DE2831825C2

DE2831825C2 - Zielanflugverfahren für einen sich selbst lenkenden Flugkörper

Info

Publication number: DE2831825C2
Application number: DE19782831825
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.rer.nat. 2081 Holm Hesse
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1978-07-20
Filing date: 1978-07-20
Publication date: 1986-05-07
Also published as: DE2831825A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Zielanflugverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens für einen sich selbst lenkenden Flugkörper mit einem das Zielgebiet oder großflächigere Ziele auffassenden bilderzeugenden Sensor und einer die Ablagesignale für die steuernden Stellglieder des Flugkörpers gewinnenden bildverarbeitenden elektronischen Logik nach dem Kreuzkorrelationsverfahren zwischen aktueller Szene und gespeicherten Bildern.
Zielanflugverfahren, bei denen die Ziele sich nicht durch einen hohen Kontrast in irgendeinem Spektral-

bereich von der Umgebung abheben (letztere werden oft auch Punktziele genannt), müssen sich an einer

komplexeren Zielumgebungsstruktur, die nur mit einem abbildenden Sensor erfaßt werden kann, orientieren.

Dabei kann es sich um Abbildungen im Millimeterweilenradarbereich, im Wärmestrahlungsbereich oder auch im sichtbaren Spektralbereich handeln.

Es sind heute Navigationsverfahren für die Marschphase von automatisch das Ziel findenden Flugkörpern

vorgeschlagen, die aufgrund einer Bildkorrelation zwischen vom Sensor aufgenommener Szene und vorprogrammierten Szenenabläufen auf dem beabsichtigten Flugweg ihren Weg ins Zielgebiet finden sollen (Grobnavigation). Dabei wird von einer Flughöhe ausgegangen, die eine möglichst gute Maßstabsübereinstimmung zwischen programmierter und beobachteter Szene gewährleistet. Das Problem entsteht während der eigentlichen Zielanflugphase eines in Fig. 1 dargestellten Flugkörpers 1, der auf ein Ziel 2 gelenkt wird

(Feinnavigation). Während der Zielanflugphase ist eine erhebliche Maßstabsänderung bei der unmittelbaren Zielannäherung zu verarbeiten. Geht man beispielsweise davon aus, daß ein Anflug von 5000 auf 50 m überbrückt, d. h. während dieser Zeit noch Lenksignale erzeugt werden müssen, so ist eine Vergrößerungsänderung um einen Faktor 100 zu verarbeiten. Dies ist mit Standardkorrelationsverfahren, auch mit einfachen Lernzusätzen, nicht zu bewerkstelligen, d.h. ein derartiges Verfahren kann nicht die Gewähr dafür bieten, daß bis zum Schluß noch der ursprüngliche Zielpunkt angesteuert wird.

Es ist ein System zur Erzeugung von kennzeichnenden Signalen fü> Änderungen in vielfach abgetasteten Bildern bekannt (US-PS 36 17 016), wobei ein Gegenstand in aufeinander folgenden Intervallen abgetastet werden kann oder wobei mehrere Gegenstände gleichzeitig abgetastet werden können. Frühere Situationen

darstellende Signale werden gespeichert und dann mit Signalen von nachfolgenden Abtastungen verglichen. Hs werden eindimensionale Ausgangssignale erzeugt, um die abgetasteten Bilder zu verändern oder um eine Positionskorrektur durchzuführen. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung des Systems als Geschoßführungssystem, bei dem bei einem Zielanflug eines Flugkörpers die Maßstabsänderung des aufgenommenen Zielbildes berücksichtigt werden soll. Infolge der eindimensionalen Ausgangssignale bleibt regelmäßig ein zu großer Restfehler erhalten, der nach mehreren Iterationen zum Zielverlust führt. Das vorbekannte Verfahren ist daher nicht funktionssicher.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, unter Verwendung eines eine Kreuzkorrektion mit normierten Kcsflizienten aufweisenden Zielanflugverfahrens ein Bildauswerteverfahren für zweidimensionale Bilder zu schaffen, welches während der Endphase des Fluges, d. h. während des eigentlichen Zielanfluges eines Flugkörpers, trotz der auftretenden Maßstabsänderungen das sich ständig vergrößernde Zielgebiet oder -bild nicht aus dem Auge verliert und während dieser Phase Ablagesignale zur Steuerung des Flugkörpers liefert

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während des Zielanflugs ständig jedes Szenenbild gleichzeitig mit mindestens zwei gespeicherten Zielansichten (M, m) korreliert wird, von denen mindestens !5 eine (M) das Zielgebiet in einem kleineren, mindestens eine andere (m) das Zielgebiet in einem größeren Maßstab als das aktuelle Szenenbild (B) darstellt, daß während des Zielanfiuges unaktuell werdende Ansichten kleinen Maßstabs durch diejenigen aktuellen Szenenbilder ersetzt werden, die während des Anfluges zum Zeitpunkt der besten Übereinstimmung mit einer Vergleichsansicht zunächst größeren Maßstabs (d. h. bei etwa Maßstabsgleichheit) aufgenommen worden sind, und daß zur Berechnung der Gesar V-ublage eine Gewichtung der Abiagesignaie jedes Korreiationsergebnisses mit einer Funktion der Höhen eier zugehörigen Korrelationsmaxima vorgenommen wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung geht dahin, daß die Vergleichsbilder im größeren Maßstab durch zeDtriert um den Zielpunkt liegende Ausschnittsvergrößerungen der Vergleichsglieder kleineren Maßstabs gewonnen werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Unteransprüchen 3 und 4 beschrieben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 zwei Zielgebietsansichten und Fig. 4 den charakteristischen zeitlichen Verlauf der Höhe der Korrelationsmaxima.

In Fig. 2 ist der Sensor eines in Fig. 1 dargestellten Flugkörpers 1 mit 3 bezeichnet. Dem Sensor3 ist ein erster Speicher 4 nachgeschaltet, der das vom Sensor 3 aufgenommene Bild B der aktuellen Szene, beispielsweise von der in Fig. 1 dargestellten Brücke 2, einerseits an zwei Einzelkorrelatoren 5a bzw. Sb eines Doppelkorrelators 5 und andererseits manchmal zur Aktualisierung an einen zweiten Speicher 6 weitergibt.

Dem Speicher 6 ist ein Vergrößerungsglied 7 und ein dritter Speicher 8 nachgcscnaltei. Die Ausgänge der Speicher 6 und 8 sind an die zweiten Eingänge jeweils eines Einzelkorrelators angeschlossen, im vorliegenden Beispiel Speicher 6 an den Einzelkorrelator 5a und Speicher 8 an den Einzelkorrelator Sb.

Der DoppelkorrelatorS vergleicht das im Speicher 4 stehende, vom Sensor 3 aufgenommene Bild B der aktuellen Szene ständig mit den zwei verschiedenen Zielgebietsansichten M und m, die von den Speichern 6 bzw. 8 geliefert werden. Hierbei ist die Zielgebietsansicht M beispielsweise eine zu Beginn der Zielanflugphase per Zuweisung eingespeicherten Zielansicht, in welcher das Ziel zu Beginn der Endphase des Flugkörperanfluges in der Bildmitte liegt. Die Zielgebietsansicht m ist ein aus der Zielgebietsansicht M durch rechnerische Manipulation in dem Vergrößerungsglied 7 gewonnene Ausschnittsvergrößerung um den Faktor n. Der Faktor η wirkt sich also so aus, daß, wenn die Zielgebietsansicht in M zu einem bestimmten Flug-Zeitpunkt /₀ den gleichen Vergrößerungsmaßstab wie das Bild B aufweist, sich der Flugkörper dem Ziel 2 auf l/n der Entfernung zur Zeit t₀ genähert haben müßte, damit die Zielgebietsansicht in m und das Bild B den gleichen Maßstab zeigen. Angedeutet ist dies für eine Vergrößerung η = 2 in Fig. 3 in der die Zielgebietsansichten M und m in zwei nebeneinander liegenden Skizzen dargestellt sind. In diesem Fall (n = 2) reduziert sich der Vergrößerer auf einen Adreßbitverschieber der Speicheradressen, d.h. jede Speicherzelle im Ausschnitt der linken Skizze verteilt sich auf n² = 4 Speicherzellen in der rechten Skizze von Fig. 3.

Jeder aus Fig. 2 ersichtliche Einzelkorrelator 5e bzw. 56 des Doppelkorrelstors5 weist zwei Ausgänge auf. Jeweils ein Ausgang der Einzelkorrelatoren ist zur Weiterbiting der Maxima K_max (M, B) und K_max (m, B) der in Fig. 4 dargestellten Korrelationsfunktionen mit einer Zeitpunktbestimmungseinrichtung 9, und einer dieser Ausgänge, nämlich der des Einzelkorrelators Sb, ist außerdem mit eii.er Maximumssucheinrichtung 10 verbunden. Die Zeitpunktbestimmungsvorrichtung 9 startet den Maximumssuchvorgang in 10, welches wiederum die Umspeicherungen von 4 nach 6 auslöst, wie später beschrieben. Alle Ausgänge der Einzelkorrelatoren 5a bzw. Sb sind zur Weitergabe der Ablagewerte ξ™_αχ bzw. ζ"_αχ und der Maxima der Korrelationsfunktionen K_11111x (M, B) bzw. K_max (m, B) an eine Mischstufe 11 angeschlossen, die zur Ermittlung der Nachführsignale Ξ für den Flugkörper 1 dient.

In Fig. 4 ist der qualitative Verlauf der Maxima der Korrelationsfunktionen K (M, B) sowie K (m, B) über die Zeit, d. h. während des eigentlichen Zielanfiuges dargestellt. Dabei steht K (M, B) für

riu j» . S[M(J)MM) [B (i-h-B(i-t)]dx²

K (M, B) — ■

Vf [M(X)-Md)]² dx² · J [B (x-h- B(x-h]²dx²
Analoges gilt für die Korrelationsfunktion K (m, B).

Diese Funktion besitzt bekanntlich am Ort der Verschiebekoordinate <f mit höchster Übereinstimmung

zwischen der Zielgebietsansicht M und des aktuellen Szenenbildes B ein Maximum, sie ist durch den Nenner

dergestalt normiert, daß der Wert K_max = + 1 totale Übereinstimmung, K_max = -1 größtmögliche Diskrepanz

bedeuten, während die dazwischen liegenden Werte eine kontinuierliche Skala des Ubereinstimmungsgradcs bilden.

Nimmt man beispielsweise an, daß zu Beginn der Endflugphase des Flugkörpers 1 z. Zt. /₀ der Inhalt des ersten und des zweiten Speichers 4 bzw. 6 maßstabsmäßig annähernd übereinstimmen, so wird die Funktion K (M, B) ein Maximum dicht unterhalb des Wertes 1 aufweisen, während die Funktion K (m, B) kein brauchbares Maximum bietet. Im weiteren Verlauf des Anfluges wird das Maximum der Funktion K (M, B) absinken, dasjenige der Funktion K (m, B) jedoch ansteigen bis - um bei dem Beispiel Vergrößerung I :2 zu bleiben etwa nach Überwindung der halben Distanz zum Ziel 2 das Maximum der Funktion K (m, B) ein zeitliches Maximum durchläuft, welches jedoch aufgrund des vergrößerten Bildes m vielleicht nur Werte um 0.8-0.9 aufweist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nunmehr zunächst durch die Einheit 9 der Zeitpunkt /O bestimmt, ab welchem der Inhalt von M unbrauchbar geworden ist, sei es durch Setzen einer absoluten

IS Schwelle s, sei es durch eine relative Schwelle im Verhältnis K (m, b)/K (M, B). Anschließend wird derjenige Inhalt des ersten Speichers 4 neu in den zweiten Speicher 6 umgespeichert, der dem besten Wert der Funktion K (m, B) entspricht. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch eine Speicher/Komparator-Kombination 10 dergestalt, daß jedesmal, wenn die Funktion K (m, B) ein besseres Maximum liefert, der zugehörige Ir; ha it S vorn Speicher 4 zum Speicher 6 transfeiiert wird. Sobald eine Zeit lang (Zeitkonstante i) kein bes-

serer Wert mehr kommt, das zeitliche Maximum ti der Korrelationsmaxi ma der Funktion K (m, B) also mit Sicherheit durchlaufen ist, wird das so erhaltene bestübereinstimmendste Szenenbild B als neue Zielgebietsansicht M genommen, daraus eine neue Zielgebietsansicht m errechnet und damit der Zyklus zur Zeit ίο = t\ wiederholt.
Die oben gegebene Beschreibung des Verfahrensablaufs betont das Nichtverlorengehen der ursprünglichen Zielkoordinate, welches der Zweck des Verfahrens ist. Die eigentlichen Nachfuhrsignale\Ξ für den Flugkörper 1 können je nach Höhe der Korrelationsmaxima aus den Ablagewerten £J,'_OV und <?*'„, der Funktionen K (m, B) und K (M, B) in der Mischstufe Il geeignet gemischt werden, beispielsweise nach der Formel

- tar ■ K_max(m,B) + i^_x ■ K_max(M,B)

K_max(m,B) + K_max(M,B)
wobei ίζ_αχ und tL_% d'^e Ablagewerte zu den Maxima der Korrelationsfunktionen K (m, B) und K (M, B) sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zielanflugverfahren für einen sich selbst lenkenden Flugkörper mit einem das Zielgebiet oder großflächigere Ziele auffassenden bilderzeugenden Sensor und einer die Ablagesignale für die steuernden Stellglieder des Flugkörpers gewinnenden bildverarbeitenden elektronischen Logik nach dem Kreuzkorrelationsverfahren zwischen aktueller Szene und gespeicherten Bildern, dadurch gekennzeichnet, daß während des Zielanflugs ständig jedes Szenenbild gleichzeitig mit mindestens zwei gespeicherten Zielansichten (M,m) korreliert wird, von denen mindestens eine (M) das Zielgebiet in einem kleineren, mindestens eine andere (m) das Zielgebiet in einem größeren Maßstab als das aktuelle SzenenbHd (B) darstellt, daß während des Zielanflugs unaktuell werdende Ansichten kleinen Maßstabs durch diejenigen aktuellen Szenenbilder ersetzt werden, die während des Anfluges zum Zeitpunkt der besten Übereinstimmung mit einer Vergleichsansicht zunächst größeren Maßstabs (d. h. bei etwa Maßstabsgleichheit) aufgenommen worden sind, und daß zur Berechnung der Gesamtablage eine Gewichtung der Ablagesignale jedes Korrelationsergebnisses mit einer Funktion der Höhen der zugehörigen Korrelationsmaxima vor-

is genommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsbilder im größeren Maßstab durch zentriert um den Zielpunkt liegende Ausschnittsvergrößerungen der Vergleichsbilder kleineren Maßstabs gewonnen werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem bijderzeugenden Sensor (3) ein erster Speicher (4) nachgeschaltet ist, der das vom Sensor (3) aufgenommene Bild (B) der aktuellen Szene einerseits an zwei Einzelkreuzkorrelatoren (5a bzw. 5*) eines Doppelkorrelators (5) weitergibt und andererseits unter bestimmten Bedingungen an einen zweiten Speicher (6) mit gespeicherter Zielansicht (M), die das Zielgebiet in einem kleineren Maßstab als das aktuelle Szenenbild (B) darstellt, weitergeben kann, daß dem zweiten Speicher (6) ein Vergrößerungsglied

(7) und ein dritter Speicher (8), dessen gespeicherte Zeilansicht (m) das Zielgebiet in einem größeren Maßstab als das aktuelle Szenenbild (B) darstellt, nachgeschaltet sind, daß die Ausgänge des zweiten und dritten Speichers (6 bzw. 8) mit jeweils dem zweiten Eingang der zugeordneten Einzelkreuzkorrelatoren (5a bzw. 56) in elektrisch leitender Verbindung stehen, daß jeder Einzelkorrelator (5a bzw. 5b) des Doppelkorrelators (5) zwei Ausgänge für die Höhe und Lage der Korrelationsmaxima jedes Einzelkorrelators aufweist, daß die Maxima der Korrelationsfunktion [K_max (M, B) bzw. K_max (m, B)] an eine Zeitpunktsbestimmungseinrichtung (9) und einer dieser Ausgänge an eine Maximumsucheinrichtung (10), die der Zeitpunktbestimmungseinrichtung (9) nachgeschaltet ist und die mit dem zweiten Speicher (6) zusammenwirkt, weitergegeben werden, und daß alle Ausgänge der Einzelkorrelatoren (5a bzw. 5b) zur Weitergabe der Ablagew-rte (ί%_αχ bzw. ξ%_αχ) und der Maxima der Korrelationsfunktionen [K_max (M, B) bzw.

Kmax im, B)] an eine Mischs- jfe (11) angeschlossen sind, die zur Ermittlung der Nachführsignale (Ξ) fiir den Flugkörper (1) dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunktbestimmungseinrichtung (9) einen externen Schwelleneingang (S) zur Bestimmung des Zeitpunktes des Beginns des Maximumsuchvorganges aufweist.