DE3927851A1

DE3927851A1 - System fuer die bestimmung der raeumlichen position eines sich bewegenden objekts und zum fuehren seiner bewegung

Info

Publication number: DE3927851A1
Application number: DE3927851A
Authority: DE
Inventors: Mordekhai Dr Velger; Gregory Dr Toker
Original assignee: ELECTRO OPTICS IND Ltd
Current assignee: ELECTRO OPTICS IND Ltd
Priority date: 1988-11-02
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1990-05-03
Also published as: IL88263A; GB2224613B; IL88263A0; CA1338747C; ZA896371B; GB2224613A; GB8915897D0; FR2638544B1; FR2638544A1; US5235513A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Navigationssystem, und zwar insbesondere ein System für die Bestimmung der räumlichen Position eines sich bewegenden Objekts und zum Führen seiner Bewegung, das hier auch abgekürzt als "akti ves Navigationssystem" bezeichnet wird.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das automa tische Landen eines Flugzeugs mit der Hilfe eines elektro optischen Spezialzweck-Sensors.

Das Landen eines Flugzeugs allgemein und eines unbemannten Düsenjägers insbesondere, ist der schwierigste Schritt im Betrieb eines Flugzeugs. Es erfordert hocherfahrene Bedie nungspersonen, beinhaltet ein nichtvernachlässigbares Ri siko und kann nur bei günstigen Flugbedingungen ausgeführt werden.

Kürzlich wurden unbemannte Düsenjäger von menschlichen Be dienungspersonen gelandet, die den unbemannten Düsenjäger entweder von dem Landestreifen bzw. der Landebahn her beob achteten oder das Bild, das von dem unbemannten Düsenjäger her durch eine an Bord montierte Fernsehkamera übertragen wurde, überwachten. Die Führungsbefehle wurden durch Funk zu dem unbemannten Düsenjäger übertragen. Beide Verfahren besitzen beträchtliche Schwierigkeiten, da sich der Pilot, verglichen mit der Bedienung eines üblichen Flugzeugs, un ter ungünstigen Bedingungen befindet und nur unvollständige Information empfängt. Insbesondere ist die Wahrnehmung des Piloten von der Position des unbemannten Düsenjägers be schränkt, ihm fehlen einige Bewegungsanhaltspunkte, er ist weniger wahrnehmungsfähig für plötzliche Störungen etc. Die Fähigkeit, einen unbemannten Düsenjäger unter ungünstigen Bedingungen, wie beispielsweise bei schlechtem Wetter, be schränkter Sichtfähigkeit oder in der Nacht, zu landen, ist ernstlich begrenzt.

Das Landen von bemannten Flugzeugen auf schmalen bzw. klei nen Landestreifen, wie auf Flugzeugträgern, weist ähnliche Schwierigkeiten auf. Die Landeplattform ist sehr klein bzw. schmal im Vergleich mit einem typischen Bodenlandestreifen, so daß eine sehr genaue Führung zu dem Aufsetzpunkt erfor derlich ist. Dem Pilot fehlt ein stationärer Bezug wie der Horizont oder einige Terrain- bzw. Bodenmerkmale; oft tre ten starke Windstörungen auf; der Landevorgang ist sehr kurz und fordert ein sehr schnelles Ansprechen des Piloten, um Flugwegabweichungen zu korrigieren; und bei rauher See bewegt sich die Landeplattform in sechs Freiheitsgraden mit einer beträchtlichen Amplitude.

Nach dem Stande der Technik sind verschiedene Systeme für das automatische Landen von Flugzeugen vorgeschlagen wor den. In diesen Systemen wird eine Instrumentenmessung der Flugzeugposition dazu benutzt, um das Flugzeug auf der ge wünschten Sinkflug-Fluglinie zu halten. Die verwendeten Messungen sind Ablese- bzw. Meßgrößen der an Bord befindli chen Instrumente (beispielsweise Höhenmesser, Gyros bzw. Kreiselkompasse bzw. -steuergeräte, und Beschleunigungsmes ser), Radarablese- bzw.-meßgrößen oder sogar Messungen von erdgebundenen Spezialzwecksensoren. Die Verfahren und Sy steme, die in der Literatur beschrieben sind (Kitten und Fried), sind jedoch von begrenzter Art und begrenzter Lei stungsfähigkeit, da die Messung der Freiheitsgrade, insbe sondere der Freiheitsgrade unbemannter Düsenjäger, unvoll ständig und ungenau ist.

Im einzelnen beschreiben Hornfeld et al. ein automatisches Landesystem, das auf einem zusätzlichen optischen Sensor basiert. Das System umfaßt eine Mehrzahl von Infrarotfeuern in einer Linie, die sich quer zu der Start- und Landebahn erstreckt, wobei sich das mittige Infrarotfeuer an dem Ende der Start- und Landebahn befindet, und wobei eine Infrarot fernsehkamera mit einem Computer an Bord des Flugzeugs ver bunden ist. Die Kamera (Sensor) wird kontinuierlich in ei ner solchen Weise gedreht, daß das Bild des mittigen Feuers in der Mitte der Bildebene erhalten wird; der Drehwinkel der Kamera wird dazu benutzt, die Abweichung des Flugzeugs relativ zu der Mittellinie der Start- und Landebahn zu be stimmen. Das System wird durch zusätzliche Abfühlsysteme ergänzt, wie beispielsweise ein Laserentfernungsmeßgerät, um die Entfernung zu dem Flugzeug zu finden. Dieses Verfah ren kann grundsätzlich nur dazu benutzt werden, das Flug zeug längs eines vorbestimmten geraden Wegs zu führen. Das Meßverfahren der Kardanbewegung bzw. der Drehbewegung der Kamera und die Benutzung eines Fernseh-Flugwegverfolgers ist unvollständig und führt große Meßfehler in die Messun gen ein, was sich als nachteilig bzw. abträglich für eine angemessene Führung erweist.

Andere beschriebene Systeme (Urness & Hess, Philips et al.) arbeiten mit Radarablese- bzw.-meßwerten, um die Richtung und die Entfernung des sich nähernden Flugzeugs zu bestim men. Diese Systeme haben die oben erwähnten Nachteile: Die Messungen sind nicht genau und außerdem unvollständig (nur die Richtung zu dem Flugzeug und die Position des Flugzeugs wird geliefert), und die Führung zum Landen ist notwendi gerweise beschränkt. Systeme dieser Art sind unfähig, knappe Landungen, Landungen auf begrenzten Streifen bzw. Landebahnen oder auf mittelgroßen und kleinen Schiffen zu ermöglichen.

Die vorhandenen automatischen Landesysteme für große kom merzielle Flugzeuge oder große Militärflugzeuge sind ande rerseits sehr kostenaufwendig und erfordern umfangreiche Installationen bzw. Anlagen am Landeort.

Es sei nun eine kurze Beschreibung der Erfindung gegeben:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für die Be stimmung der räumlichen Position eines sich bewegenden Ob jekts und zum Führen seiner Bewegung, insbesondere ein au tomatisches Landesystem, das Lichtquellen, einen elektroop tischen Sensor und einen Führungscomputer umfaßt. Die Neu artigkeit des Systems ist gekennzeichnet durch genaue Mes sung von allen sechs Freiheitsgraden des Flugzeugs (Posi tion und Ausrichtung), die durch einen einzigen und in sich abgeschlossenen Sensor bewirkt wird, und die volle Benut zung dieser Information zum Steuern des Flugzeugs. Auf der Basis der Messungen beurteilt das System die störenden Ein flüsse, wie beispielsweise atmosphärische Turbulenz oder Windstöße bzw. -böen, und trägt ihnen Rechnung. Das ermög licht es einem, das Flugzeug sehr genau längs der gewünsch ten Fluglinie zu führen und alle erforderlichen korrigie renden Aktionen augenblicklich zu unternehmen bzw. auszu führen.

Unter den wesentlichen Vorteilen sind insbesondere folgende Vorteile: die erhöhte Sicherheit des Flugzeugs und der Nutzlast; die Fähigkeit, die Landung sehr weich (Minimali sierung einer eventuellen Beschädigung von Nutzlast) und sehr genau (Aufsetzen in einem genauen Punkt) auszuführen; die Fähigkeit, den vollen Vorteil aus den Kapazitäten des Flugzeugs zu ziehen, indem sehr komplizierte Manöver ausge führt werden, die üblicherweise menschlichen Bedienungsper sonen nicht verfügbar sind, als deren Folge es möglich ist, die Größe des erforderlichen Landestreifens bzw. der erfor derlichen Landebahn zu minimalisieren und die Zeit zu mini malisieren, die das Flugzeug über dem Start- und Landebe reich, dem Flugfeld, zubringt; eine hohe Aktualisierungs rate bzw. -geschwindigkeit, eine hohe Genauigkeit, und eine vollständige Computersteuerung ermöglicht es, auf sich be wegenden Plattformen zu landen, wie beispielsweise auf kleinen Schiffen, vorausgesetzt die Information über die Schiffsbewegung wird zugeführt bzw. verfügbar gemacht.

In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems für kleine unbemannte Flugzeuge, wie beispielsweise die Mehrzahl der gegenwärtigen unbemannten Düsenjäger, wer den die Lichtquellen auf dem Flugzeug montiert, während die Messung, die Verarbeitung der Information und die Berech nung der Führungsbefehle auf dem Erdboden ausgeführt wer den; die Befehle werden zu dem unbemannten Flugzeug, insbe sondere dem unbemannten Düsenjäger, durch Funkverbindung übertragen, wie das in der manuellen Betriebsweise ge schieht. Diese Ausführungsform wird insbesondere als ein Zusatzsystem bzw. additiv hinzufügbares System vorgeschla gen, das so ausgebildet ist, daß sich nur ein minimaler Eingriff in die manuelle Betriebsweise ergibt bzw. nur eine minimale Intervention bezüglich der manuellen Betriebs weise.

In der Ausführungsform der Erfindung, die für größere Flug zeuge bevorzugt wird, sind die Lichtquellen erdgebunden, während der Sensor und die Informationsverarbeitung an Bord des Flugzeugs vorhanden ist bzw. ausgeführt wird. Das erstreckt bzw. vergrößert den Operationsbereich, da viel leistungsfä higere bzw. viel mehr leistungsfähigere Lichtquellen ver wendet werden können, und es wird dadurch die Gesamtlei stungsfähigkeit verbessert, da die Übertragungszeitverzöge rungen ausgeschaltet werden. Ein zusätzlicher Vorteil be steht darin, daß das im Flugzeug eingebaute System unabhän gig wird.

Es sei nunmehr eine detaillierte Beschreibung der Erfindung gegeben:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Be stimmung der räumlichen Position eines sich bewegenden Ob jekts und zum Führen seiner Bewegung, insbesondere ein Ver fahren zum Führen und Landen eines Flugzeugs auf der Basis von genauen Messungen seiner Position und Ausrichtung, so wie ein System bzw. eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Das Verfahren ist insbesondere ge kennzeichnet durch die genaue Messung von allen sechs Frei heitsgraden des Flugzeugs (Position und Ausrichtung) und volle Benutzung dieser in den Landealgorithmen.

Die vorliegenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung seien nachstehend anhand einiger, in den Fig. 1 bis 5 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfah rens und des erfindungsgemäßen System detailliert beschrie ben; es zeigen:

Fig. 1 das generelle Blockschema bzw. -schaltbild eines automatischen Landesystems gemäß einer bevorzug ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des Vorgangs des Landens eines Flugzeugs mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Sy stems;

Fig. 3 eine Darstellung der Abbildungsgeometrie, die in einem erfindungsgemäßen Verfahren und einem Sy stem nach der Erfindung benutzt wird;

Fig. 4 eine bevorzugte Konfiguration eines erfindungsge mäßen Systems für unbemannte Düsenjäger; und

Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Systems für größere Flugzeuge.

In der nun folgenden detaillierten Beschreibung der Erfin dung sei zunächst auf das Blockschaltbild eines automati schen Landesystems nach der Erfindung, das in Fig. 1 ge zeigt ist, näher eingegangen. Das System umfaßt, insbeson dere in Kombination, Lichtquellen 1, einen elektrooptischen Sensor 2, einen Leit- bzw. Führungscomputer 3, der nachste hend abgekürzt als "Führungscomputer" bezeichnet ist, und einen Funkübertragungsweg bzw. eine Funkübertragungsein richtung 4.

Die Erfindung stellt zwei Arten von Konfigurationen zur Verfügung, nämlich:

(a) eine erste Konfiguration, bei welcher Lichtquellen auf dem Flugzeug vorgesehen bzw. angebracht sind, mit ei nem erdgebundenen Sensor und
(b) eine zweite Konfiguration, bei welcher ein Sensor im Flugzeug eingebaut ist, mit erdgebundenen Lichtquel len,

wobei die notwendige Hilfsausrüstung jeweils vorgesehen ist.

Die Lichtquellen umfassen wenigstens drei Punktlichtquellen LS, die so montiert bzw. aufgestellt sind, daß sie ein Dreieck definieren, und die leistungsfähig genug sein müs sen, um von genügend großen Entfernungen her mittels des elektrooptischen Sensors detektiert werden zu können.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfaßt der elektrooptische Sensor 1 eine Kamera 5, insbesondere eine Flächen-CCD-Kamera hoher Auflösung (wobei CCD insbe sondere für "ladungsgekoppelter Speicher" bzw. "Ladungsver schiebe-Element" steht), und eine Bildgreiferkarte bzw. -schaltungskarte 6, die mit einem Bilddatenverarbeitungs computer 7 verbunden ist, wie beispielsweise mit einem Allgemeinzweck-Mikrocomputer oder mit einer Spezialkarte bzw. -schaltungskarte, die in einem größeren Computer ein gebettet bzw. in einen größeren Computer einbezogen ist. Eine solche bzw. die Kamera ist mit einer Linse 8 ausgerü stet, die ein oder mehrere Sichtfelder liefert, sowie mit einem Spektralfilter 9 und mit einer selbsteinstellenden Blende 10. Das Spektralfilter 9 ist auf das Spektralband der Lichtquellen 1 abgestimmt und wird dazu verwendet, um das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis und das Signal-zu-Unter grund-Verhältnis zu verbessern. Die computergesteuerte selbsteinstellende Blende 10 reguliert das empfangene Si gnal, dessen Intensität mit der Annäherung des Flugzeugs beträchtlich zunimmt.

Das Vorsehen von mehreren Sichtfeldern bei einem solchen System kann dadurch bewirkt werden, daß man eine geeignete Linse 8 veränderbarer Brennweite benutzt oder daß man mehrere Kameras 5, jede mit einer unterschiedlichen Linse, benutzt, die mit dem gleichen Computer verbunden sind (es sei hier darauf hingewiesen, daß unter einer "Linse" selbstverständ lich auch ein "Linsensystem" zu verstehen ist, da ohnehin praktisch jedes Objektiv von einem Linsensystem gebildet ist).

Die von der Kamera 5 durch die Bildgreiferkarte 6 empfan gene Bildinformation wird durch den Computer 7 dahingehend verarbeitet, daß die Koordinaten der Bilder der Lichtquel len bestimmt werden; vorzugsweise wird eine Subpixel-Inter polation angewandt, um maximale Auflösung zu erhalten. Die Abbildungsgleichungen werden dann gelöst, und die dreidi mensionalen Koordinaten der Lichtquellen relativ zu dem Sensor werden bestimmt. Auf der Basis dieser Koordinaten werden die Position und die Ausrichtung des Flugzeugs be stimmt. Es ist ein wichtiges Merkmal des Systems der vor liegenden Erfindung, daß es so ausgebildet ist, daß hoch genaue Messungen aller sechs Freiheitsgrade des Flugzeugs erzielt werden.

Die Messungen der Position und der Ausrichtung des Flug zeugs, die mit der Fernsehrate bzw. -geschwindigkeit oder mit einer höheren Rate bzw. Geschwindigkeit abgetastet wer den, werden dem Leit- bzw. Führungsrechner 11 zugeführt. Der Rechner benutzt Filterungstechniken, die auf dem Modell der Flugzeugdynamiken basieren, um die Flugzeug-Fluglinie zu rekonstruieren und irgendwelche Störungen (wie beispiels weise Windstöße bzw. -böen) zu bewerten. Die Abweichungen von der gewünschten optimalen Lande-Fluglinie werden be rechnet, und die entsprechenden Leit- bzw. Führungsbefehle werden ausgegeben.

In der Konfiguration, in der ein erdgebundener Sensor vor gesehen ist, werden die Leit- bzw. Führungsbefehle über eine geeignete Schnittstelle 12 mittels der Funkübertra gungseinrichtung 4 übertragen. In der umgekehrten Konfigu ration wird die Funkübertragungseinrichtung dazu benutzt, wahlweise Information zu der Bodenkontrollstation zu sen den. Es wird Vorsorge getroffen, daß dem automatischen Lan desystem verschiedenste technische Daten mittels des Termi nals 13 zugeführt werden, wie beispielsweise die Identifi kation des Typs des sich nähernden Flugzeugs, generelle Wetterbedingungen, die Art der gewünschten Lande-Fluglinie etc. Der Terminal 13 dient außerdem dazu, Fluginformation zu den Bedienungspersonen zurückzuübertragen, insbesondere in Sichtwiedergabeweise zurückzuübertragen, wie beispiels weise die exakte Position des Flugzeugs, die Flugzeugge schwindigkeit und die Sinkrate bzw. -geschwindigkeit, ir gendwelche Abweichungen von der Lande-Fluglinie, Wind- und Turbulenzstörungen, die durch das System gemessen worden sind, und die Position des erwarteten Aufsetzpunkts. Der Terminal kann außerdem dazu verwendet werden, den Abbruchsbe fehl in unerwarteten Notsituationen zu übertragen.

Das System benutzt die vorhandenen Autopilotsysteme des Flugzeugs, aber es ist so ausgebildet, daß es dieselben in verschiedenen Ausfallbetriebsweisen oder in der Abwesenheit des bzw. eines Autopiloten vollständig ersetzen kann.

Der Vorgang bzw. das Verfahren des Landes des Flugzeugs mit der Hilfe des erfindungsgemäßen Systems ist in Fig. 2 dar gestellt. Das Flugzeug 14 wird durch eine unabhängige Ein richtung bzw. unabhängige Mittel in die Nähe des Landeplat zes gebracht, und es wird in den Erfassungskasten 15 des automatischen Landesystems in der maximalen Erfassungsent fernung geführt. Die Erfassungsentfernung ist definiert durch die Detektierbarkeit der Lichtquellen mittels des Sy stems, und die Dimensionen des Erfassungskastens entspre chen dem Sichtfeld. Die Erfassungsentfernung und die Dimen sionen des Erfassungskastens werden entsprechend der Größe und der Art des Flugzeugs, der unabhängigen Navigationsein richtung, die zum Führen des Flugzeugs in den Erfassungska sten verwendet wird, und den Besonderheiten bzw. speziellen Gegebenheiten des Landeplatzes ausgelegt. Typischer- bzw. vorzugsweise funktioniert das System mit zwei Sichtfeldern, einem weiten Sichtfeld für die anfängliche Erfassung und einem schmalen bzw. engen Sichtfeld für die genaue Messung. Das System gewinnt bzw. erfaßt das Ziel in dem weiten Sichtfeld, wo bei großer Entfernung nur die Messung der Höhe und der seitlichen Verlagerung möglich sind, und führt das Flugzeug entlang der Sinkflug-Fluglinie 16 zu der Gleitneigung 17 in der Mitte des Sichtfelds, wo es auf das schmale bzw. enge Sichtfeld umschaltet. Wenn das System einmal in dem schma len bzw. engen Sichtfeld ist, werden genaue Messungen von allen sechs Freiheitsgraden ausgeführt, und die Führung des Flugzeugs wird entsprechend geändert.

Bei sehr kurzen Entfernungen kann das System erneut auf das weite Sichtfeld umschalten, da dann in dem schmalen bzw. engen Sichtfeld die Größe des Bilds zu groß wird. Das Sy stem leitet bzw. führt das Flugzeug zu dem Aufsetzpunkt 18 und bis zum vollen Anhalten des Flugzeugs, typischer- bzw. vorzugsweise durch das Anhaltekabel 19.

Während des Leit- bzw. Führungsprozesses schätzt das System konstant bzw. permanent die erwartete Fluglinie des Flug zeugs ab, die so berechnet wird, daß sie unter den gegebe nen aktuellen Störungen der optimalen Lande-Fluglinie am nächsten ist, und das System berechnet die Position des er warteten Aufsetzpunkts wie auch die Flugzeuggeschwindigkeit und die Sinkgeschwindigkeit. In dem Fall, in dem irgendei ner dieser kritischen Parameter die zulässigen Grenzen überschreitet, oder wenn ein Notabbruchsbefehl von den menschlichen Bedienungspersonen empfangen worden ist, bricht das System den taktischen Einsatz ab und befiehlt dem Autopiloten des Flugzeugs, sichere Höhe zu gewinnen, und überträgt die Kontrolle bzw. Steuerung auf die Kon trollstation. Typischer- bzw. vorzugsweise wird das Flug zeug dazu gebracht, einen vollständigen Rundflugkreis um den Landestreifen herum auszuführen und wird dann erneut in den Erfassungskasten gebracht, so daß die automatische Lan dung erneut versucht wird. Der Dateneingabe- und Sicht wiedergabeterminal 13 ist in einer solchen Weise ausgebil det, daß eine menschliche Bedienungsperson die Kontrolle bzw. Steuerung zu jedem gewünschten Moment übernehmen kann. Der Terminal 13 befindet sich innerhalb der Bodenkontroll station 22 und ist mittels eines Verbindungskabels 23 mit dem elektrooptischen Sensor 2 und dem Leit- bzw. Führungs computer 3 verbunden. Der Dateneingabeterminal 13 kann mit einem Steuerknüppel höchster Priorität zum Übernehmen der Kontrolle bzw. Steuerung durch eine menschliche Bedienungs person in Notsituationen ausgerüstet sein.

Die Abbildungsgeometrie ist in Fig. 3 gezeigt, worin A, B und C die Lichtquellen sind, und a, b und c sind ihre Bil der auf der Kamerachipebene. Mit x _A, y _A, z _A, ..., x _C, y _C, z _C werden die Koordinaten der Lichtquellen bezeichnet, und mit y _a, z _a,..., y _c, z _c werden die Koordinaten ihrer Bilder bezeichnet, wobei die Abbildungsgleichungen wie folgt sind:

worin f die Brennweite der Linse ist. Andererseits können die drei relativen Entfernungen r _AB, r _BC und r _AC zwischen den Lichtquellen und A, B und C auch in Größen der Koordi naten wie folgt ausgedrückt werden:

Das Ergebnis ist ein System von neun Gleichungen für die neun unbekannten Koordinaten der Lichtquellen. Dieses Sy stem kann gelöst werden, wenn man die Koordinaten der Lichtquellenbilder kennt, vorausgesetzt, daß die Lichtquel len nicht kolinear sind. Unter den praktischen Bedingungen, die im Betrieb der automatischen Landesysteme auftreten, ist die Lösung eindeutig. Die Koordinaten der Bilder in der Kamerachipebene werden durch Bildverarbeitung der Pixel-In formation erhalten. Es wird nämlich die Fernseh- bzw. Vi deoausgangsgröße der Kamera digitalisiert und in dem Com puterspeicher gespeichert, wobei jede Zahl der Lichtinten sität in dem geeigneten Bildelement (Pixel) entspricht. Die Pixel, die den Lichtquellenbildern entsprechen, werden durch Schwellwertbildung detektiert, und es wird eine Flä chenschwerpunktsinterpolation für die Bestimmung der Bild position benutzt. Die Interpolation führt zu einer Super auflösung, d.h. die positionsmäßige Auflösung ist besser als die Pixelgröße.

Die kritischen Systemparameter sind die Entfernung, das to tale Gesichtsfeld und die Meßgenauigkeit. Die ersteren bei den Parameter sind eine Folge der optischen Erfordernisse der konkreten Anwendung, nämlich Art bzw. Typ des Flug zeugs, Größe und Typ bzw. Art des Landestreifens, Betriebs bedingungen, Typ bzw. Art und Verfügbarkeit der unabhängi gen Navigationsmittel bzw. -einrichtung etc. Für unbemannte Düsenjäger ist die typische Entfernung 1 bis 2 km, und das Totalgesichtsfeld ist in der Größenordnung von 20°. Das Er fordernis einer gewissen Meßgenauigkeit wird durch die Be trachtungen der Führung und Steuerung bzw. Kontrolle dik tiert: Je besser die Meßgenauigkeit ist, um so zuverlässi ger ist die Steuerung bzw. Kontrolle. Eine Simulation von Landungen unbemannter Düsenjäger zeigt, daß eine Meßgenau igkeit von angenähert 3 mrad (angenähert 19,1 Neuminuten) ausreichend ist, eine sehr zuverlässige Kontrolle bzw. Steuerung des unbemannten Düsenjägers zu erzielen und eine sehr genaue Landung sicherzustellen. Die erzielbare Genau igkeit in einer konkreten Ausbildung bzw. in einem konkre ten Fall hängt hauptsächlich von der Entfernung und dem Sichtfeld ab. Um die erforderliche Genauigkeit bei großen Entfernungen zu erzielen, wendet das System typischer- bzw. vorzugsweise ein zweites schmales bzw. enges Sichtfeld an.

In der bevorzugten Konfiguration für unbemannte Düsenjäger, die in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Lichtquellen 1 vor zugsweise leistungsstarke Laserdioden, die auf dem unbe mannten Düsenjäger 20 montiert sind, und der Sensor 2 sowie der Computer 3 sind auf dem Boden plaziert, und zwar vor zugsweise am Ende des Landestreifens 21 hinter dem Anhalte kabel 19. Die ausgewählten Dioden waren in dem vorliegenden Beispiel 500 mW Laserdioden, wie beispielsweise Dioden vom Typ SLD303 der Firma Sony, die in der Dauerstrichbetriebs weise arbeiten, und sie waren auf der Nase sowie auf den Flügelspitzen des Flugzeugs montiert. Die Dioden waren mit zylindrischen Linsen ausgerüstet, um einen Emissions- bzw. Strahlungswinkel von 20 × 20° zu erzielen; die verwendete CCD-Kamera war eine Pulnix TM 865 Kamera, die 800 × 590 photo- bzw. lichtempfindliche Elemente besitzt; die Linse war in der Lage, zwei Brennweiten zur Verfügung zu stellen, nämlich 35 mm und 170 mm, und sie war mit einer computerge steuerten selbsteinstellenden Blende ausgerüstet; der Bild greifer war die PC-Vision-Plus-Karte von der Firma Imaging Technologies Inc., und der Datenverarbeitungs- und der Leit- bzw. Führungscomputer war ein IBM PC-kompatibler. Die Bandbreite des Spektralfilters der Kamera war auf die Emis sionswellenlänge der Dioden abgestimmt. Die auf dem Flug zeug montierten Dioden definierten ein Dreieck mit einer Basis von 5 m und mit 2 m Höhe. Die beiden Brennweiten der Linse definieren die beiden Sichtfelder, ein weites von 15 × 12° und ein schmales bzw. enges von 2 × 3°. Die maximale Entfernung des Systems ist, abhängig von den atmosphäri schen Sichtbedingungen, 1500 bis 2000 m, und die Meßgenau igkeit in dem schmalen bzw. engen Sichtfeld ist in der Größenordnung von 3 mrad (19,1 Neuminuten).

Das System gewinnt bzw. erfaßt das Ziel in dem weiten Sichtfeld bei der maximalen Entfernung, wobei das Flugzeug horizontal nach dem Sensor zu mit einer Reiseflughöhe von angenähert 300 m fliegt. Nur die Messung der Höhe und der Seiten- bzw. Querposition des unbemannten Düsenjägers wer den geliefert. Auf der Basis dieser Information wird der unbemannte Düsenjäger herab zu der Gleitneigung zu der Mitte des Sichtfelds geführt. Wenn das einmal erreicht ist, schaltet das System auf das schmale bzw. enge Sichtfeld um und beginnt, genaue Messungen von allen sechs Freiheitsgra den zu liefern. Diese Umschaltung tritt bei einer Entfer nung von 1000 bis 1500 m und bei einer Höhe von angenähert 100 m auf. Bei einer Entfernung von 250 m schaltet das Sy stem zurück auf das weite Sichtfeld, das nun genügend genau ist. Die Landegenauigkeit ist besser als 1 m seitlich bzw. quer, 2 m longitudinal bzw. in Längsrichtung, und 3° im Roll- und Azimutwinkel.

Die Konfiguration ist als ein Zusatzsystem bzw. als ein additiv hinzufügbares System für minimale Störung bzw. Interferenz mit der existierenden Konfiguration des Systems des unbe mannten Düsenjägers und seiner Betriebsweise ausgebildet bzw. ausgelegt, und nach dem Erfordernis des minimalen zu sätzlichen Gewichts und des minimalen zusätzlichen Lei stungsbedarfs im Flugzeug. Die vom Computer berechneten Leit- bzw. Führungsbefehle werden anstelle der Steuerknüp pelbefehle der menschlichen Bedienungsperson durch einen Funkübertragungsweg bzw. eine Funkübertragungseinrichtung 4 zu dem unbemannten Düsenjäger übertragen.

In der in Fig. 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsform für größere Flugzeuge, bei denen größere Erfassungsentfernungen erforderlich sind und bei denen weniger Betonung auf mini males Gewicht der im Flugzeug eingebauten Teile gelegt wird, sind die Lichtquellen 51 auf dem Boden bzw. erdgebun den angeordnet, während die Kamera und der Computer an Bord des Flugzeugs sind. Zwei der möglichen Optionen seien spe ziell erwähnt, nämlich (a) eine Konfiguration mit drei lei stungsstarken Projektoren 24, die auf dem Landestreifen hinter dem Anhaltekabel plaziert und in einem Dreieck ange ordnet (die in Fig. 5 mit 51 bezeichnet sind) sind, und mit ei nem im Flugzeug eingebauten Sensor, der mit zwei Sicht feldern ausgerüstet ist, also eine Konfiguration, die sehr ähnlich der Konfiguration für die unbemannten Düsenjäger ist, jedoch in der umgekehrten Weise (d.h. nicht die Licht quellen an Bord des Flugzeugs, sondern erdgebunden angeord net); und (b) eine Konfiguration mit zusätzlich zwei lei stungsstarken Projektoren 25, die so plaziert sind, daß sie ein zusätzliches verlängertes Dreieck bilden und die Not wendigkeit ausschalten, daß zwei Sichtfelder bei dem im Flugzeug eingebauten Sensor vorhanden sein müssen. In die ser letzteren Konfiguration gewinnt bzw. erfaßt das System das Ziel gemäß dem kleinen Dreieck, leitet bzw. führt das Flugzeug zu der Gleitneigung 17, wo das verlängerte bzw. vergrößerte Dreieck auch sichtbar wird, so daß vollständig genaue bzw. äußerst genaue Messungen möglich werden, und das System schaltet schließlich bei sehr nahen Entfernungen wieder auf die Messungen entsprechend dem kleinen Dreieck 51 um. Um die Identifizierung des kleinen Dreiecks während der Zielerfassung zu erleichtern, kann der Betrieb so sein, daß anfänglich nur die Projektoren 21 bzw. 51 arbeiten, während die Projektoren 24 bzw. 25 beim nächsten Schritt eingeschaltet werden. Alternativ kann die Unterscheidung zwischen den Dreiecken durch Bildverarbeitung, basierend auf der Anzahl und den relativen Positionen der beobachte ten Bilder, ausgeführt werden.

Die erstere Konfiguration ist zum Landen von größeren Flug zeugen auf sehr kleinen Start- und Landestreifen, wo es aufgrund von Raumbeschränkungen nicht möglich ist, das ver größerte bzw. verlängerte Dreieck zu bilden, wie beispiels weise bei der Landung auf Flugzeugträgern, zu bevorzugen.

Der Sensor in diesen Ausführungsformen ist der gleiche wie in dem Beispiel für unbemannte Düsenjäger mit der Maßgabe, daß die entsprechende Linse Sichtfelder von 10 × 8° und 1,5 × 1° (in der ersteren Konfiguration) hat; die Lichtquellen sind Hochleistungsprojektoren von 1000 W. Der elektroopti sche Sensor ist ortsfest auf dem Flugzeug montiert, und der Computer mit der gesamten Unterstützungselektronik ist auch an Bord des Flugzeugs untergebracht.

Das System arbeitet in einer Weise, die der oben beschrie benen Weise, die sich auf den Fall von unbemannten Düsenjä gern bezieht, ähnlich bzw. gleichartig ist; in diesem bzw. im vorliegenden Falle jedoch ist die Erfassungsentfernung 3000 bis 4000 m, und die Reiseflughöhe ist 600 m.

Obwohl das Verfahren und das System nach der Erfindung un ter Bezugnahme auf ein Landesystem für Flugzeuge verschie denster Arten unter Einschluß von unbemannten Düsenjägern als Beispielsfall erläutert worden ist, ist es klar, daß das Verfahren und das System nach der Erfindung allgemein für die Bestimmung der räumlichen Position eines sich bewe genden Objekts und seiner Fluglinie, sowie für das Leiten bzw. Führen seiner Bewegung geeignet ist. Die Basis ist die Zurverfügungstellung des Systems der drei Lichtquellen in einem Dreieck, die entweder an dem Objekt oder an der Leit- bzw. Führungsstation angebracht sind, zusammen mit der Zur verfügungstellung der elektrooptischen Abfühleinrichtung bzw. des elektrooptischen Sensors und den Hilfsgeräten un ter Einschluß der Funkübertragung, wobei der Sensor in der Kontroll- bzw. Steuerstation oder auf oder in dem Objekt vorgesehen ist.

Mit der Erfindung wird ein System zum Bestimmen der räumli chen Position eines sich bewegenden Objekts und zum Leiten bzw. Führen von dessen Bewegung zur Verfügung gestellt, und dieses System umfaßt eine Dreiecksanordnung von drei Licht quellen, die in der einen Alternative an dem sich bewegen den Objekt angebracht und einer Leit- bzw. Führungseinrich tung zugewandt sind, sowie eine elektrooptische Abfühlein richtung bzw. einen elektrooptischen Sensor, der eine Flä chenabbildungseinrichtung und einen Bildverarbeitungscompu ter umfaßt, wobei sich die Flächenabbildungseinrichtung in einer Position befindet, in der sie dem sich bewegenden Ob jekt zugewandt ist; weiter ist ein Leit- bzw. Führungscom puter vorgesehen, der mit dem Bildverarbeitungscomputer verbunden ist, und eine Funkverbindungseinrichtung zum Aus tauschen von Signalen von und zu dem sich bewegenden Ob jekt. In einer alternativen Ausführungsform können die drei Lichtquellen an der Bodenstation vorgesehen sein, während die anderen Komponenten des Systems an oder in dem sich be wegenden Objekt angebracht sind, wobei ebenfalls eine Kom munikationseinrichtung, insbesondere eine Funkverbindung, zwischen der Station und dem Objekt vorgesehen ist. Das Sy stem ist von speziellem Wert für das Leiten bzw. Führen von bemannten und unbemannten Flugzeugen.

Claims

1. System für die Bestimmung der räumlichen Position eines sich bewegenden Objekts und zum Führen seiner Bewe gung, dadurch gekennzeichnet, daß das Sy stem, insbesondere in Kombination, folgendes umfaßt:

a. eine Anordnung von drei Lichtquellen (1; 51), die ein Dreieck definieren und an dem Objekt angebracht sind, wobei sie einer Leit- bzw. Führungseinrichtung (2, 3, 4) zugewandt sind;
b. eine elektrooptische Abfühleinrichtung (2), die eine Bereichs- bzw. Flächenabbildungseinrichtung (5) und einen Bildverarbeitungscomputer (7) umfaßt, wobei beide oder zumindest die Bereichs- bzw. Flächenabbil dungseinrichtung (5) in einer dem Objekt zugewandten Position sind bzw. ist;
c. einen Leit- bzw. Führungscomputer (3), der mit dem Bildverarbeitungscomputer (7) verbunden ist; und
d. eine Funkverbindungseinrichtung (4) zum Austauschen von Funksignalen von dem Objekt, und umgekehrt,

wobei das System eine genaue Messung von allen sechs Frei heitsgraden des Objekts und eine Führung seiner Bewegung auf der Basis dieser genauen Messungen liefert.

2. System für die Bestimmung der räumlichen Position eines sich bewegenden Objekts und zum Führen seiner Bewe gung, dadurch gekennzeichnet, daß das Sy stem, insbesondere in Kombination, folgendes umfaßt:

a. eine Anordnung von drei Lichtquellen (1; 51), die ein Dreieck definieren und an einer Kontroll- bzw. Steuer station in einem Dreieck angeordnet sind;
b. eine elektrooptische Abfühleinrichtung (2), die eine Bereichs- bzw. Flächenabbildungseinrichtung (5) und einen Bildverarbeitungscomputer (7) umfaßt, wobei die elektrooptische Abfühleinrichtung (2) auf oder in dem sich bewegenden Objekt angebracht ist;
c. einen Leit- bzw. Führungscomputer (3), der mit dem Bildverarbeitungscomputer (7) verbunden ist;
d. eine Funkverbindungseinrichtung (4) für den Austausch von Funksignalen von dem Objekt, und umgekehrt,

wobei das System die genaue Messung von allen sechs Frei heitsgraden des Objekts und die Führung seiner Bewegung auf der Basis dieser genauen Messungen liefert.

3. System für die Bestimmung der räumlichen Position eines sich bewegenden Objekts und zum Führen seiner Bewe gung, dadurch gekennzeichnet, daß das Sy stem als System zum Landen eines Flugzeugs ausgebildet ist und, insbesondere in Kombination, folgendes umfaßt:

a. eine Anordnung von drei Lichtquellen (1; 51), die ein Dreieck definieren;
b. eine elektrooptische Abfühleinrichtung (2), die eine Bereichs- bzw. Flächenabbildungseinrichtung (5) und einen Bildverarbeitungscomputer (7) umfaßt;
c. einen Leit- bzw. Führungscomputer (3), der mit dem Bildverarbeitungscomputer (7) verbunden ist; und
d. eine Funkverbindungseinrichtung (4).

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die elektrooptische Abfühleinrich tung (2) genaue Messungen von allen sechs Freiheitsgraden des Flugzeugs auf der Basis der Bilder der Lichtquellen (1; 51) liefert und daß diese Messungen vollständig für eine genaue Leitung bzw. Führung des Flugzeugs unter Einschluß einer Leitung bzw. Führung entlang der gewünschten Lande- Fluglinie verwendet werden.

5. Elektrooptische Abfühleinrichtung für die genaue Messung von allen sechs Freiheitsgraden eines entfernten Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrooptische Abfühleinrichtung (2) auf drei Lichtquellen (1; 51) basiert, die ein Dreieck bilden und auf dem Objekt oder am Erdboden montiert sind, umfassend eine CCD-Kamera (5), eine Linse (8) und einen Computer (7) zum Verarbeiten der Bildinformation und zum Berechnen der Koordinaten auf der Basis der bzw. von Abbildungsgleichungen.

6. Elektrooptische Abfühleinrichtung nach Anspruch 5 und/oder System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquellen (1; 51; 25) Laserdioden, Halogenlampen, Projektoren oder irgendwel che anderen Lichtquellen von kleiner emittierender Oberfläche sind, nötigenfalls ausgerüstet mit Linsen, so daß ein vorbestimmter Emissions- bzw. Abstrahlwinkel definiert bzw. gebildet wird, und worin die elektrooptische Abfühleinrich tung (2) nötigenfalls mit einem abstimmenden bzw. abge stimmten Spektralfilter ausgerüstet ist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, 4 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquellen (1; 51) auf dem vorderen Teil des Flugzeugs angebracht sind, wäh rend sich die elektrooptische Abfühleinrichtung (2) auf dem Boden am Ende des Rollwegs, wo das Flugzeug landen soll, befindet, und wobei die Flugzeugleit- bzw. -führungsbefehle mittels der Funkverbindungseinrichtung (4) zu dem Flugzeug übertragen werden.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, 4 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquellen (1; 51) auf bzw. am Erdboden plaziert sind, während sich die elek trooptische Abfühleinrichtung (2) und der Leit- bzw. Füh rungscomputer (3) an Bord des Flugzeugs befinden.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, 4 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Umschalten der Lichtquellen (1; 51; 25), wenn das Flugzeug eine gewisse Erfassungsentfernung erreicht hat und in das Sichtfeld des Systems eingetreten ist oder vor dem, umfaßt.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, 4 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Linsensystem (8) der Abbildungseinrichtung (5) in der Lage ist, zwei oder mehr Sichtfelder zur Verfügung zu stellen, die mittels Computer steuerung gemäß den Leit- bzw. Führungsalgorithmen wählbar sind, insbesondere derart, daß auf das schmale bzw. enge Sichtfeld umgeschaltet wird, wenn das Flugzeug zu der Mitte des Sichtfelds gebracht worden ist, und dann zurück zu dem weiten Sichtfeld umgeschaltet wird, wenn sich das Flugzeug genügend genähert hat.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, 4 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquellen (1; 51) Laserdioden sind, die an oder in der Nase sowie an oder in oder nahe den Flügelspitzen des Flugzeugs montiert sind.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, 4 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquellen (1; 51; 25) leistungsstarke Weißlichtprojektoren sind.

13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das System mit mehr als drei Lichtquellen (25, 51) ausgerüstet ist, um die Winkelüber- bzw. -abdeckung zu verbessern oder Redundanz für robusten Betrieb zu erbringen.

14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, 4 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das System mit mehr als drei Lichtquellen (25, 51) als Ersatz für mehrere Sicht felder ausgerüstet ist.

15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die berechneten Leit- bzw. Füh rungsbefehle an den Autopiloten des Flugzeugs adressiert sind.

16. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die berechneten Leit- bzw. Führungsbefehle direkt an die Steuerungen des Flugzeugs adressiert sind.

17. System für die Bestimmung der räumlichen Position eines sich bewegenden Objekts und zum Führen seiner Bewe gung, dadurch gekennzeichnet, daß es als automatisches Landesystem für unbemannte Düsenjäger ausge bildet ist, und zwar zum Landen auf einer Start- und/oder Landebahn, die entweder auf dem Erdboden, auf einem Flug zeugträger oder auf einem kleineren Schiff, das gleichbedeu tend mit einer sich bewegenden Plattform ist, eingerichtet ist, und/oder zum Landen in einem Netz o.dgl., das entweder auf dem Erdboden, einem Fahrzeug oder einem Schiff hochge zogen ist.

18. System für die Bestimmung der räumlichen Position eines sich bewegenden Objekts und zum Führen seiner Bewe gung, dadurch gekennzeichnet, daß es als automatisches Landesystem für bemannte Flugzeuge auf Flug plätzen, schmalen bzw. kurzen Landestreifen, wie beispiels weise Vormarschgefechtsstart- und/oder -landestreifen, und Flugzeugträgern ausgebildet ist.