DE3047016A1

DE3047016A1 - Aircraft surface navigation system - measures ground speed from comparison of image signals in successive image acquisition cycles

Info

Publication number: DE3047016A1
Application number: DE19803047016
Authority: DE
Inventors: Willi Dipl.-Phys. 2803 Weyhe Hornfeld
Original assignee: Vereinigte Flugtechnische Werke 2800 Bremen GmbH; Vereinigte Flugtechnische Werke GmbH; Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
Current assignee: STN Systemtechnik Nord GmbH
Priority date: 1980-12-13
Filing date: 1980-12-13
Publication date: 1982-07-22
Also published as: DE3047016C2

Abstract

A surface navigation system for aircraft contains an image sensor whose signals, representing the overflown landscape, are fed after processing to a scene correlator also provided with reference image signals from an image memory. The scene correlator determines the aircraft position and the system also determines ground speed. The sensor image signals are fed simultaneously via an image converter and temporary memory to two additional scene correlators. The additional correlators alternately correlate the signals with those from preceding images. The correlator outputs are compared in a processor taking account of flying altitude, image repetition and sensor resolution to enable computation of the ground speed from the image displacement between two image acquisition cycles.

Description

Vereinigte Flugtechnische Werke United aeronautical works

Gesellschaft mit beschränkter Haftung Flächennavigationssystem für Luftfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf ein Flächennavigationssystem für Luftfahrzeuge mit einem Bildsensor, dessen die überflogene Landschaft repräsentierenden Bildsignale nach Aufbereitung einem mit Keferenzbildsignalen von einem Bildspeicher versorgten Szenenkorrelator zur Positionsbestimmung zugeführt sind. Limited Liability Company Area Navigation System for Aircraft The invention relates to an area navigation system for aircraft with an image sensor whose image signals representing the landscape overflown after processing one supplied with reference image signals from an image memory Scene correlator for position determination are supplied.

Ein Navigationssystem mit Szenenkorrelatoren geht aus der Patentanmeldung P 29 38 853.2 hervor. Bei diesem Navigationssystem erfolgt statt eines Höhenvergleichs wie bei herkömmlichen Navigationssystemen ein Vergleich zwischen gespeicherten und aufgenommenen Bildern. NavigaYionssysteme mit Szenenkorreltoren sind daher zweidimensionale Systeme, welche gegenüber eindimensionalen Navigationssystemen durch Höhenvergleich den Vorteil haben, höhenunabhängig zu sein. Anderungen der Geländetopographie sind daher bei zweidimensionalen Navigationssysternen ohne Einfluß auf die Genauigkeit des Navigationsergebnisses.A navigation system with scene correlators is based on the patent application P 29 38 853.2. In this navigation system, instead of a height comparison as with conventional navigation systems, a comparison between saved and captured images. NavigaYion systems with scene correspondence gates are therefore two-dimensional Systems, which compared to one-dimensional navigation systems Height comparison have the advantage of being independent of height. Changes in the topography of the terrain are therefore without any influence on the accuracy of two-dimensional navigation systems of the navigation result.

Bei Luftfahrzeugen ist es neben der Navigation aber auch wichtig, eine genaue Kenntnis von der jeweiligen übergrundgeschwindigkeit zu haben.In the case of aircraft, in addition to navigation, it is also important to have an exact knowledge of the respective ground speed.

Geschwindigkeitsmeßsysteme für Luftfahrzeuge sind zwar in zahlreichen Varianten bekannt, aber für die Ermittlung genauer übergrundgeschwindigkeiten ist jeweils auch ein entsprechender Aufwand erforderlich.Velocity measuring systems for aircraft are indeed in numerous Variants are known, but are used to determine more precise ground speeds a corresponding effort is required in each case.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Flächennavigationssystem der eingangs genannten Art vorzusehen,das sich auch zur Ermittlung der übergrundgeschwindigkeit für ein Luftfahrzeug eignet. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bildsignale über einen Bildumsetzer und einen Zwischenspeicher gleichzeitig zwei zusätzlichen Szenenkorrelatoren zur wechselnden Korrelation mit den Bildsignalen eines jeweils vorangehenden Bildes zugeführt sind, und daß die Ausgangssignale dieser Szenenkorrelatoren durch Vergleich in einer Verarbeitungseinheit ein die Verschiebung der Bilder zwischen zwei Aufnahmezyklen repräsentierendes Signal ergeben, aus dem die Verarbeitungseinheit unter Berücksichtigung der Flughöhe, der Bildfolgefrequenz und der Auflösung des Bildsensors ein übergrundgeschwindigkeitss.ignal des Luftfahrzeuges errechnet.The invention is therefore based on the object of an area navigation system of the type mentioned to be provided, which is also used to determine the ground speed suitable for an aircraft. According to the invention, this object is achieved by that the image signals via an image converter and a buffer memory at the same time two additional scene correlators for alternating correlation with the image signals of a respective preceding image are supplied, and that the output signals of this Scene correlators enter the shift by comparison in a processing unit of the images between two recording cycles result from the signal representing the processing unit taking into account the flight altitude, the frame rate and the resolution of the image sensor, an above ground speed signal of the aircraft calculated.

Die erfindungsgemäße Maßnahme gestattet übergrundgeschwindigkeiten von Luftfahrzeugen ohne großen Aufwand zu ermitteln, da lediglich zwei Zusatzkorrelatoren und eine entsprechende Programmierung der aus einem Taktgeber einer arithmetischen-iogischen Stufe,einem Mikroprozessor und einem Speicher bestehenden Verarbeitungseinheit erforderlich ist.The measure according to the invention allows ground speeds of aircraft can be determined without great effort, since only two additional correlators and a corresponding programming of a clock from an arithmetic-logical Stage, a microprocessor and a memory existing processing unit required is.

Die jeweils untereinander in gegenseitiger Funktionsverbindung stehenden Stufen der Verarbeitungseinheit halten dabei über einen Datenbus Verbindung mit den anderen Stufen des Flächennavigationssystems.Those that are functionally related to one another Steps in the processing unit keep in touch via a data bus the other levels of the area navigation system.

Die zusätzlichen Szenenkorrelatoren brauchen dabei nur für 5 bit ausgelegt zu sein, da für eine hochgenaue Messung der übergrundgeschwindigkeit lediglich 64 Bildpunkte pro Bild mit einer Auflösung von 5 bit erforderlich sind. Die Bildpunkte, von denen die Bildsignale abgeleitet werden, sind dabei so ausgewählt, daß diese eine in Flugrichtuny ausgerichtete symmetrisch zum Bildmittelpunkt liegende Spalte bilden.The additional scene correlators only need to be designed for 5 bits because for a highly accurate measurement of the ground speed only 64 Pixels per image with a resolution of 5 bits are required. The pixels from which the image signals are derived are selected so that these a column aligned symmetrically to the center of the image, aligned in the direction of flight form.

Referenzregister der zusätzlichen Szenenkorrelatoren erhalten daher die Bildsignale bitweise eingegeben, so daß die Szenenkorrelatoren wechselweise die neu einyegebenen Bildsignale mit den vorangehenden Bildsignalen korrelieren.Reference registers of the additional scene correlators are therefore retained the image signals are inputted bit by bit so that the scene correlators alternate correlate the newly input image signals with the previous image signals.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Blockschaltbildes näher erläutert.The invention is based on a block diagram shown in the drawing explained in more detail.

Das Blockschaltbild zeigt das Flächennavigationssystem der Patentanmeldung P 29 38 853.2, wobei die entsprechenden Bezugszahlen jeweils gleichen Stufen zugeordnet sind. Das Basisnavigationssystem 1, wofur z.B.The block diagram shows the area navigation system of the patent application P 29 38 853.2, the corresponding reference numbers being assigned to the same levels are. The basic navigation system 1, for which e.g.

ein Trägheitsnavigationssystem eingesetzt werden kann, steht hier mit einem Datenbus lo in gegenseitiger Funktionsverbindung. Der Bildsensor 2 führt seine Ausgangssignale dem Bildumsetzer 3 zu, der von einem Adressenbus 11 Befehle zu seiner Steuerung erhält. Im Bildumsetzer 3 erfolgt eine analog-digital-Wandlung und eine Teilbildsteuerung und die digitalen Bildsignale gelangen dann ueber einen Zwischenspeicher 12 zur Korrekturstufe 4 des Navigationssystems und gleichzeitig zu zwei zusätzlichen Steuerkorrelatoren 13,14. Der Zwischenspeicher 12, die Korrekturstufe 4 und die Szenenkorrelatoren 13,14 stehen mit dem Adressenbus 11 in gegenseitiger Funktionsverbindung. Im Navigationssystem laufen die Bilddaten dann weiter über eine Aufbereitungsstufe 5 zum Szenenkorrelator 6, der mit dem Adressenbus 11 ebenfalls in gegenseitiger Funktionsverbindung steht. Der durch eine adaptive Schwelle 7 steuerbare und seine Ausgangsdaten dem Datenbus lo zuführende Szenenkorrelator erhält Referenzbilddaten von einem Speicher 8 über den Datenbus lo eine Aufbereitungsstufe 15, wobei diese Stufen mit dem Adressenbus 11 ebenfalls in gegenseitiger Funktionsverbindung stehen.an inertial navigation system can be used is stated here with a data bus lo in mutual functional connection. The image sensor 2 leads its output signals to the image converter 3, the commands from an address bus 11 to its control. An analog-digital conversion takes place in the image converter 3 and a field control and the digital image signals then pass through a Buffer 12 for correction stage 4 of the navigation system and at the same time to two additional control correlators 13, 14. The buffer store 12, the correction stage 4 and the scene correlators 13, 14 are in mutual relationship with the address bus 11 Functional connection. The image data then continues to overflow in the navigation system a processing stage 5 to the scene correlator 6, the one with the address bus 11 as well is in mutual functional connection. The controllable by an adaptive threshold 7 and the scene correlator which supplies its output data to the data bus lo receives reference image data from a memory 8 via the data bus lo a processing stage 15, this Stages with the address bus 11 are also in mutual functional connection.

Ii( Verarbeitungseinheit 1G, die einen Taktgeber 17, eine arithmetische-logische Slute lu, einem Mikroprozessor 19 und einen Speicher ko umfa'3t, steuert sowohl die Stufen des Navigationssystems als auch die-Wenigen zur Geschwindigkeitsermittlung. Hierzu besteht vom Taktgeber 17 ein Datenausgang zum Datenbus lo und eine gegenseitige Funktionsverbindung zum Adressenbus 11. Die arithmetische-logische Stufe 18 hat eine gegenseitiye Funktionsverbindung zurn Datenbus lo, während vom Mikroprozessor 19 ein Datenausgang zum Adressenbus 11 führt. Der Specher 20 steht sowohl mit dem Datenbus 10 als auch mit dem Adressenbus 11 in gegenseitiger Funktionsverbindung. Für das Navigationssystem ist weiterhin noch ein Kalman-Filter 9 vorgesehen, das mit der Datenbus lo in gegenseitiger Funktionsverbindung steht. Außerdem besteht vom Datenbus lo noch eine gegenseitige Funktionsverbindung zu einem Bordrechner 21, welcher für die missionsspezifischen Anforderungen des Luftfahrzeuges vorgesehen ist.Ii (processing unit 1G, which has a clock 17, an arithmetic-logic Slute lu, a microprocessor 19 and a memory ko, controls both the levels of the navigation system as well as the few to determine the speed. For this purpose, the clock 17 has a data output to the data bus lo and a mutual output Functional connection to the address bus 11. The arithmetic-logic stage 18 has a mutual functional connection to the data bus while from the microprocessor 19 a data output leads to the address bus 11. The Specher 20 is both with the Data bus 10 as well as with the address bus 11 in mutual functional connection. A Kalman filter 9 is also provided for the navigation system with the data bus lo is in mutual functional connection. In addition, there is from the data bus lo another functional connection to an on-board computer 21, which is intended for the mission-specific requirements of the aircraft is.

Vor den zuvor erwähnten Stufen werden der Bildsensor 2, der Bildurnsetzen 3, der Zwischenspeicher 12, die Szenenkorrelatoren 13,14 und die Verarbeitungseinheit 16 fur die Geschwindigkeitsermittlung benötigt, wobei die Szenenkorrelatoren 13,14 ausschließlich für die Geschw-indigkeitsermittlung vorgesehen sind. Die anderen Stufen erfüllen gleichzeitig eine Aufgabe im Navigationssystem. Im Einsatz wird die jeweilige übergrundgeschwindigkeit eines Luftfahrzeuges wie folgt ermittelt.Before the aforementioned stages, the image sensor 2, the image reset 3, the buffer store 12, the scene correlators 13, 14 and the processing unit 16 is required for determining the speed, the scene correlators 13, 14 are intended exclusively for determining the speed. The others Steps also fulfill a task in the navigation system. Is in use the respective ground speed of an aircraft is determined as follows.

Nach Aufnahme gelangen die aktuellen Bildsignale des Bildsensors 2 zum Bildumsetzer 3. Dieser Bildurnsetzer wandelt die analogen Bildsignale in digitale Bildsignale, wobei gleichzeitig eine Teilbildauswahl in der Weise erfolgt, daß die Biidsignale für die zusätzlichen Szenenkorrelatoren 13,14 mit einer Auflösung von 5 bit von jeweils 64 Bildpunkten eines Bildes abgeleitet sind, die eine in Flugrichtung ausgerichtete symmetrisch zum Bildmittelpunkt liegende Spalte bilden. Die so ausgewählten Bildsignale gelangen dann über den Zwischenspeicher 12 gleichzeitig zu den Referenzregistern der beiden Szenenkorrelatoren 13,14, welche zur Verarbeitung der Bildsignale ebenfalls für 5 bit ausgelegt sind. Von dem danach anfallenden B4rd werden die Blidsignale wie zuvor beschrieben, abgeleitet und nacheinander punktweise (Bildpunktweise) durch die Korrelationsregister der Szenenkorrelatoren 13,14 getaktet. Gleichzeitig wird die Korrelation durch Vergleich der Registerinhalte gestartet und zwar wechselweise, d.h. . wenn der Szenenkorrelator 13 korreliert, löscht der Szenenkorrelator 14 die vordngehellde Bilddaten und urngekehrt, so daß sich eine laufende Wechselpufferung ergibt. Bei der Korrelation werden per Maskenbildung die von den zuletzt eingegebenen Bilddaten noch nicht belegten Registerplätze von der Korrelation ausgeschlossen, um unnötige Operationen zu vermeiden.After the recording, the current image signals from the image sensor 2 arrive to the image converter 3. This image converter converts the analog image signals into digital ones Image signals, at the same time a field selection takes place in such a way that the Image signals for the additional scene correlators 13, 14 with a resolution of 5 bits are derived from each 64 pixels of an image, one in the direction of flight Form aligned symmetrically to the center of the image column. The so selected Image signals then reach the reference registers via the buffer store 12 at the same time of the two scene correlators 13, 14, which are also used for processing the image signals are designed for 5 bits. From the B4rd that arises afterwards, the image signals as before described, derived and one after the other point by point (pixel by pixel) clocked by the correlation register of the scene correlators 13,14. Simultaneously the correlation is started by comparing the register contents, alternately, i.e. when the scene correlator 13 correlates, the scene correlator 14 cancels the image data and vice versa, so that there is an ongoing alternating buffering results. During the correlation, those of the most recently entered are displayed by masking Image data not yet occupied register locations are excluded from the correlation, to avoid unnecessary operations.

Die bei der Korrelation in den Szenenkorrelatoren 13,14 gewonnenen Ausgangssignale gelangen uber den Datenbus lo zu der Verarbeitungseinheit 16, wo der Mikroprozessor 19 mit einem erweiterten Programm für die Steuerung der Wechselpufferung,der Teilbildauswahl im Bildumsetzer 3 und der Auswertung der von den Szenenkorrelatoren 13,14 zugeführt ten Ausgangssignale versehen ist. Der Mikroprozessor 19 vergleicht die zugeführten Ausgangssignale als Funktion der Lage der zuletzt zugefui] ten Information und ermittelt ein Signal, das die Verschiebung der Bilder zwischen zwei Aufnahmezyklen repräsentiert. Da die Auflösung des Bildsensors bekannt ist, die jeweilige Flughöhe als Information uDer das Basisnavigationssystem 1 und den Datenbus 1o zur Verfugung steril und die Bildfolyefrequenz(f - 1/T)des Bildsensors 2 ebenfals @@@@@@ ist, kann die Verarbeitungseinheit 6 aus diesen Daten ein Ausgangssignal ermitteln, das die übergrundgeschwindigkeit des Luftfahrzeuges beliebig genau repräsentiert. Dieses Ausgangssigndi kann über den Datenbus lo einem Anzeigegerät zugeführt werden. Die Bildfolgefrequenz und die Auflösung des Bildsensors können dabei im Speicher 20 als Information für die Berechnung zur Verfügung stehen.Those obtained during the correlation in the scene correlators 13, 14 Output signals arrive via the data bus lo to the processing unit 16, where the microprocessor 19 with an extended program for controlling the change buffering, the Partial image selection in the image converter 3 and the evaluation of the scene correlators 13,14 supplied th output signals is provided. The microprocessor 19 compares the supplied output signals as a function of the position of the last information supplied and determines a signal that indicates the shift in the images between two acquisition cycles represents. Since the resolution of the image sensor is known, the respective flight altitude as information uDer the basic navigation system 1 and the data bus 1o available sterile and the image film frequency (f - 1 / T) of image sensor 2 is also @@@@@@, the processing unit 6 can determine an output signal from this data which represents the ground speed of the aircraft as precisely as required. This Output signals can be fed to a display device via the data bus lo. the The frame rate and the resolution of the image sensor can be stored in the memory 20 are available as information for the calculation.

Das erfindungsgemäße Flächennavigationssystem bietet die Möglichkeit, durch yeringen Zusatzaufwand die übergrundgeschwi ndi gkei t eines Lut tfahrzeuges sehr genau zu erfassen, wobei es auch möglich ist, das beschwindigkeitsmeßsystem unabhängig von einem Flächennavigationssystem aufzubauen und zu betreiber. Bei einer Kopplung mit einem Flachennavlgationssystem kann die Geschwindigkeitserm-ittlung wahlweise kontinuierlich oder im Gegentakt zur Navigation erfolgen.The area navigation system according to the invention offers the possibility of By reducing the additional effort, the ground speed of an air vehicle is reduced to record very precisely, it is also possible to use the speed measurement system to be set up and operated independently of an area navigation system. At a Coupling with a surface navigation system can determine the speed either continuously or in push-pull to the navigation.

Claims

United Flugtechnische Werke Company with limited liability PATENT CLAIMS F surface navigation iorlssys leni for aircraft with an image sensor, its image signals representing the landscape overflown after processing a scene correlator supplied with reference image signals from an image memory are supplied to the position determination, thereby k e n n z e i c h ne t that the image signals of the image sensor (2) via an image converter (3) and a buffer (12) two additional scene correlators (13, 14) for alternating correlation at the same time are supplied with the image signals of a respective preceding image, and that the output signals of these scene correlators (13, 14) by comparison in a processing unit (16) a representing the shift of the images between two recording cycles Signal result from which the processing unit (16) taking into account the Flight altitude, the frame rate and the resolution of the image sensor (2) an above ground speed signal of the aircraft is calculated.

2. Area navigation system according to claim 1, characterized in that it is n n z e i c h ne t that the processing unit (16) consists of a clock (17) of an arithmetic-logic Stage (18), a programmed microprocessor (19) and a memory (20), each in a mutual functional connection and via a data bus (lo) are connected to the other levels of the area navigation system.

3. Area navigation system according to claim 1 or 2 thereby gek e n n z ei c h ne t that the image signals for the two scene correlators (13,14) of Image points are derived, which are aligned symmetrically in the direction of flight Form the column lying to the center of the image and insert it bit by bit into the reference register the additional scene correspondence gates (13,14) can be entered.

4. Area navigation system according to one of claims 1 to 3, characterized 9 e k e n n n e i c h n e t that the additional scene correlators (13, 14) for 5 bits and the supplied image signals of 64 pixels per image with a resolution of 5 bits.

5. Area navigation system according to one of the preceding claims, in that the determination of the above ground speed is not indicated either continuously or in push-pull to the navigation.