DE102004006486A1

DE102004006486A1 - Flugkontrollsystem zur Sicherung der Großluftfahrt gegen Kollisionen und ein weites Spektrum des Mißbrauchs

Info

Publication number: DE102004006486A1
Application number: DE102004006486A
Authority: DE
Inventors: Hans Christian Koehler
Original assignee: Kohler Hans Christian Dipl-Math
Current assignee: Kohler Hans Christian Dipl-Math
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Die einzelnen Luftstraßen, auf denen die Großluftfahrt heute abgewickelt wird, werden durch wohldefinierte Korridore ummantelt. Diese Korridore sind zum einen so groß, daß die Bewegungsfreiheit eines Flugzeugs nicht eingeschränkt ist, solange es sich innerhalb der normalen Grenzen seiner Flugroute bewegt. Zum anderen aber sind die Korridore so klein, daß beim offensichtlichen, unplanmäßigen Verlassen der Flugroute auch die Korridore verlassen werden. Durch das erfindungsgemäße Flugkontrollsystem wird zum einen sichergestellt, daß das Flugzeug die Korridore um die vor Beginn der Reise festgelegten Flugroute nicht verlassen kann, zum anderen bleibt die Kontrolle über das Flugzeug vollständig in der Hand des Piloten, solange sich das Flugzeug innerhalb der für den Flug freigegebenen Korridore bewegt.

Description

Der Großluftverkehr wird in aller Regel auf festgelegten Flugrouten abgewickelt. Auf der Basis solcher Routen wird ein System von Korridoren festgelegt, die die Routen von innen nach außen in verschiedenen Schichten ummanteln. Jedem dieser Korridore ist eine Funktionalität zugeordnet. Typischer Weise ist der innerste Korridor die Zone, in der sich das Flugzeug frei und autonom bewegen kann, der zulässige Luftraum um die vorgegebene Flugroute. Der Korridor, der den innersten ummantelt, ist z.B. eine erste Warnzone. In dieser Warnzone 1 wird der Pilot vor dem Verlassen der inneren Zone gewarnt und aufgefordert, in den inneren Korridor zurück zu kehren. In einer anschließenden Warnzone II wird wiederum der Pilot gewarnt gleichzeitig aber auch das zuständige Kontrollzentrum benachrichtigt. In der anschließenden Interventionszone schließlich greift das Flugkontrollsystem in das Steuerungssystem des Flugzeug ein und steuert das Flugzeug in die innere Zone zurück falls der Pilot der Aufforderung, das Flugzeug in die innere Zone zurück zu führen, nicht innerhalb eine angemessenen Zeitspanne nachgekommen ist.
Innerhalb des zulässigen Luftraumes bleibt die freie Bewegungsmöglichkeit des Fahrzeug vollständig erhalten und die Kontrolle über das Fahrzeug uneingeschränkt in der Hand des Piloten. Die Kontrolle des Piloten über das Flugzeug wird nur in der Interventionszone eingeschränkt und auch nur solange, bis die in den zulässigen Korridor rückführende Kursänderung erzwungen ist.
Das Flugkontrollsystem überwacht während des gesamten Fluges kontinuierlich, in ausreichend kurzen Zeitabständen, die Position, Geschwindigkeit und Flugrichtung des Flugzeug mittels eines zuverlässigen Navigationssystems. Vor Beginn des Fluges wird die geplante Flugroute mit ihren Korridoren in dem Flugkontrollsystem festgelegt. Damit kennt das System die Route des Flugzeug und die zugehörigen Korridore und erkennt, in welcher Zone sich das Flugzeug befindet und wohin es sich bei Fortsetzung des Kurses bewegt. Das Flugkontrollsystem führt automatisch die mit den Zonen verbundenen Maßnahmen durch.
Der Eingriff in das Steuerungssystem kann auf verschiedenen Ebenen erfolgen. So kann z.B. eine Anweisung an den Autopiloten, verbunden mit eine Aktivierung des Autopiloten, erfolgen oder es können Anweisungen über den normalen Steuerungsbus an die Antriebe der Steuerung erfolgen. Die Anweisungen könnten aber auch z.B. über einen speziellen Prioritätsbus erfolgen. Während das Flugkontrollsystem die Kontrolle über das Flugzeug zur Rückführung in den inneren Korridor übernimmt, werden die Signale der anderen Steuerungsmechanismen unterdrückt. Die Unterdrückung kann dabei durch verschiedene, technische Maßnahmen realisiert werden, z.B. durch Priorisierung, Anweisung an die Steuerungsmechanismen, Überschreiben der Signale auf dem Bus e.t.c..
Das Flugkontrollsystem kann aber auch Anweisungen an das Antriebssystem des Flugzeug erteilen, z.B. zum Einhalten von Mindesthöhen oder von Obergrenzen für die Höhe.
Vor dem Start eines Fluges wird in Abstimmung zwischen Pilot und lokalem Kontrollzentrum über ein gesichertes Protokoll die Route des Fluges, und damit der für den Flug zulässige Luftraum, festgelegt. Dies wird in aller Regel durch Auswahl einer vordefinierten Route erfolgen. Über das gesicherte Protokoll ist sicher gestellt, das im Kontrollzentrum der Luftraum, der für das Flugzeug eingestellt wird, bekannt und damit auch Grundlage für die Startgenehmigung ist. Danach ist die Änderung dieser Route nur noch mit Zustimmung eines Kontrollzentrums möglich. Jede Kommunikation des Flugkontrollsystem an Bord des Flugzeug mit einem Kontrollzentrum erfolgt über ein gesichertes Protokoll, daß sowohl das Flugzeug wie auch das Kontrollzentrum positiv identifiziert, ein Eindringen von Dritten in den Dialog ausschließt, Übertragungsfehler sicher erkennt und korrigiert oder die Wiederholung der Übertragung erzwingt.
Die durch Korridore ummantelten Routen können nach dem Baukastenprinzip kombiniert werden.
Im einfachsten Fall wird um die Flughäfen ein senkrechter Zylinder als zulässiger Raum beschrieben, der alle Landeanflüge umschließt. Daran schließen dann die heute schon definierten Luftstraßen an, die mit den oben beschriebenen Korridoren ummantelt sind. Wird eine Flugroute aus anderen Routen zusammengesetzt, so müssen diese zumindest durch ein Fenster miteinander verbunden sein. Die Korridore können Höhenbeschränkungen nach oben und/oder nach unten haben. Auf diese Weise können die Routen so definiert werden, daß zwischen zwei sich kreuzenden Routen zumindest eine Warnzone II zwischen den inneren Zonen liegt, d.h. die Routen können kreuzungsfrei beschrieben werden.
An die Route zwischen Start- und Zielflughafen können andere Routen angedockt werden z.B. zu Ausweichflughäfen. Dabei können diese Routen als Warnzonen definiert werden. Dadurch kann dann automatisch das Kontrollzentrum informiert werden falls das Flugzeug diese Route wählt.
Dieses System läßt zum einen die Kontrolle über das Flugzeug bei dem Piloten und für alle möglichen Not- und/oder Sonderfälle ausreichende Bewegungsfreiheit diese Not- und/oder Sonderfälle soweit wie möglich zu meistern, schützt aber das Luftfahrzeug gegen unauthorisiertes Verlassen der zugewiesenen Flugrouten. Durch geeignete Festlegung der für eine Flugroute zulässigen Lufträume ist es weiterhin möglich Bodenobjekte vor den Gefahren durch Flugzeuge, die mit dem Fahrzeugkontrollsystem ausgerüstet sind, zu schützen.
Das System muß so eingebaut sein, daß es während des Fluges unzugängig ist. Ebenso muß das Flugkontrollsystem Funktionen enthalten, die strukturzerstörende Flugmanöver zuverlässig unterbinden.
Das Verfahren kann auf Landfahrzeuge, insbesondere Gefahrgut- oder Werttransporter, übertragen werden. Hier können z.B. Wasserschutzgebiete oder einzelne Straßen gegen das Befahren durch Gefahrguttransporter gesichert werden und das Gebiet festgelegt werden, das der Werttransporter nicht verlassen kann. Bei extremen Wetterlagen, e.g. Eisregen oder Orkanböen kann der Gefahrguttransport unterbunden werden.
Während die Kommunikation mit dem oder den Kontrollzentren im wesentlichen identisch gestaltet werden könnte, sind die möglichen Einflußnahmen auf das Fahrzeug deutlich unterschieden und beschränken sich im wesentlichen auf Motor und Bremssystem, z.B. könnte nach erfolgter Warnung die Drehzahl des Abregelns des Motors herabgesetzt werden bis zum Stop der Einspritzung als letzte Maßnahme.
Da es inzwischen so hoch entwickelte Steuerungssysteme für Kraftfahrzeuge gibt, die in der Lage sind ein Kfz auch ohne Fahrer durch den Straßenverkehr zu steuern, kann, wenn das Kraftfahrzeug mit einem solchen Steuerungssystem ausgerüstet ist, auch über einen Eingriff in dieses System die Begrenzung auf den zulässigen Raum erzwungen werden.
In der Seefahrt können mit diesem System für Schiffe mit gefährlichen Ladungen sichere Seewege festgelegt werden, die den Schiffen von hoher Hand verbindlich vorgeschrieben werden können. Allerdings hätten hier die Meldungen an die Kontrollsysteme relativ größere Bedeutung, da ein Einbau, der alle Manipulationsmöglichkeiten des Umfeldes um das Fahrzeugkontrollsystem während der Fahrt ausschließt, kaum möglich ist
Autopilotsysteme, die ein Luftfahrzeug auf vordefinierten Kursen steuern sind Stand der Technik. Diesen Systemen wird von Flugzeugführer zu einem beliebigen Zeitpunkt die Kontrolle über das Flugzeug übergeben oder wieder genommen. Sie werden gezielt vom Piloten eingesetzt um das Flugzeug vorübergehend automatisch zu steuern. Sie dienen nicht dazu, die Bewegungsfreiheit der Flugzeug zu begrenzen und haben damit eine grundsätzlich andere Aufgabe.

Die Verfahren der DE10145801A1 , DE10146167A1 , DE10244149A1 und GB 2379035A sind zwar geeignet, das Respektieren eines Sperrgebiets zu erzwingen, allerdings muß in diesen Verfahren die Kontrolle über das Flugzeug durch eine externe Kontrollinstanz übernommen werden.

Die Verfahren sind nicht geeignet, die Entführung eines Flugzeug in ein Gebiet abseits der Flugroute zu verhindern und können nur einzelne Objekte schützen, die als schutzwürdig definiert wurden. Für das Flugzeug selbst realisieren sie keinerlei Schutz. Die vorliegende Erfindung dagegen schützt alles außerhalb der zulässigen Route vor möglichen Schäden durch das Flugzeug wie auch das Flugzeug vor Zusammenstößen im Luftraum und vor der Entführung aus dem zulässigen Raum hinaus.

DE 101 46 167 A1 : In der Allgemeinheit der Beschreibung des Verfahrens im Anspruch 1 hat die Anmeldung keinen Bestand, da das grundsätzliche Verfahren der Variation der Funktionalität eines Objekts in Abhängigkeit von seinem geographischen Ort seit über einem Jahrzehnt in auf dem Markt verfügbaren GPS Systemen und GPS basierten Steuerungssystemen realisiert ist. Die in DE 101 46 167 A1 offenbarten Ideen bezüglich Flugzeugen entsprechen den oben erwähnten Sperrgebieten.

Die hier offenbarte Erfindung hingegen bezieht sich auf ein eng umrissenes Routensystem, in dem der Luftverkehr kanalisiert wird, vergleichbar der Begrenzung des Autoverkehrs auf das Straßensystem oder der Begrenzung des Zugverkehrs auf das Schienensystem, einer grundsätzlichen Veränderung des Luftverkehrs. Die Erfindung liegt in der Art, wie der geographische Raum aufgeteilt wird und wie die Funktionalität verändert wird, vergleichbar mit der Installation von Leitplanken oder ähnliche Vorrichtungen an Straßen und Verkehrswegen, um schwere Unfälle zu verhindern, die durch das Abkommen des Fahrzeug von der Straße entstehen würden.

Claims

Da das System drei unterschiedliche Anwendungsgebiete hat, die Luftfahrt, die Seefahrt und den terrestrischen Verkehr durch Landfahrzeuge, wird für die Formulierung der Ansprüche eine sprachliche Vereinfachung verwendet. Der Begriff des Fahrzeugs steht je nach Anwendungsgebiet für Luftfahrzeug, Seefahrzeug oder Landfahrzeug und entsprechend der Begriff des Raumes für Luftraum, Seeraum oder ein streng begrenztes terrestrisches Gebiet. Analog steht der Begriff der Fahrt im Bereich der Luftfahrt für einen Flug. Weiterhin steht der Begriff der Straße im Bereich der Luftfahrt für eine Luftstraße und im Bereich der Seefahrt für Seestraße, sowie der Begriff des Fahrzeugführers für den Piloten, den diensthabenden Offizier bzw. den Fahrer des Fahrzeugs. 1. Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeugkontrollsystem, in dem der für eine Fahrt zulässige Raum als abgeschlossener Raum festgelegt ist und die Position des Fahrzeug permanent oder in ausreichend kurzen Zeitabständen durch ein (zuverlässiges) automatisches Navigationssystem ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet daß die Position, Kurs und/oder Geschwindigkeit des Fahrzeug gegen den für die Fahrt zulässigen Raum abgeglichen werden, und bei einem drohenden Verlassen des zulässigen Raums eine oder mehrere automatische Reaktionen ausgelöst werden, die geeignet sind, das Verlassen des zulässigen Raums zu unterbinden. nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß 2. Der zulässige Raum aus in aller Regel vordefinierten Teilen zusammengesetzt ist, die nach dem Baukastenprinzip zusammengesetzt werden können. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 3. Die Elemente des Baukastens aus denen zulässige Räume zusammengesetzt werden können durch externe Instanzen kartographiert und/oder vorgegeben sind. (Das Kartographieren im Sinn dieses Anspruchs wird in aller Regel durch eine digitale Beschreibung erfolgen, z.B. in der oben beschriebenen Form) nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 4. Der zulässige Raum durch eine Ummantelung, im oben beschriebenen Sinn, von Straßen durch Korridore erfolgt, wie sie z.B. für die Luftfahrt weltweit definiert sind. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 5. Die entgegen gesetzten Richtungen einer Route in getrennten Korridoren verlaufen nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 6. Der zulässige Raum vor Beginn der Fahrt mit dem Kontrollzentrum abgestimmt ist und danach in dem Fahrzeug nicht mehr verändert werden kann. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 7. Die ersten Maßnahmen vor einem drohenden Verlassen des zulässigen Raums rechtzeitige Warnungen an den Fahrzeugführer sind, die es ihm ermöglichen vollständig autonom die Verletzung abzuwenden. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 8. das Verlassen des zulässigen Raums durch einen Eingriff in das Steuerungssystem des Fahrzeug und/oder durch Anweisung an den Autopiloten, verbunden mit seiner Aktivierung und/oder durch Anweisung an eine sonstige Steuereinheit, unterbunden wird, wenn der Fahrzeugführer eine geeignete Kursänderung nicht rechtzeitig einleitet. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 9. das Verlassen des zulässigen Raums durch ein eigenständiges oder teilweise eigenständiges Steuerungssystem unterbunden wird. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 10. das Fahrzeugkontrollsystem drohende Fluglagen erkennt, die geeignet sind die Struktur des Flugzeug zu zerstören, und abwendet, z.B. Sturzflug, z.B. Steilkurven, insbesondere in zulässigen Räumen mit unteren Höhenbeschränkungen. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 11. die Versuche den zulässigen Raum zu verlassen und/oder die Maßnahmen des Fahrzeugkontrollsystem teilweise oder vollständig an eine externe Kontrollinstanz gemeldet werden. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 12. die Zuverlässigkeit der Positions-, Geschwindigkeits- und/oder Kursdaten durch Abgleich mit externen Kontrollzentren gesteigert oder kontrolliert wird. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 13. der zulässige Luftraum während der Fahrt in Abstimmung mit einem externen Kontrollzentrum oder durch Vorgabe durch das Kontrollzentrum erweitert und/oder eingeschränkt werden kann. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 14. vor Beginn der Fahrt die für diese Fahrt zuständigen externen Kontrollzentren festgelegt werden und wie diese sich gegenüber dem boardeigen Fahrzeugkontrollsystem identifizieren. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 15. die Kommunikation zwischen Kontrollzentren und Fahrzeugkontrollsystem über gesicherte Protokolle abgewickelt wird, die zumindest die Verfälschung durch Dritte ausschließen. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 16. aus Routen iterativ durch Kombination vorhandener Routen neue Routen festgelegt werden können. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 17. die Routen im Bereich der Luftfahrt durch Höhenbeschränkungen kreuzungsfrei ausgelegt werden können. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 18. bei der Kombination vorhandener Routen die neu hinzugefügten Routen anderen Warnstufen zugeordnet werden können. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 19. bei nicht kreuzungsfreier Auslegung der Routen Warnungen an den Fahrzeugführer bei Annäherung an Kreuzungen abgegeben werden. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 20. Warnungen an andere Fahrzeugkontrollsysteme abgegeben werden, sollte ein Flugzeug z.B. durch Antriebsproblem an "Kreuzungspunkten" Höhenbeschränkungen nicht einhalten können. nach mindestens einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 21. während der Einführungsphase die Maßnahmen des Fahrzeugkontrollsystems auf Warnungen an den Fahrzeugführer und/oder das Kontrollzentrum beschränkt werden können.