DE2914693C2

DE2914693C2 - Vorrichtung zur Präzisionsnavigation

Info

Publication number: DE2914693C2
Application number: DE2914693A
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl.-Ing. Dr. 8011 Kirchstockach Hofmann; Walter Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn Kroy; Peter Dr. 8011 Hohenbrunn Nave
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1979-04-11
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1982-05-27
Also published as: DE2914693A1; US4347511A; GB2047891A; GB2047891B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Präzisionsnavigation mittels Bildkorrelation für bemannte oder unbemannte Flugkörper aller Art mit einem Szenensensor zum Abtasten des überflogenen Geländes.

Vorrichtung für den angegebenen Zweck sind bekannt Beim zugrundeliegenden Verfahren — auch Vergleichsnavigationsverfahren genannt — wird ein Vergleich zwischen dem z. Zt. des Überfluges abgetasteten Geländes mit einem zuvor gewonnenen Bild als Referenz ausgeführt.

Aus der US-PS 25 26 682 ist ein Fluganzeigegerät bekanntgeworden, bei dem von einem im Flugzeug montierten Radargerät das überflogene Gelände aufgenommen wird. Die Darstellung des Geländes erfolgt auf einer Kathodenstrahlröhre. Gleichzeitig damit wird ein zuvor aufgenommener Film des Geländes mittels Projektionsapparat auf einen durchscheinenden Bildschirm geworfen, auf dessen anderer Seite der Bildschirm der Kathodenstrahlröhre angeordnet ist Mittels optischer Linse wird das Bild der Kathodenstrahlröhre lagerichtig ebenfalls auf den Bildschirm geworfen, so daß sich für den Betrachter ίο beide Bilder auf dem Bildschirm abzeichnen. Aus den Abweichungen beider Bilder zueinander kann auf die Höhe des Flugzeuges und seine Geschwindigkeit über Grund sowie auf seine Position geschlossen werden.
Aus der US-PS 31 03 008 ist eine ähnliche Einrichtung bekanntgeworden. Ein aktuelles Positivbild des überflogenen Geländes wird auf einem Bildschirm abgebildet Die Herstellung des Bildes kann mittels Radar, Infrarot oder als sonstiges photographisches Positivbild erfolgen. Parallel dazu ist ein zuvor aufgenommenes Referenzbild mit dem Gelände als photographisches Negativ angeordnet. Dem folgt eine optische Linse mit nachfolgender Photozelle. Beide Bilder werden gleichlaufend abgetastet und zueinander aufgrund des Abtastergebnisses mittels Servomotoren solange ver-

stellt, bis eine maximale Übereinstimmung erreicht ist Aus den Abweichungen läßt sich die Lage des Flugzeuges im Verhältnis zum Referenzbüd ermitteln.

Eine weitere Methode dieser Art ist aus »Aviation Week«, 23.06.1958, S. 53, bekanntgeworden. Auch hier werden aktuelle Szenen des Geländes mittels Radar aufgenommen und mit photographischen Referenzbildern verglichen, welche in einem Bildatlas auf Film mitgeführt werden.
Aus der US-PS 31 63 098 ist eine Vorrichtung bekanntgeworden, bei der eine Kamera laufend das überflogene Gelände aufnimmt, wobei einmal das in Flugrichtung vorausliegende Gelände aufgenommen und ein Vergleich angestellt wird mit der Aufnahme desselben Geländes nach erfolgtem Überflug. Das Vergleichsergebnis dienl u. a. dazu, die Steuerung des Flugzeuges zu beeinflussen.

Aus »Aviation Week & Space Technology«, 25.02.1974, S. 50 ff., ist das Tercom-Verfahren bekannt, bei dem in gewissen Zeitabständen beim Überflug charakteristischen Geländes Höhenprofile mittels barometrischen und Radarhöhenmessern erstellt werden. Das eindimensionale Differenzprofil zwischen barometrischer Höhe und Höhe über Grund wird mit einem zweidimensionalen Referenzprofil verglichen. Dabei

so wird das gemessene Höhenprofil solange verschoben, bis die beste Übereinstimmung erzielt ist, so daß sich die genaue Position des Fluggerätes ergibt.

Ein weiteres Verfahren ist aus »Aviation Week & Space Technology«, 05.04.1976, S. 39 ff, bekanntgeworden, bei dem die charakteristische Strahlung von verschiedenen Materialien im Mikrowellenbereich ausgenutzt wird. Hierbei werden ebenfalls in gewissen Abständen charakteristische Strahlungstemperaturen des überflogenen Geländes mit Hilfe eines Mikrowellenradiometers gemessen.

Als Referenz dienen Karten, die nur Strahlungstemperaturstufen aufweisen. Diese werden z. B. aus multispektralen Satellitenaufnahmen entsprechend der Jahreszeit erstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen kontinuierlichen Vergleich des überflogenen Geländes mit einem Minimum an Geräteaufwand ermöglicht und bei

der die zu verarbeitenden Daten auf ein notwendiges Minimum beschränkt sind.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß ein rotorisch und translatorisch bewegbarer Referenzbildsensor vorgesehen ist, daß die Steuerung dei Bewegung des Referenzbildsensors mittels eines die Korrelationsergebnisse in Steuersignale umsetzenden Bordrechners erfolgt und daß die Bewegung des Referenzbildsensors über dem Film der wahren Flugbahn entspricht

Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren und Einrichtungen werden sowohl das Gelände als auch der Film gleichzeitig mittels unabhängigen Sensoren abgetastet und mit diesen Abtastungen eine Korrelation durchgeführt Im Zusammenhang mit der Nachführung des Referenzbüdsensors entsprechend dem Kurs des Flugkörpers wird es möglich, die anfallende Datenmenge ganz erheblich zu beschränken, so daß die Anforderungen an Soft- und Hardware gegenüber den bekannten Verfahren minimal sind. Diese Beschränkung der anfallenden Datenmenge ist mit Voraussetzung für die schnelle Verarbeitung in einem Bordrechner und damit auch für die kontinuierliche Auswertung der Abtastwerte des überflogenen Geländes. Die aktuellen und die im Film gespeicherten Geländedaten sind so ähnlich beschaffen und organisiert daß ihre Abtastung analog zueinander einen unmittelbaren Vergleich gestattet

Die Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

F i g. 1 das Blockschaltbild einer Vorrichtung für die Präzisionsnavigation,

Fig.2 eine Filmspuleinrichtung mit Lesekopf und Beleuchtungseinrichtung,

F i g. 3a, 3b, 3c zwei Filmspuleinrichtungen,

Fig.4 die Abtastung längs der wirklichen und der über dem Film gedachten Flugbahn,

F i g. 5 die geometrischen Verhältnisse bei Rollbewegungen des Flugkörpers.

Wesentliches Merkmal der Vorrichtung ist es, daß sowohl auf Filmstreifen gespeicherte Referenzbildinformationen als auch der vom Flugkörper jeweils überflogene Geländeabschnitt gleichzeitig und fortlaufend optisch bzw. optoelektronisch getrennt voneinander abgetastet und die Abtastergebnisse miteinander korreliert werden und der das Referenzbild abtastende Referenzbildsensor laufend entsprechend der Bahn des Flugkörpers nachgeführt wird.

Das Gelände und der Film werden mittels noch näher zu beschreibendem Szenensensor 10 bzw. Referenzbildsensor 11 in digitaler Form abgetastet, wobei das Korrelationsergebnis dazu dient, den Referenzbildsensor 11 ständig über dem Film in einer Bahn zu führen, die der Bahn des Flugkörpers über der Landschaft entspricht Der momentane Ort des Flugkörpers wird aufgrund der Sensorposition vom Koordinatenrechner berechnet und angezeigt, wobei die Film- bzw. Referenz-Sensor-Koordinaten in einer bekannten Relation zu den Geländekoordinaten (z. B. Gauss-Krüger oder UTM-Koordinatensystem) stehen und daher die wahre Position des Flugkörpers im Gelände stets bekannt ist Dem Piloten oder auch einer Bodenstation können die Koordinaten Informationen über den Ort des Flugkörpers geben, oder aber auch dazu benutzt werden, in weiteren Rechenoperationen im Vergleich mit vorgegebenen Sollbahndaten automatisch Steuerbefehle an die Lenkeinrichtung des Flugkörpers zu geben.

Gemäß F i g. 1 besteht eine Vorrichtung zur Präzisionsnavigation aus einem Szenensensor 10, einer Einrichtung 13 für die Kompensation von Roll- und Höhenbewegungen des Flugkörpers, einem Szenenbildspeicher 15, einem Referenzbildsensor 11 für die Abtastung des mitgeführten Films, einer Einrichtung 12 für die Nickkompensation des Flugkörpers, einem Referenzbildspeicher 14 einem Korrelator 16, einem Koordinatenrechner 17 und einer Einrichtung 18 zum Nachführendes Referenzbüdsensors 11.

Zunächst werden Möglichkeiten beschrieben, die

ίο Referenzbildinformationen darzustellen.

Der im Flugkörper mitgeführte Film trägt nach Art eines Bildatlas Informationen über das zu überfliegende Gebiet Diese Informationen können z. B. in der Form von Luftbildern sein, die im sichtbaren oder infraroten Bereich des optischen Spektrums hergestellt wurden. Damit der Vergleich zwischen dem Filmbild und der aktuellen Landschaftsszene zu allen Jahreszeiten möglich ist, also auch bei Schneebedeckung und bei unterschiedlichen Beleuchtungssituationen (Abendsonne, Nebelbänke usw.), ist es nötig, bei Herstellung des Films das zu speichernde Bild geeignet vorzuverarbeiten. Das geschieht z. B. dadurch, invariante Merkmale der Landschaft hervorgehoben und veränderliche Merkmale unterdrückt werden. Das kann dadurch erfolgen, daß man in Luftbildern Kanten und Konturen hervorhebt und Flächen auf einheitlichen Grauwert bringt. Verfahren hierzu sind bekannt, etwa einfache oder mehrfache Differentiation, lokale digitale Filterung usw., sh. Rosenfeld und A, C. Kak, »Digital Picture Processing«, Academic Press 1976.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von solchen Teilen des elektromagnetischen Spektrums, die gegenüber Wolken, Nebel, Schnee und Beleuchtungssituation möglichst unempfindlich sind. Als Beispiele seien genannt: Radar, insbesondere Sidelooking Radar, das in bekannter Weise reliefbildähnliche Aufnahmen der überflogenen Landschaft liefert, sh. etwa DE-AS 25 43 312. Eine weitere Möglichkeit bietet Höhenradar, das in bekannter Weise Karten über das Vertikalprofil einer Landschaft liefert. In diesem Fall hat der mitgeführte Film in geeigneter Weise kodierte Information über Bodenelevationen; so kann der aufgezeichnete Grauwert eines Bildpunktes die Elevation des I .andschaftpunktes darstellen.

Es ist auch möglich, die Eigenstrahlung von Objekten in der Landschaft auszunützen. Es ist bekannt, daß Häuser und Flüsse sich durch Infrarotstrahlung von ihrer Umgebung abheben (cf. S. Schneider, Luftbild und Luftbildinterpretation, De Gruyter, 1974). Die erzielbaren Kontraste sind für die gestellte Navigationsaufgabe ausreichend.

Die Sicherheit des Wiederauffindens eines Ortes auf dem Film kann gesteigert werden, wenn zusätzlich eine zweite Art von Information gespeichert wird. So kann ζ .B Infrarotbildinformation zusammen mit Höheninformation auf dem Film gespeichert werden, unterschieden etwa durch digitale oder Farbkennzeichnung. Andere Informationen können sich auf das Erdmagnetfeld beziehen, wenn der Erdmagnetfeldvektor als Funktion der geographischen Koordinaten aufgezeichnet wird.

Gemeinsames Merkmal aller Formen von gespeicherter Information zur Lösung der Navigationsaufgabe ist die flächige Anordnung der Information auf einem Film. Die höchstmögliche Informationsdichte auf einem Dünnschichtfilm, z. B. der Type Agfa-Gevaert, Agfa-Or·■ tho-25-Professional, errechnet sich wie folgt: sieht man Bildpunkte von 5 μΐη Durchmesser vor und werden 256 Graustufen pro Bildpunkt unterschieden, so resultiert

daraus eine Informationsdichte von rund 1 · 10⁹ Bit/ cm². Das führt zu sehr kompakten Filmspulen. Die Aufzeichnung der gesamten Bundesrepublik auf Film bei einer Bodenauflösung von 1 m erfordert, daß rund 250 Milliarden Bildpunkte gespeichert werden. Bei der angegebenen Filmpunktgröße und einer ausnützbaren Filmbreite von 60 mm — Ausgangsmaterial ist 70 mm breiter perforierter Professionalfilm — werden somit rd. 100 m Film gebraucht. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß gemäß der Erfindung jeder Landschafts- ι ο punkt rund doppelt aufgezeichnet wird (sh. unten), ergeben sich als mitzuführendes Volumen zwei Filmspulen von je 70 mm Breite und 170 mm Durchmesser mit einem Gesamtvolumen von nur etwa 3,2 Liter.

Bei konventioneller Aufzeichnung auf Magnetband, beispielsweise auf »High Density Digital Tape« mit rd. 0,7 Megabit pro Zoll und 1 Zoll Breite (Fa. Ampex) ergibt sich bei einer Banddicke von 29 μΐη Platzbedarf von rd. 50 Litern bei einfacher Aufzeichnung, wobei das Problem des Fahrens quer zu den auf Band gespeicherten Geländestreifen nicht gelöst ist (sh. unten).

Die in großen Mengen vorhandenen Daten werden mit der durch den Szenensensor 10 aktuell gesehenen Landschaft verglichen. Dies geschieht in einem digitalen Korrelator 16. Die zu verarbeitende Datenmenge wird beschränkt, damit die elektronische Hardware nicht zu umfangreich und auch nicht zu langsam wird.

Erfindungsgemäß geschieht die Beschränkung dadurch, daß auf dem Film optisch nur ein kleiner Bereich um den Kartenkurs liegend ausgelesen wird. Dadurch gelangt nur die unmittelbar relevante Datenmenge in den Korrelator 16. Die im Korrelator 16 notwendig vorhandenen Datenspeicher können so klein gehalten werden.

Der Referenzbildsensor 11, der den Teilbereich des Filmes optisch ausliest, der in den Korrelator 16 gebracht werden muß, bewegt sich über den Film in einer Bahn, die der Bahn des Flugkörpers über der Landschaft entspricht Diese Bahn wird bestimmt durch die in der unmittelbaren Vergangenheit ermittelten örter des Flugkörpers, sowie durch ein in die Zukunft extrapoliertes Bahnstück. Diese Extrapolation geschieht im Bordrechner anhand der bekannten Bahnelemente mittels linearer oder quadratischer oder höherer Kurvenextrapolation in allgemein bekannter Weise.

Der Referenzbildsensor 11 besteht aus einer Beleuchtungseinrichtung 24,25 (s. a. F i g. 2), die die Filmvorlage im Durchlicht nach Art einer Mikroskopbeleuchtung erhellt (s.a. Born und Wolf, Principles of optics, Macmillan 1959). Sodann aus einer Optik 26, die in Anbetracht der hohen Detaildichte des Film vorzugsweise aus einem hochwertigen mikroskopobjektiv besteht Als eigentlicher Sensor eigent sich im Prinzip jede elektrooptische Einrichtung, die optische Signale in elektrische umwandelt Vorzugsweise wird jedoch eine Photodiodenzeile 27 angewendet, bei der viele Photodioden linear nebeneinander angeordnet sind, wodurch eine ganze Zeile einer Bildvorlage nahezu gleichzeitig gelesen werden kann. Beispiele für solche Photodiodenzeflen sind die Typen CCD 121 der Firma Fairchild oder CCPD-1728 der Firma Reticon, Kalifornien. Die Photodiodenzeile 27 wird im Referenzbildsensor 11 so eingebaut, und der Sensor 11 so über den Film bewegt, daß die Achse der Zeile mit der Bahnkurve einen rechten Winkel bildet Die Angaben, nach denen die Bewegung ausgeführt wird, erfolgen in noch zu beschreibender Weise vom Bordrechner.

Die Bewegung des Referenzbfldsensors 11 über den Film ist prinzipiell mechanisch. Die Relativbewegung des Referenzbildsensors über den Film ist in drei Feiheitsgraden möglich: Zwei translatorische Bewegungen, nämlich längs des Films und quer zum Film, und die Rotation des Referenzbildsensors um eine Achse, die senkrecht zur Filmebene steht. Durch die Rotation ist es möglich, die Photodiodenzeile senkrecht zur Bahn zu stellen.

Zur Ausführung der Bewegungen sind eine Vielzahl von Ausführungsformen möglich. Vorzugsweise wird die Bewegung längs des Filmes durch Vor- und Rückwärtsspulen des Filmes bewirkt, wobei die jeweils aufnehmende Spule 21, 22 durch einen Elektromotor, z. B. einem Schrittmotor, angetrieben wird, während die abgebende Spule 21, 22 gebremst wird, z. B. durch eine mechanische Bremse oder eine Magnetbremse. Diese Schrittmotoren bzw. Bremsen werden in noch zu beschreibender Weise vom Bordrechner aktiviert. Die Bewegung des Referenzbildsensors 11 quer zur Filmrichtung erfolgt mittels einer linearen Kinematik, beispielsweise einem Schlitten auf Schienen, die durch Motoren, vorzugsweise Schrittmotoren, angetrieben wird, in prinzipiell bekannter Weise, wie sie von elektronischen Meßgeräten, sog. Blattschreibern (Beispiel: Gerät Mosley 7100 BM der Fa. Hewlett-Packard) bekannt sind. Darüber hinaus können die Linearbewegungen und die rotatorische Bewegung durch Potentiometer oder optische Encoder an den Bordrechner zurückgemeldet werden. Die Rückmeldung der Lage des Referenzbildsensors 11 relativ zur Längsrichtung des Films kann dann, wenn diese Bewegung durch Filmspulen erreicht wird, auch durch die auf dem Film notwendig vorhandene Skalenteilung, die vorzugsweise als optische Kodierung vorliegt und von einer geeigneten Leseeinrichtung, etwa einer Zeile Photodioden, ausgelesen wird, erfolgen.

Die vom Referenzbildsensor 11 kommenden Daten, die dem zellenförmigen Abtasten des Films entsprechen, werden in einem Referenzbildspeicher 14 zwischengespeichert Der Referenzbildspeicher 14 besteht aus einem Random Access Memory (RAM) bekannter Art Die Photodiodenzeile 27 wird taktweise ausgelesen. In dieser Taktfolge werden die Photosignale im Referenzbildspeicher 14 gespeichert Mit jedem Takt wird der Inhalt des Filmbildspeichers 14 um eine Zeile nach unten verschoben (s.a. Fig.4). Die unten »herausfallende« Zeile wird verworfen, die oben freiwerdende Zeile wird mit den neuesten Signalen von der Photodiodenzeile 27 besetzt Auf diese Weise enthält der Referenzbildspeicher 14 nur den Teil der filmgespeicherten Information, der um den Ort des Referenzbildsensors il über dein Filsr. konzentriert ist War die noch zu beschreibende Korrelation bislang erfolgreich, so entspricht auch dieser Ort des Referenzbildsensors relativ zum Film dem Ort des Flugkörpers relativ zur Landschaft

Auch die vom Szenensensor 10 aufgenommene aktuelle Szene, wird in einem Szenenbildspeicher 15 gespeichert, der prinzipiell gleich organisiert ist, wie der eben beschriebene Referenzbildspeicher 14. Er bezieht seine Information vom Szenensensor 10, der die überflogene Landschaft »sieht«. Vorzugsweise wird auch hier das Bud zeilenweise erfaßt Die zeilenweise Erfassung des Landschaftsbildes entspricht der Arbeitsweise von Side-looking-Radar, Infrarot-Scannern, optischen Diodenzeilen und Bildröhren, die nach dem Fernsehprinzip arbeiten. Die Achse der Abtastzeile des Szenensensors 10 wird in einer Ebene gehalten, die

rechtwinkelig zur Achse des Flugkörpers steht. Dadurch wird bewirkt, daß, ähnlich wie beim Referenzbildsensor 11, die Zeilenachse senkrecht zur Flugbahn steht. Es kann auch vorteilhaft sein, die Achse der Szenensensorzelle mittels einer Regeleinrichtung senkrecht zur tatsächlichen Flugbahn und nicht zur Körperachse zu stellen. Das ist notwendig, wenn beide Richtungen zu stark voneinander abweichen, etwa bei Drift durch Seitenwind, und es ist möglich, wenn an Bord ein elektrisches Signal als Meßgröße der Drift vorhanden und verwendbar ist.

Zum Ausgleich von Rollbewegungen des Flugkörpers, wie sie bei Kurvenflug auftreten, und von Nickbewegungen, wie sie bei Steigflug und Abwärtsflug auftreten, kann der Szenensensor 10 an ein Regelsystem ι*; angeschlossen werden, das Lagesignale aus einem an Bord befindlichen entsprechenden Instrument empfängt. Ist z. B. an Bord ein künstlicher Horizont vorhanden, so können dessen Ausgangssignale, die dem Unterschied von Flugkörperlage und Horizont entsprechen, mittels Stellmotoren die Szenensensorzeile unabhängig von der augenblicklichen Flugkörperlage parallel zur Horizontfläche halten.

Alternativ zur mechanischen Regelung der Szenensensorlage kann auch eine elektronische erfolgen. So kann der Rollwinkel κ bereits auf dem Weg, den das Signal zwischen Sensor und Bildspeicher nimmt, kompensiert werden (sh. F i g. 5). In der Figur ist die relevante Geometrie zum besseren Verständnis stark vereinfacht und übertrieben dargestellt. Die Papierebene stellt eine Ebene durch Landschaft und Flugkörper senkrecht zur Flugrichtung dar. Äquidistante Marken auf der Landschaftsoberfläche werden durch das Projektionszentrum, im optischen Fall das Objektiv, im Falle von Radar der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels, auf der Sensorzeile abgebildet. Steht diese infolge einer Rollbewegung des Flugkörpers schräg, so werden die Landschaftsmarken nicht äquidistant abgebildet Einfachste geometrische Überlegungen zeigen jedoch, daß bei bekanntem Rollwinkel α der Abstand y <to eines Markenbildes vom Mittelpunkt der schrägstehenden Sensorzeile mittels der Beziehung

χ = r tan (arctan — - a)

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in den Abstand χ gebracht werden kann, der der Lage auf dem nichtgerollten Sensor entspricht, wobei r die Brennweite des Objektivs ist Die genannte Beziehung ist leicht im Bordrechner zu implementieren.

In ähnlich einfacher Weise lassen sich Nickbewegungen kompensieren. Zum Beispiel schaut der Szenensensor 10 bei Steigflug weiter voraus als im Horizontalflug. Entsprechend wird der Referenzbildsensor ti über die Fflmebene gehalten, d. h. er wird seiner der geographisehen Lage entsprechenden Lage über dem Film vorauseilen. Bei der Berechnung der Sollage des Referenzbildsensors im Bordrechner wird ein Nickwinkel entsprechend mitverarbeitet Er muß allerdings als elektrisch verwertbares Signal an Bord des Flugkörpers vorhanden sein.

Geht der Flugkörper durch eine gekrümmte Bahn, so tastet der Szenensensor 10 nicht mehr ein rechteckiges Geländestück ab, sondern ein gekrümmtes Geländestück, das etwa wie ein Sektor eines Kreisringes ausschaut, Fig.4. Diese fächerartige Aufeinanderfolge von Zeilen wird, wie in der Skizze dargestellt, in dem rechteckigen Szenbildspeicher 15 abgespeichert, die Landschaftsszene wird also verzerrt. Die noch zu erläuternde Korrelation wird dadurch nicht erschwert, denn gleichzeitig vollführt der Referenzbildsensor 11 über dem Film eine geometrisch ähnliche Bahn, die eine gleichartige Verzerrung des Filmbildausschnittes bewirkt. Deswegen muß diese nicht kompensiert werden.

Der Abbildungsmaßstab der Landschaft auf der Sensorebene ist abhängig von der Flughöhe des Flugkörpers. Damit das Szenenbild im gleichen Maßstab in den Szenenbildspeicher 15 gelangt, in dem das Filmbild in seinen Referenzbildspeicher 14 abgespeichert ist, muß der Abbildungsmaßstab des Szenensensors 10 entsprechend der Flughöhe angepaßt werden. Dies kann entweder mechanisch oder elektronisch erfolgen. Voraussetzung ist in beiden Fällen, daß Informationen über die Flughöhe in elektrisch auswertbarer Form an Bord vorhanden ist. Solche Höheninformation kann entweder von aktiven Systemen, wie Höhenradar oder Laser-Radar stammen oder sie kann passiv aus einer barometrischen Messung des Luftdrucks oder aus optischen Korrelationsmethoden nach US-PS 31 63 098 kommen.

Eine mechanische Änderung des Abbildungsmaßstabes besteht z. B. in der Veränderung der Brennweite der abbildenden Optik. Dazu wird ein bekanntes Zoom-Objektiv variabler Brennweite verwendet. Die Verstellung der Brennweite des Objektivs erfolgt in bekannter Weise durch einen Stellmotor, der seine Ansteuerungssignale aus dem die Flughöhe darstellenden Signal abgeleitet bekommt.

Elektronisch kann die Höhe kompensiert werden, indem die Lagekoordinate eines Bildpunktes bezüglich des Mittelpunktes der Sensorzeile umgerechnet wird. Bezeichnet man mit rdie Brennweite des Objektivs, mit H die Flughöhe, mit H₀ die Referenzflughöhe, die dem Filmmaßstab entspricht, und mit y die unkorrigierte Lage des Bildpunktes, so ist der korrigierte Bildpunktort χ durch

Hy

gegeben, wie man aus einfachsten geometrischen Überlegungen erkennen kann. Diese Beziehung ist im Bordrechner auf einfache Weise implementierbar.

Zu den Kompensationsproblemen kann man zusammenfassend sagen, daß sie sowohl mechanisch als auch rechnerisch/elektronisch gelöst werden können. Die Umrechnung der Bildsignale erfolgt vorteilhaft zwischen den Sensoren 10,11 und den Bildspeichern 14,15 in den Kompensationseinrichtungen 12, 13. Die genannten Korrekturoperationen wirken sich auf die Zieladresse eines Bildpunktsignals im Bildspeicher aus. Kommt es zu einer Dehnung des Bildinhaltes, so können und werden Bildspeicherelemente unbesetzt bleiben. Diese werden vom Rechner mit einem Bildwert besetzt, der z. B. dem arithmetischen Mittel zwischen den beiden Nachbarpunkten entspricht Auch andere als lineare Formen der Interpolation können angewendet werden. Bei Stauchungen des Bildinhalts werden Bildpunkte eliminiert. Als »Wegwerfstrategie« kann vereinbart werden, daß von konkurrierenden Bildpunkten Extremwerte beibehalten werden, während mittlere Werte eliminiert werden.

Bevor die Korrelationsoperaüon zwischen dem Referenzbildspeicher 14 und dem Szenenbildspeicher 15 durchgeführt wird, muß das im Szenenbildspeicher 15 liegende Bud vorverarbeitet werden, mit dem ZieL

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tageszeitlich und jahreszeitlich schwankende Merkmale zu eliminieren und zeitlich invariante Merkmale zu akzentuieren. Hierzu sind vor allem kontrastvergrößernde Verfahren und Glättungsoperationen geeignet. Solche Verfahren sind aus der Literatur bekannt, A. Rosenfeld und A. C. Kak, Digital Picture Processing, Academic Press 1976.

Zur Erläuterung des Korrelationsprozesses sei zunächst angenommen, daß der Szenenbildspeicher /-Zeilen und /-Spalten habe, während der Speicher für den Filmbildausschnitt F-Zeilen und C-Spalten haben, wobei F größer als / und G größer als / sei. Die Korrelationsmatrix hat den M=F-1+\ Zeilen und N= G-J+1 Spalten. Bezeichnet man mit xy/den Inhalt des Matrixelements des Filmbildspeichers, das am r> Kreuzungspunkt der Aten Zeile mit der /ten Spalte steht, und mit y_v das entsprechende Bildclcrncni im Szenenspeicher, so ist das /n,/j-te Element der Korrelationsmatrix Abgegeben durch:

Σ Σ (χ_ίΓχ

; j

Σ Σ

Μ_
2

Μ_

JO

Die Indizes i, j eines Bildpunktes y,, j im Filmausschnittspeicher entsprechen Koordinaten relativ zum geschätzten Ort des Flugkörpers im Filmbild, χ und y bedeuten arithmetische Mittelwerte. Von allen mjc,n,K-Werten wird ein A>Wert das Maximum sein. Die dazugehörigen Indizes seien mit m⁺ und n⁺ bezeichnet K_m ⁺, n⁺ wird als Korrelationsmaximum bezeichnet Stimmt nun das Szenenbild genau mit dem Filmbild überein, so ist /n⁺ =0 und n⁺ =0. Bei Verschiebung von Szenenbild zu Filmbild treten m⁺, n⁺ Φ0 auf. Somit ist m⁺, n⁺ der Fehler zwischen dem tatsächlichen Ort des Flugkörpers und der Lage des Referenzbildsensors 11 über dem Film. Da letztere aus der Filmrandkodierung und der Kodierung der linearen Kinematik, die den Referenzbildsensor 11 bewegt, bekannt ist, kann der wahre Ort des Flugkörpers im Filmbild berechnet werden. Aus mehreren zeitlich hintereinander ermittelten wahren örtern kann durch Kurvenanpassung, z. B. durch Anschmiegen eines Kegelschnitts, die Bahnkurve ermittelt werden, nach der der Referenzbildsensor über den Film in beschriebener Weise geführt wird. Zu Beginn des Fluge-,¹ war der Referenzbildsensor an seinen Ausgangsort gebracht worden und seine Anfangsbewegungsrichtung und -geschwindigkeit wurde eingegeben.

Wie bereits oben dargestellt, ist der wahre Ort des Flugkörpers aus der Filmkodiemng usw. bekannt Das Ergebnis kann dazu herangezogen werden, dem Piloten Information über seinen Ort nach herkömmlicher Art oder aber auch als optisches Bild aus dem Film in einer Anzeige 21 zu geben oder in einer weiteren Rechenoperation im Vergleich mit vorgegebenen Sollbahndaten automatische Steuerbefehle an die Flugsteuerung 19 des Flugkörpers abzugeben.

Wie erwähnt, gestattet das Navigationssystem die Information über zu überfliegende Gebiete bis hinunter zu kleinen Details zu speichern. Es war als Beispiel als kleinstes aufzulösendes Bodenelement 1 m² genannt worden. Dadurch und im Zusammenwirken mit den beschriebenen Entzerrungsverfahren ist es möglich, auch im Tiefflug unter 500 m in angegebener Weise zu navigieren.

In den Fig.3a, 3b, 3c ist der unterbrechungsfreie Übergang von einem Landkartenteil zum Anschlußteil dargestellt. Ein Weiterspulen des Filmes 23 wird nötig, wenn der Referenzbildsensor 11 an einen der vier Ränder des vorliegenden Filmfensters gelangt. Problemlos sind die Fälle, bei denen die Ränder erreicht wurden, die an der aufnehmenden bzw. abgebenden Spule 21, 22 liegen. Nach einfachem Weiterspulen des Filmes 23 kann der Referenzbildsensor 11 seine Tätigkeit unterbrechungsfrei fortsetzen.

Kommt jedoch der Referenzbildsensor 11 an einen der beiden Filmschnittränder, so müßte das Auslesen solange unterbrochen werden, bis das Filmfenster mit der Anschlußkarte herangeholt worden ist.

Diese Schwierigkeit wird so umgangen, daß ein zweites Filmspulenpaar 28, 29 mit dem Film 37 vorgesehen ist, dessen Bildinhalte diejenigen des ersten Films 23 zum Teil überlappen. Ebenso ist ein zweiter Referenzbildsensor 30 vorhanden. Kommt nun der erste Referenzbildsensor 11 in die Nähe des Randes des ersten Filmes 23, so wird auf dem zweiten Film 37 das Anschlußkartenstück herangeholt und der zweite Referenzbildsensor 30 kann das Auslesen des Filmes 37 übernehmen. Auf diese Weise sind unterbrechungsfreie Übergänge auch bei Kursen quer zu den Filmstreifen möglich.

Zur Verdeutlichung der Erzielung des unterbrechungsfreien Überganges von einem Landkartenteil zum Anschlußteil sind in Fig.3b und 3c zwei Filmausschnitte skizziert Hier bedeuten 35 und 36 Spuren auf den Filmen 23 und 37, die der Aufnahme von Positionskodierungen dienen. Mit 38 bis 41 sind schematisch dargestellte Landschaftsmerkmaie bezeichnet Die Bildinhalte der beiden Filme 23 und 37 überlappen sich teilweise, was man am doppelten Vorhandensein der Objekte 39 und 40 erkennt Kommt nun z. B. der Referenzbildsensor 11 an den rechten Rand des Filmes 23 und sagt gleichzeitig der Kursrechner des Flugkörpers einen filmrandüberschreitenden Kurs voraus, so kann der Film 37 rechtzeitig in den Zugänglichkeitsbereich des zweiten Referenzbildsensors 30 gespult werden und sodann dieser Sensor das weitere .Abtasten des Filmes 37 übernehmen. In logisch umgekehrter Reihenfolge läuft der beschriebene Vorgang ab, wenn der Sensor 30 zu nahe an den linken Rand des Filmes 37 käme. Selbstverständlich ist es notwendig und möglich, durch entsprechende Anordnung der einzelnen TeUe des Bildatlasses auf den beiden Filmen alle Randübergänge unterbrechungsfrei auszuführen.

Die Referenzbildsensoren 11, 30 sind an mechanischen Positionsarmen 31,32 bzw. 33,34 befestigt, wobei Verschiebung, Rückmeldung u. dgL in bekannter Weise mittels Stellmotor usw. erfolgt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspiiiche:

1. Vorrichtung zur Präzisionsnavigation mittels Bildkorrelation für bemannte oder unbemannte Flugkörper aller Art mit einem Szenensensor zum Abtasten des überflogenen Geländes, und einem von einem Referenzbildsensor abgetasteten, als Bildatlas ausgeführten Film des zu überfliegenden Geländes, dadurch gekennzeichnet, daß ein rotatorisch und translatorisch bewegbarer Referenzbildsensor (11) vorgesehen ist, daß die Steuerung der Bewegung des Referenzbildsensors (li) mittels eines die Korrelationsergebnisse in Steuersignale umsetzenden Bordrechners (12) erfolgt, und daß die Bewegung des Referenzbildsensors (11) über dem Film (23) der wahren Flugbahn entspricht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Referenzbildsensor (11) als auch der Szenensensor (10) als Photodiodenzeilen ausgebildet sind, daß zur zeilenweisen Ablage der Informationen ein Filmbildspeicher (14) und ein Szenenbildspeicher (15), und zur Korrelation derselben ein Korrektor nachgeschaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Szenensensor (10) mittels Stellsignalen von an Bord des Flugkörpers vorhandenen Driftmessern um die Hochachse des Flugkörpers senkrecht zur tatsächlichen Flugbahn stellbar ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels von an Bord des Flugkörpers vorhandenen Lagemeßsystemen gelieferten Stellsignalen der Szenensensor (10) zum Ausgleich von Roll- und Nickbewegungen des Flugkörpers verstellbar ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der durch die Rollage des Szenensensors (10) gegebenen Bildverzerrung der Bordrechner (12) vorgesehen ist und daß zur Kompensation der Nicktewegungen des Flugkörpers der Bordrechner (12) Stellsignale für das Vorhalten bzw. Rückhalten des Referenzbildsensors (11) liefert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildatlas aus zwei Filmen (23, 37) besteht, deren Bildinhalte sich um ein vorgegebenes Maß überlappen und daß jeder Film einen eigenen Referenzbildsensor zugeordnet ist und die Abtastung vom ersten Film (23) auf den zweiten Film (37) und umgekehrt umschaltbar ist.