DE3210694C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren bei einer Flug­ überwachungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Ein solches Verfahren ist aus der FR 20 81 882 bekannt. Hierbei wird bei einem herkömmlichen Planlageanzeiger die Ablenkung in der Senkrechten um einen regelbaren Betrag reduziert, so daß die kreisförmige Spur elliptisch wird. Hierdurch entsteht ein ähnlicher Tiefeneindruck (Pseudo 3 D-Display) wie die Perspektive in einer Zeichnung. Der Bildschirm kann eine Aufsicht, eine Seitenansicht oder eine Zwischenansicht des von dem Radar erfaßten Luftraumes anzeigen. Wenn die Lage des Flugzeuges in der Grundebene gezeigt wird, erscheint eine senkrechte Linie darüber, die in Zielabständen erhellt ist. Hierdurch wird die Flughöhe des Flugzeuges angezeigt. Die Länge dieser Linie wird in Abhängigkeit von der Neigung der Grundebene entsprechend der Perspektive verändert.

Durch die übliche PPI-Darstellung der von einem Radargerät empfangenen und ausgewerteten Echosignale kann die Position eines Flugobjektes nur durch seine Entfernung vom Standort des Radargerätes und den z. B. zur Nordrichtung gebildeten Winkel (Azimut) in einer Ebene aufgezeigt werden. Im Rahmen der zivilen Flugsicherung kann diese Darstellung noch durch eine Höhenaufgabe ergänzt werden, die durch ein zusätzliches Höhen-Abfrageradar ermittelt wird. Ein Radar-Beobachter am PPI-Bildschirm kann sich mit diesen Informationen nur ein unzureichendes Bild von der tatsächlichen Luftlage im Flug­ überwachungsraum machen, insbesondere wenn sich Flugobjekte im Luftraum aufhalten, deren Höhe sich schnell ändert und wenn außerdem eine Höheninformation nicht oder nur von einem Teil der Flugobjekte vorliegt. Eine räumliche Bildwiedergabe ist mit dieser bekannten Methode nicht ereichbar.

Zur Erzielung einer Darstellung mit allen Rauminformationen, beispielsweise eines Geländeabschnittes, sind Einrichtungen zur stereoskopischen Darstellung eines Radarbildes unter Verwendung eines linken und eines rechten Bildschirmes bekennt (DE-PS 20 20 788). Nachteile einer derartigen räumlichen Darstellung sind jedoch ein erheblich größerer Aufwand zur Durchführung dieses Verfahrens und die Notwendigkeit für den Radarbeobachter auf ein Stereoskop angewiesen zu sein.

Aus der US-PS 39 75 662 ist es bekannt, bei einem PPI-Bildschirm den Punkt, um den der Radarstrahl rotiert, zu einem anderen Punkt außerhalb des Zentrums zu bewegen, so daß der Standpunkt des Betrachters frei wählbar ist. Eine perspektivische Darstellung ist hierbei nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Darstellung der aktuellen Luftlage bei einem Flugüberwachungssystem anzugeben, durch das auf dem Bildschirm mit geringem Aufwand und ohne Bindung an ein Stereoskop der Eindruck räumlichen Geschehens in einem Luft­ überwachungsraum mit freier Wahl des Standortes des Beobachters vermittelt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst.

Durch diese Maßnahmen werden nicht nur die Einzelbewegungen der Flugobjekte in jeder Luftlage für den Radarbeobachter durchschaubar; der Radarbeobachter kann durch freie Wahl eines fiktiven Beobachtungsstandpunktes die jeweils günstigste Blickrichtung auf den Luftüberwachungsraum auswählen und jederzeit ändern, wenn es wegen einer geänderten Luftlage angebracht erscheint. Die entsprechende perspektivische Transformation der Koordinaten des Luftüberwachungsraumes und der Ortskoordinaten sowie der Geschwindigkeitswerte des Flugobjektes erfolgt in einem Rechner, nachdem der Radaroperator, z. B. mittels einer Rollkugel, einen neuen fiktiven Standort des Beobachters ausgewählt hat. Die für die Darstellung einer Luftlage erforderlichen, in einem Datenbündel zusammengefaßten Daten jedes Flugobjektes können von beliebigen Ortungssystemen stammen, die in der Lage sind, Flugobjekte in drei Dimensionen zu vermessen, z. B. von einem Radargerät mit Phased Array Antenne.

Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein dreiachsiges Koordinatensystem zu Erläuterung der perspektivischen Transformation,

Fig. 2 und 3 die perspektivische Darstellung des Luftüberwachungs­ raumes in einem größeren quadratischen Gebiet und zusätzlich die vergrößerte Darstellung des Luft­ überwachungsraumes ohne Flugobjekte im unteren Teil eines Bildschirmes,

Fig. 4 und 5 die perspektivische Darstellung des Luftüber­ wachungsraumes mit den vorhandenen Flugobjekten,

Fig. 6 die Darstellung der Ortsangabe im perspektivischen Koordinatensystem und

Fig. 7 die Darstellung eines dreidimensionalen Geschwindig­ keitssektors,

Fig. 8 eine vollständige Darstellung der Daten einer Luft­ lage.

Das Koordinatensystem in Fig. 1 wird durch die Achsen X _a , Y _a , Z und ein Raumpunkt in diesem System durch die Koordi­ naten x _p , y _p , z _p beschrieben. Das menschliche Auge befindet sich im Ursprung dieses Koordinatensystems und sieht in der Richtung der Positiven Z _a -Achse. Um zu bestimmen, wie sich das Objekt für das Auge auf der Fläche S abbildet, muß eine perspektivische Transformation durchgeführt werden, die z. B. von einem Rechner übernommen werden kann.

In vielen Fällen wird es zweckmäßig sein, einen Beobachtungs­ standort für den Luftüberwachungsraum außerhalb des Koordinatennullpunktes zu wählen. Auf diese Weise kann die jeweils günstigste Blickrichtung auf den Luftüberwachungsraum erzielt werden. Durch eine Koordinatentransformation des Koordinatensystems X _a , Y _a , Z _a (Drehung und Verschiebung) kann immer eine Ausgangssituation wie in Bild 1 erzielt werden. Die Projektion eines Punktes P auf die Fläche S sei mit P _s bezeichnet. Das Koordinatensystem auf der Fläche S ist durch die Achsen X _s , Y _s bestimmt und der Ab­ stand zum Auge des Beobachters sei A.

Die perspektivische Transformation jedes Raumpunktes wird nach folgenden Gleichungen durchgeführt. Es gilt:

Darin steht der Abstand zum Auge A für:

A = X _Smax · cotg. (α)

Nach Durchführung der folgenden Normierung mit

X _smax = 1 und α = 45°

ergeben sich für transformierte Koordinaten in der Fläche S

Dabei ist berücksichtigt, daß die X _s - und die X _a -Achse entgegengesetzt sind. Da die Punktperspektive eine geraden Linie wieder eine gerade Linie ist, genügt es, die Anfangs- und Endpunkte dieser Linie zu transformieren. Um den räumlichen Eindruck des in dem Koordinatensystem dargestellten Luftüberwachungsraumes mit den darin befindlichen Flugobjekten weiter zu verbessern, sind die den Koordinatenachsen zugeordneten Maß- und Wertangaben (Zahlen und Buchstaben) ebenfalls perspektivisch dargestellt.

Die Signalverarbeitung zur räumlichen Darstellung von Flug­ objekten in einem Luftüberwachungsraum beginnt mit der Übernahme von Datenbündeln eines Ortungsgerätes, an die sich die Datendarstellung anschließt. Vorher erfolgt die Beobachtungseinstellung. Der Beobachtungseinstellung und der Dateneinstellung stehen ein gemeinsamer Rechner und ein gemeinsamer Bildschirm zur Verfügung. Zur Beobachtungs­ einstellung werden auf dem Bildschirm zwei Hilfsbilder angezeigt, von denen eines eine Grundebene mit dem darüber befindlichen Luftüberwachungsraum und den frei gewählten fiktiven Standort des Beobachters aufzeigt und das zweite Hilfsbild eine vergrößerte Darstellung des Luftüber­ wachungsraumes aus der Sicht des Beobachters perspektivisch wiedergibt. Der fiktive Standort des Beobachters kann durch Betätigen einer Rollkugel beliebig außerhalb des Er­ fassungsbereiches eines Ortungsgerätes gewählt werden und jede gewünschte Blickrichtung auf den Luftüberwachungsraum ermöglichen. Die Hilfsbilder sollen dem Beobachter einen Eindruck vermitteln, wie er von dem gewählten fiktiven Standort aus den Erfassungsbereich und die sich darin befindlichen Ziele sieht. Die Rollkugel ermöglicht dabei auf einfache Weise den optimalen Standort des Beobachters zu bestimmen. Die Fig. 2 und 3 zeigen Hilfsbilder bei der Beobachtungseinstellung in Abhängigkeit von der Wahl des Beobachtungsstandortes.

Jeweils im oberen Teil des Bildschirmes ist eine Grundebene von 200×200 km dargestellt. In der Mitte der Grundebene befindet sich ein Ortungsgerät, das den quaderförmig dargestellten Überwachungsraum erfaßt. Die oberen Hilfsbilder in Fig. 2 und 3 entstehen, wenn man nach Fig. 1 vom Ursprung O des dreiachsigen Koordinatensystems aus auf die Grundebene unter einem festen Blickwinkel einsieht. Der Bildschirm entspricht dabei der Fläche S (Projektionsebene).

Der Standort des Beobachters soll sich in einem mit 3 be­ zeichneten Punkt befinden. Seine Blickrichtung auf den Er­ fassungsraum des Ortungsgerätes ist durch die Z _a -Achse nach Fig. 1 vorgegeben. In der unteren Bildhälfte des Bildschirmes ist der Erfassungsbereich dargestellt, wie er vom Beobachter gesehen wird. In den unteren Hilfsbildern der Fig. 2 und 3 liegt der Ursprung O des Koordinaten­ systems (nach Fig. 1) in Punkt 3, von dem aus der Bild­ schirm als Projektionsebene gesehen wird. Die Position des Ortungsgerätes ist in beiden Figuren durch das Bezugs­ zeichen O angegeben.

Da die perspektivische Transformation von den Lagekoordinaten und der Blickrichtung des Beobachters abhängig ist, müssen diese von der Darstellung der Luftlage bestimmt werden. Dazu sind vier Parameter erforderlich:

• a) Die Projektion des Standortes des Beobachters (Punkt 3) auf die Grundebene, die dem Punkt 1 entspricht.
• b) Der Punkt 2, der die Blickrichtung des Beobachters in der Grundebene (Linie 1-2) bestimmt. In den Fig. 2 und 3 findet sich der Punkt 2 in der Mitte des Koordinatensystems.
• c) Die Höhe in der sich der Beobachter befindet (Linie 1-3).
• d) Die Neigung, der von Punkt 3 ausgehenden Linie, die der Blickrichtung des Beobachters entspricht. In den Fig. 2 und 3 ist diese Linie parallel zur Grundebene.

Die vier Parameter lassen sich unabhängig voneinander durch die Rollkugel einstellen. Die Blickrichtung und Neigung (Parameter b und d) können durch einen Winkelwert angegeben werden. Die aktuellen Werte der in den Fig. 2 und 3 verwendeten Parameter sind in der rechten oberen Ecke des Bildschirmes wiedergegeben.

Nach der gewünschten Einstellung von Position und Blickrichtung des Beobachters erfolgt durch einen Schalter die Umschaltung der Beobachterdarstellung auf die Datendarstellung. In dieser Phase wird die Information des Datenbündels (Lagekoordinaten und Geschwindigkeitsvektor von Flugobjekten) in dem in den Fig. 2 und 3 beschriebenen Koordinatensystem zur Darstellung gebracht. Um eine Korrektur des Standortes des Beobachters vorzunehmen, kann jederzeit in die Phase "Beobachtungseinstellung" zurückgeschaltet werden. Eine Verbesserung dieses Vorganges kann darin bestehen, daß neue Standorte des Beobachters fest eingespeichert sind und über Schalter frei ausgewählt werden können.

Für die perspektivische Darstellung der Informationen jedes Datenbündels ist ein dreidimensionales Koordinatensystem erforderlich. In den Fig. 4 und 5 sind je ein Luftüberwachungsraum in der Perspektive der unteren Teilbilder der Fig. 2 und 3 unter Verwendung eines solchen Koordinatensystems mit den Flugobjekten dieses Über­ wachungsraumes dargestellt. Der räumliche Eindruck dieser Bildschirmdarstellungen wird dadurch verbessert, daß die Beschriftung der Koordinatenachsen perspektivisch wiedergegeben ist. Dabei ist jede Ziffer aus einzelnen Vektoren zusammengesetzt, die in gleicher Weise wie das Koordinatensystem der perspektivischen Transformation unterworfen sind.

Um dem Beobachter auch einen räumlichen Eindruck der aktuellen Luftlage zu vermitteln, ist es erforderlich, daß die Symbole der Flugobjekte dreidimensional zur Darstellung gelangen.

Wie die linke Darstellung in Fig. 6 zeigt, ist in einem perspektivischen Koordinatensystem eine Ortsangabe für ein Flugziel durch einen einzelnen Punkt oder ein anderes Zeichen nicht ausreichend. Erst durch zusätzliche Lotlinien eines solchen Punktes oder Zeichens auf die Grundebene kann eine eindeutige Position bestimmt werden, wie es die rechte Darstellung in Fig. 6 zeigt.

Um dem Beobachter aber auch Informationen über die Flugrichtung eines Flugobjektes zu vermitteln, ist die Darstellung eines dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors für eine eindeutige Geschwindigkeitsangabe nicht ausreichend. In Fig. 7 zeigt die linke Darstellung drei Flugobjekte mit scheinbar gleicher Geschwindigkeitsrichtung und Geschwindigkeitsgröße. Erst durch Zerlegung des Geschwindig­ keitsvektors mit Hilfe eines Geschwindigkeitsparallelogramms, dessen Komponenten parallel zur Grundebene bzw. zur Lotlinie verlaufen, kann man zu einer vollständigen Geschwindigkeitsaussage gelangen, wie es in der rechten Darstellung von Fig. 7 angezeigt ist. Das räumliche Vorstellungsvermögen wird hier noch dadurch unterstützt, daß die Projektion des Geschwindigkeitsvektors auf der Grundebene zusätzlich eingezeichnet ist. Die Fig. 4 und 5 zeigen bereits die räumliche Darstellung von Symbolen von Flugobjekten.

Aufgrund der dreidimensionalen Symbole vermittelt das statische Bild deutlich eine Vorstellung über das dynamische Verhalten jedes Flugobjektes. In der Praxis vermittelt der Bildschirm dem Beobachter eine noch bessere Abschätzung, weil der Beobachter im allgemeinen auch die vorhergehende Position des Flugobjektes in Erinnerung hat.

Die Symbole der Flugobjekte (Tracksymbole) können in unter­ schiedlicher Farbe dargestellt sein. Damit ergibt sich der Vorteil, daß eine sehr augenfällige Freund-Feind-Unterscheidung möglich ist oder daß bestimmte Eigenschaften der Flugobjekte, z. B. Geschwindigkeitsstufen schon durch eine eigene Farbe erkennbar sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen deutlich, daß der optimale Be­ obachtungsstandort abhängig von der Luftlage ist. Um die Geschwindigkeit der Flugobjekte abzuschätzen, ist der in Fig. 5 gewählte Standort weniger günstig, weil sich die Flugobjekte hauptsächlich in Richtung auf den Beobachter zu bewegen und der Geschwindigkeitsvektor nur von vorne gesehen wird.

Der in Fig. 8 dargestellte Luftüberwachungsraum ist aus der Sicht eines über dem Ortungsgerät befindlichen Standortes des Beobachters gesehen. Dieses Bild entspricht der üblichen PPI-Darstellung. Um die Position eines Flugobjektes genau abschätzen zu können, ist dieser Standort besonders günstig, weil die Grundebene perspektivisch nicht verzerrt wird.

Durch entsprechendes Programmieren des Rechners kann das dem Luftüberwachungsraum zugrundeliegende Koordinatensystem beliebig modifiziert werden. So können z. B. Maßstabs­ veränderungen in der X-Y-Richtung oder in der Z-Richtung vorgenommen werden. Diese Maßnahmen können vorteilhaft sein, wenn z. B. nur Ausschnitte des Erfassungsbereiches eines Ortungsgerätes untersucht werden sollen.

Bei kleinen Geschwindigkeiten der Flugziele kann es sinnvoll sein, das Geschwindigkeitsparallelogramm mit dem Ge­ schwindigkeitsvektor z. B. um den Faktor 2 zu vergrößern, so daß der Vorhersagepunkt der Flugbahn des Flugobjektes auf halber Strecke der Diagonalen des Parallelogramms liegt.

Claims (9)

1.Verfahren zur Darstellung der aktuellen Luftlage im durch ein Radargerät erfaßten Luftüberwachungsraum, bei einer Flugüberwachungseinrichtung mit einem elektronisch steuerbaren Bildschirm, wobei der Luftüberwachungsraum als ein durch beliebig angeordnete Begrenzungsflächen bestimmter Raum auf dem Bildschirm in per­ spektivischer Ansicht dargestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund von Ortskoordinaten- und Höhenmessungen für jedes einzelne im Luftüberwachungsraum befindliche Flugobjekt ein Datenbündel gebildet wird, das nach Aufbereitung unter Verwendung von Rechnern auf dem Bildschirm zur Darstellung gebracht wird, daß jede beliebige Ansicht des Luftüberwachungsraumes in Abhängigkeit von einem frei wählbaren fiktiven Standort eines Beobachters mittels einer von Rechnern durchgeführten perspektivischen Transformation aller Raumkoordinaten der dreidimensionalen Darstellung (Koordinatensystems) darstellbar ist und daß mit dem Datenbündel (Ortskoordinaten, Höhenangaben) jedes der Flugobjekte mittels der Rechner die gleiche per­ spektivische Transformation durchgeführt wird, derart, daß die Ortskoordinaten und die Geschwindigkeit des Flugobjektes einen entsprechenden Raumpunkt in der perspektivischen Darstellung und eine Information über die Bewegungsrichtung liefern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl der außerhalb des Luftüberwachungsraumes gelegenen Ortskoordinaten des fiktiven Beobachters und durch die Blickrichtung vom Ort des Beobachters auf den Ursprung des Koordinatensystems der perspektivischen Transformation im Rechner und die entsprechende perspektivische Darstellung auf dem Bildschirm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Beschriftungen im Bereich der perspektivischen Darstellung (Luftüberwachungsraum, Koordinatensystem) der perspektivischen Transformation unterzogen sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung eines Flugobjektes in der perspekti­ vischen Darstellung des Luftüberwachungsraumes durch einen Raumpunkt, der das Ende eines von der Grundebene des Koordinatensystems ausgehende Lotlinie bildet, wobei die Grundebene der Erdoberfläche entspricht, gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die durch Raumpunkt und Lotlinie dargestellten Flugobjekte ein Geschwindigkeitsvektor berechnet und wiedergegeben ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion des Geschwindigkeitsvektors auf die Grundebene berechnet und dargestellt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsvektor im Rechner in rechtwinklige Geschwindigkeitskomponenten, von denen eine parallel zur Grundebene gerichtet ist, verlegt und als Geschwindigkeits­ parallelogramm auf dem Bildschirm dargestellt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile der ein Flugobjekt beschreibenden Darstellung der perspektivischen Transformation im Rechner unterliegen.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die perspektivische Darstellung von Flugobjekten z. B. in Abhängigkeit von einer Freund-Feind-Unterscheidung oder einer Geschwindigkeits-Unterscheidung in unterschiedlicher Farbe erfolgt.