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Die vorliegende Erfindung betrifft optoelektronische
Vorrichtungen, die den Piloten eines Flugzeugs bei
schlechten Sichtverhältnissen unterstützen, insbesondere im
Landeanflug oder beim Abheben.
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Optoelektronische Vorrichtungen, die einen Piloten
eines Flugzeugs oder Hubschraubers unterstützen, bestehen
aus Kollimatoren oder sogenannten "Kopf-hoch"-Sichtgeräten,
welche vor den Augen des Piloten graphische und
alphanumerische Informationen in Form von Markierungen sichtbar machen,
die auf einen halbreflektierenden Bildschirm projiziert
werden und dem Bild der Außenwelt überlagert werden.
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Die mit optoelektronischen Vorrichtung zur
Unterstützung des Piloten erreichten Leistungen hängen
unmittelbar von den Merkmalen der verschiedenen Markierungen ab, die
der Pilot sieht, und zwar sowohl hinsichtlich der Fähigkeit
der globalen Überwachung der Situation als auch hinsichtlich
der Genauigkeit der manuell gesteuerten Flugmanöver.
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Die üblicherweise angezeigten Informationen können
gemäß den von ihnen gelieferten Angaben in mehrere Familien
gegliedert werden:
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- Elemente des "Grund-T" des Instrumentenbords
(Geschwindigkeit, Fluglage, Kurs, Höhe),
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- Elemente, die dem Grund-T nahestehen (Mach-Zahl,
vertikale Geschwindigkeit, also Variometer, Funkhöhe),
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- mit der Flugbahn verknüpfte Elemente
(Geschwindigkeitsvektor, Beschleunigung, Gesamtneigung),
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- Elemente der Zonen-Funknavigation (RNAV), mit denen
eine Route aufgrund von Funkfeuern verfolgt werden kann
(VOR, ILS, DME),
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- weitere Elemente zur Überwachung der Situation
(explizite Weisungen (Route, Kurs u.s.w.), Abweichungen
bezüglich von Sollwerten (Geschwindigkeit u.s.w.), Angaben
ber Betriebsmodi, verschiedene Alarme u.s.w.).
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In der Zivilluftfahrt werden die Kollimatoren im
wesentlichen für die Landephase, die Rollphase und die
Startphase bei schlechter Sicht eingesetzt. Sie ermöglichen
es, die Mindestsicht für den Betrieb zu verringern und die
Sicherheit der Operationen aufgrund einer verbesserten
Fähigkeit der Überwachung der Situation zu erhöhen. Außerdem
erhöht dies die Genauigkeit der Kontrolle der Flugbahn bei
Sichtflugbedingungen.
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In den aktuellen Realisierungen werden
unterschiedliche graphische Darstellungen verwendet, um dem Piloten die
Sollroute und die Sollneigung anzuzeigen oder um ihm ein
Mittel zur Bewertung der Situation seiner Flugbahn bezüglich
dieser Sollwerte zu liefern. Außerdem sind die Skalen, die
die Neigung oder Trimmlage, d. h. die Fluglagebalken,
angeben, von geringer Auflösung, typisch in der Größenordnung
von 5 oder 10 Grad. Schließlich bleiben die Kontrolle und
das Einhalten einer genauen Flugbahn bei starkem Wind oder
einem Motorschaden mit diesen Darstellungen schwierig.
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Beispielsweise kann man sich auf die europäische
Patentanmeldung EP-A-0 044 777 beziehen, die eine
Vorrichtung zur Unterstützung des Piloten eines Flugzeugs mit einem
Flugkollimator und einem "Kopf-hoch"-Sichtgerät zur Anzeige
zahlreicher Symbole beschreibt, zu denen eine künstliche
Horizontlinie mit einer Skala für den Kurs, eine grobe Skala
für die Neigung, bestehend aus zur künstlichen Horizontlinie
parallelen Linien entsprechend Winkelabweichungen von +10,
+20º, -10º, -20º, ein festes Fadenkreuz O, das den
Schwerpunkt des Flugzeugs angibt, ein bewegliches Flugzeugsymbol
A, das den Flugzeug-Geschwindigkeitsvektor angibt, sowie
außerdem, wenn man sich in der Nähe einer Landebahn
befindet, die mit einem ILS-Leitsystem ausgerüstet ist, ein
Landebahnsymbol und ein Leitfenster enthält, in dem der
Pilot das bewegliche Flugzeugsymbol A halten soll, um eine
korrekte Landung zu erreichen.
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Die große Zahl von angezeigten Symbolen, die Lage und
geringe Feinheit der Neigungsskala ermöglichen es dem
Piloten nicht, während der letzten Phase des Landeanflugs, der
Phase des Abhebens oder der Beschleunigung, während der
seine Aufmerksamkeit auf den Flugkollimator in der Nähe des
beweglichen Flugzeugsymbols A konzentriert ist, eine genaue
Vorstellung über die Neigung und die Trimmung zu erlangen,
während die Beherrschung der Neigung und der Trimmung des
Flugzeugs von größter Bedeutung für die Kontrolle und das
Einhalten einer genauen Flugbahn unter diesen
Flugbedingungen ist, insbesondere bei Seitenwind oder bei einer
Motorpanne.
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Man kann sich auch auf das US-Patent 4 454 496
beziehen, das einen Flugkollimator für ein Flugzeug
beschreibt, der Symbole zur Unterstützung der Landung anzeigt.
Ein Flugzeugsymbol, das der Pilot auf einem Visierpunkt
halten soll, der sich im Schnittpunkt einer Visierlinie
parallel zu einer künstlichen Horizontlinie und einer Linie
liegt, die die Achse der Landebahn darstellt.
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Wie man aus Fig. 1 dieser Druckschrift erkennen
kann, werden hier weniger Symbole angezeigt, aber sie
besitzen keinerlei Skala für die Neigung, sodaß der Pilot
weiterhin keine genaue Vorstellung über die Neigung und die
Trimmung des Flugzeugs während der kritischen Phasen der
Annäherung an die Landebahn, des Abhebens oder der Beschleunigung
bekommt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die
Möglichkeiten eines Kollimators zu verbessern, der in der Phase der
Annäherung an die Landebahn, des Abhebens und Beschleunigens
verwendet wird, indem ein neues Konzept der graphischen
Darstellung der angezeigten Informationen vorgeschlagen
wird, wodurch die Qualität der Überwachung der Situation
ganz allgemein und insbesondere die Verfolgung der Flugbahn
verbessert wird.
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Gegenstand der Erfindung ist eine optoelektronische
Vorrichtung zur Unterstützung des Piloten eines Flugzeugs,
das eine Navigationszentrale, welche unter anderem den Kurs,
die Trimmung in Längs- und in Seitenrichtung sowie den
Geschwindigkeitsvektor des Flugzeugs über Grund bestimmt,
und einen Kollimator enthält, der eine mit einer Kursskala
versehene einen Bezugswert der Trimmung und der Neigung null
angebende künstliche Horizontlinie, eine den
Geschwindigkeitsvektor über Grund angebende Markierung sowie eine feste
Markierung in Form eines Flugzeugsymbols umgeben von
Fluglagebalken anzeigt, die die Längs- und die Seitentrimmung des
Flugzeugs bezüglich der künstlichen Horizontlinie angibt.
Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung Mittel zur Anzeige einer Neigungsskala auf dem
Kollimator besitzt, die durch die künstliche Horizontlinie
an der Stelle der vom Piloten ausgewählten Route hindurch
und zu beiden Seiten dieser Linie verläuft.
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Diese Neigungsskala, die sich auf der künstlichen
Horizontlinie an der Stelle der gewählten Route befindet,
ermöglicht es dem Piloten, gleichzeitig und mit großer
Genauigkeit Informationen über die gewählte Route, die
Neigung und die Trimmung in Längsrichtung zu präsentieren.
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Diese Neigungsskala auf der künstlichen Horizontlinie
an der Stelle der vom Piloten ausgewählten Route wird
vorzugsweise durch eine Folge von Punkten dargestellt, die
einen Abstand von einem Neigungsgrad besitzen, wobei jeder
fünfte Punkt größer als die übrigen Punkte dargestellt ist,
um die Interpretation der Skala zu erleichtern.
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Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun
anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch die auf einem Kollimator
angezeigten Markierungen bezüglich der Überwachung der
Flugbahn und Fluglage eines Flugzeugs sowie unter anderen
die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung angezeigten
Markierung.
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Fig. 2 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Flugzeug.
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Ein Kollimator wird von einem transparenten
Bildschirm gebildet, durch den der Pilot nach außen blickt. Auf
diesem transparenten Bildschirm sind verschiedene
Markierungen aufgezeichnet, die den Piloten unterstützen sollen.
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Fig. 1 zeigt insbesondere die Markierungen, mit denen die
Route sowie die Fluglage des Flugzeugs sowie die Neigung der
Flugbahn überwacht werden können. Man erkennt eine
Markierung in Form einer waagrechten Linie 1, auf der eine
Kursskala aufgetragen ist. Diese waagrechte Linie 1 ist der
künstliche Horizont. Sie verschiebt sich aufgrund der
Angaben des Navigationssystems. Ein festes Flugzeugsymbol 2,
das sich auf der Längsbezugsachse des Flugzeugs in der
Symmetrieebene des Flugzeugrumpfs befindet, ermöglicht es,
in Verbindung mit der künstlichen Horizontlinie 1, die
ihrerseits von sogenannten Fluglagebalken 3 umgeben ist, den
Kurs des Flugzeugs und grob die Fluglage in Längs- und
Seitenrichtung des Flugzeugs zu bewerten. Eine weitere
Markierung 4 in Form eines kleinen mit Flügeln versehenen
beweglichen Kreises gibt die Orientierung des
Geschwindigkeitsvektors über Grund hinsichtlich Route und Neigung
wider.
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Außer diesen bekannten Markierungen erkennt man auch
eine Folge von Punkten 5, die sich senkrecht zur künstlichen
Horizontlinie 1 ausgehend vom Kurs 6 der vom Pilot gewählten
Route erstreckt. Diese Folge von Punkten 5 ist eine Skala
für die Neigung. Die Punkte, typisch 20 Punkte oberhalb und
5 Punkte unterhalb der künstlichen Horizontlinie 1, haben
einen Abstand von einem Neigungsgrad. Jeder fünfte Punkt 7
ist doppelt so groß, um das Lesen der Skala zu erleichtern.
Die Anzahl von Punkten oberhalb des künstlichen Horizonts
ist für die maximal zulässige Trimmung in Längsrichtung des
Flugzeugs beim Beschleunigen oder Abheben repräsentativ.
Die Bewertung der Neigung der Flugbahn des Flugzeugs
erfolgt durch Beobachtung der Lage der Markierung 4, die den
Geschwindigkeitsvektor über Grund angibt, bezüglich der
Neigungsskala der Folge von Punkten 5.
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Die Bewertung der Trimmung des Flugzeugs in
Längsrichtung erfolgt durch Beobachtung der Lage der Markierung
des Flugzeugsymbols 2 bezüglich der Neigungsskala der Folge
von Punkten 5.
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Diese Folge von Punkten 5, die gemäß einer
Neigunsskala geeicht ist und an der Stelle des Kurses der vom
Piloten gewählten Kurses liegt, erleichtert dem Piloten die
Überwachung der folgenden Parameter gleichzeitig in der
waagrechten und der senkrechten Ebene, und zwar mit
hervorragender Genauigkeit für alle üblichen Flugsituationen und
selbst bei Seitenwind oder einer Motorpanne:
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- aktuelle Neigung oder Abweichung bezüglich der
aktuellen Neigung und Sollwert der Neigung,
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- Kursabweichung zwischen der aktuellen und der
ausgewählten Route,
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- Trimmwinkel in Längsrichtung.
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Bei der Annäherung an eine Landebahn liegen in
Abwesenheit von Wind und vor dem Aufsetzen der Räder die
Markierung, die den Geschwindigkeitsvektor 4 über Grund
angibt, und die Markierung, die das Flugzeugsymbol 2
bezeichnet, in der Nähe der Neigungsskala der Folge von
Punkten 5, was die gleichzeitige Auswertung dieser Markierungen
für die Überwachung der Situation erleichtert. Unter diesen
Umständen nähern sich nämlich die Markierung, die den
Geschwindigkeitsvektor über Grund 4 bezeichnet, und das
Flugzeugsymbol 2 an die Sollflugbahn an, die in der senkrechten
Ebene durch den Kurs entsprechend der gewählten Route
verläuft und im wesentlichen dem Verlauf der Landebahn gleicht.
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Beim endgültigen Einschwenken in die Landung zum
Aufsetzen der Räder ermöglicht die Neigungsskala der Folge
von Punkten 5 außerdem aufgrund der Auflösung in einzelne
Grade eine Verbesserung der Überwachung der Ausführung des
Manövers, indem einfach das Ansteigen der Markierung, die
den Geschwindigkeitsvektor über Grund symbolisiert, zum
künstlichen Horizont entlang der Folge von Punkten verfolgt
wird.
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In Fig. 1 wurde eine realistische Situation
dargestellt. Das Flugzeugsymbol 2 und der Geschwindigkeitsvektor
4 über Grund sind um einen Winkel gegeneinander versetzt,
der die Abweichung aufgrund des Seitenwinds angibt. Die
Kontrolle der Situation mithilfe der Markierung, die eine
Skala für die Neigung durch eine Folge von Punkten 5 über
dem Kurs der gewählten Route zeigt, erlaubt folgende
Aussagen:
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- Das Flugzeug fliegt etwa 1º links von der Sollroute
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- mit einer Sollneigung von -3º aufgrund einer
Neigungsmarkierung 8,
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- und mit einem Trimmung in Längsrichtung von etwa +4º.
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Verschiedene Varianten können für die Form der
Markierung in Betracht gezogen werden, die die Skala für die
Neigung über dem Kurs der gewählten Punkte anzeigt. Die
Folge von Punkten kann durch eine andere graphische
Darstellung ersetzt werden. Sie kann wie gezeigt durch eine
explizite Anzeige des Sollwerts der Neigung ergänzt werden.
Der Darstellungsbereich der Skala kann weiter ausgedehnt
sein. Der Sollwert für die Route kann durch einen Sollwert
des Kurses ersetzt sein.
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Fig. 2 zeigt den allgemeinen Aufbau einer
Einrichtung an Bord eines Flugzeugs, um den Augen des Piloten diese
Markierung sichtbar zu machen, die eine Skala für die
Neigung über dem Kurs der ausgewählten Route bezeichnet. Das
Flugzeug, dessen Nase mit der Pilotenkabine dargestellt ist,
besitzt ein Navigationssystem 10 und einen Kollimator 11.
Das Navigationssystem 10 liefert die üblichen
Angaben, insbesondere den Kurs, den Geschwindigkeitsvektor
über Grund, die LängsTrimmung und die Quertrimmung.
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Der Kollimator enthält einen transparenten Bildschirm
11 vor den Augen des Piloten in Überlagerung mit dem Bild
der äußeren Landschaft. Auf dem Bildschirm werden von einer
Projektionsvorrichtung 12 verschiedene Markierungen für den
Piloten angezeigt, zu denen die in Fig. 1 gezeigten
gehören.
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Die Projektionsvorrichtung 12 wird von einem
Symbolgenerator 13 gesteuert, der Aktualisierungsbefehle von
einem Rechner 14 mit programmierter Logik empfängt, wobei
der Rechner an das Navigationssystem 10 angeschlossen ist.