DE102009032552A1 - A method of displaying overflown terrain on a display device aboard an aircraft - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung des überflogenen Geländes auf einem Anzeigegerät an Bord eines Luftfahrzeugs, wobei
- für die dargestellten Geländepunkte jeweils die momentanen Wahrscheinlichkeiten für eine Kollision des Luftfahrzeugs mit diesen Geländepunkten berechnet werden und
- die dargestellten Geländepunkte in Abhängigkeit von der zugeordneten Kollisionswahrscheinlichkeit koloriert werden.The invention relates to a method for displaying the overflown terrain on a display device on board an aircraft, wherein
- For the terrain points shown, the current probabilities for a collision of the aircraft with these terrain points are calculated and
- The terrain points shown are colored depending on the associated collision probability.

Description

Translated fromGerman

DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung des überflogenenGeländes auf einem geeigneten Anzeigegerät anBord eines Luftfahrzeugs, z. B. auf der integrierten Anzeige eineselektronischen Fluginstrumentensystems (EFIS = Electronic FlightInstrument System).TheThe invention relates to a method for displaying the overflownTerrain on a suitable display deviceBoard of an aircraft, z. B. on the integrated display of aelectronic flight instrument system (EFIS = Electronic FlightInstrument system).

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

BeiFlügen über hügliges oder bergiges Geländeund relativ unbekanntem Terrain, gepaart mit einer niedrigen Flughöhe überGrund, wie z. B. im Landeanflug oder bei operationellen Missionseinsätzeneines militärischen Transportflugzeugs oder bei Hubschraubernund Kleinflugzeugen mit relativ geringer, absoluter Gipfelhöhe,kann es zu ungewollten, bedrohlichen Annäherungen des Luftfahrzeugsan das Gelände kommen – insbesondere bei eingeschränktenSichtverhältnissen.atFlights over hilly or mountainous terrainand relatively unknown terrain, coupled with a low altitude aboveReason, such. B. in approach or operational mission missionsa military transport plane or helicoptersand small aircraft with relatively low, absolute summit heights,It can lead to unwanted, threatening approaches of the aircraftcome to the site - especially in restrictedVisibility.

ElektronischeFluginstrumentensysteme (EFIS) moderner Luftfahrzeuge sind mit einersogenannten ”Moving Map” zur intuitiven, zeitgenauenVisualisierung der momentanen geo-referenzierten Position sowieder aktuellen Flugrichtung des Luftfahrzeugs über dem überflogenenGelände ausgestattet.electronicFlight instrument systems (EFIS) of modern aircraft are equipped with aso-called "Moving Map" for intuitive, timelyVisualization of the current geo-referenced position as wellthe current flight direction of the aircraft over the overflownTerrain equipped.

Diebekannten Darstellungsformen zur Visualisierung des Geländesauf einer ”Moving Map” beschränken sichzur Zeit auf die zwei folgenden grundlegenden Ansätze:

• a) Darstellung der absoluten, geographischenHöhen – analog der Farbgebung einer topographischenKarte.
• b) Darstellung der Geländehöhe in Relationzur momentanen Flughöhe des Luftfahrzeugs (dynamisch veränderlich)oder in Relation zur absoluten Gipfelhöhe des Luftfahrzeugs(statisch unveränderlich). Diese Form der Darstellung istunter dem Begriff der höhenkodierten Farbgebung des Geländesbekannt.

The known forms of visualization of the terrain on a "moving map" are currently limited to the following two basic approaches:

• a) Representation of the absolute, geographical heights - analogous to the coloring of a topographical map.
• b) Representation of the terrain altitude in relation to the current altitude of the aircraft (dynamically variable) or in relation to the absolute altitude of the aircraft (static immutable). This form of representation is known by the concept of height-coded color of the terrain.

DerVorteil der Darstellungsform b) gegenüber der von a) liegtin der Tatsache begründet, dass durch die höhenkodierteFarbgebung des Geländes eine zusätzliche Warnfunktionalitätimplementiert wird. Die für das Luftfahrzeug als bedrohlicheingestuften Bereiche des Terrains können bei dieser Form derDarstellung z. B. in rötlichen oder orangefarbenen Farbtönenbesonders hervorgehoben werden, um eine visuelle Warnung zu generieren.Of theAdvantage of the form of representation b) compared to that of a)justified in the fact that by the height-codedColoring the site an additional warning functionalityis implemented. The threat to the aircraftclassified areas of the terrain can in this form ofRepresentation z. B. in reddish or orange shadesbe specially highlighted to generate a visual warning.

DerNachteil der Darstellungsform b) liegt jedoch in der relativen Einfachheitdieser Warnfunktionalität begründet. Dies führtzu einer möglicherweise mangelhaften Differenzierung inBezug auf die tatsächliche Bedrohung des Geländesfür das Luftfahrzeug. Ein anschauliches Beispiel hierfürist in1 dargestellt. Diejenigen Geländebereichemit der auffälligsten Einfärbung101 – (inder Regel wird dies ein leuchtendes Rot oder Orange sein) – stellen,der zugrundeliegenden Logik der Anzeige folgend, per definitionemdie größte Bedrohung für das Luftfahrzeug102 dar.Gemäß dem angezeigten Flugpfadsektor103 fliegtdas Flugzeug in1 jedoch überhaupt nichtauf diese kritischsten Geländebereiche101 zu – jedenfallsnicht im Augenblick. Die tatsächliche Bedrohung geht in1 offensichtlichvon den vergleichsweise niedrigen Bergkämmen des immerenger werdenden Talkessels aus, in den das Luftfahrzeug102 geradedirekt hinein fliegt, und nicht von den höheren Gipfeln101 amHorizont.However, the disadvantage of the form of representation b) is due to the relative simplicity of this warning functionality. This leads to a possibly poor differentiation with respect to the actual threat to the terrain for the aircraft. An illustrative example of this is in 1 shown. Those terrain areas with the most striking coloring 101 - (usually, this will be a bright red or orange) - following the underlying logic of the ad, by definition, the biggest threat to theaircraft 102 According to the indicatedflight path sector 103 the plane is flying in 1 but not at all on these mostcritical terrain areas 101 at least not right now. The real threat is in 1 obviously from the comparatively low mountain ridges of the ever-narrowing valley basin, into which theaircraft 102 straight into it, not from thehigher peaks 101 at the horizon.

Nochdeutlicher wird der Nachteil der einfachen, höhenkodiertenFarbgebung, wenn die als kritisch eingestuften Bereiche des Geländesmit ihrer roten bzw. orangefarbenen Warndarstellung hinter dem Luftfahrzeugliegen – in Bereichen also, von denen sich das Luftfahrzeugmomentan entfernt oder sich nicht weiter annähert.Yetthe disadvantage of the simple, height-coded is clearerColoring, if classified as critical areas of the terrainwith her red or orange warning behind the aircraftlie - in areas thus, of which the aircraftcurrently removed or not approaching.

DerErfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine farbliche Geländedarstellungzu erzeugen, mit der man die tatsächliche Bedrohung desGeländes für das Luftfahrzeug zur Anzeige bringen kann.Of theThe invention is therefore based on the object, a color terrain representationto generate the actual threat of theTerrain for the aircraft can be displayed.

DieseAufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sowie eine Vorrichtung,die dieses Verfahren implementiert und zur Anzeige bringt, sindGegenstand von weiteren Patentansprüchen.TheseTask is solved by the method according toclaim 1.Advantageous embodiments of the invention and a devicewhich implements and displays this method areSubject of further claims.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Einebekannte Darstellungsform zur Visualisierung des Geländesauf einer ”Moving Map” ist die sog. höhenkodiertenFarbgebung des Geländes. Bei dieser Darstellungsform wirddie Geländehöhe in Relation zur momentanen Flughöhedes Luftfahrzeugs (dynamisch veränderlich) oder in Relationzur absoluten Gipfelhöhe des Luftfahrzeugs (statisch unveränderlich)farblich hervorgehoben. Dadurch implementiert die höhenkodierteFarbgebung des Geländes eine einfache Warnfunktionalität,welche vor allen höheren Geländeerhebungen warnt – unabhängigvon Flugrichtung, Fluglage, Geschwindigkeit, Abstand und weiterenrelevanten Kenngrößen. Diese einfache Warnfunktionalitätwird erfindungsgemäß so erweitert, dass die tatsächlicheBedrohung des Geländes für das Luftfahrzeug zurAnzeige gebracht wird.Awell-known form of presentation for the visualization of the terrainon a "moving map" is the so-called height-codedColor of the terrain. In this form of presentation isthe terrain height in relation to the current altitudeof the aircraft (dynamically changeable) or in relationto the absolute height of the aircraft (static immutable)Highlighted in color. This implements the height-codedColoring the terrain a simple warning functionality,which warns against all higher terrain surveys - independentof flight direction, attitude, speed, distance and morerelevant characteristics. This simple warning functionalityis extended according to the invention so that the actualThreat to the terrain for the aircraftDisplay is brought.

Dabeiwird die tatsächliche Bedrohung des Geländes fürdas Luftfahrzeug ermittelt, in dem zu jedem dargestellten Punktdes Geländes die Wahrscheinlichkeit dafür, dassdas Luftfahrzeug mit diesem Geländepunkt kollidiert, berechnetwird. Das dargestellte Geländeprofil wird in Abhängigkeitvon dieser Kollisionswahrscheinlichkeit eingefärbt bzw. farblichhervorgehoben (der Begriff ”Farbe” umfasst indiesem Zusammenhang auch Abstufungen oder Farbverläufevon Grautönen). Die berechnete Kollisionswahrscheinlichkeitwird in ein korrespondierendes Warnfarbenspektrum transformiert(z. B. von Grün oder Blau für geringe oder überhauptkeine Kollisionswahrscheinlichkeit zu Rot oder Orange fürdie höchste Gefahrenstufe).This will determine the real threat to the terrain of the aircraft by calculating the likelihood that the aircraft will collide with that terrain point for each point of the terrain represented. The The terrain profile shown is colored or highlighted in color as a function of this collision probability (the term "color" in this context also includes gradations or color gradients of gray tones). The calculated collision probability is transformed into a corresponding warning color spectrum (eg from green or blue for little or no collision probability to red or orange for the highest danger level).

DieKollisionswahrscheinlichkeit wird dabei in Abhängigkeitzweier Klassen von Parametern berechnet:

• – Parameterklasse1: geometrische Geländeparameter – hierzu zählen:
• – der relative Ortsunterschied des Luftfahrzeugs zuGeländeerhebungen nach Distanz und Höhe
• – weitere Parameter zur ortsabhängigen Beschreibungdes Geländes in Relation zum Luftfahrzeug
• – Parameterklasse 2: physikalisch/flugdynamische Kenngrößendes Luftfahrzeugs – hierzu zählen:
• – die momentanen Werte für Fluggeschwindigkeit, Beschleunigung,Drehraten
• – die Fluglage (Rollwinkel, Nickwinkel, Gierwinkel)
• – die absolute Gipfelhöhe des Luftfahrzeugs
• – Flugleistungsdaten des Luftfahrzeugs (wie z. B. maximalesSteig- und Sinkvermögen)
• – weitere Parameter, die die Flugdynamik des Luftfahrzeugsbeeinflussen (z. B. die Konfiguration von Landeklappen und Fahrwerketc.).

The collision probability is calculated as a function of two classes of parameters:

• - Parameter class 1: geometric terrain parameters - these include:
• - The relative difference in the location of the aircraft to terrain surveys by distance and altitude
• - Further parameters for the location-dependent description of the terrain in relation to the aircraft
• - Parameter class 2: physical / flight dynamic characteristics of the aircraft - these include:
• - the current values for airspeed, acceleration, yaw rates
• The attitude (roll angle, pitch angle, yaw angle)
• - the absolute maximum height of the aircraft
• - Flight performance data of the aircraft (such as maximum climbing and sinking capacity)
• - other parameters that affect the flight dynamics of the aircraft (eg the configuration of flaps and landing gear etc.).

Darüberhinaus können weitere Einflussgrößen,z. B. aus der Meteorologie (Windrichtung und -stärke) sowieWerte aus einer Flugpfadprädiktion (z. B. von einem GroundCollision Avoidance System (GCAS)) für die Berechnung derKollisionswahrscheinlichkeit berücksichtigt werden.About thatIn addition, other influencing factors,z. B. from meteorology (wind direction and strength) andValues from an air path prediction (eg from a groundCollision Avoidance System (GCAS)) for the calculation ofCollision probability are taken into account.

DurchBerücksichtigung all dieser Kenngrößenergibt sich ein wesentlich differenzierteres und präziseresAbbild der realen, tatsächlichen Bedrohung des Geländesfür das Luftfahrzeug. Dieses Abbild der tatsächlichenBedrohung wird – im Sinne der Erfindung – alsdas momentane Bedrohungspotential des Geländes interpretiert.Dieses Bedrohungspotential kann, z. B. in der EFIS-Darstellung einer ”MovingMap”, zur Anzeige gebracht werden – d. h. es wirdanalog zu einem Wetterradar eine Art ”Bedrohungsradar” implementiert,das in der Lage ist, die tatsächliche Bedrohung des Geländesfür das Luftfahrzeug zu visualisieren. Damit wird die bekannte ”MovingMap” in eine intelligente ”Moving Threat Map” transferiert.ByConsideration of all these parametersresults in a much more differentiated and more preciseImage of the real, actual threat to the terrainfor the aircraft. This image of the actualThreat is - in the sense of the invention - asinterpreted the current threat potential of the terrain.This threat potential can, for. B. in the EFIS representation of a "MovingMap ", to be displayed - d. H. it willanalogous to a weather radar implemented a kind of "threat radar",that is capable of real the threat of the terrainvisualize for the aircraft. Thus, the well-known "MovingMap "into an intelligent" Moving Threat Map "transferred.

DerVorteil der Erfindung liegt darin, dass gezielt nur noch diejenigenGeländebereiche mit den kritischen Warnfarben (z. B. Rotoder Orange) dargestellt werden, die für das Luftfahrzeugtatsächlich eine entsprechend ernste Bedrohung darstellenund dass andererseits diejenigen Geländebereiche, von denenkeine unmittelbare Bedrohung ausgeht, niemals in grellen Warnfarbenleuchten. Damit kann der Pilot bei der Einschätzung dermomentanen Situation besser unterstützt bzw. entlastetwerden und dies kann helfen die Flugsicherheit – insbesonderebei kritischen Missionen oder Landeanflügen – zuerhöhen.Of theAdvantage of the invention is that targeted only thoseTerrain areas with the critical warning colors (eg redor orange) representing the aircraftactually pose a correspondingly serious threatand that, on the other hand, those terrain areas of whichno immediate threat, never in bright warning colorsto shine. Thus, the pilot in the assessment ofcurrent situation better supported or relievedand this can help the flight safety - in particularon critical missions or landing approaches - tooincrease.

Dieerfindungsgemäße Darstellung ist nicht auf dieklassische 2-dimensionale Kartendarstellung (Ebenenprojektion) einer ”MovingMap” beschränkt. Sie kann ebenso gut auf eineräumliche bzw. perspektivische Darstellung des Geländesauf einem sog. ”Synthetic Vision Display” übertragenwerden. In der entsprechenden 3-dimensionalen Geländedarstellungdes ”Synthetic Vision Displays” wird dann ebenfallsdie tatsächliche Bedrohung des Geländes für dasLuftfahrzeug anhand der korrespondierenden Verteilung des Warnfarbenspektrumsintuitiv ablesbar sein.Theinventive representation is not on theclassic 2-dimensional map display (plane projection) of a "MovingMap "limited. She may as well be on onespatial or perspective representation of the terraintransmitted on a so-called "Synthetic Vision Display"become. In the corresponding 3-dimensional terrain representationof the "Synthetic Vision Display" will then toothe actual threat to the site for thatAircraft based on the corresponding distribution of the warning color spectrumbe intuitively readable.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

DieErfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Figuren nähererläutert.TheThe invention will be described in more detail below with reference to figuresexplained.

1 zeigtdas sog. ”Tactical Terrain Awareness Display” desAirbus A400M. Hierbei symbolisieren:

• –101:höchste Geländeerhebungen
• –102: momentane Position des Luftfahrzeugs
• –103: auf Basis der momentanen Fluglage vorausberechneterFlugpfad des Luftfahrzeugs

1 shows the so-called "Tactical Terrain Awareness Display" of the Airbus A400M. Symbolize here:

• - 101 : highest terrain elevations
• - 102 : current position of the aircraft
• - 103 : on the basis of the current attitude precalculated flight path of the aircraft

2 zeigteine schematische Darstellung einer ”Moving Map” mithöhenkodierter Farbgebung des Geländes nach demStand der Technik.

• –201:höchste Geländeerhebungen
• –202–104: stufenweise niedrigereGeländeerhebungen
• –205: momentaner Steuerkurs
• –206: momentane Position des Luftfahrzeugs

2 shows a schematic representation of a "moving map" with height-coded color of the terrain according to the prior art.

• - 201 : highest terrain elevations
• - 202 - 104 : gradually lower terrain elevations
• - 205 : current heading
• - 206 : current position of the aircraft

3 zeigteine zu2 analoge Darstellung mit einerFlugpfadprädiktion und höhenkodierter Farbgebungdes Geländes

• –301:auf Basis der momentanen Fluglage vorausberechneter Flugpfad desLuftfahrzeugs

3 shows one too 2 analogue representation with a flight path prediction and height-coded color scheme of the terrain

• - 301 : on the basis of the current attitude precalculated flight path of the aircraft

4 zeigtexemplarisch ein Anflugszenario auf unterschiedlich hohe und unterschiedlichentfernte Geländeformationen:

• –401:hohe Geländeformation in relativ großer Entfernung
• –402: mittelhohe Geländeformationin mittlerer Entfernung
• –403: niedrige Geländeformationin relativ geringer Entfernung
• –404: Flugrichtungsvektor des anfliegendenLuftfahrzeugs

4 shows an example of an approach scenario to different high and different distant terrain formations:

• - 401 : high terrain formation at a relatively long distance
• - 402 : mid-high terrain formation in the middle distance
• - 403 : low terrain formation at a relatively short distance
• - 404 : Flying direction vector of approaching aircraft

5 zeigtschematisch einzelne Geländepunkte mit unterschiedlichhohem Bedrohungspotential für ein anfliegendes Luftfahrzeug:

• –501: Ort des Luftfahrzeugsund seine momentane Bewegungsrichtung v →
• –502: Elevation des Geländes amOrt r →₁
• –503: Elevation des Geländes amOrt r →₂

5 schematically shows individual terrain points with different high threat potential for an approaching aircraft:

• - 501 : Location of the aircraft and its current direction of motion v →
• - 502 : Elevation of the terrain at location r →₁
• - 503 : Elevation of the terrain at location r →₂

6 zeigtein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäßeGeländedarstellung:

• –601:Geländebereich mit dem größten Bedrohungspotentialfür das Lfz.
• –602–604: stufenweise geringeresBedrohungspotential für das Lfz.

6 shows a first example of a terrain representation according to the invention:

• - 601 : Terrain area with the greatest threat potential for the Lfz.
• - 602 - 604 : gradual lower threat potential for the Lfz.

7 zeigtein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäßeGeländedarstellung:

• –701:Geländebereich mit dem größten Bedrohungspotentialfür das Lfz.
• –702–703: stufenweise geringeresBedrohungspotential für das Lfz.

7 shows a second example of a terrain representation according to the invention:

• - 701 : Terrain area with the greatest threat potential for the Lfz.
• - 702 - 703 : gradual lower threat potential for the Lfz.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGIM DETAILDESCRIPTION OF THE INVENTIONIN DETAIL

In2 wirdeine schematische Darstellung einer ”Moving Map” mithöhenkodierter Farbgebung nach dem Stand der Technik gezeigt.Der einfachen Logik der höhenkodierten Farbgebung folgend,werden in dieser Darstellungsform die höchsten Geländeerhebungen201 besondersbetont. Dies erfolgt unabhängig von Flugrichtung, Fluglage,Geschwindigkeit, Abstand und weiteren relevanten Kenngrößendes Luftfahrzeugs. In2 ist zu sehen, dass der angezeigtemomentane Steuerkurs205 das Luftfahrzeug nicht direktauf die höchsten Geländeerhebungen201 zuführt.Ob das Luftfahrzeug diesem Steuerkurs gefahrlos folgen kann, oderob nicht evtl. die niedrigeren Geländeerhebungen202,203 bzw.204 amEnde des Talkessels, in den das Flugzeug hineinfliegt, bereits zueiner kritischen Flugsituation führen, bleibt in der Darstellungsformder2 prinzipiell unbeantwortet.In 2 is a schematic representation of a "Moving Map" with height-coded coloring according to the prior art shown. Following the simple logic of the height-coded color scheme, in this form of presentation, thehighest terrain elevations 201 especially stressed. This is independent of the direction of flight, attitude, speed, distance and other relevant characteristics of the aircraft. In 2 can be seen that the displayed current heading 205 the aircraft is not directly on the highest terrain surveys 201 supplies. Whether the aircraft can safely follow this heading, or perhaps not the lower terrain surveys 202 . 203 respectively. 204 At the end of the valley, in which the aircraft flies into, already lead to a critical flight situation, remains in the form of representation of 2 in principle unanswered.

DerNachteil der Warnfunktion einer reinen höhenkodierten Farbgebungder ”Moving Map” wird in3 noch deutlicher.Die Szenerie von3 ist mit der von2 identisch.Aufgrund der Flugpfadprädiktion301 ist ersichtlich,dass das Flugzeug gar nicht tangential geradeaus fliegt, sondernsich momentan in einer Linkskurve befindet. Das Flugzeug entferntsich demnach von den höchsten Geländeerhebungenim oberen Bereich der Display-Anzeige. Auf die Warnfarbendarstellungder höhenkodierten Farbgebung der ”Moving Map”,gemäß dem Stand der Technik, hat dies jedoch keinenEinfluss – eine mögliche Kollisionsgefährdungdurch die Höhenzüge der linken Talflanke, aufwelche sich das Flugzeug zubewegt, bleibt unberücksichtigt.The disadvantage of the warning function of a pure height - coded "Moving Map" coloring is in 3 even clearer. The scenery of 3 is with the of 2 identical. Due to theflight path prediction 301 It can be seen that the aircraft does not fly tangentially straight ahead, but is currently in a left turn. The aircraft is therefore removed from the highest terrain surveys in the upper part of the display. However, this does not affect the warning color representation of the height-coded coloring of the "moving map", according to the state of the art - a possible risk of collision by the ridges of the left valley flank to which the aircraft is moving remains unconsidered.

Dietatsächliche Bedrohung des Geländes fürein Luftfahrzeug geht nicht notwendigerweise von den höchstenGeländeerhebungen aus. Man kann leicht Situationen finden,in denen sogar relativ niedrige Geländestrukturen in räumlicherNähe zum Luftfahrzeug deutlich kritischer sind, als größererErhebungen, die weiter entfernt liegen (vgl. hierzu4). DieserUmstand erklärt sich aus der jeweils notwendigen Beschleunigung,die – ausgehend vom momentanen Zustand – in vertikalerRichtung auf das Luftfahrzeug einwirken muss, um die Geländeerhebung überfliegenzu können.5 veranschaulicht diesen Zusammenhang:Zum Überflug des Ortes r →₁ ist einegrößere vertikale Beschleunigung a_z =c₁ notwendig, als wie zum Überflugdes Ortes r →₂, obwohl r →₂ einegrößere Elevation als r →₁ aufweißt.Die Tatsache, dass c₁ > c₂ ist, kannman trivialerweise aus der Bahnkrümmung der jeweiligen Überflugtrajektorieerkennen.The real threat to the terrain for an aircraft does not necessarily derive from the highest terrain elevations. It is easy to find situations in which even relatively low terrain structures in close proximity to the aircraft are much more critical than larger surveys that are farther away (cf. 4 ), This circumstance can be explained by the respective necessary acceleration, which - starting from the momentary state - has to act in a vertical direction on the aircraft in order to be able to fly over the terrain survey. 5 illustrates this relationship: For the overflight of the place r →₁ , a larger vertical acceleration a_z = c_{1 is} necessary, as for overflight of the place r →₂ , although r →_{2 has} a greater elevation than r →₁ . The fact that c₁ > c₂ is, can be seen trivially from the curvature of the respective overflight trajectory.

Umdie tatsächliche Bedrohung des Luftfahrzeugs zu beschreiben,wird der bereits oben erwähnte Begriff des Bedrohungspotentialsf_T eingeführt. Darunter wird hierdie Summe aller verfügbarer Informationen verstanden, welchejedem Ort (φ_LAT, λ_LON, h_ALT) im Geländeeine Kollisionswahrscheinlichkeit P_C desLuftfahrzeugs mit diesem Geländepunkt eindeutig zuordnet.To describe the actual threat of the aircraft, the concept of threat potential f_T mentioned above is introduced. This is understood here as the sum of all available information which unambiguously assigns a collision probability P_{C of} the aircraft with this terrain point to each location (φ_LAT , λ_LON , h_ALT ) in the terrain.

DasBedrohungspotential f_T kann als eine funktionaleAbbildung des Raumes I der geometrischen Geländeparametersowie der physikalisch/flugdynamischen Luftfahrzeugkenngrößenauf das rechts offene Einheitsintervall [0, 1) ∊ R aufgefasstwerden:f_T:I → [0, 1), f_T(Δh, Δd, v →_AV, a →_AV, ψ_AV, ϑ_AV, φ_AV, ...) = P_C(φ_LAT, λ_LON,h_ALT) (1)mit

Δh:

rel. Höhendifferenzzw. dem Lfz. und dem Ort (φ_LAT, λ_LON, h_ALT)

Δd:

euklidische Distanzzw. dem Lfz. und dem Ort (φ_LAT, λ_LON, h_ALT)

v →AV:

Geschwindigkeitsvektordes Lfz.

a →_AV:

Beschleunigungsvektordes Lfz.

(Ψ, ϑ, φ)_AV:

Flugrichtung und -lagedes Lfz.

The threat potential f_T can be understood as a functional mapping of the space I of the geometric terrain parameters as well as the physical / flight dynamic aircraft characteristics to the right open unit interval [0, 1) ε R: f_T : I → [0, 1), f_T (Δh, Δd, v →_AV , a →_AV , ψ_AV , θ_AV , φ_AV , ...) = P_C (φ_LAT , λ_LON , h_OLD ) (1) With

.delta.h:

rel. Height difference betwee the Lfz. And the place (φ_LAT , λ_LON , h_ALT )

.DELTA.d:

Euclidean distance between the vehicle and the place (φ_LAT , λ_LON , h_ALT )

v → AV:

Speed vector of the lfz.

a →_AV :

Acceleration vector of the Lfz.

(Ψ, θ, φ)_AV :

Flight direction and position of the Lfz.

DasBedrohungspotential f_T beschreibt den Einflussvon geometrischen sowie physikalisch/flugdynamischen Randbedingungenzwischen Luftfahrzeug und Gelände bei der Bestimmung einerKollisionswahrscheinlichkeit bez. des Geländepunktes (φ_LAT, λ_LON,h_ALT). Hierbei ist in Definition (1) – inAbhängigkeit einer konkreten Realisierung zur Berechnungdes Bedrohungspotentials f_T – dieBerücksichtigung weiterer Parameter und Kenngrößenleicht möglich, wie z. B.:

• • absoluteGipfelhöhe des Luftfahrzeugs
• • Flugleistungsdaten des Luftfahrzeugs (wie Steig-und Sinkvermögen etc.)
• • weitere Parameter, welche die Flugdynamik des Luftfahrzeugsbeeinflussen (z. B. die Konfiguration von Landeklappen und Fahrwerketc.).
• • meteorologische Daten (wie Windrichtung und -stärke)
• • Kenngrößen einer Flugpfadprädiktion
• • flugdynamische Optimierungen wie z. B. die Ausnutzungeines momentanen Geschwindigkeitsüberschusses des Luftfahrzeugsbei der Berechnung einer anteiligen Umwandlung von kinetischer Energiein eine Flughöhenreserve (potentielle Energie).

The threat potential f_T describes the influence of geometric as well as physical / flight-dynamic boundary conditions between aircraft and terrain in the determination of a collision probability. of the terrain point (φ_LAT , λ_LON , h_ALT ). Here, in definition (1) -according to a concrete realization for the calculation of the threat potential f_T -the consideration of further parameters and characteristics is easy possible, such. B .:

• • absolute peak height of the aircraft
• • flight performance data of the aircraft (such as climbing and sinking capacity, etc.)
• • other parameters that influence the flight dynamics of the aircraft (eg the configuration of flaps and landing gear, etc.).
• • meteorological data (such as wind direction and strength)
• • Characteristics of a flight path prediction
• • flight dynamics optimization such. For example, taking advantage of a momentary overspeed of the aircraft in calculating a proportionate conversion of kinetic energy into a flight reserve (potential energy).

Ausder Definition (1) ergibt sich eine zu jedem Zeitpunkt t aktuelleWahrscheinlichkeit P_C für die Kollisiondes Luftfahrzeugs mit irgendeinem Ort (φ_LAT, λ_LON, h_ALT) des überflogenenGeländes.From definition (1), there is obtained at each instant t actual probability P_C for the collision of the aircraft with any location (φ_LAT , λ_LON , h_ALT ) of the overflown terrain.

Einin dieser Art und Weise mathematisch konstruiertes Bedrohungspotentialist direkt proportional zu den Auswirkungen und Konsequenzen einer Annäherungdes Luftfahrzeugs an eine gegebene Geländestruktur. Jegrößer das Bedrohungspotential f_T ist,desto größer sind die daraus resultierenden Konsequenzenfür das Luftfahrzeug – an deren Ende eine möglicheKollision mit dem Gelände steht.A mathematically constructed threat potential in this manner is directly proportional to the effects and consequences of approaching the aircraft to a given terrain structure. The greater the threat potential f_T , the greater are the resulting consequences for the aircraft - at the end of which there is a potential collision with the terrain.

ImBeispielszenario von5 besitzt der Ort r →₁ gegenüberdem Ort r →₂ eine größereKollisionswahrscheinlichkeit P_C fürdas Luftfahrzeug, d. h. P_C(r →₁) > P_C(r →₂).In the example scenario of 5 the location r →_{1 has} a greater collision probability P_C for the aircraft than the location r →₂ , ie P_C (r →₁ )> P_C (r →₂ ).

DasBedrohungspotential f_T aus Definition (1) lässtsich auf Grund seiner mathematischen Konstruktion überjedem beliebigen digitalen Elevationsmodell des überflogenenGeländes berechnen.The threat potential f_T from Definition (1) can be calculated on the basis of its mathematical construction over any digital elevation model of the overflown terrain.

InAbhängigkeit der in einem bestimmten Luftfahrzeugtyp zurVerfügung stehenden Parameter und Kenngrößensind dem Fachmann numerische Verfahren bekannt, welche zur Berechnungeines Bedrohungspotentials f_T gemäß Definition(1) benutzt werden können. Dies gilt insbesondere fürfolgende Veröffentlichungen:

• •US 5 555 175 A
• •DE197 09 097 A1
• •US2007/0055418 A1
• •EP 1369 665 A2.

Depending on the parameters and parameters available in a certain aircraft type, numerical methods which can be used to calculate a threat potential f_T according to definition (1) are known to the person skilled in the art. This applies in particular to the following publications:

• • US 5 555 175 A
• • DE 197 09 097 A1
• • US 2007/0055418 A1
• •EP 1 369 665 A2 ,

Aucheine Kombination aus den oben benannten Verfahren ist füreine konkrete Berechnung des Bedrohungspotentials f_T gemäß Definition(1) denkbar.A combination of the above-mentioned methods is also conceivable for a concrete calculation of the threat potential f_T according to definition (1).

Gemäß dervorliegenden Erfindung wird die Warnfunktionalität einer ”MovingMap”-Darstellung an der für das Luftfahrzeug jeweilstatsächlichen Bedrohung durch das Gelände ausgerichtet.Dabei wird die tatsächliche Bedrohung durch das Bedrohungspotentialf_T mathematisch eindeutig beschrieben. Durchf_T ist es möglich, jedem Ort (φ_LAT, λ_LON,h_ALT) des dargestellten Geländeseine Kritikalität zu zuordnen, welche die momentane WahrscheinlichkeitP_C dafür angibt, dass das Luftfahrzeugmit eben diesem Ort kollidiert. Durch diese Eigenschaft von f_T ist es möglich in der Kartendarstellungder ”Moving Map” ein situationsabhängigesBewusstsein für konkrete Bedrohungen beim Piloten hervorzurufen.Dieser Umstand unterscheidet die vorliegende Erfindung wesentlich vonbekannten sog. ”Ground Collision Avoidance Systemen”,die i. d. R. nur eine einzige Ausweichflugbahn für dasLuftfahrzeug berechnen – was fast immer mit dem akustischenWarnkommando: ”Pull up” endet. Besitzt der Pilotjedoch gemäß der Erfindung ein situationsabhängigesBewusstsein über die tatsächliche Bedrohung jedesPunktes des ihn umgebenden Geländes, ist es z. B. durchvorausschauende Kursänderungen möglich, gefährliche ”Pullup”-Situationen zu vermeiden.In accordance with the present invention, the warning functionality of a "moving map" representation is aligned with the actual threat to the aircraft from the terrain. The actual threat posed by the threat potential f_{T is} mathematically unambiguously described. By f_T it is possible to assign a criticality to each location (φ_LAT , λ_LON , h_ALT ) of the illustrated terrain, which indicates the instantaneous probability P_C for the aircraft to collide with precisely that location. Through this property of f_T it is possible in the map presentation of the "Moving Map" to create a situational awareness of specific threats to the pilot. This fact differentiates the present invention substantially from known so-called. "Ground collision avoidance systems", which usually only calculate a single alternate trajectory for the aircraft - which almost always ends with the acoustic warning command: "pull up". However, if the pilot according to the invention has a situation-dependent awareness of the actual threat to each point of the surrounding terrain, it is z. For example, it is possible to avoid dangerous pull-up situations by making predictive changes to the course.

Praktischgesehen kann es – im gemäß Definition(1) nie erreichbaren Extremfall – nur mit denjenigen Geländepunktenzu einer Kollision kommen, für welche sich eine Kollisionswahrscheinlichkeitvon P_C = 1 ergibt. Alle anderen Bereichedes Geländes besitzen notwendigerweise eine geringere Kollisionswahrscheinlichkeitvon P_C < 1.Es existieren auf Grund der momentanen Position und Fluglage des Luftfahrzeugsi. a. stets größere Geländebereiche, fürdie es physikalisch/flugdynamisch unmöglich ist, dass dasLuftfahrzeug mit ihnen kollidiert (P_C =0). Letzteres gilt insbesondere für Geländebereiche, welchez. B. weit hinter dem Luftfahrzeug, in entgegengesetzter Flugrichtung,liegen.In practical terms - in the extreme case never attainable according to definition (1) - a collision can only occur with those terrain points for which a collision probability of P_C = 1 results. All other areas of the terrain necessarily have a lower collision probability of P_C <1. Due to the current position and attitude of the aircraft, there are always larger terrain areas for which it is physically impossible to collide with the aircraft (P_C = 0). The latter is especially true for terrain areas which z. B. far behind the aircraft, in the opposite direction of flight, are.

Gemäß derErfindung wird die zu jedem Ort (φ_LAT, λ_LON, h_ALT) des Geländesmittels f_T berechnete, momentane KollisionswahrscheinlichkeitP_C in ein Warnfarbenspektrum transformiert.Anschließend wird die entsprechende Geländedarstellungder ”Moving Map” mit der sich aus P_C ergebendenFarbverteilung koloriert. Dabei wird das Warnfarbenspektrum W_c so aufgebaut, dass jeder KollisionswahrscheinlichkeitP_C eindeutig eine korrespondierende Warnfarbec ∊ W_c zugeordnet wird:f_c: [0, 1) → W_c; P_C(φ_LAT, λ_LON,h_ALT) ↦ f_c(P_C(φ_LAT, λ_LON, h_ALT)) = c (2)According to the invention, the instantaneous collision probability P_C calculated for each location (φ_LAT , λ_LON , h_ALT ) of the terrain is transformed into a warning color spectrum by means of f_T. Subsequently, the corresponding terrain representation of the "moving map" is colored with the color distribution resulting from P_C. In this case, the warning color spectrum W_c is constructed such that each collision probability P_{C is} uniquely assigned a corresponding warning color c ε W_c : f_c : [0, 1) → W_c ; P_C (φ_LAT , λ_LON , h_ALT ) ↦ f_c (P_C (φ_LAT , λ_LON , h_ALT )) = c (2)

Diesich aus Definition (2) ergebende Farbverteilung über allenGeländepunkten (φ_LAT, λ_LON, h_ALT) der ”MovingMap” entspricht somit der tatsächlichen, momentanenBedrohung dieses Geländes für das Luftfahrzeugzur Zeit t. Die Farbverteilung ist ein eindeutiges Abbild des Bedrohungspotentialsf_T.The color distribution over all terrain points (φ_LAT , λ_LON , h_ALT ) of the "Moving Map" resulting from Definition (2) thus corresponds to the actual instantaneous threat to this terrain for the aircraft at time t. The color distribution is a clear image of the threat potential f_T.

Diekonkrete Wahl eines geeigneten Warnfarbenspektrums W_c zurVisualisierung der tatsächlichen Bedrohung des Geländesfür das Luftfahrzeug ist einerseits von den HW-Eigenschaftender verwendeten ”Moving Map” und andererseitsvon den Anforderungen an das verwendete Mensch-Maschinen-Interface(HMI) abhängig. Es ist vorteilhaft – analog zu denbereits bisher verwendeten Farbdarstellungen – diejenigenGeländebereiche, von denen momentan die größteBedrohung ausgeht, mit entsprechenden Rot- oder Orangetönenzu kolorieren. Zulässig wäre hierbei auch, dassmehreren, etwa gleichgroßen Kollisionswahrscheinlichkeiteneine gemeinsame Warnfarbe c ∊ W_c zugeordnetwird, d. h. dass das verwendete Warnfarbenspektrum nicht notwendigstetig, sondern auch diskret aufgebaut sein kann. Analog gilt diesfür eine diskrete Berechnung von P_C inAbhängigkeit der räumlichen Auflösungdes zugrundeliegenden, digitalen Geländemodels (Terrain-Elevationsdatenbank).Es ist anzumerken, dass die konkrete Wahl des verwendeten WarnfarbenspektrumsW_c sowie eine stetige oder diskrete Berechnungder ortsabhängigen Kollisionswahrscheinlichkeiten P_C für das grundlegende Konzept derErfindung ohne Belang sind, sondern lediglich verschiedene vorteilhafte Ausführungendarstellen.The concrete choice of a suitable warning color spectrum W_c for visualizing the actual threat to the terrain for the aircraft depends, on the one hand, on the HW properties of the "moving map" used and, on the other hand, on the requirements for the man-machine interface (HMI) used. It is advantageous - analogous to the previously used color representations - those terrain areas of which currently the biggest threat emanates to color with corresponding red or orange shades. It would also be permissible in this case for a common warning color c ε W_c to be assigned to a plurality of approximately equal collision probabilities, ie that the warning color spectrum used can not necessarily be continuous, but also discrete. Analogously, this applies to a discrete calculation of P_C as a function of the spatial resolution of the underlying digital terrain model (terrain elevation database). It should be noted that the specific choice of the used warning color spectrum W_c and a continuous or discrete calculation of the location-dependent collision probabilities P_C for the basic concept of the invention are irrelevant, but merely represent various advantageous embodiments.

In6 istein Beispiel für die erfindungsgemäßeGeländedarstellung in Kartenform schematisch dargestellt.Es handelt sich dabei um dieselbe Situation wie in2.Diejenigen Geländebereiche, die momentan die größteKollisionswahrscheinlichkeit für das Luftfahrzeug aufweisen,sind farblich (typischerweise in Rot- bzw. Orangetönen)in entsprechenden Warnfarben601 (relativ höchsteWahrscheinlichkeit) bzw.602 und603 (fürstufenweise etwas geringere Kollisionswahrscheinlichkeiten) gekennzeichnet.Dies sind, im Falle von6, die Höhenzügeam Ende des Talkessels, auf die das Flugzeug momentan zufliegt.Dagegen werden die wesentlich höheren Geländeerhebungenim oberen Bereich der Karte (vgl.2) mit einerFarbe geringerer Kritikalität eingefärbt, da sieaufgrund ihrer Entfernung momentan eine deutlich geringere Bedrohung fürdas Luftfahrzeug darstellen.In 6 an example of the terrain representation according to the invention in map form is shown schematically. It is the same situation as in 2 , Those terrain areas that presently have the greatest collision probability for the aircraft are colored (typically in shades of red or orange) in corresponding warning colors 601 (relatively high probability) or 602 and 603 (for gradually slightly lower collision probabilities). These are, in the case of 6 , the ridges at the end of the basin on which the aircraft is currently flying. By contrast, the much higher terrain elevations in the upper area of the map (cf. 2 ) are colored with a color of lower criticality because they presently represent a much smaller threat to the aircraft due to their distance.

6 machtdeutlich, dass durch die erfindungsgemäße Darstellungdie Aufmerksamkeit des Piloten auf die aktuell kritischen Geländebereichegelenkt wird. Er wird insbesondere nicht abgelenkt durch die Anzeige/Markierungvon Geländebereichen, die zwar eine größereAbsoluthöhe aufweisen, für die momentane Flugsituationjedoch von untergeordneter Bedeutung sind. 6 makes it clear that the attention of the pilot is directed to the currently critical terrain areas by the representation of the invention. In particular, it is not distracted by the display / marking of terrain areas which, although having a greater absolute height, are of subordinate importance for the current flight situation.

Einweiteres Beispiel für die erfindungsgemäßeKartendarstellung zeigt7. Es handelt sich dabei umdieselbe Situation wie in3. Mit derkritischsten Warnfarbe701 eingefärbt sind nurdie höchsten Kämme des Höhenzugs am linkenRand des Talkessels auf den das Flugzeug zudreht. Mit einer stufenweiseweniger kritischen Farbkodierung702,703 istein Großteil des linken Talkesselrandes gemäß derPrädiktion des Flugpfades koloriert. Diese erfindungsgemäßeFarbgebung soll den Piloten vor den tatsächlich bedrohlichenGeländebereichen situationsabhängig warnen.Another example of the map display according to the invention shows 7 , It is the same situation as in 3 , With the mostcritical warning color 701 only the highest crests of the ridge on the left edge of the basin on which the aircraft turns are dyed. With gradual lesscritical color coding 702 . 703 a large part of the left basin edge is colored according to the prediction of the flight path. This color scheme according to the invention is intended to warn the pilot of the actually threatening terrain areas depending on the situation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - US 5555175A[0035]US 5555175A[0035]
• - DE 19709097 A1[0035]- DE 19709097 A1[0035]
• - US 2007/0055418 A1[0035]US 2007/0055418 A1[0035]
• - EP 1369665 A2[0035]- EP 1369665 A2[0035]

Claims (7)

Translated fromGerman

Verfahren zur Darstellung des überflogenen Geländesauf einem Anzeigegerät an Bord eines Luftfahrzeugs,dadurchgekennzeichnet, dass – für die dargestelltenGeländepunkte jeweils die momentanen Wahrscheinlichkeitenfür eine Kollision des Luftfahrzeugs mit diesen Geländepunktenberechnet werden, und – die dargestellten Geländepunktein Abhängigkeit von der zugeordneten Kollisionswahrscheinlichkeit koloriertwerden.A method for displaying the overflown terrain on a display device on board an aircraft,characterized in that - for the terrain points shown each time the current probabilities for a collision of the aircraft are calculated with these terrain points, and - colorized the terrain points shown in dependence on the associated collision probability become.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Kollisionswahrscheinlichkeit auf der Basis von geometrischenGeländeparametern sowie physikalisch/flugdynamischen Kenngrößen desLuftfahrzeugs berechnet wird.Method according to claim 1, characterized in thatthat the collision probability on the basis of geometricTerrain parameters as well as physical / flight dynamic characteristics of theAircraft.Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass für die Berechnung der Kollisionswahrscheinlichkeitzusätzlich die aktuellen meteorologischen Bedingungen berücksichtigtwerden.Method according to claim 2, characterized in thatthat for the calculation of the collision probabilityadditionally takes into account the current meteorological conditionsbecome.Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,dass für die Berechnung der Kollisionswahrscheinlichkeitzusätzlich die Kenngrößen einer Flugpfadprädiktionberücksichtigt werden.Method according to claim 2 or 3, characterizedthat for the calculation of the collision probabilityIn addition, the characteristics of an air path predictionbe taken into account.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Geländedarstellung inKartenform erfolgt.Method according to one of the preceding claims,characterized in that the terrain representation inCard form takes place.Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Geländedarstellung ineiner räumlich-perspektivischen Darstellung erfolgt.Method according to one of the preceding claims,characterized in that the terrain representation ina spatial-perspective representation takes place.Vorrichtung zur Geländedarstellung, aufder das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprücheimplementiert ist.Device for terrain display, onthe method according to any one of the preceding claimsis implemented.

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