DE102008024308B4 - Method for detecting non-cooperative aviation on board an aircraft - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Detektion nichtkooperativen Luftverkehrs an Bord eines Luftfahrzeugs (1), wobei mittels zweier Sensoren (S1, S2) an den beiden Flügeln (2) des Luftfahrzeugs (1) der Abstand und/oder die Position des Ziels (Z) aus den Winkeln (φ1, φ2), unter denen die Sensoren (S1, S2) das Ziel (Z) detektieren, berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Position des Luftfahrzeugs (1) erfasst wird und mittels einer Geländedatenbank ein Abgleich des berechneten Abstands oder der Position des Ziels (Z) mit den Geländedaten vorgenommen wird, um das Ziel (Z) zu verifizieren.Method for detecting non-cooperative aviation on board an aircraft (1), wherein the distance and / or the position of the target (Z) from the angles (2) of the aircraft (1) are detected by means of two sensors (S1, S2) on the two wings (2) of the aircraft (1). φ 1 , φ 2 ), under which the sensors (S1, S2) detect the target (Z) is calculated, characterized in that the current position of the aircraft (1) is detected and by means of a terrain database, a comparison of the calculated distance or the position of the target (Z) is made with the terrain data to verify the target (Z).

Figure 00000001
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion nichtkooperativen Luftverkehrs an Bord eines Luftfahrzeugs.The The invention relates to a method for detecting non-cooperative Aviation on board an aircraft.

In bestimmten Lufträumen befindet sich sowohl kontrollierter (kooperativer) und unkontrollierter (nicht-kooperativer) Luftverkehr. Der unkontrollierte Luftverkehr ist teilweise nicht verpflichtet, Transponder oder ähnliche Ausrüstung mitzuführen. Bisher muss unkontrollierter Verkehr visuell durch den Piloten erkannt werden.In certain airspaces is both controlled (cooperative) and uncontrolled (non-cooperative) Air traffic. The uncontrolled air traffic is partly not obliged, transponder or similar equipment carry. So far, uncontrolled traffic has to be visually recognized by the pilot become.

Die visuelle Erkennung gestattet derzeit keine ausreichend genaue Bestimmung der Entfernung. Der menschliche Pilot kann aufgrund seines Augenabstandes nur bis zu Entfernungen unter 10 m räumlich sehen. Der Pilot ist ansonsten auf seine Erfahrung angewiesen. Da aber im Voraus nicht bekannt ist, wie groß ein Flugobjekt ist, ist somit keine zuverlässige Entfernungsschätzung möglich.The Visual recognition currently does not allow a sufficiently accurate determination the distance. The human pilot can because of his eye relief see only up to distances under 10 m spatially. The pilot is otherwise dependent on his experience. But not in advance it is known how big a Flying object is, therefore, no reliable distance estimation possible.

Für den Betrieb von UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), z. B. Drohnen, ist es zur Zulassung erforderlich, nachzuweisen, dass derartige nichtkooperative Objekte zumindest mit der gleichen Genauigkeit detektiert werden können, wie dies auch der menschliche Pilot könnte.For the business of UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), e.g. As drones, it is for approval required to prove that such non-cooperative objects can be detected at least with the same accuracy as this could also be the human pilot.

Aus der US 5,581,250 A ist ein Kollisions-Warnsystem für ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV) bekannt, bei dem an den Flügelenden jeweils eine nach vorne schauende IR-Kamera vorhanden ist.From the US 5,581,250 A is a collision warning system for an unmanned aerial vehicle (UAV) is known in which at the wing tips in each case a forward looking IR camera is present.

Die US 6,678,394 A beschreibt ein dreidimensionales Hinderniswarnsystem. In einer Trainingsphase wird ein dreidimensionales Abbild der Szene erzeugt. In der Einsatzphase wird das in der Trainingsphase erzeugte Szenenbild mit dem aktuellen dreidimensionalen Abbild der Szene verglichen.The US 6,678,394 A describes a three-dimensional obstacle warning system. In a training phase, a three-dimensional image of the scene is created. In the deployment phase, the scene image generated in the training phase is compared with the current three-dimensional image of the scene.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das Position (insbesondere die Relativposition bezogen auf das eigene Luftfahrzeugs) und/oder Abstand nichtkooperativer Flugobjekte an Bord eines Luftfahrzeugs zuverlässig und mit geringem Aufwand detektiert.It Object of the invention to provide a method, the position (in particular the relative position relative to the own aircraft) and / or Distance of non-cooperative flying objects on board an aircraft reliable and detected with little effort.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.These The object is achieved by the method according to claim 1. advantageous versions are the subject of dependent claims.

Das vorgeschlagene Verfahren nutzt je einen Sensor an beiden Flügeln des Luftfahrzeugs. Damit kann durch Vergleich des Winkels, unter dem das Objekt auf den einzelnen Sensoren jeweils erkannt wird, der Abstand und/oder die Position des Ziels detektiert werden. Die Sensoren werden bevorzugt an den Außenspitzen der Flügel angebracht, um eine möglichst große Entfernungsauflösung zu erreichen. Bei ausreichender Spannweite können die Sensoren aber auch an anderen Orten am Flügel angeordnet sein.The Proposed method uses one sensor on each wing of the Aircraft. This can be done by comparing the angle under which the object is detected on each sensor, the Distance and / or the position of the target can be detected. The sensors are preferred on the outer tips the wing appropriate to one as possible size range resolution to reach. With sufficient span, the sensors can also in other places on the wing be arranged.

In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können mehr als zwei derartige Sensoren genutzt werden, um einen größeren Winkelbereich (idealerweise 360°) erfassen zu können.In an execution the method according to the invention can more than two such sensors can be used to cover a larger angular range (ideally 360 °) to be able to.

Als Sensoren können sowohl aktive Sensoren (z. B. Radare, Laserradare) als auch passive Sensoren eingesetzt werden (z. B. IR-Sensoren).When Sensors can both active sensors (eg radars, laser radars) and passive sensors be used (eg, IR sensors).

Optische Sensoren haben den Vorteil, dass die sehr kostengünstig, weil kommerziell verfügbar, sind. So sind seit einiger Zeit auf dem Markt passive IR-Sensorsysteme für die nachträgliche Anbringung an Sportflugzeugen erhältlich. Diese kostengünstigen Sensoren können auch im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.optical Sensors have the advantage of being very cost effective because commercially available. For some time now, passive IR sensor systems have been available on the market for subsequent mounting Sport aircraft available. This inexpensive Sensors can also be used within the scope of the invention.

Mit Hilfe eines derartigen Systems ist es möglich, die Zulassungsforderung für UAV, wonach zumindest die Fähigkeiten des menschlichen Piloten in Bezug auf die Hinderniserkennung erfüllt sein müssen, zu übertreffen.With Help of such a system, it is possible the admission requirement for UAV, according to which at least the skills be met by the human pilot in terms of obstacle detection have to, to excel.

Die beiden Flügel unterliegen in der Regel starken Relativbewegungen zueinander und führen mit dem Flugzeug zusätzliche Bewegungen aus (insbesondere Roll- und Gierschwingungen). Um diese Verschiebungen und Verdrehungen der Sensoren zu kompensieren, kann z. B. über Lagesensoren oder Lageänderungssensoren die Bewegung des Luftfahrzeugs erfasst werden. Die Relativbewegung der Sensoren an den beiden Flügeln kann dann darauf aufbauend durch eine Detektion der Durchbiegung der Flügel in der Berechnung berücksichtigt werden. Alternativ ist aber auch eine direkte Positionsbestimmung der beiden Flügelspitzen (z. B. durch Satellitennavigation) möglich.The two wings are usually subject to strong relative movements to each other and lead with the plane additional Movements (especially roll and yaw). To these shifts and to compensate for rotations of the sensors, z. B. via position sensors or position change sensors the movement of the aircraft are detected. The relative movement the sensors on the two wings can then based on this by detecting the deflection of the wing included in the calculation become. Alternatively, however, is also a direct position determination the two wing tips (eg by satellite navigation) possible.

Erfindungsgemäß wird bei bekannter eigener Position des Luftfahrzeugs durch Zugriff auf eine Geländedatenbank ein einmal detektiertes Ziel verifiziert. Das detektierte Ziel ist nur dann von Interesse im Hinblick auf das Ausweichen gegenüber Luftfahrzeugen, falls sein Abstand zum Luftfahrzeug geringer ist als der Abstand des Luftfahrzeugs zum Gelände, wie er sich aufgrund der Geländedaten der Datenbank ergibt. Damit können insbesondere als Ziel erfasste Geländeobjekte erkannt und verworfen werden.According to the invention is at known own position of the aircraft by accessing a terrain database verifies a once detected target. The detected target is only of interest with regard to evasion of aircraft, if its distance from the aircraft is less than the distance of the aircraft to the terrain, such as he himself due to the terrain data of the database. With that you can especially detected as target target terrain objects detected and discarded become.

Auch durch Prüfung, ob sich die Position des detektierten Ziels relativ zum Gelände über der Zeit ändert, kann ein Ziel schnell verifiziert werden. Hindernisse, die ihre Position relativ zum Boden beibehalten, sind überwiegend Geländeobjekte und werden verworfen. Vordringlich sind Ziele, die ihre Position zum Gelände verändern. Ausnahmen bilden z. B. schwebende Hubschrauber oder Luftschiffe. Diese sind ebenso für Ausweichmanöver relevant, meist kann diesen aber einfacher ausgewichen werden. Aus dem zeitlichen Verlauf der Abstandsänderung und der bekannten eigenen Position kann die Geschwindigkeit des Ziels ermittelt werden. Besonders vorteilhaft kann aus der Geschwindigkeit des Ziels das erforderliche Ausweichmanöver abgeleitet werden.Also, by examining whether the position of the detected target changes relative to the terrain over time, a target can be quickly verified. Obstacles that maintain their position relative to the ground are mostly terrain objects and are discarded. Most important are goals that change their position to the terrain. Exceptions are z. B. hovering helicopters or airships. These are also relevant for evasive maneuvers, but usually this can be avoided more easily. From the time course of the distance change and the known own position, the speed of the target can be determined. Particularly advantageous can be derived from the speed of the target, the required evasive maneuver.

Bei bekannter Position des Luftfahrzeugs im Raum und Tageszeit kann die Position von Sonne und Mond errechnet werden. Deren Positionen können vorteilhaft mit der Position des detektierten Zieles abgeglichen werden, um zu vermeiden, dass Gestirne als fliegende Objekte erkannt werden.at known position of the aircraft in space and time of day the position of sun and moon are calculated. Their positions can advantageously aligned with the position of the detected target to avoid stars being recognized as flying objects become.

Die Erfindung wird anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezug auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described with reference to concrete embodiments with reference closer to figures explained. Show it:

1 eine Skizze zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a sketch for carrying out the method according to the invention;

2 eine Skizze zur möglichen Entfernungsabschätzung; 2 a sketch for the possible distance estimation;

3 eine Skizze zur Ermittlung der Durchbiegung eines Flügels. 3 a sketch to determine the deflection of a wing.

1 zeigt in schematischer Darstellung die Situation beim Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Luftfahrzeug 1 weist an den Enden seiner beiden Flügel 2 jeweils einen Sensor S1, S2 auf. Geeignet sind z. B. IR-Sensoren. Derartige Sensoren sind geeignet, warme Objekte (Flugzeuge) vor dem kalten Himmel zu erkennen. Dies gilt bei Tag und bei Nacht und mit Einschränkungen auch bei Nebel. Aus den beiden Winkeln φ1, φ2, unter denen das mögliche Kollisionsziel Z auf den beiden räumlich getrennten Sensoren S1, S2 erscheint, kann der Abstand zum Ziel eindeutig ermittelt werden. Dabei ist die Position der Sensoren S1 und S2 relativ zum Flugzeug 2 bekannt, ebenso wie der Abstand a der beiden Sensoren zueinander. 1 shows a schematic representation of the situation in the course of the method according to the invention. The aircraft 1 points to the ends of his two wings 2 in each case a sensor S1, S2. Suitable z. B. IR sensors. Such sensors are suitable for detecting warm objects (aircraft) from the cold sky. This applies during the day and at night and with restrictions even in fog. From the two angles φ 1 , φ 2 , among which the possible collision target Z appears on the two spatially separated sensors S1, S2, the distance to the target can be determined unambiguously. The position of the sensors S1 and S2 relative to the aircraft 2 known, as well as the distance a of the two sensors to each other.

Bei einem UAV großer Spannweite kann der Abstand a zwischen den beiden Sensoren S1, S2 z. B. 26 m betragen.at a UAV big Span can be the distance a between the two sensors S1, S2 z. B. 26 m.

Durch Einsatz weiterer passiver Sensoren bzw. Sensorpaare am Luftfahrzeug kann der Winkelbereich erweitert werden (z. B. auf volle Rundumsicht/360°).By Use of additional passive sensors or sensor pairs on the aircraft The angle range can be extended (eg to full 360 ° view).

In der 2 ist das Messprinzip zur Entfernungsmessung erläutert. Die Entfernung von Objekten kann bestimmt werden, wenn der Sichtwinkel zum Objekt von beiden Sensoren S1, S2 aus bekannt ist.In the 2 the measuring principle for distance measurement is explained. The distance of objects can be determined if the viewing angle to the object is known from both sensors S1, S2.

Die Auflösung Δφ legt fest, ab wann ein Objekt im Unendlichen gesehen wird, also eine Entfernungsabschätzung nicht mehr möglich ist. Ein beispielhafter IR-Sensor weist über einen Bildwinkel von 40° 320 horizontale Detektionselemente auf. Dies bedeutet eine Auflösung Δφ = 40°/320 = 0,125°.The Resolution Δφ states from when an object is seen at infinity, so not a distance estimation more is possible is. An exemplary IR sensor has a horizontal angle of view of 40 ° Detection elements. This means a resolution Δφ = 40 ° / 320 = 0.125 °.

Bei zwei Sensoren im Abstand a gilt für die maximale Entfernung, bei der eine Entfernungsbestimmung möglich ist: sinΔφ = a/2d d = a/2sin0,125° With two sensors at a distance a, the maximum distance at which a distance determination is possible applies: sinΔφ = a / 2 d d = a / 2 sin0,125 °

Bei einer Spannweite von a = 26 m (wenn die Sensoren S1 und S2 an den Flügelspitzen angeordnet sind) ergibt sich d = 6 km, d. h. bis zu einer Entfernung von 6 km kann mit dem erfindungsgemäßen Sensor der Abstand zum Ziel bestimmt werden. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist angenommen, dass sich das Ziel genau in der Mitte zwischen den beiden Sensoren befindet.With a span of a = 26 m (if the sensors S1 and S2 are arranged at the wing tips) results d = 6 km, ie up to a distance of 6 km can be determined with the sensor according to the invention, the distance to the target. In the in 2 In the example shown it is assumed that the target is located exactly in the middle between the two sensors.

3 zeigt einen Sensor zur Messung der Durchbiegung eines Flügels, der hier als handelsüblicher Lasertracker ausgebildet ist. Er umfasst eine Sende/Detektoreinheit 30 an der Flügelwurzel sowie einen Spiegel 32 an der Flügelspitze, an welcher in dieser Ausführung auch der Sensor angeordnet ist (hier nicht eingezeichnet). Der Spiegel 32 wird an der Flügelspitze fest angebracht, so dass er unter einem festen Winkel zum Flügel 2, hier z. B. 90°, orientiert ist. Das von der Sende/Detektoreinheit 30 ausgestrahlte Licht wird am Spiegel 32 reflektiert und am Detektor der Sende/Detektoreinheit 30 wieder empfangen. Wird der Flügel 2 durchgebogen, so verändert sich die Orientierung des Spiegels im Raum, wobei er aber immer unter 90° zur Flügelspitze bleibt. Damit wird ein Laserstrahl 34, der von der Sende/Detektoreinheit ausgesandt wurde, nun unter einem anderen Winkel reflektiert. Der Punkt an der Sende/Detektoreinheit 30, an dem der reflektierte Strahl auftrifft, wird sich entsprechend ändern. Der Abstand 36 zwischen ausgehendem Strahl und reflektiertem Strahl ist somit ein Maß für die Flügeldurchbiegung. Dieses Verfahren ist sehr genau. Da an beiden Flügeln ein IR-Sensor zur Entfernungsmessung vorhanden ist, wird der beschriebene Aufbau an beiden Flügeln 2 vorgenommen. 3 shows a sensor for measuring the deflection of a wing, which is designed here as a commercially available laser tracker. It comprises a transmitting / detecting unit 30 at the wing root as well as a mirror 32 at the wing tip, on which in this embodiment, the sensor is arranged (not shown here). The mirror 32 is firmly attached to the wingtip so that it is at a fixed angle to the wing 2 , here z. B. 90 °, is oriented. That of the transmitter / detector unit 30 emitted light is at the mirror 32 reflected and at the detector of the transmitter / detector unit 30 received again. Will the wing 2 bent, so the orientation of the mirror changes in space, but it always remains below 90 ° to the wing tip. This will be a laser beam 34 , which was emitted by the transmitter / detector unit, now reflected at a different angle. The point at the transmitter / detector unit 30 at which the reflected beam impinges will change accordingly. The distance 36 between outgoing beam and reflected beam is thus a measure of the wing deflection. This procedure is very accurate. Since there is an IR sensor for distance measurement on both wings, the construction described will be on both wings 2 performed.

Claims (12)

Verfahren zur Detektion nichtkooperativen Luftverkehrs an Bord eines Luftfahrzeugs (1), wobei mittels zweier Sensoren (S1, S2) an den beiden Flügeln (2) des Luftfahrzeugs (1) der Abstand und/oder die Position des Ziels (Z) aus den Winkeln (φ1, φ2), unter denen die Sensoren (S1, S2) das Ziel (Z) detektieren, berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Position des Luftfahrzeugs (1) erfasst wird und mittels einer Geländedatenbank ein Abgleich des berechneten Abstands oder der Position des Ziels (Z) mit den Geländedaten vorgenommen wird, um das Ziel (Z) zu verifizieren.Method of detecting non-cooperative Aviation on board an aircraft ( 1 ), wherein by means of two sensors (S1, S2) on the two wings ( 2 ) of the aircraft ( 1 ) the distance and / or the position of the target (Z) from the angles (φ 1 , φ 2 ), under which the sensors (S1, S2) detect the target (Z) is calculated, characterized in that the current position of the aircraft ( 1 ) and an alignment of the calculated distance or the position of the target (Z) with the terrain data is performed by means of a terrain database in order to verify the target (Z). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (S1, S2) IR-Sensoren eingesetzt werden.Method according to claim 1, characterized in that in that IR sensors are used as sensors (S1, S2). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Sensoren (S1, S2) erfasst und in der Berechnung von Abstand und/oder Position des Ziels (Z) berücksichtigt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that detects the position of the sensors (S1, S2) and in the calculation of distance and / or position of the target (Z) is taken into account. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Lagesensors oder eine Lageänderungssensors die Eigenbewegungen des Flugzeugs (1) erfasst und in der Berechnung von Abstand und/oder Position des Ziels (Z) berücksichtigt werden.A method according to claim 3, characterized in that by means of a position sensor or a position change sensor, the proper movements of the aircraft ( 1 ) and taken into account in the calculation of the distance and / or position of the target (Z). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbiegung der Flügel (2) erfasst und in der Berechnung von Abstand und/oder Position des Ziels (Z) berücksichtigt wird.Method according to claim 4, characterized in that the deflection of the wings ( 2 ) and taken into account in the calculation of the distance and / or position of the target (Z). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Durchbiegung der Flügel (2) folgendermaßen durchgeführt wird: – Aussenden eines optischen Signals im Bereich der Flügelwurzel, – Reflektion des optischen Signals durch einen fest am Flügel im Bereich der Sensoren (S1, S2) angeordneten Reflektor (32), – Detektion desjenigen Orts im Bereich der Flügelwurzel, an den das ausgesandte Signal vom Reflektor (32) reflektiert wird.A method according to claim 5, characterized in that the detection of the deflection of the wings ( 2 ) is carried out as follows: emission of an optical signal in the region of the wing root, reflection of the optical signal by a reflector fixedly arranged on the wing in the region of the sensors (S1, S2) 32 ), - detection of that location in the area of the wing root to which the emitted signal from the reflector ( 32 ) is reflected. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich durch Vergleich des berechneten Abstands zum Ziel mit dem auf der Basis der Geländedaten ermittelten Abstands zum Gelände durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the comparison by comparison of the calculated Distance to the destination with the distance determined on the basis of the terrain data to the terrain carried out becomes. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich durch Prüfung, ob sich die Position des Ziels (Z) relativ zum Gelände über der Zeit ändert, durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the comparison by checking if the position of the target (Z) relative to the terrain above Time changes, is carried out. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Zieles (Z) relativ zum Flugzeug (1) gemessen wird, wobei aufgrund der Geschwindigkeit des Ziels das notwendige Ausweichmanöver des Flugzeugs (1) abgeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the speed of the target (Z) relative to the aircraft ( 1 ), whereby due to the speed of the target the necessary evasive maneuver of the aircraft ( 1 ) is derived. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Position von Sonne und Mond auf der Basis von Tageszeit und Position des Flugzeugs ermittelt wird, wobei durch Abgleich mit der durch die Sensoren (S1, S2) ermittelten Position des Ziels (Z) dieses verifiziert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the current position of sun and moon is up the basis of time of day and position of the aircraft is determined, where by comparison with the position determined by the sensors (S1, S2) of the target (Z) this is verified. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (S1, S2) an den äußeren Bereichen der Flügel (2), insbesondere an den Flügelspitzen angebracht werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sensors (S1, S2) at the outer regions of the wings (S1, S2) 2 ), in particular be attached to the wing tips. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Flügeln des Luftfahrzeugs mindestens ein weiteres Paar von Sensoren vorhanden ist, um den Winkelbereich, innerhalb dessen Ziele detektiert werden können, zu erweitern.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that on the wings of the aircraft at least one other pair of sensors present is the angle range within which targets are detected can, to expand.
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