Verfahren zur Verbesserung und Stützung von Luftdaten eines Fluggeräts

Abstract

 Das Verfahren zur Verbesserung und Stützung von Luftdaten eines Fluggeräts, bei dem der Betrag der wahren Luftge­schwindigkeit sowie der Anstellwinkel und der Schiebewinkel in einem sphärischen Koordinatensystem dargestellt werden, sieht über eine Hybridschleife (3) mit einem Multiplika­tionszweig (4) und einem Integrationszweig (5) den Ver­gleich mit Geschwindigkeitsinkrementen (ΔV) vor, die aus den Signalen der Beschleunigungsmesser eines Strap-Down-Sy­stems abgeleitet werden. Die Berechnungen über die Hybrid­schleife beinhaltet, daß sowohl die Luftdaten als auch die Geschwindigkeitsinkremente aus dem Strap-Down-System zu­nächst in das gleiche Koordinatensystem transformiert wer­den. Dieses Koordinatensystem kann entweder körperfest oder erdfest sein. Mit der Erfindung läßt sich einerseits eine deutliche Verbesserung der Qualität der normalerweise stark verrauschten Luftdaten erreichen und außerdem wird bei kurzzeitigen Störungen des Luftdatensystems eine Stützung über die in der Hybridschleife bereitgestellten Ge­schwindigkeitswerte erreicht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur qualitativen Ver­besserung und Stützung von Luftdaten eines Fluggeräts, die mittels Luftdatensensoren als Betrag der Geschwindigkeit in der Luft sowie als Anstellwinkel und als Schiebewinkel ge­messen werden.

[0002] Die mit solchen Sensoren, wie Drucksensoren und Luftfahnen, gemessenen Luftdaten sind im allgemeinen stark verrauscht und mindestens ihre kurzzeitige Qualität ist meistens unzuverlässig. Störungen können auch durch Vogelschlag, durch das Abfeuern von Waffen, insbesondere aber auch beim Überschreiten bestimmter Anstell- oder Schiebewinkel her­vorgerufen werden. Luftdaten werden üblicherweise in Polar­koordinaten dargestellt.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität der Luftdatenerfassung vorzugsweise in Polarkoordinaten mit dem Betrag der wahren Geschwindigkeit in der Luft (TAS = True Air Speed) und den Anstell- und Schiebewinkeln zu verbes­sern und bei Störungen des Luftdatensystems eine wenigstens kurzzeitige Stützung zu garantieren.

[0004] Die wahre Geschwindigkeit (TAS) wird aus der mit Staurohren oder ähnlichen Instrumenten gemessenen Geschwindigkeit (IAS = Indicated Air Speed) ermittelt durch Temperatur- und Luftdruckkorrekturen.

[0005] Die Werte der Anstell- und Schiebewinkel werden üblicher­weise entweder durch Windfahnen gemessen oder aus den Druckdifferenzen der an verschiedenen Orten am Flugzeug an­gebrachten Staurohre berechnet.

[0006] Im allgemeinen wird von den Luftdaten lediglich die Ge­schwindigkeit bezüglich ihres Betrags zur Flugregelung ver­wendet. Die Werte α (Anstellwinkel) und β (Schiebewinkel) dienen zumeist nur der Erstellung eines Warnsignals - ins­besondere bei einem Überschreiten des höchstzulässigen An­stellwinkels α_max oder als Zusatzinformation für den Pilo­ten. Als Parameter für die Flugregelung werden dann hilfs­weise die Fluglage (Roll- und Nickwinkel) und die dazugehö­rigen Drehraten verwendet, da diese die Qualitätsanforde­rungen erfüllen, die ein Flugregelsystem an die primären Parameter stellt.

[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren zur qualitativen Verbesse­rung und Stützung von Luftdaten sieht vor, daß
- die Werte der wahren Luftgeschwindigkeit (TAS) einem Sub­traktionsvergleich mit Geschwindigkeitswerten unterworfen werden, die in einer mit einem Multiplikationszweig und einem Integrationszweig ausgestatteten Hybridschleife ge­wonnen werden, die durch Werte von Geschwindigkeitsinkre­menten beaufschlagt ist, die aus den Signalen von Be­schleunigungsmessern eines inertialen Strap-Down-Systems abgeleitet sind,
- die erhaltenen Geschwindigkeitsdifferenzen im Multiplika­tionszweig der Hybridschleife mit Verstärkungsfaktoren multipliziert werden,
- die aus der Multiplikation erhaltenen Korrekturwerte von den um alle Scheinkräfte befreiten Geschwindigkeitsinkre­menten aus dem Strap-Down-System und den Ausgangswerten des Integrationszweigs abgezogen werden,
- die im vorhergehenden Verfahrensschritt erhaltenen Diffe­renzwerte zu den zuletzt ermittelten Geschwindigkeitswer­ten der Hybridschleife hinzuaddiert und die so erhaltenen aufdatierten Geschwindigkeitswerte dem Subtraktionsver­gleich mit der wahren Luftgeschwindigkeit gemäß dem er­sten Verfahrensschritt als neue Geschwindigkeitswerte so­wie dem Eingang des Integrationszweigs zugeführt werden und
- die aufdatierten Geschwindigkeitswerte als verbesserte (geglättete) inertialgestützte Werte der wahren Luftge­schwindigkeit zusammen mit dem Anstellwinkel und dem Schiebewinkel ausgegeben werden.

[0008] Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durch­geführt, daß zunächst die in sphärischen Koordinaten zur Verfügung stehenden gemessenen Luftdaten der wahren Ge­schwindigkeit mit Berücksichtigung des Anstellwinkels und des Schiebewinkels in einem Rechner zu Geschwindigkeitskom­ponenten in einem körperfesten, orthogonalen Koordinatensy­stem transformiert werden und die verschiedenen Berech­nungsschritte in dem körperfesten, orthogonalen Koordina­tensystem durchgeführt werden. Die aufdatierten Geschwin­digkeitswerte werden sodann in das sphärische Koordinaten­system zurücktransformiert und mit dem Betrag der wahren Luftgeschwindigkeit sowie dem Anstellwinkel und dem Schie­bewinkel dargestellt.

[0009] Die im körperfesten, orthogonalen Koordinatensystem auftre­ tenden Scheinkräfte, von denen die Geschwindigkeitsinkre­mente befreit werden müssen, sind insbesondere die Gravita­tion und die Zentrifugalkraft.

[0010] Die Berechnungsschritte können jedoch auch so ausgeführt werden, daß die aus den Beschleunigungsmessersignalen des Strap-Down-Systems erhaltenen Geschwindigkeitsinkremente sowie die Geschwindigkeitskomponenten der Luftdaten im kör­perfesten, orthogonalen Koordinatensystem zunächst in das erdfeste Koordinatensystem transformiert werden und daß die verschiedenen Berechnungsschritte dann im erdfesten Koordi­natensystem durchgeführt werden. In diesem Fall reduzie­ren sich die Korrekturen der Geschwindigkeitsinkremente auf die Gravitation und die Corioliskraft.

[0011] Eine zusätzliche Verbesserung der Korrekturwerte ergibt sich, wenn die aus dem Subtraktionsvergleich von wahrer Luftgeschwindigkeit mit den Geschwindigkeitswerten aus der Hybridschleife erhaltenen Geschwindigkeitsdifferenzen zu­sätzlich mit anderen Verstärkungsfaktoren multipliziert, sodann integriert und zu den aus der ersten Multiplikation erhaltenen Korrekturwerten hinzuaddiert werden.

[0012] Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Fluglage nicht im System der aerodynamischen Kräfte angegeben wird, liegt darin, daß die Größen α und β mit der Qualität der inertialen Messung versehen werden und damit als primäre Eingangswerte für die Flugregelung ver­wendet werden können.

[0013] Fallen einzelne Luftdatensensoren aus oder tritt eine vor­übergehende Störung auf, so wird die Berechnung bis zum Subtraktionsvergleich mit den aus dem Inertialsystem abge­leiteten Geschwindigkeitswerten ausgesetzt und die Iner­tialdaten werden über die Hybridregelschleife zur Stützung im luftdatenbezogenen sphärischen Koordinatensystem verwen­ det.

[0014] Dabei wird die Tatsache vorteilhaft ausgenutzt, daß ein inertiales Strap-Down-System die Eigenschaft hat, kurzzei­tig ungestörte Daten zu liefern, die allerdings zunächst nur in einem inertialen bzw. körperbezogenen Koordinatensy­stem vorliegen.

[0015] Bei der erfindungsgemäßen Verbesserung bzw. Stützung hängt die mögliche Zeitspanne für die autonome Luftdatenberech­nung von der Änderungsgeschwindigkeit, von Betrag und Rich­tung des Windes sowie von der Qualität der Inertialsensoren im Strap-Down-System ab. Dieses Strap-Down-System dient bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dazu, die aus den Signalen der Beschleunigungsmesser ermittelten Geschwindigkeitsin­kremente von den Werten der Erdbeschleunigung zu befreien, um die tatsächlichen Werte der Geschwindigkeitsinkremente der Hybridschleife zur Luftdatenberechnung zuzuführen.

[0016] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum einen die Qua­lität, d. h. die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Luftdaten verbessert und andererseits läßt sich eine Kom­pensation von Sensorfehlern des Strap-Down-Systems errei­chen.

[0017] Für die Berechnung der Verstärkungsfaktoren stehen ver­schiedene Verfahren zur Verfügung. Entweder können die Ver­stärkungsfaktoren durch Simulation der Qualität der Senso­ren, d. h. der Luftdatensensoren einerseits und der Senso­ren des Strap-Down-Systems andererseits angepaßt werden. Oder die Bestimmung der Verstärkungsfaktoren kann durch das Kalmanfilterverfahren erfolgen. Dies kann insbesondere in Anpassung an die momentan gegebenen dynamischen Verhältnis­se im Echtzeitbetrieb geschehen.

[0018] Für den Fall, daß keine Luftdaten aus den Sensoren vorlie­ gen, werden die zur Aufdatierung angewendeten Berechnungs­schritte unterbrochen. Zur Stützung der Luftdaten werden die zuletzt ermittelten Geschwindigkeitswerte der Hybrid­schleife, zu denen weiterhin laufend die Geschwindigkeits­inkremente der Strap-Down-Einheit addiert werden, wenig­stens kurzzeitig bis zum Ausgleich oder einer Beseitigung der Störung herangezogen.

[0019] Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfol­gend unter Bezug auf die Blockschaltbilder der beigefügten Fig. 1 und 2 näher erläutert.

[0020] Entsprechend dem Funktions- und Blockschaltbild der Fig. 1 werden die in einem sphärischen Koordinatensystem gemesse­nen Luftdaten als wahre Geschwindigkeit TAS (True Air Speed), als Anstellwinkel α sowie als Schiebewinkel β einer Recheneinheit 1a zugeführt, welche die angelieferten Werte zu Geschwindigkeitskomponenten U_R, V_R, W_R in einem vorzugs­weise erdfesten oder auch körperfesten, orthogonalen Koor­dinatensystem transformiert. Die so errechneten Geschwin­digkeitskomponenten U_R, V_R, W_R gelangen auf die Subtrak­tionseingänge einer Vergleichsschaltung 2, an deren posi­tiven Eingängen geregelte Größen U, V, W anliegen, die in einer Hybridschleife 3 erstellt werden. Die Hybridschleife 3 umfaßt als wesentliche Baugruppen eine Multiplikations­schaltung 4, eine Integrationsschaltung 5 sowie eine Addi­tions- und Vergleichsschaltung 6. Die Geschwindigkeitsdif­ferenzen an den Ausgängen des Subtraktionsvergleichers 2 werden in der Multiplikationsschaltung 4 mit variablen Ver­stärkungsfaktoren K_A1 multipliziert, wobei gilt K_A1 < 1. Die am Ausgang der Multiplikationsschaltung 4 erscheinenden Korrekturwerte beaufschlagen über einen Auftrennschalter 12, dessen Funktion weiter unten erläutert wird, den Sub­traktionseingang der Additions- und Vergleichsschaltung 6, der an einem Additionseingang auf das erdfeste oder das körperfeste Koordinatensystem bezogene Werte von Ge­ schwindigkeitsinkrementen ΔV zugeführt werden, die durch ein (nicht dargestelltes) inertiales Strap-Down-Gerät be­reitgestellt werden. Die körperbezogen vorliegenden Ge­schwindigkeitsinkremente werden in einer weiteren Rechen­einheit 1b, die eine Baueinheit mit der Recheneinheit 1a bilden kann, gegebenenfalls in ein Koordinatensystem der Hy­bridschleife 3, also insbesondere in ein erdfestes Koordi­natensystem, transformiert. Ein weiterer additiver Eingang der Additions- und Vergleichsschaltung 6 ist durch die Aus­gänge der Integrationsstrecke 5 beaufschlagt. Am Ausgang der Schaltung 6 erscheinende aufgedatete Geschwindigkeits­komponenten U, V, W werden in einer weiteren Recheneinheit 7, die ebenfalls baueinheitlich mit der Recheneinheit 1a, 1b zusammengefaßt sein kann, in das sphärische Koordinaten­system mit Darstellung des Betrags der verbesserten wahren Luftgeschwindigkeit sowie der Darstellung des Anstellwin­kels und des Schiebewinkels zurücktransformiert. Die auf­gedateten Geschwindigkeitskomponenten werden wiederum dem Subtraktionsvergleicher 2 zugeführt und beaufschlagen au­ßerdem die Eingangsseite der Integrationsstrecke 5.

[0021] Gemäß der Lehre des Anspruchs 7 kann die Luftdatenaufdatie­rung und -stützung ausgesetzt werden bzw. unterbrochen wer­den. Dies geschieht insbesondere durch Auftrennen des Auf­trennschalters 12, beispielsweise durch das Ausgangssignal einer Vergleicherschaltung 14. In diesem Fall werden, wie oben bereits erwähnt, die Luftdaten durch die zuletzt er­mittelten Geschwindigkeitswerte der Hybridschleife 3 ver­wendet, zu denen zur wenigstens kurzzeitigen Überbrückung einer Störung weiterhin laufend die Geschwindigkeitsinkre­mente aus der Strap-Down-Einheit addiert werden.

[0022] Bei der Blockschaltbildanordnung nach Fig. 2 ist die Hy­bridschleife 3 um drei weitere Baugruppen ergänzt, nämlich um eine weitere Multiplikationsschaltung 9, eine Additions­schaltung 11 sowie eine weitere Integrationsschaltung (In­ tegrationsstrecke) 10. In der Multiplikationsschaltung 9 wird das Ergebnis des Subtraktionsvergleichs zwischen den aufdatierten Geschwindigkeitskomponenten und den aus der wahren Luftgeschwindigkeit unter Berücksichtigung von An­stellwinkel und Schiebewinkel transformierten Geschwindig­keitswerten mit einem Multiplikationsfaktor K_A2 beauf­schlagt und anschließend über die Integrationsstrecke 10 integriert. Das Additionsergebnis der Additionsschaltung 11 wird in der weiteren Additionsschaltung 8 zu Korrekturwer­ten mit den Ausgängen der Multiplikationsschaltung 4 ad­diert und dem Vergleich in der Schaltung 6 mit den inertia­len Geschwindigkeitsinkrementen ΔV zugeführt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Verbesserung und Stützung von Luftda­ten eines Fluggeräts, die mittels Luftdatensensoren als so­genannte wahre Geschwindigkeit (TAS), sowie als Anstellwin­kel (α) und als Schiebewinkel (β) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Werte der wahren Luftgeschwindigkeit (TAS) einem Subtraktionsvergleich (2) mit Geschwindigkeitswerten un­terworfen werden, die in einer mit einem Multiplika­tionszweig (4) und einem Integrationszweig (5) ausge­statteten Hybridschleife (3) gewonnen werden, die durch Werte von Geschwindigkeitsinkrementen (ΔV) beaufschlagt ist, die aus den Signalen von Beschleunigungsmessern ei­nes inertialen Strap-Down-Systems abgeleitet sind;

b) die erhaltenen Geschwindigkeitsdifferenzen im Multipli­kationszweig (4) der Hybridschleife mit Verstärkungsfak­toren multipliziert werden;

c) die aus der Multiplikation erhaltenen Korrekturwerte von den Geschwindigkeitsinkrementen (ΔV) aus dem Strap-­Down-System und den Ausgangswerten des Integrations­zweigs (5) abgezogen werden;

d) die im Verfahrensschritt c) erhaltenen Differenzwerte zu den zuletzt ermittelten Geschwindigkeitswerten der Hy­bridschleife (3) hinzuaddiert und die so erhaltenen auf­datierten Geschwindigkeitswerte dem Subtraktionsver­gleich (2) mit der wahren Luftgeschwindigkeit (TAS) ge­mäß Verfahrensschritt a) als neue Geschwindigkeitswerte sowie dem Eingang des Integrationszweigs (5) zugeführt werden, und

e) die aufdatierten Geschwindigkeitswerte als verbesserte, inertialgestützte Werte der wahren Luftgeschwindigkeit (TAS) zusammen mit dem Anstellwinkel (α) und dem Schie­bewinkel (β) ausgegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Luftdaten in einem sphärischen Koordinatensystem ge­messen werden,
die gemessenen Werte der wahren Geschwindigkeit (TAS) mit Berücksichtigung des Anstellwinkels (α) und des Schiebe­winkels (β) in einem Rechner (1) zu Geschwindigkeitskom­ponenten in einem körperfesten, orthogonalen Koordinaten­system transformiert werden,
- die Berechnungsschritte a) bis d) in dem körperfesten, orthogonalen Koordinatensystem durchgeführt werden und
- die aufdatierten Geschwindigkeitswerte in das sphärische Koordinatensystem mit dem Betrag der wahren Luftgeschwin­digkeit sowie dem Anstellwinkel und dem Schiebewinkel zu­rücktransformiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Luftdaten in einem sphärischen Koordinantesystem ge­messen werden,
- die gemessenen Werte der wahren Geschwindigkeit (TAS) mit Berücksichtigung des Anstellwinkels (α) und des Schiebe­winkels (β) in einem Rechner (1) zu Geschwindigkeitskom­ponenten in einem erdfesten, orthogonalen Koordinatensy­stem transformiert werden,
- die Geschwindigkeitsinkremente (ΔV) des Strap-Down-Sy­stems ebenfalls in dieses erdfeste Koordinatensystem transformiert werden,
- die Berechnungsschritte a) bis d) in dem erdfesten, or­thogonalen Koordinatensystem durchgeführt werden und
- die aufdatierten Geschwindigkeitswerte in das sphärische Koordinatensystem mit dem Betrag der wahren Luftgeschwin­digkeit sowie dem Anstellwinkel und dem Schiebewinkel zu­rücktransformiert werden.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß
- die im Verfahrensschritt a) erhaltenen Geschwindigkeits­differenzen zusätzlich mit anderen Verstärkungsfaktoren (K_A2) multipliziert,
- danach integriert und
- zu den nach Verfahrensschritt b) erhaltenen Korrekturwer­ten addiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren (K_A1, K_A2) mit Hilfe eines Kalmanfilters berechnet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Verstärkungsfaktoren im Echtzeitver­fahren erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Ausfall oder bei einer vorübergehenden Störung der Luftdatensensoren die Berechnungen nach den Verfahrensschritten a) bis c) unter­brochen werden und die Luftdatenberechnung nur gemäß Ver­fahrensschritt d) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Ausfall oder bei einer vorübergehenden Stö­rung der Luftdatensensoren die Berechnungen nach den Verfah­rensschritten a) bis c) unterbrochen werden und die Luftda­tenberechnung nur gemäß Verfahrensschritt d) unter Verwen­dung des letzten Werts der Integration weitergeführt wird.

Zeichnung