WO2011051501A2 - Ausbildungssimulationssystem für drohnensysteme - Google Patents

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WO2011051501A2
WO2011051501A2 PCT/EP2010/066658 EP2010066658W WO2011051501A2 WO 2011051501 A2 WO2011051501 A2 WO 2011051501A2 EP 2010066658 W EP2010066658 W EP 2010066658W WO 2011051501 A2 WO2011051501 A2 WO 2011051501A2
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training
simulation
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André Scheufeld
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Eurosimtec Gmbh
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    • G09B9/48—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft for teaching control of aircraft, e.g. Link trainer a model being viewed and manoeuvred from a remote point

Definitions

  • the present invention relates to a drone system formation simulation system useful in the formation of drone controllers.
  • Unmanned aircraft are also commonly called drones. They are reusable flying objects that can be used for surveillance, reconnaissance, reconnaissance and armed with weapons in combat missions.
  • the term "drone” is not limited to flying objects. So there are also ground, sea and submarine drones. All of these drones are used in military, intelligence and civilian areas. In the following, reference is made by way of example to flying drones. However, this is not a limitation with respect to other drone systems, in particular not with regard to ground, sea and submarine drones.
  • a drone flies without a pilot on board and is either automated via a program or from the ground via a ground control station (BKS) Radio signals, or over
  • BKS ground control station
  • Satellite radio operated. Depending on the area of application and equipment drones can carry payloads, such. B. missiles for a military attack. Furthermore, the payloads, such. B. missiles for a military attack. Furthermore, the payloads, such. B. missiles for a military attack. Furthermore, the payloads, such. B. missiles for a military attack. Furthermore, the payloads, such. B. missiles for a military attack. Furthermore, the
  • UAV used for unmanned / uninhabited / unpiloted aerial vehicle for drones.
  • a drone system training simulation system according to claim 1. Further advantageous embodiments, details, aspects and features of the present invention
  • Fig. 1 is a training course according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2.1 is an illustration of the different speed requirements for the transmission of flight and control data between the ground control station and a real drone and between the drone simulation and the UAS-TS.
  • Fig. 2.2 is a schematic representation of the connection of drone systems to UAS-TS.
  • Fig. 3.1 is a diagram of the components involved in the simulation and their interfaces.
  • Fig. 3.2 is a diagram of the components involved in the simulation and their interfaces.
  • Fig. 4.1 is a diagram of the components involved in the simulation and their
  • Fig. 4.2 is a diagram of the components involved in the simulation and their interfaces in the connection of the LUNA system.
  • Fig. 4.3 is a detailed representation of the communication between LUSiCo and the
  • Fig. 4.3 is a realized in the training simulation UAS-TS input mask of
  • Fig. 4.4 a realized in the training simulation UAS-TS input mask of the error feed for UAVs.
  • BG2001 HMI device integrated in the LUNA-BKS integrated in the LUNA-BKS.
  • LUNA reconnaissance drone airborne unmanned reconnaissance equipment
  • UAS Unmanned Aerial System Unmanned aerial system.
  • UAS-VG-LUNA UAS-TS video interface that provides an SDI signal
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle Unmanned aerial vehicle.
  • IP Internet Protocol
  • Uplink (radio) connection from the UCS to the UAV.
  • VideoGate interface for converting the SDI signal into a BKS compatible signal.
  • the present description relates to a training simulation system "Unmanned Aerial System - Training Simulation” (short UAS-TS) for a drone system, in particular for the drone system "Airborne unmanned Nahaufêtungs equipment” (LUNA short).
  • the training system comprises an instructor workstation 10 shown in FIG. 1, which interfaces with a ground control station (BKS) for a drone and a
  • the workplace includes two separable parts, namely one Worktable 50, which is mounted for example on lockable rollers, as well as a
  • Rear wall 60 which may also be designed rollable.
  • the table unit 50 and the wall unit 60 are separable so that they are easier to transport.
  • two rows of monitors are mounted one above the other.
  • the simulated drone is shown in an external view on three first monitors 101, 102, 103, so that the instructor sees the drone in their environment from different angles.
  • this view is not available to the drone controller at the BKS, but only to the camera images supplied by the drone.
  • These are also displayed to the instructor on the second monitor row on four monitors 201, 202, 203, 204.
  • the four monitors are simply cloned by the B S to reduce the overhead.
  • the cloned BKS screens not only allow the display of the camera images, but also all other data in the UCS (map, waypoints, telemetry, etc.). As a result, the instructor also has the opportunity to observe the inputs and interactions of the operator.
  • the instructor station 10 further comprises an input unit, which according to the present embodiment, a
  • Touchpad 20 and a keyboard 30 includes. Via the touchpad 29 or via the keyboard 30, the instructor can cause certain scenarios or influence the simulation. Thus, for example, errors can be simulated via the touchpad 20, such as, for example, a telemetry failure, icing of the drone, non-triggering of the landing screen and the like. So there is an emergency checklist for drones, according to the most diverse
  • the training simulation system is set up to simulate all of these scenarios so that the operator crew of the drone can be trained for any emergencies. Furthermore, the instructor can specify a specific weather situation. This is typically done via the keyboard 30, as it may be better suited for fast input of complex data than the touchpad 20.
  • the training simulation system typically further includes a plurality of computers that may, for example, be located in a portable rack or at the workstation 10 itself.
  • the training simulation system includes a datalink server that communicates with a physical simulation engine
  • the unit delivers to Simulation of the physical flight characteristics of the drone only corresponding data that are visualized by the training simulation system.
  • the terrain data of the deployment environment are stored in a database of the training simulation system.
  • the database can be designed centrally or distributed over several computers.
  • the database includes terrain data that includes a simulation of soil, air and water
  • the training simulation system further includes a video stream server interfaced with the UCS and transmitting the drone camera views generated by the simulation to the UCS.
  • the training simulation system typically also includes an interface server that, for example, handles the input and output via the instructor location 10 input and output means.
  • the training simulation system may further include a debriefing interface that allows a debriefing of the training.
  • the debriefing unit comprises a recording means on which the training session can be recorded.
  • the debriefing unit comprises playback means for reproducing the recorded training session, the playback means typically being arranged to stop playback, rewind, rewind, jump, slow-track, etc.
  • the debriefing unit comprises a conventional video recorder. Interface so that the recording can be played back on conventional media.
  • the training station 10 includes an input unit 40, which may also be configured as a touchpad.
  • This unit 40 also referred to as Control Center, can control the functions of the training simulation system.
  • Control Center 40 allows synchronized startup and shutdown of the entire training simulation system.
  • the centralized control and display of the Control Center 40 ensures user-friendly operation and monitoring of the entire system.
  • the status of the individual data links are displayed and logged so that malfunctions can be quickly detected and eliminated.
  • the training simulation system further includes an interface whose development is modular and conforms to existing standard protocols, on the one hand the To analyze complexity and on the other hand to enable the future extension of the interface.
  • the STANAG guideline 4586 in version 2.5 is taken into account. This policy uniformly defines the interfaces, data and message formats used for communication. It gives manufacturers enough freedom to realize communication with the drone and at the same time offers you one
  • Drone system LUNA concretized as an exemplary embodiment.
  • the following section presents the data to be transmitted between UAS-TS and the drone system resulting from the analysis of the requirements.
  • connection of the training simulation system UAS-TS to a drone system should be carried out by means of a flexible and at the same time standardized interface.
  • the interface complies with the STANAG 4586 standard. This allows an effective and at the same time cost and time-favorable connection.
  • the interface is designed to allow the possibility of UAS-TS existing maps as well as satellite and overflight images
  • Figure 2.1. performs this schematically.
  • the telemetry and control data is typically transmitted at a relatively low frequency; typically one to five times a second. Only the transmission of the video signal, the cameras on board, is usually done frequently to allow a fluid representation of the area to be observed.
  • the current telemetry data of the drone When simulating a virtual drone in a training simulation, the current telemetry data of the drone, so the position, position and
  • Camera orientation data also present with a very high relevance. Only in this way are the following three things guaranteed: a) the visual representation of the drone in the virtual world is fluid and free of interruptions; b) the simulation of the camera of the drone in the virtual world - and thus the simulated view through the camera - is fluid and free of interruptions. c) a physically correct calculation.
  • Points (b) and (c) are certainly more relevant from a training point of view, as it is desirable that trainees should (almost) find no difference between using a real drone and simulating this mission in the UAS-TS.
  • the UAS-TS training simulation for each specific drone is associated with a specific drone flight calculation module that synthetically depicts the (largely physical) specifics of the drone.
  • This UAS-dependent simulation consists of the following components: - on
  • Drone simulator or autopilot simulator a physical simulator, since there is a close coupling with the autopilot simulator, whereby the physics simulator can also be outsourced to the UAS-TS; an antenna simulator; a landing net simulator; and interfaces to the UAS-TS.
  • Video presentation of the UAS-TS simulation Specifically, the camera signals of the drone cameras are transmitted here. These can be forwarded to external modules such as the ABUL system. At this point, it should again be emphasized that these two interfaces are independent of the drone used.
  • a specific drone system such as the LUNA system
  • the video signal of the UAS-TS simulation must be transmitted to the ground control station of the drone. This is u.U. a suitable one for converting the STANAG 4609 compliant video signal
  • the characteristics of the drone must be simulated. This requires the development of a drone flight calculation module that simulates, among other things, the drone's physical (flight) characteristics.
  • a drone flight calculation module that simulates, among other things, the drone's physical (flight) characteristics.
  • the drone's liquid representation in the UAS-TS computed real-time 3D rendering requires a high rate of update of the drone's position and attitude data. These must be refreshed continuously at least every 20 milliseconds.
  • FIG. 4.2 shows the schematic structure of the embodiment of a connection of the UAS-TS to the drone system LUNA.
  • the physical simulation of the LUNA was integrated.
  • the LUNA Simulation Core (LUSiCo) is connected in accordance with Figure 3.1, which is known from the last section, and results in the structure shown in Figure 4.2.
  • the following section describes the specific design of the interfaces UAS-CG-LUNA, LSGate and UAS-VG-LUNA.
  • the subsequent section discusses the details of EMT's flight calculation of the drone.
  • the communication between LSGate and UAS-CG-LUNA is realized by DLL calls and callback functions.
  • the programming language can be C ++ on both sides.
  • the data transfer from LSGate to UAS-CG-LUNA is done by LSGate controlled by the following functions lsgateGetParameter and lsgateSetParameter.
  • the first parameter specifies the addressed system by the assigned SystemID. Exactly _NumberOfParameter parameters are queried or set. For any natural number i between 0 and _NumberOfParameters, the following applies:
  • the parameter _pParameterIDs [i] specifies the ID of the desired parameter.
  • the parameter _pParameterIDs [i] specifies the ID of the desired parameter.
  • _pParameterAddress [i] specifies the memory address under which the current value of the
  • Parameters are retrieved or stored by LSGate.
  • the calling function has to ensure that sufficient memory is available. Finally, the function returns through an error code whether the call was successful.
  • the LSGate module ensures that all returned values are consistent with each other, thus providing the state of the simulation at a time step. Likewise, the thread safety is secured by the module LSGate.
  • the indication of the wind direction is in radians and as floating point with double
  • the value may be transmitted to LSGate by UAS-CG-LUNA and at least every 20ms An updated value is available for retrieval by the UAS-TS in the LSGate.
  • LUSiCo triggered events - such as the definition of a new waypoint - are transmitted by LSGate by a callback function to UAS-CG-LUNA and thus to UAS-TS.
  • a corresponding function pointer is transmitted to LSGate with the function lsgateSetEventCallback.
  • the transmission of the video data through the interface "UAS-VG-LUNA" to the ground control station takes place analogue or digitally.
  • the digital STANAG-4609-compliant output video signal of the UAS-TS is first converted by the "VideoGate” into an analogue one and then fed into the integrated DV recorder in the ground station. From there it is passed on to the individual display elements.
  • the entire distance from the UAS-TS to the display terminals of the ground control station can also be kept digital. This leads to increased image quality and fault tolerance.
  • FIG. 4.3 shows the structure of the flight calculation module of the LUNA. The main part is taken by the LUNA simulation core LUSiCo (LUNA Simulation Core). This communicates STANAG 4586 compliant via the LUSiCoGate with the UAS-CG-LUNA and thus ultimately with the simulation UAS-TS.
  • LUSiCo LUNA Simulation Core
  • this interface enables the simulation of LUNA by UAS-TS to be highly controllable and, on the other hand, the sufficiently timely transmission of flight data to the UAS-TS.
  • the actual simulation of the drone takes place in the LUSiCo through the modules "Physical Simulator (PSi)", “Autopilot Simulator (ApSis)", “Network Simulator (NGPS Simulation)", “Antenna Tracker Simulation”.
  • PSi Physical Simulator
  • ApSis Autopilot Simulator
  • NGPS Simulation Network Simulator
  • he connects to the ground control station via the DataCenter.
  • the DataCenter thus connects LUSiCo with the emergency system, the control computer, the video computer and the
  • the training simulation UAS-TS is especially designed for the training of drone and video operators. Therefore, after completed pre-flight check by The UAS-TS data entered by the operator are immediately displayed to the instructor. Since all characteristics of the drone that are relevant for the pre-flight check can be changed by the instructor, incorrect entries can be made during the flight
  • Preliminary check provoke and recognize. This affects both the pre-flight check of the card and the video computer and thus supports both the training of the controller and the image operator already in this early phase of the mission.
  • the relevant camera data such as the orientation of the camera mode and the zoom level used are transmitted to the UAS-TS via the interface.
  • the realistic simulation of the camera images generated by the LUNA makes it possible to effectively train the monitoring and reconnaissance situation.
  • the training simulation UAS-TS allows the simulation of a configurable and based on the weather forecast for UAVs weather system. This allows the consideration of weather influences on the drone's flight and the observation of the terrain by the image operators.
  • Figure 4.3 shows the dedicated input mask. The color-coded fields can be edited as part of the UAS-TS.
  • Drone systems are connected. Already in this early phase of the project the input of the weather forecast for UAVs is possible through one of these modeled input forms in UAS-TS.

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Abstract

Ein Ausbildungssimulationssystem für ein Drohnensystem umfaßt einen Ausbilderplatz (10) mit einem ersten Ausgabemittel (101, 102, 103), das eingerichtet ist, zumindest eine aktuelle Außenansicht der Drohne zu erzeugen und darzustellen, einem zweiten Ausgabemittel (201, 202, 203, 204), das eingerichtet ist, zumindest eine aktuelle Anzeige einer Bodenstation der Drohne darzustellen; sowie ein erstes Eingabemittel (20, 30), das eingerichtet ist, einen Parameter der Drohnensimulation zu verändern, wobei das Ausbildungssimulationssystem weiterhin eine erste Schnittstelle zu einem Simulationsmittel, das eingerichtet ist, die physikalischen Eigenschaften der Drohne zu simulieren, und eine zweite Schnittstelle zu einer Bodenkontrollstation, die zur Steuerung der Drohne eingerichtet ist, umfaßt.

Description

Ausbüdungssimulationssystem für Drohnensysteme
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ausbildungssimulationssystem für ein Drohnensystem, das bei der Ausbildung von Drohnensteuerern einsetzbar ist.
Unbemannte Luftfahrzeuge werden im allgemeinen auch Drohnen genannt. Sie sind wiederverwendbare Flugobjekte, die zur Überwachung, Erkundung, Aufklärung und mit Waffen bestückt in Kampfeinsätzen verwendet werden können. Der Begriff "Drohne" ist allerdings nicht auf Flugobjekte beschränkt. So gibt es auch Boden-, See- und Untersee- Drohnen. Alle diese Drohnen werden in militärischen, geheimdienstlichen und zivilen Bereichen verwendet. Im weiteren wird beispielhaft auf fliegende Drohnen Bezug genommen. Dies stellt jedoch keine Einschränkung hinsichtlich anderer Drohnensysteme, insbesondere nicht hinsichtlich Boden-, See- und Untersee-Drohnen, dar. Eine Drohne fliegt ohne einen Pilot an Bord und wird entweder automatisiert über ein Programm oder vom Boden aus mittels einer Bodenkontrollstation (BKS) über Funksignale, bzw. über
Satellitenfunk betrieben. Je nach Einsatzgebiet und Ausstattung können Drohnen Nutzlasten tragen, wie z. B. Raketen für einen militärischen Angriff. Weiterhin wird auch die
Abkürzung UAV für unmanned/uninhabited/unpiloted aerial vehicle für Drohnen verwendet.
Die Bedienung der Drohne in der Bodenstation muß selbstverständlich geübt und erlernt werden. Dabei ist es vorteilhaft, auf Simulationen zurückzugreifen, so daß kein teures Gerät gefährdet wird.
Im Hinblick auf das oben Gesagte schlägt die vorliegende Erfindung ein
Ausbildungssimulationssystem für ein Drohnensystem gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnung. In letzterer zeigt:
Fig. 1 einen Ausbildungplatz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2.1 eine Darstellung der unterschiedlichen Geschwindigkeitsanforderungen an die Übermittlung der Flug- und Steuerungsdaten zwischen der Bodenkontrollstation und einer realen Drohne und zwischen der Drohnensimulation und der UAS-TS. Fig. 2.2 eine schematische Darstellung der Anbindung von Drohnensystemen an UAS-TS.
Fig. 3.1 ein Schema der an der Simulation beteiligten Komponenten und deren Schnittstellen.
Fig. 3.2 ein Schema der an der Simulation beteiligten Komponenten und deren Schnittstellen.
Fig. 4.1 ein Schema der an der Simulation beteiligten Komponenten und deren
Kommunikation im UAS-TS Prototypen.
Fig. 4.2 ein Schema der an der Simulation beteiligten Komponenten und deren Schnittstellen bei der Anbindung des LUNA-Systems.
Fig. 4.3 eine detaillierte Darstellung der Kommunikation zwischen LUSiCo und den
Komponenten der Bodenkontrollstation LUNA.
Fig. 4.3 eine in der Ausbildungssimulation UAS-TS realisierte Eingabemaske der
Wettervorhersage für UAVs.
Fig. 4.4 eine in der Ausbildungssimulation UAS-TS realisierte Eingabemaske der Fehler- Einspeisung für UAVs.
Im weiteren werden die folgenden Abkürzungen verwendet, deren Bedeutung hier angegeben ist:
ABUL Automatisierte Bildauswertung am Beispiel UAV LUNA.
BG2001 In der LUNA-BKS integriertes Bediengerät.
BKS Bodenkontrollstation
DataCenter Schnittstelle zwischen der LUSiCo und der LUNA-BKS.
Downlink (Funk-) Verbindung von dem UAV zur BKS.
DV Digitales Video.
GCSGate Schnittstelle zw. dem Modul zur Flugberechnung der Drohne und der BKS.
IEEE 1394 Standard der Bus schnittsteile FireWire. LSGate Schnittstelle, die die Daten der drohnenspez. Simulation in
Echtzeit bereitstellt.
LUNA Aufklärungsdrohne (Luftgestützte unbemannte Nahaufklärungs- Ausstattung)
LUSiCo LUNA Simulation Core
LuSiCoGate Schnittstelle zwischen dem LUSiCo und dem LSGate.
RealtimeGate Schnittstelle zw. der drohnenspez. Simul. des Herstellers und
UAS-CG-LUNA.
RS-232 Standard der seriellen Schnittstelle.
SDI Serial Digital Interface. Schnittstelle zur Übertragung von dig.
Videosignalen.
STANAG-4586 NATO-Richtlinie zur Kommunikation zwischen BKS und
Fluggerät.
STANAG-4609 NATO-Richtlinie zur digitalen Bildübertragung.
UAS Unmanned Aerial System. Unbemanntes Luftsystem.
UAS-CG-LUNA Kontroll- und Datenschnittstelle zwischen der UAS-TS und
LSGate.
UAS-TS Unmanned Aerial System - Training Simulation.
UAS-VG-LUNA Videoschnittstelle der UAS-TS, die ein SDI-Signal liefert
(SMPTE-259M).
UAV Unmanned Aerial Vehicle. Unbemanntes Luftfahrzeug.
UDP/IP Verbindungsloses Netzwerkprotokoll basierend auf dem
Internetprotokoll (IP).
Uplink (Funk-) Verbindung von der BKS zum UAV.
VideoGate Schnittstelle zur Umwandlung des SDI-Signales in ein BKS- kompatibles Signal.
Die vorliegende Beschreibung betrifft ein Ausbildungssimulations System„Unmanned Aerial System - Training Simulation" (kurz UAS-TS) für ein Drohnensystem, insbesondere für das Drohnensystem„Luftgestützte unbemannte Nahaufklärungs-Ausstattung" (kurz LUNA). Das Ausbildungssystem umfaßt dabei einen in Fig. 1 gezeigten Ausbilderarbeitsplatz 10, der über Schnittstellen mit einer Bodenkontrollstation (BKS) für eine Drohne und einer
Simulationseinheit für die physikalischen Flugeigenschaften der Drohne verbunden werden kann. Der Arbeitsplatz umfaßt dabei zwei voneinander trennbare Teile, nämlich einen Arbeitstisch 50, der beispielsweise auf feststellbaren Rollen montiert ist, sowie eine
Rückwand 60, die ebenfalls rollbar ausgebildet sein kann. Die Tischeinheit 50 und die Wandeinheit 60 sind trennbar, so daß sie leichter zu transportieren sind. An der Wandeinheit 60 sind übereinander zwei Reihen von Monitoren montiert. Dabei wird auf drei ersten Monitoren 101, 102, 103 die simulierte Drohne in einer Außenansicht dargestellt, so daß der Ausbilder aus verschiedenen Blickwinkeln die Drohne in ihrer Umgebung sieht. Diese Ansicht steht dem Drohnensteuerer an der BKS selbstverständlich nicht zur Verfügung, sondern lediglich die von der Drohne gelieferten Kamerabilder. Diese werden dem Ausbilder auf der zweiten Monitorreihe auf vier Monitoren 201, 202, 203, 204 ebenfalls angezeigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die vier Monitore einfach von der B S geklont, um den Aufwand zu verringern. Die geklonten BKS Bildschirme ermöglichen weiterhin nicht nur die Darstellung der Kamerabilder, sondern auch aller anderen Daten in der BKS (Karte, Wegpunkte, Telemetrie, etc.). Dadurch hat der Ausbilder auch die Möglichkeit, die Eingaben und Interaktionen des Bedienpersonals zu beobachten. Der Ausbilderplatz 10 umfaßt weiterhin eine Eingabeeinheit, die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein
Touchpad 20 sowie eine Tastatur 30 umfaßt. Über das Touchpad 29 bzw. über die Tastatur 30 kann der Ausbilder bestimmte Szenarien hervorrufen bzw. die Simulation beeinflussen. So können beispielsweise über das Touchpad 20 Fehler simuliert werden, wie beispielsweise ein Telemetrieausfall, eine Vereisung der Drohne, das Nichtauslösen des Landeschirms und ähnliches. So existiert für Drohnen eine Notfallcheckliste, gemäß der verschiedenste
Störungen im Betrieb der Drohne erfaßt und entsprechende Handlungsanweisungen vorgegeben sind. Das Ausbildungssimulationssystem ist eingerichtet, alle diese Szenarien zu simulieren, so daß die Bedienmannschaft der Drohne für etwaige Notfälle geschult werden kann. Weiterhin kann der Ausbilder eine bestimmte Wettersituation vorgeben. Dies erfolgt typischerweise über die Tastatur 30, da diese für die schnelle Eingabe komplexer Daten besser geeignet sein kann als das Touchpad 20.
Das Ausbildungssimulationssystem umfaßt weiterhin typischerweise mehrere Rechner, die beispielsweise in einem transportablen Rack oder an dem Arbeitsplatz 10 selbst angeordnet sein können. Typischerweise weist das Ausbildungssimulationssystem einen Datalink-Server auf, der die Kommunikation mit einer Einheit zur Simulation der physikalischen
Flugeigenschaften der Drohne übernimmt. Diese Verbindung ist bidirektional, da die vom Ausbilder über die Eingabemittel 20, 30 eingegebenen Fehler oder Szenarien an die
Simulation übermittelt werden müssen. Auf der anderen Seite liefert die Einheit zur Simulation der physikalischen Flugeigenschaften der Drohne lediglich entsprechende Daten, die von dem Ausbildungssimulationssystem visualisiert werden. Dazu sind die Geländedaten der Einsatzumgebung in einer Datenbank des Ausbildungssimulationssystems abgelegt. Die Datenbank kann zentral oder auf mehrere Rechner verteilt ausgebildet sein. Typischerweise umfaßt die Datenbank Geländedaten, die eine Simulation von Boden-, Luft- und
Wassereinheiten in derselben Simulation erlauben. Das Ausbildungssimulationssystem weist weiterhin einen Videostream-Server auf, der über eine Schnittstelle mit der BKS verbunden ist und die von der Simulation erzeugten Ansichten der Drohnenkameras an die BKS übersendet. Schließlich umfaßt das Ausbildungssimulationssystem typischerweise noch einen Interface-Server, der beispielsweise die Eingabe und Ausgabe über die Eingabemittel und Ausgabemittel des Ausbilderplatzes 10 abwickelt.
Das Ausbildungssimulationssystem kann weiterhin eine Debriefing-Einheit bzw. Debriefing- Schnittstelle aufweisen, die eine Nachbesprechung des Trainings erlaubt. Typischerweise umfaßt die Debriefing-Einheit ein Aufzeichnungsmittel, auf dem die Trainingseinheit aufgezeichnet werden kann. Weiterhin umfaßt die Debriefing-Einheit ein Wiedergabemittel, um die aufgezeichnete Trainingseinheit wiederzugeben, wobei das Wiedergabemittel typischerweise eingerichtet ist, die Wiedergabe anzuhalten, vorzuspulen, zurückzuspulen, zu springen, in Zeitlupe ablaufen zu lassen etc. Typischerweise umfaßt die Debriefing-Einheit eine herkömmliche Video-Schnittstelle, damit die Aufzeichnung auf herkömmlichen Medien wiedergegeben werden kann.
Weiterhin umfaßt der Ausbildungsplatz 10 eine Eingabeeinheit 40, die ebenfalls als Touchpad ausgestaltet sein kann. Über diese Einheit 40, die auch als Control Center bezeichnet wird, können die Funktionen des Ausbildungssimulationssystems gesteuert werden. Insbesondere erlaubt das Control Center 40 das synchronisierte Hochfahren und Herunterfahren des gesamten Ausbildungssimulationssystems. Über die zentralisierte Steuerung und Anzeige der des Control Center 40 wird eine benutzerfreundliche Bedienung und Überwachung des gesamten Systems gewährleistet. Insbesondere werden der Status der einzelnen Datenlinks angezeigt und mitgeloggt, so daß Fehlfunktionen schnell erkannt und beseitigt werden können.
Das Ausbildungssimulationssystem umfaßt weiterhin eine Schnittstelle, deren Entwicklung modular und konform zu bestehenden Standard-Protokollen erfolgt, um zum einen die Komplexität zu analysieren und andererseits die zukünftige Erweiterung der Schnittstelle zu ermöglichen. Dabei wird insbesondere die STANAG-Richtlinie 4586 in Version 2.5 berücksichtigt. Diese Richtlinie definiert die zur Kommunikation verwendeten Schnittstellen, Daten- und Nachrichtenformate einheitlich. Sie lässt Herstellern ausreichend Freiräume zur Realisierung der Kommunikation mit der Drohne und bietet Ihnen zugleich einen
standardisierten Rahmen. Das modulare Layout der Schnittstelle ermöglicht die
unkomplizierte Anbindung zukünftiger Drohnensysteme. Die im Rahmen der Anbindung entstehende Kommunikation erfolgt konform zu bestehenden STANAG-Richtlinien. Die Beschreibung ist folgendermaßen gegliedert. Der nächste Abschnitt beschreibt zum einen allgemeine Ziele und Rahmenbedingungen sowie aus technischen Gesichtspunkten notwendige Rahmenbedingungen. Aus diesen wird im darauffolgenden Abschnitt der grundsätzliche Aufbau der Schnittstelle abgeleitet, d.h. ohne Fokussierung auf ein konkretes Drohnensystem. Daraufhin wird diese Schnittstelle anhand der Anbindung des
Drohnensystems LUNA als Ausführungsbeispiel konkretisiert. Der darauffolgende Abschnitt stellt die zwischen UAS-TS und dem Drohnensystem zu übertragenden Daten vor, die sich aus der Analyse der Anforderungen ergeben. Die Eingabemaske zur Übertragung der Wettervorhersage für UAVs an die Ausbildungssimulation UAS-TS sowie eine
Eingabemaske für Fehlfunktionen von UAVs werden anschließend beschrieben.
Die Anbindung des Ausbildungssimulationssystems UAS-TS an ein Drohnensystem soll mittels einer flexiblen und zugleich standardisierten Schnittstelle erfolgen. Die Schnittstelle ist konform zu der STANAG-Richtline 4586 ausgelegt. Dies ermöglicht eine effektive und zugleich kosten- und zeitgünstige Anbindung. Darüber hinaus soll die Schnittstelle die Möglichkeit der UAS-TS bestehende Karten sowie Satelliten- und Überflugbilder
einzubinden und verschiedenste Ausbildungsszenarien realitätsgetreu simulieren zu können, effektiv unterstützen. Dieses ermöglicht die realitätsnahe Ausbildung des UAV-Steuers sowie der Bildauswerter. Um die technischen Rahmenbedingungen zu beleuchten, werden zunächst die grundsätzlichen Unterschiede zwischen der Steuerung einer realen Drohne und der Simulation einer Drohne beschrieben. Abbildung 2.1. führt diese schematisch auf. Bei der Steuerung einer realen Drohne werden die Telemetrie- und Steuerungsdaten typischerweise in einer relativ niedrigen Häufigkeit übertragen; typischerweise ein bis fünf Mal in der Sekunde. Lediglich die Übertragung des Videosignals, der an Bord befindlichen Kameras, erfolgt in der Regel häufig, um eine flüssige Darstellung des zu beobachtenden Gebietes zu ermöglichen. Bei der Simulation einer virtuellen Drohne in einer Ausbildungssimulation müssen die aktuellen Telemetriedaten der Drohne, also die Positions-, Lage- und
Kameraausrichtungsdaten, ebenfalls mit einer sehr hohen Aktualität vorliegen. Nur auf diese Weise sind die folgenden drei Dinge gewährleistet: a) die visuelle Darstellung der Drohne in der virtuellen Welt ist flüssig und frei von Unterbrechungen; b) die Simulation der Kamera der Drohne in der virtuellen Welt - und somit der simulierte Blick durch die Kamera - ist flüssig und frei von Unterbrechungen. c) eine physikalisch korrekte Berechnung.
Die Punkte (b) und (c) sind aus Ausbildungssicht sicherlich relevanter, da es wünschenswert ist, dass die Auszubildenden (beinahe) keinen Unterschied zwischen dem Einsatz einer realen Drohne und der Simulation dieses Einsatzes in der UAS-TS feststellen sollen. Wie in der eben vorgestellten Abbildung 2.1 dargestellt, ist die Ausbildungssimulation UAS-TS für jede spezifische Drohne mit einem spezifischen Modul zur Flugberechnung der Drohne verbunden, die die (weitestgehend physikalischen) Spezifika der Drohne synthetisch abbildet. Diese UASabhängige Simulation besteht aus den folgenden Komponenten: - ein
Drohnensimulator bzw. Autopilotsimulator; ein physikalischer Simulator, da eine enge Kopplung mit dem Autopilotsimulator vorhanden ist, wobei der Physiksimulator auch in die UAS-TS ausgelagert werden kann; ein Antennen Simulator; ein Landenetz Simulator; und Schnittstellen zur UAS-TS.
Nun wird kurz auf die Anbindung anderer Drohnensysteme an die UAS-TS eingegangen. Das modulare und Standard-konforme Design der Schnittstelle ermöglicht zugleich die unkomplizierte Anbindung von Drohnen Systemen, die ebenfalls nach der STANAG- Richtlinie 4586 mit der Drohne kommunizieren. Daher ist das in Abbildung 2.2 dargestellte Szenario realisierbar.
In diesem Abschnitt wird anhand der Anbindung der LUNA das grundsätzliche Layout der Schnittstelle beschrieben, die die unkomplizierte Anbindung von Drohnensystemen an die UAS-TS ermöglichen. Die Abbildungen 3.1 und 3.2 zeigen schematisch die beteiligten Systeme, sowie deren Schnittstellen. Zur Anbindung von Drohnensystemen stellt die UAS-TS zwei STANAG-konforme Schnittstellen zur Verfügung. Zum einen die Schnittstelle„UAS- CG-LUNA" zur bidirektionalen Kommunikation mit der (synthetischen) Drohne. Diese ist dem STANAG-4586 Protokoll folgend angelegt und dient in erster Linie zur Übertragung von Telemetrie- und Konfigurationsdaten von der Drohne zur UAS-TS. In umgekehrter Richtung dient diese Schnittstelle der Übertragung von Simulationsdaten an die Drohne - beispielsweise der aktuell vorherrschenden Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Die unidirektionale Schnittstelle„UAS-VG-LUNA" folgt dem STANAG-4609 Protokoll und liefert die
Videodarstellung der UAS-TS Simulation. Konkret werden hier die Kamerasignale der Kameras der Drohne übertragen. Diese können an externe Module wie das ABUL-System weitergeleitet werden. An dieser Stelle sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese beiden Schnittstellen unabhängig von der verwendeten Drohne aufgebaut sind. Zur Anbindung eines konkreten Drohnensystems wie beispielsweise des LUNA-Systems an die UAS-TS sind nun zwei Komponenten zu entwickeln. Zum einen muss das Videosignal der UAS-TS Simulation an die Bodenkontrollstation der Drohne übermittelt werden. Dazu ist u.U. zur Konvertierung des STANAG-4609-konformen Videosignals ein geeignetes
VideoGate zu entwickeln. Zum anderen müssen die Eigenschaften der Drohne simuliert werden. Dieses erfordert die Entwicklung eines Moduls zur Flugberechnung der Drohne, in der u.a. die physikalischen (Flug-) Eigenschaften der Drohne simuliert werden. Es erfolgt keine direkte Kommunikation der UAS-TS mit der Bodenkontrollstation der Drohne. Wie weiter vorne erläutert erfordert die flüssige Darstellung der Drohne in der von UAS-TS berechneten Echtzeit-3D-Darstellung eine hohe Aktualisierungsrate der Positions- und Lagedaten der Drohne. Diese müssen kontinuierlich mindestens alle 20 Millisekunden aufgefrischt werden. Um diesem Rechnung zu tragen ist trotz der STANAG-konformen Übeimittlung der Flugdaten der Drohne in Richtung UAS-TS die sogenannte Schnittstelle „RealtimeGate" vorgesehen. Diese interpoliert die Daten der Flugberechnung der Drohne zwischen den Zeitschritten, um eine ruckelfreie und realistische Simulation der Drohne zu garantieren. Auf dieses Gate greift UAS-TS dann durch das STANAG-konforme UAS- CGLUNA zu. Bevor im nächsten Abschnitt die Schnittstelle näher spezifiziert wird, wird aus Gründen der Vollständigkeit eine zweite Anbindungsmöglichkeit von Drohnensystemen an die UAS-TS vorstellen. Abbildung 3.2 zeigt diese Anbindung, die insbesondere denkbar ist, falls der Drohnenhersteller über keine eigene Simulation der Flugeigenschaften der Drohne verfügt. So ist es möglich zukünftig ohne großen Aufwand andere Drohnensysteme an UAS- TS anzubinden. Abbildung 4.1. zeigt den schematischen Aufbau des Ausführungsbeispiels einer Anbindung der UAS-TS an das Drohnensystem LUNA. Dabei wurde die physikalische Simulation der LUNA eingebunden. Die Anbindung des LUNA Simulation Core (LUSiCo) erfolgt gemäß der aus dem letzten Abschnitt bekannten Abbildung 3.1 und resultiert in der in Abbildung 4.2 dargestellten Struktur. Der folgende Abschnitt beschreibt die konkrete Auslegung der Schnittstellen UAS-CG-LUNA, LSGate und UAS-VG-LUNA. Der sich daran anschließende Abschnitt geht auf die Details der Flugberechnung der Drohne durch EMT ein.
Die Kommunikation zwischen LSGate und UAS-CG-LUNA ist durch DLL- Aufrufe und Callback- Funktionen realisiert. Als Programmiersprache kann auf beiden Seiten C++ zum Einsatz kommen. Die Datenübertragung von LSGate zu UAS-CG-LUNA geschieht von LSGate gesteuert durch folgende Funktionen lsgateGetParameter und lsgateSetParameter. Dabei spezifiziert der erste Parameter das angesprochene System durch die zugewiesene SystemID. Es werden exakt _NumberOfParameter Parameter abgefragt bzw gesetzt. Für eine beliebige natürliche Zahl i zwischen 0 und _NumberOfParameters gilt dabei: Der Parameter _pParameterIDs[i] gibt die ID des gewünschten Parameters an. Der Parameter
_pParameterAddress[i] gibt die Speicheradresse an, unter der der aktuelle Wert des
Parameters durch LSGate abgerufen bzw. abgelegt wird. Die aufrufende Funktion hat sicherzustellen, dass ausreichend Speicherplatz zur Verfügung steht. Schließlich liefert die Funktion durch einen Fehlercode zurück, ob der Aufruf erfolgreich war. Das Modul LSGate stellt hingegen sicher, dass alle zurückgelieferten Werte untereinander konsistent sind, also den Zustand der Simulation zu einem Zeitschritt liefern. Ebenso wird die Thread-Safety durch das Modul LSGate gesichert.
Am Beispiel der Parameter-ID SYS_WIND_DIRECTION sollen die festgelegten
Eigenschaften der Parameter erläutert werden:
Figure imgf000010_0001
Die Angabe der Windrichtung erfolgt in Radians und als Fließkomma mit doppelter
Genauigkeit. Dementsprechend sind zulässige Werte des Parameters im Intervall [0, 2pi). Der Wert darf durch UAS-CG-LUNA an LSGate übermittelt werden und spätestens alle 20ms liegt ein aktualisierter Wert zum Abruf durch die UAS-TS im LSGate vor. Während der Simulation von LUSiCo ausgelöste Ereignisse - wie beispielsweise die Definition eines neuen Wegpunkts - werden von LSGate durch eine Callback-Funktion an UAS-CG-LUNA und somit an UAS-TS übertragen. Dazu wird ein entsprechender Funktions-Zeiger an LSGate mit der Funktion lsgateSetEventCallback übertragen. Die Übertragung der Videodaten durch die Schnittstelle„UAS-VG-LUNA" an die Bodenkontrollstation erfolgt analog oder digital. Bei analoger Übertragung wird das digitale STANAG-4609-konforme Ausgangsvideosignal der UAS-TS zunächst durch das„VideoGate" in ein analoges umgewandelt und anschließend in den in der Bodenstation integrierten DV-Recorder eingespeist. Von dort wird es an die einzelnen Anzeigeelemente weitergereicht. Es kann jedoch auch die gesamte Wegstrecke von der UAS-TS bis zu den Anzeigeterminals der Bodenkontrollstation digital gehalten werden. Dies führt zu einer gesteigerten Bildqualität und Fehlertoleranz.
Bislang bekannte Systeme ermöglichen lediglich die Ausbildung des Steuerers, da eine Visualisierung der durch die Kamera erfaßten Bilder im Rahmen der vorhandenen Simulation nicht möglich ist. Der modulare Aufbau der Simulationsumgebung UAS-TS ermöglicht nun die Anbindung dieser existierenden Simulationen. Da dadurch die Neuentwicklung komplexer Softwaremodule verhindert wird, stellt dieses die kosten- und zeitgünstigste Lösung dar (ohne die spätere Anbindung anderer Drohnen zu erschweren). Dennoch sind Anpassungen der vorhandenen Simulation nicht gänzlich zu vermeiden. Abbildung 4.3 zeigt den Aufbau des Moduls zur Flugberechnung der LUNA. Den Hauptteil nimmt der LUNA Simulations Kern LUSiCo ein (LUNA Simulation Core). Dieser kommuniziert STANAG- 4586-konform über das LUSiCoGate mit dem UAS-CG-LUNA und somit letztendlich mit der Simulation UAS- TS. Durch diese Schnittstelle ist zum einen die Simulation der LUNA durch UAS-TS hochgradig steuerbar und zum anderen die ausreichend zeitnahe Übertragung der Flugdaten an die UAS-TS gewährleistet. Die eigentliche Simulation der Drohne erfolgt im LUSiCo durch die Module„Physical Simulator (PSi)",„Autopilot Simulator (ApSis)",„Netz Simulator (NGPS Simulation)",„Antennen Tracker Simulation". Auf der anderen Seite stellt er über das DataCenter die Verbindung zur der Bodenkontrollstation her. Das DataCenter verbindet somit LUSiCo mit dem Notsystem, dem Steuerrechner, dem Videorechner sowie dem
Kartenrechner.
Die Ausbildungs Simulation UAS-TS ist insbesondere für die Schulung von Drohnen- und Videooperatoren eingerichtet. Daher stehen nach abgeschlossenem Vorflugcheck die durch den Operator eingetragenen Daten der UAS-TS zur Verfügung und werden dem Ausbilder unmittelbar angezeigt. Da alle für den Vorflugcheck relevanten Eigenschaften der Drohne durch den Ausbilder veränderbar sind, lassen sich somit Fehleingaben während des
Vorflugchecks provozieren und erkennen. Dieses betrifft sowohl den Vorflugcheck des Karten- als auch des Videorechners und unterstützt somit sowohl die Schulung des Steuerers als auch des Bildoperators bereits in dieser frühen Phase des Einsatzes. Durch die
Übertragung und Visualisierung von erweiterten Telemetriedaten wie beispielsweise der Motordrehzahl und Seitenruderausschlags läßt sich theoretisch der Starter am Startkatapult ebenfalls ausbilden. Neben der Simulation des gewöhnlichen Starts und Drohnenflugs - und somit der Schulung zur Vermeidung von Menschen hervorgerufenen Ausnahmesituationen - ermöglicht die Schnittstelle die Einspeisung von (technischen) Fehlern durch den Ausbilder, die während des Betriebs der LUNA auftreten. Dieses reicht von Ausfällen des Motors, oder des GPS-Systems bis zu Gefahrensituationen durch starke Abwinde und Abschattungen des Kommunikationssignals durch Hindernisse. Dazu zeigt Figur 4.4 eine Eingabemaske für Fehlfunktionen von UAVs, über die die Eingabe, Abspeicherung sowie der Wiederaufruf der Fehlereinspeisung für UAVs in der UAS-TS realisiert ist. Die aktuellen Einstellungen des Bediengeräts BG2001 werden laufend an die Simulation UAS-TS über die oben definierte Schnittstelle übermittelt und stehen damit dem Ausbilder ebenfalls in Echtzeit zur Verfügung. Dieses unterstützt ebenfalls die Ausbildung des Steuerers. Durch das Setzen der
Anfangsposition und Fluglage der Drohne sind gezielte Schulungen von vorgegebenen Szenarien möglich ohne die Startprozedur durchlaufen zu müssen. Ebenso ist die Möglichkeit einer temporären Unterbrechung der Simulation und spätere Wiederaufnahme durch den Ausbilder in der Schnittstellendefinition enthalten. Eine weitere Neuerung, die durch die Einführung der Simulationsumgebung UAS-TS ermöglicht wird, ist die Schulung der
Bildoperatoren im Rahmen der Simulation. Dazu werden über die Schnittstelle die relevanten Kameradaten, wie beispielsweise die Ausrichtung des Kamerapods und die verwendete Zoomstufe an die UAS-TS übermittelt. Durch die realititätsnahe Simulation der von der LUNA erzeugten Kamerabilder lassen sich Uberwachungs- und Erkundungssituation effektiv schulen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eiTnöglicht die Ausbildungssimulation UAS-TS die Simulation eines konfigurierbaren und auf der Wettervorhersage für UAVs fundierenden Wettersystems. Dieses erlaubt die Berücksichtigung von Wettereinflüssen auf den Flug der Drohne und die Beobachtung des Geländes durch die Bildoperatoren. Dabei ist die Eingabe, Abspeicherung und Wiederaufruf der Wettervorhersage für UAVs in der UAS-TS realisiert. Abbildung 4.3 zeigt die dafür vorgesehene Eingabemaske. Die farblich hinterlegten Felder sind im Rahmen der UAS-TS editierbar.
Vorhergehend wurde der Aufbau der modularen Schnittstelle zwischen dem STANAG- konformen Drohnensystem LUNA und der Ausbildungssimulation UAS-TS beschrieben. Die durch die Analyse ermittelten zu übertragenden Daten und die darauf basierende Schnittstelle ermöglichen eine realistische Simulation diverser Einsatzszenarios, inklusive technischer Ausfälle und witterungsbedingter Extremsituationen. Das System ermöglicht die
realitätsnahe Schulung des Flug- und Bildoperators in der Vorflug- und Flugphase. Dank des modularen Aufbaus der Schnittstelle kann diese im Laufe des Projekts (und auch darüber hinaus) jederzeit erweitert und ergänzt werden, sowie weitere (STANAG-konforme)
Drohnensysteme angebunden werden. Bereits in dieser frühen Phase des Projekts ist die Eingabe der Wettervorhersage für UAVs durch einer dieser nachempfundenen Eingabemaske in UAS-TS möglich.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Ausbildungssimulationssystem für ein Drohnensystem, umfassend einen Ausbilderplatz (10) mit einem ersten Ausgabemittel (101, 102, 103), das eingerichtet ist, zumindest eine aktuelle Außenansicht der Drohne zu erzeugen und darzustellen, einem zweiten Ausgabemittel (201, 202, 203, 204), das eingerichtet ist, zumindest eine aktuelle Anzeige einer Bodenkontrollstation der Drohne darzustellen; sowie ein erstes Eingabemittel (20, 30), das eingerichtet ist, einen Parameter der Drohnensimulation zu verändern, wobei das Ausbildungssimulationssystem weiterhin eine erste Schnittstelle zu einem Simulationsmittel, das eingerichtet ist, die physikalischen Eigenschaften der Drohne zu simulieren, und eine zweite Schnittstelle zu einer Bodenkontrollstation, die zur Steuerung der Drohne eingerichtet, umfaßt.
2. Ausbildungssimulationssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Eingabemittel ein Touchpad (20) und/oder eine Tastatur (30) umfaßt.
3. Ausbildungssimulationssystem nach Ansprach 1 oder 2, der Parameter, der über das erste Eingabemittel verändert werden kann, umfaßt: eine Wetterbedingung, einen technischen Fehler der Drohne, einen technischen Fehler der Bodenkontrollstation, einen Fehler der Funkverbindung zwischen Bodenkontrollstation und Drohne, eine Flugsituation und Kombinationen der vorhergehenden Parameter.
4. Ausbildungssimulationssystem nach einem der vorhergehenden Anspräche, weiterhin umfassend eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, das Ausbildungssimulationssystem zentral zu steuern.
5. Ausbildungssimulationssystem nach Anspruch 4, wobei die Steuereinheit eine zweite Eingabeeinheit umfaßt, die zur Eingabe von Steuerbefehlen für das Ausbildungssimulationssystem eingerichtet ist.
6. Ausbildungssimulationssystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, das Ausbildungssimulationssystem synchronisiert hochzufahren und/oder synchronisiert herunterzufahren.
7. Ausbildungssimulationssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Steuereinheit weiterhin eingerichtet ist, den Betriebszustand einer oder mehrerer Funktionseinheiten des Ausbildungssimulationssystems zu überwachen und/oder zu protokollieren.
8. Ausbildungssimulationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Debriefing-Einheit, die eingerichtet ist, eine simulierte Trainingseinheit aufzuzeichnen und wiederzugeben.
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