalgeschwindigkeit abgeleitet wird. Folglich
kann eine aus durch einen Höhenencoder
bereitgestellten Druckhöhe-Werten
abgeleitete erste Vertikalgeschwindigkeit in einem höheren Maße im Wert
vermindert werden als eine erste Vertikalgeschwindigkeit, die auf
Druckhöhen-Werten
basiert, die durch einen Blindencoder gemessen wurden, da der Blindencoder
eine höhere
Auflösung
hat als ein Höhenencoder.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird die Gültigkeit
der durch den GPS-Empfangsapparat bereitgestellten Signale einschließlich der
Signale, von denen die zweite Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs
erhalten wird, überwacht,
um zu gewährleisten,
dass die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs nur auf gültigen Daten basiert.
In dieser Hinsicht, wird ermittelt, ob mindestens eine vorbestimmte
Anzahl von Satelliten in Sicht des GPS-Empfangsapparats ist. Wenn weniger als
eine vorbestimmte Anzahl von Satelliten in Sicht des GPS-Empfangsapparats
ist, wird die zweite Vertikalgeschwindigkeit gleich ihrem vorherigen
Wert beibehalten, wie der letzte Wert der zweiten Vertikalgeschwindigkeit,
der erhalten wurde basierend auf mindestens der vorbestimmten Anzahl
von Satelliten in Sicht des GPS-Empfangsapparats.
Wenn weniger als die vorbestimmte Anzahl von Satelliten über einen
kontinuierlichen Zeitraum, der mindestens so groß ist wie eine vorbestimmte Zeit,
in Sicht des GPS-Empfangsapparats ist, kann ein Signal bereitgestellt
werden, um anzuzeigen, dass die Vertikalgeschwindigkeit unzuverlässig ist,
da der letzte gültige
Wert der zweiten Vertikalgeschwindigkeit nicht mehr repräsentativ
für die
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs sein könnte.
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Gemäß einem
Aspekt dieser Erfindung wird die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs
bestimmt durch eine Vorrichtung, die einen Prozessor aufweist, der
die erste Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs basierend auf Druckhöhe-Werten
bestimmt, eine zweite Vertikalgeschwindigkeit von einem GPS-Empfangsapparat
erhält
und angepasst ist, um die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
zu kombinieren, um die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs zu
bestimmen, wie zum Beispiel durch ergänzendes Filtern der ersten und
zweiten Vertikalgeschwindigkeiten. Gemäß einem anderen Aspekt dieser
Erfindung, wird die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs durch
ein Computerprogrammprodukt bestimmt, das ein computerlesbares Speichermedium
aufweist, das ein darin ausgeführtes
computerlesbares Programmcodemittel hat. Das computerlesbare Programmcodemittel
weist ein erstes Computerbefehlmittel zur Bestimmung der ersten
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs basierend auf Druckhöhe-Werten,
ein zweites Computerbefehlmittel zum Erhalten der zweiten Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs von einem GPS-Empfangsapparat und ein drittes Computerbefehlmittel
zum Kombinieren der ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
zum Bestimmen der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs auf.
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Durch
Kombinieren der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs, die vorausgesetzt
wird basierend auf der Druckhöhe
und dem Erhalten der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs vom GPS-Empfangsapparat, kann
eine genaue Schätzung
der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs erhalten werden, da die
ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten in einer Art kombiniert
werden, die Fehler, die den ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
eigen sind, abschwächt
und dadurch kann ein Maß der
Vertikalgeschwindigkeit erhalten werden, das genauer ist als entweder
der erste oder der zweite Vertikalgeschwindigkeitswert allein. Durch Bestimmen
der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs basierend auf Druckhöhe-Signalen
und durch den GPS-Empfangsapparat bereitgestellten Signalen kann
die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs indes auf eine Art bestimmt
werden, die unabhängig
ist von Signalen, bereitgestellt durch einen ADC, ein IRS oder ein INS.
Folglich sind das Verfahren, die Vorrichtung und das Computerprogrammprodukt
dieser Erfindung besonders gut geeignet für Flugzeuge der allgemeinen
Luftfahrt, die einen GPS-Empfangsapparat
aufweisen können aber
typischerweise keine teureren Teilsysteme wie einen ADC, ein IRS
oder ein INS aufweisen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Bestimmen der Vertikalgeschwindigkeit
eines Flugzeugs gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung.
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2 veranschaulicht
die Arbeitsabläufe,
die durchgeführt
werden, um die Vertikalgeschwindigkeit eines Flugzeugs gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung zu bestimmen.
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3 veranschaulicht
die Arbeitsabläufe,
die durchgeführt
werden, um die Vertikalgeschwindigkeit eines Flugzeugs gemäß einer
anderen Ausführungsform
dieser Erfindung zu bestimmen.
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4 veranschaulicht
die Betriebsabläufe,
die durchgeführt
werden durch das Verfahren, die Vorrichtung und das Computerprogrammprodukt,
um die Vertikalgeschwindigkeit eines Flugzeugs gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung zu bestimmen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung wird nun nachstehend vollständiger beschrieben unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt werden. Diese Erfindung kann indes in vielen
unterschiedlichen Formen ausgeführt
werden und sollte nicht als durch die hierin dargelegten Ausführungsformen
beschränkt
aufgefasst werden; eher werden diese Ausführungsformen bereitgestellt,
um diese Offenbarung eingehender und vollständiger zu machen und sie werden
den Fachleuten den Bereich der Erfindung vollständig vermitteln. Gleiche Nummern
beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.
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Nun
Bezug nehmend auf 1, wird ein Blockdiagramm, das
eine Vorrichtung zur Bestimmung der Vertikal geschwindigkeit eines
Flugzeugs gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung darstellt, bildlich dargestellt. Wie allgemein
veranschaulicht, weist die Vorrichtung einen Prozessor 10 zur
Kommunikation mit einem Instrument 12 zum Messen der Druckhöhe-Werte
und mit einem GPS-Empfangsapparat 14 und zur Bestimmung
der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs auf. Der Prozessor kann
dann die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs einem Bodenannäherungswarnsystem
oder einem anderen Avionikteilsystem, wie zum Beispiel TCAS, bereitstellen,
wie gewünscht.
In dieser Hinsicht, kann das Bodenannäherungswarnsystem die Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs bei der Erzeugung von Modus 1 Alarmsignalen
verwenden, d. h., von den Alarmsignalen, die ausgelöst werden
durch eine überhöhte Sinkgeschwindigkeit
in der Nähe
des Geländes,
und Modus 3 Alarmsignalen, die häufig aktiviert und deaktiviert
werden basierend auf der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs,
d. h., Modus 3 Alarmsignale werden nur herausgegeben während das
Flugzeug sinkt. Das Bodenannäherungswarnsystem
kann die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs ebenfalls verwenden
beim Aufbau der Geländevorwarnungs-
und Warnungshüllen.
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Typischerweise
ist der Prozessor 10 ein Datenverarbeitungsgerät, wie zum
Beispiel ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder eine andere
zentrale Verarbeitungseinheit. Der Prozessor kann indes in einem
anderen Logik-Baustein wie einem DMA (direkter Speicherzugriff)
Prozessor, einem integrierten Kommunikationsprozessor-Gerät, einem
Custom-VLSI (sehr hohe Integrationsdichte) Gerät, oder einem ASIC (anwendungsspezifischer
integrierter Schaltkreis) Gerät
ausgeführt
werden. Des Weiteren kann der Prozessor irgendeine andere Art von
analoger oder digitaler Schaltung oder irgendeine Kombination von
Hardware und Software sein, die darauf ausgelegt ist, die nachstehend
beschriebenen Verarbeitungsfunktionen durchzuführen.
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Der
Prozessor 10 kann die Druckhöhe von einer Anzahl von Instrumenten 12 empfangen.
Zum Beispiel kann der Prozessor Druckhöhe annehmen von einem Höhenencoder,
der Gillham/Gray kodierte Höhendaten
bereitstellt oder von einem Blindencoder, entweder einzeln oder
kombiniert mit einem Höhen-Serializer. Die
Höhenencoder
haben allgemein die schlechteste Auflösung, typischerweise in einer
Größenordnung
von 100 Fuß,
sind aber die am weitesten verfügbaren
Quellen von Druckhöhen-Ablesungen.
Im Gegensatz dazu haben Blindencoder typischerweise eine bessere
Auflösung,
wie zum Beispiel ungefähr
10 Fuß,
werden aber nicht so gebräuchlich
eingesetzt. Wie nachstehend erörtert
werden wird, kann die Auflösung
von jedem Instrument durch den Prozessor bei der Ermittlung der
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs berücksichtigt werden. Wie hierin
verwendet, bezieht sich die Druckhöhe allgemein auf eine unkorrigierte
Druckhöhe.
In Fällen, in
denen die Druckhöhe
korrigiert werden kann, wie zum Beispiel in Fällen, in denen der Pilot den
lokalen Luftdruck eingeben kann, bezieht sich die Druckhöhe indes
auf die korrigierte Druckhöhe.
Folglich wird Druckhöhe hierin
allgemein sowohl für
korrigierte als auch für
unkorrigierte Druckhöhe
verwendet.
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Der
Prozessor 10 kann ebenfalls eine Schnittstelle haben mit
einer Vielzahl von GPS-Empfangsapparaten 14 einschließlich eines
AlliedSignal Global GNS-XLS/2100 Empfangsapparats sowie Honeywell GPS-Empfangsapparaten
mit den Modellnummern HG2021 und HT9100, entweder direkt oder über eine
GPS Express Leiterplatte. Unabhängig
vom Typ, wird die GPS-Einheit typischerweise die die GPS-Höhe anzeigenden
Signale bereitstellen sowie den Breitengrad und den Längengrad
des Flugzeugs, die Geschwindigkeit über Grund des Flugzeugs, den
Winkel des Flugwegs über
Grund des Flugzeugs (auch bekannt als der Winkel des rechtweisenden
Kurses über
Grund des Flugzeugs) anzeigende Signale und eine Anzeige der Qualität der durch
die GPS-Einheit bereitgestellten Navigationslösung. Zusätzlich werden zumindest einige
GPS-Einheiten die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs anzeigende
Signale bereitstellen. Während
das durch die GPS-Einheit bereitgestellte Maß der Vertikalgeschwindigkeit
eine relativ gute Auflösung
hat, beispielsweise innerhalb von 1 Fuß, hat das durch die GPS-Einheit bereitgestellte
Maß der
Vertikalgeschwindigkeit wegen der selektiven Verfügbarkeit
(SA) einen langsam variierenden Fehler, was ein Ergebnis des absichtlichen
Ditherings der Satellitenuhr ist. Als solche kann die durch die
GPS-Einheit bereitgestellte Vertikalgeschwindigkeit über die Zeit
unvorteilhaft abdriften.
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Zusätzlich zu
GPS-Höhe,
Breitengrad, Längengrad,
Geschwindigkeit über
Grund, Winkel des Flugwegs über
Grund, Signalqualität
und, in zumindest einigen Ausführungsformen,
Vertikalgeschwindigkeit, kann der Prozessor 10 ebenfalls
mehrere zusätzliche
GPS-Signale empfangen und verarbeiten, einschließlich die Nummer der ausfindig
gemachten Satelliten, die Ergebnisse des Receiver Autonomous Integrity
Monitoring (RAIM) anzeigende Signale und eine Höhenunterstützungs-Kennzeichnung. Wie die
Fachleute wissen, stellen die RAIM-Ergebnisse eine Anzeige bereit,
ob die entsprechenden Satelliten ungenaue Daten bereitstellen, während die
Höhenunterstützungs-Kennzeichnung
Fälle identifiziert,
in denen der GPS-Empfangsapparat 14 mit weniger als einer
vorbestimmten Anzahl, zum Beispiel vier, Satelliten kommuniziert.
Wie unten beschrieben werden wird, kann der Prozessor den Wert der
GPS-Höhe
und/oder der GPS-Vertikalgeschwindigkeit
in Fällen, in
denen der GPS-Empfangsapparat
mit weniger als einer vorbestimmten Anzahl von Satelliten kommuniziert, vermindern,
da die durch den GPS-Empfangsapparat bereitgestellten Signale viel
weniger genau sein werden.
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Gemäß dieser
Erfindung, erhält
der Prozessor 10 erste und zweite Maße der Vertikalgeschwindigkeit des
Flugzeugs und kombiniert danach die ersten und zweiten Maße der Vertikalgeschwindigkeit,
um die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs genau zu bestimmen.
Wie unten beschrieben, leitet der Prozessor die erste Vertikalgeschwindigkeit
von der Druckhöhe
ab und erhält
die zweite Vertikalgeschwindigkeit von der GPS-Einheit. In Bezug
auf die erste Vertikalgeschwindigkeit und wie in 2 und
den Blöcken 20 und 22 von 4 bildlich
dargestellt, empfängt
der Prozessor eine Reihe von Druckhöhe-Werten über die Zeit und bestimmt die Änderungsrate
der Druckhöhe-Werte.
Der Prozessor multipliziert ebenfalls allgemein die sich ergebende Änderungsrate
mit 60 zum Umrechnen in Fuß pro Minute im Gegensatz zu
Fuß pro
Sekunde, um die erste, in 2 mit HpDot
bezeichnete Vertikalgeschwindigkeit zu erhalten. Siehe Block 24.
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In
Bezug auf die zweite Vertikalgeschwindigkeit, erhält der Prozessor 10 die
zweite Vertikalgeschwindigkeit auf unterschiedliche Art und Weise
abhängig
davon, ob der GPS-Empfangsapparat 14 einen Vertikalgeschwindigkeitswert
bereitstellt oder ob er lediglich GPS-Höhe bereitstellt. Wenn der GPS-Empfangsapparat die
die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs anzeigenden Signale bereitstellt,
definiert der Prozessor die zweite Vertikalgeschwindigkeit als gleich
dem durch den GPS-Empfangsapparat bereitgestellten Vertikalgeschwindigkeitswert.
Siehe Blöcke 26 und 28.
Wenn der GPS-Empfangsapparat keine Vertikalgeschwindigkeit bereitstellt,
empfängt
der Prozessor indes eine Reihe von GPS-Höhenwerten über die Zeit und bestimmt die Änderungsrate
der GPS-Höhenwerte.
Siehe Blöcke 30 und 32.
Der Prozessor multipliziert dann die Änderungsrate mit 60 zum
Umrechnen in Fuß pro
Minute im Gegensatz zu Fuß pro
Sekunde, um die zweite, in 2 mit HgDot
bezeichnete Vertikalgeschwindigkeit zu erhalten. Siehe Block 34.
Wie in 2 und in Block 36 von 4 gezeigt,
kann der Prozessor ebenfalls die zweite Vertikalgeschwindigkeit
tiefpassfiltern, um das Hochfrequenzrauschen zu beseitigen und die
sich ergebende Vertikal geschwindigkeit auszugleichen. Während der
Tiefpassfilter in verschiedenartiger Art und Weise ausgeführt werden
kann, ist der Tiefpassfilter von einer Ausführungsform ein drei Abtastwerte-Medianfilter.
-
Der
Prozessor 10 kombiniert dann die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten,
um die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs zu bestimmen. Siehe
Block 38. Insbesondere kombiniert der Prozessor die ersten
und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten, um die besten Attribute der
ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten einzubeziehen, während ihre
weniger wünschenswerten
Attribute zumindest teilweise gefiltert oder abgeschwächt werden.
Zum Beispiel kombiniert der Prozessor vorzugsweise die ersten und
zweiten Vertikalgeschwindigkeiten, um die Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs auf eine Art zu bestimmen, dass die Vertikalgeschwindigkeit
die Auflösung
der zweiten Vertikalgeschwindigkeit, d. h., der vom GPS-Empfangsapparat
erhaltenen Vertikalgeschwindigkeit, und die langfristige Stabilität der ersten
Vertikalgeschwindigkeit, d. h., der auf der Druckhöhe basierenden
Vertikalgeschwindigkeit, hat. Des Weiteren kombiniert der Prozessor vorzugsweise
die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten in einer Art, dass
die sich daraus ergebende Vertikalgeschwindigkeit nicht wesentlich
ungünstig
beeinträchtigt
wird, weder durch die Abdrift der zweiten Vertikalgeschwindigkeit,
d. h., die durch den GPS-Empfangsapparat erhaltene Vertikalgeschwindigkeit,
noch durch die relativ schlechte Auflösung der ersten Vertikalgeschwindigkeit,
d. h., der auf der Druckhöhe
basierenden Vertikalgeschwindigkeit.
-
Als
solcher führt
der Prozessor
10 vorzugsweise einen ergänzenden Filter aus, um die
besten Attribute der ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
zu kombinieren. Obwohl der ergänzende
Filter in einer Anzahl unterschiedlicher Arten ausgeführt werden
kann, teilt der ergänzende
Filter der veranschaulichten Ausfüh rungsform anfangs den Unterschied
zwischen der ersten Vertikalgeschwindigkeit, d. h., der von der
Druckhöhe
abgeleiteten Vertikalgeschwindigkeit, und dem vorherigen Ergebnis
des ergänzenden
Filters (als ein Ergebnis des unten beschriebenen Feedbacks) durch
eine Filterzeitkonstante τ,
und integriert dann das Ergebnis. Siehe Blöcke
50 und
52 von
2,
in dieser Reihenfolge. Durch Teilen durch die Filterzeitkonstante,
kann der ergänzende
Filter die erste Vertikalgeschwindigkeit effektiv gewichten. Vorzugsweise
gewichtet der ergänzende
Filter den Unterschied zwischen der ersten Vertikalgeschwindigkeit
und dem vorherigen Filterergebnis abhängig von der Auflösung der
Druckhöhe
von der die erste Vertikalgeschwindigkeit abgeleitet wurde, mit größeren Zeitkonstanten
und daher wird den Druckhöhe-Werten mit schlechterer
Auflösung
weniger Gewicht verliehen. In einer Ausführungsform wählt der
Prozessor die Zeitkonstante τ wie
folgt:
Auflösung der Druckhöhe | |
100
Fuß | 60 |
10
Fuß | 30 |
1 Fuß | 10 |
-
Die
Zeitkonstante τ muss
indes nicht in Form von einigen diskreten Werten definiert werden,
aber kann durch eine mathematische Funktion definiert werden, die
zumindest teilweise abhängig
ist von der Auflösung der
Druckhöhe-Werte.
-
Solange
das Flugzeug in der Luft ist, summiert der Prozessor 10 dann
die von der Druckhöhe
und dem GPS-Empfangsapparat 14 erhaltenen
Vertikalgeschwindigkeitskomponenten, um die Vertikalgeschwindigkeit des
Flugzeugs in Fuß pro
Minute zu bestimmen. Siehe Block 54 von 2.
Wie gezeigt, kann der Prozessor die Summe der Vertikalgeschwindigkeitskomponenten
ebenfalls nega tiv zurückleiten,
derart, dass die sich ergebende Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs
tatsächlich
wie folgt definiert ist:
-
-
Wie
die vorhergehende Gleichung veranschaulicht, tiefpassfiltert der
Prozessor 10 daher effektiv die erste Vertikalgeschwindigkeit,
d. h., die von der Druckhöhe
abgeleitete Vertikalgeschwindigkeit, um das Hochfrequenzrauschen
zu vermindern. Im Gegensatz dazu, hochpassfiltert der Prozessor
effektiv die zweite Vertikalgeschwindigkeit, d. h., die vom GPS-Empfangsapparat 14 erhaltene
Vertikalgeschwindigkeit, um die Offsetfehler, d. h., das Abdriften,
zu reduzieren.
-
Dementsprechend
basiert der Prozessor 10, der in 2 bildlich
dargestellten Ausführungsform
die Bestimmung der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs in erster
Linie auf der vom GPS-Empfangsapparat 14 erhaltenen zweiten
Vertikalgeschwindigkeit, aufgrund ihrer relativ guten Auflösung mit
einigen Korrekturen für das
Abdriften oder andere Tendenzen weg von der von der Druckhöhe abgeleiteten
Vertikalgeschwindigkeit. Folglich kombiniert der Prozessor dieser
Erfindung effektiv die besten Attribute von sowohl der von der Druckhöhe abgeleiteten
Vertikalgeschwindigkeit als auch von der vom GPS abgeleiteten Vertikalgeschwindigkeit, um
die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs genau zu bestimmen.
-
Wie
vorhergehend beschrieben, kann der Prozessor 10 die zweite
Vertikalgeschwindigkeit entweder direkt von einem durch den GPS-Empfangsapparat 14 bereitgestellten
Maß der
Vertikalgeschwindigkeit oder indirekt basierend auf der Änderungsrate
der GPS-Höhe
erhalten. Da die Änderungsrate
der GPS-Höhe
etwas zu Verzögerungen
tendieren kann, ist der Prozessor vorzugsweise darauf ausgelegt,
die zweite Vertikalgeschwindigkeit direkt vom GPS-Empfangsapparat
zu empfangen, wenn der GPS-Empfangsapparat
tatsächlich ein
Maß der
Vertikalgeschwindigkeit bereitstellt. In dieser Hinsicht weist 2 einen
Schalter 56 auf, der die verfügbare GPS-Vertikalgeschwindigkeit, nicht die GPS-Höhe, als
Eingabe auswählt,
wenn die GPS-Vertikalgeschwindigkeit verfügbar ist und der die GPS-Höhe als Eingabe
auswählt,
wenn die GPS-Vertikalgeschwindigkeit nicht verfügbar ist. Die Konstruktion
des Prozessors kann indes vereinfacht werden, wenn im Voraus bekannt
ist, dass der GPS-Empfangsapparat ein Maß der Vertikalgeschwindigkeit
bereitstellen wird. In dieser Hinsicht stellt 3 vereinfachte
Arbeitsabläufe,
die von einem Prozessor durchgeführt
werden, der darauf ausgelegt ist, mit einem GPS-Empfangsapparat
zu arbeiten, von dem bekannt ist, dass er ein Maß der Vertikalgeschwindigkeit
bereitstellt, bildlich dar.
-
Obwohl
nicht notwendig für
die vorliegende Erfindung, kann der Prozessor 10 ebenfalls
die Anzahl von Satelliten überwachen,
die gegenwärtig
vom GPS-Empfangapparat 14 ausfindig gemacht werden. In
dieser Hinsicht, kann der Prozessor bestimmen, ob der GPS-Empfangsapparat
gegenwärtig
mindestens eine vorbestimmte Mindestanzahl von Satelliten ausfindig
macht, zum Beispiel fünf
wie in der veranschaulichten Ausführungsform. Siehe Block 40.
Wenn der GPS-Empfangsapparat mindestens die vorbestimmte Mindestanzahl von
Satelliten ausfindig macht, werden die durch den GPS-Empfangsapparat bereitgestellten
Signale, einschließlich
der die GPS-Höhe
und die Vertikalgeschwindigkeit anzeigenden Signale, wenn verfügbar, als
gültig betrachtet
und werden der weiteren Verarbeitung unterzogen. Wenn der Prozessor
indes bestimmt, dass der GPS-Empfangsapparat
gegenwärtig
weniger als die vorbestimmte Mindestanzahl von Satelliten ausfindig macht,
wird der Prozessor dieser vorteilhaften Ausführungsform die gegenwärtig vom
GPS-Empfangsapparat empfangenen Signale als ungültig oder sonst unzuverlässig betrachten.
In diesem Fall behält
der Prozessor die zweite Vertikalgeschwindigkeit bei einer konstanten
Höhe bei,
typischerweise gleichgesetzt mit dem unmittelbar vorhergehenden
Wert der zweiten Vertikalgeschwindigkeit, d. h., dem letzten Wert
für die
zweite Vertikalgeschwindigkeit, die auf gültigen GPS-Signalen basiert.
Siehe Block 42. Der Prozessor von dieser Ausführungsform überwacht
dann weiterhin den GPS-Empfangsapparat, derart, dass, wenn der GPS-Empfangsapparat
anzeigt, dass er erneut mindestens eine vorbestimmte Mindestanzahl
von Satelliten ausfindig gemacht hat, der Prozessor die durch den
GPS-Empfangsapparat bereitgestellten Signale erneut als gültig betrachten und
die zweite Vertikalgeschwindigkeit nicht länger bei einem konstanten Wert
halten wird, sondern wieder damit anfangen wird, die zweite Vertikalgeschwindigkeit
basierend auf den gegenwärtigen
vom GPS-Empfangsapparat bereitgestellten Signalen zu aktualisieren.
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Wenn
der GPS-Empfangsapparat 14 während einer ausgedehnten Zeitspanne,
wie zum Beispiel 30 oder 60 Sekunden, weniger als die vorbestimmte
Mindestanzahl von Satelliten ausfindig macht, kann der unmittelbar
vorhergehende Wert der zweiten Vertikalgeschwindigkeit nicht mehr
repräsentativ
für die
gegenwärtige
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs sein. Siehe Block 44.
Als solcher kann der Prozessor 10 dieser Ausführungsform
ein Signal bereitstellen, das anzeigt, ob der sich ergebende Wert
der Vertikalgeschwindigkeit ungültig
oder sonst nicht vertrauenswürdig
ist, bis der GPS-Empfangsapparat
erneut mindestens die vorbestimmte Mindestanzahl von Satelliten
ausfindig macht. Siehe Block 46. Alternativ kann der Prozessor
die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs vollständig auf die erste Vertikalgeschwindigkeit
stützen,
die von der Druckhöhe
abgeleitet wird, bis der GPS-Empfangsapparat erneut mindestens die
vorbestimmte Mindestanzahl von Satelliten ausfindig macht. Als solcher
gewährleistet der
Prozessor dieser Ausführungsform,
dass der Wert der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs ein echtes
Maß der
gegenwärtigen
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs ist.
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Wie
vorhergehend beschrieben, kann das Verfahren und die Vorrichtung
dieser Erfindung die Vertikalgeschwindigkeit eines Flugzeugs genau
bestimmen, ohne Abhängigkeit
von den relativ teuren Teilsystemen, wie einem ADC, einem IRS und
einem INS, die typischerweise Maße für die Vertikalgeschwindigkeit
von Verkehrsflugzeugen bereitstellen. Stattdessen bestimmen das
Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung die Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs genau, nur basierend auf Druckhöhe-Ablesungen und auf von einem GPS-Empfangsapparat 14 bereitgestellten
Signalen, wie GPS-Höhe
oder GPS-Vertikalgeschwindigkeit.
Folglich ist das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung
besonders wichtig für
Flugzeuge in der allgemeinen Luftfahrt, die für gewöhnlich nicht die teuren Teilsysteme,
die von Verkehrsflugzeugen getragen werden, wie zum Beispiel einen
ADC, ein IRS oder ein INS, aufweisen.
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Wie
vorhergehend beschrieben, kann die durch das Verfahren und die Vorrichtung
dieser Erfindung bestimmte Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs
in einer Anzahl von Arten durch das Flugzeug und, insbesondere andere
durch das Flugzeug getragene Avionikteilsysteme, verwendet werden.
Zum Beispiel kann für Flugzeuge,
die ein Bodenannäherungswarnsystem
aufweisen, die Vertikalgeschwindigkeit beim Aufbau der Vorwarnungs-
und Warnungshüllen
verwendet werden. Genauer gesagt, wird der Flugbahnwinkel, der abhängig ist
von der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs, verwendet zum Aufbau
der Untergrenzen von sowohl den Vorwarnungs- als auch den Warnungshüllen. Zusätzlich stützen sich
die Bodenannäherungswarnsysteme auf
die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs, um zu bestimmen, ob das
Flugzeug mit einer überhöhten Geschwindigkeit
sinkt, während
es auf einer relativ niedrigen Höhe über dem
Boden fliegt, und wird ein Modus 1 Warnsignal ausgeben,
wenn diese Situation ermittelt wird. Des Weiteren, stützen sich
Bodenannäherungswarnsysteme
typischerweise auf die Vertikalgeschwindigkeit, um die Modus 3 Warnsignale
auszulösen
und aufzuheben, wenn das Flugzeug in dieser Reihenfolge sinkt und
steigt.
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Zusätzlich zum
Bereitstellen von Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der
Vertikalgeschwindigkeit eines Flugzeugs, stellt diese Erfindung
ebenfalls Computerprogrammprodukte zur Bestimmung der Vertikalgeschwindigkeit
eines Flugzeugs bereit. Die Computerprogrammprodukte haben ein computerlesbares Speichermedium,
das darin ausgeführte
computerlesbare Programmcodemittel hat. In einer Ausführungsform, kann
die Vorrichtung von 1 ebenfalls eine Speichervorrichtung 16 aufweisen,
die als computerlesbares Speichermedium dient, derart, dass der
Prozessor auf die computerlesbaren, im computerlesbaren Speichermedium
ausgeführten
computerlesbaren Programmcodemittel zugreifen kann, um die erste
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs zu bestimmen, die zweite Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs zu erhalten und danach die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
zu kombinieren, um die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs zu
bestimmen.
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In
dieser Hinsicht weist das computerlesbare Programmcodemittel erste
Computerbefehlmittel zur Bestimmung der ersten auf den mit dem Flugzeug
verbundenen Druckhöhe-Werten
basierenden Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs auf. Das computerlesbare
Programmcodemittel weist ebenfalls zweite Computerbefehlmittel zum
Erhalten der zweiten Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs vom durch
das Flugzeug getragenen GPS-Empfangsapparat 14 auf. Des
Weiteren, weist das computerlesbare Programmcodemittel dritte Computerbefehlmittel
zum Kombinieren der ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten
zum Bestimmen der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs auf. Wie
vorhergehend beschrieben, kombiniert das dritte Computerbefehlmittel
die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten durch ergänzendes
Filtern der ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten, typischerweise
durch Tiefpassfiltern der ersten Vertikalgeschwindigkeit und Hochpassfiltern
der zweiten Vertikalgeschwindigkeit, um die Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs zu bestimmen. Folglich kombiniert das dritte Computerbefehlmittel
die ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten, um die Vertikalgeschwindigkeit
des Flugzeugs zu bestimmen in einer Art, die unabhängig ist
von den durch einen Funkhöhenmesser,
einen ADC oder einen INS bereitgestellten Signalen.
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Gemäß einer
Ausführungsform,
weist das computerlesbare Programmcodemittel ebenfalls vierte Computerbefehlmittel
auf, zum Bestimmen, ob mindestens eine vorbestimmte Anzahl von Satelliten
in Sicht des GPS-Empfangsapparats 14 ist, und fünfte Computerbefehlmittel
zum Beibehalten der zweiten Vertikalgeschwindigkeit gleich einem
vorherigen Wert, wenn weniger als die vorbestimmte Anzahl von Satelliten
in Sicht des GPS-Empfangsapparats
ist. Zusätzlich
kann das computerlesbare Programmcodemittel sechste Computerbefehlmittel
aufweisen, um ein Signal bereitzustellen zur Anzeige, dass die Vertikalgeschwindigkeit
unzuverlässig
ist, wenn weniger als die vorbestimmte Anzahl von Satelliten über einen
kontinuierlichen Zeitraum, der mindestens so groß ist, wie eine vorbestimmte
Zeit, in Sicht des GPS-Empfangsapparats
ist.
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In
dieser Hinsicht, sind 2–4 Blockdiagramm-,
Ablaufdiagramm- und Steuerablaufdarstellungen von Verfahren, Systemen
und Programmprodukten gemäß der Erfindung.
Es wird verstanden werden, das jeder Block oder Schritt der Blockdiagramm-,
Ablaufdiagramm- und Steuerungsablaufdarstellungen und Kombinationen
von Blöcken
in den Blockdiagramm-, Ablaufdiagramm- und Steuerungsablaufdarstellungen
durch Computerprogramm befehle ausgeführt werden können. Diese
Computerprogrammbefehle können
auf einen Computer oder eine andere programmierbare Vorrichtung
geladen werden, um einen Apparat herzustellen, derart, dass die
auf dem Computer oder der anderen programmierbaren Vorrichtung ausgeführten Befehle
Mittel zur Ausführung
der im Block/in den Blöcken
oder im/in den Schritt(en) des Blockdiagramms, Ablaufdiagramms oder
Steuerungsablaufs angegebenen Funktionen erzeugen. Diese Computerprogrammbefehle
können
ebenfalls in einem computerlesbaren Speicher gespeichert werden,
der einen Computer oder eine andere programmierbare Vorrichtung
steuern kann, um in einer bestimmten Art zu funktionieren, derart,
dass die im computerlesbaren Speicher gespeicherten Befehle einen
gefertigten Gegenstand herstellen, der Befehlsmittel aufweist, die
die im Block/in den Blöcken
oder im/in den Schritten) des Blockdiagramms, Ablaufdiagramms oder
Steuerungsablaufs angegebene Funktion ausführt. Die Computerprogrammbefehle
können
ebenfalls auf einen Computer oder eine andere programmierbare Vorrichtung
geladen werden, um das Durchführen
von einer Reihe von Arbeitschritten auf dem Computer oder der anderen
programmierbaren Vorrichtung zu verursachen, derart, dass die auf
dem Computer oder der anderen programmierbaren Vorrichtung ausgeführten Befehle
Schritte zur Ausführung
der im Block/in den Blöcken
oder im/in den Schritt(en) des Blockdiagramms, Ablaufdiagramms oder
Steuerungsablaufs angegebenen Funktionen bereitstellen.
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Dementsprechend
unterstützen
die Blöcke
oder Schritte der Blockdiagramm-, Ablaufdiagramm- oder Steuerungsablaufdarstellungen
Kombinationen von Mitteln zum Durchführen der angegebenen Funktionen, Kombinationen
von Schritten zum Durchführen
der angegebenen Funktionen und Programmbefehlsmittel zum Durchführen der
angegebenen Funktionen. Es wird ebenfalls verstanden werden, dass
jeder Block oder Schritt der Blockdiagramm-, Ablaufdiagramm- oder
Steuerungsablaufdarstellungen und Kombinationen von Blöcken oder
Schritten in den Blockdiagramm-, Ablaufdiagramm- oder Steuerungsablaufdarstellungen
ausgeführt
werden können
durch hardwarebasierende Computersysteme für diesen besonderen Zweck,
welche die angegebenen Funktionen oder Schritte durchführen oder
Kombinationen aus hardwarebasierenden Computersystemen und Computeranweisungen
für diesen
besonderen Zweck.
-
Durch
Kombinieren der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs, die vorausgesetzt
wird basierend auf der Druckhöhe
und Erhalten der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs vom GPS-Empfangsapparat 14,
stellen die Verfahren, Vorrichtungen, und Computerprogrammprodukte
dieser Erfindung eine genaue Schätzung der
Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs bereit durch Kombinieren der
ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten, derart, dass die Fehlerquellen,
die den ersten und zweiten Vertikalgeschwindigkeiten eigen sind,
abgeschwächt
werden und das sich daraus ergebende Maß der Vertikalgeschwindigkeit
genauer ist, als die ersten oder zweiten Vertikalgeschwindigkeitswerte
einzeln. Durch Bestimmen der Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs
basierend auf Druckhöhe-Signalen
und von einem GPS-Empfangsapparat bereitgestellten Signalen, bestimmen
die Verfahren, Vorrichtungen und Computerprogrammprodukte dieser
Erfindung ebenfalls die Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeugs in
einer Art, die unabhängig
ist von den von einem ADC, einem IRS oder einem INS bereitgestellten
Signalen. Folglich sind die Verfahren, Vorrichtungen und Computerprogrammprodukte
dieser Erfindung besonders gut geeignet für Flugzeuge der allgemeinen
Luftfahrt, die Informationen in Bezug auf die Vertikalgeschwindigkeit
verwenden könnten
und die einen GPS-Empfangsapparat aufweisen können, die aber typischerweise
nicht teurere Teilsysteme, wie einen ADC, ein IRS oder ein INS,
die die Vertikalgeschwindigkeit von Verkehrsflugzeugen messen, aufweisen.
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Einem
Fachmann werden viele Änderungen
und andere Ausführungsformen
der Erfindung einfallen, zu denen dieser Erfindung das Vorrecht
der in den vorhergehenden Beschreibungen und den verbundenen Zeichnungen
behandelten Lehren zukommt. Folglich ist zu verstehen, dass diese
Erfindung sich nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen
beschränkt
und dass Änderungen
und andere Ausführungsformen
als in den Bereich der angefügten
Ansprüche
gehörend
zu verstehen sind. Obwohl hierin spezifische Begriffe gebraucht
werden, werden sie nur in einem allgemeinen oder beschreibenden
Sinn und nicht zum Zweck der Abgrenzung verwendet.