DE19614798A1

DE19614798A1 - Geopgraphische Multistatische 3D-Messplattform

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Publication number: DE19614798A1
Application number: DE1996114798
Authority: DE
Original assignee: HANNIG LUTZ DIPL METEOR; SCHMITT HANNIG ANNEMARIE
Current assignee: HANNIG LUTZ DIPL METEOR; SCHMITT HANNIG ANNEMARIE
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 1997-10-16

Description

2.1. Stand der Technik

Betrachtet man zum Verständnis die Entwicklung der reinen Radar-Meßtechnik, so ist der Stand der Technik an der Geräteentwicklung dieser speziellen Komponenten am schnellsten nachzuvollziehen.

Monostatische Radar-Systeme sind weltweit die bisher häufigsten Radargeräte, Sender und Empfänger bilden bei ihnen eine Einheit. Die Trennung von Sender und Empfänger führte seinerzeit zu einem bistatischen-Radar, dessen Entwicklung jedoch zugunsten des monostatischen Doppler-Radars nicht weiter betrieben wurde. Beide Systeme liefern strikt 2-dimensionale Darstellungen des Meßraumes.

Mit den bisherigen Methoden der 2-dimensionalen Darstellung auf einem Bildschirm können beispielsweise Flugunfälle, sog. "midair-collisions" (Kollisionen) oder "near misses" (Flugüberschneidungen), auch weiterhin nicht vollständig ausgeschlossen werden. Hinzu kommt, daß diese Systeme, die nur auf einen Sender aufbauen, mit gerätespezifischen Fehlern behaftet sind die allein schon aufgrund meteorologischer Bedingungen zusätzliche Risiken und Meßfehler mit sich bringen können. Bei zunehmenden Flugbewegungen im 3-dimensionalen Szenario des kontrollierten Luftraumes arbeiten bisherige Monostatische Radar-Systeme (häufig Doppler-Radar) daher bereits in den sog. gerätebedingten Grenzbereichen.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung einer neuen geographischen 3D-Meßplattform liegt das Problem zugrunde 3-dimensionale Vorgänge auch 3-dimensionai zu vermessen und darzustellen um so hochauflösende, mehrfach gesicherte Messungen zu erhalten, die mit Monostatischen Systemen bisheriger Bauart schon aus rein physikalischen Gründen nicht zu erreichen sind.

Ein ähnliches Prinzip der kreisförmigen Sender Empfänger-Anordnung hat sich in der Medizin bereits bewährt, der grundsätzliche Unterschied zu der im Patentanspruch angegebenen Erfindung ist jedoch folgender:

2.1.a. Bei der Computertomographie (CT) wird das Objekt direkt durchleuchtet, Sender und Empfänger befinden sich immer direkt gegenüber - der Strahlengang ist immer geradlinig.
2.1.b. Bei der im Patentanspruch angegebenen geographischen 3D-Meßplattform befindet sich dagegen das Objekt außerhalb der Plattform. Das vom Meßsender ausgehende, direkte Signal wird also vom Objekt ("target") gestreut. Somit wird nur aus den gestreuten Signalen (scattered signals) das Objekt als Volumen vermessen und über geeignete Software im 3D-Raum rechnerisch rekonstruiert.

So war beispielsweise für 3-dimensionale Wetterphänomene wie "Windshear" (lokal begrenzte sehr starke Abwinde) oder einen "Tornado" eine dynamische 3-dimensionale Vermessung technisch bisher nicht möglich.

Für die im Patentanspruch angegebene Erfindung der geographischen 3D-Meßplattform, (engl.: "Geographical Multistatic 3D System" ) bieten sich damit die nachfolgenden Ausgestakungen an:

2.2. "Geographical Multistatic 3D System" mit Radarkomponenten für den Einsatz in der Flugüberwachung

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den ansteigenden Flugverkehr in verkehrsdichten Bereichen, wie bei Start und Landung, sicherer und effektiver zu kontrollieren und zu leiten, -
dadurch gekennzeichnet, daß durch die Erhöhung der Anzahl von beispielsweise einzelnen, kleinen RADAR-Geräteeinheiten des Meßringes der geographischen Meßplattform die jeweilige Messung des Objektes ("target") schärfer und 3-dimensional als Gesamt-Körper darstellbar wird.

Flugzeuge werden nicht als einfaches Reflexionssignal zweidimensional auf einer Fläche (z. B. Radarbildschirm) wiedergegeben, sondern nach Höhe gestaffelt 3-dimensional im Raum dargestellt. Dies kann z. B. durch eine auf der gemeinsamen Plattform liegenden virtuellen Box geschehen, in der Gelände, Landebahn und Gleitwege und sonstige virtuelle Markierungen als feste oder dynamische Größen hineinprojeziert werden.

Besonders Wetterphänomene, wie Gewitterwolken mit "Windshear" werden 3-dimensional in ihren gesamtem dynamischem Ausmaß darstellbar. Dazu werden in kurzen Zeitabständen Bilder des 3D-Szenarios gespeichert. Das kombinierte RADAR-Sender- und Empfänger-System ist online mit einem Zentralrechner verbunden, der alle eingehenden Meßergebnisse (bei Radar: Echos) kontinuierlich sammelt und verarbeitet. Aus der dynamischen Sequenz von n+1 Bildern kann der angeschlossene Zentral-Rechner Strömungen erkennen und deren Auswirkungen kurzfristig lagerichtig vorausberechnen. (Dieser Prozeß wird in der Meteorologie in den Bereich NOWCASTING eingeordnet). Diese für die Flugsicherheit extrem wichtigen Paramater konnten bisher nicht befriedigend gemessen und vorhergesagt werden, weitere Flugunfälle waren die Folge.

Mit der im Patentanspruch angegebenen neuen geographischen 3D-Meßplattform, hier in spezieller Ausgestaltung dem sog. "Multistatic 3D-RADAR System", werden nun in Kombination mit dem fließendem Verkehr aussagekräftige Analysen und rechtzeitige Ausweichmanöver für den laufenden Flugverkehr im online-Betrieb möglich.

Weiterhin besitzt die geographische 3D-Meßplattform Redundanz. Durch die Art der Messung kann der Ausfall eines Gerätes innerhalb der Meßkette rechnerisch jederzeit im sog Gesamtbild zeitweise überbrückt und ergänzt werden. Die Meßergebnisse der Empfänger (Sensoren) werden im angeschlossenen Zentral-Computer über geeignete Software zu einer 3D-Computergraphik des Meßraumes in "Virtual Reality" zusammengefügt. Der zu kontrollierende Luftraum wird in Echtzeit vermessen und das Meßergebnis 3-dimensional dargestellt. Die Meßgenauigkeit der Plattform, hier z. B. das "Multistatic 3D-RADAR System", hängt unter anderem davon ab inwieweit man die Anzahl der Sender und Empfänger erhöht, um eine 3-dimensionale Rekonstruktion der zu messenden Objekte photogrammetrisch eineindeutig festzulegen. Das vernetzte, kommunizierende System aus Sendern und Empfängern ist dabei ideal in Kreisform anzuordnen, beliebig andere Formen (Dreieck, Vieleck) oder Deformationen sind durchaus zulässig. So können innerhalb des 3D-Meßraumes des "Multistatic 3D Systems" durchaus mehrere Flughäfen einer Großstadt liegen, allein durch die exakten Lagekoordinaten der jeweiligen Komponenten zueinander, d. h. durch die gemeinsame, exakt vermessene Plattform wird die Meßgenauigkeit des gesamten Systems direkt beeinflußt (vgl. Abb. 1).

Damit ist mit der im Patentanspruch angegebenen geographischen 3D-Meßplattform in der Ausgestaltung als "Multistatic 3D-RADAR-System" die Kontrolle eines Luftraumes in Echtzeit möglich, inclusive aller Zusatzinformationen zu Wetter und Geographie.

2.3. "Geographical Multistatic 3D-System" mit unterschiedlichen Meßkomponenten und deren Kombinationen

Auch die Geräteart innerhalb des Meßringes ist beliebig (vgl. NEXRAD Next Generation Radar). Anstelle von Radar können andere geeignete Sender und Empfänger miteinander kombiniert werden, wie beispielsweise
Laser/LIDAR(aktiv),
Radiometer(passiv),
Lightning detection(passiv),
Low-Level Wind Shear A lerting System (LLWSAS), oder auch Sonar, um nur einige der möglichen Komponenten zu nennen.

Durch die neuen Meßmittel ändern sich allein die Meßcharakteristika des jeweiligen Meß-Systems und die zu verwendende Software zur Erfassung und maschinellen Verarbeitung der Bilddaten, - für die im Patentanspruch angegebene Erfindung der geographischen 3D-Meßplattform dagegen, bleibt das 3D-Meßprinzip auf der vermessenen Plattform in Zusammenhang mit der 3D-Analysenmethode immer identisch, - nur der Frequenzbereich der jeweiligen Messungen wird ja verändert, d. h. die Meßmethode wird dem zu messenden Meßobjekt ("target") angepaßt (vgl. Abb. 1).

Auch die Kombination unterschiedlicher Geräte-Typen innerhalb der Meßkette ist schon mit heutiger Computertechnik zu realisieren. Vorhandene Radar-, Laser- oder Sonar-Geräte können in die Meßplattform des Multistatischen-3D-Systems integriert werden.

So wird man für die Messung von meteorologischen Komponenten wie "Windshear" oder "downdraft" im Start und Landebereich eines Flughafens andere Frequenzbereiche auswählen - um beispielsweise die Turbulenzen der freien Atmosphäre vermessen zu können. Selbst die Kombination von Meßdaten der Plattform mit Satelliten-Daten ist möglich und sinnvoll. Über Computergraphik lassen sich dann meteorologische Phänomene und Gefahren mit dem Szenario der Flugbewegungen lagerichtig zu einem 3D-Bild (composite scenario) kombinieren. Gefahren für die Luftfahrt werden daher mit der neuen Meßplattform, dem kombinierten "Geographical Multistatic 3D-System" wesentlich früher erkannt, volumenmäßig lokalisiert (Gewitter) und in ihrer 3-dimensionalen Dynamik und Ausbreitungsgeschwindigkeit analysiert (vgl. NOWCASTING, esa SP-165, 1981). Eng begrenzte meteorlogische Phänomene, wie z. B. "Windshear", können aufgrund der gemeinsamen geographischen Meßplattform vorhergesagt, d. h. sicher vermieden und umflogen werden. Die 3-dimensionale Messung, Aufbereitung und Darstellung durch die "Geographische multistatische 3D-Meßplattform" bietet hier entscheidende Vorteile gegenüber heute üblichen monostatischen Doppler-Radarsystemen.

Je nach Kontrollaufgabe kann im Ergebnis die "Darstellung des 3D-Luftkontrollraums" in "Virtual Reality" software-gesteuert an die jeweilige Überwachungsaufgabe angepaßt werden. Die Rohdaten des "Geographical Multistatic-3D-Systems" lassen über geeignete Software der Computergraphik beliebige Schnitte durch den Meßraum in Echtzeit zu, genauso wie dynamische Beobachtungen mit Hilfe von "Virtual Reality" in eine durchsichtige 3D-Box auf dem jeweiligen Bildschirm des Beobachters. Die 3-dimensionale Auflösungstiefe und Darstellungstreue wird im wesentlichen durch die Rechnerqualität des Gesamtsystems bestimmt. Natürlich ist umgekehrt auch mit vorhandenen Daten der Meßplattform ein sog. "virtuelles Training" des Luftfahrtpersonals möglich. Auch unterschiedliche Softwarelösungen und Sonderverfahren zur Abbildung läßt die im Patentanspruch angegebene Erfindung der geographischen 3D-Meßplattform zu. Damit können die jeweils modernsten Verfahren zur Verarbeitung von Bilddaten zur Anwendung kommen. So können beispielsweise aufbereitete Ansichten des kontrollierten Luftraumes mit Gelände und Landebahninformation online einem anfliegenden Flugzeug ins "cockpit", also auf ein "cockpit-display", überspielt werden. Mündliche Kommunikations-Schwierigkeiten werden dadurch so gut wie ausgeschlossen. Der Pilot erhält die neuesten Informationen aus dem Gelände in dem er sich z.Zt. bewegt. (vgl. Göpfert, Wolfgang: Raum bezogene Informationssysteme/Wichmann 1987, S. 209-256) Beide, Pilot und Bodenkontrolle, haben mit der geographischen 3D-Meßplattform das gleiche Bild des kontrollierten Luftraumes mit gleicher Information vor sich.

2.4. "Geographical Multistatic 3D-System" mit unterschiedlichen Meß-Komponenten für den militärischen Einsatz (Air Force, Army, Marines, etc.)

Aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre können durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung, der geographischen 3D-Meßplattform mit einem "Multistatic 3D System", sog. militärische "targets" eineindeutig identifiziert werden. Bisherige sog. "stealth"-Techniken gehen überwiegend von einer Radarquelle aus, deren Strahlung abgelenkt oder absorbiert wird.

Diese Technik wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung mit der ringförmigen Bestrahlung der Meß-Transceiver (vgl. Bild 1) aus allen Richtungen egalisiert. Bei Nutzung eines Monostatischen Doppler Radar Systems wird die auf ein "target" von vorne auftreffende Strahlung überwiegend zur Seite abgelenkt und nicht direkt reflektiert - das target bleibt für ein "Monostatic Radar-System" unsichtbar. Für ein "Multistatic 3D System"ist dieser Fall nicht existent, da ja seitliche Empfänger des Meßringes auch die abgelenkte, gestreute Strahlung des "targets" empfangen. Zusätzlich werden elektronische Gegenmaßnahmen (ECCM) quasi ausgeschaltet, da die Vervielfachung der Sender die Electronik des "targets", die immer nur eine begrenzte Anzahl von Radarquellen verarbeiten kann, elektronisch überfüttert. Die Vervielfachung der Sender innerhalb der Meßkette in Verbindung mit den computergestützten Methoden der Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten machen das sog "stealth target" sichtbar. Werden zusätzlich weitere Meß-Sender (z. B. LASER) in Kombination mit geeigneten Sensoren auf anderen Frequenzbereichen in die Meßplattform des "Multistatic 3D Systems" eingebracht, sind weitere verfeinerte Meßmethoden denkbar die ein "target" auf der geographischen 3D-Meßplattform, eineindeutig identifizieren. Physikalisch sind beispielsweise die heißen Austrittsgase der Düsentriebwerke eines "targets" innerhalb der kontrollierten Atmosphäre für längere Zeit nachweisbar (vgl. Kondensstreifen), wie auch die Mach′schen Stoßwellen bei höheren Geschwindigkeiten des sog. "stealth target". Für die computergestützten 3D-Analyse der geographischen 3D-Meßplattform sind beliebige Sender/Sensor-Kombinationen aller Frequenzbereiche möglich - das sog. elektronische "jamming" wird damit unwirksam. In ihrer Kombination und der integrierten Computeraufbereitung genügen bekannterweise bereits Meß-Rudimente der verschiedenen Sensoren der Plattform zur eindeutigen "target" - 3D-Rekonstruktion und Identifikation.

2.5. "Geographical Multistatic 3D-System" mit Meß-Komponenten für den Marine- Einsatz und die Meeresforschung

Mit dem Einsatz der in dem Patentanspruch angegebenen 3D-Meßplattform, dem "Multistatic 3D System" auf einzelnen Schiffen, läßt sich bei computergestützter Meßplattform ebenso ein kontrollierter 3-dimensionaler Raum aufbauen. Dies ist über wie unter Wasser möglich. Das System leistet bei einer Kombination unterschiedlicher Meßgeräte (z. B. Laser/Sonar) innerhalb der geographischen 3D-Meßplattform die eindeutige Identifikation und 3-dimensionale Zuordnung eines "targets" im Meßvolumen, also auch im Meer, d. h. unter Wasser. Die computergestützte Mehrfachausleuchtung auf unterschiedlichen Frequenzbereichen überwindet die Nachteile eines Einzel-Meßgerätes mit nur einem Frequenzbereich und einem Blickwinkel. Dieser Grundsatz gilt ganz allgemein für "die Meßplattformen des Geographical Multistatic 3D-Systems" in jedem 3D-Raum. Die oben ausgeführten Bedingungen gelten damit auch für den maritimen Bereich, nämlich auch dann, wenn die Meß-Plattform als Ganzes selbst bewegt wird - weil sich z. B. die Meß-Schiffe der 3D-Meßplattform im Verband bewegen. Das einzelne Meßergebnis wird auch bei dieser Anwendung der 3D-Meßplattform maßgeblich von der Qualität der integrierten Computer-Hardware und Software mitbestimmt.

2.6 "Geographical Multistatic 3D-System" mit Meß-Komponenten für strömungs technische Untersuchungen in der Flugzeug-/Schiffahrt- und Auto-Industrie

Wird die 3D-Meßplattform in geeigneter Orientierung in einen Strömungskanal eingebracht, sind präzise strömungstechnische Untersuchungen eines Objektes in einer Strömung berührungsfrei möglich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Rauchfahnenuntersuchung, bei Automobilen zum Beispiel, ist der Vorteil der neuen Meßmethode dadurch gekennzeichnet, daß mit der im Patentanspruch beschriebenen Meßmethode Abrißwirbel und Wirbelschleppen durch den Computer sowohl dynamisch wie auch berührungsfrei erfaßt werden. Damit sind Wirbel in Abhängigkeit der Anströmgeschwindigkeit rechnerisch darstellbar und neben einer exakten Vermessung über Computergraphik-Software jederzeit auch dynamisch reproduzierbar. In der Folge werden damit bereits existierende Computer- Programme, die z. B. die Turbulenzpunkte einer Fläche berechnen, in das Programm integrierbar. Damit sind aufwendige Entwicklungsarbeiten abzukürzen, bisherige langwierigen Modell-Testserien und Test-Läufe in Strömungskanälen können mit der neuen 3D-Meßplattform effektiver gestaltet werden. Auch hier ist die kombinierte Verwendung (composite-scenario) von Meßapparaturen unterschiedlicher Frequenz auf der gleichen geographischen 3D-Meßplattform möglich und sinnvoll (z. B. die Kombination von LASER/SONAR). Die Meßplattform selbst kann auch hier beweglich zu den zu vermessenden Strömungen und Objekten angebracht werden.

Claims

Geographische multistatische 3D-Meßplattform zur berührungsfreien Messung und kombinierten Darstellung von dynamischen Vorgängen in dreidimensionalen Räumen; (engl.: Geographical Multistatic 3D-System/3D-Sensor Plattform) dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzelne Meß-Transceiver und -Empfänger in etwa ringförmig auf einer gemeinsamen, geographischen 3D-Meßplattform installiert und über Computer so vernetzt werden, daß dynamische Vorgänge 3-dimensional vermessen und dargestellt werden können. Die dann im Computer aufbereitete, virtuelle 3D-Meßplattform ist als Geographisches Informationssystem (GIS) der allgemeinen, realen Geographie überlagert und steht mit ihren Ergebnissen für weitere Arbeitsschritte in Echtzeit zur Verfügung.
Auf der geographischen 3D-Meßplattform sind sämtliche Gerätearten und Kombinationen (wie z. B. Radar und Laser) für eine kombinierte Messung möglich und zulässig. Die Aufweitung der einzelnen Gerätekomponenten der gemeinsamen, geographischen Bezugsfläche (Plattform) zu einer Meß-Kette oder einem Meß-Ring bewirkt, daß Objekte (z. B. Flugzeuge, Gewitterwolken) innerhalb der quasi ringförmigen Anordnung von Sendern und Empfängern von allen Seiten hochauflösend in situ vermessen werden können. Die Meßdaten der einzelnen Komponenten werden computergestützt über geeignete Computergraphik-Software (vgl. CAD/"Virtual Reality" ) dynamisch 3-dimensional präzise so aufbereitet und dargestellt, daß sie rechnerisch sofort weiterverarbeitet werden können.