DE19731081C2 - Zentrierhilfe für Fluggeräte, die Aufwinde durch Kreisen nutzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrierhilfe der im Anspruch 1 genannten Art. Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Auffinden von Aufwindgebieten in der Schrift DE-40 35 311 C1 oder der DE-41 34 633 A1 bekannt geworden. Ziel dieser bekannten Erfindungen ist es eine bessere Nutzung von Aufwinden für Flugeräte dadurch zu ermöglichen, daß solche Aufwindgebiete dem Piloten angezeigt werden, bevor das Fluggerät diese erreicht hat. Diese vorgeschlagenen Lösungen würden in der Tat eine verstärkte Nutzbarkeit solcher Aufwindenergien ermöglichen, wenn sie in der Praxis technisch realisierbar wären. Weiter ist in der Schrift DE-90 17 565 U1 eine Vorrichtung angegeben, welche bei einem bereits gefunden Aufwind unterstüzen soll eine zum Aufwind koaxiale Flugbahn zu erreichen. Sie basiert auf der Annahme, daß ein thermischer Aufwind mit abnehmenden Abstand vom Zentrum größeres Steigen bewirkt. Zunehmendes Steigen wird dabei als Zeichen für den Weg ins Zentrum ausgewertet und dem Piloten eine Aufforderung zum Geradeausflug signalisiert. Da aber wirkliche thermische Aufwinde viele Störungen und Unregelmäßigkeiten aufweisen, wird dem Piloten laufend eine andere Richtung zum Zentrum signalisiert, sodaß er eher Gefahr läuft den Aufwind zu verlieren wenn er die Signale befolgt. In einer anderen Druckschrift GB 2 166 699 wird ebenso zugrundegelegt, daß ein thermischer Aufwind diese mathematisch regelmäßige Ausbildung aufweist. Bei einer solchen Ausbildung wird ein Oszilieren des Variometers auftreten, solange das Zentrum der Flugbahn nicht mit dem der Thermik übereinstimmt. Von der gemessenen Oszillation wird das Signal zu Korrigieren der Flugbahn abgeleitet. Wirkliche Aufwinde bewirken mangifache Schwankungen des Variometers, die sich schlecht von den hier angenommenen Oszillationen unterscheiden lassen. Auch bei dieser Lösung ist die mangelnde Berücksichtigung der wirklichen Struktur thermischer Aufwinde Ursache für die Unbrauchbarkeit des Vorschlages.

Die Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die dem Piloten beim Zentrieren seines Kreisfluges im Aufwind helfen. Sie soll mit heute tatsächlich verfügbaren Mitteln und unter Annahme wirklicher, auch unregelmäßig geformter thermischer Aufwinde, die praktische die Nutzung von Aufwinden wesentlich verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß viele Daten der Flugbahn und der vorgefundene Aufwindstärken in die Auswertung einbezogen und ausgewertet werden. Dem Piloten wird dann die Richtung des Aufwindzentrums in bezug auf seine Flugrichtung als Ergebnis aller Daten angezeigt. Unregelmäßigkeiten haben geringen Einfluß auf das Gesamtergebnis.

Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche Flugdaten erfassen, verarbeiten und einer Anzeige bzw. Signaleinrichtung zuführen. Van einer Ortungseinrichtung wird periodisch die Position und von einem Variometer die Vertikalgeschwindigkeit erfaßt. Die Bahnkoordinaten werden mit den zugehörigen Steigwerten gewichtet, indem sie miteinander multipliziert werden. Die Summe aller gewichteten Bahnkoordinaten wird durch die Summe aller Steigwerte dividiert. Das Ergebnis der Division sind die Koordinaten des Schwerpunktes der gewichteten Flugbahn. Dieser Schwerpunkt stellt eine Annäherung dar für das Zentrum des Aufwindes. Die Richtung von der momentanen Position zu diesem Schwerpunkt wird dem Piloten angezeigt. Damit kann er seinen Flug so einrichten, als wäre das Aufwindzentrum sichtbar geworden. Er wird seine Flugbahn um das angezeigte Zentrum iterativ verbessern. Damit wird auch die Zahl der gemessenen Daten größer und die Genauigkeit der angezeigten Richtung verbessert.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in der direkten Information des Piloten über die Lage des unsichtbaren Aufwindzentrums, welche das Ergebnis vieler Meßwerte ist. Er kann schnell und zielsicher seine Flugbahn optimieren. Bei schwach ausgeprägten Aufwinden wird die Chance verbessert, daß der Pilot das Zentrum findet und beim beim Leistungsflug ist durch das schneller Zentrieren ein Zeitgewinn zu erzielen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Suchen an anderer Stelle des Aufwindes mit anschließendem Wiedereintritt möglich ist, wie das bei unbefriedigendem Steigen z. B. unter Wolken häufig vorkommt. Dabei wird die bisher gewonnene Information über das Zentrum des Aufwindes nicht verloren.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Zeichnungen erläutert:

Fig. 1 zeigt einen horizontalen Schnitt durch eine Luftmasse die einen Aufwind enthält und eine Flugbahn eines Fluggerätes.

Fig. 2 zeigt eine Flugbahn im Aufwind, die vom Piloten mittel Zentrierhilfe korrigiert wurde.

Fig. 3 zeigt die Winkelbeziehungen bei der Berechnung des Zentrums.

Fig. 4 zeigt eine Blockdarstellung der Vorrichtung.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm für das Programm zur Bildung der Anzeige.

Fig. 6 zeigt eine Anzeigevorrichtung mit kreisförmiger Darstellung.

Fig. 7 zeigt eine Anzeigevorrichtung mit linearer Darstellung.

Fig. 8 zeigt eine Anzeigevorrichtung mit kreisförmiger Darstellung im Cockpit.

Fig. 9 zeigt eine weitere Anzeigevorrichtung mit linearer Darstellung im Cockpit.

Abb. 1 zeigt einen horizontalen Schnitt durch ein Aufwindzentrum. Die Aufwindstärke nimmt von außen zum Mittelpunkt (7) hin zu und beträgt in verschiedenen Abständen vom Mittelpunkt (7) beispielsweise an der Stelle (1) 1 [m/s], an der Stelle (2) 2 [m/s] und an der Stelle (3) 3 [m/s]. Fliegt ein Fluggerät auf der Flugbahn (4) in den Aufwind ein, so nimmt der Pilot bis zum Punkt (5) laufend zunehmendes Steigen war. Beginnt er am Punkt (5) einen Rechtskreis, so wird er entlang der Punkte (30) bis (60) abnehmendes Steigen feststellen. Ab dem Punkt (70) wird er kein Steigen mehr vorfinden. Bei Fortsetzung des Kreisfluges würde er wenig Höhe gewinnen, da der Flug den Aufwind nur zum Teil ausnützt. Mehr Höhe kann er nur gewinnen, wenn den Kreisflug um den Aufwind zentriert, d. h. durch Verschieben seines Kreiszentrums in Richtung des Mittelpunktes (7) des Aufwindes. Ein geübter Pilot wird sich dazu während des Kreisfluges den Kurs einprägen auf dem das Steigen zunimmt. Dann wird er auf seinem Kreisflug, bei Erreichen dieses Kurses, etwa bei Punkt (190), für kurze Zeit seinen Kurvenradius vergrößern und anschließend wieder mit verkleinertem Kurvenradius weiterfliegen. Dabei würde sich sein Kreisflug verschieben. Dieser Vorgang könnte iterativ mehrfach wiederholt werden.

In der Praxis ist aber das Zentrieren mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Der Pilot benötigt einige Erfahrung und Übung um sich die räumliche Lage des Steigens während des Kreisfluges einzuprägen. Da aber die Ausprägung des Steigens besonders im Randbereich des Aufwindes sehr unscharf ist, haben selbst geübte Piloten Schwierigkeiten beim Erkennen der zum Zentrieren erforderlichen Richtung. Weiter erschwert wird das Zentrieren dadurch, daß Aufwinde Querschnittsformen aufweisen, die stark von der Kreisform abweichen.

In Abb. 2 ist eine Ausgangssituation wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch ist hier die Flugbahn mit einer erfindungsgemäßen Zentrierhilfe korrigiert worden. Dabei hat die Zentrierhilfe laufend die Position des Aufwindzentrums errechnet. In Abb. 2 sind laufend Richtungslinien für die Lage des berechneten Zentrums (1000) dargestellt. Nach dem Anflug (104) und Beginn des Kreisfluges bei Punkt (110) sind z. B. Richtungslinien (1113, 1120, 1126) erkennbar. Diese Richtungslinien werden dem Piloten durch eine Anzeige- bzw. Signaleinrichtung als Zentrumswinkel angezeigt bzw. signalisiert. Der Zentrumswinkel ist der Winkel, der sich zwischen einer Richtungslinie (z. B. 1113, 1120, 1126) und der nach vorn verlängerten Verbindungslinie der vorhergehenden Position mit der augenblicklichen Position ergibt.

Der Pilot kann z. B. bei Punkt (126) nach Kenntnisnahme der schräg nach vorn weisenden Richtungslinie (1126) seinen Kreisflug durch einen kurzen Geradeausflug unterbrechen, solange bis die Richtungslinie (1130) bzw. der Zentrumswinkel, auf ein rechts neben dar Flugbahn liegendes Zentrum hinweist. Es kann auch eine akkustische Signalisierung erfolgen, wenn sich im Geradeausflug der Zentrumswinkel einem Wert nähert, der einer nach 90 Grad rechts weisenden Richtungslinie (1130) entspricht. Der Pilot würde durch dieses akkustische Signal aufgefordert den Geradeausflug zu beenden und wieder in den Kreisflug einzutreten. Beim anschließenden Kreisflug entlang der Punkte (131 bis 144) ist die Flugbahn schon wesentlich näher an den Mittelpunkt (70) des Aufwindes gerückt. Gleichzeitig werden auch die Anzeigen für die Richtung zum Zentrum, die der Pilot von der Zentrierhilfe erhält genauer. So weicht im Punkt (144) die Richtungslinie (1144) nur noch wenig vom Mittelpunkt des Aufwindes ab. Unter Beachtung der Anzeigen kann der Pilot wiederholt zentrieren. Er erreicht das Optimum seiner Flugbahn im Aufwind, wenn seine Anzeige konstant auf ein ca. 90 Grad seitlich neben der Flugbahn liegendes Zentrum hinweist. In Abb. 3 ist in einem horizontalen Schnitt durch den Aufwind eine Flugbahn (201) zwischen zwei Meßpunkten (202) und (203) gezeigt. Der Meßpunkt (202) ist einen Zyklus früher aufgenommen als der Meßpunkt (203). Die Winkelbeziehungen sind dargestellt zwischen: Nord-Südachse (204), Kurs A (205) und Zentrumsvektor (206) und Azimut B (210) des gerechneten Zentrums (208) des Aufwindes. Der zur Anzeige kommende Zentrumswinkel Z (207) wird durch die Beziehung (209) errechnet. Mit Hilfe der Beziehung (211) wird der Azimut B (210) des gerechneten Aufwindzentrums (208) bestimmt. Die Bestimmung des Kurswinkels A erfolgt nach der Beziehung (212).

In Abb. 4 ist in Blockform der Aufbau einer Zentrierhilfe dargestellt. Zur Gewinnung der Eingangswerte sind Ortungssystem (301), und Variometer (302) dargestellt. Diese Eingangswerte gelangen in die Rechen- und Steuereinheit ECU (304). Von dort werden die Signale der Anzeigeeinrichtung (305) zugeführt. Die Windrichtung und -Geschwindigkeit kann durch bekannte Verfahren aus den Ortungsdaten ermittelt werden. Falls zur Ermittlung von Windrichtung und -Geschwindigkeit ein eigenes Meßsystem eingesetzt wird, so ist die Abb. 4 um dieses zu erweitern. Ein vereinfachtes Flußdiagramm des Programmes zur Bitdung der Daten für die Anzeigeeinrichtung ist in Abb. 5 gezeigt. Das Programm wird z. B. durch den Piloten über Tastendruck gestartet und läuft dann zyklisch ab. Der Neustart ist immer dann angebracht, wenn der Pilot die Zentrierhilfe in einem neuen Aufwind benutzen will. Durch den Neustart werden alle Werte auf Null gesetzt.

Eine Anzeigeeinheit (220) mit kreisförmiger Anzeige des Zentrumswinkels Z ist in Abb. 6 gezeigt. Sie kann eine Flüssigkristall-Anzeige, Leuchtdioden-Anzeige oder ähnliches enthalten. Eine Anzeige mit dem Winkel 0 (221) bedeutet, daß sich das Aufwindzentrum voraus befindet und daß ein Geradeausflug angebracht ist. Bewegt sich der Zeiger von 0 Grad nach z. B. 60 Grad (222) so weiß der Pilot, daß er sich dem Zentrum bereits nahe befindet und bald einen kleineren Kurvenradius einnehmen muß. Bei einer Anzeige von 90 Grad befindet sich das Fluggerät neben dem Zentrum und sollte mit der richtigen Schräglage kreisen. Falls das Zentrum sich links hinter dem Fluggerät befindet, so nimmt der Zeiger z. B. die Stellung -150 Grad (225) ein.

Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit für die Anzeigeeinheit zeigt Abb. 7. Hier ist eine Reihe von Leuchtdioden (227) an der Oberkante des Instrumentenbrettes (240) angeordnet. Diese werden entsprechend dem Zentrumswinkel Z aktiviert. Für den Zentrumswinkel Null wird die in der Mitte liegende Leuchtdiode (228) eingeschaltet, für einen Zentrumswinkel Z von +90 Grad z. B. die Leuchtdiode (229) und für einen Zentrumswinkel Z von - 150 Grad die Leuchtdiode (230).

In Abb. 8 ist eine Anzeigeeinheit mit kreisförmiger Anzeige(226) im Cockpit dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine transmissive Flüssigkristallanzeige, die oberhalb des Instrumentenbrettes (240) angebracht ist. Sie liegt daher im Blickfeld des Piloten, ohne die Sicht nach vorn wesentlich zu beeinträchtigen und den Piloten von der Beobachtung des Luftraumes abzulenken.

In Abb. 9 sind Leuchdioden im Blickfeld des Piloten im unteren Bereich der Cockpitverglasung angebracht. Diese werden in ähnlicher Weise aktiviert wie die Leuchtdioden der Abb. 8. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die aktivierte Leuchtdiode durch ihre räumliche Lage direkt dem Piloten die Richtung des Zentrums andeutet.

Für die Ausgestaltung der Erfindung gibt es noch zahlreiche weitere, hier nicht dargestellte Möglichkeiten. So kann beispielsweise zusätzlich eine akkustische Signalisierung erfolgen. Bei Vergrößern des Zentrumswinkels im Bereich von 60 bis 90 Grad oder -60 bis -90 Grad kann ein bestimmtes akkustisches Signal erfolgen, welches darauf hinweist, den Kurvenradius zu vergrößern. Ein anders akkustisches Signal kann erfolgen werden, wenn der Zentrumswinkel im Bereich von 90 bis 120 Grad oder von -90 bis -120 Grad zunimmt. Dieses Signal würde darauf hinweisen, den Kurvenradius zu verringern.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wäre eine Anzeigeeinrichtung für die Entfernung zwischen der augenblicklicher Position und dem errechneten Zentrum. Bei einem optimal zentrierten Kreisflug zeigt diese Anzeige eine konstante Entfernung an. Bei einem noch nicht zentrierten Kreisflug kann eine solche Entfernungsanzeige dem Piloten eine zusätzliche Hilfe für das Zentrieren sein. Als Einrichtung zum Anzeigen der Entfernung kann bevorzugt eine Säule von optischen Elementen dienen, wovon mehrere ähnlich einer Thermometersäule aktiviert werden, oder aber jeweils ein einzelnes aktiviert wird.

Claims (6)

1. Zentrierhilfe für Fluggeräte, die Aufwinde durch Kreisen nutzen, gekennzeichnet durch

• 1. eine Ortungseinheit (301), welche zyklisch die augenblickliche Position (P xy) ermittelt,
• 2. ein Variometer (302), welches zyklisch die augenblickliche Vertikalgeschwindigkeit (v) ermittelt,
• 3. eine Recheneinrichtung (304), die zyklisch arbeitet und
  welche bei positiver Vertikalgeschwindigkeit jeweils ein Produkt aus Vertikalgeschwindigkeit und den aktuellen Koordinaten (x bzw. y) bildet,
  welche alte positiven Produkte aus Koordinate (x bzw. y) und zugehöriger Vertikalgeschwindigkeit (v) aufsummiert und
  welche alle positiven Vertikalgeschwindigkeiten (v) aufsummiert und
  welche die Koordinaten (C xy) des errechneten Zentrums bildet durch Division der Summe aller Produkte aus Koordinate (x bzw. y) und positiver Vertikalgeschwindigkeit mit der Summe alter positiven Vertikalgeschwindigkeiten und welche den Zentrumswinkel (Z) errechnet, der zwischen der momentanen Kursrichtung und der Verbindungslinie von der momentanen Position und dem errechneten Zentrum (C xy) eingeschlossen wird, und einer oder mehreren Signaleinrichtungen zum Erzeugen von Signalen, welche von der Größe des Zentrumswinkels (Z) abhängen.

2. Zentrierhilfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinaten des errechneten Zentrums (C xy) zyklisch um den Windversatz korrigiert werden, der sich aus Windgeschwindigkeit und Windrichtung ergibt, wobei letztere Daten auf bekannte Weise ermittelt werden.

3. Zentrierhilfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung ein oder mehrere optischen Elemente enthält, die symmetrisch zur Längsachse des Fluggerätes angeordnet sind und die zur Anzeige aktiviert werden können.

4. Zentrierhilfe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen optischen Elemente so aktiviert werden, daß sie seitenrichtig signalisieren, daß sich das errechnete Zentrum in einer bestimmten Position im Verhältnis zum Fluggerät befindet.

5. Zentrierhilfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalisierung bestimmter Zentrumswinkel durch ein akkustisches Signal erfolgt.

6. Zentrierhilfe nach Anspruch 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Abstand zwischen dem errechneten Aufwindzentrum und der aktuellen Position errechnet und angezeigt bzw. signalisiert wird.