DE102006033322A1

DE102006033322A1 - Navigationsverfahren zur Vermeidung von Kollisionen

Info

Publication number: DE102006033322A1
Application number: DE102006033322A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Huß (FH)
Original assignee: Raytheon Anschuetz GmbH
Current assignee: Raytheon Anschuetz GmbH
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2006-07-17
Publication date: 2008-01-31
Also published as: WO2008009269A1

Abstract

Navigationsverfahren für ein Fahrzeug (10) zum Bestimmen von durch Kollisionen mit einem sich bewegenden Target (40) gefährdeten Bereichen (110, 120), gekennzeichnet durch die Schritte: Definieren eines Sicherheitsabstands (CPA-Limit; 30) um den Momentanort des Fahrzeugs (10), Ermitteln von bis zu vier Schnittpunkten eines um den Endpunkt des Bewegungsvektors des Targets (40) gezogenen Kreises (20) mit vom Target (40) ausgehenden, das CPA-Limit (30) des Fahrzeugs (10) gerührenden Tangenten (60), wobei der Radius des Kreises (20) der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (10) entspricht, Bestimmen von bis zu vier kurslimitierenden Vektoren (70), die von den bis zu vier Schnittpunkten bis zum Endpunkt des Bewegungsvektors des Targets (40) verlaufen, Übertragen der bis zur vier kurslimitierenden Vektoren (70) auf den Momentanort des Fahrzeugs (10) und Kennzeichnen der von 1.) der den Bewegungsvektor des Targets (40) fortsetzenden Geraden (90), 2.) der zum Bewegungsvektor des Targets (40) in Richtung auf das Fahrzeug (10) um einen vorbestimmten Wert verschobenen Parallelen (100) und 3.) der jeweils zwischen den äußeren, vom Fahrzeug (10) ausgehenden kurslimitierenden Vektoren (70) fortsetzenden Geraden (80) begrenzten Bereiche (110, 120) als kollisonsgefährdete Bereiche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Navigationsverfahren zur Vermeidung von Kollisionen zwischen sich bewegenden Fahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Navigationsverfahren für ein Fahrzeug zum Bestimmen von kollisionsgefährdeten Bereichen mit einem sich bewegenden Target.
Das erfindungsgemäße Navigationsverfahren eignet sich für jede Art von Fahrzeug, ist aber bevorzugt für den Einsatz im Luftverkehr und der Schifffahrt geeignet. Zum besseren Verständnis wird die Erfindung daher im Folgenden beispielhaft anhand der Navigation von Schiffen erläutert werden, ohne dass diese Ausführungen dazu führen sollen, dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche einschränkend auszulegen ist.
In der Schifffahrt stellt die Navigation eines Schiffes hohe Anforderungen an den Menschen, da insbesondere in viel befahrenen Gewässern eine vorausschauende Übersicht über den zu durchfahrenden Bereich notwendig ist, um Kollisionen mit anderen Schiffen zu vermeiden. Aus dem Stand der Technik sind daher bereits verschiedene Verfahren bekannt, die mit Hilfe von Trackdaten potentielle Kollisionspunkte (Potential Collision Points; PCP) mit anderen Schiffen ermitteln und diese beispielsweise als ARPA Targets darstellen (ARPA: Automatic Radar Plotting Aid). Basierend auf dem Bewegungsvektor des eigenen Schiffes und dem Bewegungsvektor des Targets werden üblicher Weise bis zu zwei Punkte berechnet, an denen sich die das eigene Schiff und das Target treffen könnten. Diese Punkte werden potentielle Kollisionspunkte (PCP) genannt.
Die Berechnung und Darstellung der PCPs unterstützen den Navigator also bei der Suche nach Freiräumen. Ein Nachteil besteht allerdings darin, dass der Navigator keine Information darüber erhält, wie nah er einem Target kommen wird, wenn er sich einem PCP nähert.
Dieses Problem kann dadurch teilweise behoben werden, dass um einen berechneten PCP ein kreisförmiger Sicherheitsabstand gezogen wird mit einem Radius, der einem als CPA-Limit (Closest Point of Approach) bezeichneten, voreingestellten Limit entspricht, bei dessen Unterschreiten durch ein Target ein Alarm ausgelöst wird.
Dieses Verfahren ist aber nicht geeignet, sicherzustellen, dass der eingestellte Sicherheitsabstand (CPA-Limit) während der Annäherung kontinuierlich eingehalten wird, obwohl die Darstellung der CPA-Kreise auf den PCPs dieses suggeriert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Navigationsverfahren bereit zu stellen, das eine zuverlässige Aussage über Bereiche trifft, in denen Kollisionen des eigenen Schiffes mit einem anderen sich bewegenden Target wahrscheinlich sind und die es zu umgehen gilt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Navigationsverfahren für ein Fahrzeug zum Bestimmen von durch Kollisionen mit einem sich bewegenden Target gefährdeten Bereichen, mit den Schritten: Definieren eines Sicherheitsabstands (CPA-Limit) um den Momentanort des Fahrzeugs, Ermitteln von bis zu vier Schnittpunkten eines um den Endpunkt des Bewegungsvektors des Targets gezogenen Kreises mit vom Target ausgehenden, das CPA-Limit des Fahrzeugs berührenden Tangenten, wobei der Radius des Kreises der Geschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht, Bestimmen von bis zu vier kurslimitierenden Vektoren, die von den bis zu vier Schnittpunkten bis zum Endpunkt des Bewegungsvektors des Targets verlaufen, Übertragen der bis zu vier kurslimitierenden Vektoren auf den Momentanort des Fahrzeugs und Kennzeichnen der von 1.) der den Bewegungsvektor des Targets fortsetzenden Geraden, 2.) der zum Bewegungsvektor des Targets in Richtung auf das Fahrzeug um einen vorbestimmten Wert verschobenen Parallelen und 3.) der jeweils zwischen den äußeren, vom Fahrzeug ausgehenden kurslimitierenden Vektoren fortsetzenden Geraden begrenzten Bereiche als kollisionsgefährdete Bereiche.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Obwohl das Verfahren computerisiert ablaufen kann, wird zum besseren Verständnis der Erfindung nur die graphische Ermittlung der kollisionsgefährdeten Bereiche im Detail dargestellt. Aufgrund dieser Angaben wird der Fachmann zur Umsetzung eines automatisierten Ablaufs, beispielsweise in einem Navigationscomputer, auf die ihm bekannten Mittel zur bevorzugt rechnergestützten Umsetzung des Verfahrens zurückgreifen, wobei nur auf einfache mathematische Funktionen zurückgegriffen werden kann.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen:
1 eine Ausgangssituation der Position des eigenen Fahrzeugs und der Position eines Targets und deren Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit,
2 die graphische Repräsentation des zweiten Verfahrensschritts gemäß der Erfindung,
3 die graphische Ermittlung der kurslimitierenden Vektoren,
4 die graphische Bestimmung der durch Kollisionen mit dem sich bewegenden Target gefährdeten Bereiche und
5 eine graphische Repräsentation aller Vektoren und Geraden, die zur Bestimmung der durch Kollisionen mit dem bewegenden Target gefährdeten Bereiche notwendig sind.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausgangssituation der Positionen des eigenen Fahrzeugs 10, beispielsweise eines Schiffes, und der Position eines sich bewegenden Targets 40. Das eigene Fahrzeug 10 und das Target 40 bewegen sich in, durch Vektoren beschrieben, verschiedene Richtungen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aufeinander zu. Sowohl um das eigene Fahrzeug 10, als auch um das Target 40 ist der kreisförmige Sicherheitsabstand (CPA-Limit) der geringsten Annäherung (CPA) 30, 50 mit vorbestimmtem Radius definiert. Dabei ist das Definieren des CPA-Limits um das Target 40 für das erfindungsgemäße Verfahren ohne Bedeutung. Weiterhin weist das eigene Fahrzeug 10 einen Kreis 20 auf, dessen Radius der Geschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs entspricht.
Nach dem der kreisförmige Sicherheitsabstand (CPA-Limit) 30, wie in 1 gezeigt, um den Momentanort des Fahrzeugs definiert worden ist, wird, wie in 2 dargestellt, der Kreis 20 auf den Bewegungsvektor des Targets 40 so übertragen, dass der Mittelpunkt des Kreises 20 mit dem Endpunkt des Bewegungsvektors des Targets zusammenfällt.
In 3 wird nun gezeigt, wie die bis zu vier kurslimitierenden Vektoren ermittelt und auf den Momentanort des Fahrzeugs übertragen werden. Die bis zu vier kurslimitierenden Vektoren 70 werden aus den Schnittpunkten des Kreises 20 mit vom Target ausgehenden, die das CPA-Limit des Fahrzeugs berührenden Tangenten 60, die den Anfangspunkt der kurslimitierenden Vektoren darstellen, und dem Mittelpunkt des Kreises 20, der den Endpunkt jedes einzelnen kurslimitierenden Vektors 70 darstellt, gebildet. Die so entstandenen kurslimitierenden Vektoren 70 werden sodann auf den Momentanort des Fahrzeugs 10 übertragen, wobei der Anfangspunkt der Vektoren dann im Mittelpunkt des Kreises 20 bzw. des CPA-Limits 30 liegt.
Daraufhin werden die kurslimitierenden Vektoren 70 durch die Geraden 80 und der Bewegungsvektor des Targets 40 durch die Gerade 90 verlängert. Zusätzlich wird zur Geraden 90 – wie in 4 gezeigt – in Richtung des Momentanorts des Fahrzeugs 10 eine parallele Gerade 100 angelegt, die von der Geraden 90 bevorzugt einen Abstand aufweist, der dem Radius des CPA-Limits entspricht. Dabei entstehen jeweils zwischen den die äußeren kurslimitierenden Vektoren verlängernden Geraden, der den Bewegungsvektor des Targets 40 verlängernden Geraden und der dazu parallel geführten Geraden 100 die mit 110 und 120 gekennzeichneten Bereiche, die Bereiche darstellen, in denen Kollisionen mit dem sich bewegenden Target möglich sind.
Für den Fall, dass der Abstand des eigenen Fahrzeugs zur Kurslinie 90 des Targets geringer oder gleich dem CPA-Limit ist, wird auf der entfernten Seite der Kurslinie 90 analog zur Geraden 100 eine weitere Gerade im Abstand des CPA-Limits gezogen. Die Flächen 110 und 120 werden in diesem Fall durch die beiden geraden limitiert und nicht durch die Gerade 100 und die Kurslinie 90.
5 zeigt noch einmal die gesamte geometrische Repräsentation in einer Zeichnung.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Navigator nun Bereiche ermitteln, die zu einer kollisionsgefährdeten Situation mit einem Target führen. Dabei kann die Ermittlung der kollisionsgefährdeten Bereiche beispielsweise aufgrund von ARPA-Daten, AIS-Daten oder Sonar-Daten erfolgen. Außerhalb dieser Bereich liegende Flächen können problemlos in Bezug auf mögliche Kollisionen vom eigenen Fahrzeug genutzt werden. Über eine graphische Ausgabe besteht so die Möglichkeit, dem Navigator einen zuverlässigen Eindruck über die ummittelbar vor ihm liegende Situation zu verschaffen und Freiflächen zur sicheren Passage aufzuweisen. Die Darstellung kann beispielsweise auf einem Radar-Display, einem ECDIS-Display oder einem Track-Display erfolgen.
Unabhängig von der konkreten Ausprägung der Flächen ist jeder Kurs, der nicht eine der Flächen schneidet, ein Kurs, der die Einhaltung des CPA-Limits gegenüber dem Target sicherstellt.
Es kann aber auch ohne graphische Ausgabe insbesondere bei Unterschreiten eines vorbestimmten Abstands des Fahrzeugs (10) zu einem der kollisionsgefährdeten Bereiche (110, 120) ein Alarmsignal ausgegeben. Das Alarmsignal kann dabei optisch oder akustisch ausgegeben werden. Das Alarmsignal kann beispielsweise auch dann ausgegeben werden, wenn der Bewegungsvektor des Fahrzeugs (10) in Richtung eines der kollisionsgefährdeten Bereiche (110, 120) weist.

Claims

Navigationsverfahren für ein Fahrzeug (10) zum Bestimmen von durch Kollisionen mit einem sich bewegenden Target (40) gefährdeten Bereichen (110, 120), gekennzeichnet durch die Schritte: – Definieren eines Sicherheitsabstands (CPA-Limit; 30) um den Momentanort des Fahrzeugs (10), – Ermitteln von bis zu vier Schnittpunkten eines um den Endpunkt des Bewegungsvektors des Targets (40) gezogenen Kreises (20) mit vom Target (40) ausgehenden, das CPA-Limit (30) des Fahrzeugs (10) berührenden Tangenten (60), wobei der Radius des Kreises (20) der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (10) entspricht, – Bestimmen von bis zu vier kurslimitierenden Vektoren (70), die von den bis zu vier Schnittpunkten bis zum Endpunkt des Bewegungsvektors des Targets (40) verlaufen, – Übertragen der bis zu vier kurslimitierenden Vektoren (70) auf den Momentanort des Fahrzeugs (10) und – Kennzeichnen der von 1.) der den Bewegungsvektor des Targets (40) fortsetzenden Geraden (90), 2.) der zum Bewegungsvektor des Targets (40) in Richtung auf das Fahrzeug (10) um einen vorbestimmten Wert verschobenen Parallelen (100) und 3.) der jeweils zwischen den äußeren, vom Fahrzeug (10) ausgehenden kurslimitierenden Vektoren (70) fortsetzenden Geraden (80) begrenzten Bereiche (110, 120) als kollisionsgefährdete Bereiche.
Navigationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kollisionsgefährdeten Bereiche (110, 120) bei Unterschreiten des CPA-Limits (30) des Fahrzeugs (10) zur den Bewegungsvektor des Targets (40) fortsetzenden Geraden (90) um einen Bereich erweitert wird, der durch die den Bewegungsvektor des Targets (40) fortsetzende Gerade (90), die vom Fahrzeug (10) ausgehenden die kurslimitierenden Vektoren (70) fortsetzenden Geraden (80) und einer weiteren zum Bewegungsvektor des Targets (40) um einen vorbestimmten Wert vom Fahrzeug (10) wegweisend verschobenen Parallelen gebildet ist.
Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Bewegungsvektor des Targets (40) geführte Parallele (100) und/oder die weitere Parallele im Abstand des Radius des CPA-Limits (30) geführt ist.
Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsvektor der aus der Vorwärtsbewegung des Targets und der auf das Target wirkenden Drift resultierende Vektor ist.
Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren rechnergestützt ausgeführt wird.
Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten eines vorbestimmten Abstands des Fahrzeugs (10) zu einem der kollisionsgefährdeten Bereiche (110, 120) ein Alarmsignal ausgegeben wird.
Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Alarmsignal ausgegeben wird, wenn der Bewegungsvektor des Fahrzeugs (10) in Richtung eines der kollisionsgefährdeten Bereiche (110, 120) weist.
Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (10) ein Schiff ist.