DE3927299A1 - Motion path computer for optimising course, e.g. of cruise missile - has 1st computer processing topographical and optimising data and 2nd computer which improves initial optimal path - Google Patents

Motion path computer for optimising course, e.g. of cruise missile - has 1st computer processing topographical and optimising data and 2nd computer which improves initial optimal path

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Abstract

The course computer for flight path optimisation contains a first computer unit (50) receiving start and target points, information, esp. topographical information, about the terrain between the start and target points and at least one optimisation parameter. The computer applies a series of supporting points between the start and finish points and determines the paths including the supporting points which are optimal for the entered parameter. A second computer unit (52) improves the optimal path from the first computer. USE/ADVANTAGE - E.g. for use in cruise missiles for reliable, rapid optimal flight path determination at low cost.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsbahnrechner zur Bewegungsbahnoptimierung, insbesondere für Flugkörper.The invention relates to a trajectory computer for Path optimization, especially for missiles.

Bei Geräten, die zwischen verschiedenen Orten (hier Start- und Zielpunkt genannt) bewegt werden sollen, wobei eine Vielzahl möglicher Wege in Frage kommen, stellt sich das Problem, wie der bezüglich wenigstens eines Optimierungsparameters, wie z. B. minimale Bewegungszeit, optimale Weg zuverlässig und ohne allzu großen Aufwand ermittelt werden kann. Insbesondere bei autonomen Flug­ körpern (z. B. cruise missile), die bevorzugt in geringen Flughöhen fliegen sollen, stellt sich das Problem welche Flugbahn einzuprogrammieren ist, da der gerade Flugweg mit laufendem Ansteigen und Abfallen des Flugkörpers entspre­ chend dem Höhenprofil der Landschaft längs dieses Weges in bezug auf Flugdauer und Treibstoffverbrauch im allgemeinen ungünstig ist. Auch vom Gesichtspunkt der Sicherheit, d. h. möglichst guter Deckung des Flugkörpers während der Fluges, ist der gerade Flug in aller Regel ungünstig, da dieser Deckungsmöglichkeiten nicht berücksichtigt. So sollten größere Wasserflächen sowie Berggipfel wegen geringer Deckung möglichst gemieden werden. Unter Umstän­ den muß während des Fluges die vorprogrammierte Flugbahn geändert werden, weil plötzlich ein Hindernis oder ein Gefährdungsbereich auftaucht. Eine erneute Bewegungsbahn­ optimierung während des Flugs unter Berücksichtigung dieser neuen Umstände wäre dann sehr wünschenswert. Nicht nur bei unbemannten Flugkörpern, Roboterfahrzeugen oder dergl. kann sich das Problem der Bewegungsbahnoptimierung stellen; auch bei bemannten Geräten, wie z. B. Flugzeugen, wäre es denkbar, für eine Selbststeuerung des Flugzeugs (Auto-Pilot) eine optimale Flugbahn zu ermitteln.For devices that are between different locations (here start and called the target point) should be moved, whereby a Many possible ways come into question, that arises Problem, like that regarding at least one Optimization parameters, such as B. minimal movement time, optimal way reliable and without too much effort can be determined. Especially with autonomous flight bodies (e.g. cruise missile) that are preferred in low The problem arises if flight altitudes are to fly Programming the trajectory is because the straight flight path with correspond to the constant rise and fall of the missile according to the elevation profile of the landscape along this path in terms of flight duration and fuel consumption in general is unfavorable. Also from a security perspective, i. H. best possible coverage of the missile during the Flight, the straight flight is usually unfavorable because these cover options are not taken into account. So should because of larger water areas and mountain peaks low coverage should be avoided if possible. Under certain circumstances the pre-programmed trajectory must be during the flight be changed because suddenly an obstacle or a Hazard area appears. Another trajectory optimization during flight taking into account these new circumstances would be very desirable. Not only for unmanned missiles, robotic vehicles or the like. The problem of movement path optimization put; even with manned devices, such as. B. aircraft, it would be conceivable for self-control of the aircraft (Auto-Pilot) to determine an optimal trajectory.

Optimierungsverfahren als solches sind allgemein bekannt. Sie erfordern hohen apparativen Aufwand und Rechenzeitauf­ wand, wenn hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Optimierung gestellt werden. Ein bekanntes Problem ist hierbei, daß das jeweils verwendete Optimierungsverfahren häufig in einem Nebenminimum "hängen bleibt", d. h. in einem Nebenminimum konvergiert und daher also keinesfalls den globalen optimalen Wert liefert. Um diese Gefahr zu reduzieren, wird entweder mit äußerst hohem Aufwand der gesamte vieldimensionale Suchraum durchgemustert oder man läßt die Optimierungsrechnung unter laufender Überprüfung durch einen erfahrenen Wissenschaftler ablaufen, der ggf. in die Rechnung eingreift.Optimization methods as such are generally known. They require a lot of equipment and computing time  wall when high demands on the reliability of the Optimization. A known problem is here that the optimization method used in each case often "sticks" at a sub-minimum, i.e. H. in converges to a minor and therefore not at all provides the global optimal value. To avoid this danger reduce, either with extremely great effort entire multidimensional search space or one leaves the optimization calculation under ongoing review run by an experienced scientist who may intervenes in the calculation.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Bewegungs­ bahnrechner anzugeben, welcher bei geringem apparativen Aufwand und geringer Rechenzeit zuverlässig die optimale Bewegungsbahn ermittelt.The object of the invention is a movement train calculator to indicate which with low equipment Effort and low computing time reliably the optimal Trajectory determined.

Diese Aufgabe wird durch einen Bewegungsbahnrechner gelöst, umfassendThis task is done by a trajectory calculator solved, comprehensive

  • - eine erste Recheneinheit, in welche Startpunkt und Zielpunkt sowie Informationen, insbesondere topogra­ phische Informationen, über das zwischen Startpunkt und Zielpunkt liegende Gebiet sowie mindestens ein Optimierungsparameter eingebbar sind und welche in das Gebiet eine Reihe diskreter Stützstellen legt und diejenigen Bahnen unter den möglichen, in Start- und Zielpunkt endenden, über die Stützstellen laufenden Bahnen ermittelt, die hinsichtlich des Optimierungs­ parameters optimal ist,- A first computing unit, in which starting point and Target point and information, especially topogra phical information about the between starting point and target area and at least one Optimization parameters can be entered and which ones in the area establishes a number of discrete bases and those tracks among the possible ones in start and Destination point ending, running over the support points Pathways identified in terms of optimization parameters is optimal,
  • - eine zweite Recheneinheit, die die von der ersten Recheneinheit ermittelte optimale Bahn als Startwert in einem kontinuierlichen Optimierungsverfahren einsetzt und mit diesem Verfahren eine verbesserte optimale Bahn ermittelt.- A second arithmetic unit, which of the first The computing unit determined the optimal path as the starting value in a continuous optimization process uses and with this method an improved optimal path determined.

Die erste Recheneinheit überzieht also das fragliche Gebiet mit einem relativ groben Raster und überprüft die durch diese Rasterpunkte gehenden möglichen Wege auf wenigstens eine Optimierungsbedingung hin. Da also das gesamte 2- oder 3-dimensionale Raumgebiet zwischen Start­ punkt und Zielpunkt untersucht wird, kann davon ausgegan­ gen werden, daß die ermittelte optimale Bahn (durch die diskreten Stützstellen) in der Nähe des bei kontinuierli­ cher Berechnung sich ergebenden globalen Optimums liegt. Letzteres wird dann in der zweiten Recheneinheit ermit­ telt, wobei diese als Startwert von der von der ersten Recheneinheit ermittelten optimalen Bahn ausgeht. Aufgrund des erwartungsgemäß in der Nähe des globalen Optimums liegenden Startwerts ergibt sich eine rasche Konvergenz des kontinuierlichen Optimierungsverfahrens, auch bei Einsatz eines weniger leistungsfähigen Rechners mit relativ geringer Rechengeschwindigkeit und relativ gerin­ gem Arbeitsspeicher. Es hat sich herausgestellt, daß in den meisten Anwendungsfällen bereits ein relativ grobes Raster ausreicht, um mit der ersten Recheneinheit brauch­ bare Startwerte zu erhalten. So reicht es häufig, 100 × 100 Gitterpunkte oder sogar 50 × 50 Gitterpunkte festzu­ legen. Dementsprechend gering sind die Anforderungen an den Speicherbedarf und die Rechengeschwindigkeit auch der ersten Recheneinheit. Als Bewegungsbahnrechner reicht daher in den meisten Fällen ein Rechner in Personal-Com­ putergröße aus. Ein derartiger Rechner benötigt zur Ermittlung der optimalen Bahn eine Rechenzeit im Minuten­ bereich, was einen "Echtzeit-Betrieb" ermöglicht, also eine laufende Bewegungsbahnoptimierungsrechnung auch während des Fluges zur Berücksichtigung sich ändernder Flugbedingungen. Auch kann mit Parallel-Rechnern gearbei­ tet werden mit entsprechender Reduzierung der Rechenzeit.The first arithmetic unit covers the questionable Area with a relatively rough grid and checked the  possible paths going through these grid points at least one optimization condition. So there that entire 2- or 3-dimensional space between the start point and target point is examined, can be assumed be determined that the determined optimal path (through the discrete support points) near the at continuous The calculation of the resulting global optimum. The latter is then determined in the second computing unit telt, with this as the starting value from that of the first Calculating unit determines the optimal path. Because of as expected, close to the global optimum there is a rapid convergence the continuous optimization process, also with Use of a less powerful computer relatively slow computing speed and relatively low according to memory. It has been found that in in most cases a relatively rough one Grid is sufficient to use the first arithmetic unit obtainable starting values. So it is often enough 100 × 100 grid points or even 50 × 50 grid points lay. The requirements are correspondingly low the memory requirement and the computing speed also first arithmetic unit. A movement path calculator is sufficient therefore in most cases a computer in Personal-Com computer size. Such a computer requires Determining the optimal path a computing time in minutes area that enables "real-time operation", ie a running motion path optimization calculation too changing during flight to take into account Flight conditions. You can also work with parallel computers be reduced with a corresponding reduction in computing time.

ln einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine dritte Recheneinheit vorgesehen, die die von der ersten Recheneinheit ermittelte, einem Polygonzug entsprechende optimale Bahn glättet und anschließend der zweiten Re­ cheneinheit als Startwert zuführt. Aufgrund dieser Glättung des Startwertes ergibt sich eine noch raschere Konvergenz des kontinuierlichen Optimierungsverfahrens in der zweiten Recheneinheit.In a preferred development of the invention, one third arithmetic unit provided by the first Computing unit determined, corresponding to a polygon optimal path smoothes and then the second re unit as the starting value. Based on these  Smoothing the starting value results in an even faster Convergence of the continuous optimization process in the second arithmetic unit.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bewe­ gungsbahnplanung, insbesondere für Flugkörper. Dieses Verfahren weist folgende Schritte auf:The invention further relates to a method for moving trajectory planning, in particular for missiles. This The method has the following steps:

  • a) Diskretisieren eines Gebietes zwischen Startpunkt und Zielpunkt durch Festlegen einer Reihe von Stützstel­ len;a) discretize an area between the starting point and Target point by defining a number of support points len;
  • b) Ermitteln der hinsichtlich eines vorgegebenen Opti­ mierungsparameters optimalen Bahn unter den mögli­ chen, im Start- und Zielpunkt endenden, über die Stützstellen laufenden Bahnen;b) determining the with respect to a given opti optimal parameters among the possible Chen, ending in the start and finish point, over the Support points running tracks;
  • c) kontinuierliche Optimierungsrechnung mit der optima­ len Bahn Schritt b) als Startwert.c) continuous optimization calculation with optima len path step b) as a starting value.

Bevorzugt ist ein Schritt d) zwischen Schritt b) und c) vorgesehen, in welchem die gemäß Schritt b) ermittelte, einem Polygonzug entsprechende optimale Bahn geglättet wird, und die dann als Startwert für Schritt c) genommen wird.A step d) between step b) and c) is preferred provided, in which the determined according to step b), optimal path corresponding to a polyline is, and then taken as the starting value for step c) becomes.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das den Schritten b) und c) zugrundeliegende Gebiet zwischen Start und Ziel in einem vorangegangenen Schritt f) künst­ lich modelliert wird mit entsprechend einem Optimierungs­ parameter, insbesondere der minimaler Gefährdung, festge­ legten Geländeüberhöhungen oder künstlichen Hindernissen, ggf. in Gefahrenzonen. Auf diese Weise wird zum einen automatisch sichergestellt, daß der Flugkörper Gefahren­ zonen in größerer Höhe überfliegt, sofern diese auch unter diesen neuen Bedingungen optimale Bahn über dieses Gebiet führt. In vielen Fällen wird die Optimierungsrechnung jedoch einen Weg ergeben, der diese Gefahrenzone von vorneherein meidet, beispielsweise dann, wenn ein Opti­ mierungsparameter der Treibstoffverbrauch ist - das Optimierungsverfahren wird dann Wege aufsuchen, bei denen Flughöhenänderungen möglichst vermieden werden.In a development of the invention it is proposed that area underlying steps b) and c) between Start and finish in a previous step f) Art is modeled with an optimization parameters, in particular the minimum hazard placed excessive terrain or artificial obstacles, possibly in danger zones. In this way, on the one hand automatically ensures that the missile dangers Zones overflown at a higher altitude, provided that they are also below these new conditions optimal path over this area leads. In many cases, the optimization calculation  however, result in a path that avoids this danger zone avoids in advance, for example when an opti The fuel consumption parameter is - that Optimization process will then seek out ways in which Changes in flight altitude are avoided as far as possible.

Ein einfaches attraktives Verfahren, um im diskreten Raum die globale Lösung aufzufinden und nicht in ein lokales Minium zu landen, ist das BELLMAN′SCHE Verfahren, welches also bevorzugt im Schritt b) eingesetzt wird.A simple attractive procedure to use in discreet space to find the global solution rather than a local one Landing Minium is the BELLMAN'SCHE procedure is preferably used in step b).

Zur Glättung im Schritt d) wird bevorzugt das Least- Square-Verfahren eingesetzt, wobei man beispielsweise für die gesuchte Bahn einen Fourier-Reihenansatz wählt.For smoothing in step d), the least Square method used, for example for the path searched for uses a Fourier series approach.

Für den Schritt c) wird bevorzugt der NELDER-MEAD oder der POWELL-Algorithmus eingesetzt. Diese Standardverfahren liefern rasch das nächstgelegene Minimum. Aufgrund des im Schritt b) ermittelten Startwertes in der Nähe des globa­ len Minimums (Optimum) ergibt sich als Ergebnis des Schritts c) das gesuchte Optimum.For step c) the NELDER-MEAD or the is preferred POWELL algorithm used. These standard procedures quickly deliver the closest minimum. Due to the im Step b) determined the starting value in the vicinity of the globa len minimum (optimum) is the result of the Step c) the optimum sought.

Der Einfachheit halber kann die Bahn als Funktion darge­ stellt werden. In den Fällen, in denen kompliziertere Bahnen, wie z. B. Mäander-Bahnen in Frage kommen, wird die Bahn bevorzugt in Parameterform dargestellt. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß man in den Schritten b) und/oder c) mehrere wahlweise gewichtete Optimierungsparameter, insbesondere minimale Gefährdung und Schnelligkeit oder minimale Gefährdung und Treib­ stoffverbrauch, berücksichtigt.For the sake of simplicity, the orbit can function as a function be put. In cases where more complicated Webs such as B. Meander tracks come into question, the Path preferably shown in parameter form. According to the invention it is also provided that one in the Steps b) and / or c) several optionally weighted Optimization parameters, in particular minimal risk and speed or minimal danger and drift material consumption, taken into account.

Auch können in den Schritten b) und/oder c) Nebenbedin­ gungen, insbesondere minimales Flughöhenprofil, oder Fliegbarkeitsbedingungen, insbesondere maximale Beschleu­ nigung oder minimaler Flugkurvenradius, berücksichtigt werden. Also in step b) and / or c) secondary condition conditions, in particular minimal flight altitude profile, or Flyability conditions, especially maximum acceleration inclination or minimum flight curve radius will.  

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung an bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:The invention is based on the drawing preferred embodiments explained. It shows:

Fig. 1 in einer Geländedraufsicht eine nach diskreter Optimierungsrechnung ermittelte Flugbahn; Fig. 1 in a ground plan view of a flight path determined by discrete optimization calculation;

Fig. 2 eine Draufsicht entsprechend Fig. 1 mit der Flugbahn gemäß Fig. 1 als Startwert für eine kontinuierliche Optimierungsrechnung mit der sich dann ergebenden optimalen Flugbahn; FIG. 2 shows a top view corresponding to FIG. 1 with the trajectory according to FIG. 1 as a starting value for a continuous optimization calculation with the optimal trajectory that then results;

Fig. 3 eine Geländedraufsicht auf ein Ausführungsbeispiel mit Geländerasterung und Höhenangaben sowie mit drei erfindungsgemäß ermittelten Flugbahnen 1, 2, 3, die jeweils bezüglich unterschiedlicher Optimierungsparame­ ter (sicher oder schnell oder minimaler Treib­ stoffverbrauch) optimal sind; Fig. 3 is a top view of an embodiment with terrain grid and elevation information and with three trajectories 1 , 2 , 3 determined according to the invention, each of which are optimal with respect to different optimization parameters (safe or fast or minimal fuel consumption);

Fig. 4 die Flugbahn 1 in Fig. 3 in Seitenansicht mit Landschafts-Höhenprofil; FIG. 4 shows the trajectory 1 in Fig 3 in side view with landscaping height profile.

Fig. 5 die Flugbahn 2 in Fig. 3 in Seitenansicht mit Landschafts-Höhenprofil;5 shows the trajectory 2 in Fig 3 in side view with landscaping height profile..;

Fig. 6 die Flugbahn 3 in Fig. 3 in Seitenansicht mit Landschafts-Höhenprofil; Fig. 6 the trajectory 3 in Fig 3 in side view with landscaping height profile.

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Labyrinth mit erfindungsgemäß ermittelter Bewegungsbahn; Figure 7 is a plan view of a labyrinth according to the invention determined path of movement.

Fig. 8 eine Draufsicht auf ein Labyrinth entsprechend Fig. 7 mit einer von einem anderen Ausgangspunkt ausgehenden optimalen Bahn und Fig. 8 is a plan view of a labyrinth corresponding to FIG. 7 with an optimal path and starting from another starting point

Fig. 9 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens. Fig. 9 is a flowchart for explaining the optimization method according to the invention.

Bei der Bewegungsbahnoptimierung geht man prinzipiell so vor, daß über alle möglichen Bahnen oder Wege eine Kostenfunktion L, die von der jeweiligen Strategie ab­ hängt, aufsummiert und die sich hieraus ergebenden Ge­ samtkosten dieses Weges mit den Gesamtkosten anderer Wege vergleicht und denjenigen Weg heraussucht, der minimale Gesamtkosten hat. Man weist also jedem Weg eine Zahl, ein sog. Kostenfunktional J, zu:In principle, this is how it works when optimizing the trajectory before that one over all possible tracks or ways Cost function L, which depends on the respective strategy hangs, summed up and the resulting ge total cost of this route with the total cost of other routes compares and looks for the path that is minimal Has total cost. So you assign a number to each path so-called cost functional J, for:

mitWith

Hierbei stehen die Vektoren i, j, und k für die drei kartesischen Koordinatenrichtungen, die Zahlen x, y und z für die jeweiligen kartesischen Komponenten und t für die Zeit. L enthält sowohl die Flugdynamik als auch Eigen­ schaften des Raumes, wie z. B. Hindernisse oder tatsächli­ che oder angenommene Geländeformen. Die Ermittlung des optimalen Wegs ist somit ein Problem der Variationsrech­ nung bzw. Optimierungsrechnung. Durch Variation von J entstehen die EULER-LAGRANGE-Gleichungen. Deren zugehörige partielle Differentialgleichung ist die HAMILTON-JAKOBI- Gleichung, die numerisch gelöst werden kann.The vectors i, j, and k stand for the three Cartesian coordinate directions, the numbers x, y and z for the respective Cartesian components and t for the Time. L contains both flight dynamics and Eigen shafts of the room, such as B. obstacles or actual or assumed terrain. The determination of the optimal way is therefore a problem of variation calculation or optimization calculation. By variation of J the EULER-LAGRANGE equations arise. Their associated partial differential equation is the HAMILTON-JAKOBI- Equation that can be solved numerically.

In der Kostenfunktion L drückt sich aus, welche Strategie der Optimierung zugrundegelegt werden soll, d.h. also bezüglich welches Optimierungsparameters bzw. welcher Optimierungsparameter der zu wählende Weg optimal sein soll. Hierbei kommen reine Strategien, wie Schnelligkeit (minimale Flugzeit), ohne Rücksicht auf andere Gesichts­ punkte, wie z.B. Treibstoffverbrauch, in Frage oder auch Mischstrategien, bei denen mehrere Parameter mit vorgege­ bener Wichtung bei der Optimierung zu berücksichtigen sind, wie beispielsweise Sicherheit und Schnelligkeit oder Sicherheit und Treibstoffverbrauch.The cost function L expresses which strategy the optimization should be based on, i.e. so with regard to which optimization parameter or which Optimization parameters the path to be chosen is optimal should. Here come pure strategies, such as speed (minimal flight time), regardless of other facial points such as Fuel consumption, in question or also Mixing strategies in which several parameters are specified weighting must be taken into account when optimizing  such as security and speed or Security and fuel consumption.

Die Höhe z des Flugkörpers über der Erdoberfläche kann als Maß für die Sicherheit des Flugkörpers gegenüber Fremd­ einwirkung angenommen werden (z soll möglichst klein sein, da möglichst tiefer Flug angestrebt wird).The height z of the missile above the earth's surface can be as Measure of the security of the missile against foreigners influence (z should be as small as possible, because the aim is to fly as low as possible).

Eine Kostenfunktion, die sowohl die Flugdauer berücksich­ tigt als auch die so definierte Sicherheit, hat die folgende Form:A cost function that takes both flight time into account as well as the security defined in this way following form:

Die erste Klammer mit den quadrierten Geschwindigkeits­ komponenten ist ein Maß für die Flugzeit; die zweite Klammer ist ein Maß für die Sicherheit, wobei der Parame­ ter R das Verhältnis von Schnelligkeit zu Sicherheit bei der Optimierung regelt. Für R gegen unendlich ergibt sich beispielsweise der Grenzfall der Flugdauerminimierung.The first bracket with the squared speed component is a measure of flight time; the second Parenthesis is a measure of security, being the Parame ter R the ratio of speed to safety the optimization regulates. For R against infinity we get for example, the limit case of flight duration minimization.

Das Variationsproblem muß unter folgenden Nebenbedingungen gelöst werden:The variation problem must be under the following constraints be solved:

z(t) V(x(t),y(t)). (4)z (t) V (x (t), y (t)). (4)

V (x(t),y(t)) ist die Höhe der effektiven Landschaft, die sich aus folgenden Anteilen zusammensetzen kann:V (x (t), y (t)) is the height of the effective landscape can consist of the following parts:

Gefährdungsgebiete werden also dadurch berücksichtigt, daß diese hohe effektive V-Werte erhalten, wie z.B. Wasserge­ biete und Berggipfel, wohingegen Gebiete mit guten Dec­ kungsmöglichkeiten niedrige V-Werte erhalten. Durch die Überlagerung der verschiedenen Landschaftsanteile Vi "sieht" der Flugkörper bzw. berücksichtigt die Optimie­ rungsrechnung ein Gelände, das stark vom natürlichen Terrain abweichen kann und deshalb als effektive Land­ schaft bezeichnet wird.Hazardous areas are therefore taken into account in that receive high effective V-values, e.g. Wasserge offer and mountain peaks, whereas areas with good Dec low V-values. Through the Overlay of the different parts of the landscape Vi  The missile "sees" or takes into account the optimization an area that is strongly influenced by natural Terrain can vary and therefore as an effective country shaft is called.

Gilt das Gleichheitszeichen in der Gleichung 4, dann ist z(t) vorgegeben (holonome Zwangsbedingung für das Varia­ tionsproblem) und kann daher aus L1 eliminiert werden. Die 3-dimensionale Bewegung beschränkt sich also auf eine vorgegebene (im allgemeinen 3-dimensionale) Fläche mit den beiden Freiheitsgraden x und y. Dieser Fall trifft beispielsweise auf ein Roboter-Fahrzeug zu und näherungs­ weise auch für Flugkörper, soweit es seine Flugeigen­ schaften gestatten, dem Gelände bzw. der effektiven Landschaft exakt zu folgen. Im allgemeinen ist der Flug­ körper hierzu nicht in der Lage, so daß die holonome Zwangsbedingung gelockert werden muß und z(t) in Gleichung 4 auch größer als V sein kann. Um jedoch die Abweichung von der vorgegebenen effektiven Landschaft bei der Bahn­ optimierung möglichst gering halten zu können, wird eine zur Kostenfunktion L1 hinzukommende, als Straffunktion bezeichnete Funktion L2 der folgenden Form eingeführt:If the equals sign in equation 4 applies, then z (t) is given (holonomic constraint for the variation problem) and can therefore be eliminated from L 1 . The 3-dimensional movement is therefore limited to a predetermined (generally 3-dimensional) surface with the two degrees of freedom x and y. This case applies to a robot vehicle, for example, and also approximately for missiles, insofar as its flight characteristics allow it to follow the terrain or the effective landscape exactly. In general, the flying body is not able to do this, so that the holonomic constraint must be relaxed and z (t) in Equation 4 can also be greater than V. However, in order to be able to keep the deviation from the specified effective landscape as low as possible when optimizing the path, a function L 2 of the following form, which is referred to as a penalty function and is added to the cost function L 1 , is introduced:

L₂ = K₁ · [z(t) - V(x(t),y(t))]² · R(V(x(t),y(t)) - z(t)]. (6)L₂ = K₁ · [z (t) - V (x (t), y (t))] ² · R (V (x (t), y (t)) - z (t)]. (6)

R ist die Stufenfunktion, die immer dann 1 ist, wenn z(t) unterhalb von V liegt (sonst 0); damit wird in Abhängig­ keit vom freiwählbaren Parameter K1 (K1 wesentlich größer als 0) ein Abweichen von der effektiven Landschaft "be­ straft".R is the step function, which is 1 whenever z (t) is below V (otherwise 0); thus, depending on the freely selectable parameter K 1 (K 1 significantly greater than 0), a deviation from the effective landscape is "punished".

Eine weitere Nebenbedingung kann darin bestehen, daß die maximale Beschleunigung in Z-Richtung auf einen vorgebba­ ren maximalen Wert az beschränkt wird:Another constraint can be that the maximum acceleration in the Z direction is limited to a predeterminable maximum value a z :

| (t) | az. (7)| (t) | a z . (7)

Desgleichen kann auch der Grad der Richtungsänderung (Krümmung) der Flugbahn in der Fläche V (x, y) auf einen Wert ax,y beschränkt werden:Likewise, the degree of change of direction (curvature) of the trajectory in the area V (x, y) can be limited to a value a x, y :

[((t))² + ((t))²]1/2 axy. (8)[((t)) 2 + ((t)) 2] 1/2 a xy . (8th)

Diese Nebenbedingungen können durch Zuordnung von weiteren Straffunktionen (wie L2) berücksichtigt werden und/oder bei der nachfolgenden kontinuierlichen Optimierungsrech­ nung als Nebenbedingung für die zu errechnende Bahnkurve eingeführt werden. Eine weitere derartige Nebenbedingung ist bspw. die MaximalgeschwindigkeitThese additional conditions can be taken into account by assigning further penalty functions (such as L 2 ) and / or introduced in the subsequent continuous optimization calculation as an additional condition for the path curve to be calculated. Another such secondary condition is, for example, the maximum speed

Umax ² + ² + ² U²max. (8a)U max ² + ² + ² U² max . (8a)

Sind die Abweichungen in z(t) von V klein, dann entkoppelt das Variationsproblem in erster Näherung in eine Wegsuche auf der Fläche V mit den Variablen x,y und unabhängig davon in eine Suche nach der Vertikalkomponente z(t) über dem Weg x(t), y(t), was als "Terrain following" bezeichnet werden kann.If the deviations in z (t) from V are small, then they are decoupled the variation problem in a first approximation in a path search on the surface V with the variables x, y and independent of which in a search for the vertical component z (t) the path x (t), y (t), which is called "terrain following" can be.

In der Näherung z(t) = V(x(t),y(t)) und im Grenzfall R→∞ reduziert sich das Problem auf die Suche nach den geodä­ tischen Linien, also den kürzesten Verbindungslinien auf der (nichteuklidischen) Fläche V. Bei konstanter Ge­ schwindigkeit des Flugkörpers ergeben die Geodäten die optimalen Wege bezüglich der Flugdauer. Im Falle großer aber endlicher Werte von R kann von der allgemeinen Parameterdarstellung x(t), y(t) zu der einfacheren Funkti­ onsdarstellung y(x) übergegangen werden, die jedoch Eindeutigkeit fordert, so daß Mäanderschleifen ausge­ schlossen sind.In the approximation z (t) = V (x (t), y (t)) and in the borderline case R → ∞ the problem is reduced to the search for the geodesic table lines, i.e. the shortest connecting lines of the (non-Euclidean) area V. At constant Ge speed of the missile results in the geodesics optimal ways in terms of flight duration. In the case of large ones but finite values of R can differ from the general Parameter representation x (t), y (t) for the simpler function representation y (x) can be passed over, however Uniqueness demands, so that meandering loops out are closed.

Zur Berücksichtigung des Treibstoffverbrauchs kann ein weiterer Kostenfunktionsbeitrag LV eingeführt werden gemäß folgender Gleichung:To take fuel consumption into account, a further cost function contribution L V can be introduced according to the following equation:

Hierbei ist mit dJ der infinitesimale Energieverbrauch entlang eines infinitesimalen Wegstücks ds bzw. dx be­ zeichnet, bestehend aus einem Reibungstherm und einem Therm, der immer dann von Null verschieden ist, wenn der Flugkörper ansteigen muß:Here is the infinitesimal energy consumption with dJ along an infinitesimal path ds or dx be draws, consisting of a friction thermal and a Therm, which is different from zero whenever the Missile must rise:

Hierbei ist mit m die Masse, mit Q die Querschnittsfläche des Flugkörpers, mit u seine Geschwindigkeit, mit o die Luftdichte, mit g die Gravitationskonstante und mit cw der Widerstandsbeiwert bezeichnet.Here m is the mass, Q the cross-sectional area of the missile, u its velocity, o the air density, g the gravitational constant and c w the drag coefficient.

An Hand von Fig. 9 wird im folgenden die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei der Bahnoptimierung erläutert.The procedure according to the invention for path optimization is explained below with reference to FIG. 9.

Als erstes wird das zutreffende, den Start- und Zielpunkt aufweisende Gelände ausgewählt (Block 10 in Fig. 9).First, the appropriate terrain that has the starting and finishing point is selected (block 10 in FIG. 9).

Als nächstes werden in einem Block 12 Gefahrenzonen ermittelt, insbesondere Bereiche geringer Deckung wie Wasserflächen und Berggipfel, und dementsprechend künst­ liche Geländeerhöhungen oder Geländehindernisse einge­ speichert. Diese Hindernisse wirken sich über die Glei­ chung 4 auf die Kostenfunktion L1 gemäß Gleichung 3 aus, so daß im Ergebnis die Gefahrenzonen in die Kostenfunkti­ onen eingehen und folglich in der Optimierungsrechnung entsprechend berücksichtigt werden. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, in welchen Block 12 übersprungen werden kann, da mit dem natürlichen Gelände gerechnet werden kann (unterbrochene Verbindungslinie zwischen Block 10 und dem auf Block 12 folgenden Block 14).Next, 12 danger zones are determined in a block, in particular areas of low coverage such as water surfaces and mountain peaks, and accordingly artificial terrain elevations or terrain obstacles are stored. These obstacles affect the equation 4 on the cost function L 1 according to equation 3, so that the danger zones are included in the cost functions and are accordingly taken into account in the optimization calculation. However, there are also conceivable cases in which block 12 can be skipped, since natural terrain can be expected (broken connecting line between block 10 and block 14 following block 12 ).

Im Block 14 wird festgelegt, welche der möglichen Strate­ gien S1, S2 usw. der Optimierungsrechnung zugrunde gelegt werden soll, ob beispielsweise eine möglichst sichere Flugbahn (Fig. 4), eine möglichst schnelle Flugbahn (Fig. 5) oder eine Flugbahn mit minimalem Treibstoffverbrauch (Fig. 6) ermittelt werden soll. Es sind hierbei auch Mischstrategien möglich, wie beispielsweise "möglichst schnell und sicher" (Gleichung 3).In block 14 it is determined which of the possible strategies S 1 , S 2 etc. should be used as the basis for the optimization calculation, for example whether the flight path is as safe as possible ( FIG. 4), the fastest possible flight path ( FIG. 5) or a flight path minimal fuel consumption ( Fig. 6) is to be determined. Mixed strategies are also possible, such as "as quickly and safely as possible" (Equation 3).

Es wird dann die der jeweiligen Strategie zugeordnete Kostenfunktion der Optimierungsrechnung zugrundegelegt.It then becomes the one assigned to the respective strategy Cost function based on the optimization calculation.

Je nach dem, ob relativ einfache oder mäanderartige Bahnen zu erwarten sind, wird auf den Block 14 folgend entweder eine diskrete Wegsuche in Funktionsdarstellung (Block 16) (im Falle einfacher Bahnen) oder eine diskrete Wegsuche in Parameterdarstellung (Block 18) vorgenommen.Depending on whether relatively simple or meandering lanes are to be expected, block 14 is followed either by a discrete route search in functional representation (block 16 ) (in the case of simple lanes) or a discrete route search in parameter representation (block 18 ).

Die Kostenfunktion L1 im Falle der Funktionsdarstellung y(x) hat die folgende Form:The cost function L 1 in the case of the functional representation y (x) has the following form:

mitWith

Bei der Optimierungsrechnung wird generell das eingangs definierte Kostenfunktional J minimiert, wobei der als existent vorausgesetzte Minimalwert im folgenden mit S bezeichnet wird. Im Fall der Funktionsdarstellung giltThis is generally mentioned at the beginning of the optimization calculation Defined cost functional J minimized, the as existent minimum value in the following with S referred to as. The following applies in the case of the functional representation

Für den Minimalfall J=S ist auch der 1. Summand auf der rechten Gleichungsseite wegen der Optimalität der Teilwege ein Minimum. Für kleine Δx kann man daher folgende Rekursionsformel ableiten:For the minimal case J = S, the 1st summand is also on the right side of the equation because of the optimality of the partial routes a minimum. For small Δx one can therefore do the following Derive recursion formula:

Dies ist die diskrete Form der HAMILTON-JAKOBI-Gleichung. Sie wird iterativ gelöst (BELLMAN′SCHES Verfahren in Bellmann, R.: Dynamic Programming, New York, Priceton University Press 1957), in dem man in einem Iterations­ schritt mehrere Steigungen y′(x1) ausprobiert. Dabei ist sichergestellt, daß man innerhalb des diskreten Raums die globale Lösung erhält (wahres Minimum) und nicht in einem lokalen Minimum landet. Durch die Wahl der y′(x1) wird ein diskretes 2-dimensionales Gitter aufgespannt. Die Rechen­ zeit ist proportional zur Anzahl der Gitterpunkte n.This is the discrete form of the HAMILTON-JAKOBI equation. It is solved iteratively (BELLMAN'SCHES method in Bellmann, R .: Dynamic Programming, New York, Priceton University Press 1957), in which one slope iterations y '(x 1 ) tried out. This ensures that the global solution is obtained within the discrete space (true minimum) and does not end up in a local minimum. By choosing the y ′ (x 1 ) a discrete 2-dimensional grid is spanned. The computing time is proportional to the number of grid points n.

Für die Parameterdarstellung (x(t), y(t)) ist der Suchraum ein 3-dimensionales Gitter mit Rechenzeit proportional n3/2.For the parameter representation (x (t), y (t)) the search space is a 3-dimensional grid with computing time proportional to n 3/2 .

Dasselbe Verfahren wird auch mit L2 für die z-Komponente durchgeführt, wobei die Nebenbedingung (Gleichung 7) schon bei der Wahl der verschiedenen Richtungen y′(x1) berück­ sichtigt wird.The same procedure is also carried out with L 2 for the z component, the secondary condition (equation 7) being taken into account when selecting the different directions y ′ (x 1 ).

In Fig. 1 ist für den Fall der Funktionsdarstellung die Verfahrensweise vereinfacht dargestellt. Geht man bei­ spielsweise vom Zielpunkt A aus, so werden beispielsweise sechs verschiedene Steigungen y′ (z. B. minus 60°, minus 30°, 0°, plus 30°, plus 60°) festgelegt sowie eine Itera­ tionsschrittweite Δx. Durch entsprechende orthogonale Transformation ist das x,y-Koordinatensystem des Geländes derart gedreht, daß Start und Ziel auf der X-Achse liegen. Ausgehend beispielsweise vom Zielpunkt A wird dann in das Gebiet zwischen Ziel und Start eine Reihe von zur Y-Rich­ tung parallelen Ebenen E1 gelegt, jeweils im Abstand Δx.In FIG. 1, the procedure is shown in simplified form for the case of the functional representation. If one starts from target point A, for example, six different gradients y '(e.g. minus 60 °, minus 30 °, 0 °, plus 30 °, plus 60 °) and an iteration step size Δx. The x, y coordinate system of the terrain is rotated by a corresponding orthogonal transformation such that the start and finish lie on the X axis. Starting, for example, from target point A, a series of planes E 1 parallel to the Y direction is then placed in the area between target and start, each at a distance Δx.

Vom Zielpunkt A werden den vorgebenen fünf Steigungen entsprechende Geraden in die Fläche gelegt und deren Schnittpunkte P11, P12, P13, P14 und P15 mit der nächst­ folgenden Ebene E1 ermittelt. Für jeden dieser Punkte wird das Funktional J bzw. dessen Minimum S ermittelt. Für die Punkte in der ersten Ebene E1 ist die Lösung trivial, da hier stets die unmittelbare Verbindung zwischen dem betreffenden Punkt und dem vorangegangenen Zielpunkt A der optimale Weg ist.From the target point A, the straight lines corresponding to the given five slopes are placed in the surface and their intersections P 11 , P 12 , P 13 , P 14 and P 15 are determined with the next following plane E 1 . The functional J or its minimum S is determined for each of these points. For the points in the first level E 1 , the solution is trivial, since here the direct connection between the point in question and the previous target point A is always the optimal route.

Anders ist dies in den Punkten der weiteren Ebenen, z. B. in den Punkten P21 bis P29 der nächstfolgenden Ebene E2. Diese Punkte ergeben sich wiederum dadurch, daß in jedem der Punkte P11 bis P15 der Ebene E1 die fünf Geraden mit den vorgegebenen Steigungen gelegt werden und die Schnittpunkte dieser Geraden mit der Ebene E2 festgestellt werden. Bei der Ermittlung des Minimalwerts S für jeden der Punkte P21 bis P29 der Ebene E2, beispielsweise für den Punkt P24 geht man gemäß Gleichung 14 so vor, daß man von diesem Punkt P24 zu den Punkten P11 bis P15 der Ebene E1 Verbindungsstrecken a1, a2, a3, a4 und a5 zieht und für jede dieser Strecken den Streckenanteil am Kostenfunktio­ nal J berechnet, also L(x, y, y′) · Δx. Addiert man zu diesem den Wert von S des entsprechenden Punktes in der Ebene E1, so ergibt sich hieraus das Kostenfunktional J für den Weg von P24 über den betreffenden Punkt der Ebene E1 zum Zielpunkt A. Es ist nun ein leichtes, durch Ver­ gleich der verschiedenen Kostenfunktionale J für die jeweils über einen der Punkte P11 bis P15 der Ebene E1 laufenden Bahnen zwischen dem Punkt P24 und dem Zielpunkt A das Minimum S zu ermitteln. In entsprechender Weise werden die Werte S für die anderen Punkte der Ebene E2 sowie für die restlichen Ebenen zwischen Ziel und Start ermittelt.This is different in the points of the other levels, e.g. B. in points P 21 to P 29 of the next level E 2 . These points in turn result from the fact that in each of the points P 11 to P 15 of the plane E 1 the five straight lines are laid with the predetermined slopes and the intersection points of these straight lines with the plane E 2 are determined. When determining the minimum value S for each of the points P 21 to P 29 of the plane E 2 , for example for the point P 24 , one proceeds according to equation 14 in such a way that from this point P 24 to the points P 11 to P 15 the Level E 1 connects routes a 1 , a 2 , a 3 , a 4 and a 5 and calculates the route share of the cost function J for each of these routes, i.e. L (x, y, y ′) · Δx. If one adds to this the value of S of the corresponding point in level E 1 , this results in the cost functional J for the path from P 24 via the relevant point in level E 1 to the target point A. It is now an easy, by ver to determine the minimum S equal to the different cost functionals J for the tracks running between one of the points P 11 to P 15 of the level E 1 between the point P 24 and the target point A. The values S for the other points of level E 2 and for the remaining levels between the destination and the start are determined in a corresponding manner.

Im Ergebnis sind also für sämtliche Netz- oder Gitter­ punkte zwischen Ziel A und Start B die Minimalwerte S bekannt sowie der dem jeweiligen Minimalwert zugeordnete optimale Weg zwischen dem jeweiligen Punkt und dem Ziel A. Sobald dieses Verfahren zum Startpunkt B gelangt ist, liegt das gewünschte Ergebnis vor, nämlich der diesem Punkt zugeordnete Minimalwert S samt zugehöriger optimaler Bahn.The result is for all meshes or grids points between goal A and start B the minimum values S known and the one assigned to the respective minimum value optimal path between the respective point and the destination A. As soon as this procedure has reached the starting point B, there is the desired result, namely this  Minimum value S assigned to the point together with the associated optimal value Train.

Je nach verwendeter Strategie erhält man unterschiedliche optimale Bahnen. In Fig. 1 ist mit einer Doppellinie eine Bahn 30 angedeutet, die sich dann ergibt, wenn Geländeer­ hebungen (Bereich D) gemieden werden sollen (Strategie: sicher). Wenn es dagegen auf minimalen Treibstoffverbrauch ankommt, so daß die Weglänge gering gehalten werden muß, so ergibt die Optimierungsrechnung beispielsweise eine Bahn 32, die teilweise in den erhöhten Bereich D ein­ dringt, der in Fig. 1 durch zwei Höhenschichtlinien 20 und 22 angedeutet ist.Depending on the strategy used, different optimal courses are obtained. In Fig. 1, a path 30 is indicated with a double line, which results when terrain elevations (area D) are to be avoided (strategy: safe). If, on the other hand, minimal fuel consumption is important, so that the path length must be kept short, the optimization calculation yields, for example, a path 32 which partially penetrates into the elevated region D, which is indicated in FIG. 1 by two height lines 20 and 22 .

Gemäß Fig. 9 wird in einem folgenden Block 40 eine Glät­ tung des ermittelten, einem Polygonzug entsprechenden Weges vorgenommen, wozu bevorzugt eine Ausgleichsrechnung mit Fourier-Reihenansatz durchgeführt wird. Für die geglättete Funktion (x) gilt folgende Bedingung:According to FIG. 9, a smoothing of the determined path corresponding to a polyline is carried out in a following block 40 , for which purpose a compensation calculation using a Fourier series approach is preferably carried out. The following condition applies to the smoothed function (x):

(x) stellt ein vollständiges System dar, welches jede Funktion beliebig genau approximiert. a bezeichnet die Fourierkomponenten. x0 und x1 bezeichnen die x-Koordinaten von Start und Ziel. Der Summationsindex k läuft zwischen 1 und dem Grenzwert N. Dieser wird vorzugsweise gleich 7 gewählt, um zu starke Krümmungen der Bahnkurve auszu­ schließen und damit die entsprechende Nebenbedingung zu erfüllen. Durch Erweiterung dieses Ansatzes können auch vorgegebene Steigungen in Start und Ziel berücksichtigt werden.(x) represents a complete system, which approximates each function as precisely as desired. a denotes the Fourier components. x 0 and x 1 denote the x coordinates of the start and finish. The summation index k runs between 1 and the limit value N. This is preferably chosen equal to 7 in order to exclude curvatures of the trajectory that are too strong and thus to meet the corresponding secondary condition. By expanding this approach, predetermined gradients in the start and finish can also be taken into account.

In Fig. 2 ist mit unterbrochener Linie der Polygonzug der Bahn 30 gemäß Fig. 1 wiedergegeben und mit durchgezogener Linie diese Bahn 30′ nach entsprechender Glättung. In Fig. 2 is the broken line of the polygon of the web 30 shown in FIG. 1 and with a solid line this web 30 'after appropriate smoothing.

Unter Verwendung dieser Bahn wird dann in einem Block 42 das durch diese Bahn definierte Höhenprofil ermittelt und eine diskrete Flugwegberechnung längs dieses Profils zur Ermittlung der z-Komponente der Bewegungsbahn durchge­ führt.Using this trajectory, the height profile defined by this trajectory is then determined in a block 42 and a discrete flight path calculation is carried out along this profile to determine the z component of the trajectory.

Mit y(x), eingesetzt in die Kostenfunktion L, erhält man nach Ausintegration eine multidimensionale Funktion I mit N Variablen ak, die als die RITZ′schen Parameter bezeich­ net werden:With y (x), inserted in the cost function L, one obtains, after integration, a multidimensional function I with N variables a k , which are called the RITZ parameters:

I(a₁,a₂, . . .,aN) = ∫ L((x),(x)′,x) dx. (16)I (a₁, a₂,..., A N ) = ∫ L ((x), (x) ′, x) dx. (16)

Die Aufgabe besteht nun in der Minimierung der Funktion I, wobei Standardverfahren angewandt werden, vorzugsweise der NELDER-MEAD-Algorithmus (Nelder, J.A. and Mead, R. in Computer Journal, Vol. 7, 308 (1965)) oder der POWELL-Al­ gorithmus (Brent, R.R.: "Algorithms for Minimization without derivations", Erylewood Cliffs, Prentice Hall). Dieser Rechnungsschritt ist in Fig. 9 durch den Block 44 versinnbildlicht.The task now is to minimize function I, using standard methods, preferably the NELDER-MEAD algorithm (Nelder, JA and Mead, R. in Computer Journal, Vol. 7, 308 (1965)) or the POWELL-Al algorithm (Brent, RR: "Algorithms for Minimization without derivations", Erylewood Cliffs, Prentice Hall). This calculation step is symbolized by block 44 in FIG. 9.

Als Ergebnis erhält man den optimalen Weg entweder in Funktionsdarstellung (Block 46) oder in Funktionsdar­ stellung (Block 68).As a result, the optimal path is obtained either in the functional representation (block 46 ) or in the functional representation (block 68 ).

Da die diskrete Wegsuche entsprechend Block 16 oder 18 eine Lösung im diskreten Suchraum liefert, die in aller Regel, so auch bei Flugwegproblemen, im Einzugsbereich des globalen Minimums im kontinuierlichen Raum liegt, erhält man nach Durchführung der kontinuierlichen Optimierungs­ rechnung eine im Globalminimum liegende Lösung. Eine direkte Anwendung der kontinuierlichen Optimierungs­ rechnung würde in aller Regel zu einem lokalen Minimum führen, welches mehr oder weniger weit vom Optimum ent­ fernt ist. Auch kann im Block 44 die z-Komponente unmittelbar miteinbezogen werden, unter Aufgabe der bisherigen Entkopplung.Since the discrete route search in accordance with block 16 or 18 provides a solution in the discrete search area, which, as a rule, including in the case of flight path problems, is in the catchment area of the global minimum in continuous space, a solution that is in the global minimum is obtained after the continuous optimization calculation has been carried out. A direct application of the continuous optimization calculation would generally lead to a local minimum, which is more or less far from the optimum. The z component can also be included directly in block 44 , giving up the previous decoupling.

In Fig. 2 ist als Ergebnis der kontinuierlichen Optimie­ rungsrechnung die erhaltene Bahn 30′′ mit einer Strich- Punkt-Punkt-Linie angedeutet.In Fig. 2 is obtained as a result of the continuous optimization calculation path 30 '' with a dash-dot-dot line.

In den Fig. 3 bis 6 ist ein weiteres Ausführungs­ beispiel dargestellt. Man erkennt in Fig. 3 ein mit Höhenrasterung versehenes Gebiet mit Startpunkt B und Ziel A am unteren bzw. oberen Bildrand. Einigen Rasterstufen sind in Fig. 3 Höhenangaben zugeordnet.In the Figs. 3 to 6, a further execution is illustrated, for example. It can be seen in FIG. 3 provided with a Höhenrasterung area with the starting point B and target A at the bottom and top of the screen. Some grid levels are assigned height information in FIG. 3.

Mit der Strategie möglichst großer Sicherheit (d. h. Vermeiden von Erhebungen auch unter Inkaufnahme von Umwegen) wurde die Flugbahn 1 ermittelt.The trajectory 1 was determined with the strategy of the greatest possible security (ie avoiding surveys even when taking detours).

Die Flugbahn 2 folgt im wesentlichen einer geodätischen, da es hier um möglichst kurze Flugdauer geht.The trajectory 2 essentially follows a geodetic one, since the flight duration is as short as possible.

Die Flugbahn 3 minimiert den Treibstoffverbrauch, d. h. versucht möglichst wenig anzusteigen und dabei möglichst kurz zu sein.The trajectory 3 minimizes fuel consumption, ie tries to climb as little as possible and to be as short as possible.

Fig. 7 zeigt ein Labyrinth. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert selbst bei derart komplizierter Situation einen brauchbaren Weg zwischen Zielpunkt A und Startpunkt B. Liegt der Startpunkt B an anderer Stelle, so ergibt sich unter Umständen ein anderer optimaler Weg, wie Fig. 8 zeigt. In beiden Fällen wird die Berechnung in Parameter­ darstellung des gesuchten Weges durchgeführt. Fig. 7 shows a labyrinth. Even in such a complicated situation, the method according to the invention provides a usable path between target point A and starting point B. If starting point B is at a different location, another optimal path may result, as shown in FIG. 8. In both cases, the calculation is carried out in the parameter representation of the route sought.

Die Blöcke 14,16 und 18 können als abgeschlossene Rechen­ operationen einer ersten Recheneinheit 50 zugeordnet werden und dementsprechend der Block 44 einer zweiten Recheneinheit 52, der Block 40 einer dritten Recheneinheit 54 und der Block 42 einer vierten Recheneinheit 56 (in Fig. 9 mit unterbrochenen Umrißlinien angedeutet).Blocks 14, 16 and 18 can be assigned as completed arithmetic operations to a first arithmetic unit 50 and, accordingly, block 44 to a second arithmetic unit 52 , block 40 to a third arithmetic unit 54 and block 42 to a fourth arithmetic unit 56 (interrupted in FIG. 9) Outlines indicated).

Die in Zusammenhang mit der Gleichung 14 angesprochene iterative Lösung der HAMILTON-JAKOBI-Gleichung ermöglicht erfindungsgemäß eine Parallelisierung bei der Rechnungs­ durchführung, d. h. mehrere Rechenschritte können, unab­ hängig voneinander, gleichzeitig durchgeführt werden. Dementsprechend reduziert sich der Rechenzeitbedarf. Es können Parallel-Rechner eingesetzt werden, die zumeist eine Vielzahl von Prozessoren aufweisen, zur gleichzei­ tigen Durchführung der Rechnungen.The one addressed in relation to Equation 14 iterative solution of the HAMILTON-JAKOBI equation according to the invention a parallelization in the calculation implementation, d. H. several arithmetic steps can be dependent on each other, can be performed simultaneously. The computing time requirement is reduced accordingly. It parallel computers can be used, mostly have a variety of processors, at the same time performing the calculations.

Die Parallelisierung ist deshalb möglich, weil, im Falle der Funktionsdarstellung, bei der Berechnung des Minimal­ werts S in einem Punkt lediglich diejenigen Kostenfunk­ tionale bekannt sein müssen, die in der vorangegangenen Ebene E liegen und die von dem momentan zu berechnenden Punkt aus erreichbar sind (begrenzter Steigungsbereich).The parallelization is possible because, in the case the functional representation, when calculating the minimum value S in one point only those cost radio tionale must be known in the previous Level E and that of the one currently to be calculated Can be reached from there (limited incline range).

Wählt man die Parameterdarstellung, so ergibt sich in entsprechender Weise, daß man für die Berechnung im Zeitschritt i in einem Gitterknoten (x (t = i), y (t = i)) nur die Informationen der in Frage kommenden Nachbarknoten zum vorangegangenen Zeitschritt t = i-1 benötigt.If you choose the parameter representation, you get in correspondingly that one for the calculation in Time step i in a grid node (x (t = i), y (t = i)) only the information of the neighboring nodes in question required for the previous time step t = i-1.

Man kann mehrere Knoten zu einem Verband für einen Pro­ zessor zusammenfassen, um den Kommunikationsaufwand zwischen den Prozessoren zu beeinflussen. Auch kann jeder Prozessor mit einem lokalen Speicher versehen sein.One can tie multiple knots into a bandage for a pro processor summarize the communication effort between processors. Everyone can too Processor with local memory.

Insgesamt ergibt sich eine drastische Reduzierung der Rechenzeit, die im Falle der Parameterdarstellung bei sequenzieller Rechnung proportional zu n2/3 ist und bei paralleler Verarbeitung auf die Größenordnung reduziert wird.Overall, there is a drastic reduction in computing time, which is proportional to n 2/3 in the case of parameter display with sequential calculation and is reduced to the order of magnitude in parallel processing.

Claims (13)

1. Bewegungsbahnrechner zur Bewegungsbahnoptimierung, insbesondere für Flugkörper, umfassend
  • - eine erste Recheneinheit (50), in welche Start­ punkt und Zielpunkt sowie Informationen, insbe­ sondere topographische Informationen, über das zwischen Startpunkt und Zielpunkt liegende Gebiet sowie mindestens ein Optimierungsparame­ ter eingebbar sind und welche in das Gebiet eine Reihe diskreter Stützstellen legt und diejenigen Bahnen unter den möglichen, in Start- und Zielpunkt endenden, über die Stützstellen laufenden Bahnen ermittelt, die hinsichtlich des Optimierungsparameters optimal ist,
  • - eine zweite Recheneinheit (52), die die von der ersten Recheneinheit (50) ermittelte optimale Bahn als Startwert in einem kontinuierlichen Optimierungsverfahren einsetzt und mit diesem Verfahren eine verbesserte optimale Bahn ermit­ telt.
1. Trajectory computer for trajectory optimization, in particular for missiles, comprising
  • - A first arithmetic unit ( 50 ), in which the starting point and destination as well as information, in particular special topographical information, about the area between the starting point and the destination and at least one optimization parameter can be entered and which places a number of discrete support points in the area and those tracks determined from the possible orbits that end in the start and destination points and run over the support points, which is optimal with regard to the optimization parameter,
  • - A second arithmetic unit ( 52 ) that uses the optimal path determined by the first arithmetic unit ( 50 ) as a starting value in a continuous optimization process and with this method determines an improved optimal path.
2. Bewegungsbahnrechner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dritte Recheneinheit (40), die die von der ersten Recheneinheit (50) ermittelte, einem Polygon­ zug entsprechende optimale Bahn glättet und an­ schließend der zweiten Recheneinheit (52) als Start­ wert zuführt.2. trajectory computer according to claim 1, characterized by a third computing unit ( 40 ), which smoothes the determined from the first computing unit ( 50 ), a polygon corresponding optimal trajectory and then supplies the second computing unit ( 52 ) as a start value. 3. Bewegungsbahnrechner nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Recheneinheit (50) einen Parallel-Rechner umfaßt.3. trajectory computer according to claim 1, characterized in that the first computing unit ( 50 ) comprises a parallel computer. 4. Verfahren zur Bewegungsbahnplanung, insbesondere für Flugkörper, mit folgenden Schritten:
  • a) Diskretisieren eines Gebietes zwischen Start­ punkt und Zielpunkt durch Festlegen einer Reihe von Stützstellen;
  • b) Ermitteln der hinsichtlich eines vorgegebenen Optimierungsparameters optimalen Bahn unter den möglichen, im Start- und Zielpunkt endenden, über die Stützstellen laufenden Bahnen;
  • c) kontinuierliche Optimierungsrechnung mit der optimalen Bahn Schritt b) als Startwert.
4. Procedure for planning the trajectory, in particular for missiles, with the following steps:
  • a) discretize an area between the starting point and the destination by defining a number of support points;
  • b) determining the path which is optimal with regard to a predetermined optimization parameter, among the possible paths which end in the start and destination and run over the support points;
  • c) continuous optimization calculation with the optimal path step b) as a starting value.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schritt d) zwischen Schritt b) und c) vorgese­ hen ist, in welchem die gemäß Schritt b) ermittelte, einem Polygonzug entsprechende optimale Bahn geglät­ tet wird, und die dann als Startwert für Schritt c) genommen wird.5. The method according to claim 4, characterized in that a step d) between step b) and c) vorese hen is, in which the determined according to step b), optimal path smoothed according to a polyline tet, and then as the starting value for step c) is taken. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das den Schritten b) und c) zugrunde­ liegende Gebiet zwischen Start und Ziel in einem vorangegangenen Schritt f) künstlich modelliert wird mit entsprechend einem Optimierungsparameter, insbe­ sondere der minimaler Gefährdung, festgelegten Geländeüberhöhungen oder künstlichen Hindernissen, ggf. in Gefahrenzonen.6. The method according to claim 4 or 5, characterized records that this is the basis of steps b) and c) area between start and finish in one previous step f) is artificially modeled with a corresponding optimization parameter, esp in particular the minimum risk Excessive terrain or artificial obstacles, possibly in danger zones. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schritt b) paralleli­ siert.7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized characterized in that step b) paralleli siert. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt b) das Bellman′­ sche Verfahren einsetzt.8. The method according to any one of claims 4 to 7, characterized characterized in that in step b) the Bellman ′ uses procedures. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt d) das Least- Square-Verfahren einsetzt. 9. The method according to any one of claims 4 to 8, characterized characterized in that in step d) the least Square method is used.   10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt c) einen diskreten Minimumsuch-Algorithmus, vorzugsweise den Nelder- Mead-Algorithmus oder den Powell-Algorithmus, ein­ setzt.10. The method according to any one of claims 4 to 9, characterized characterized in that in step c) a discrete Minimum search algorithm, preferably the Nelder Mead algorithm or the Powell algorithm puts. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt b) die Bahn als Funktion oder in Parameterform darstellt.11. The method according to any one of claims 4 to 10, characterized characterized in that in step b) the web as Represents function or in parameter form. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man in den Schritten b) und/oder c) wenigstens einen wahlweise gewichteten Optimie­ rungsparameter, insbesondere minimale Gefährdung und Schnelligkeit oder minimale Gefährdung und Treib­ stoffverbrauch, berücksichtigt.12. The method according to any one of claims 4 to 11, characterized characterized in that in steps b) and / or c) at least one optionally weighted optimization risk parameters, in particular minimal risk and Speed or minimal danger and drift material consumption, taken into account. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-12, dadurch gekennzeichnet, daß man in den Schritten b) und/oder c) Nebenbedingungen, insbesondere minimales Flughö­ henprofil (z v) oder Flugbarkeitsbedingungen, insbesondere maximale Beschleunigung (| (t) | az) oder minimaler Flugkurvenradius, berücksichtigt.13. The method according to any one of claims 4-12, characterized in that in steps b) and / or c) secondary conditions, in particular minimum flight height profile (zv) or flight conditions, in particular maximum acceleration (| (t) | a z ) or minimum flight curve radius.
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