DE102018117239B3

DE102018117239B3 - Ermitteln einer Zielerfassungsreihenfolge für einen Sensor eines Flugkörpers

Info

Publication number: DE102018117239B3
Application number: DE102018117239.7A
Authority: DE
Inventors: Mark Lützner; Jan Eilers
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von einer Zahl N Zielen Zmit n =1,...,N und N>3 für einen an einem Flugkörper (1) angeordneten Sensor (3), mit den Schritten: Bereitstellen (S1) einer Schwenkzeitbibliothek mit Elementarschwenkzeiten zum Verschwenken des Sensors (3) zwischen jeweils zwei Orientierungen, in denen jeweils ein Sichtbereich des Sensors (3) auf einen jeweiligen Knotenpunkt (20) eines gegenüber dem Flugkörper (1) virtuell mitbewegten Rasters (5) gerichtet ist, Bereitstellen (S2) einer jeweiligen Zielposition und einer Flugkörperposition, Ermitteln (S3) von möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten und einer jeweiligen Summe von Elementarschwenkzeiten für jede mögliche Reihenfolge, wobei ein Zielknotenpunkt ein Knotenpunkt (20) mit minimalem Abstand zu einer Zielposition ist, durch wiederholtes Ausführen der folgenden Schritte a) bis e) unter wechselnder Zuweisung des jeweiligen ausgewählten i-ten und i+1-ten der Ziele zu einem jeweiligen n-ten der Ziele Z, :a) Auswählen eines ersten Paares {Z, Z} aus den Zielen Zmit initial i=1,b) Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Zund Zdes ausgewählten Paares {Z, Z} zu einem jeweiligen Zielknotenpunkt Kund K,c) Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten Kund K,d) Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der unter c) ermittelten Elementarschwenkzeit und Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers (1),e) auf Basis der veränderten Relativposition: Erneutes Ausführen der Schritte b) bis d) mit einem neuen ausgewählten Paar {Z, Z}, wobei bei jedem erneuten Ausführen der Index i um Eins erhöht wird bis i+1=N, sowie durch Auswählen (S5) der Reihenfolge mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten, und Ermitteln (S6) einer Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von Zielen für einen an einem Flugkörper angeordneten Sensor sowie ein System zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von Zielen für einen an einem Flugkörper angeordneten Sensor und einen Flugkörper mit einem Sensor und mit einem ebensolchen System.
Der Betrieb von Flugkörpern, insbesondere von Satelliten, ist zwangsläufig mit Kosten verbunden. Zusätzlich hat nahezu jeder Flugkörper durch Treibstoffverbrauch oder auch Batterieverbrauch nur eine begrenzte Flugdauer.
Aus der Druckschrift DE 10 2015 005 797 A1 ist Verfahren zum Betreiben eines Roboters bekannt. Bei diesem Verfahren werden zunächst mehrere mittels des Roboters anzufahrende Positionen vorgegeben. Des Weiteren werden jeweilige Verfahrzeiten vorgegeben, die der Roboter zum Abfahren aller Verbindungen zwischen sämtlichen der vorgegebenen Positionen benötigt. Anschließend wird eine Bewegungsbahn des Roboters derart ermittelt, dass die Bewegungsbahn alle Positionen miteinander verbindet, der Roboter entlang der Bewegungsbahn jeden der Positionen nur einmal anfährt und die Dauer zum Anfahren aller Positionen mittels des Roboters minimal ist. Dieses Vorgehen kann sowohl während der Inbetriebnahmephase am realen Roboter durchgeführt werden, als auch in Konzept-, bzw. Planungsphase mit hinreichend genauen Simulationsabbilden des betrachteten.
Aus der Druckschrift US 2015/0 226 575 A1 ist ein Verfahren zur Erstellung eines Flugplans für ein unbemanntes Luftfahrzeug. Der Flugplan wird dabei abhängig von einer Vielzahl von Flugzeugparametern, Umgebungsparametern und geographischen Parametern erzeugt.
Aus der Druckschrift WO 2014/045 276 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Beschleunigung eines Luftfahrzeugs bekannt, das verschwenkbare Antriebe zu Erzeugung von Schub mit variabler Schubrichtung aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem Sensor eines Flugkörpers möglichst effizient zu beobachtende Ziele durch Schwenken eines Sichtbereichs des Sensors auf die Ziele zu erfassen.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von einer Zahl N Zielen Z_n mit n = 1, ...,N und N>3 für einen an einem Flugkörper angeordneten Sensor, wobei der Sensor einen Sichtbereich aufweist und gegenüber dem Flugkörper und/oder zusammen mit dem Flugkörper um einen Drehwinkel verschwenkbar ist, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen einer für eine vorgegebene Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers gültige Schwenkzeitbibliothek mit einer Vielzahl von Elementarschwenkzeiten, wobei die Elementarschwenkzeiten diejenigen Zeitdauern angeben, die zum Verschwenken des Sensors zwischen jeweils zwei aus einer Vielzahl von Orientierungen notwendig sind, wobei in einer jeweiligen der Orientierungen der Sichtbereich auf einen jeweiligen Knotenpunkt eines gegenüber dem Flugkörper virtuell körperfest mitbewegten Rasters gerichtet ist,
- Bereitstellen einer jeweiligen Zielposition eines jeweiligen der Ziele Z_n und einer Flugkörperposition ,
- Ermitteln von möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten,

- Ermitteln einer jeweiligen Summe von Elementarschwenkzeiten für jede der möglichen Reihenfolgen durch wiederholtes Ausführen der folgenden Schritte a) bis e) unter kombinatorisch wechselnder Zuweisung des jeweiligen ausgewählten i-ten und i+1-ten der Ziele zu einem jeweiligen n-ten der Ziele Z_n:
1. a) Auswählen eines ersten Paares {Z_i, Z_i+1} aus den Zielen Z_n mit initial i=1,
2. b) Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z_i und Z_i+1 des ausgewählten Paares {Z_i, Z_i+1} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K_i und K_i+1,
3. c) Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K_i und K_i+1 aus der Schwenkzeitbibliothek,
4. d) Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der unter c) ermittelten Elementarschwenkzeit und Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers zu den Zielen Z_n aus der Überflugstrecke,
5. e) auf Basis der veränderten Relativposition des Flugkörpers: Erneutes Ausführen der Schritte b) bis d) mit einem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1}, wobei bei jedem erneuten Ausführen der Index i um Eins erhöht wird bis i+1=N und wobei das jeweilige neue ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 und das dem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 vorangegangene ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i≥1 jeweils ein gemeinsames Ziel aufweisen,
- Auswählen derjenigen der möglichen Reihenfolgen der Zielknotenpunkte mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten, und
- Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z_n auf Basis der Zuordnung der jeweiligen Zielposition zu einem jeweiligen der Zielknotenpunkte.

Die Ziele sind bevorzugt unbeweglich gegenüber der Erde.
Der Drehwinkel, innerhalb dessen der Sichtbereich des Sensors verschwenkbar ist, ist insbesondere durch eine mechanische Grenze begrenzt, wenn der Sensor gegenüber dem Flugkörper verschwenkbar ist, oder auch durch einen physikalisch sinnvollen Bereich, insbesondere dann, wenn der Sensor zusammen mit dem Flugkörper verschwenkbar ist, wobei der physikalisch sinnvolle Bereich insbesondere durch einen Winkel des Sichtbereichs des Sensors gegenüber der Erdoberfläche begrenzt ist.
Die Schritte a) bis e) werden jeweils für genau eine der möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten durchgeführt. Für jede weitere der möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten werden die Schritte a) bis e) erneut durchgeführt.
Es handelt sich beim ersten Aspekt der Erfindung insbesondere nicht um einen kontinuierlich ausgeführten Algorithmus, vielmehr werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere durch die vorgefertigte Schwenkzeitbibliothek durch Ermitteln aller möglichen Reihenfolgen aus einer Permutation der endlichen Zahl N von Zielen Z_n bzw. der zugeordneten Zielknotenpunkte eine der Reihenfolgen mit der geringsten Summe aus den Elementarschwenkzeiten vor Ausführung der tatsächlichen Schwenkbewegungen ermittelt.
In Schritt e) wird die sich während einer Schwenkbewegung verändernde Relativposition des Flugkörpers berücksichtigt, für die die Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers kausal ist. In anderen Worten wird in den Schritten a) bis d) die für ein Paar von ausgewählten Zielen benötigte Elementarschwenkzeit ermittelt, die während dieser Elementarschwenkzeit erfolgende Überflugstrecke des Flugkörpers ermittelt - denn die Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers ist bekannt - und an der aus dieser Überflugstrecke des Flugkörpers sich ergebenden neuen Position (als neue Referenzlage) des Flugkörpers für das sich daran anschließende neue betrachtete Paar von Zielen das Raster, das gedacht körperfest mit dem Flugkörper mitbewegt wird, zum Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele des daran sich anschließenden neuen ausgewählten Paares zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten genutzt.
Das i-te der Ziele ist das Ziel Z_i und das i+1-te der Ziele ist das Ziel Z_i+1 und das n-te der Ziele ist eines aus den Zielen Z_n mit der jeweiligen Nummer n.
Der Index „i“ ist somit insbesondere ein Laufindex, der für die Schritte a) bis d) je Durchlauf durch diese Schritte konstant gehalten wird, und bei einem neuen Durchlauf nach Schritt e) jeweils um Eins, d.h. mit „+1“ erhöht wird, bis alle relevanten N Ziele in einer der möglichen Reihenfolgen erfasst sind.
Insbesondere werden alle mit den Indizes i und i+1 gekennzeichneten Ziele, beginnend mit i=1 bis i=N-1, kombinatorisch einem jeweiligen n-ten der Ziele Z_n zugewiesen.
Die „kombinatorisch wechselnde Zuweisung“ wird insbesondere durch eine Permutation der Ziele Z_n erreicht, sodass alle möglichen Reihenfolgen der Betrachtung der N Ziele erfasst werden und eine Berechnung der Summe aller Elementarschwenkzeiten für jede der möglichen Reihenfolgen erfolgt, wobei durch die Angabe der Elementarschwenkzeiten bezüglich des Rasters zunächst die Reihenfolge der Zielknotenpunkte durch Auswählen derjenigen der möglichen Reihenfolgen der Zielknotenpunkte mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten ermittelt wird, und im letzten Schritt gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z_n auf Basis der Zuordnung der jeweiligen Zielposition zu einem jeweiligen der Zielknotenpunkte ermittelt wird. Zu diesem letzten Schritt sei angemerkt, dass dieser lediglich die Umkehrung der bereits zu Beginn des vierten Schritt des ersten Aspekts festgelegten Zuordnung „wobei ein jeweiliger der Zielknotenpunkte ein jeweiliger Knotenpunkt mit minimalem Abstand zu einer jeweiligen Zielposition ist“ darstellt. Eine vollständige Permutation über alle Ziele kann aber auch entfallen, wenn insbesondere ein Optimierungsalgorithmus verwendet wird, um nur bestimmte vordefinierte Kombinationen von Zielen zu betrachten.
Bevorzugt ist das Raster eine endliche durch äquidistante Rasterlinien unterteilte Fläche, wobei insbesondere die Schnittpunkte der Rasterlinien die Knotenpunkte bilden.
Bevorzugt ist das virtuelle Raster ein virtuell auf einer Erdoberfläche mit der Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers mitbewegtes Raster; weiterhin bevorzugt trifft ein Nadir des Flugkörpers in ein geometrisches Zentrum des virtuellen Rasters, das heißt, dass eine durch den Flugkörper verlaufene gedachte Normale auf ein Referenzellipsoid der Erde stets auch durch das geometrisches Zentrum des virtuellen Rasters verläuft, wobei das Referenzellipsoid der Erde insbesondere ein geglättetes Modell der Erde gemäß der WGS-84 Konvention ist.
Insbesondere folgt auf das betrachtete Paar {Z₁, Z₂} das betrachtete Paar {Z₂, Z₃} und hierauf wiederum das betrachtete Paar {Z₃, Z₄} und so weiter bis alle N Ziele mit dem abschließenden Paar {Z_N-1, Z_N} erfasst wurden, wobei der Sensor insbesondere vom Ziel Z_i zum Ziel Z_i+1 in einem Paar verschwenkt wird, so dass eine kontinuierliche Reihenfolge über beobachtete Ziele durch (hypothetisches) Verschwenken des Sensors entsteht. Daher weisen das dem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 vorangegangene ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i≥1 und das jeweils neue ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 immer ein gemeinsames Ziel auf.
Die permutative Betrachtung der möglichen Reihenfolgen zur Beobachtung der Ziele Z_n und die Ermittlung der Summen aus Elementarschwenkzeiten für alle Reihenfolgen erfolgt durch wiederholtes Ausführen der Schritte a) bis e), wobei die Schritte a) bis d) jeweils eine Elementarschwenkzeit für ein betrachtetes Paar ermitteln, und die Auswahl des betrachteten Paares durch die während dieser Elementarschwenkzeit erfolgende Überflugstrecke einen entsprechenden Einfluss auf die Elementarschwenkzeit des nächsten Paares hat. Insofern werden die Schritte a) bis d) über alle N der Ziele Z_n durchgeführt. Um alle möglichen Reihenfolgen zu ermitteln, werden permutativ die Schritte a) bis e) mit wechselnder Zuweisung der in einer jeweiligen der möglichen Reihenfolgen betrachteten Ziele Z_i und Z_i+1 zu den Zielen Z_n ausgeführt.
Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass mit relativ geringer Rechenleistung eine zeiteffiziente Reihenfolge von Zielen zum Beobachten der Ziele durch den Sensor gefunden wird, wobei die Reihenfolge derart ist, dass mit einer vorgegebenen Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers über die Ziele möglichst viele der Ziele beobachtet werden können. Dies wird insbesondere durch die vorteilhafte Vorberechnung der Schwenkzeitbibliothek und die Möglichkeit der Ausführung des Verfahrens durch eine Bodenstation, insbesondere auch vor einem Flug des Flugkörpers, ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Elementarschwenkzeiten abhängig von einer größten möglichen Änderungsrate des Drehwinkels des Sensors und von einer größten möglichen zeitlichen Ableitung der Änderungsrate des Drehwinkels des Sensors.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt auf:

- Berechnen einer gesamten Überflugdauer über alle der N Ziele Z_n und Ausschließen von denjenigen möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten, für die die Summe der Elementarschwenkzeiten die Überflugdauer übersteigt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Flugkörper ein Satellit und der Sensor ist drehfest am Satelliten angeordnet, wobei die Ausrichtung der Orientierung des Sensors durch Änderungen zumindest eines Lagewinkels des Satelliten erfolgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Flugkörper ein Luftfahrzeug und der Sensor ist verschwenkbar gegenüber einem Rumpf des Luftfahrzeugs ausgeführt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegen die Ziele in einem vordefiniertem Zielgebiet und die Größe des Zielgebiets korreliert mit einer Größe des virtuellen Rasters.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform korreliert die Größe des virtuellen Rasters mit einer vordefinierten Obergrenze des Drehwinkels und die vordefinierte Obergrenze des Drehwinkels ist auf Basis eines höchst zulässigen Winkels zwischen einer Richtung des Sichtbereichs und der Erdoberfläche definiert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist ein äußerer Rand des Rasters eine rechteckige Form auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von einer Zahl N Zielen Z_n mit n = 1, ..., N und N>3 für einen an einem Flugkörper angeordneten Sensor, wobei der Sensor einen Sichtbereich aufweist und gegenüber dem Flugkörper und/oder zusammen mit dem Flugkörper um einen Drehwinkel verschwenkbar ist, aufweisend:

- eine erste Schnittstelle, die zum Bereitstellen einer für eine vorgegebene Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers gültige Schwenkzeitbibliothek mit einer Vielzahl von Elementarschwenkzeiten ausgeführt ist, wobei die Elementarschwenkzeiten diejenigen Zeitdauern angeben, die zum Verschwenken des Sensors zwischen jeweils zwei aus einer Vielzahl von Orientierungen notwendig sind, wobei in einer jeweiligen der Orientierungen der Sichtbereich auf einen jeweiligen Knotenpunkt eines gegenüber dem Flugkörper virtuell körperfest mitbewegten Rasters gerichtet ist,
- eine zweite Schnittstelle, die zum Bereitstellen einer jeweiligen Zielposition eines jeweiligen der Ziele Z_n und einer Flugkörperposition ausgeführt ist,
- eine Recheneinheit, die zum Ermitteln von möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten und einer jeweiligen Summe von Elementarschwenkzeiten für jede der möglichen Reihenfolgen, wobei ein jeweiliger der Zielknotenpunkte ein jeweiliger Knotenpunkt mit minimalem Abstand zu einer jeweiligen Zielposition ist, durch wiederholtes Ausführen der folgenden Schritte a) bis e) unter kombinatorisch wechselnder Zuweisung des jeweiligen ausgewählten i-ten und i+1-ten der Ziele zu einem jeweiligen n-ten der Ziele Z_n, ausgeführt ist:
1. a) Auswählen eines ersten Paares {Z_i, Z_i+1} aus den Zielen Z_n mit initial i=1,
2. b) Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z_i und Z_i+1 des ausgewählten Paares {Z_i, Z_i+1} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K_i und K_i+1
3. c) Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K_i und K_i+1 aus der Schwenkzeitbibliothek,
4. d) Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der unter c) ermittelten Elementarschwenkzeit und Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers zu den Zielen Z_n aus der Überflugstrecke,
5. e) auf Basis der veränderten Relativposition des Flugkörpers: Erneutes Ausführen der Schritte b) bis d) mit einem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1}, wobei bei jedem erneuten Ausführen der Index i um Eins erhöht wird bis i+1=N und wobei das jeweilige neue ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 und das dem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 vorangegangene ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i≥1 jeweils ein gemeinsames Ziel aufweisen,
wobei die Recheneinheit ferner zum Auswählen derjenigen der möglichen Reihenfolgen der Zielknotenpunkte mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten und zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z_n auf Basis der Zuordnung der jeweiligen Zielposition zu einem jeweiligen der Zielknotenpunkte ausgeführt ist.

Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Systems ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorstehend gemachten Ausführungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Flugkörper mit einem Sensor und mit einem System wie oben und im Folgenden beschrieben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 Ein Verfahren zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von Zielen für einen an einem Flugkörper angeordneten Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 ein System zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von Zielen für einen an einem Flugkörper angeordneten Sensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von einer Zahl N Zielen Z_n mit n =1,...,N und N>3 für einen an einem Flugkörper 1 angeordneten Sensor 3, wobei der Sensor 3 einen Sichtbereich aufweist und gegenüber dem Flugkörper 1 und/oder zusammen mit dem Flugkörper 1 um einen Drehwinkel verschwenkbar ist, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen S1 einer für eine vorgegebene Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers 1 gültige Schwenkzeitbibliothek mit einer Vielzahl von Elementarschwenkzeiten, wobei die Elementarschwenkzeiten diejenigen Zeitdauern angeben, die zum Verschwenken des Sensors 3 zwischen jeweils zwei aus einer Vielzahl von Orientierungen notwendig sind, wobei in einer jeweiligen der Orientierungen der Sichtbereich auf einen jeweiligen Knotenpunkt 20 eines gegenüber dem Flugkörper 1 virtuell körperfest mitbewegten Rasters 5 gerichtet ist,
- Bereitstellen S2 einer jeweiligen Zielposition eines jeweiligen der Ziele Z_n und einer Flugkörperposition ,
- Ermitteln S3 von möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten,

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- Ermitteln S4 einer jeweiligen Summe von Elementarschwenkzeiten für jede der möglichen Reihenfolgen durch wiederholtes Ausführen der folgenden Schritte a) bis e) unter kombinatorisch wechselnder Zuweisung des jeweiligen ausgewählten i-ten und i+1-ten der Ziele zu einem jeweiligen n-ten der Ziele Z_n:
1. a) Auswählen eines ersten Paares {Z_i, Z_i+1} aus den Zielen Z_n mit initial i=1,
2. b) Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z_i und Z_i+1 des ausgewählten Paares {Z_i, Z_i+1} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K_i und K_i+1,
3. c) Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K_i und K_i+1 aus der Schwenkzeitbibliothek,
4. d) Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der unter c ermittelten Elementarschwenkzeit und Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers 1 zu den Zielen Z_n aus der Überflugstrecke,
5. e) auf Basis der veränderten Relativposition des Flugkörpers 1: Erneutes Ausführen der Schritte b) bis d) mit einem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1}, wobei bei jedem erneuten Ausführen der Index i um Eins erhöht wird bis i+1=N und wobei das jeweilige neue ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 und das dem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 vorangegangene ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i≥1 jeweils ein gemeinsames Ziel aufweisen,
- Auswählen S5 derjenigen der möglichen Reihenfolgen der Zielknotenpunkte mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten, und
- Ermitteln S6 einer Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z_n auf Basis der Zuordnung der jeweiligen Zielposition zu einem jeweiligen der Zielknotenpunkte.

3

2 zeigt ein System 100 zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von einer Zahl N Zielen Z_n mit n =1,...,N und N>3 für einen an einem Flugkörper 1 angeordneten Sensor 3, wobei der Sensor 3 einen Sichtbereich aufweist und gegenüber dem Flugkörper 1 und/oder zusammen mit dem Flugkörper 1 um einen Drehwinkel verschwenkbar ist, aufweisend:

- eine erste Schnittstelle 7, die zum Bereitstellen einer für eine vorgegebene Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers 1 gültige Schwenkzeitbibliothek mit einer Vielzahl von Elementarschwenkzeiten ausgeführt ist, wobei die Elementarschwenkzeiten diejenigen Zeitdauern angeben, die zum Verschwenken des Sensors 3 zwischen jeweils zwei aus einer Vielzahl von Orientierungen notwendig sind, wobei in einer jeweiligen der Orientierungen der Sichtbereich auf einen jeweiligen Knotenpunkt 20 eines gegenüber dem Flugkörper 1 virtuell körperfest mitbewegten Rasters 5 gerichtet ist,
- eine zweite Schnittstelle 9, die zum Bereitstellen einer jeweiligen Zielposition eines jeweiligen der Ziele Z_n und einer Flugkörperposition ausgeführt ist,
- eine in einer Bodenstation angeordnete Recheneinheit 11, die zum Ermitteln S3 von möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten und einer jeweiligen Summe von Elementarschwenkzeiten für jede der möglichen Reihenfolgen, wobei ein jeweiliger der Zielknotenpunkte ein jeweiliger Knotenpunkt 20 mit minimalem Abstand zu einer jeweiligen Zielposition ist, durch wiederholtes Ausführen der folgenden Schritte a) bis e) unter kombinatorisch wechselnder Zuweisung des jeweiligen ausgewählten i-ten und i+1-ten der Ziele zu einem jeweiligen n-ten der Ziele Z_n ausgeführt ist:
1. a) Auswählen eines ersten Paares {Z_i, Z_i+1} aus den Zielen Z_n mit initial i=1,
2. b) Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z_i und Z_i+1 des ausgewählten Paares {Z_i, Z_i+1} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K_i und K_i+1,
3. c) Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K_i und K_i+1 aus der Schwenkzeitbibliothek,
4. d) Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der unter c ermittelten Elementarschwenkzeit und Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers 1 zu den Zielen Z_n aus der Überflugstrecke,
5. e) auf Basis der veränderten Relativposition des Flugkörpers 1: Erneutes Ausführen der Schritte b) bis d) mit einem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1}, wobei bei jedem erneuten Ausführen der Index i um Eins erhöht wird bis i+1=N und wobei das jeweilige neue ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 und das dem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 vorangegangene ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i≥1 jeweils ein gemeinsames Ziel aufweisen, wobei die Recheneinheit 11 ferner zum Auswählen derjenigen der möglichen Reihenfolgen der Zielknotenpunkte mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten und zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z_n auf Basis der Zuordnung der jeweiligen Zielposition zu einem jeweiligen der Zielknotenpunkte ausgeführt ist. Es werden hierbei N=4 Ziele Z_n mit n ∈ {1,2,3,4} betrachtet. In einem ersten Durchlauf der Schritte a) bis e) werden zunächst die Zielknotenpunkte durch die Recheneinheit 11 definiert, wobei ein jeweiliger der Zielknotenpunkte ein jeweiliger Knotenpunkt 20 mit minimalem Abstand zu einer jeweiligen Zielposition ist. In einer ersten Ausführung der Schritte a) bis e) wird das erste Paar {Z_i, Z_i+1}={Z₁, Z₂} als {Z_n=2, Z_n=1} ausgewählt aus den Zielen Z_n, woraufhin ein Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z_i=Z₁ und Z_i+1=Z₂ des ausgewählten Paares {Z_i, Z_i+1} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K_i= K₁ und K_i+1= K₂ erfolgt. Anschließend erfolgt durch die Recheneinheit 11 ein Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K_i= K₁ und K_i+1= K₂ aus der Schwenkzeitbibliothek sowie das Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der dieser ermittelten Elementarschwenkzeit und das Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers 1 zu den Zielen Z_n aus der Überflugstrecke. Auf Basis dieser veränderten Relativposition des Flugkörpers 1 erfolgt in der Recheneinheit 11 anschließend ein erneutes Ausführen dieser Schritte, um die weiteren Elementarschwenkzeiten der verbleibenden der N Ziele Z_n zu ermitteln. Somit wird in Schritt a) mit dem nächsten ausgewählten Paar {Z₂, Z₃} als {Z_n=1, Z_n=3} fortgefahren, woraufhin ein Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z₂ und Z₃ des ausgewählten Paares {Z₂, Z₃} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K₂ und K₃ erfolgt. Anschließend erfolgt durch die Recheneinheit 11 ein Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K₂ und K₃ aus der Schwenkzeitbibliothek sowie das Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der dieser ermittelten Elementarschwenkzeit und das Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers 1 zu den Zielen Z_n aus der Überflugstrecke. Auf Basis dieser veränderten Relativposition des Flugkörpers 1 erfolgt in der Recheneinheit 11 anschließend wiederum ein erneutes Ausführen dieser Schritte, wobei mit dem nächsten ausgewählten Paar {Z₃, Z₄} als {Z_n=3, Z_n=4} fortgefahren wird woraufhin ein Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z₃ und Z₄ des ausgewählten Paares {Z_i, Z_i+1} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K₃ und K₄ erfolgt. Anschließend erfolgt durch die Recheneinheit 11 ein Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K₃ und K₄ aus der Schwenkzeitbibliothek sowie das Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der dieser ermittelten Elementarschwenkzeit. Nun sind für diese mögliche Reihenfolge der Beobachtung der Ziele Z_n, nämlich Z_n=2 zu Z_n=1 zu Z_n=3 zu Z_n=4 alle Elementarschwenkzeiten bekannt, und diese werden zu einer Summe der Elementarschwenkzeiten für diese der möglichen Reihenfolgen summiert. Es folgt die Ausführung dieser Schritte a) bis e) für eine neue der möglichen Reihenfolgen, beginnend mit dem gleichen ersten Paar, und einer veränderten Reihenfolge der folgenden Ziele, oder aber mit einem neuen ersten ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1}={Z₁, Z₂} für {Z_n=1, Z_n=2}, woraufhin die eben beschriebene Ausführung der Schritte a) bis e) wiederholt wird. Eine solche betrachtete Reihenfolge kann sein Z_n=1 zu Z_n=2 zu Z_n=4 zu Z_n=3 oder Z_n=1 zu Z_n=2 zu Z_n=3 zu Z_n=4. Die Recheneinheit 11 ist ferner zum Auswählen derjenigen der möglichen Reihenfolgen der Zielknotenpunkte mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten und zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z_n auf Basis der Zuordnung der jeweiligen Zielposition zu einem jeweiligen der Zielknotenpunkte ausgeführt. Der Flugkörper 1 ist hierbei ein Satellit und der Sensor 3 ist drehfest am Satelliten angeordnet, und wobei die Ausrichtung der Orientierung des Sensors 3 durch Änderungen aller drei Lagewinkel des Satelliten erfolgt. Die Lagewinkel des Satelliten werden hierbei durch Beschleunigen und Verzögern von Schwungrädern im Satelliten, alternativ mittels Schubdüsen, geregelt. Die Ziele Z_n liegen ferner in einem vordefiniertem Zielgebiet und die Größe des Zielgebiets korreliert mit einer Größe des virtuellen Rasters 5. Die Größe des virtuellen Rasters 5 korreliert ferner mit einer vordefinierten Obergrenze des Drehwinkels und die vordefinierte Obergrenze des Drehwinkels ist auf Basis eines vorgegebenen höchst zulässigen Winkels zwischen einer Richtung des Sichtbereichs und der Erdoberfläche definiert. Der höchst zulässige Winkel ist dabei ein physikalisch sinnvoller Winkel, da mit zunehmender Abweichung des Sichtbereichs des Sensors 3 auf eines der Ziele Z_n von einem Nadir die Entfernung zwischen Sensor 3 und dem jeweiligen der Ziele Z_n zunimmt und der Winkel zu einer auf die Erdoberfläche gedachten Projektion der Ziele Z_n ungünstiger wird. Außerdem weist der äußere Rand des Rasters 5 eine rechteckige Form auf und die das Raster unterteilenden Rasterlinien sind entlang orthogonaler Achsen zueinander angeordnet und die Schnittpunkte der Rasterlinien bilden die Knotenpunkte des Rasters 5.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Flugkörper
3: Sensor
5: Raster
7: erste Schnittstelle
9: zweite Schnittstelle
11: Recheneinheit
20: Knotenpunkt
100: System
S1: Bereitstellen
S2: Bereitstellen
S3: Ermitteln
S4: Ermitteln
S41: Berechnen
S5: Auswählen
S6: Ermitteln

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von einer Zahl N Zielen Z_n mit n =1,...,N und N>3 für einen an einem Flugkörper (1) angeordneten Sensor (3), wobei der Sensor (3) einen Sichtbereich aufweist und gegenüber dem Flugkörper (1) und/oder zusammen mit dem Flugkörper (1) um einen Drehwinkel verschwenkbar ist, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen (S1) einer für eine vorgegebene Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers (1) gültige Schwenkzeitbibliothek mit einer Vielzahl von Elementarschwenkzeiten, wobei die Elementarschwenkzeiten diejenigen Zeitdauern angeben, die zum Verschwenken des Sensors (3) zwischen jeweils zwei aus einer Vielzahl von Orientierungen notwendig sind, wobei in einer jeweiligen der Orientierungen der Sichtbereich auf einen jeweiligen Knotenpunkt (20) eines gegenüber dem Flugkörper (1) virtuell körperfest mitbewegten Rasters (5) gerichtet ist, - Bereitstellen (S2) einer jeweiligen Zielposition eines jeweiligen der Ziele Z_n und einer Flugkörperposition, - Ermitteln (S3) von möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten, wobei ein jeweiliger der Zielknotenpunkte ein jeweiliger Knotenpunkt (20) mit minimalem Abstand zu einer jeweiligen Zielposition ist, - Ermitteln (S4) einer jeweiligen Summe von Elementarschwenkzeiten für jede der möglichen Reihenfolgen durch wiederholtes Ausführen der folgenden Schritte a) bis e) unter kombinatorisch wechselnder Zuweisung des jeweiligen ausgewählten i-ten und i+1-ten der Ziele zu einem jeweiligen n-ten der Ziele Z_n, : a) Auswählen eines ersten Paares {Z_i, Z_i+1} aus den Zielen Z_n mit initial i=1, b) Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z_i und Z_i+1 des ausgewählten Paares {Z_i, Z_i+1} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K_i und K_i+1, c) Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K_i und K_i+1 aus der Schwenkzeitbibliothek, d) Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der unter c) ermittelten Elementarschwenkzeit und Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers (1) zu den Zielen Z_n aus der Überflugstrecke, e) auf Basis der veränderten Relativposition des Flugkörpers (1): Erneutes Ausführen der Schritte b) bis d) mit einem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1, wobei bei jedem erneuten Ausführen der Index i um Eins erhöht wird bis i+1=N und wobei das jeweilige neue ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 und das dem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 vorangegangene ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i≥1 jeweils ein gemeinsames Ziel aufweisen, - Auswählen (S5) derjenigen der möglichen Reihenfolgen der Zielknotenpunkte mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten, und - Ermitteln (S6) einer Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z_n auf Basis der Zuordnung der jeweiligen Zielposition zu einem jeweiligen der Zielknotenpunkte.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elementarschwenkzeiten abhängig von einer größten möglichen Änderungsrate des Drehwinkels des Sensors (3) und von einer größten möglichen zeitlichen Ableitung der Änderungsrate des Drehwinkels des Sensors (3) sind.
Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend den Schritt: - Berechnen (S41) einer gesamten Überflugdauer über alle Ziele und Ausschließen von denjenigen möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten, für die die Summe der Elementarschwenkzeiten die Überflugdauer übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Flugkörper (1) ein Satellit ist und der Sensor (3) drehfest am Satelliten angeordnet ist, und wobei die Ausrichtung der Orientierung des Sensors (3) durch Änderungen zumindest eines Lagewinkels des Satelliten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Flugkörper (1) ein Luftfahrzeug ist und der Sensor (3) verschwenkbar gegenüber einem Rumpf des Luftfahrzeugs ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ziele in einem vordefiniertem Zielgebiet liegen und die Größe des Zielgebiets mit einer Größe des virtuellen Rasters (5) korreliert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Größe des virtuellen Rasters (5) mit einer vordefinierten Obergrenze des Drehwinkels korreliert und die vordefinierte Obergrenze des Drehwinkels auf Basis eines höchst zulässigen Winkels zwischen einer Richtung des Sichtbereichs und der Erdoberfläche definiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein äußerer Rand des Rasters (5) eine rechteckige Form aufweist.
System (100) zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge von einer Zahl N Zielen Z_n mit n =1,...,N und N>3 für einen an einem Flugkörper (1) angeordneten Sensor (3), wobei der Sensor (3) einen Sichtbereich aufweist und gegenüber dem Flugkörper (1) und/oder zusammen mit dem Flugkörper (1) um einen Drehwinkel verschwenkbar ist, aufweisend: - eine erste Schnittstelle (7), die zum Bereitstellen einer für eine vorgegebene Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers (1) gültige Schwenkzeitbibliothek mit einer Vielzahl von Elementarschwenkzeiten ausgeführt ist, wobei die Elementarschwenkzeiten diejenigen Zeitdauern angeben, die zum Verschwenken des Sensors (3) zwischen jeweils zwei aus einer Vielzahl von Orientierungen notwendig sind, wobei in einer jeweiligen der Orientierungen der Sichtbereich auf einen jeweiligen Knotenpunkt (20) eines gegenüber dem Flugkörper (1) virtuell körperfest mitbewegten Rasters (5) gerichtet ist, - eine zweite Schnittstelle (9), die zum Bereitstellen einer jeweiligen Zielposition eines jeweiligen der Ziele Z_n und einer Flugkörperposition ausgeführt ist, - eine Recheneinheit (11), die zum Ermitteln (S3) von möglichen Reihenfolgen von Zielknotenpunkten und einer jeweiligen Summe von Elementarschwenkzeiten für jede der möglichen Reihenfolgen, wobei ein jeweiliger der Zielknotenpunkte ein jeweiliger Knotenpunkt (20) mit minimalem Abstand zu einer jeweiligen Zielposition ist, durch wiederholtes Ausführen der folgenden Schritte a) bis e) unter kombinatorisch wechselnder Zuweisung des jeweiligen ausgewählten i-ten und i+1-ten der Ziele zu einem jeweiligen n-ten der Ziele Z_n, ausgeführt ist: a) Auswählen eines ersten Paares {Z_i, Z_i+1} aus den Zielen Z_n mit initial i=1, b) Zuordnen der jeweiligen Zielposition der Ziele Z_i und Z_i+1 des ausgewählten Paares {Z_i, Z_i+1} zu einem jeweiligen von Zielknotenpunkten K_i und K_i+1, c) Ermitteln einer Elementarschwenkzeit zwischen den Zielknotenpunkten K_i und K_i+1 aus der Schwenkzeitbibliothek, d) Ermitteln einer Überflugstrecke aus der vorgegebenen Fluggeschwindigkeit und aus der unter c) ermittelten Elementarschwenkzeit und Ermitteln einer veränderten Relativposition des Flugkörpers (1) zu den Zielen Z_n aus der Überflugstrecke, e) auf Basis der veränderten Relativposition des Flugkörpers (1): Erneutes Ausführen der Schritte b) bis d) mit einem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1, wobei bei jedem erneuten Ausführen der Index i um Eins erhöht wird bis i+1=N und wobei das jeweilige neue ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 und das dem neuen ausgewählten Paar {Z_i, Z_i+1} mit i>1 vorangegangene ausgewählte Paar {Z_i, Z_i+1} mit i≥1 jeweils ein gemeinsames Ziel aufweisen, wobei die Recheneinheit (11) ferner zum Auswählen derjenigen der möglichen Reihenfolgen der Zielknotenpunkte mit der kleinsten Summe aus Elementarschwenkzeiten und zum Ermitteln einer Beobachtungsreihenfolge der Ziele Z_n auf Basis der Zuordnung der jeweiligen Zielposition zu einem jeweiligen der Zielknotenpunkte ausgeführt ist.
Flugkörper (1) mit einem Sensor (3) und mit einem System (100) nach Anspruch 9.