DE2634190C2 - Einrichtung zur Kollisionsverhütung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung geht aus von Einrichtungen zur Kollisionsverhütung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.

Es sind bereits eine Anzahl von Kollisionsverhüiungssystemen bekannt die eine Abschätzung für die gewöhnlich mit TAU bezeichnete Zeit liefern, in der unter den herrschenden Umständen eine Kollision zu erwarten ist Solche Systeme werden vor allem für die Verhütung von Kollisionen zwischen Flugzeugen benötigt und die folgenden Ausführungen werden sich daher in erster Linie auf dieses Anwendungsgebiet beziehen. KoIIisionsverhütungssysteme können jedoch auch dazu verwendet werden, eine Kollision zwischen anderen Fahrzeugen, wie Schiffen, zu verhindern oder zwischen einem Fahrzeug und einem mit einer entsprechenden Ausrüstung versehenen Hindernis.

Bei den bekannten Kollisionsverhütungssystemen wird im allgemeinen die Entfernung ->. ischen dem eigenen Flugzeug und dem Fremdftugzeiig gemessen und die Entfernungsänderung oder radiale Annäherungsgeschwindigkeit gemessen oder errechnet TA U ist einfach die Entfernung geteilt durch die Entfernungsänderungsgeschwindigkeit und wenn TAU einen vorgegebenen Wert beispielsweise 20 Sekunden, unterschreitet wird es im allgemeinen erforderlich sein, ein Ausweichmanöver zu vollführen.

Um von einem Flugzeug aus Hochfiequenzmessungen der Entfernungsänderung durchführen zu können, sind im allgemeinen Zweiweg-Übertragungen zwischen dem eigenen Luftfahrzeug und jedem fremden Luftfahrzeug in dem interessierenden Bereich nötig, was zu dem sogenannten N²-Problem, d.h. einer gegegenenfalls übermäßigen Verkehrsdichte führt Messungen vom Boden aus erfordern Datenubertragungenan zumindest jedes sich einer Kollisionssituation näherndes Luftfahrzeug und sind unter gewissen Bedingungen mit untragbar großen Fehlern behaftet

Es sind auch bereits Annäherungsanzeige- oder Wahlsysteme bekannt, die mit den Signalen des existierenden, genormten Luftverkehrskontroll-Radarbakensystem (ATCRBS) arbeiten und dadurch mit einem Minimum an oder ganz ohne Zweiweg-Bord-Bord-Übertragungen auskommen, siehe z. B. die US-PSen 36 26 411, 37 35 403, 37 57 324, 38 58 210, 38 58 211, 38 75 570.

Diese Systeme nützen das ATCRBS-Signalformat und die Eigenschaften der azimutalen Abtastung eines Überwachungssekundärradars (SSR) aus, die in der ganzen Welt genormt sind, ohne daß dadurch die derzeitigen Funktionen dieser Systeme beeinträchtigt oder zusätzli "heFrequenzen erforderlich sind.

Ein Annäherungs- oder besser Nähe-Warnsystem spricht auf die Exktenz einer Nähesituation und nicht auf eine potentielle Nähesituation an. Der geschützte Luftraum, d. h. das das eigene Luftfahrzeug umgebende Volumen, innerhalb dessen ein Fremdluftfahrzeug als in der Nähe befindlich angesehen wird, muß daher groß genug sein, um geeignete Maßnahmen treffen zu können, bevor eine tatsächlich gefährliche Annäherung eintreten kann. Näheanzeigesysteme stellen keine Bedrohung fest, sondern überlassen dies dem Piloten. Das erforderliche Volumen muß so groß sein, daß es zumindest gelegentlich auch fremde Luftfahrzeuge einschließt, die sich mit solchen Kursen und/oder relativer Geschwindigkeit fortbewegen, daß keine Gefahr einer Kollision mit dem eigenen Luftfahrzeug besteht. Solche

Luftfahrzeuge erzeugen also unerwünschte Annäherungswarnungen und dies häufig, wenn es am meisten stört.

Der vorlk„snden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auftreten solcher falscher Nähemeldungen oder Alarme weitestgehend zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 oder 4 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung werden basierend auf den in den oben angegebenen Patenten beschriebenen Verfahren an der eigenen Station differentielle Azimutinformation und differentielle Signalankunftszeit-Information (TOA-Information) bezüglich jedes anderen transponderbestückten Luftfahrzeuges oder anderen möglichen Hindernisses gewonnen, die innerhalb eines von einer SSR-Station ausgehenden vorgegebenen Azimutsektors liegen. Wenn sich die eigene und die fremde Station innerhalb des Dienstbereichs einer oder mehrerer zusätzlicher SSR-Stationen befinden, kann mit Vorteil ähnliche Information auch von allen oder den meisten dieser Stationen gewonnen werden.

Da jeder SSR-Station ein anderer Pulscode (Impulswiederholungscharakteristik) und eine andere Strahlungskeulenumlaufperiode zugeordnet sind, lassen sich die von jedem speziellen Radar erhaltenen Daten identifizieren und von entsprechenden Daten unterscheiden, die von einer anderen Station stammen. Luftfahrzeug-Antwortsignale liefern ähnliche Impulswiederholungsoder PRP-Merkmale, wodurch jede Antwort der sie hervorrufenden Radar- oder SSR-Station zugeordnet werden kann. In entsprechender Weise können alle Daten die bezüglich der verschiedenen transponderbestückten Fremdstationen erhalten werden, in entsprechender Weise mit dem zugeordneten Identitätsantwortcode und/oder irgend einer anderer, geeigneter. Eigenschaft der Antwort der Fremdstation identifiziert werden, z. B. deren relativen Positionsparametern.

Die Azimutdifferenz, die hier mit A bezeichnet werden soll, die Ankunftszeitdifferenz, die mit Tbezeichnet werden soll, und vorzugsweise auch die mit H bezeichnete Höhendifferenz bezüglich jedes anderen Transponders innerhalb des vorgegebenen Azimutsektors von jeder speziellen SSR-Station werden alle P Sekunden auf den neuesten Stand gebracht, wenn die Hauptstrahlungskeule den betreffenden Sektor überstreicht; P ist dabei die Umlaufperiode der Strahlungskeule und beträgt gewöhnlich 4 bis 10 Sekunden.

Bezeichnet man die letzte Azimutdifferenz bezüglich einer speziellen fremaen Transponderstation mit A_n und die unmittelbar vorangegangene, PSekunden früher ermittelte Azimutdifferenz mit.A„_i,so ist:

TAU,=

PA_n

A„-\- A.

Wenn A abnimmt, ist TAUa positiv und eine Voraussage der Zeitspanne, die verstreichen muß, bis A zu Null wird. Wenn A zunimmt, ist TAU_A negativ und dies bedeutet, daß A bei den derzeitigen Verhältnissen nie zu Null werden kann.

In entsprechenderweise können TAU_Tund TAU_a(üt jede andere interessierende Transponderstation für jede gewünschte und verfügbare SSR-Station ermittelt werden. Bei idealisierten geometrischen Kollisionsverhältnissen kann erwartet werden, daß alle TAU-Werte für eine spezielle Fremdslation gleich sind und anzeigen, daß A, Tund //zum selben Zeitpunkt Null werden, d. h.

daß sich die eigene und die fremde Station nach dem Verstreichen der Zeit TAU an derselben Stelle im Raum befinden werden. Da die A- und T-Koordinaten nichtlinear sind und da systematische Fehler nie ausgeschlossen werden können, sind die TAU-Wcrte seilen genau gleich, selbst wenn eine Kollision unmittelbar bevorsteht. Wenn man jedoch die TAU-Werte unter Berücksichtigung der maximal zu erwartenden Systemfehler bestimmt, zeigt es sich, daß das maximale und nicht das &iacgr;&ogr; minimale TAU die bessere Zeitvoraussage darstellt. Ks kann nie größer als die wahre Zeitspanne bis zu einer etwaigen Kollision sein und ist im allgemeinen auch nicht wesentlich kleiner. Wenn man die ganze geeignete und verfügbare TAU-Information bestimmt und erfindungsgemäß den größten Wert auswählt, werden l'chlalarme ohne Einbuße an Sicherheit weitestgehend vermieden. Das System kann völlig passiv arbeiten und erfordert keine anderen Funkübertragungen ais sie bereits für andere Zwecke vorhanden sind oder kann mit anderen aktiven oder halbaktiven Systemen zur Unterstützung oder Ausscheidung falscher Alarme kombiniert werden.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren und Einrichtungen zur Kollisionsverhütung oder Kollisionsvorwitrnung werden also für die geschützte Station oder das geschützte Fahrzeug TAU-Daten bezüglich der Azimut- und/öikr TOA- Differenz von genormten ATCRB-Abfragen und -Antworten gewonnen und das größte, einer Annäherung entsprechende TAU-Signal von einer eine Gefahr darstellenden Fremdsiation ausgewählt und dadurch eine zuverlässige Warnung erzeugt, während gleichzeitig Falschalarme weitestgehend vermieden werden. Ein weiteres Kriterium steht in Form entsprechend verarbeiteter Höhendifferenzinformation zur Verfügung. In einem von mehreren SSR-Stationen erfaßten Bereich können zusätzliche Sätze von TAU-Werten ermittelt und eine weitere Unterscheidung gegenüber falschen Alarmen erreicht werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Rg. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Rg. 2 eine graphische Darstellung der geometrischen Verhältnisse einer beispielsweisen Situation im Luftraurn, auf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Rg. 1 Bezug genommen wird und

Rg. 3 ein mehr ins Einzelne gehendes Blockschallbild einer speziellen Ausführungsform eines Signalklassifizierers und TAU-Rechners für die Einrichtung gemäß Fig. 1.

Die Einrichtung an der eigenen Station, typischerweise an Bord eines Luftfahrzeuges oder anderen Fahrzeuges, enthält, wie in Rg. 1 dargestellt ist, typischerweise einen Standard-ATCRBS-Transponder für den Empfang von Abfragesignalen, die durch die üblichen SSR-Stationen auf 1030 MHz abgestrahlt werden, und zum Senden entsprechender Antwortsignale auf 1090 MHz. Der Transponder 1 ist so ausgebildet, daß er als Reaktion auf jede empfangene Abfrage und zwar in einer bestimmten zeitlichen Beziehung bezüglich des Pj-Impulses der Abfrage, einen Ausgangsimpuls liefert. Es ist ferner ein 1090-MHz-Empfänger 2 vorgesehen, um die Antwortsignale von etwaigen anderen Transpondern im b5 Bereich zu empfangen, die als Antwort auf die SSR-Abfragen gesendet werden. Der Empfänger 2 liefert Ausgangsimpulse entsprechend diesen Antworten.

Die Ausgangssignale des Transponders 1 und des

Empfängers 2 werden einer Signalklassifizier- und TAU-Rechnereinheit 3 zugeführt, die weiter unten noch näher erläutert werden wird und die empfangenen Signale auf der Basis der Identifizierungscode der Fremdtransponder und der Sekundärradarstation oder -Stationen diese Antworten auslösen, in Gruppen aufteilt. In der F;^heit 3 werden auch für jeden Fall die Azimutdifferenz A, die Ankunftszeitdifferenz &Ggr; und die SSR-Um-Inufpcriode bestimmt sowie die entsprechenden TAU-Wcrtc errechnet. Wenn Höhen- und/oder Schrägentfernungsinformation zur Verfügung steht, kann die Einheit 3 zusätzlich die entsprechenden TAU-Werte liefern.

Die TAU-Werte werden jedesmal dann auf den neuesten Stand gebracht, wenn die Hauptstrahlungskeule einer SSR-Station einen vorgegebenen Azimutsektor, der die eigene Station und die Fremdstation enthält, überstreicht. Im folgenden soll folgende Vereinbarung hinsichtlich des Vorzeichens von TAI) getroffen werden: Wenn ein Parameter abnimmt, ist der entsprechende TA U-Wert positiv, was bedeutet, daß bezüglich des betreffenden Parameters eine Annäherung der eigenen und der Fremdstation stattfindet. Ein negatives TAU bedeutet, daß sich die eigene und die Fremdstation hinsichtlich der betreffenden räumlichen Koordinate zunehmend weiter voneinander entfernen.

Die errechneten TAU-Werte, die jeweils entsprechend den Identitätssignaler markiert sind, welche von dem Fremdtransponder, von dem diese Signale stammen, ausgesendet worden waren, werden jeweils entspre tiend dem neuesten Stand in eine Vergleicher- und Auswähleinheit 4 übertragen. Die binheit 4 enthält eine Speichervorrichtung, wie digitale Register und durch die Identitätssignale steuerbare Torschaltungen, um die sich auf die jeweiligen identifizierten Transponder beziehenden TAU-Werte zu Gruppen zusammenzufassen und die TAU-Werte jeder Gruppe miteinander zu vergleichen. Wenn irgend ein TAU-Wert einer Gruppe negativ ist, wird die ganze Gruppe verworfen. Wenn dagegen alle TAU-Werte einer Gruppe positiv sind, wird durch eine Auswählvorrichtung der größte TAU-Wert ausgewählt und ein diesem Wert entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal, das mit TAUk.„&agr;, bezeichnet werden soll, wird einem Schwellwertdetektor 5 zugeführt

Der Schwellwertdetektor ist ein Zweiwertvergleicher, der ein Ausgangssignal auf einer Leitung 6 erzeugt, wenn TAU_+nNX unter einen vorgegebenen ersten Wert K 1 fällt und ein Ausgangssignal auf einer Leitung 7 liefert wenn TAU+_milx unter einen zweiten, kleineren Wert K 2 fällt Das Ausgangssignal auf der Leitung 6 steuert eine Vorwarnanzeigevorrichtung 8. Das Ausgangssignal auf der Leitung 7 steuert eine Hauptwarnodcr M anöverbefehl-Anzeigevorrichtung 9.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht die Flugwege und Flugwegvorgeschichten eines eigenen Luftfahrzeuges und mehrerer fremder Luftfahrzeuge in einer typischen Situation. Der eigene Flugweg ist durch eine Linie 21 und der Flugweg eines fremden Luftfahrzeuges ist durch eine Linie 22 dargestellt Die Luftfahrzeuge bewegen sich jeweils in der durch die Pfeilspitzen angegebenen Richtung. Zu einem anfänglichen Bezugszeitpunkt U befindet sich das eigene Luftfahrzeug an einem Punkt 23 und das fremde Luftfahrzeug ac einem Punkt 24. Der Zeitpunkt ii kann als in der Mitte eines Intervafles von etwa 50 ms angesehen werden, während dessen der Punkt 24, an dem sich das Fremdfahrzeug befindet von der Hauptstrahlungskeule einer Station SSR1 überstrichen wird. Die Strahlungskeulen aller SSR-Stationen laufen in Uhrzeigerrichtung h.u den einzelnen Stationen zugewiesenen Umlaufperioden P von etwa 4 bis 10 Sekunden um. Die der Station SSR 1 wurde von der eigenen Station vor dem Zeitpunkt i| durch Messung des Intervalles zwischen 2 oder mehr Durchgängen der Hauptkeule bestimmt. Bei der dargestellten Situation erreicht die Hauptkeule zuerst die Position 23 des eigenen Luftfahrzeugs und fragt dabei dessen Transponder 1 (Fig. 1) ab, dann erreicht die Strahlungskeule die Position 24 des

to Fremdflugzeuges und fragt dessen Transponder ab. Die Antworten des Transponders des Fremdflugzeuges werden vom 1090-MHz· Empfänger 2 der eigenen Station empfangen.
Die vom 1030-MHz-Empfänger des eigenen Transponders 1 empfangenen Abfragen werden im Transponder decodiert und ergeben eine Impulsfolge oder einen Impuls aus 20 bis 30 Alisgangsimpulsen entsprechend den verschiedenen Abfragenachriehten während des Durchganges dsr SSR-Strahlungskeule. Diese Antwortimpulse dienen zur Auslösung einer 15-Bit-SSR-Antwortnachricht und haben dieselbe Impulswiederholungscharakteristik (PRC) wie sie der Station SSR 1 zugeordnet sind. Der Begriff "Charakteristik" ist hier verwendet worden, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß manchen SSR-Stationen sogenannte "gestaffelte" Impulswiederholungsperioden zugeordnet sind, d. h. daß sich die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Abfragen in einer vorgegebenen Weise bzw. entsprechend einem vorgegebenen Muster ändert. Typischerweise wird eine achtstufige gestaffelte Impulswiederholungsperiode (PRP) kontinuierlich wiederholt, so daß während der Durchgangszeit einer Strahlungskeule zwei oder mehr Messungen des Staffelungsmuster: möglich sind.

Die Antworten vom Fremdflugzeug, die vom eigenen Empfänger empfangen werden, werden in entsprechender Weise die gleiche Impulswiederholungscharakteristik (PRC) haben. Die empfangenen Antwortnachrichten werden durch die Einrichtungen in der Einheit 3 decodiert, die ähnlich wie der im SSR sein können, wobei während der Abfrage der Fremdstation durch die SSR-Strahlungskeule ein Zug oder eine Folge von 20 bis 30 Impulsantworten erzeugt wird. Durch die erwähnten Einrichtungen wird auch die Identitätsinformation in der Fremdantwort sowie die Höheninformation, soweit eine solche verfügbar ist decodiert

Das Intervall zwischen der Folge der Antwortimpulse vom 1030-MHz-Empfänger des Transponders 1 und der zugehörigen Impulsfolge vom Empfänger 2 wird in der Einheit 3 gemessen. Dieses Intervall, geteilt durch die früher bereits gemessene Strahlungskeulen-Umlaufperiode P ist ein Maß der Azimut-Differenz A zwischen dem eigenen Luftfahrzeug und dem betrachteten Fremdflugzeug. In Fig. 2 ist der Wert von A zum ZeitpunktiimitAl bezeichnet

Während des nächsten Umlaufes der Radarstrahlungskeule bewegt sich das Fremdflugzeug vom Punkt 24 zum Punkt 26. Der Zeitpunkt in dem die Mitte der Strahlungskeule den Punkt 26 trifft ist mit fc bezeichnet und etwa PSekunden später als ii. Zu diesem Zeitpunkt hat sich das eigene Luftfahrzeug vom Punkt 23 zum Punkt 25 bewegt und die Azimutdifferenz ist nun AXA ist also in etwa P Sekunden um den Betrag A 1 — A 2 kleiner geworden. Der TAt/A-Rechner in der Einheit 3 liefert eine Darstellung des laufenden Wertes von TAUa an die TAU-Vergleichs- und Auswahleinheit 4. Dies gilt auch für den Fall, daß eine Station stationär ist Die Ausgangsimpulsnachrichten vom Transponder 1,

die auftreten, während die Radarstrahlungskeule über die eigene Position streicht, werden in der Einheit 3 zur Synchronisation eines Bezugsimpulsgenerators verwendet, der während der ganzen Umlaufperiode weiter arbeitet und Bezugsimpulse im gleichen PRC-Muster liefert. Jeder identifizierte F2-Impuls in einer durch den Empfänger 2 empfangenen Antwort des Fremdflugzeuges wird bezüglich eines entsprechenden Bezugsimpulses um einen Betrag verzögert, der ein Maß für die Eintreffzeitdifferenz &Ggr; ist, und kann als "Antwortmarkierungsimpuls" bezeichnet werden.

Be' der in Fig. 2 dargestellten Situation ist das Fremdflugzeug um eine Strecke X1 weiter von der SSR-Station entfernt als das eigene Luftfahrzeug und empfängt die jeweiligen Abfragen um ein Zeitintervall X Mc später als das eigene Flugzeug, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Hochfrequenzsignale bedeutet. Die Schrägentfernung R zwischen dem eigenen und dem Fremdflugzeug ist im Zeitpunkt fi gleich Vl. Die Antwort des Fremdflugzeuges benötigt noch eine zusätzliehe Zeitspanne Y Mc, um das eigene Flugzeug z-j erreichen. Die algebraische Summe dieser Intervalle ist T. X kann als negativ angesehen werden, wenn sich das Fremdflugzeug näher an der SSR-Station befindet als das eigene Flugzeug.

Bei dem vorliegenden Beispiel Tim Zeitpunkt fi den Wert T1. X 2 und Y2 sind die Werte der Abstandsdifferenz von der SSR-Station und der Schrägentfernung R im Zeitpunkt /₂. Es ist ersichtlich, daß beide im Intervall zwischen f_t und t₂ kleiner geworden sind und T2 ist daher kleiner als Ti. Der TAUj-Rechner in der Einheit 3 (Fig. 1) liefert eine Darstellung des laufenden Wertes von TAUt, der dem TAU-Vergleicher in der Einheit 4 zugeführt wird.

Betrachtet man für den Augenblick nur die Parameter A und 7"und nimmt man an, daß die Flugwege 21 und 22 des eigenen und Fremdflugzeuges in Fig. 2 gleiche Höhen haben, so konvergieren die Flugwege zu einem außerhalb des in Fig. 2 dargestellten Bereiches liegenden Schnittpunkt, an dem eine Kollision eintreten würde. TAU.\ ist eine quantitative Vorhersage der Zeit, die erforderlich ist, bis A zu Null wird, d. h. daß das eigene und das Fremdflugzeug sich dann auf derselben Radiallinie bezüglich der SSR-Station 1 befinden. TAU_A stellt daher ein Maß für die Kollisionsgefahr dar.

Nimmt man nun an, daß das Fremdflugzeug nicht auf dem durch die Linie 22 dargestellten Kurs sondern auf einem durch eine gestrichelte Linie 27 dargestellten Kurs fliegt. Im Zeitpunkt t₂ wird sich dann das Fremdflugzeug an einem Punkt 26a anstatt am Punkt 26 befinden. A 2 hat dann offensichtlich den gleichen Wert wie bei dem vorhergehenden Beispiel und auch TAUk wird daher gleich sein und eine mögliche Kollision in beispielsweise 30 Sekunden anzeigen.

Sowohl die Abstandsdifferenz X 2' von der Station SSR1 a!s auch die Schrägentfernung YV sind jedoch größer als Xt bzw. Kl und TAUt ist im Zeitpunkt t₂ negativ, was anzeigt, daß keine Kollisionsgefahr besteht, was sich aus der Tatsache ergibt, daß der Kurs 27 des Fremdflugzeuges und der Kurs 21 des eigenen Flugzeuges auseinanderlaufen.

Wie oben bereits erwähnt wurde, hat das negative Vorzeichen von TAU₇ zur Folge, daß alle TAU-Werte der zugehörigen Gruppe verworfen werden. Dies ka.in einfach dadurch geschehen, daß man die VergJeicher- und Auswähleinheit 4 in Fig. 1 einfach so auslegt, daß sie beim Auftreten eines negativen TAU-Wertes ein TAU-na\-Ausgangssignal liefert, das wesentlich über dem oberen Schw;!lenwcrt K 1 liegt.

Es ist auch ohne zusätzliche Darstellung leicht einzusehen, daß wenn die Kurve 21 und 22 nahezu parallel aber immer noch konvergent wären, A zu Null werden kann, lange bevor 7den Wert Null erreicht, d.h. daß TAUa wesentlich kleiner als TAUt sein kann. Da keine Kollision möglich ist, bevor das größere TAUi sich dem Wert Null nähert, ist der Grund der Auswahl des größeren positiven TAU-Weries offensichtlich.

Sowohl TAUa als auch TAUtkönnen zu Null werden, obwohl wirklich keine Kollisionsgefahr besteht, wenn das Fremdflugzeug auf einem Kurs fliegt, der eine Linie zwischen dem eigenen Flugzeug und der SSR-Station kreuzt, wie den in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie 28 dargestellten Kurs. Angenommen das Fremdflugzeug erreiche den Punkt 29, wenn das eigene Flugzeug den Punkt 25 erreicht. In diesem Zeitpunkt sind dann A und &Ggr; beide gleich Null. Etwas früher werden sowohl TAU &lgr; als auch TAUr unter die Schwellenwerte K 1 unit K 2 fallen. Ein solcher Vorfall würde beim Fehlen zusätzlicher Kollisionsgefahrkriterien zu einem Fehlalarm führen. Wenn in einem solchen Fall nur eine SSR-Station zur Verfügung steht, kann man das Problem z. B. mit aktiver Entfernungsmessung lösen.

In sehr vielen Fällen wird jedoch das interessierende Gebiet von mehreren SSR-Stationen erfaßt werden und es sind dann praktisch immer zusätzliche TAUa TAUt-Kriterien verfügbar. Beispielsweise liefert eine zweite Station SSR 2 A- und T-Daten bezüglich des den Kurs 28 fliegenden Fremdflugzeuges, die wesentlich von denen verschieden sind, die die Station SSR 1 liefert, da sich die SSR-Stationen an verschiedenen Orten befinden und die Situation von verschiedenen Richtungen sehen. Normalerweise werden die TAU-Werte von einer SSR-Station oberhalb des Alarmschwellenwertes bleiben, während die von einer anderen Station unter diesen Schwellenwert fallen können.

Viele Luftfahrzeuge führen derzeit auch schon Geräte mit sich, die sie in die Lage versetzen, auf Abfragen der Betriebsart C in ihren Antworten die barometrische Höhe zu berichten und es ist zu erwarten, daß schließlich alle Luftfahrzeuge, die in kollisionsgefährdeten Lufträumen fliegen dürfen, mit solchen Geräten ausgerüstet werden müssen. Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dementsprechend die decodierte Höheninformation des Fremdflugzeuges, die durch den eigenen 1090 MHz-Empfänger empfangen wurde, mit der eigenen Höhe verglichen und dadurch die Höhendifferenz und Richtung oder Höhenrelation bestimmt und in der oben beschriebenen Weise verarbeitet um einen 7>\L/-Wert als Bedrohungskriterium zu erzeugen. TAUh wird dann mit TAUa und/oder TAUt verglichen und der größte dieser Werte wird der Beurteilung der Kollisionsgefahr zugrundegelegt Zusätzlich könnten in manchen Fällen auch direkt Schrägentfernungsdaten (R oder Y) dadurch gewonnen werden, daß das eigene Luftfahrzeug den Transponder des Fremdflugzeuges abfragt wie in den US-PSen 37 57 324, 38 58 310 und 38 75 570 beschrieben ist wobei diese Information dann in der beschriebenen Weise verarbeitet wird, um einen TA i/^-Wert als weiteres Bedrohungskriterium zu erzeugen. Auf alle Fälle werden alle verfügbaren TAU-Werte, die ein spezielles Fremdflugzeug betreffen, geprüft und wenn alle positiv sind, wird der größte mit den Schwellwerten verglichen. Jedes TAU-Kriterium wirkt als "Filter" zur Vermeidung eines Fehlalarms, der sonst unter Umständen durch eines eier anderen TAU-Kriterien verursacht werden könnte.

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Die Signalklassifizier- und TAU-Rechner-Einheit ge- In diesem Falle ist der Zähler reversibel und in bekann-

inäß Fig. 1 ist in Fig. 3 genauer dargestellt. Die Aus- ter Weise so ausgebildet, daß er rückwärts anstatt vor-

gangssignale des 1030 MHz-Empfängers des eigenen wärts zählt, wenn einer Steuereingangsklemme 312 ein

Transponders und des 1090-MHz-Empfängers worden Signal zugeführt wird, Der laufende Zählwert, der in der

entsprechenden PRC-Wahlschaltungen 301 und 302 zu- 5 Zeitgeberschaltung 311 steht, wird einem Z^hlweriver-

geführt. Die PRC-Wahlschaltungen können wie die ent- gleicher 313 zugeführt. Der Zählwer'.vergleicher erhält

sprechenden Vorrichtungen ausgebildet sein, die in den ferner von der ZeitgeberschaHung 307 über eine Telier-

SSR-Bodenstationen verwendet werden, um die AnU schaltung 314 mit dem Teilungsfaktor 2 einen Zählwert,

wort auf die eigenen Abfragen auszusondern und sie der der Hälfte des SSR-UmlaufintervallesPentspricht.

können einjustierbar oder verstellbar sein, um jede ge- io Wenn die beiden Zählwerte gleich werden und der

wünschte SSR-Wiederholungscharakteristilt auswählen Vergleicher 313 ein Signal erzeugt, wird der Zähler in

zu können. der Zeitgeberschaltung 311 auf Rückwärtszählen ge-

Das Ausgangssignal der PRC-Wahlschaltung 301 schaltet und bleibt in diesem Betriebszustand, bis er

wird einem Hüllkurvendemodulator 303, einem PRC- durch den nächsten Impuls vom Hüllkurvendemodula-

Generator 304 und einer Datenspeicher- und Wiederge- 15 tor 309 angehalten wird. Das Ausgangssignal der Zeit-

winnungs- oder Leseschaltung 305 (in folgenden kurz geberschaltung 311 stellt, vorzugsweise in digitaler

"Speicher") zugeführt. Der PRC-Generator erzeugt Im- Form, die Differenz A zwischen den Azimutwinkeln des

pulso, die mit denen im Ausgangssignal der PRC-Wähl- eigenen Luftfahrzeuges und des Fremdflugzeuges dar.

scnaitung 3öi synchronisiert sind, wenn soiche impuise Diese Daten einschließlich der Zähirichtung werden

vorliegen, d. h. wenn die gewählte SSR-Strahlungskeule 20 dem Speicher 305 zugeführt

auf das eigene Luftfahrzeug gerichtet ist und dement- Die Ausgangssignale der PRC-Wählschaltung 302

sprechend den eigenen Transponder abfragt. Der PRC- und des PRC-Generators 304 werden der Start- bzw.

Generator 304 liefert die Impulse auch dann noch wei- Stopp-Klemme eines Intervallzeitgebers 315 über die

ter, wenn keine Abfrage durch die Hauptstrahlungskeu- Azimuttorschaltung 310 zugeführt, die so ausgeführt

Ie stattfindet, er wird jedesmal dann mit der SSR-Station 25 sein krfnn, wie es in der US-PS 37 35 408 beschrieben ist.

synchronisiert, wenn die umlaufende Strahlungskeule Der Zeitgeber 315 ist für die Bestimmung von kürzeren

den eigenen Azimutort überstreicht, so daß sich mit sehr Zeitintervallen bis beispielsweise 100 Mikrosekunden

guter Näherung eine Nachbildung von Referenzimpul- ausgelegt und ist im übrigen ähnlich wie die Zeitgeber-

sen ergibt, die am Ausgang der r RC-Wählschaltung 301 schaltungen 307 und 311. Sein Ausgangssignal stellt die

auftreten würden, wenn der eigene Transponder wäh- 30 Eintreffzeitdifferenz T zwischen einem Impuls vom

rend der ganzen Umlaufperiode der gewählten SSR- PRC-Generator 304, der eine empfangene Abfrage dar -

Station von dieser ununterbrochen abgefragt würde. Ei- stellt oder simuliert und einer entsprechenden Antwort

ne andere Möglichkeit besteht darin, die PRC-Signale vom Fremdflugzeug dar. Diese Daten werden ebenfalls

mit den ungerichtet abgestrahlten SLS-Signalen zu syn- dem Speicher305 zugeführt

chronisieren, wie es in der US-PS 38 58 210 beschrieben 35 Das Ausgangssignal der PRC-Wählschaltung 302

ist wird ferner einem Höhendecodierer 316 und einem

Der Hüllkürvendeiiiodulator 301 liefert einen einzi- Idcntitätsdecodierer 3!7 zugeführt, die ähnlich wie die gen, vorzugsweise längeren Impuls in Antwort auf jeden entsprechenden Antwortdecodierer in einer SSR-Sta-Impulszug, den die PRC-Wählschaltung liefert, während tion ausgeführt sein können. Die Höhe des eigenen Luftder eigene Transponder abgefragt wird. Dieser Impuls 40 fahrzeuges wird durch einen Höhenmesser 318 begelangt zum Speicher 305 und wird ferner unmittelbar stimmt und in bekannter Weise mit den Höhendaten des einer Stopp-Eingangsklemme sowie über eine Verzöge- Fremdflugzeuges vom Decodierer 316 in einem Vergleirung 306 einer Start-Eingangsklemme eines Intervall- eher 319 verglichen, um ein Ausgangssignal i-Atsprezeitgebers 307 zugeführt. Der Zeitgeber 307 kann so chend der Höhendifferenz H zwischen dem eigenen ausgebildet sein, wie es in Fig. 6 in der US-PS 37 57 324 45 Luftfahrzeug und dem Fremdflugzeug und der Richtung beschrieben ist Jeder Impuls hält den Zeitgeber an und (oberhalb bzw. unterhalb) zu erzeugen. Dieses wird veranlaßt ihn ein Ausgangssignal abzugeben, das die ebenfalls dem Speicher 305 zugeführt. Der Speicher entseit dem letzten Eingangsimpuls verstrichene Zeit dar- hält ferner die Identitätssignale des Fremdflugzeuges, stellt, anschließend setzt der Impuls den Zeitgeber wie- die durch den Decodierer317 geliefert werden, der in Betrieb, so daß das nächste Intervall gemessen 30 Der Speicher 305 enthält eine Anzahl von Speicherwerden kann. Das Ausgangssignal des Zeitgebers 307 vorrichtungen, vorzugsweise digitale Register, und Einstellt, vorzugsweise in digitaler Form, die 360° -Umlauf- gangstorschaltungen, die in bekannter Weise geschaltet periode P der gewähren SSR-Station dar. sind, um die Eingangsdaten zu Gruppen von Speicher-

Die PRC-Wählschaltung 302 wird zusammen mit der platzen oder Adressen zu leiten, die entsprechend der Wählschaltung 301 verstellt, wie durch eine Linie 308 55 Identität des Fremdflugzeuges, die durch den Decodie-

angedeutet ist Ihr Ausgangssignal wird einem Hüllkur- rer 317 bestimmt worden ist, zugeordnet sind. Um dem

vendemodulator 309, einer Azimut-Torschaltung 310 üblichen Fall einer Erfassung durch mehrere SSR-Sta-

für einen erweiterten Azimutbereich, und dem Speicher tipnen Rechnung zu tragen, sind Vorkehrungen getrof-

305 über einen Identitätsdecodierer zugeführt Der fen. um die Adressengruppen in Untergruppen aufzutei-

Hüllkurvendemodulator 309 ist wie der Hüllkurvende- 60 len, die den entsprechenden SSR-Stationen zugeordnet

modulator 303 ausgebildet und liefert ein Ausgangssi- sind, welche durch ihre mittels der PRC-Wählschaltung

gnal an die Stopp-Eingangsklemme einer Intervallzeit- 301 bestimmte Impulswiederholungscharakteristika

geberschaltung 311. Der Start-Eingangsklemme der identifiziert werden.

Zeitgeberschaltung 311 wird das gleiche Eingangssignal Die Daten betreffend jedes einzelne identifizierte

zugeführt wie der der Zeitgeberschaltung 307. 65 Fremdflugzeug werden nach Anfall bei jedem Umlauf

Die Zeitgeberschaltung 311 entspricht im wesentli- der Strahlungskeule der zugeordneten SSR-Station auf

chcn der Zeitgeberschaltung 307 mit einer Anordnung den neuesten Stand gebracht Die entsprechenden Da-

zum Zählen von Taktimpulsen während ihres Betriebes. ten, die vorher gespeichert worden waren, werden her-

ausgelesen und einem entsprechenden TAU-Rechner zugeführt wie dem &Ggr;&Lgr;&iacgr;/4-Rechner, der im unteren rechten Teil der Rg. 3 genauer dargestellt ist

Der &Ggr;&Lgr;&iacgr;/4-Rechner enthält Subtrahiervorrichtungen 320 und 321, eine MiJtipliziervorrichtung 322, eine Addiervorrichtung 323 sowie eine Dividiervorrichtung 324, die in der dargestellten Weise verbunden sind. Der Subtrahiervorrichtung 320 werden die laufenden A-Daten, die mit A_n bezeichnet werden sollen, zugeführt wie sie im Speicher 305 gespeichert sind, und die entsprechenden vorher gespeicherten .&Agr;-Daten, die mit A_n-1 bezeichnet werden sollen. Die A_n-Daten werden ferner der Subtrahiervorrichtung 321 zugeführt wo von ihnen eine vorgegebene Größe E_A abgezogen wird, die den maximal wahrscheinlichen Fehler hinsichtlich der Bestimmung von A darstellt Beim derzeitigen Stand der Technik kann Ea etwa 0,25° entsprechen.

Das Ausgangssignal A_n — Ea der Subtrahiervorrichtung 321 wird der Multipliziervorrichtung 322 zugeführt, die außerdem eine Darstellung der Umlaufperiode P der zugehörigen SSR-Station von der IntervaH-Zeitgeberschaltung 307 erhält Das Ausgangssignal des Multiplizierers 322, das die Größe P(A_n -ea) darstellt, wird der Dividiervorrichtung 324 als Zählerwert zugeführt

Das Ausgangssignal der Subtrahiervorrichtung 320, das die Größe (A_n-, — A_n) darstellt wird der Addiervorrchtung 323 zugeführt, wo es um eine Größe £m vergrößert wird, welche den maximalen wahrscheinlichen Fehler bei der Bestimmung der Änderung der Azimutdifferenz während der Periode P darstellt Diese Größe kann mit 0,5° angenommen werden. Das Ausgangssignal (A_n-, — A_n + E&a) der Addiervorrichtung 323 wird der Dividiervorrichtung 324 als Nennerwert zugeführt _

Das Quotienten-Ausgangssignai der Dividiervorrichtung 324 stellt die Größe

Einheit 4 zu erzeugen. Geeignete Werte für die Fehlerzuschläge /iWund E,//sind 500 Fuß bzw. 100 Fuß.

In manchen Fällen, wie sie z. B. in der US-PS 38 58 214 diskutiert werden, sind Daten hinsichtlich der direkten Schrägentfernung Y zwischen dem eigenen und dem Fremdflugzeug verfügbar. Eine Einrichtung, die solche Daten liefert, ist in Flg. 3 schematisch durch einen Block 327 dargestellt Die Entfernungsdaten werden dem Speicher 305 und einem TA {/»-Rechner 328 zugeführt in dem sie in der gleichen Weise verarbeitet werden, wie die A-, T- und //-Daten, um einen weiteren Parameter zur Feststellung des Vorliegens einer Gefahr einer Kollision zur Verfügung zu haben.

_n-I- A„+Ej

dar, die eine Abschätzung von TA U_A ist, also der Zeit, die A braucht um Null zu werden, wobei möglichen Fehlern hinsichtlich der relativen Azimutwerte des eigenen und des Fremdflugzeuges Rechnung getragen ist. Man sieht, daß TAU.\ ein positives Vorzeichen hat, wenn A abnimmt, d. h. wenn sich die Azimutwinkeldifferenz zwischen dem eigenen und dem Fremdflugzeug verringert und daß den möglichen Fehlern so Rechnung getragen ist daß die Abschätzung im Falle eines Fehlers auf der kleineren Seite liegt. Das errechnete TAUa wird jedesmal wenn neue &Agr;-Daten verfügbar werden, auf den neuesten Stand gebracht und der TAU-Vergleicher und Wählschalter 4 (Fig. 1) zugeführt wie oben beschrieben wurde. Gewünschtenfalls können mehrere, z. B. fünf oder mehr aufeinanderfolgende Werte gespeichert bzw. gemittelt werden, um die Datenwerte in bekannter Weise zu glätten.

Ein TA &iacgr;&Lgr;-Rechner 325, der wie der &Ggr;&Agr; &iacgr;&Lgr;,-Rechner aufgebaut sein kann, erhält Eingangssignale, die T_n, T_n-1. 7"und Fehlerzuschläge Erund &Egr;\&tgr;darstellen. Er arbeitet wie der TA U.\-Rechner und liefert periodisch auf den neuesten Stand gebrachte &Tgr;&Lgr;&iacgr;&Lgr;-Eingangssignale für die Vergleicher- und Wähleinheit 4. Typische Werte für E1 und £■,/ sind zwei MikroSekunden bzw.0,2 Mikro-Sekunden. In ähnlicher Weise werden einem TAUir Rechner 326 entsprechende, auf H bezogene Eingangssignale zugeführt um ein TAUwEingangssignal für die Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Kollisionsverhütung zwischen einer eigenen Station und einer fremden Station mit

a) einem Transponder (1) zum Empfangen von Abfragenachrichten, die von einer ausgewählten SSR-Station (SSR 1) abgestrahlt worden sind;

b) einem Empfänger (2) zum Empfangen von &igr; &ogr; Antwortnachrichten, die von einer transponderbestückten fremden Station als Antwort auf solche Abfragenachrichten abgestrahlt wurden;

c) einer Schaltung (PRC-Wählschaltung 302) zum Identifizieren der fremden Station aufgrund ihrer Antwortnachrichten;

d) einer Schaltung (PRC-Wählschaltung 301) zur Identifizierung der die Antwortnachrichten auslösenden SSR-Station aufgrund ihrer Impulswiederholungscharakteristika;

e) einer Schaltung (Intervallzeitgeber 311 bzw. 315) zum Bestimmen von Daten bezüglich des Positionsunterschiedes zwischen der identifizierten fremden Station und der eigenen Station zumindest hinsichtlich der Azimut- und/ oder Nachrichtenempfangszeitkoordinaten der identifizierten SSR-Station aufgrund der zeitlichen Beziehungen zwischen den empfangenen At.'ragenachrichten und den empfangenen Antwortnachrfchten, &idiagr;-rd

f) einer Recbneranordnung (TAU-Rechner 320—324 bzw. 325) zum Bc«uimmen der entsprechenden TAU-Werte aus den PositionsdificrciiZuStcii,

gekennzeichnet durch

g) eine Vergleichs- und Auswahlschaltung (4) zum Ermitteln des größten TAU-Wertes, der zu der identifizierten Station gehört und

h) einem Detektor (Schwellwertdetektor 5) zum Erzeugen eines Kollisionswarnsignals beim Absinken eines solchen ermittelten größten TAU-Wertes unter einen vorgegebenen Grenzwert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Bestimmung der Positionsdifferenzdaten eine Vorrichtung (316,318, 319) zum Bestimmen der Differenz der Höhenkoordinaten enthält.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

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i) eine Einrichtung (327) zur Messung der Schrägentfernung zwischen der eigenen Station und der identifizierten fremden Station;
j) einen Rechner (328) zur Ermittlung entsprechender Entfernungs-TAU-Werte und Zuführung der Entfernungs-TAU-Werte zu der Ermittlungsvorrichtung (4).

4. Einrichtung zur Kollisionsverhütung zwischen einer eigenen Station und einer fremden Station mit

a) einem Empfänger (301) zum Empfang von Abfragesignalen von einer gewählten Überwachungs-Sekundärradarstaüon (SSR-Station) während deren Hauptstrahlungskeule die eigene Position überstreicht;

b) einem Empfänger (302) zum Empfang von Antworten von einer identifizierten transponderbestückten fremden Station beim Oberstreichen der Position der fremden Station durch die Strahlungskeule;

gekennzeichnet durch

c) eine Intervallzeitermittlungsschaltung (307, 311), die auf die Ausgangssignale der Empfänger anspricht und die Umlaufperiode P der SSR-Station sowie das Intervall

zwischen dem überstreichen des Ortes (z. B. 23 bzw. 24) der eigenen und der fremden Station durch die SSR-Strahlungskeulc bestimmt;

d) eine die Intervallzeitermittlungsschaltung enthaltende Subtrahiervorrichtung (307, 311, 320) zur Bestimmung und Erzeugung einer quantitativen Darstellung der Azimutdifferenz A und ihrer Richtung zwischen der eigenen und der fremden Position bezüglich der SSR-Station;

e) eine auf die Darstellung von A und das Verstreichen der Zeit

ansprechende Anordnung (305, 320, 324) zur wenigstens annähernden Bestimmung der Änderungsgeschwindigkeh von A und zur Erzeugung einer Darstellung hiervon;
Q eine durch die Darstellung von A und ihre Anderungsgeschwindigkeit gesteuerte Anordnung (324,4) zum Erzeugen einer Darstellung von TA Ua einer Abschätzung der Zeit, die A benötigt, um Null zu werden, und
g) eine Anordnung mit einer Schwellwertvergleich- und Anzeigevorrichtung (Detektor 5), in der die Darstellung von TA Ua als Kriterium für eine Kollisionsgefahr verwendet wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung 305,320,324 enthält:

h) eine Subtrahiervorrichtung (320) zum Subtrahieren jeder laufenden Darstellung (A_n)der Azimutdifferenz von einer während eines vorangegangenen Umlaufes der SSR-Strahlungskeule ermittelten vorangehenden Darstellung (A„-\) der Azimutdifferenz und Lieferung einer Darstellung der Differenz (VU_i =- A„);
i) eine Multipliziervorrichtung (322) zum Multiplizieren der laufenden Darstellung (A₁₁) mit einer Darstellung der Umlaufpcriode (P) und zur Erzeugung einer Darstellung des Produktes (P ■ A_n) und

j) eine Dividiervorrichtung (324) zum Dividieren dieser Produktdarstellung durch die derzeitige Azimutdifferenz (A„-\ — A₁₁).

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch

k) einen auf das Ausgangssignal des Abfrageempfängers (1) ansprechenden Generator (304) zum Erzeugen von Referenzimpulsen, die jeweils das Auftreten eines bestimmten Zeitpunktes in der Abfragenachricht einer SSR-Abfrage anzeigt während diese empfangen wird, und diese Zeitpunkte weiterhin entsprechend der Impulswiederholungscharakteristik der SSR-Station weiter markiert, auch wenn keine Abfragen empfangen werden;
I) eine auf das Ausgangssignal des Antwortempfängers (2) ansprechende Anordnung (302, 309) zum Erzeugen von Antwortmarkierungsimpulsen, die jeweils das Auftreten eines bestimmten Zeitpunktes bezüglich eines Elemen- f" einer an der eigenen Station empfangenen Antwortnachricht angeben;

m) eine weitere Iniervallzeitermittlungsschaltung (315), die auf die Referenzimpu'.ie und die Antwortmarkierungsimpulse anspricht und eine Darstellung der Nachrichtenempfangszeitdifferenz T zwischen einer Abfrage und der Antwort einer Fremdstation auf diese Abfrage erzeugt;

n) eine auf die Darstellung der Nachrichtenempfangszeitdifferenz T und das Verstreichen der Zeit ansprechende Vorrichtung (305,325) zur wenigstens annähernden Bestimmung der Änderungsgeschwindigkeät von T und zur Erzeugung einer Darstellung hiervon;
o) einen auf die Darstellung T und die Änderungsgeschwindigkeit ansprechenden Rechner (325) zum Erzeugen einer Darstellung TAU₇ eines Schätzwertes der Zeit, die bis zum Null-Wert von Terforderlich ist;
p) eine auf die Darstellungen von TAUa und TA Ut ansprechende und den größeren dieser beiden Werte auswählende Einheit (4) und
q) eine Anordnung, welche die ausgewählte größere TAU-Darsteliting dem Detektor (5) zuführt

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7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Darstellung von &Ggr; und Verstreichen der Zeit ansprechende Rechner (325) enthält:

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r) eine Vorrichtung zum Subtrahieren jeder laufenden Darstellung (T_n) der Nachrichtenempfangszeitdifferenz von einer während eines vorangegangenen Umlaufes der SSR-Strahlungskeule ermittelte vorangehenden Darstellung (T„-\), und Lieferung einer Darstellung der Differenz;

s) eine Vorrichtung zum Multiplizieren der Differenzdarstellung mit einer Darstellung der Umlaufperiode (P) und zum Erzeugen einer Darstellung des Produktes, und
t) eine Vorrichtung zum Dividieren der Darstellung (Ty der derzeitigen Nachrichtenempfangszeitdifferenz durch die Produktdarstellung.