DE60006550T2

DE60006550T2 - Luftverkehrsüberwachungssystem

Info

Publication number: DE60006550T2
Application number: DE60006550T
Authority: DE
Inventors: Dan Varon
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2020-08-25
Also published as: AU7069100A; HK1043229B; AU769965B2; ATE254325T1; CA2382396A1; ES2211595T3; US6420993B1; PT1210702E; JP2003507826A; DE60006550D1; EP1210702A1; WO2001015119A9; EP1210702B1; CA2382396C; KR20020060165A; HK1043229A1; WO2001015119A1; JP3973905B2; DK1210702T3; KR100551505B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage von Bahnkurvenkonflikten zwischen mindestens zwei Objekten, von denen mindestens eines relativ zu dem anderen manövriert, wobei das Verfahren die Feststellung umfaßt, ob ein Kriterium für die Trennung zwischen den mindestens zwei Objekten erfüllt ist. Die Erfindung betrifft auch Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Luftverkehrs-Kontrollsysteme sind eine Art Rechner- und Anzeigesysteme, welche Daten verarbeiten, welche von Luftüberwachungs-Radarsystemen für die Erfassung und Verfolgung von Flugzeugen empfangen werden. Luftverkehrs-Kontrollsysteme dienen sowohl zivilen als auch militärischen Zwecken zur Bestimmung der Identität und der Positionen von Flugzeugen in einem bestimmten geografischen Bereich. Eine solche Detektierung und Verfolgung ist notwendig, um Flugzeuge zu benachrichtigen, welche in einer bestimmten Nähe voneinander fliegen und um Flugzeuge zu warnen, welche auf einem Kollisionskurs zu sein scheinen. Wenn die Flugzeuge mit weniger als einem sogenannten Minimalabstandsstandard (MSS) beabstandet sind, dann heißt dies, daß die Flugzeuge den MSS-Standard verletzen oder in Konflikt damit stehen. In diesem Falle liefert das Luftverkehrs-Kontrollsystem eine sogenannte „Konfliktwarnung". Der Wert eines Konfliktwarnalgorithmus (CA-Algorithmus) mißt sich nicht nur nach seiner Fähigkeit, drohende Konflikte vorherzusagen, sondern auch daran, wie gut vermieden wird, irrtümliche Konfliktvorhersagen zu machen. Ein Konflikt zwischen zwei Flugzeugen, die sich aneinander annähern, wird als existent bezeichnet, wenn der horizontale Zwischenraum zwischen den beiden Flugzeugen weniger als ein horizontaler Minimalabstandsstandard (HMSS) und gleichzeitig der Vertikalabstand zwischen den Flugzeugen kleiner als ein vertikaler Minimalabstandsstandard (VMSS) ist. In bestimmten Situationen wird beispielsweise verlangt, das die Flugzeuge horizontal mindestens drei nautische Meilen oder vertikal mindestens 1000 Fuß auf Abstand bleiben. Wenn die Geschwindigkeit jedes Flugzeuges konstant ist, dann kann die Kollisionswarnfunktion des Luftverkehr-Kontrollsystems das mögliche Auftreten eines weiteren Konfliktes basierend auf der relativen Position der Flugzeuge und ihren Geschwindigkeiten vorhersa gen. Wenn die Flugzeuge manövrieren (beispielsweise beschleunigen, verzögern, und auch Wendungen ausführen), dann sind herkömmliche Luftverkehrs-Kontrollsysteme nur in der Lage, einen Konflikt zu detektieren, wenn ein Flugzeugpaar gegenwärtig die vertikalen Abstandsstandards verletzt. Wenn also zwei Flugzeuge sich aneinander vertikal annähern, jedoch nicht den vertikalen Minimalabstandsstandard (VMSS) verletzen, dann sind herkömmliche Luftverkehrs-Kontrollsysteme unfähig, den Konflikt vorherzusagen und sind daher nicht in der Lage, eine Warnung bezüglich solcher Konflikte abzugeben, bevor sie auftreten.
Um Konflikte zuverlässig durch Verwendung von durch Verfolgungseinrichtungen und abgeschätzte Geschwindigkeiten vorherzusagen, müssen letztere konstant sein und sehr genau geschätzt werden. Diese Bedingungen werden nur für Dauerzustandsbahnen (d. h., geradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit) erfüllt.
Wenn die Flugzeuge manövrieren, dann sind von durch Verfolgungseinrichtungen abgeschätzte Geschwindigkeiten nicht nützlich zum Vorhersagen von Flugzeugabständen, und zwar aus einer Vielfalt von Gründen. Ein Grund besteht darin, daß dann, wenn die Zielobjekte sich aneinander annähern, während sie manövrieren, sie tatsächlich in Richtung aufeinander beschleunigen. Die Verfolgungsfunktionen herkömmlicher Luftverkehrs-Kontrollsysteme nehmen jedoch überhaupt keine Abschätzung der Beschleunigung oder der Wenderate vor. Ein weiterer Grund besteht darin, daß dann, wenn die Konfliktwarnfunktion einen Konflikt auf der Basis der gegenwärtigen Abschätzung der Geschwindigkeit durch die Verfolgungseinrichtung vornehmen soll, sie eine langsamere horizontale Annäherung errechnen würde, welche eine Koinzidenz bei einer vertikalen Verletzung verfehlen würde und demzufolge keine Warnung ausgeben würde. Ein wiederum anderer Grund, warum durch die Verfolgungseinrichtung abgeschätzte Geschwindigkeiten nicht genau sind, besteht darin, daß dann, wenn ein Flugzeug manövriert, die Genauigkeit der Abschätzung seiner Geschwindigkeit durch einen durch das Manöver eingeführten transienten Zustand verschlechtert wird. Auch hinkt im Allgemeinen wiederum die abgeschätzte Richtung hinter der tatsächlichen Geschwindigkeit des Flugzeugs hinterher.
Ein bekanntes System, welches Konfliktuntersuchungen für Langzeit-Konfliktvermeidung verwendet, ist in der Veröffentlichung von D. R. Isaacson und H. Erzberger in „Design of a Conflict Detection Algorithm for the Center/Tracon Automation System" Digital Avionics Systems Conference (DASC), Vereinigte Staaten von Amerika, New York, NY:IEEE, 26. Oktober 1997, Seiten 93–1 bis 92–09, geoffenbart. Das von Isaacson und Erzberger beschriebene System verwendet eine Bahnkurvenvorhersage durch das NASA/FAA Center/TRACON Automation System (CTAS) und untersucht Paare der vorher gesagten Bahnkurven, um auftretende Konflikte mindestens zwanzig Minuten in die Zukunft reichend vorherzusagen. Das CTAS-System liefert vorhergesagte 4D-Bahnkurven (drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension) für jedes Flugzeug innerhalb des Zentrumsluftraumes. Um eine Bahnkurve synthetisch zu bilden, verwendet das CTAS-System einen Flugplan für das Flugzeug und Punktmassengleichungen der Bewegung, um ein Modell der vertikalen und longitudinalen Beschleunigungen und der verketteten Segmente gerader Linien und von Kreisbogen zu bilden und um ein Modell horizontaler Manöver und Flugwege zu erzeugen. Eine Beschreibung der Flugbahnsynthese wird in der Veröffentlichung „Trajectory Synthesis for Air Traffic Automation" von R. Slattery und Y. Zhao in den Seiten 232 bis 238, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, März-April 1997, Band 20, Nummer 2, gegeben. Es werden Zeiten längs der Flugbahn an Punkten einbezogen, an welchen sich Schlüssel-Flugbahncharakteristiken ändern. Der Konflikterfassungsalgorithmus leitet Daten von den Flugbahnen in Form von Flugzeug-Zustandsvektoren ab, mit Komponenten wie dreidimensionale Positionen, Geschwindigkeit, u.s.w., für Zeitpunkte, welche mit 10-Sekunden-Abständen gleichmäßig längs einer Flugbahn beabstandet sind. Der Algorithmus schließt alle Paare von Flugbahnen aus, welche nicht den Vertikal-Minimalabstandsstandard oder ein von einer Bedienungsperson gewähltes vertikales Abstandskriterium innerhalb des Bereiches von Zeiten verletzen, welche gegenwärtig bezüglich eines Konfliktes untersucht werden. Es sei bemerkt, daß der Konflikt-Untersuchungszyklus für jedes Flugzeug in weniger als dem Radar-Aktualisierungszyklus von annähernd 12 Sekunden wiederholt werden sollte. Weitere Flugbahnpaare werden aus dem Teil der detaillierten Verarbeitung des Konflikterfassungsalgorithmus durch Einstellen eines Schwellwertes des Abstandes basierend auf der Annahme ausgeschlossen, daß die beiden Flugzeuge sich mit einer Geradaus-Annäherungsgeschwindigkeit von 2 Mach annähern. Die detaillierte Verarbeitung verwendet die gleichbeabstandeten Zeitschritte durch Verbinden von Punkten zwischen den zwei Flugbahnen entsprechend demselben Zeitaugenblick und dadurch, daß die Abstandsrechnungen auf diesen Verbindungen basieren. Somit wird eine Abstandsrechnung für jeden Zeitschritt erzeugt. Der Algorithmus bestimmt, ob zwei Flugzeuge sich in einem horizontalen Konflikt befinden, in dem anfänglich bestimmt wird, ob sowohl der x-Abstand als auch y-Abstand kleiner als der geforderte Horizontalabstand sind, und indem nur die Summe der Quadrate des x-Abstandes und des y-Abstandes errechnet werden, wenn sowohl der x-Abstand als auch der y-Abstand einzeln kleiner als der geforderte Horizontalabstand sind.
Eine Technik der Vorhersage von Verletzungen der Flugzeugbeabstandungsstandards in Fällen, in denen die dynamischen Werte des Manövers des Flugzeuges unbekannt sind, wird als die Manöverkonfliktvorhersage (Maneuver Conflict Prediction MANCONP) bezeichnet. Ein Problem bei dieser Technik ist es jedoch, daß sie eine unerwünscht große Anzahl von falschen Vorhersagen bei bestimmten Arten von Flugzeugbegegnungen erzeugt.
Es wäre daher wünschenswert, eine Technik von Vorhersagen von Konflikten zwischen manövrierenden Flugzeugen zu schaffen, welche die obigen Beschränkungen überwindet, welche nicht die Kenntnis der Beschleunigungen oder Ausrichtung des Flugzeuges erfordert und welche nicht zu einer übergroßen Anzahl von falschen Alarmgaben führt. Demgemäß wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur Vorhersage, ob manövrierende Flugzeuge in Abstände geraten, die kleiner als vorgegebene minimale Abstandsstandards sind, geschaffen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren der zuvor eingangsdefinierten Art durch folgende Schritte gekennzeichnet:
Bestimmung einer größten Annäherungsgeschwindigkeit basierend auf einer Vorausgeschwindigkeit sowie einer geringsten Annäherungsgeschwindigkeit der beiden Objekte in einer Systemebene;
Bestimmung einer Annäherungsrate der beiden Objekte in einer dritten Dimension senkrecht zu der Systemebene;
Bestimmung des Abstandes der beiden Objekte in der Systemebene;
Bestimmung des Abstandes der beiden Objekte in der genannten dritten Dimension;
Definieren eines ersten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene geringer als ein Systemebenen-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene größer als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, wobei die Annäherungsgeschwindigkeit die genannte größte Annäherungsgeschwindigkeit ist;
Bestimmung eines zweiten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene kleiner als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene größer als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, wobei die Annäherungsgeschwindigkeit die genannte niedrigste Annäherungsgeschwindigkeit ist;
Bestimmen eines dritten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der dritten Dimension kleiner als ein Drittdimensions-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der dritten Dimension größer als das Drittdimensions-Abstandskriterium wird; und
Anzeigen eines Konfliktes, wenn mindestens die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
es herrscht eine Überlappung zwischen dem dritten Zeitintervall und dem ersten und zweiten Zeitintervall; und
die beiden Objekte konvergieren in der Systemebene und in der dritten Dimension.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Vorhersage von Bahnkurvenkonflikten zwischen mindestens zwei Objekten, von denen mindestens eines relativ zu dem anderen manövriert, geschaffen, wobei die Einrichtung Mittel zur Feststellung enthält, ob ein Abstandskriterium zwischen den mindestens zwei Objekten erfüllt wird, und wobei die Einrichtung durch folgendes gekennzeichnet ist:
Mittel zur Bestimmung einer größten Geschwindigkeit der Annäherung basierend auf einer Vorausgeschwindigkeit, sowie einer niedrigsten Geschwindigkeit der Annäherung der beiden Objekte in einer Systemebene;
Mittel zur Bestimmung einer Annäherungsrate der beiden Objekte in einer dritten Dimension, die senkrecht zu der Systemebene orientiert ist;
Mittel zur Bestimmung des Abstandes der beiden Objekte in der Systemebene;
Mittel zur Bestimmung des Abstandes der beiden Objekte in der genannten dritten Dimension;
Mittel zum Definieren eines ersten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene kleiner als ein Systemebenen-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene größer als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, wobei die Annäherungsgeschwindigkeit die schnellste Annäherungsgeschwindigkeit ist;
Mittel zur Bestimmung eines zweiten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene kleiner als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene größer als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, wobei die Annäherungsgeschwindigkeit die niedrigste Annäherungsgeschwindigkeit ist;
Mittel zur Bestimmung eines dritten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der dritten Dimension kleiner als ein Drittdimensions-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der dritten Dimension größer als das Drittdimensions-Abstandskriterium wird;
Mittel zur Feststellung, ob eine Überlappung zwischen dem dritten Zeitintervall und dem ersten und dem zweiten Intervall vorhanden ist; und
Mittel zur Feststellung, ob die beiden Objekte in der Systemebene und in der dritten Dimension konvergieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Technik zum Vermindern der Zahl von falschen Vorhersagen in einem Luftverkehrs-Kontrollsystem (ATC) durch Verwenden eines änderbaren Konstruktionsparameters und zweier logischer Bedingungen für die Feststellung einer Verletzung eines Minimalabstandsstandards (MSS) geschaffen. Die Bedingungen vermindern wesentlich die Wahrscheinlichkeit einer falschen Vorhersage durch Verkürzen der Warnungszeit, während welcher ein Konfliktalarm (CA) erklärbar oder ausrufbar wird. Durch geeignete Wahl der Größe des Konstruktionsparameters kann in einer gegebenen Luftverkehrssituation ein optimaler Ausgleich zwischen den Längen der Warnungszeiten und der Rate von falschen Vorhersagen erreicht werden. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet eine verfügbare Information zur Begrenzung des Zeitintervalles, während welchem Konfliktvorhersagen gemacht werden, auf Zeiten, zu denen Vorhersagen höchstwahrscheinlich richtig sind. Die Erkenntnis, daß Vorhersagen mit größerer Wahrscheinlichkeit falsch sind, wenn die Warnzeit lang ist, führt bei der Technik gemäß der bevorzug ten Ausführungsform zum Festlegen eines Schwellwerttrennungsabstandes zwischen zwei Flugzeugen. Das Flugzeug muß den Schwellwerttrennungsabstand erreichen, bevor das System eine Konfliktvorhersage liefert (d. h., die Anzeige „Treffers" liefert). Der Schwellwerttrennungsabstand wird als ein modifizierbarer Konstruktionsparameterwert vorgesehen, der so festgesetzt wird, daß er zu der Luftverkehrssituation in einem gegebenen Luftraum (beispielsweise an einem bestimmten Flugplatz) paßt. Des weiteren wird eine Beschränkung auferlegt, welche die Erklärung oder Feststellung eines Konfliktes nur so lange erlaubt, als die Abschätzungen eine zukünftige Verletzung anzeigen.
Die Techniken der vorliegenden Erfindung können in Flugzeug-Kontrollsystemen (beispielsweise das Standard Terminal Automation Replacement System oder STARS) verwirklicht werden, um die Situationsgruppe von vertikal manövrierenden Flugzeugen zu der Klasse von Situationen hinzuzufügen, welche sich für die Konfliktvorhersage eignen. Hierdurch wird die Sicherheitsfunktion des Luftverkehrs-Kontrollsystems erhöht. Die Technik nach der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um bestimmten Anforderungen zu genügen, beispielsweise der Anforderung, daß die Höhenänderungsrate zum Detektieren von Konflikten zwischen manövrierenden Flugzeugen mit verwendet wird.
Die Technik gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf eine Vielfalt von ATC-Systemen einschließlich ziviler und militärischer Luftverkehr-Kontrollsysteme sowie Luftverteidigungssysteme anwendbar, welche normalerweise mit einer bedeutend größeren Prozentzahl von manövrierenden Flugzeugen konfrontiert sind als zivile Luftverkehrs-Kontrollsysteme.
Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In diesen stellen dar:
1 ein Blockschaltbild eines Luftverkehrs-Kontrollsystems nach der Erfindung;
2 eine Grafik, welche die rascheste und die langsamste Annäherung verdeutlicht, welche den horizontalen Abstand gleichzeitig mit einer Verletzung des vertikalen Abstandes verletzen;
3 eine Grafik, welche aufzeigt, daß die Unsicherheit der Startzeit des vorhergesagten Konfliktes abnimmt, wenn die Flugzeuge sich aufeinander zu bewegen;
4 ein Diagramm, das die Systemebenen-Flugbahnen von zwei Flugzeugen aufzeigt, die sich einem Konflikt nähern;
5 ein Diagramm von zwei beispielsweisen Flugbahnen manövrierender Flugzeuge;
6 ein Diagramm, das ein Entgegenkommen oder Entgegenfliegen aufzeigt, zur Prüfung der Technik nach der vorliegenden Erfindung;
7 ein Diagramm, das die Verbesserung der Störalarmwahrscheinlichkeit zeigt;
8 ein Diagramm, das die Verbesserung der Konfliktwamungswahrscheinlichkeit aufzeigt; und
9 und 9A eine Reihe von Flußdiagrammen, welche eine Gruppe von Verarbeitungsschritten darstellen, welche vorgenommen werden, um Information von möglicherweise in Konflikt geratenden Objekten zu verarbeiten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bevor das Luftverkehrs-Kontrollsystem der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, seien einige einführende Konzepte und die Terminologie erläutert. Der Ausdruck „Manöver" oder „manövrieren" wird hier zur Beschreibung eines Flugweges oder einer Bewegung eines Flugzeuges oder anderen Objektes verwendet. Insbesondere „manövriert" ein Objekt oder befindet sich in einem „Manöver" immer dann, wenn das Objekt seine Geschwindigkeit in irgendeiner Dimension ändert. Es sei bemerkt, daß die Geschwindigkeit durch einen Geschwindigkeitswert und eine Richtung definiert ist. Ein Objekt kann also als ein manöverausführend bezeichnet werden, selbst wenn es sich längs einer geraden Flugbahn befindet.
Es sei nun auf 1 Bezug genommen, in welcher ein allgemeiner Überblick festgehalten ist. Ein Luftverkehr-Kontrollsystem 10 enthält ein Radarsystem oder mehrere Radarsysteme 12a bis 12N, welche allgemein mit 12 bezeichnet sind und über Netzwerk 14, das beispielsweise durch ein Netzwerk örtlichen Bereiches (LAN) gebildet sein kann, mit einem automatischen Luftverkehr-Kontrollsystem (ATCA) 16 gekoppelt sind. In dem Falle, in welchem mehrfache Radarsysteme 12 existieren, kann jedes der Radarsysteme 12 an einem unterschiedlichen körperlichen Ort angeordnet sein, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Radarüberdeckung über einen geografischen Bereich zu erzielen, welcher größer als derjenige ist, der durch ein einzelnes der Radarsysteme 12 abgedeckt werden könnte.
Im Betrieb sendet jedes der Radarsysteme 12 Hochfrequenzsignale (RF) in einen vorbestimmten räumlichen Bereich über eine entsprechende der Antennen 18a bis 18N aus, wie allgemein bekannt ist. Anteile der emittierten Hochfrequenzsignale treffen Zielobjekte 20, 22, welche beispielsweise von Flugzeugen gebildet sind, die in dem vorgegebenen räumlichen Bereich fliegen. Diese Anteile der emittierten Hochfrequenzsignale, welche auf die Zielobjekte 20, 22 treffen, werden von den Zielobjekten 20, 22 als Echosignale oder Zielobjektsignale reflektiert, welche von den jeweiligen Radarsystemen empfangen werden.
In einigen Fällen enthalten die Zielobjekte 20, 22 einen Transponder, und das durch das Radarsystem 12 emittierte Hochfrequenzsignal enthält ein sogenanntes Abfragesignal. Das Abfragesignal befragt den Transponder auf dem Zielobjekt 20, 22, und in Abhängigkeit von einem entsprechenden Abfragesignal sendet der Transponder das Antwortsignal von dem Zielobjekt 20, 22 zu dem jeweiligen Radarsystem 12. Demgemäß kann ein erster Teil des Echosignals oder Zielobjektsignals, das von dem jeweiligen der Radarsysteme 12 empfangen wird, einem Anteil des vom Zielobjekt 20, 22 reflektieren Hochfrequenzsignals entsprechen, und ein zweiter Teil des Zielobjektsignals kann einem Antwortsignal entsprechen, das von dem Transponder auf dem Zielobjekt emittiert wird.
Das Radarsystem 12 oder jedes der Radarsysteme 12 speist die Zielobjektdatensignale in das ATCA-System 16 ein. Das ATCA-System 16 enthält einen Prozessor oder mehrere Prozessoren 24a bis 24M, von denen jeder eine bestimmte Funktion erfüllt. Vorliegend ist das ATCA-System 16 in einer Form dargestellt, in welcher es einen Flugdatenprozessor 24a zur Verarbeitung von Flugdatenplänen, welche durch die Flugzeugbesatzung vorgelegt werden, um Routen zu kennzeichnen, einen Steuerpultprozessor 24b, um in geeigneter Weise verarbeitete Informationen zu liefern, welche auf einer Wiedergabeeinrichtung oder mehreren Wiedergabeeinrichtungen 24a bis 24K wiederzugeben sind, einen Radardatenprozessor 24c, welcher Zielobjektdatensignale in bestimmter An verarbeitet, sowie einen Konfliktwarnprozessor (CA) 28M enthält. Der CA-Prozessor 24M enthält einen Manöver-Konfliktwarn-Vorhersageprozessor (MANCONP), der eine zuverlässige Vorhersage von Verletzungen von Mindestabstandsstandards (MSS) liefen, sowie einen Annäherungskonfliktprozessor (PROCON), der eine Konfliktwarnung aufrechterhält, bis die Flugzeuge, für welche eine Warnung erzeugt wurde, zu divergieren beginnen. Der CA-Prozessor 24M enthält auch einen Linear-Konfliktvorhersageprozessor (LINCON) zur Verarbeitung von Daten, die nicht manövrierenden Flugzeugen zuzuordnen sind.
Der Fachmann auf diesem Gebiete erkennt natürlich, daß das ATCA-System 16 auch zusätzliche oder weniger Prozessoren abhängig von dem besonderen Anwendungsfall enthalten kann. Beispielsweise kann es bei bestimmten Ausführungsformen wünschenswert sein, einen einzigen Prozessor zu verwenden, der gleichlaufend oder gleichzeitig alle Funktionen erfüllt, die von dem ATCA-System 16 zu verwirklichen sind.
Die Prozessoren 24 sind über ein Netzwerk 32 mit einem Eingangs-/Ausgangssystem oder mehreren Eingangs-/Ausgangssystem (I/O) 27a bis 27K gekoppelt, welche allgemein mit 27 bezeichnet sind. Es sei das Eingangs-/Ausgangssystem 27a als repräsentativ für die Systeme 27b bis 27K betrachtet. Jedes Eingangs-/Ausgangssystem 27a enthält einen Prozessor und irgendeine andere Hardware und Software, welche nötig sind, um eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) zu schaffen. Jedes Eingangs-/Ausgangssystem enthält eine Wiedergabeeinrichtung oder einen Display 28a, mit welchem ein Eingabegerät 30 gekoppelt werden kann, das beispielsweise als Tastatur und Zeigereinrichtung ausgebildet sein kann, wie dem Fachmann auf diesem Gebiete bestens bekannt ist, wobei diese Geräte eine Schnittstelle mit der grafischen Benutzerschnittstelle (GUI) der Wiedergabeeinrichtung 28 haben können. Der Fachmann erkennt selbstverständlich, daß andere Eingabegeräte ebenfalls verwendet werden können. Die Wiedergabeeinrichtungen 28 können an unterschiedlichen körperlichen Orten gelegen sein.
Unter anderem unterhält und aktualisiert das ATCA-System 16 die Objektdaten, welche ihm zugeführt werden, und unterhält somit die Information über den Ort und die Geschwindigkeit der Objekte, welche durch den Radarsystemanteil des Luftverkehr-Kontrollsystems detektiert und verfolgt werden. Bei der Erfüllung dieser Funktion ordnet das ATCA-System typischerweise jedem verfolgten Zielobjekt eine eindeutige Kennzeichnung oder Bezeichnung zu.
Das Luftverkehrs-Kontrollsystem 10 erzeugt von Zeit zu Zeit Warnungen, welche anzeigen, daß ein Objekt oder mehrere Objekte eine Annäherung haben oder körperlich näher sind als ein erlaubter Minimalabstandsstandard (MSS). Wenn die Objekte manö vrieren, dann kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorhersage gemacht werden, ob eine Verletzung der Abstandsstandards auftreten wird. Die Situation, in welcher Flugzeuge in der Nähe manövrieren, tritt im Allgemeinen um Flugzeug-Startbereiche und -Landebereiche, beispielsweise an Flughäfen und in Bereichen der Radar-Endanflugsteuerung (TRACON) auf.
Das Luftverkehr-Kontrollsystem 10 verfolgt eine Mehrzahl von Objekten, wobei hier zwei Objekte 20, 22 zur Vereinfachung und Erleichterung der Beschreibung gezeigt sind. Die beiden Objekte 20 und 22, welche in der Nähe voneinander fliegen, bilden ein Objektpaar 23. Mindestens eines der beiden Flugzeuge im Objektpaar 23 manövriert und verhindert dadurch eine zuverlässige Vorhersage einer Verletzung der Flug-Abstandsstandards unter Verwendung herkömmlicher Techniken. In diesem Falle liefern die Verarbeitungsschritte, welche durch den Konfliktalarmprozessor (CA) 24M ausgeführt werden, eine zuverlässige Vorhersagung von Verletzung der Minimalabstandsstandards (MSS).
Der MANCONP-Prozessor errechnet einen zusammengesetzten Flugweg für die Objekte 20 und 22 und sagt Verletzungen von Flugzeug-Abstandsstandards in Fällen voraus, in welchen die dynamischen Werte der Flugzeugmanöver unbekannt sind. Eine bestimmte Art und Weise, in welcher die Vorhersage von Verletzungen von Flugzeug-Abstandsstandards mit verhältnismäßig wenigen falschen Vorhersagen gemacht werden kann, wird nachfolgend im Einzelnen in Verbindung mit den 2 bis 9A beschrieben.
Es genügt hier die Feststellung, daß, da die Verfolgungsfunktion herkömmlicher ATC-Systeme keine Abschätzung von Beschleunigungen und Drehraten oder Wendegeschwindigkeiten vornimmt, es nicht möglich ist, Konflikte zwischen manövrierenden Flugzeugen mit derselben Genauigkeit wie für nicht manövrierende Flugzeuge vorherzusagen.
Es wurde jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung erkannt, das es möglich ist, die Startzeit einer Horizontalverletzung in ein Zeitintervall zu setzen, das durch die früheste und die späteste Zeit begrenzt ist, in welcher eine solche Verletzung von minimalen Abstandsstandards beginnen könnte. Die früheste Zeit erhält man durch Annahme der schnellstmöglichen Annäherung, welche beispielsweise auftreten würde, wenn zwei Flugzeuge unter Voraussetzung ihrer gegenwärtigen abgeschätzten Geschwindigkeiten unmittelbar aufeinander zu flögen. Die späteste Zeit erhält man durch die Annahme der langsamst möglichen Annäherung, wenn der Abstand zwischen den Flugzeugen bei der Annäherungsgeschwindigkeit abnimmt (Annäherungsgeschwindigkeit ist die Rate, mit welcher der Abstand zwischen den Flugzeugen sich ändert). Es sei bemerkt, das die Annäherungsgeschwindigkeit kleiner als die Größe der relativen Geschwindigkeit (Unterschied zwischen den Geschwindigkeiten der beiden Flugzeuge) ist. Zusammen mit der frühesten Startzeit und der spätesten Startzeit werden auch die entsprechenden Endzeiten berechnet. Die beiden Paare von Start- und Endzeiten definieren die beiden Intervalle, während welchen die raschesten Annäherungen und die langsamsten Annäherungen jeweils eine Verletzung oder einen Verstoß bewirken. Wenn beide Intervalle einander überlappen und sie auch das Intervall überlappen, während welchem die Flugzeugpaare sich im Zustand einer Vertikalverletzung befinden, existiert eine Möglichkeit für einen Konflikt und es ist ein „Treffer" festzustellen oder einzutragen. (Drei von fünf aufeinanderfolgende „Treffer" sind notwendig, um eine Konfliktwarnung für einen Luftverkehrskontroller darzustellen.)
Es sei nun auf 2 Bezug genommen. Das Diagramm von 2 zeigt die Überlappungsintervalle als schraffierte Rechtecke. Bei einer Ausführungsform, bei welcher eine erhöhte Wahrscheinlichkeit einer richtigen Vorhersage notwendig ist, wird, wenn die drei Intervalle sich nicht in irgendeiner gemeinsamen Überlappungszeit teilen, kein „Treffer" aufgezeichnet. Selbst wenn das Intervall für die schnellste Annäherung und die langsamste Annäherung jeweils einen Teil des Intervalls für die vertikale Verletzung überlappen, sie jedoch einander nicht überlappen, ist kein „Treffer" festzustellen. Die abgeschätzte Dauer des Konfliktes ist gleich einem Intervall, während welchem sich die drei rechteckigen Streifen überlappen. In 2 liegt dieses Intervall zwischen t_s1 und t_z2, wobei der Start zu einer Zeit ist, die um einen unbekannten Betrag später als die echte Zeit ist, wobei der Betrag nicht den Unterschied zwischen t_s1 und t_z1 überschreitet. Dieser unbekannte Betrag nimmt jedoch ab, wenn die Startzeit nachfolgend neu eingeschätzt wird.
Der MANCONP-Prozessor 24M errechnet periodisch die schnellste und die langsamste Annäherung neu, was in einer Repositionierung der Rechteckstreifen relativ zueinander resultiert. An der Schwelle eines tatsächlichen Konfliktes (, wenn die Flugzeuge voneinander durch den minimalen Abstandsstandard getrennt sind,) werden die Starzeiten für die langsamste Horizontalannäherung und die schnellste Horizontalannäherung gleich (t_f1 = t_s1). Auf dem Wege, während welchem sich die Flugzeuge diesem Schwellwert annähern, wird der Unterschied zwischen t_f1 und t_s1 schmäler, was die Unsicherheit bezüglich der Startzeit vermindert. Wenn beispielsweise auf diesem Wege t_z1 kleiner als t_f1 wird, dann wird die Unsicherheit durch die verminderte Differenz zwischen t_s1 und t_f1 (siehe 3) begrenzt. Wenn t_z1 größer als t_s1 wird, dann wird die Startzeit als t_z1 geschätzt.
Es sei nun 4 betrachtet. Hier ist ein Diagramm gezeigt, welches das Verfahren zur Abschntzung einer Annäherungsgeschwindigkeit verdeutlicht. Wenn eine Abschätzung der Annäherungsgeschwindigkeit errechnet wird, dann sollten die Geschwindigkeitsabschätzungen der Verfolgungseinrichtung während eines Manövers nicht von dem Algorithmus verwendet werden, da sie nicht zuverlässig sind. Vielmehr kann eine Annäherungsgeschwindigkeit dadurch erhalten werden, daß die Geschwindigkeit errechnet wird, mit welcher sich der Abstand zwischen den Flugzeugen verkleinert. Da normalerweise ein Radar nicht die Positionen von zwei bestimmten Flugzeugen gleichzeitig mißt, muß die Position eines der Flugzeuge durch Interpolation in zeitlichem Zusammenfall m t der Beobachtung des anderen Flugzeuges ermittelt werden.
Die Interpolation sollte vorzugsweise in der sogenannten Systemebene zwischen den Positionen stattfinden, die durch das bevorzugte Radar bestimmt werden. Wenn die Flugzeugpositionen für die Kontroller auf einer ebenen Oberfläche dargestellt werden, so ist es notwendig, die Flugzeugpositionen auf eine Ebene zu projizieren, welche als Systemebene bezeichnet wird. Die Systemebene entspricht somit einer Ebene, welche die stereografischen Projektionen der Positionen sämtlicher Flugzeuge in dem abgedeckten Luftraum enthält.
Zwar wäre es genauer, in Radarkoordinaten (Schrägentfernung und Azimut) zu interpolieren, doch wäre die Interpolation nicht möglich, wenn aufeinanderfolgende Messungen von zwei unterschiedlichen Radarsystemen gemacht würden, da sich die Flugzeuge über mosaikartige Grenzen mit unterschiedlichen bevorzugten Radarsystemen in benachbarten Bereichen bewegen. Eine Interpolation zwischen Systemebenenpositionen von mehrfachen Radarsystemen in demselben Mosaikelement sollte auch vermieden werden, da sie unterschiedliche stereografische Projektionsvorspannungen enthalten. Es sei bemerkt, das in einigen bevorzugten Ausführungsformen die Interpolation auch zwischen von den Verfolgungseinrichtungen abgeschätzten Positionen (a.k.a. geglättet) anstatt zwischen den vom Radarsystem gemeldeten Positionen durchgeführt werden kann.
Die Fähigkeit des MANCONP-Prozessors zur Vorhersage von Verletzungen der Abstandsstandards muß gegenüber der Notwendigkeit, falsche Vorhersagen, auch Falschalarm genannt, zu vermeiden, abgeglichen werden. Eine richtige Vorhersage ist eine solche, welche ordnungsgemäß im Voraus einschätzt. daß zwei sich aneinander annähernde Flugzeuge um weniger als ein zulässiger Minimalabstandsstandard (MSS) beabstandet sein werden. Wenn der Minimalabstandsstandard nicht verletzt wird, dann sollte im Idealfall kein Alarm abgegeben werden. Wenn jedoch der Minimalabstand sich nahe an den Minimalabstandsstandardwert annähert, ist es nicht möglich, präzise vorherzusagen, ob der Minimalabstandsstandard verletzt wird oder nicht, da die vorhergesagten Abstände manövrierender Flugzeuge nicht exakt berechnet werden können. Aus diesem Grunde kann der MANCONP-Prozessor 24 die „Treffer" in bestimmten Situationen melden oder eintragen, in welchen der Minimalabstand um einen endlichen Betrag größer als der zulässige Minimalabstand ist. Das Ziel des Konstrukteurs ist, die Anzahl von falschen Treffermeldungen oder Treffern herabzusetzen. Die unten beschriebene Modi fikation erreicht dieses Ziel durch Verwendung von zwei Punkten der verfügbaren Information.
Der erste Punkt oder Gegenstand der Information besteht darin, daß der Algorithmus beendet werden kann, wenn eine Verletzung des minimalen Abstandsstandards, sei es richtig oder nicht richtig, als geschehen abgeschätzt worden ist, da die Zeit zum Treffen von Vorhersagen verstrichen ist. Der MANCONP-Prozessor kann diese Bedingung durch die Tatsache identifizieren, daß nach einer Berechnung, daß eine Verletzung aufgetreten ist, die Zeit bis zur Verletzung negativ wird. Aus diesem Grund trägt der MANCONP-Prozessor keinen „Treffer" ein, wenn t_s1 und t_f1 und t_y1 links vom Ursprung des Diagramms von 3 liegen. Diese Einschränkung beendet die Verarbeitung von „Treffern" und bewirkt eine eilige Abschaltung eines Störungsalarms. Wenn die Konfliktvorhersage richtig war, dann können „Treffer" oder Treffermeldungen durch den MANCONP-Prozessor 24M immer noch abgeschaltet werden, da der Annäherungskonfliktprozessor (PROCON) damit fortfährt, die Warnung aufrecht zu erhalten, bis die Flugzeuge zu divergieren beginnen.
Der zweite Informationspunkt besteht darin, daß der MANCONP-Prozessor mit größerer Wahrscheinlichkeit einen falschen „Treffer" einträgt oder meldet, wenn die Vorhersagezeit lange ist. Aus diesem Grund können viele falsche „Treffer" vermieden werden, indem mit der Eintragung oder Meldung von „Treffern" abgewartet wird, bis der Abstand der Flugzeuge näher an dem Minimalabstandsstandard MSS liegt. Dies geschieht durch Definieren einen Abstandsschwellwertes, jenseits welchem keine „Treffer" eingetragen oder gemeldet werden. Dieser Schwellwert wird durch Addieren einer Konstanten (Konstruktionsparameter) zu dem MSS-Wert definiert. Wenn beispielsweise die Konstante „A" ist, dann werden keine „Treffer" gemeldet oder eingetragen, so lange die Flugzeuge um mehr als A + MSS beabstandet sind.
Die Prüfung repräsentativer Bahnkurven manövrierender Flugzeuge in idealer störungsfreier Umgebung bestätigte, daß anfänglich nicht in einem potentiellen Konflikt befindliche Objekte nicht die Bedingungen erfüllen, die zur Eintragung oder Meldung eines „Treffers" notwendig sind, daß jedoch, wenn sich die Objekte aufeinander zudrehen und eine gefährliche Situation schaffen, die Verletzungsintervalle sich aufeinander zubewegen und überlappen, wodurch die Bedingungen zur Abgabe einer Konfliktwarnung mit endlicher Warnungszeit geschaffen werden, d. h. bevor eine tatsächliche Verletzung von Abstandsstandards stattfindet. Die Flugwege, welche untersucht wurden, sind allgemein in 5 gezeigt und ihre Bewegungsparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 eingetragen.
In allen Fällen beginnen die Objekte ihren jeweiligen Flug auf horizontalen, geraden, parallelen Wegen, wodurch kein Horizontalkonflikt erzeugt wird, sowie in getrennten Höhen, so daß kein Vertikalkonflikt entsteht. In der in 5 mit A bezeichneten Konfiguration beginnen dann beide Objekte mit einer Drehung und nähern sich aneinander an. In der in 5 mit B bezeichneten Konfiguration dreht sich nur ein Objekt in Richtung auf das andere, während das andere Objekt geradlinig weiterfliegt. In allen Fällen sinkt das eine Objekt und das andere Objekt steigt mit konstanter Geschwindigkeit. Die horizontalen und vertikalen Abstandsstandards wurden auf 3 nautische Meilen bzw. 1000 Fuß eingestellt. Insgesamt wurden vier Fälle untersucht, von welchen drei so ausgewählt waren, daß sie in einem Konflikt resultierten. Die Abtastungsperiode des Radars wurde zu 5 Sekunden angenommen.
Tabelle 1: Bewegungscharakteristiken eines Flugzeugpaares
Die Fälle 1 und 2 bei einem Flug in der Konfiguration, wie sie in 5 mit A bezeichnet ist, waren so ausgestaltet, daß sie eine schnelle bzw. eine langsame Annäherung repräsentierten, wobei die langsamere Annäherung in einer längeren Warnungszeit resultierte. Im Falle 1 begann der Konflikt 30 Sekunden nach dem Beginn des Drehens der Objekte und der erste „Treffer" wurde 10 Sekunden nach dem Einsetzen der Drehungen gemeldet, was das Äquivalent zu zwei Abtastungen ist. Dies ist eine sehr kurze Zeit, wenn man berücksichtigt, daß bei einem herkömmlichen Luftverkehrs-Kontrollsystem, beispielsweise einem STARS-System es zwei bis drei Abtastungen dauern kann, um ein Manöver zu detektieren, was bedeutet, daß dann, wenn das Konfliktwarnungs-Verarbeitungsverfahren nur aufgerufen werden kann, nachdem ein Manöver entdeckt worden ist, die Warnungszeit kürzer wäre. Aus diesem Grund kann die Konfliktwarnungs-Verabeitungstechnik der vorliegenden Erfindung für alle nicht divergierenden Objektpaare berechnet werden, wobei die Verarbeitungstechniken für die Verfolgung und für die Konfliktwarnung gleichzeitig laufen und für das Ergebnis die früheste Warnzeit unter den Zeiten verwendet wird, die von sämtlichen Verfahren berechnet werden. Dieser Lösungsansatz beseitigt irgendwelche weiteren Verzögerungen bei der Eintragung eines „Treffers", wenn ein Manöver beginnt, und liefert die Konfliktwarnungsfunktion mit einem nahtlosen Übergang zwischen den Flugzeug-Flugwegsegmenten ohne Manöver und mit Manöver.
Im Falle 2 war der anfängliche Abstand größer und die Annäherung langsamer, was eine erste Treffermeldung 49 Sekunden vor dem Konflikt ergab. Die Fälle 3 und 4 sind in der Darstellung in 5 durch einen Flug in der durch B bezeichneten Konfiguration gekennzeichnet. Im Falle 3 waren die Objekte anfänglich weit genug auseinander gelegen, um einen Konflikt auszuschließen, und es wurde kein „Treffer" gemeldet. Im Falle 4 bewegten sich die Objekte näher beieinander, wobei ein „Treffer" 44 Sekunden vor dem Konflikt gemeldet wurde.
Tabelle 2: Versuchsergebnisse
Begegnungen mit minimalen Abständen nahe an dem minimalen Abstandsstandard können Störalarmgaben erzeugen. Diese Bedingung ist in der Konfiguration C gegeben, welche in 6 gezeigt ist. In den Fällen 5 und 6 (in Tabelle 3 aufgeführt) einer solchen Begegnung ist der minimale Abstand 2,7 nautische Meilen und die durchgeführte Verarbeitung, welche von dem MANCONP-Prozessor ausgeführt wird, wird für einen MSS-Standardwert von 1,2 nautischen Meilen geprüft, was bedeutet, daß im Idealfall keine Konfliktwarnung abgegeben werden sollte.
Tabelle 3: Bewegungscharakteristiken eines Flugzeugpaares in Konfiguration C
Zur Errechnung der Störalarmwahrscheinlichkeit wurde jeder der Flugwege in diesen beiden Fällen (d. h., Fälle 5 und 6) 1000 Mal mit simulierten störungsbehafteten ASR-9-Zielobjektmessungen wiederholt (d. h., Zielobjektmessungen, welche die Meßstörungscharakteristiken eines ASR-9-Radarsystems simulieren). Es sei bemerkt, daß die Simulation durch Verwendung eines Zufallszahlgenerators erfolgte, um die Zufallsstörung zu erzeugen, welche sich zu den echten Positionen des Objektes addiert. Durch Wiederholen eines Flugweges eines Flugzeugs 1000 Mal mit jeweils unterschiedlicher zufälliger Störung bei jeder Wiederholung erhält man eine statistische Probe.
Die in solcher Weise wiederholten Flugwege in den beiden Fällen und die Verfolgungspositionen und die Geschwindigkeitsdaten wurden dann an den MANCONP-Prozessor geliefert. Die Anzahl von Warnungen wurden darauf gezählt, um die Störalarmwahrscheinlichkeit zu errechnen. Im Fall 5 umfaßte die Verarbeitungstechnik, welche durch den MANCONP-Prozessor durchgeführt wurde, die Maßnahmen zum Reduzieren der Zahl von falschen Alarmgaben, während dies im Fall 6 nicht zutraf. Die Ergebnisse der Simulation sind in 7 dargestellt.
Es sei nun auf 7 Bezug genommen. Hier ist der Vergleich zwischen den Fällen gezeigt, bei denen die Verarbeitungstechnik, welche durch den MANCONP-Prozessor durchgeführt wird und die Technik zur Verminderung der falschen Vorhersagen umfaßt, – als modifiziertes MANCONP-Verarbeiten bezeichnet (Fall 5) – und dem Fall, bei welchem die Verarbeitungstechnik dies nicht enthielt (Fall 6). Eine Betrachtung von 7 zeigt eine bedeutende Verbesserung bezüglich der Störalarmwahrscheinlichkeit auf. Mit der Modifikation traten Störalarmgaben weniger als die Hälfte von Malen über eine kurze Periode, welche weniger als 14 Sekunden dauerte, auf. Die Verarbeitungstechnik ohne die Modifikation erklärte einen Störungsalarm bedeutend eher (52 Sekunden eher) und mit höherer Wahrscheinlichkeit (96 Prozent). Die Modifikation erreicht eine niedrigere Störungsalarmrate durch Nichtverarbeitung irgendwelcher „Treffer" bevor der Abstand zwischen den Flugzeugen 3,6 nautische Meilen beträgt, was einem Schwellenwert von 2,4 nautischen Meilen über dem minimalen Ab standsstandard von 1,2 nautischen Meilen entspricht. Die Verwendung dieses Schwellwertes verzögert die Zeit, zu welcher eine echte Warnung abgebbar wird und verkürzt so die Warnungszeit.
Es sei nun auf 8 Bezug genommen, in welcher ein Vergleich zwischen den Konfliktwarnungswahrscheinlichkeiten gezeigt ist, welche aus der Verwendung der MANCONP-Verarbeitung mit Modifikation (Fall 7) und ohne Modifikation (Fall 8) resultieren. In diesen Fällen war der Minimalabstand 0,5 nautische Meilen, was beachtlich unter dem minimalen Abstandsstandard liegt. Der modifizierte Algorithmus erklärte eine Warnung 6,5 Sekunden vor der Verletzung, jedoch 38 Sekunden nach Meldung der Warnung durch den ursprünglichen Algorithmus. Dieses Ergebnis demonstriert den empfindlichen Abgleich zwischen der Konfliktwarnungs-Alarmzeit und der Störungsalarmwahrscheinlichkeit. Die Warnzeit kann durch Anheben des Abstandsschwellwertes über 2,4 nautische Meilen verlängert werden, jedoch auf Kosten von mehr Störalarmgaben. Der Optimalwert dieses Schwellwertes kann nur nach ausgedehnten praktischen Prüfungen bestimmt werden, da er mindestens teilweise von der An der Manöver abhängt, die in der Betriebsumgebung vorherrschen. Ein positives Nebenprodukt der Modifikation ist es, daß der Alarm eher ausgeschaltet wird, im vorliegenden Vergleich 9,5 Sekunden eher. Im Idealfall sollte ein Alarm abgeschaltet werden, sobald die Flugzeuge zu divergieren beginnen.
Die 9 und 9A zeigen eine Folge von Flußdiagrammen, welche die Verarbeitung aufzeigen, welche durch den CA-Prozessor 24M, der als Teil des automatischen Luftverkehrs-Kontrollsystems 10 (1) vorgesehen ist, um Konflikte zwischen manövrierenden Objekten oder Zielen vorherzusagen. Die rechteckigen Blocksymbole (beispielsweise Blockelement 80 nach 9), die hier als „Verarbeitungsblöcke" zu betrachten sind, repräsentieren Rechnersoftwarebefehle oder Gruppen von Befehlen. Die rautenföimigen Blocksymbole (beispielsweise Element 98 von 9A), welche hier als „Entscheidungsblöcke" bezeichnet sind, repräsentieren Rechnersoftwarebefehle oder Gruppen von Befehlen, welche die Durchführung der Rechnersoftwarebefehle beeinflussen, die durch die Verarbeitungsblöcke repräsentiert werden.
Alternativ repräsentieren die Verarbeitungsblöcke und Entscheidungsblöcke Schritte, welche durch funktionell äquivalente Schaltkreise durchgeführt werden, etwa durch eine digitale Signalverarbeitungsschaltung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Die Flußdiagramme zeigen nicht die Syntax irgendeiner besonderen Programmiersprache auf. Vielmehr illustrieren die Flußdiagramme die funktionelle Information, welche der Fachmann benötigt, um Schaltkreise herzustellen oder Rechnersoftware zu erzeugen, welche zur Durchführung der Verarbeitung dient, die besondere Einrichtungen erfordert. Es sei bemerkt, daß viele Programmroutinelemente, beispielsweise die Initialisierung von Schleifen und von Variablen und die Verwendung von temporären Variablen, nicht gezeigt sind. Der Fachmann erkennt, daß, soweit hier nicht anders angegeben, die beschriebene besondere Folge von Schritten nur beispielsweise gewählt ist und variiert werden kann, ohne daß der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.
Tabelle A-1, welche unten angegeben ist, führt die Zielobjektattribute und die Abstandsstandards auf, welche bei der Verarbeitungstechnik verwendet werden, um Konflikte zwischen manövrierenden Objekten oder Zielen vorherzusagen. Es sei angemerkt, daß die besondere praktische Ausführung der Technik nach der vorliegenden Erfindung, wie sie unten beschrieben wird, nur zu Instruktionszwecken dienen soll und nicht in begrenzendem Sinne zu verstehen ist. Man erkennt, daß das selbe Konzept im Einzelnen in einer Vielfalt unterschiedlicher Weisen im Einzelnen verwirklicht werden kann, wobei eine Vielfalt unterschiedlicher Techniken eingesetzt wird.
Tabelle A-1: Definition von Zielattributen
Man betrachtet nun die 9 und 9A. Die Verarbeitung zur Gewinnung einer Konfliktvorhersage beginnt mit dem Schritt der Gewinnung der Positionen der Zielobjekte, der Höhen und der Zeiten der gegenwärtigen (n-ten) und der vorausgehenden ((n-1)-ten) Abtastungen. Die Verarbeitung schreitet dann zu dem Schritt 82 fort, in welchem Inkremente der Positionen der Zielobjekte in der Systemebene und der Höhen errechnet werden zu: [ΔX1, ΔY1, ΔZ1]T = [X1,n – X1,n–1 – Y1,n – Y1,n–1, Z1,n – Z1,n–1]T [ΔX2, ΔY2, ΔZ2]T = [X2,n – X2,n–1, Y2,n – Y2,n–1, Z2,n – Z2,n–1]T
Die Verarbeitung schreitet dann zu dem Schritt 84 fort, in welchem die Positionen und Höhen der Zielobjekte synchronisiert werden. Die Synchronisation kann folgendermaßen errechnet werden: Wenn (t_1,n–1 < t_2,n < t_1,n) (siehe 4)
dann definiere einen Wert k folgendermaßen: k = (t2,n – t1,n–1)/(t1,n – t1,n–1)und rechne [X1i,n, Y1i,n, Z1i,n]T = [X1,n–1, Y1,n–1, Z1,n–1]T + k[ΔX1, ΔY1, ΔZ1]T [X2i,n, Y2i,n, Z2i,n]T = [X2,n, Y2i,n, Z2i,n]T ti,n = t2,n
Anderenfalls definiere den Wert k folgendermaßen: k = (t1,n – t2,n–1)/(t2,n – t2,n–1)und rechne [X2i,n, Y2i,n, Z2i,n]T = [X2,n–1, Y2,n–1, Z2,n–1]T + k[ΔX2, ΔY2, ΔZ2]T [X1i,n, Y1i,n, Z1i,n]T = [X1,n, Y1,n, Z1,n]T ti,n = t1,n
Die Schritte 80 bis 84 können kollektiv als ein Interpolationsschritt bezeichnet werden. Die Verarbeitung schreitet dann zu dem Schritt 86 fort, in welchem die horizontalen und vertikalen Abstände folgendermaßen berechnet werden: [ΔX12,n, ΔY12,n, ΔZ12,n]T = [X1i,n – X2i,n, Y1i,n – Y2i,n, Z1i,n, – Z2i,n]T,worin der Horizontalabstand folgendem entspricht: Rh,n = [(ΔX12,n)2 + (ΔY12,n)2]1,2 (siehe 4) und der vertikale Abstand folgendem entspricht: Rv,n = |ΔZ12,n|
Als nächstes schreitet die Verarbeitung zu dem Schritt 88 fort, wo die Konvergenzfaktoren berechnet werden. Der horizontale Konvergenzfaktor kann folgendermaßen berechnet werden: Ch,n = (Rh,n – Rh,n–1)/(ti,n – ti,n–1)
Wenn der horizontale Konvergenzfaktor negativ ist, dann konvergieren die Ziele horizontal. Wenn der horizontale Konvergenzfaktor nicht negativ ist, dann kann die Verarbeitung enden.
Wenn der horizontale Konvergenzfaktor negativ ist, dann wird als nächstes der vertikale Konvergenzfaktor berechnet. Der vertikale Konvergenzfaktor kann folgendermaßen berechnet werden:
Wenn der Wert ΔZ_12,n ≥ 0,
dann C_v,n = V_z1,n – V_z2,n.
Wenn der Wert ΔZ_12,n < 0,
dann C_v,n = V_z2,n – V_v,n.
Wenn der vertikale Konvergenzfaktor negativ ist, dann konvergieren die Objekte oder Zielobjekte vertikal. Wenn der vertikale Konvergenzfaktor nicht negativ ist, dann kann die Verarbeitung enden.
Die Verarbeitung schreitet dann zu dem Schritt 90 fort, in welchem die relative Geschwindigkeiten zwischen den zwei Flugzeugen berechnet werden. Die relativen Geschwindigkeiten können folgendermaßen errechnet werden:
Die Annäherungsgeschwindigkeit sei als S₃ = –C_h definiert und die Geschwindigkeit aufeinander zu sei als S_f = S₁ + S₂ definiert. Die vertikale Relativigeschwindigkeit kann berechnet werden zu Sz = |V_z1 – V_z2|.
Im Schritt 92 werden die Verletzungsintervalle errechnet. Eine vertikale Verletzung kann errechnet werden aus: tz = –Rv/Cv and τz = Dv/Sz.
Die Startzeit der vertikalen Verletzung kann errechnet werden zu t_z1 = t_z – τ_z, während die Endezeit der vertikalen Verletzung errechnet werden kann zu t_z2 = t_z + τ_z.
Die früheste horizontale Verletzung kann aus t_f = R_h/S_f und τ_f = D_h/S_f errechnet werden, mit einer Startzeit der Verletzung entsprechend t_f1 = t_f – τ_f und einer Endzeit der Verletzung entsprechend t_f2 = t_f + τ_f.
In ähnlicher Weise kann die späteste Horizontalverletzung errechnet werden aus t_s = R_h/S₃ und τ_s = D_h/S₃ mit einer Startzeit der Verletzung entsprechend t_s1 = t_s – τ_s und einer Endzeit der Verletzung entsprechend t_s2 = t_s + τ_s.
Die Verarbeitungsschritte 98 bis 102 bestimmen zusammen, ob die Bedingungen für einen „Treffer" gegeben sind. Betrachtet man augenblicklich die 2 und 3, so sieht man, daß diese Bestimmung durch Identifizieren eines Bereiches gemacht werden kann, in welchem sämtliche drei Streifen oder Balken gleichzeitig existieren.
Dies kann mathematisch folgendermaßen ausgedrückt werden:
Wenn (t_f2 > t_z1 und t_f1 < t_z2 und t_s2 > t_z1 und t_s1 < t_z2 und t_s2 > t_f1 und t_s1 < t_f2 und (t_s1 > 0 oder t_z1 > 0) und R_h < D_h + T_h), dann melde einen „Treffer", wie im Verarbeitungsblock 104 angegeben.
Die abgeschätzte Startzeit einer Verletzung kann ausgedrückt werden als T_s = max{t_f1, t_s1, t_z1} und die abgeschätzte Endzeit der Verletzung kann ausgedrückt werden als T_c = min{t_f2, t_s2, t_z2}.
Wenn die obigen Kriterien nicht erfüllt sind, dann ist kein „Treffer" vorhanden. Unabhängig davon, ob ein Treffer vorhanden ist oder nicht, schreitet die Verarbeitung dann zu dem Schritt 106 zur Weiterverarbeitung fort. Die Verarbeitung endet dann wie dargestellt.
Nach der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ergibt es sich für den Fachmann, daß andere Ausführngsformen, welche die entsprechenden Konzepte beinhalten, gewählt werden können. Es ist daher in Betracht zu ziehen, daß diese Ausführungsformen nicht sich auf die hier offenbarten Formen beschränken, sondern nur als durch die anliegenden Ansprüche beschränkt anzusehen sind.

Claims

Verfahren zur Vorhersage von Bahnkurvenkonflikten zwischen mindestens zwei Objekten, von denen mindestens eines relativ zu dem anderen manövriert, wobei das Verfahren die Feststellung umfaßt, ob ein Kriterium für die Trennung zwischen den mindestens zwei Objekten erfüllt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Bestimmung (90) einer größten Annäherungsgeschwindigkeit basierend auf einer Vorausgeschwindigkeit sowie einer geringsten Annäherungsgeschwindigkeit der beiden Objekte in einer Systemebene; Bestimmung (90) einer Annäherungsrate der beiden Objekte in einer dritten Dimension senkrecht zu der Systemebene; Bestimmung (86) des Abstandes der beiden Objekte in der Systemebene; Bestimmung (86} des Abstandes der beiden Objekte in der genannten dritten Dimension; Definieren (94) eines ersten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit (t_f1), zu welcher der Abstand in der Systemebene geringer als ein Systemebenen-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit (t_f2), zu welcher der Abstand in der Systemebene größer als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, wobei die Annäherungsgeschwindigkeit die genannte größte Annäherungsgeschwindigkeit ist; Bestimmung (96) eines zweiten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit (t_s1), zu welcher der Abstand in der Systemebene kleiner als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit (t_s2), zu welcher der Abstand in der Systemebene größer als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, wobei die An näherungsgeschwindigkeit die genannte niedrigste Annäherungsgeschwindigkeit ist; Bestimmen eines dritten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit (t_z1), zu welcher der Abstand in der dritten Dimension kleiner als ein Drittdimensions-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit (t_z2), zu welcher der Abstand in der dritten Dimension größer als das Drittdimensions-Abstandskriterium wird; und Anzeigen (104) eines Konfliktes, wenn mindestens die folgenden Bedingungen erfüllt sind: es herrscht eine Überlappung zwischen dem dritten Zeitintervall und dem ersten und zweiten Zeitintervall; und die beiden Objekte konvergieren in der Systemebene und in der dritten Dimension.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Feststellen, ob die mindestens zwei Objekte konvergieren, durch folgende Schritte: Interpolieren (84) der Positionen in der Systemebene und der Höhen in der dritten Dimension, der mindestens zwei Objekte; Errechnen (86) der Abstände in der Systemebene und der dritten Dimension; Errechnen (88) von Konvergenzfaktoren für die mindestens zwei Objekte; Errechnen (90) von Relativgeschwindigkeiten der mindestens zwei Objekte; Durchführen (98) einer Intervallüberlappungsprüfung; und Bestimmen, ob die Startzeiten (t_s1, t_z1) der zweiten und dritten Intervalle zukünftige Zeiten sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Interpolierens der Positionen und Höhen der mindestens zwei Objekte folgende Schritte umfaßt: Wiederholtes Abtasten der mindestens zwei Objekte zur Gewinnung ihrer Positionen und Höhen; Auffinden (80) der Positionen, Höhen und der Zeit der gegenwärtigen und vorausgehenden Abtastungen der mindestens zwei Objekte; Errechnen (82) der Änderungsschritte in den Positionen in der Systemebene und in den Höhen der mindestens zwei Objekte; und Bestimmen (84) von synchronen Positionen und Höhen der mindestens zwei Objekte.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Errechnens des Abstandes in der Systemebene und in der dritten Dimension folgende Schritte umfaßt: Errechnen des Systemebenenabstandes zu Rh,n = [ΔX12,n)2 + (ΔY12,n)2]1/2; undErrechnen des Abstandes in der dritten Dimension zu Rv,n = |ΔZ12,n|,worin die Positionen der beiden Objekte durch die aufeinander senkrecht stehenden X- und Y-Dimensionen in der Systemebene bestimmt sind und ΔX_12,n und ΔY_12,n jeweils die Differenzen zwischen den Koordinaten in der X-Dimension und den Koordinaten in der Y-Dimension der beiden Objekte sind und ΔZ_12,n die Differenz zwischen den Höhen der beiden Objekte ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Errechnens der relativen Geschwindigkeiten der mindestens zwei Objekte folgende Schritte umfaßt: Errechnen einer niedrigsten Annäherungsgeschwindigkeit als die Änderungsrate des Abstandes in der Systemebene; Errechnen einer Vorausgeschwindigkeit; und Errechnen einer relativen Vertikalgeschwindigkeit.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch die Schritte des Bestimmens (100), ob der Abstand der beiden Objekte in der Systemebene weniger als die Summe des Systemebenen-Abstandskriterium und eines Schwellwertabstandes ist, und des Anzeigens (104) eines Konfliktes nur dann, wenn mindestens die folgenden Bedingungen erfüllt sind: es besteht eine Überlappung zwischen dem dritten Zeitintervall und dem ersten und zweiten Zeitintervall; die beiden Objekte konvergieren in der Systemebene und in der dritten Dimension; und der Abstand der beiden Objekte in der Systemebene ist weniger als die Summe des Systemebenen-Abstandskriteriums und des genannten Schwellwertabstandes.
Einrichtung zur Vorhersage von Bahnkurvenkonflikten zwischen mindestens zwei Objekten, von denen mindestens eines relativ zu dem anderen manövriert, wobei die Einrichtung Mittel zur Feststellung enthält, ob ein Abstandskriterium zwischen den mindestens zwei Objekten erfüllt wird, gekennzeichnet durch: Mittel (90) zur Bestimmung einer größten Geschwindigkeit der Annäherung basierend auf einer Vorausgeschwindigkeit, sowie einer niedrigsten Geschwindigkeit der Annäherung der beiden Objekte in einer Systemebene; Mittel (90) zur Bestimmung einer Annäherungsrate der beiden Objekte in einer dritten Dimension, die senkrecht zu der Systemebene orientiert ist; Mittel (86) zur Bestimmung des Abstandes der beiden Objekte in der Systemebene; Mittel (86) zur Bestimmung des Abstandes der beiden Objekte in der genannten dritten Dimension; Mittel (94) zum Definieren eines ersten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene kleiner als ein Systemebenen-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene größer als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, wobei die Annäherungsgeschwindigkeit die schnellste Annäherungsgeschwindigkeit ist; Mittel (96) zur Bestimmung eines zweiten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene kleiner als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der Systemebene größer als das Systemebenen-Abstandskriterium wird, wobei die Annäherungsgeschwindigkeit die niedrigste Annäherungsgeschwindigkeit ist; Mittel (92) zur Bestimmung eines dritten Zeitintervalls als die Zeit zwischen einer Startzeit, zu welcher der Abstand in der dritten Dimension kleiner als ein Drittdimensions-Abstandskriterium wird, und einer Endzeit, zu welcher der Abstand in der dritten Dimension größer als das Drittdimensions-Abstandskriterium wird; Mittel (98) zur Feststellung, ob eine Überlappung zwischen dem dritten Zeitintervall und dem ersten und dem zweiten Intervall vorhanden ist; und Mittel (102) zur Feststellung, ob die beiden Objekte in der Systemebene und in der dritten Dimension konvergieren.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel zur Bestimmung, ob die mindestens zwei Objekte konvergieren, folgendes enthalten: Mittel (84) zur Interpolation der Positionen in der Systemebene und der Höhen in der dritten Dimension der mindestens zwei Objekte; Mittel (86) zur Errechnung der Abstände in der Systemebene und in der dritten Dimension; Mittel (88) zum Errechnen von Konvergenzfaktoren für die mindestens zwei Objekte; Mittel (90) zur Errechnung von Relativgeschwindigkeiten der mindestens zwei Objekte; Mittel (98) zur Durchführung einer Intervallüberlappungsprüfung; und Mittel (102) zur Feststellung, ob die Startzeiten der zweiten und der dritten Intervalle zukünftige Zeiten sind.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Interpolation der Positionen und Höhen der mindestens zwei Objekte folgendes enthalten: Mittel (12, 18, 24) zum wiederholten Abtasten der mindestens zwei Objekte zur Gewinnung ihrer Positionen und ihrer Höhen; Mittel (80) zum Auffinden der Positionen, Höhen und der Zeit der gegenwärtigen und der vorausgehenden Abtastungen der mindestens zwei Objekte; Mittel (82) zur Errechnung der Änderungsschritte in den Positionen in der Systemebene und den Höhen; und Mittel (84) zur Bestimmung synchroner Positionen und Höhen der mindestens zwei Objekte.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (90) zur Errechnung der Relativgeschwindigkeiten der mindestens zwei Objekte folgendes enthalten: Mittel zum Errechnen einer niedrigsten Annäherungsgeschwindigkeit als die Änderungsrate des Abstandes in der Systemebene; Mittel zur Errechnung einer Vorausgeschwindigkeit; und Mittel zum Errechnen einer Relativgeschwindigkeit in der dritten Dimension;
Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel (100) zur Feststellung, ob der Abstand der beiden Objekte in der Systemebene kleiner als die Summe des Systemebenen-Abstandskriteriums und eines Schwellwertabstandes ist; und Mittel (104) zur Anzeige eines Konfliktes nur dann, wenn mindestens die folgenden Bedingungen befriedigt sind: es besteht eine Überlappung zwischen dem dritten Zeitintervall und dem ersten und dem zweiten Zeitintervall; die beiden Objekte konvergieren in der Systemebene und in der dritten Dimension; und der Abstand der beiden Objekte in der Systemebene ist kleiner als die Summe des Systemebenen-Abstandskriteriums und des genannten Schwellwertabstandes.
Flugverkehr-Kontrollsystem, welches folgendes enthält: ein Radarsystem (12, 18, 24); und einen mit dem Radarsystem gekoppelten Konfliktwarnprozessor (24M), welcher seinerseits folgendes enthält: einen Manöverkonflikt-Warn-Vorhersage-Prozessor und einen mit diesem gekoppelten Annäherungs-Konflikt-Prozessor, welcher zur Aufrechterhaltung einer Konfliktwarnung dient, bis das Flugzeug, für welches der Alarm erzeugt worden ist, zu divergieren beginnt, wobei der Manöver-Konflikt-Warn-Vorhersage-Prozessor eine Einrichtung gemäß Anspruch 7 enthält.
Flugverkehr-Kontrollsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Manöver-Konflikt-Warn-Vorhersage-Prozessor Mittel zu Verkürzung der Warnzeit aufweist, während welcher eine Konfliktwarnung herausgebbar wird.
Flugverkehr-Kontroll-System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Manöver-Konflikt-Warn-Vorhersage-Prozessor folgendes enthält: erste Mittel zur Einstellung der Startzeit einer horizontalen Verletzung innerhalb eines Zeitintervalls, das durch die früheste und die späteste Zeit begrenzt ist, zu welcher eine solche MSS-Verletzung beginnen könnte; zweite Mittel zur Errechnung der entsprechenden Endzeiten, wobei die zwei Start- und -Endzeit-Paare die beiden Zeitintervallen definieren, während welchen die schnellsten und langsamsten Annäherungen in Konflikt wären; und dritte Mittel zur Bestimmung, ob sich beide Zeitintervalle gegenseitig überlappen und auch das Zeitintervall überlappen, während welchem die Flugzeugpaare in einem vertikalen Konflikt wären, so daß eine Möglichkeit eines Konfliktes existiert und ein Treffer festgehalten werden kann.
Flugverkehr-Kontrollsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ersten Mittel die früheste Zeit durch Annehmen der schnellstmöglichen Annäherung gewinnen und die späteste Zeit durch Annahme der langsamsten möglichen Annäherung gewinnen.