DE102009006409A1

DE102009006409A1 - Method for optimizing distance in plane or e.g. road area, relative to e.g. terrain condition, in e.g. military application, involves forming minimum surface from integral value of influencing factor over optimal distance

Info

Publication number: DE102009006409A1
Application number: DE102009006409A
Authority: DE
Inventors: Rupert Dr. Reiger
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: DE102009006409B4

Abstract

The method involves forming a landscape as a plane (12) or an area in a multidimensional coordinate system (10). An influencing factor (E) is determined for point of illustrations in the system and stored in an influencing factor dimension, and a minimum surface (20) is formed from an integral value of the influencing factor over an optimal distance (18). The coordinate system is provided with multiple influencing factor dimensions for different influencing factors, and a total influencing factor is computed from the individually stored influencing factors. An independent claim is also included for a device for executing a method for optimizing distance in a plane or an area.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wegstreckenoptimierung in der Ebene oder im Raum unter Berücksichtigung mindestens eines Einflussfaktors wie Wegbeschaffenheit, Höhe, Gefährdungspotential, Geschwindigkeit oder Verbotsbereiche.The The invention relates to a method and a device for path optimization in the plane or in the room considering at least one Influence factor such as path condition, altitude, risk potential, speed or prohibited areas.

Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Wegoptimierungsverfahren. Das erste Verfahren arbeitet mit Straßenkarten auf der Grundlage von Vektoren, wobei mittels eines Algorithmus der kürzeste Weg von einem Start- zu einem Zielpunkt durch die Verfolgung unidirektional verbundener Vektoren erfolgt, die Koppelpunkte miteinander verbinden. Dieses System funktioniert nur bei einer Beschränkung des zurückzulegenden Weges entlang vorgegebener Wegstrecken bzw. Routen wie beispielsweise Straßen, Schifffahrts- oder Flugrouten.Basically there There are two different path optimization methods. The first procedure works with street maps based on vectors, using an algorithm the shortest way from a start to a destination point through the tracking unidirectional connected vectors that connect crosspoints with each other. This system will only work if you restrict the amount to be traversed Way along predetermined routes or routes such as roads, Shipping or flight routes.

Das zweite Verfahren ist für Bewegungen im Ebenen- oder Raumkontinuum und wird verwendet für Wegstreckenoptimierungen unter Einbezugnahme des Geländes, also beispielsweise „offroad”, bei Schifffahrten auf größeren Gewässern oder Flügen ohne Beschränkungen auf vorgegebenen Routen. Bisher existiert für die Wegstreckenoptimierung im Kontinuum kein geeignetes Verfahren.The second method is for Movements in the plane or continuum of space and is used for route optimization including the terrain, So for example "off-road", on cruises in larger waters or Flights without restrictions on predetermined routes. So far exists for the route optimization not a suitable procedure in the continuum.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wegstreckenoptimierung bereit zu stellen, die in der Lage sind, Wegstrecken in der Ebene oder im Raum unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren durchzuführen.Of these, The invention is based on the object, a method and to provide a path optimization apparatus which are able to consider routes in the plane or in space various influencing factors.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention this Task by those in the independent claims listed features solved. Advantageous developments of the invention will become apparent from the Dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass die verschiedenen Einflussfaktoren zusammen mit den Positionsdaten (wie geographische Länge und Breite, ggf. ergänzt um die vertikale Höhe über den Meeresspiegel) gespeichert werden und die Minimalfläche bestimmt wird, die sich aus einer mathematischen Integration der Einflussfaktoren über der Wegstrecke ergibt. Es handelt sich somit um die Lösung eines Minimalflächenproblems bzw. den Verlauf einer „Seifenblasenhaut”.The Invention is based on the idea that the various influencing factors along with the position data (such as geographic length and Width, if necessary supplemented around the vertical height above the Sea level) and determines the minimum area is derived from a mathematical integration of influencing factors over the distance results. It is thus the solution of a minimal surface problem or the course of a "soap bubble skin".

Im einfachsten Fall wird ein einziger Einflussfaktor zugrundegelegt, beispielsweise bei einer militärischen Anwendung das Gefährdungspotential entlang der Wegstrecke. So kann beispielsweise die kürzeste Verbindung vom Start- zum Zielpunkt für ein Fahrzeug in den Bereich mit einem hohen Gefährdungspotential, beispielsweise einer feindlichen Raketenstellung, führen, in welchem Fall ein längerer Weg unter Umgehung dieses gefährlichen Bereiches der optimalere Weg ist. Die Größe des Gefährdungspotentials ist dabei als Wert in einer zusätzlichen Dimension des Koordinatensystems, der „Einlussfaktor-Dimension” festgelegt. Beispielsweise im zweidimensionalen Raum, also der Bewegung in einer Ebene, in der an einer Stelle eine Raketenstellung mit einem hohen Gefährdungspotential liegt, wird die durch den Einflussfaktor „Gefährdungspotential” bestimmte Mannigfaltigkeit eine weitgehend ebene Fläche mit einer sich in Form eines Hügels oder Berges an der Position der Raketenstellung darstellen. Die Minimalfläche wird dann unter Umgehung dieses Hügels außen in einem optimalen Abstand um diese herum geführt. Für jede Gefahrenquelle kann eine entsprechende Verformung der Gefährdungs-Mannigfaltigkeit erfolgen. Die somit bei mehreren Gefahrenquellen in Form eines „Gebirges” annehmen kann.in the The simplest case is based on a single influencing factor for example, in a military Application the hazard potential along the route. For example, the shortest connection from the start to the destination point for a vehicle in the area with a high hazard potential, for example an enemy rocket position, in which case a longer path bypassing this dangerous Area is the optimal way. The size of the hazard potential is included as a value in an additional Dimension of the coordinate system, the "Influence Factor Dimension". For example, in two-dimensional space, ie movement in one Level, in which at one point a missile position with a high risk potential is determined by the influence factor "risk potential" Manifold a largely flat surface with one in shape a hill or mountain at the position of the rocket position. The minimal area becomes then bypassing this hill Outside at an optimal distance around them. For every source of danger can a corresponding deformation of the risk diversity take place. The thus in case of several sources of danger in the form of a "mountain" assume can.

Analog gilt dies auch für andere Einflussfaktoren, beispielsweise die Terrainbeschaffenheit. Für die Bewegbarkeit durch ein radgebundenes Fahrzeug ist die Bewegung längs einer befestigten Straße wesentlich effizienter als nur entlang eines Waldweges, dieses jedoch noch besser als durchs freie Gelände. Bezüglich der Terrainbeschaffenheit als Einflussfaktor werden daher in der Terrainbeschaffenheits-Mannigfaltigkeit Straßen als tiefe Senken, befestigte Wege als flache Senken und beispielsweise unüberbrückbare Flüsse oder sonstige Hindernisse als quasi senkrechte „Gebirgswände” in der Mannigfaltigkeit erscheinen.Analogous this also applies to other influencing factors, such as the terrain. For the Mobility by a wheeled vehicle is the movement along one paved road essential more efficient than just along a forest path, but still better than through the open terrain. In terms of The terrain condition as influencing factor are therefore in the Terrain texture diversity of roads as deep valleys, fortified Paths as shallow depressions and, for example, unbridgeable rivers or other obstacles as quasi vertical "mountain walls" in the Manifold appear.

Verbotsbereiche, die überhaupt nicht in die Wegstrecke einbezogen werden dürfen, werden dementsprechend in den Terrainbeschaffenheit-Einflussfaktor als quasi unendlich hoher „Tafelberg” erscheinen.Ban areas the whole not be included in the route will be accordingly in the terrain condition influencing factor as quasi infinite high "Table Mountain" appear.

Beispielsweise bei der Anwendung in Flugzeugen kann das Gefährdungspotential durch andere Objekte, wie auf Kollisionskurs befindliche Flugzeuge dadurch berücksichtigt werden, dass der Punkt der größten Annäherung zwischen den beiden Flugzeugen unter Berücksichtigung der gegenwärtigen Geschwindigkeiten in der entsprechenden Mannigfaltigkeit als rotationssysmmetrischer Hügel oder spitzer Berg ausgebildet wird, wobei die Höhe der Spitze abhängig sein wird von der Entfernung zwischen den beiden Flugobjekten im Punkt der größten Annäherung. So beeinflussen Flugobjekte ihre Mannigfaltigkeiten gegenseitig, um bei der Wegoptimierung Kollisionen zu vermeiden.For example when used in airplanes, the risk potential may be different Objects, such as collision-prone aircraft thereby considered be that the point of closest approach between considering the two aircraft the current one Velocities in the corresponding manifold as rotationally symmetric Hill or sharpener Mountain is formed, with the height of the peak to be dependent is determined by the distance between the two flying objects in the point the closest approach. So flying objects influence each other's manifolds, to avoid collisions during path optimization.

Bei Flugobjekten oder Wasserfahrzeugen spielen Wetter- und Windverhältnisse eine wichtige Rolle, die gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in die Wegstreckenoptimierung einbezogen werden können. So können Wetterfronten oder Wirbelstürme in der entsprechenden Mannigfaltigkeit als Spitzen oder Hügel erscheinen. Bei Flugobjekten oder Wasserfahrzeugen kann wiederum die Windrichtung- und Stärke bzw. Wasserströmungsgeschwindigkeit von Bedeutung sein, so daß in Abhängigkeit von der aktuellen Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des eigenen Objektes eine Strömungs-Mannigfaltigkeit in Abhängigkeit von der aktuellen Strömungssituation (beispielsweise dem durch Hoch- und Tiefdruckgebiete geprägten Luftströmungsbild) berechnet wird. Windrichtungen wie im Extremfall Gegen- und Rückenwind können so erfasst werden sowie auch ein damit ver bundener Treibstoffverbrauch. Da die Windrichtung relativ zur Trajektorie des Luftfahrzeugs eben von dieser Trajektorie abhängt, führt eine Variation der Trajektorie selbstkonsistent zu einer Veränderung. Das macht das Verfahren anwendbar für die Optimierung der Wege vieler Flugzeuge im zivilen Luftraum gleichzeitig hinsichtlich verschiedener Kriterien (sog. „multi objective optimization”) wie insbesondere Kollisionsvermeidung, Vermeidung von Gefahrenbereichen, Optimierung des Spritverbrauches unter Ausnutzung von Windströmungen. Flugzeuge sind dann nicht mehr an Luftstraßen gebunden.In the case of flying objects or watercraft, weather and wind conditions play an important role, which according to an embodiment of the invention can be included in the route optimization. So can weather fronts or cyclones appear in the corresponding manifold as peaks or hills. In the case of flying objects or vessels, in turn the wind direction and strength or water flow velocity may be important, so that a flow manifold depending on the current direction and speed of the own object as a function of the current flow situation (for example, by high and low pressure areas embossed air flow pattern) is calculated. Wind directions as in extreme cases counterwind and tail wind can be detected as well as an associated fuel consumption. Since the wind direction relative to the trajectory of the aircraft just depends on this trajectory, a variation of the trajectory leads self-consistent to a change. This makes the method applicable for optimizing the routes of many aircraft in civil airspace simultaneously with regard to various criteria (so-called "multi-objective optimization") such as in particular collision avoidance, avoidance of danger areas, optimization of fuel consumption by utilizing wind currents. Aircraft are then no longer bound to airways.

Vorzugsweise werden die in verschiedenen Dimensionen im Koordinatensystem gespeicherten Einflussfaktoren unter Berücksichtigung von Gewichtungsfaktoren zu einem einzigen Total-Einflussfaktor zusammengefasst. Im einfachsten Fall wird jeder Einflussfaktor-Wert mit einem geeigneten Gewichtungsfaktor, der die Bedeutung des betreffenden Einflussfaktors berücksichtigt, multipliziert und diese Produkte aufaddiert. Dieser Total-Einflussfaktor kann zur Verkürzung der Rechenzeit in einer eigenen Koordinatensystem-Dimension gespeichert sein oder aktuell bei jedem Berechnungsschritt aus den einzelnen Einflussfaktoren neu berechnet werden. Es ist eine zweckmäßige Weiterbildung, unveränderliche Einflussfaktoren wie die Terrainbeschaffenheit oder feste Gefahrenpunkte zur Berechnung eines Zwischen-Einflussfaktors für jeden Landschaftspunkt zu berechnen und in einer weiteren Dimension des Koordinatensystems abzuspeichern und die Minimalflächenberechnung unter Berücksichtigung dieses Zwischen-Einflussfaktors und der variablen Einflussfaktoren zu bestimmen.Preferably become the influencing factors stored in different dimensions in the coordinate system considering from weighting factors to a single total influencing factor. In the simplest Case, each influential factor value is given a suitable weighting factor, taking into account the meaning of the influencing factor concerned, multiplied and these products added up. This total influencing factor can shorten the computational time stored in its own coordinate system dimension be or currently at each calculation step from the individual Influencing factors are recalculated. It is a useful development, immutable factors of influence like the terrain condition or fixed danger points for the calculation an intermediate factor for to calculate each landscape point and in another dimension of the coordinate system and the minimum area calculation considering this intermediate influencing factor and the variable influencing factors to determine.

Bei einer Anwendung für Flugobjekte kann die Flughöhe in Verbindung mit gewissen Gefährdungspotentialen ein eigener Einflussfaktor sein. So stellt beispielsweise das Überfliegen einer Raketenstellung mit Raketen geringer Reichweite in einer großen Flughöhe keine Beeinträchtigung und daher keine ernste Gefährdung dar. Wird hingegen ein solcher Gefährdungspunkt im Tiefflug überflogen, wäre an dieser Stelle ein sehr hohes Gefährdungspotential vorhanden. Der Einflußfaktor ist in diesem Beispiel daher indirekt korreliert zur Flughöhe. Andererseits ist die Mannigfaltigkeit generell abhängig vom Verlauf der Trajektorie, ob im zweidimensionalen oder im dreidimensionalen Raum. Die durch ein Gefährdungspotential verformte Mannigfaltigkeit kann sehr unterschiedliche Formen aufweisen. Befindet sich eine Raketenstellung beispielsweise neben einem Berg, so ist das Gefährdungspotential in der Abdeckung durch diesen Berg deutlich geringer als im „Sichtbereich” der Raketenstellung, so dass in diesem Fall die Gefährdungs-Mannigfaltigkeit durch diese Raketenstellung die Form eines kreissektorartigen Tortenstückes annehmen würde.at an application for Flying objects can fly altitude in connection with certain potential hazards be an own influencing factor. For example, flying over missile deployment with short range missiles at a high altitude none impairment and therefore no serious threat If, on the other hand, such a hazard point is overflown at low altitude, would be on This site has a very high risk potential. The influencing factor is therefore indirectly correlated to altitude in this example. On the other hand the manifold generally depends on the course of the trajectory, whether in two-dimensional or three-dimensional space. By a potential hazard deformed manifold can have very different shapes. For example, if a rocket position is next to a mountain, that is the potential hazard in the cover by this mountain much lower than in the "field of view" of the rocket position, so that in this case the hazard manifold take the shape of a circular sector-like pie piece by this rocket position would.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Wegstreckenoptimierung in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführt, um dieses an aktuell veränderte Umstände anzupassen. Dies kann bei der Anwendung bei Flugobjekten beispielsweise von Wichtigkeit sein, wenn im Luftraum neue Flugobjekte erfasst und hinsichtlich ihres Gefährdungspotentials mit in die Minimalflächenberechnung mit einbezogen werden müssen, wenn diese sich als potentiell gefährlich herausstellen. Es kann in der zivilen Luftfahrt ein in der Nähe gestartetes und auf Kollisionskurs fliegendes anderes Flugzeug sein oder bei der militärischen Anwendung ein waffenbestückter Abfangjäger. Auch wenn die Windrichtung mit einbezogen wird, muss bei jeder signifikanten Änderung der Bewegungsrichtung der Einflussfaktor neu bestimmt werden.Preferably becomes the method according to the invention to optimize the route at regular intervals to this at currently changed circumstances adapt. This may be the case with flying objects, for example be of importance if new flying objects are detected in the airspace and with regard to their risk potential with into the minimal area calculation need to be involved, if they turn out to be potentially dangerous. It can in civil aviation a nearby launched and on collision course flying other aircraft or in military use an armed interceptor. Also if the wind direction is included, every significant change must be made the direction of movement, the influence factor be redetermined.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Algorithmus zur Wegstreckenoptimierung vorgeschlagen, der durch eine relativ geringe Anzahl von Rechenoperationen eine schnelle Berechnung der Minimalfläche und damit eine Bestimmung einer optimalen Wegstrecke ermöglicht.In A development of the invention is an algorithm for path optimization proposed by a relatively small number of arithmetic operations a fast calculation of the minimum surface and thus a determination an optimal route allows.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigtThe Invention will be further explained with reference to the accompanying drawings. It shows

1: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens der Wegstreckenoptimierung für militärische Anwendung; 1 : A schematic representation of one embodiment of the route optimization method for military application;

2: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens der Wegstreckenoptimierung für Zivilanwendung; 2 : A schematic representation of one embodiment of the method of route optimization for civilian application;

3a–3c: Eine Darstellung einer Ausführungsform des Wegoptimierungsverfahrens im dreidimensionalen Raum; 3a - 3c : A representation of an embodiment of the path optimization method in three-dimensional space;

4a–4d: Eine bevorzugte Ausführungsform des Berechnungsalgorithmus zur Bestimmung der Minimalfläche; 4a - 4d A preferred embodiment of the calculation algorithm for determining the minimum area;

5: Ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Wegstreckenoptimierung. 5 : A block diagram of a preferred embodiment of a device for path optimization.

In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für eine militärische Anwendung dargestellt. Dabei bezeichnet 10 ein dreidimensionales Koordinatensystem, bei dem die Koordinaten x und y eine Ebene definieren, in dem eine kartographische Landschaft 12 gespeichert ist, innerhalb der die Wegoptimierung erfolgen soll. Die dritte Dimension E, die senkrecht auf der x-y-Ebene steht, gibt die Größe eines Einflussfaktors, in diesem Fall des Grades der Gefährdung eines Flugobjektes abhängig von der Position in der Landschaft 12 bzw. von der Position im x-y-Koordinatensystem an. Es soll die optimale Wegstrecke eines Flugzeugs von einem Startpunkt S zu einem Zielpunkt Z bestimmt werden, wobei an verschiedenen Punkten feindliche Raketenstellungen 14, 14a positioniert seien. Für diesen Beispielfall seien außer dem Gefährdungsgrad keine weiteren Einflussfaktoren angenommen. In der Umgebung dieser Raketenstellungen 14 ist das Gefährdungspotential und damit die Größe des Einflussfaktors E hoch, während im Abstand von den Raketenstellungen 14 ein niedriges Gefährdungspotential gegeben ist. Der Einflussfaktor „Gefahrenpotential” E über der x-y-Ebene läßt sich damit als eine Mannigfaltigkeit 16a auffassen, die die Form einer Ebene mit hügelartigen Erhebungen in der Umgebung der Positionen der Ra ketenstellungen 14 annimmt. Bei der Berechnung der optimalen Wegstrecke vom Startpunkt S zum Zielpunkt Z würde zunächst die direkte Verbindung zugrunde gelegt werden, wobei jedoch in der Nähe dieses direkten Weges eine Raketenstellung 14a liegt, die zur Vermeidung einer Gefährdung zu umfliegen ist. Im Zuge der Minimalflächenberechnung ergibt sich eine die Raketenstellung 14a umfliegende Wegstrecke 18, die dadurch berechnet wird, dass die Fläche 20 minimiert wird, die aus dem Integral des senkrecht zur x-y-Ebene erstreckenden Wertes des Einflussfaktors E, integriert über die Wegstrecke 18 bestimmt wird. Die Linie 24 bezeichnet dabei die Linie entlang des Einflussfaktors E oberhalb der Wegstrecke 18.In 1 a preferred embodiment of the invention for a military application is shown. This designates 10 a three-dimensional coordinate system in which the coordinates x and y define a plane in which a cartographic landscape 12 is stored within which the path optimization is to take place. The third dimension E, which is perpendicular to the xy plane, gives the magnitude of an influencing factor, in this case the degree of endangerment of a flying object depending on the position in the landscape 12 or from the position in the xy coordinate system. The aim is to determine the optimum distance of an aircraft from a starting point S to a destination Z, with enemy missile positions at various points 14 . 14a be positioned. For this example, apart from the degree of danger, no further influencing factors are assumed. In the vicinity of these rocket positions 14 is the hazard potential and thus the size of the influence factor E high, while at a distance from the rocket positions 14 a low hazard potential is given. The influence factor "danger potential" E over the xy-plane can thus be considered as a manifold 16a take the form of a plane with hill-like elevations in the vicinity of the positions of Ra ketenstellungen 14 accepts. In the calculation of the optimal distance from the starting point S to the destination point Z, the direct connection would first be used, but in the vicinity of this direct path, a rocket position 14a is to fly around to avoid a hazard. In the course of the minimal area calculation results in the rocket position 14a flying distance 18 which is calculated by the area 20 is minimized, which consists of the integral of the perpendicular to the xy plane extending value of the influencing factor E, integrated over the distance 18 is determined. The line 24 refers to the line along the influence factor E above the distance 18 ,

2 stellt das gleiche System für einen zivilen Anwendungsfall dar und gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände. Anstelle der Gefährdung durch Raketenstellungen o. ä wird hierbei der Einflussfaktor bestimmt durch Gegenwindzonen 30, die in der Mannigfaltigkeit 16b als „Höhengebiet” erscheinen. In 2 ist als Beispiel für ferner ein nicht zu überfliegendes Gebiet („no-go-area”) ein Kernkraftwerk dargestellt, das in der Mannigfaltigkeit 16b eine Art Tafelwerk mit maximal möglicher Höhe bildet. Ein Flugkorridor, der bevorzugt zu durchfliegen ist, wird in der Mannigfaltigkeit 16b als Kanal 34 dargestellt. 2 represents the same system for a civil use case, and like reference numerals denote like objects. Instead of the danger from rocket positions or the like, the influence factor is determined by headwind zones 30 that in the manifold 16b appear as "altitude area". In 2 is also shown as an example of a non-fly-over area ("no-go-area") a nuclear power plant, which is in the manifold 16b forms a kind of panel with the maximum possible height. A flight corridor, which is preferable to fly through, becomes in the manifold 16b as a channel 34 shown.

Die 3a bis 3c betreffen den bereits in der 1 dargestellten militärischen Anwendungsbereich unter Berücksichtigung der Flughöhe. Dabei wird zur Veranschaulichung die Darstellung von 3a mit dem Gefährdungspotential als Einflussfaktor E aus Vereinfachungsgründen mit 3 Gefährdungsstufen 1, 2 und 3 als „Höhenlinien” in die x-y-Ebene übertragen und damit die Dimension um eins reduziert, wie in 3b dargestellt ist. Die Darstellungen 3a und 3b sind vollständig äquivalent. Somit läßt sich gemäß 3c die Flughöhe als neue dritte Dimension einführen, so dass sich damit ein dreidimensionaler Raum 36 ergibt, in dem unterschiedliche räumliche Punkte unterschiedliche Gefährdungspotentiale auf weisen. Dieser Fall läßt sich plastisch so darstellen, dass jeder Raumpunkt eine unterschiedliche „Gefährdungsdichte” aufweist und die optimale Wegstrecke diejenige ist, bei der die entlang der dreidimensionalen Wegstrecke aufintegrierte Dichte minimal ist. Eine Trajektorie im zweidimensionalen Raum und eine Trajektorie im dreidimensionalen Raum sind somit absolut gleich zu behandeln. Auch die Flächenminimierung zur Optimierung des Weges erfolgt absolut äquivalent, ist aber im Fall einer Trajektorie im dreidimensionalen Raum mit darüber liegender Mannigfaltigkeit nicht mehr zeichenbar, da das Gesamtbild vierdimensional ist. Für eine Trajektorie im zweidimensionalen Raum mit darüberliegender Mannigfaltigkeit war das möglich, da das Gesamtbild dreidimensional ist (siehe 1 und 2).The 3a to 3c already concern in the 1 shown military scope, taking into account the altitude. The illustration of 3a with the hazard potential as an influencing factor E for reasons of simplification with 3 hazard levels 1, 2 and 3 as "contour lines" in the xy plane and thus reduces the dimension by one, as in 3b is shown. The representations 3a and 3b are completely equivalent. Thus, according to 3c Introduce the altitude as a new third dimension, making it a three-dimensional space 36 results, in which different spatial points have different potential hazards. This case can be represented plastically in such a way that each spatial point has a different "danger density" and the optimum distance is that at which the density integrated along the three-dimensional distance is minimal. A trajectory in two-dimensional space and a trajectory in three-dimensional space are therefore treated in the same way. The surface minimization to optimize the path is absolutely equivalent, but in the case of a trajectory in three-dimensional space with overlying manifold no longer signable, since the overall picture is four-dimensional. This was possible for a trajectory in two-dimensional space with an overlying manifold, since the overall picture is three-dimensional (see 1 and 2 ).

In den 4a bis 4d ist ein bevorzugtes Verfahren zur Berechnung der optimierten Wegstrecke durch Minimalflächenberechnung beschrieben. In 4a ist der Ausgangspunkt der Berechnung dargestellt unter Angabe des Startpunktes S und des Zielpunktes Z. Zu der Strecke S-Z wird die Mittelsenkrechte 40 bestimmt und auf dieser eine Anzahl von beabstandeten Punkten P₁ bis P₈ in Ergänzung zu dem Punkt P₀ des Schnittpunktes der Mittelsenkrechten 40 mit der Strecke S-Z. Von jedem dieser Punkte P₀–P₈ wird je eine Verbindungslinie 42a, 42b zum Startpunkt S und zum Zielpunkt Z gelegt und entlang dieser Linien 42a, 42b das Integral bestimmt, das sich ergibt aus der in der Darstellung nicht gezeigten Größe des Einflussfaktors, die senkrecht zur Zeichenebene liegt, entlang der Strecke 42a–42b. Vorzugsweise wird dazu an einer Anzahl diskreter Punkte (je nach Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit z. B. 5–100) auf den Streckenabschnitten 42a, 42b der jeweilige Wert des Einzelfaktors E bestimmt und diese Werte aufaddiert. Dieser Vorgang wird für alle Punkte P₀ bis P₈ durchgeführt und dann der erste Zwischenpunkt W₁ (in dem dargestellten Beispiel entspricht dieser dem Punkt P₂) als derjenige bestimmt, bei der die genannte Fläche am kleinsten ist. In dem dargestellten Beispiel wird eine Auswahl zwischen 9 verschiedenen Punkten P₀ bis P₈ durchgeführt. Diese Anzahl ist beliebig veränderbar und wird abhängig von der zulässigen Rechenzeit bestimmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Punkte P₀ bis P₈ gleichmäßig voneinander beabstandet. Bei Bedarf können auch andere Abstandsfunktionen verwendet werden, beispielsweise engere Abstände in der Nähe der Verbindungslinie und größere Zwischenabstände im größeren Abstand zur Verbindungslinie. In erster Annäherung ist nun die direkte Verbindungsstrecke S-Z ersetzt durch die optimalere Strecke S-W₁-Z.In the 4a to 4d a preferred method for calculating the optimized distance by minimum area calculation is described. In 4a the starting point of the calculation is shown by specifying the starting point S and the destination point Z. The distance SZ becomes the perpendicular bisector 40 determined and on this a number of spaced points P ₁ to P ₈ in addition to the point P _{0 of} the intersection of the perpendicular bisector 40 with the route SZ. From each of these points P ₀ -P ₈ is ever a connecting line 42a . 42b placed to the starting point S and the destination point Z and along these lines 42a . 42b determines the integral that results from the size of the influencing factor, which is not shown in the illustration, which is perpendicular to the plane of the drawing, along the path 42a - 42b , Preferably, this is done at a number of discrete points (depending on computing speed and accuracy eg 5-100) on the sections 42a . 42b the respective value of the individual factor E is determined and these values are added up. This process is carried out for all points P ₀ to P ₈ , and then the first intermediate point W ₁ (in the illustrated example this corresponds to the point P ₂ ) is determined as the one in which said area is the smallest. In the illustrated example, a selection is made between 9 different points P ₀ to P ₈ . This number can be changed as required and is determined depending on the permissible computing time. In the illustrated embodiment, the individual points P ₀ to P _{8 are} equally spaced from each other. If necessary, other distance function onen, for example, closer distances in the vicinity of the connecting line and larger distances between the larger distance to the connecting line. As a first approximation, the direct link SZ is now replaced by the more optimal route SW ₁ -Z.

4b zeigt den nächsten Berechnungsschritt, der nun anstelle der Strecke S-Z die beiden Teilstrecken S-W₁ und W₁-Z zugrunde legt und jeweils auf der Grundlage dieser beiden Teilstrecken weitere Zwischenpunkte W₂ (zwischen S und W₁) und W₃ (zwischen W₁ und Z) nach dem gleichen Algorithmus bestimmen. Die im vorherigen Berechnungsschritt bestimmte Wegstrecke S-W₁-Z mit zwei Teilstrecken ist nunmehr ersetzt durch die aus vier Teilstrecken bestehende optimierte Wegstrecke S-W₂-W₁-W₃-Z. 4b shows the next calculation step, which now uses the two sections SW ₁ and W ₁ -Z instead of the route SZ and on the basis of these two sections further intermediate points W ₂ (between S and W ₁ ) and W ₃ (between W ₁ and Z) according to the same algorithm. The route SW ₁ -Z with two sections determined in the previous calculation step is now replaced by the optimized route SW ₂ -W ₁ -W ₃ -Z consisting of four sections.

In 4c ist ein weiterer Berechnungsschritt dargestellt, der unter Zugrundelegung der im Schritt gemäß 4b berechneten Zwischenpunkte W₂ und W₃ den im ersten Schritt (4a) bestimmten ersten Zwischenpunkt W₁ neu berechnet und somit W₁ ersetzt durch W₁*. Die im Schritt gemäß 4b bestimmte Wegstrecke ist nunmehr ersetzt durch die optimierte Wegstrecke S-W₂-W₁*-W₃-Z, die ebenfalls aus 4 Teilstrecken besteht.In 4c is shown a further calculation step, which is based on the in step 4b calculated intermediate points W ₂ and W ₃ in the first step ( 4a ) certain first intermediate point W ₁ recalculated and thus W ₁ replaced by W ₁ *. The in the step according to 4b certain route is now replaced by the optimized route SW ₂ -W ₁ * -W ₃ -Z, which also consists of 4 sections.

Gemäß 4d wird nunmehr jede dieser Teilstrecken S-W2, W2-W1*, W1*-W3 und W₃-Z erneut nach dem Algorithmus gemäß 4a durch jeweilige Aufspaltung in weitere Teilstrecken unter Ermittlung weiterer Wegpunkte W₄, W₅, W₆, W₇ aufgeteilt. Als nächstes erfolgt dann wieder der Korrekturschritt gemäß 4c auf der Grundlage jeweils benachbarter neuer Wegpunkte W₄- W₅, W₅-W₆, W₆-W₇, W₇-W₈ zur Korrektur der Wegpunkte W₂, W₁* und W₃. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die ursprüngliche Wegstrecke S-Z in eine vorgegebene ausreichend genaue Anzahl von Teilwegstrecken aufgeteilt ist (z. B. 10 bis 1000).According to 4d Now each of these sections S-W2, W2-W1 *, W1 * -W3 and W ₃ -Z is again according to the algorithm according to 4a divided by respective splitting into further sub-sections while determining further waypoints W ₄ , W ₅ , W ₆ , W ₇ . Next, the correction step according to FIG 4c on the basis of respectively adjacent new waypoints W ₄ - W ₅ , W ₅ -W ₆ , W ₆ -W ₇ , W ₇ -W ₈ for correcting the waypoints W ₂ , W ₁ * and W ₃ . This process is repeated until the original distance SZ is divided into a predetermined sufficiently precise number of partial routes (eg 10 to 1000).

Dieses vorbeschriebene Optimierungsverfahren ist auch im dreidimensionalen Raum anwendbar. Dann werden zwei zueinander orthogonale Mittelsenkrechten bestimmt und auf diesen beiden entsprechende Punkte definiert, die zusammen eine Punktematrix bilden, die abgearbeitet werden. Bei Zugrundelegung des Beispiels von 4a würden dann auf jeder Mittelsenkrechten 9 Punkte Px₀..Px₉ und Py₀..Py₉, also statt 9 deren 81 (9 × 9) Zwischenpunkte auszuwerten sein.This above-described optimization method is also applicable in three-dimensional space. Then two mutually orthogonal mid-perpendiculars are determined and defined on these two corresponding points, which together form a dot matrix, which are processed. Based on the example of 4a Then, on each perpendicular bisector, 9 points Px ₀ .. Px ₉ and Py ₀ .. P y ₉ , ie instead of 9, whose 81 (9 × 9) intermediate points should be evaluated.

In 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung 60 zur Wegstreckenoptimierung dargestellt, die im wesentlichen eine Positionsbestimmungseinheit 62 umfasst, die anhand geeigneter Positionsmessverfahren, vorzugsweise unter Verwendung eines GPS-Empfängers, die Position bestimmt. Die Vorrichtung 60 umfasst ferner eine Fremddatenempfangseinheit 64, mittels der Daten von Fremdquellen empfangen und verarbeitet werden. Derartige Informationen können über eigene Radargeräte (beispielsweise Erfassung feindlicher Flugzeuge), Transponder-Geräte bei zivilen Flugzeugen oder als Funksignale (z. B. aktuelle Wetterinformationen) bereitgestellt werden, die einer Einflussfaktoren-Berechnungseinheit 66 zugeführt werden. Diese Einflussfaktoren-Berechnungseinheit 66 steht in Verbindung mit einer Speichereinheit 68, in der die Daten des Koordinatensystems, d. h. die zwei- oder dreidimensionalen Kartendaten sowie die Daten der Einflussfaktoren gespeichert sind.In 5 is a preferred embodiment of a device 60 for distance optimization, which is essentially a position determination unit 62 which determines the position by means of suitable position-measuring methods, preferably using a GPS receiver. The device 60 further comprises a foreign data receiving unit 64 , by means of which data from external sources are received and processed. Such information may be provided via proprietary radars (eg, hostile aircraft detection), transponders on civilian aircraft, or as radio signals (eg, current weather information) that are an influencing factor calculation unit 66 be supplied. This influencer calculation unit 66 is related to a storage unit 68 in which the data of the coordinate system, ie the two- or three-dimensional map data and the data of the influencing factors are stored.

Eine Wegstreckenoptimierung-Berechnungseinheit 70 berechnet auf der Grundlage der in der Speichereinheit 68 gespeicherten Daten sowie die Positionsdaten aus der Positionsbestimmungseinheit 62, bevorzugt unter Verwendung des in den 4a bis 4d beschriebenen Rechenalgorithmus, eine optimierte Weg strecke und gibt diese über eine Anzeigeeinheit 72 an einen Nutzer, insbesondere den Fahrzeugführer, aus. Ferner kann eine Warneinheit 74 vorgesehen sein, die bei plötzlichen starken Abweichungen der Minimalfläche eine Warnung an den Nutzer ausgibt. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn infolge plötzlich auftretender Gefahren wie eines auf einen Kollisionskurs einschwenkenden Flugzeugs, eine ungewohnte neue Situation eingetreten ist, die eine Reaktion erfordert. Anstelle der Anzeigeeinheit kann auch eine Steuereinheit vorgesehen werden, mittels der die Wegstreckenoptimierung-Berechnungseinheit 70 direkt das Fahrzeug lenkt.A route optimization calculation unit 70 calculated on the basis of in the storage unit 68 stored data and the position data from the position determination unit 62 , preferably using the in the 4a to 4d described calculation algorithm, an optimized route stretch and outputs this via a display unit 72 to a user, in particular the driver. Furthermore, a warning unit 74 be provided that emits a warning to the user in case of sudden strong deviations of the minimum area. This may, for example, be the case when, due to sudden dangers such as an aircraft colliding with a collision course, an unfamiliar new situation has occurred which requires a reaction. Instead of the display unit, a control unit can also be provided, by means of which the distance optimization calculation unit 70 directly steering the vehicle.

Claims

Method for path optimization in the plane or in space, taking into account at least one influencing factor (eg terrain condition, altitude, hazard potential, speed, prohibited areas, wind direction of driving power consumption), characterized in that a multidimensional coordinate system ( 10 ) is used, in which the landscape as a level ( 12 ) (cartographic landscape) or space ( 36 ) (cartographic landscape with altitude) and for each mapping point the at least one influencing factor (E) is determined and stored in at least one further influencing factor dimension and the optimal distance ( 18 ) is determined as the minimum area ( 20 ), which is formed from the integral of the influencing factor (E), integrated over the distance ( 18 ).

Method for path optimization according to claim 1, characterized in that the coordinate system ( 10 ) comprises several influencing factor dimensions for different influencing factors and for each mapping point, a total influencing factor (E) is calculated from the individual stored influencing factors taking into account influencing factor weightings.

Method for distance optimization according to claim 1, characterized in that the landscape ( 12 ) in two dimensions (xy), in which the path to be optimized (trajectory) is located and the influencing factor (e) is a manifold (x 16a . 16b ) in the influencing factor dimension (E) as a third dimension over the landscape ( 12 , xy) forms.

Method for route optimization according to claim 1, characterized in that the air space over the landscape in three Dimensions (x-y-z) is shown, in which the optimizing Path (trajectory) is located and the influencing factor is a manifold in the influencer dimension as the fourth dimension above the Airspace (x-y-z) forms.

Method for route optimization according to one of previous claims, characterized in that one or more of the following influencing factors considered are: threat potential, movable foreign objects, altitude, fuel consumption, Weather and / or wind conditions, other aircraft, terrain texture (road, lane, swamp, climbs).

Method for route optimization according to one of previous claims, characterized in that this at regular intervals under consideration modified Condition conditions, in particular the direction of movement, speed, Height, to Updating the path optimization is repeated.

Method for path optimization according to one of the preceding claims, characterized in that the path (SZ) in a number of 2 ⁿ path sections (SW ₂ , W ₂ -W ₁ * ..) is decomposed and this in several iteration steps the distance by determining Intermediate points (W ₁ , W ₂ , ...) is divided into more and more travel sections.

Method for path optimization according to claim 7, characterized in that for the determination of an intermediate point (W ₁ ) to a section (SZ) along its perpendicular bisector ( 40 ) determines a number of points (P ₀ ..P ₈ ) spaced apart in both directions and connecting lines ( 42a . 42b ) to the beginning (S) and end point (Z) of the link, and for each point (P ₀ ... P ₈ ) the area integrals of the influencing factor (E) along these links ( 42a . 42b ) and the point (P ₂ ) having the smallest area integral is used as the intermediate point (W ₁ ).

Method for path optimization according to claim 8, characterized in that after determining two new intermediate points (W ₂ , W ₃ ) on both sides of an old intermediate point (W ₁ ) used to determine these new intermediate points in a correction step from a through the two new intermediate points (W ₂ , W ₃ ) defined straight line section according to the method described in claim 7, the old intermediate point (W ₁ ) by a newly determined (W ₁ *) is replaced.

Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, comprising - a position determination unit ( 62 ) for determining the position data of the current position; A storage unit ( 68 ) in which the coordinate system with the landscape data as well as the influencer data is stored; An influencing factor calculation unit ( 66 ) for the redetermination of influencing factor data taking into account the current position data and for storing in the memory unit ( 68 ); A route optimization calculation unit ( 70 ) for calculating an optimized distance from the position data and in the memory unit ( 68 ) stored landscape and influencing factors data; A display unit ( 72 ) in which the optimized distance calculated in the route optimization calculation unit is displayed.

Distance optimization device according to claim 10, characterized in that it comprises a warning unit ( 74 ) to issue a warning in the event of sudden substantial changes in the calculated minimum area.

A distance optimization apparatus according to claim 10, characterized in that the distance optimization calculation unit (10) 70 ) directly drives a vehicle control unit.