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Gebiet und
Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Systeme, um dem Piloten eines Flugzeugs
Informationen bereitzustellen, und betrifft vor allem ein System,
um einem Piloten auf der Grundlage seiner Blickrichtung ohne Verwendung
einer visuellen Anzeige ausgewählte
Informationen zur Verfügung
zu stellen. Im Zusammenhang mit einer Anwendung betrifft die Erfindung
speziell die Steuerungsschnittstelle zwischen einem Piloten und
einem Waffensystem, mit der der Pilot das Verfolgen eines Ziels
durch das Waffensystem bestimmt und überprüft.
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Die
extrem hohe Geschwindigkeit des modernen Luftkampfs geht an die
Grenzen der Fähigkeiten
eines menschlichen Piloten. Mit komplexen Flugzeuggeräten und
hochtechnischen Waffensystemen konfrontiert, muss ein Pilot Reaktionszeiten
von Sekundenbruchteilen erreichen, wenn Überschall-Flugzeuge mit Relativgeschwindigkeiten
von bis zu tausend Meilen pro Stunde aneinander vorbeifliegen. Verschiedene
Hochleistungs-zielsuchende-Luft-Luft-Raketen sind entwickelt worden, um unter
diesen Bedingungen zu arbeiten. Dennoch kann der Vorgang der Zielvoreinweisung
(Cueing) dieser Raketen und des Überprüfens, dass
sie vor dem Abfeuern auf das richtige Ziel fixiert sind, äußerst schwierig
für den
Piloten sein, vor allem wenn er gleichzeitig unter Bedingungen sich
ständig ändernder
Richtung, extremer Trägheitskräfte und
starkem Stress ein Flugzeug steuert.
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Um
die schnelle Bestimmung der Ziele zu erleichtern, wird normalerweise
ein Head-Up-Display verwendet, um die -gegenwärtige Zielvoreinweisungs-Richtung
anzuzeigen. Ein Anzeigensymbol, das die Bezugsrichtung des Raketen-Suchkopfs
darstellt, wird mit einem direkt zu sehenden Ziel in Überlagerung
gebracht, und der Suchkopf kann dann das Ziel verfolgen. Wenn der
Pilot sieht, dass das Anzeigensymbol dem betrachteten Ziel folgt,
weiß er,
dass die Zielverfolgung richtig abläuft, so dass er zum Abfeuern
der Rakete übergehen
kann.
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Viele
Systeme nach dem Stand der Technik verwenden ein am Helm montiertes
Head-Up-Display. In diesem Fall geht der Suchkopf normalerweise einer
optischen Achse des Displays nach, das sich zusammen mit dem Helm
bewegt, wobei die Helmstellung entweder durch ein magnetisches oder
ein optisches System überwacht
wird. Die Zielvoreinweisung wird durch den Piloten mittels Drehens
seines Kopfs und daher des Helms durchgeführt, um die optische Achse
auf das Ziel auszurichten. Beispiele für diese Systeme sind u.a. von
Elbit Ltd. (Israel) und Comulus (Südafrika) erhältlich.
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Trotz
der großen
technologischen Fortschritte, die im Zusammenhang mit der Implementierung der
am Helm angebrachten Displays und Zielvoreinweisungs-Systeme gemacht
wurden, bestehen bei diesen Systemen, wie im folgenden detailliert
beschrieben, weiterhin viele Nachteile.
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Als
erstes erhöhen
die im Helm installierten Komponenten in großem Maße das Gewicht des Helms. Dieses
Gewicht wird unter Hochbeschleunigungsbedingungen um ein Vielfaches
multipliziert und wird zu einer Hauptursache für Ermüdung und Belastung des Piloten.
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Als
zweites erfordern diese Systeme allgemein die Ausrichtung der optischen
Achse des Helms mit dem zu bestimmenden Ziel. Dies schränkt den Betrieb
des Systems auf den Winkelbereich der Helmbewegung, den der Pilot
erreichen kann, ein. Dieser Bereich ist normalerweise kleiner als
das tatsächliche
Blickfeld sowohl des Piloten als auch des Suchkopfs der Luft-Luft-Raketen,
wodurch die Leistung unnötig
eingeschränkt
wird. Darüber
hinaus kann die Bewegung des Kopfes zusammen mit dem schweren Helm
in den erforderlichen Winkel unter Hochbeschleunigungsbedingungen
große
Anstrengungen erfordern und eine bedeutende Verzögerung im Zielvoreinweisungs-Vorgang
bewirken.
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Als
drittes benötigt
das am Helm montierte Display nor malerweise sehr wesentliche Verbindungen
zwischen dem Helm und anderen Vorrichtungen im Flugzeug. Diese Verbindungen
schließen
allgemein eine bedeutende Stromversorgung und elektrische und/oder
optische Fasern ein, um projizierte Informationen für das Display
zu transportieren. Diese Anschlüsse
stellen eine erhebliche Gefahr für
den Piloten dar, vor allem in Hinblick auf Auslösung des Schleudersitzes, wo
eine besondere Schneidevorrichtung benötigt wird, um die Anschlüsse in einem Notfall
durchzutrennen. Der Anschluß einer
Hochspannungsleitung an das Innere des Helms wird ebenfalls als
besonderes Risiko angesehen.
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Schließlich ist
der Einbau eines am Kopf angebrachten Displays und eines Zielvoreinweisungs-Systems
in Flugzeugsysteme ein sehr teures Projekt, das die Anpassung zahlreicher
Untersysteme mit allen komplizierten Sicherheits- und Zuverlässigkeitsauswertungsabläufen usw.,
die dies mit sich bringt, erfordert.
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Zusätzlich zur
spezifischen Aufgabe der Zielvoreinweisung und der Überprüfung der
richtigen Zielverfolgung von Waffensystemen schließen moderne
Flugzeuge mehrere Informationssysteme ein, die in vielen Fällen Informationen
erzeugen, die für den
Piloten sichtbare Objekte oder Orte betreffen. Diese Systeme schließen normalerweise
Radar- und Navigationssysteme verschiedener Art und auch Datensysteme
ein. In vielen Fällen
werden DataLink-(DL)-Systeme bereitgestellt, die eine umfassende
Informationsvielfalt, wie beispielsweise die Identifizierung eines
anderen Flugzeugs als feindlich oder freundlich, die Identifizierung
des Flugzeugtyps und sogar die Informationen bezüglich der Bewaffnung des Flugzeugs,
bieten. Die die Navigation betreffende Information schließt normalerweise
die Identität verschiedener
sichtbarer Landmarken, wie beispielsweise Berge oder Städte, ein.
Handelsübliche
Beispiele für
diese Systeme in den Vereinigten Staaten schließen die Systeme ein, die unter
den Namen "Link4" und "Link16" bekannt sind. In
vielen Fällen wäre es sehr
vorteilhaft, diese Information auf einem Head-Up-Display bereitzustellen,
so dass sie auf intuitive Weise visuell mit dem Blickfeld des Piloten
verbunden werden würde.
Dies kann jedoch nur über
ein nützliches
Blickfeld erreicht werden, indem ein am Helm angebrachtes Display
mit allen zuvor erwähnten
Nachteilen verwendet wird.
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Sich
jetzt dem Gebiet der Augenbewegungs-Verfolgung zuwendend, wurden
verschiedene Techniken entwickelt, um die Blickrichtung des menschlichen
Auges zu identifizieren. Beispiele für eine Reihe handelsüblicher
Systeme zum Verfolgen der Augenbewegungen sind bei ASL Applied Science
Laboratories (Bedford, MA, U.S.A.) erhältlich.
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Das
U.S.-Patent Nr. 5,583,795 von Smyth offenbart ein am Helm montiertes
Gerät zum
Messen der Blickrichtung während
ein am Helm angebrachtes Display bereitgestellt wird. Es wird kurz
-auf die Möglichkeit
der Verwendung des Geräts
zum "Kennzeichnen
von Zielen" und "Positionieren von
Waffensystemen" Bezug
genommen. Bei einem solchen System würden jedoch immer noch die
meisten der zuvor erwähnten
Nachteile bestehen bleiben, die mit den am Helm angebrachten Displaysystemen
verbunden sind.
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Es
besteht daher ein Bedarf an einem Blick-betätigten Informationssystem,
das die schnelle und zuverlässige
Zielvoreinweisungs- und Zielverfolgungsüberprüfung von Luft-Luft-Raketen erleichtern würde, ohne
dass der Pilot seinen Kopf drehen muss und ohne dass wesentliche
zusätzliche
Anschlüsse oder
teure Modifikationen von Flugzeugsystemen erforderlich sind. Es
wäre daher äußerst vorteilhaft,
ein Verfahren zum Bereitstellen von Informationen zur Verfügung zu
stellen, einschließlich
der Bestätigung, dass
ein Waffensystem auf ein sichtbares Ziel fixiert ist, ohne dass
die Verwendung einer visuellen Anzeige erforderlich ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Blick-betätigtes Informationssystem und
-verfahren, das mit verschiedenen Blickrichtungen innerhalb eines
Blickfelds verknüpfte
Informationen bereitstellt. Neben anderen Anwendungen können das
System und das Verfahren verwendet werden, um ohne die Verwendung
einer visuellen Anzeige zu bestätigen,
dass ein Waffensystem auf ein sichtbares Ziel fixiert ist. Dies ermöglicht,
dass die am Helm angebrachten Teile des Systems als leichtgewichtige
Komponenten implementiert werden, wodurch der Helm viel leichter und
benutzerfreundlicher wird als Systeme mit am Helm montierten Displays.
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, um
einen Piloten mit Informationen zu versorgen, die mit mindestens
einem Bereich eines für
den Piloten aus dem Cockpit sichtbaren Blickfelds verknüpft sind,
ohne eine visuelle Anzeige zu erfordern, wobei das Verfahren folgende
Schritte umfasst: (a) das Bestimmen einer Augen-Blickrichtung relativ
zu einem gegebenen Bezugsrahmen für mindestens ein Auge des Piloten; (b)
das Bestimmen einer Bezugsrichtung relativ zum gegebenen Bezugsrahmen;
(c) das Vergleichen der Augen-Blickrichtung mit der Bezugsrichtung;
und (d) wenn die Augen-Blickrichtung und die Bezugsrichtung innerhalb
eines bestimmten Genauigkeitsgrads gleich sind, das Erzeugen einer
für den
Piloten hörbaren
Audioausgabe, die auf die mit der Bezugsrichtung verknüpfte Informationen
hinweist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht die Bezugsrichtung
einer Richtung eines Waffensystems auf ein Ziel, auf das das Waffensystem
fixiert ist, so dass die Audioausgabe die Bestätigung liefert, dass das Waffensystem
auf ein Ziel fixiert ist, auf das der Pilot gegenwärtig blickt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht die Bezugsrichtung
einer Richtung vom Cockpit auf ein freundliches Flugzeug, so dass
die Audioausgabe darauf hinweist, dass ein Flugzeug, auf das der
Pilot gegenwärtig schaut,
freundlich ist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht die Bezugsrichtung
einer Richtung vom Cockpit auf ein feindliches Flugzeug, so dass
die Audioausgabe anzeigt, dass ein Flugzeug, auf das der Pilot gegenwärtig blickt,
feindlich ist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht die Bezugsrichtung
einer Richtung vom Cockpit auf eine Landmarke, so dass die Audioausgabe
Informationen bereitstellt, die die Landmarke betreffen, auf die
der Pilot gegenwärtig
blickt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht der gegebene
Genauigkeitsgrad einer maximalen erlaubten Winkeldiskrepanz zwischen
der Augen-Blickrichtung und der Bezugsrichtung, wobei die maximale
erlaubte Diskrepanz einen kleineren Wert als 5° und vorzugsweise einen kleineren
Wert als 2° hat.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt die Bestimmung
einer Augen-Blickrichtung folgendes ein: (a) die Verwendung eines
am Helm montierten Systems, um die Richtungsinformation abzuleiten,
die eine relative Augen-Blickrichtung mindestens eines Auges des
Piloten im Verhältnis
zu einem vom Pilot getragenen Helm betrifft; (b) das Übertragen
der Richtungsinformation über
eine schnurlose Kommunikationsverbindung an eine Empfängereinheit;
(c) das Ableiten der eine Position des Helms in einem Cockpit betreffenden
Positionsinformation; und (d) das Verarbeiten der Richtungsinformation
und der Positionsinformation, um die Augen-Blickrichtung relativ
zu einem mit dem Cockpit verknüpften
Bezugsrahmen abzuleiten.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden das am Helm montierte System
und ein am Helm montierter Abschnitt der schnurlosen Kommunikationsverbindung
mittels Verwendung elektrischer Niederleistungskomponenten implementiert,
die ausschließlich
von mindestens einer am Helm montierten Batterie betrieben werden.
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung wird auch ein Blick-betätigtes Informationssystem
bereitgestellt, um einem Piloten Informationen zu liefern, die mit
mindestens einem Bereich eines Blickfelds zusammenhängen, das
der Pilot vom Cockpit aus sehen kann, ohne eine visuelle Anzeige
zu benötigen,
wobei das System folgendes umfasst: (a) ein Blickrichtungsbestimmungssystem,
das im Cockpit angebracht und aufgebaut ist, um eine gegenwärtige Blickrichtung
des Piloten relativ zum Cockpit zu bestimmen; (b) ein mit dem Blickrichtungsbestimmungssystem
verknüpftes
Richtungskorrelationssystem, das aufgebaut ist, um die gegenwärtige Blickrichtung
mit mindestens einer Bezugsrichtung zu vergleichen und um ein Korrelationssignal
zu erzeugen, wenn die gegenwärtige
Blickrichtung innerhalb einer vorab bestimmten Fehlergrenze gleich
mit der Bezugsrichtung ist; und (c) ein mit dem Richtungskorrelationssystem
verknüpftes
Audioausgabesystem, das aufgebaut ist, um auf das Korrelationssignal
zu reagieren, um eine für
den Piloten hörbare
Audioausgabe zu erzeugen, die die Bezugsrichtung betreffende Informationen
liefert.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird auch ein Waffensystem
bereitgestellt, das einen Suchkopf einschließt, der einem Ziel folgt, wobei
das Waffensystem eine aktuelle Zielrichtung erzeugt, die der Richtung
des Suchkopfs auf das verfolgte Ziel entspricht, wobei das Richtungskorrelationssystem
mit dem Waffensystem verknüpft
und aufgebaut ist, um die gegenwärtige
Zielrichtung als eine der Bezugsrichtungen zu verwenden, so dass,
wenn der Pilot in Richtung Ziel blickt, das Audioausgabesystem eine
Audioausgabe erzeugt, die anzeigt, dass das gegenwärtig betrachtete Ziel
verfolgt wird.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt das Blickrichtungsbestimmungssystem
folgendes ein: (a) ein am Helm angebrachtes System, das aufgebaut
ist, um eine relative Richtungsinformation abzuleiten, die eine
relative Augen-Blickrichtung
mindestens eines Auges des Piloten relativ zu einem vom Piloten
getragenen Helm betrifft, und (b) ein Helmpositionierungssystem,
das aufgebaut ist, um die Positionsinformation abzuleiten, die eine
Position des Helms innerhalb des Cockpits betrifft.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt das Blickrichtungsbestimmungssystem
weiterhin einen Sender ein, der angebracht ist, um ein Funksignal
zu übertragen,
das die Information vom am Helm installierten System enthält.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden das am Helm angebrachte System
und der Sender implementiert, indem elektrische Niederleistungskomponenten
verwendet werden, die ausschließlich
von mindestens einer am Helm angebrachten Batterie betrieben werden.
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren bereitgestellt,
um einem Piloten ohne Verwendung einer visuellen Anzeige die Bestätigung zu
liefern, dass ein Waffen system auf ein sichtbares Ziel fixiert ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) das Bestimmen
einer Augen-Blickrichtung relativ zu einem gegebenen Bezugsrahmen
für mindestens
ein Auge des Piloten; (b) das Bestimmen einer Zielrichtung, die
die Richtung des Waffensystems auf das Ziel, auf das das Waffensystem
fixiert ist, relativ zum gegebenen Bezugsrahmen darstellt; (c) das
Vergleichen der Augen-Blickrichtung mit der Zielrichtung; und (d)
wenn die Augen-Blickrichtung und die Zielrichtung innerhalb eines
bestimmten Genauigkeitsgrads gleich sind, das Erzeugen eines vorab
bestimmten hörbaren
Signals, um zu bestätigen,
dass das Waffensystem auf ein Ziel fixiert ist, auf das der Pilot
gegenwärtig
blickt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht der bestimmte
Genauigkeitsgrad einer maximalen gestatteten Winkeldiskrepanz zwischen
der Augen-Blickrichtung und der Zielrichtung, wobei die maximale
gestattete Diskrepanz einen Wert hat, der kleiner als 5° und vorzugsweise kleiner
als 2° ist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung schließt die Bestimmung
einer Augen-Blickrichtung folgendes ein: (a) das Verwenden eines
am Helm angebrachten Systems, um die Richtungsinformation abzuleiten,
die eine relative Augen-Blickrichtung mindestens eines Auges des
Piloten relativ zu einem vom Piloten getragenen Helm betrifft; (b)
das Übertragen
der Richtungsinformation über
eine schnurlose Kommunikationsverbindung an eine Empfängereinheit;
(c) das Ableiten einer Positionsinformation, die eine Position des
Helms in einem Cockpit betrifft; und (d) das Verarbeiten der Richtungsinformation
und der Positionsinformation, um die Augen-Blickrichtung relativ
zu einem mit dem Cockpit verknüpften
Bezugsrahmen abzuleiten.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden das am Helm montierte System
und ein am Helm montierter Abschnitt der schnurlosen Kommunikationsverbindung
implementiert, indem elektrische Niederleistungskomponenten verwendet
werden, die ausschließlich
von mindestens einer am Helm angebrachten Batterie betrieben werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird hierin, rein exemplarisch, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin:
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1 ein
allgemeines Blockdiagramm ist, das die Haupt-Untersysteme eines Blick-betätigten Informationssystems
darstellt, das gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung aufgebaut und operativ ist, um einem
Piloten die Information bereitzustellen, die mit mindestens einem
Bereich eines für
den Piloten sichtbaren Blickfelds verknüpft ist;
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2 ein
detaillierteres Blockdiagramm ist, das die Hauptkomponenten einer
bevorzugten Implementierung des Systems in 1 zum Betreiben
von Luft-Luft-Raketen darstellt;
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3 eine
schematische Darstellung eines Flugzeugs ist, das das System in 2 verwendet;
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4 ein
Flußdiagramm
ist, das den Betrieb des Systems in 2 darstellt;
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5 ein
detailliertes Flußdiagramm
ist, das dem Block 68 in 4 entspricht
und ein Verfahren gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung, um einem Piloten ohne Verwendung einer
visuellen Anzeige zu bestätigen,
dass ein Waffensystem auf ein sichtbares Ziel fixiert ist, darstellt;
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6 ein
detaillierteres Blockdiagramm ist, das die Hauptkomponenten einer
erweiterten Implementierung des Systems in 1 darstellt;
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7 ein
Flußdiagramm
ist, das den Betrieb des Systems in 6 darstellt;
und
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8 eine
schematische Darstellung eines Blickfelds eines Piloten ist, das
den Betrieb des Systems in 6 darstellt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Blick-betätigtes Informationssystem und
-verfahren, das Informationen bereitstellt, die mit verschiedenen
Blickrichtungen innerhalb eines Blickfelds verknüpft sind. Neben anderen Anwendungen
können
das System und das Verfahren verwendet werden, um ohne Verwendung
einer visuel len Anzeige zu bestätigen,
dass ein Waffensystem auf ein sichtbares Ziel fixiert ist.
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Die
Grundsätze
und der Betrieb der Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind
besser zu verstehen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die
beigefügte
Beschreibung.
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Nimmt
man jetzt auf die Zeichnungen Bezug, zeigen die 1-3 und 6 ein
allgemein mit 10 bezeichnetes Blickbetätigtes Informationssystem, das
gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung aufgebaut und operativ ist, um einem
Piloten Informationen bereitzustellen, die mit mindestens einem Blickfeldbereich
verknüpft
sind, der für
den Piloten von einem Cockpit aus ohne Bedarf an einer visuellen
Anzeige sichtbar ist.
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Allgemein
gesprochen, schließt
das System ein Blickrichtungsbestimmungssystem 12 ein,
das innerhalb des Cockpits angebracht und aufgebaut ist, um eine
gegenwärtige
Blickrichtung des Piloten relativ zum Cockpit zu bestimmen. Ein
Richtungskorrelationssystem 14 ist aufgebaut, um die gegenwärtige Blickrichtung
mit mindestens einer Bezugsrichtung zu vergleichen und um ein Korrelationssignal
zu erzeugen, wenn die gegenwärtige
Blickrichtung innerhalb einer vorab bestimmten Fehlergrenze gleich
mit der Bezugsrichtung ist. Ein Audioausgabesystem 16 reagiert
auf das Korrelationssignal, um eine für den Piloten hörbare Audioausgabe
zu erzeugen, die Informationen liefert, die die Bezugsrichtung betreffen.
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Es
wird ohne weiteres erkannt werden, dass das solchermaßen definierte
System eine sehr vorteilhafte Kombination von Eigenschaften bereitstellt. Einerseits
gewährleistet
der Gebrauch der Blickrichtung zum Identifizieren von Objekten,
zu denen der Piloten Informationen haben will, dass die Informationen
auf intuitive Weise die gegenwärtig
vom Piloten gesehene Umgebung betreffen. Da die Information als
Audioausgabe bereitgestellt wird, können gleichzeitig die zuvor
erwähnten
Probleme, die mit am Helm installierten Displays verbunden sind,
vermieden werden. Diese und weitere Vorteile des Systems und des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den Zeichnungen klarer.
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Als
nicht einschränkende
Beispiele wird die Erfindung im Kontext zweier Implementierungen
beschrieben. Eine erste bevorzugte Implementierung, die in den 2-5 detailliert
dargelegt wird, veranschaulicht eine Anwendung des Systems und des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung auf ein bestimmtes Waffensteuerungssystem,
das mit minimaler Integration in bestehenden Flugzeugsystemen implementiert
werden kann. Eine zweite bevorzugte Implementierung, die detailliert
in den 6-8 dargestellt wird, betrifft
eine Erweiterung des Systems und des Verfahrens der Erfindung mittels
der Integration in die Flugzeugsysteme, um einen zusätzlichen Informationsumfang
bereitzustellen, und zwar vorzugsweise zusätzlich zum Anbieten aller Merkmale der
Implementierung in den 2-5.
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Wendet
man sich jetzt den 2-5 zu, wird
eine Implementierung des Systems 10 zum Steuern eines Waffensystems 18,
vor allem eines Luft-Luft-Raketensystems, mittels eines Zielverfolgungssuchkopfs 20 und
einer Abschussvorrichtung 22 gezeigt. Das Waffensystem 18 erstellt
eine aktuelle Zielrichtung, die der Richtung vom Suchkopf 20 zu einem
aktuell verfolgten Ziel entspricht. In diesem Fall ist es ein besonders
bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Richtungskorrelationssystem 14 aufgebaut
ist, um die gegenwärtige Zielrichtung
als Bezugsrichtung zu verwenden, so dass, wenn der Pilot auf das
Ziel blickt, das Audioausgabesystem eine Audioausgabe erzeugt, die
anzeigt, dass das gegenwärtig
betrachtete Ziel verfolgt wird.
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Die
verschiedenen Systeme in 1 werden normalerweise als Kombinationen
von Komponenten implementiert, die in zwei oder mehr physische Einheiten
unterteilt werden können.
So werden in der 2 die Komponenten, die zusammen
das Blickrichtungsbestimmungssystem 12 ausmachen, in ein am
Helm installiertes System 24 und ein im Cockpit installiertes
System 26 unterteilt. Genauer schließt das am Helm montierte System 24 vorzugsweise
ein Augen-Zielverfolgungssystem 28 ein, das aufgebaut ist,
um relative Richtungsinformationen abzuleiten, die eine relative
Augen-Blickrichtung mindestens eines Auges und vorzugsweise beider
Augen des Piloten relativ zu einem vom Piloten getragenen Helm betreffen.
Ein Helmpositionierungssystem 30, das ganz oder hauptsächlich als
Teil des im Cockpit montier ten Systems 26 installiert ist,
ist aufgebaut, um die Positionsinformationen abzuleiten, die eine
Position des Helms innerhalb des Cockpits betreffen. Diese beiden
Informationen, die die Richtung des Blicks relativ zum Helm und
die Helmposition im Cockpit betreffen, werden von einem Prozessor 32 verarbeitet, um
die Augen-Blickrichtung relativ zu einem sich mit dem Cockpit bewegenden
Bezugsrahmen abzuleiten.
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Das
Augen-Zielverfolgungssystem 28 kann von jeder beliebigen
Art sein, die geeignet ist, auf eine Art und Weise, welche die Leistung
des Piloten nicht erheblich einschränkt, am Helm installiert zu werden.
Normalerweise schließt
das System einen durchsichtigen Reflektor ein, der vor dem Auge
positioniert wird und über
den eine Kleinbildkamera Bilder der Augenstellung aufnimmt. Die
erforderliche optische und computerbezogene Technologie ist in der Literatur
gut dokumentiert und in Handelsprodukten erhältlich. Als nicht einschränkendes
Beispiel kann das System 28 als gebrauchsfertige Handelseinheit, wie
beispielsweise ein ASL Model 501, implementiert sein, das im Handel
bei Applied Science Laboratories of Bedford, MA (USA), erhältlich ist.
In den meisten Fällen
ist es jedoch vorzuziehen, eine etwas angepaßte Einheit zu verwenden, die
kleinere Reflektoren, die in Richtung der Seiten des Gesichts installiert werden,
und an den Seiten befestigte Kompaktkameras verwendet, wodurch die
Betriebssicherheit unter Flugbedingungen verbessert und der Aufbau
stark genug gemacht wird, um Kräfte
bis zu 10G auszuhalten. Diese Anpassungen liegen innerhalb der Fähigkeiten
einer Person mit grundlegenden Fachkenntnissen.
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Ähnlich kann
das Helmpositionierungssystem 30 jeder Art von Helmpositionsmeßsystemen
angehören,
einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf Magnetsysteme und optische Systeme, die aktive und/oder passive
Marker verwenden. Optische Systeme werden im allgemeinen aufgrund
ihrer Zuverlässigkeit,
Einfachheit und ihres leichten Helmgewichts bevorzugt. Ein Beispiel
für ein
geeignetes Helmpositionierungssystem ist das Guardian Helmet Tracker
System, das im Handel bei Cumulus (Südafrika) erhältlich ist.
Beispiele für
allgemeine Raummeßsysteme
aller drei zuvor erwähnten
Arten (magnetisch, aktiv optisch und passiv optisch) sind im Handel
bei NDI Northern Digital Inc. in Waterloo, Ontario (Kanada), erhältlich.
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Wie
zuvor erwähnt,
ist es ein besonderes Merkmal der bevorzugten Implementierungen
der vorliegenden Erfindung, dass sie ohne eine am Helm montierte
Anzeige in einem leichtgewichtigen Helm installiert werden können. Dies
schließt
die Notwendigkeit schwerer Anzeigekomponenten und elektrischer Hochspannungsanschlüsse am Helm
aus. Strom an das Augen-Zielverfolgungssystem 28 und eine
Ausgabe davon können
wahlweise in Form einer Niederspannungs-Gleichstrom- bzw. Hochfrequenzsignalmodulation
auf der bereits existierenden Nachrichtenverdrahtung zum Helm übertragen
werden, wie es im Fachgebiet der Signalverarbeitung bekannt ist.
In einer stärker
bevorzugten Implementierung werden jedoch die Vorteile der vorliegenden
Erfindung verbessert, indem ein drahtloses Nachrichtensystem benutzt
wird, um Daten vom Augen-Zielverfolgungssystem 28 zum im
Cockpit installierten System 26 zu übertragen. Genauer schließt das am Helm
angebrachte System 24 vorzugsweise einen Sender 34 ein,
während
das im Cockpit installierte System 24 vorzugsweise einen
entsprechenden Empfänger
oder Transceiver 36 einschließt. Der Sender und der Transceiver
arbeiten vorzugsweise mittels Verwendung einer Kurzstrecken-Funkfrequenzverbindung.
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Damit
das am Helm montierte System völlig unabhängig von
Drahtverbindungen wird, werden das Augen-Zielverfolgungssystem 28 und
der Sender 34 vorzugsweise mittels Verwendung elektrischer Niederleistungskomponenten
implementiert, die ausschließlich
von mindestens einer am Helm montierten Batterie 38 betrieben
werden. Ein solches Niederleistungs-, batteriebetriebenes System
erfordert eine weitere Anpassung der oben erwähnten handelsüblichen
Systeme. Dieser Anpassung, die innerhalb der Möglichkeiten einer Person mit
grundlegenden Fachkenntnissen liegt, kann die Technologie zugrundeliegen,
die beispielsweise in der von Given Imaging Ltd. in Yokneam (Israel)
entwickelten Einweg-Bildsynthesekapsel verwendet wird, die eine
Videokamera und einen Sender zum Ausgeben einer medizinischen Diagnose-Bildsynthese des
Magen-Darm-Trakts einschließt.
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Das
Richtungskorrelationssystem 14 wird normalerweise als ein
Prozessor implementiert, der eine Blickrichtungsinformation vom
Prozessor 32 und eine Bezugsrichtungsinformation vom Waffensystem 18 empfängt. In
der hier gezeigten bevorzugten Implementierung wird das Richtungskorrelationssystem mittels
Verwendung zusätzlicher
Softwaremodule in demselben Prozessor 32 implementiert,
wie er für das
Blickrichtungsbestimmungssystem benutzt wird.
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Das
Audioausgabesystem 16 wird mittels Verwendung eines Audiosystems 40 implementiert, das
entweder ein dediziertes System oder ein Teil eines bestehenden
Audiosystems zur Bereitstellung einer Funkübertragung oder dergleichen
an den Piloten sein kann. In beiden Fällen muss der Klang dem Piloten
normalerweise über
den bereits existierenden Kopfhörer
(nicht gezeigt) bereitgestellt werden, um Lärm aus der Umgebung zu übertönen. Abhängig von
der bereitzustellenden Art der Information (wird unten erörtert) kann
das Audioausgabesystem 16 Reinton-Generatoren einschließen oder
mit Sprachmitteilungs-Fähigkeit,
wie beispielsweise durch die Bereitstellung eines Stimmsynthesizers
oder im voraus aufgezeichneter Nachrichten, ausgestattet sein. Die
vom Audioausgabesystem benötigten
Verarbeitungsfunktionen können
als unabhängiger
Prozessor innerhalb des Audiosystems 40 bereitgestellt
oder in den Prozessor 32 integriert werden, wie für Personen mit
grundlegenden Fachkenntnissen offensichtlich sein wird.
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Wie
zuvor erwähnt,
wird die Implementierung in 2 vorzugsweise
mit einer minimalen Integration in bestehende Flugzeugsysteme ausgeführt. Zu
diesem Zweck schließt
das System vorzugsweise eine Waffensystemeinheit 42 ein,
die mit jedem Waffensystem 18 verknüpft ist, um Suchkopfrichtungsinformationen
ohne die Nutzung der Elektroniksysteme im Flugzeug direkt vom Waffensystem
an das im Cockpit installierte System 26 zu vermitteln.
So wird die Waffensystemeinheit 42 hierin mit einer Steuerschnittstelle 44 gezeigt,
die verbunden ist, um Informationen vom Suchkopf 20 zu
empfangen, und einem Transceiver 46, um die Zielrichtungsinformation an
einen im Cockpit installierten Transceiver zu übertragen. Im hierin dargestellten
bevorzugten Fall ist die verwendete Kommunikationsverbindung von ähnlicher
Art wie diejenige zwischen dem am Helm installierten System und
dem im Cockpit installierten System, wodurch es ermöglicht wird,
einen einzigen Transceiver 36 für beide Verbindungen zu verwenden.
Alternativ kann ein unabhängiger
drahtloser Anschluß,
wie beispielsweise eine Sichtlinien-IR-Kommunikationsverbindung, bevorzugt
werden.
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Wahlweise
kann zusätzlich
eine Steuerschnittstelle 44 mit der Abschussvorrichtung 22 verbunden
werden, um den Abschuss der Rakete auszulösen. Alternativ kann das Abschusssteuersystem ein
herkömmliches
System sein, das mit Hilfe der vorhandenen Flugzeugsysteme und unabhängig von den
hierin beschriebenen Systemkomponenten arbeitet.
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Es
wird erkannt werden, dass das hier beschriebene System unabhängig von
den Hauptelektroniksystemen des Flugzeugs ist. Genauer wird die einzige
erforderliche elektronische Integration direkt mit dem Suchkopf
des Waffensystems unabhängig von
den Flugzeugsystemen durchgeführt.
Da alle Richtungen relativ zu einem sich mit dem Flugzeug bewegenden
Bezugsrahmen gemessen werden, kann eine Verbindung mit den Navigationssystemen des
Flugzeugs vermieden werden. Die übrigen
Verbindungen können
auf einfache elektrische Anschlüsse
an den Audio-Kopfhörer
des Piloten und die Stromversorgungen 48, 50 für die Waffensystemeinheit 42 bzw.
das im Cockpit installierte System 26 beschränkt werden.
Wahlweise können
eine oder beide Stromversorgungen 48, 50 ihrerseits
als batteriebetriebene Einheiten implementiert sein, wodurch die Zahl
der Verbindungen weiter reduziert wird. In einer weiteren Option
stellen viele bestehende Flugzeugsysteme eine elektrische Audioverbindung
von einem Signalgenerator innerhalb des Raketenträgers zum
Kopfhörer
des Piloten für
Signale bereit, die auf der Grundlage der Ausgaben von der Rakete
erzeugt werden. In diesen Systemen kann das Audiosystem 40 innerhalb
einer Waffensystemeinheit 42 implementiert werden, indem
geeignete Ausgaben für
den bestehenden Signalgenerator bereitgestellt werden. Dies kann
auch eine weitere Vereinfachung des Systems ermöglichen, indem das Erfordernis
einer bidirektionalen drahtlosen Übertragung zwischen dem im
Cockpit installierten System 26 und, der Waffensystemeinheit 42 vermieden
wird; so dass der Transceiver 46 durch einen Empfänger ersetzt
werden kann. Diese verschiedenen Optionen machen das System als
Nachrüstungs-Zusatz
für ein
vorhandenes Flugzeug besonders zweckmäßig.
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3 zeigt
schematisch die verschiedenen Komponenten des Systems in 2,
wie sie in einem Flugzeug 52 eingesetzt werden, das Luft-Luft-Raketen 54 mit
sich führt.
Der Helm 56 des Piloten trägt das am Helm montierte System
einschließlich
des Augen-Zielverfolgungssystems 28 und des Senders 34 sowie
eine Reihe optischer Markierungen 58 für den Gebrauch durch das Helmpositionierungssystem.
Nahe beim Piloten ist das im Cockpit installierte System 26 angebracht,
das in mehrere Einheiten unterteilt sein kann und bei dem verschiedene
Komponenten abhängig
von verschiedenen Aufbauerwägungen
(z. B. der Geometrie des optischen Helmpositionierungssystems, Sichtlinie
für die
Kommunikationsverbindung mit den Waffensystemeinheiten 42 usw.)
doppelt vorhanden sein können.
Das im Cockpit installierte System 26 befindet sich mit
einer Waffensystemeinheit 42 in Verbindung, die mit jeder
Rakete 54 verknüpft
ist. Es wird erkannt werden, dass diese Darstellung sehr schematisch
ist und nicht die tatsächliche
Größe, Form
oder Positionierung der verschiedenen Komponenten implizieren soll.
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Der
Betrieb des Systems in den 2 und 3 wird
in den 4 und 5 dargestellt. Spezifisch auf 5 Bezug
nehmend, arbeitet das Blickrichtungssystem, wenn das System initialisiert
wird (Schritt 60), vorzugsweise als Eingabesystem, eine Zielvoreinweisungs-Richtung
bereitstellend, auf die der Suchkopf 20 gerichtet wird.
Diese Funktion wird vorzugsweise auch als Reaktion auf die Informationen,
die vom im Cockpit installierten System 26 übertragen
werden, von der Steuerschnittstelle 44 durchgeführt. Das
Ergebnis ist, dass der Suchkopf effektiv auf die Blickrichtung des
Piloten fixiert wird und seinem Blick zu jedem Gegenstand folgt,
auf den er gegenwärtig
blickt.
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Sobald
dieses System einsatzfähig
ist, wird das Verfahren der Zielbestimmung sehr einfach und intuitiv.
Der Pilot blickt zunächst
auf ein bestimmtes Ziel (Schritt 62), wodurch der Suchkopf
auf das Ziel ausgerichtet wird, und bestimmt das Ziel (Schritt 64), beispielsweise
durch das Drücken
eines Steuerknopfs. Dies löst
den Suchkopf von der Blickrichtung, womit ihm ermöglicht wird,
das Ziel unabhängig
zu verfolgen. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt das Audiosystem 40 vorzugsweise
ein erstes hörbares
Signal (Schritt 66), um dem Piloten anzuzeigen, dass sich der
Suchkopf auf ein Ziel fixiert hat und damit fortfährt, es
zu verfolgen.
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Zu
diesem Zeitpunkt muss der Pilot, nachdem das Ziel bestimmt wurde, überprüfen, ob
sich der Suchkopf auf den richtigen Gegenstand fixiert hat (Schritt 68),
bevor er sicher zum Abfeuern der Rakete schreiten kann (Schritt 70).
In Systemen, die ein am Helm installiertes Head-Up-Display haben,
würde diese Überprüfung. normalerweise
durchgeführt,
indem ein auf das Blickfeld des Piloten überlagerte Zielverfolgungssymbol
angezeigt würde,
das auf die Richtung des gegenwärtig
verfolgten Ziels deuten würde.
Es ist ein besonders bevorzugtes Merkmal des Systems und Verfahrens
der vorliegenden Erfindung, dass diese Überprüfung schnell und zuverlässig durchgeführt werden
kann, ohne eine am Helm installierte Anzeige zu erfordern, wie jetzt
mit Bezug auf 5 beschrieben wird.
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Genauer
schließt
der Überprüfungsschritt 68 folgendes
ein: die Bestimmung der Augen-Blickrichtung relativ zu einem gegebenen
Bezugsrahmen für mindestens
ein Auge des Piloten (Schritt 72), die Bestimmung einer
Zielrichtung, die die Richtung relativ zum gegebenen Bezugsrahmen
vom Waffensystem zum Ziel darstellt, auf das das Waffensystem fixiert
ist (Schritt 74), und den Vergleich der Augen-Blickrichtung
mit der Zielrichtung (Schritt 76). Wenn die Augen-Blickrichtung
und die Zielrichtung innerhalb eines bestimmten Genauigkeitsgrads
gleich sind, d. h. wenn der Pilot zur Zeit auf das Ziel blickt,
das verfolgt wird, wird ein vorab bestimmtes hörbares Signal erzeugt, um zu
bestätigen,
dass das Waffensystem auf das Ziel fixiert ist, auf das der Pilot
gegenwärtig
blickt (Schritt 78).
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Es
wird ohne weiteres ersichtlich, dass dieses Überprüfungsverfahren den Erfordernissen
eines Luft-Luft-Kampfes sehr gut entspricht. Die hörbaren Signale
können
einfache Töne
sein, die selbst unter Bedingungen großer Belastung sofort ver ständlich sind.
Der ganze Überprüfungsschritt
findet normalerweise in einem kleinen Sekundenbruchteil statt, indem
einfach flüchtig
auf das Ziel geblickt wird. Und dadurch, dass die am Helm installierte
Anzeige entbehrlich ist, wird die physische Belastung des Piloten reduziert
und das Sicherheitsniveau für
ihn verbessert.
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Das
Kriterium für
die Korrelation entspricht vorzugsweise einer maximal erlaubten
Winkeldiskrepanz zwischen der Augen-Blickrichtung und der Zielrichtung von
weniger als 5° und
am stärksten
bevorzugt von weniger als 2°.
Dies ist normalerweise mehr als genug, um die gesamte Summe aller
Fehler von den verschiedenen Meßsystemen
und vom Suchkopf zu berücksichtigen.
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Wendet
man sich jetzt den 6-8 zu, wird
eine zweite Implementierung des Systems in 1 gezeigt,
in der das System in das Flugzeuginformationssystem integriert ist,
um einen zusätzlichen
Informationsumfang bereitzustellen. Der Aufbau und Betrieb des Systems ähnelt weitestgehend dem
der 2-5, wobei äquivalente Elemente ähnlich markiert
werden.
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Wie
zuvor erwähnt,
bieten bestimmte moderne Flugzeugsysteme eine große Informationsvielfalt von
verschiedenen Quellen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf
Radar 80, Navigationssystemen 82, Waffensystemen 18 und
verschiedenen anderen Informationssystemen und -eingaben 84.
Indem diese Informationen für
den Prozessor 32 verfügbar
gemacht werden, wird es möglich,
diese Informationen in hörbarer
Form als Reaktion auf die Blickrichtung des Piloten und diese betreffend
bereitzustellen.
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Anders
als die Implementierung in den 2-5 berechnet
diese Implementierung vorzugsweise die Blickrichtung des Piloten
in einem sich nicht mit dem Flugzeug bewegenden Bezugsrahmen, um
die Integration einer größeren Bandbreite von
Informationsquellen zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck empfängt
der Prozessor 32 vorzugsweise Eingaben von den verschiedenen
Navigationssystemen, die die Lage und die Position des Flugzeugs
betreffen. Diese Systeme sind typischerweise die normalen Navigationssysteme
des Flugzeugs, die ein Trägheits-Navigationssystem,
GPS, Neigungssensoren und andere Vorrichtungen einschließen können und per
se keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden. Die Blickrichtungsberechnung
wird solchermaßen eine
Funktion der Flugzeugposition zusätzlich zur relativen Richtung
des Blicks im Verhältnis
zum Helm und zur relativen Position des Helms im Cockpit. Die resultierende
Richtung wird vorzugsweise als ein Vektor in einem geo-stationären Bezugsrahmen
dargestellt, so dass sie ohne weiteres mit Örtlichkeiten verglichen werden
kann, die geographisch am Boden oder im Himmel bestimmt werden.
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Der
Betrieb des Systems gleicht dem zuvor beschriebenen Verfahren. Genauer
bestimmt das System, mit Bezug auf 7, als erstes
eine Augen-Blickrichtung relativ zu einem gegebenen Bezugsrahmen
für mindestens
ein Auge des Piloten (Schritt 88) und eine Bezugsrichtung
relativ zum gegebenen Bezugsrahmen (Schritt 90). Die Bezugsrichtung
wird so ausgewählt,
dass sie einem Blickfeldbereich des Piloten entspricht, mit dem
bestimmte Informationen verknüpft
sind. Das System vergleicht dann die Augen-Blickrichtung mit der
Bezugsrichtung (Schritt 92) und erzeugt, wenn die Augen-Blickrichtung
und die Bezugsrichtung innerhalb eines bestimmten Genauigkeitsgrads
gleich sind, eine für
den Piloten hörbare
Audioausgabe, welche die mit dieser Bezugsrichtung verknüpften Informationen
anzeigt (Schritt 94).
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Die
Funktion wird im Bild in 8 dargestellt, die die Position
eines Helms 56 und des Systems 10 der Erfindung
im Verhältnis
zu einem Blickfeld 102 des Piloten zeigt. Das Blickfeld
schließt
verschiedene charakteristische Objekte ein, einschließlich feindlicher
Flugzeuge 104, freundliche Flugzeuge 106 und geographischer
Landmarken, wie beispielsweise einer Stadt 108 und eines
Bergs 110. Die Informationen zur Position dieser verschiedenen
Objekte werden dem Prozessor 32 von verschiedenen Quellen zur
Verfügung
gestellt, so dass für
jedes Objekt eine durch eine gestrichelte Linie dargestellte Bezugsrichtung
berechnet werden kann. Die eigentliche Blickrichtung des Piloten,
die durch eine durchgezogene Linie dargestellt wird, bewegt sich
frei innerhalb des Blickfelds. Wenn sie mit einer der Bezugsrichtungen ausgerichtet
ist, stellt das System 10 Informationen, die diesen Blickfeldbereich
betreffen, normalerweise in Form einer Sprechnachricht, bereit.
Wenn auf ein feindliches Flugzeug 104 geblickt wird, kann
das System somit alle Informationen bereitstellen, die das Flugzeug
betreffend verfügbar
sind, wie beispielsweise die Tatsache, dass es möglicherweise feindlich ist, den
Flugzeugtyp und seine Bewaffnung (dies wird z. B. aus einer Kombination
seiner Radarkennung und Tabellen für Flugzeugspezifikationen abgeleitet). Wenn
auf ein freundliches Flugzeug geschaut wird, kann das System es
als solches identifizieren (z. B. auf der Grundlage eines codierten
Markierungssignals usw.), um eine möglicherweise gefährliche
Verwechslung zu vermeiden. Wenn auf eine Stadt oder einen Berg geblickt
wird, kann das System die Landmarke identifizieren, um die Navigation
zu erleichtern.
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Während des
aktiven Luftkampfs stellt das System vorzugsweise zusätzlich zu
den oben erwähnten
Informationen die oben mit Bezug auf die 2-5 beschriebenen
Funktionen bereit. Wahlweise können
einige oder alle der nicht den Luftkampf betreffenden Informationen
während
der Auseinandersetzung zurückgehalten
werden, um alle zweitrangigen Ablenkungen zu beseitigen.
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Es
wird erkannt werden, dass die obigen Beschreibungen nur dazu da
sind, um als Beispiele zu dienen, und dass viele weitere Ausführungsformen innerhalb
des Geistes und Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, wie in
den beigefügten
Ansprüchen
definiert, möglich
sind.
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Dort,
wo in irgendeinem Anspruch erwähnte technische
Merkmale von Bezugszeichen gefolgt sind, wurden diese Bezugszeichen
nur zu dem Zweck eingeschlossen, die Verständlichkeit der Ansprüche zu erhöhen, und
dementsprechend haben solche Bezugszeichen keine einschränkende Wirkung
auf den Schutzumfang jedes Elements, das exemplarisch durch solche
Bezugszeichen gekennzeichnet ist.