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Navigationsgerät für Flugkörper
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Stand der Technik Die Erfindung geht aufs von einem Navigationsgerät
für Flugkörper wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Ein derartiges Navigationsgerät
ist aus IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Band AES-15, Nr.1,
Januar 1979, Seiten 11-19 bekannt.
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Zur-bordautonomen Navigation von Flugkörpern erfolgt ein Vergleich
(Korrelation) von mitgeführten Referenzbildern mit während des Flugs aufgenommenen
Sensorbildern. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung wächst mit der Anzahl der
korrelierten Bildpunkte. Um die gesamte Grautoninformation eine5-- Bildpunktes zu
speichern, sind mehrere Bit pro Bildpunkt notwendig. Dies hat zur Folge, daß der
Rechenaufwand und die Rechenzeit sehr groß werden.
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Wenn man die Anzahl der Grautöne reduziert geht Information verloren.
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Um weiterhin aus der Korrelationsfunktion die genaue Abweichung der
räumlichen Lage des Orts des Sensorbildes von der Lage des Orts des Referenzbilds
ermitteln-zu -können, müßten das Sensorbild und das Referenzbild unter gleichen
Umweltbedingungen aufgenommen werden Dies ist jedoch nur sehr seiten der Fall.
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Aufgabe Es tst Aufgabe der Erfindung, ein Navigationsgerät für Flugkörper
anzugeben, in dem auf einfache Weise eine Korrelation zwischen Referenz- und Sensorbild
durchgeführt wird.
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Lösung Die- Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen
Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu ent-.nehmen-.
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Vorteile Weil für jeden Bildpunkt nur noch eine Schwarz/Wei3-Information
gespeichert wird, ist nur ein relativ geringer Speicheraufwand notwendig.
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Es ist nicht notwendig, das Referenz- und das Sensorbild zu normalisieren.
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Die Schaltung zur Realisierung der Korrelation ist sehr einfach und
die Korrelationen werden sehr schnell durchgeführt.
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Die verwendeten Referenzbilder lassen sich zur Anpassung an die Flugrichtung
und an die Flughöhe leicht drehen und linear verzerren.
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Die verwendeten Referenzbilder lassen sich synthetisch aus Karten
und Satellitenbildern erzeugen, was bei der Verwendung von mehreren Graustufen pro
Bildpunkt nicht möglich wäre.
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Beschreibung Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigt: Fig.1 ein Blockschaltbild des Navigationsgeräts, Fig.2
Einzelheiten des Blockschaltbilds nach Fig.1, Fig.3 eine Darstellung der miteinander
zu vergleichenden Bildpunkte, und Fig.4 weitere Einzelheiten des Blockschaltbilds
nach Fig.1.
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Das Navigationsgerät enthält einen Sensor 1, der von dem vom Flugkörper
überflogenen Gelände Bilder aufnimmt. Als Sensor kann eine Kamera (Charge Coupled
Device Kamera) mit Restlichtverstärker (Wellenlängenbereich von 800 mm bis 1,1m)
verwendet werden. Das aufgenommene Bild wird in einzelne Bildpunkte, die zu Spalten
und Zeilen angeordnet sind, aufgeteilt. Jeder Bildpunkt kann unterschiedliche Grautöne
aufweisen.
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In einem Analog/Digital-Wandler 2 erfolgt eine Digitalisierung der
einzelnen Bildpunkte. Die digitalen Werte werden in einem Sensorbildspeicher 3 gespeichert.
Aus diesem Speicher 3 können die Bildpunkte des
aufgenommenen Sensorbildes
beliebig oft ausgelesen werden. Es ist die v6lle- Grauwertinformation vorhanden.
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Dem Speicher 3 ist eine steuerbare Schwellwertschaltung 4 nachgeschaltet,
die eine Dualisierung -der- einzelnen Bildpunkte durchführt. Unter Dualisierung-wird
folgendes verstanden: es ist ein Schwellwert vorhanden, der einem bestimmten Grauton
entspricht. Ist ein Bildpunkt dunkler als dieser Grauton, dann wird dieser Bildpunkt
als "schwarz" weiterverarbeitet; ist er heller, dann wird er als "weiß" weiterverarbeitet.
Anstelle von mehreren Grautönen ist jedem Bildpunkt nur noch die Information schwarz
oder weiß zugeordnet. Das so gewonnene Bild wird als Vergleichs--bild bezeichnet
Es ist leicht einzusehen, daß man abhängig von der Wahl des Schwellwerts unterschiedliche
Vergleichsbilder erhält. Die Vergleichsbilder werden in einem Yergleichsbildspeicher
5 gespeichert.
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In einem Referenzbildspeicher 7 ist das Referenzbild gespeichert und
zwar ebenfalls i-n dualisierter Form. Es wird, wie die Vergleichsbilder, einem Korrelator
6 zugeführt. In ihm wird die Kreuzkorrelationsfunktion KKF zwischen Referenzbild
und Vergleichsbild gebildet. Aus der Lage des Hauptzipfels der.Kreuzkorrelationsfunktion
läßt sich in einer Auswerteeinrichtung 9 die Abweichung der räumlichen Lage des
Orts des Vergleichsbildes vom Ort des Referenzbilds-ermitteln. Diese AbweichungXwiederum
entspricht der Abweichung des Flugkörpers von seiner vorgeschriebenen Position in
Flugrichtung und orthogonal hierzu. Es ist weiterhin ein Taktgenerator 10 vorgesehen,
dessen Taktimpulse dem Vergleichsbildspeicher 5 und einer Steuereinric-htung 8,
deren Aufgabe weiter unten näher erläutert wird, zugeführt werden Zur Erzeugung-des
dualisierten Referenzbildes wird ein Schwellwert verwendet, der nur die signifikanten
und gegenüber Witterungseinflüssen invarianten- Bildelemente extrahiert. Es ist
möglich, vor der Speicherung des -Referenzbildes mit mehreren Schwellwerten Dualisierungen
durchzuführen und die Autokorrelationsfunktionen der so erzeugten Referenzbilder
zu bilden. Es wird dann dasjenige dualisierte Referenzbild im Speicher 7 gespeichert,
bei dem das Verhältni-s von Haupt- zu Nebenzipfel der Autokorre<-ationsfunktion
am größten ist.
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Wie im Laufe der Beschreibung noch-ersichtlich wird, ist es von Vorteil,
wenn im Navigationsgerät außer dem dualisierten Referenzbild der bei der Dualisierung
des Referenzbild verwendete Schwellwert gespeichert wird.
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Das dualisierte Referenzbild weist 64x64 Bildpunkte auf. Das dualisierte
Vergleichsbild besteht aus 256x256 Bildpunkten.
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Das dualisierte Referenzbild kann vor dem Einlesen in den Korrelator
entsprechend dem Gierwinkel und der Flughöhe des Flugkörpers gedreht und/oder linear
verzerrt werden. Dadurch erreicht man auf vorteilhafte Weise eine optimale Anpassung
an das Vergleichsbild.
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Die Zahl der gespeicherten Referenz bilder hängt u.a. von der Länge
der Flugstrecke und von der Drift des Inertialsystems, zu dessen Unterstützung das
beschriebene Navigationsgerät verwendet wird, ab.
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Zur Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dualisiertem Referenzbild
und einem dualisiertem Vergleichsbild wird das Referenzbi-ld schrittweise in Zeilen-
und Spalten-Richtung über dem Vergleichsbild verschoben.
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Zur Vereinfachung wird angenommen, daß das Vergleichsbild aus den
zu Spalten und Zeilen angeordneten Bildpunkten S11 S12 S13 S14 S21 S22 S23 S24 S31
S32 S33 S34 541 S42 S43 S44 und das Referenzbild aus den Bildpunkten R11 R12 R21
R22 besteht.
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Mit den oben dargestellten Bildpunkten sind zur Korrelation neun Einstellungen
möglich und nötig.
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1.. Referenzbild liegt auf S33 S34 S43 S44 2. Referenzbild liegt auf
S32 S33 S42 S43 3. Referenzbild liegt auf S31 S32 S41 S42 4. Referenzbild liegt
auf S23 S24 S33 S34 9. Referenzbild liegt auf S11 S12 S21 S22.
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Bei jeder der neun EinstelTungen müssen die vier Bildpunkte des Referenzbilds
mit denier Bildpunkten des Vergleichsbilds multipliziert und die Ergebnisse aufsummiert
werden. Bei Einstellung "1" muß also Z - R11-S33+R12tS34+R21-543+R22jS44 berechnet
werden. Da die Bildpunkte entweder schwarz oder weiß sind, beschränken sich die
Multiplikationen auf eine EXKLUSIV-ODER-Verknüpfung.
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Der in Fig.2 dargestellte Korrelator enthält daher vier EXKLUSIV-ODER-Schaltungen
28, deren Ausgangssignale zur Summenbildung einem Operationsverstärker 27 zugeführt
werden. Die zeitliche Folge der Ausgangssignale des Operationsverstärkers ist die
Kreuzkorrelationsfunktion KKF.
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Die Referenzbildpunkte sind in Schieberegistern 21, 22 und die Vergleichsbildpunkte
in Schieberegistern 23, 24, 25 und 26 eingespeichert.
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In der Fig.2 ist der Zustand dargestellt, bei dem das gesamte erste
Vergleichsbild mit den Bildpunkten S in die Schieberegister eingespeichert
ist.
In jedem Schieberegister ist eine Bildpunktzeile enthalten.
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In diesem Zustand sind die vier EXKLUSIV-ODER-Schaltungen 28 mit folgenden
Speicherstellen der Schieberegister verbunden: Erste EXKLUSIV-ODER-Schaltung mit
R11 und S33 Zweite EXKLUSIV-ODER-Schaltung mit R12 und S34 Dritte EXKLUSIV-ODER-Schaltung
mit R21 und S43 Vierte EXKLUSIV-ODER-Schaltung mit R22 und S44.
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Bei dieser Einstellung hat das Ausgangssignal des Operationsverstärkers
27 den Wert Z.
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In der Fig.3 ist der jeweilige Inhalt des Vergleichsbildspeichers
in Kästchen dargestellt. Die einzelnen Zeilen in den Kästchen geben den Inhalt der
einzelnen Schieberegister 23 bis 26 an. Das Kästchen links oben gibt den Zustand
an, bei dem gerade alle Bildpunkte S des ersten Vergleichsbilds eingespeichert sind.
Dieser Speicherzustand ist auch bei der Fig.2 angenommen.
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Mit jedem Schieberegistertakt wird der Schieberegisterinhalt um eine
Stelle weitergeschoben, wodurch jeweils ein Bildpunkt des ersten Vergleichsbildes
gelöscht wird und nach und nach die Bildpunkte T des zweiten Vergleichsbildes gespeichert
werden. Die einzelnen Vergleichsbilder werden ohne Abstand hintereinander durch
die Schieberegister hindurchgetaktet. Das Kästchen rechts unten gibt den Zustand
an, bei dem nur noch das zweite Vergleichsbil-d in den Schieberegistern enthalten
ist.
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Mit dem Korrelator nach Fig.-2 werden- immer die Bildpunkte der Vergleichsbilder
mit dem Referenzbild verglichen, die durch die kleinen Kästchen gekennzeichnet sind.
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Aus der Fig.3 kann man entnehmen, daß sich die zum Vergleich notwendigen-neun
Einstel.lungen automatisch ergeben, wenn die Schieberegister durchgetaktet werden.
Hierbei -ergeben sich jedoch auch einige Vergleiche, die -n-ichtausgewertet werden
dürfen. Diese kann man jedoch durch einen -einfachen- Algorithmus ausscheiden. Bei
den unerwünschten Einstellungen enthalten in der Fig.3 die großen Kästchen keine
kleinen Kästchen.
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Es wird angenommen, daß das Vergleichsbild aus K#L und das Referenzbild
aus k-l Bildpunkten besteht.
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Zum Korrelieren eines k.l Referenzbiidsmit einem K,L Vergleichsbild
müssen an den seriellen, taktsynchronen Vergleichsbildspeic.her 5 K#L Schiebetakte
gegeben werden. Dabei entstehen K#L Einstellungen (Korrelationsmuster) am Korrelato-r.
Das k, 1 Referenzbild kann innerhalb des K,L-Vergleichsbildes jedoch nur in (K-k+1)-(L-1+1)
verschiedene Stellungen gebracht-werden. Das serielle Schieben des Vergleichsbildes
durch den Vergleichsbildspeicher ergibt KL - (K-k+1)#(L-l+1)] unzulässige Korrelationsmuster,
während denen die Kreuzkorrelationsfunktion nicht ausgewertet werden~darf. Die unzulässigen
Korrelationsmuster lassen sich auf einfache Weise-durch das Abzählen~des Schiebetaktes
für den Vergleichs--bildspeicher ausfindig machen. Das Zählen beginnt, wenn ein^Vergleichsbild
-vollständig im Vergleichsbildspeicher steht. Dies ist in der Fig.3 beim Kästchen
links oben der Fall.
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Die ersten (K-k+1) Schiebetakte liefern zulässige, dann folgen k-1
unzulässige -Korreiationsmuster (Zähler ZL - 1). Dies wiederholt sich bis ZL = (-L-1+1-).
Ab dieser Zählerstellung gibt es bis einschließlich ZL = L nur noch unzulässige
Muster.
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Die Steuerung für die Trennung zwischen zulässigen und unzulässigen
Mustern wird anhand der-Fig.4 erläutert. Die Steuereinrichtung enthält zwei Zähler
ZK, ZL und zwei Komparatoren 41, 42, die die Zählerstellungen mit den zwei Konstanten
K-k und L-l vergleichen. Zähler ZK ist ein
Modulo-K-Zähler. Nach
jeweils K-Schiebetakten gibt er einen Zählimpuls an Zähler ZL ab. Beide Zähler werden
auf 0 gesetzt, wenn in den Vergleichsbildspeicher ein Vergleichsbild vollständig
eingespeichert ist.
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Unzulässige Korrelationsmuster treten auf, wenn ZK SK-k oder ZL zu
L-l ist. Um die weitere Verarbeitung unzulässiger Muster zu verhindern, werden die
Ausgangssignale der Komparatoren 41, 42 einer ODER-Schaltung 43 zugeführt, die,
wenn ein Ausgangssignal vorhanden ist, die Weiterleitung des Korrelationsproduktsvom
Korrelator 6 zur Auswerteeinrichtung 9 sperrt.
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Liegt bei einem zulässigen Korrelationsmuster ein Maximum in der Kreuzkorrelationsfunktion
vor, dann stellen ZK und ZL gleichzeitig die Verschiebungskoordinaten des Referenzbilds
in Zeilen- und Spaltenrichtung (und somit in Flugrichtung und orthogonal hierzu)
dar. -zK gibt an,- um wieviel Bildpunkte das Referenzbild in Zeilenrichtung, zL
um wieviel das Referenzbild in Spaltenrichtung verschoben ist.
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Die Verschiebungskoordinaten, d.h. die erwähnte Abweichung, lassen
sich auf vorteilhafte Weise dann besonders genau ermitteln, wenn die Kreuzkorrelationsfunktion
desjenigen Vergieichsbilds ausgewertet wird, bei der das Verhältsnis von Haupt-
zu Nebenzipfeln am größten ist.
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Dieses Vergleichsbild erhält man besonders schnell, wenn man- von
Schwellwerten ausgeht, die im Bereich des Schwellwerts, der zur Erzeugung des Referenzbilds
verwendet wurde,liegen
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