Augmented Reality beim Militär

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Name des Autors / der Autoren: Mejdi Jelassi, Hakki Sahin
Titel der Arbeit: Augmented Reality beim Militär
Hochschule und Studienort: FOM Düsseldorf


Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Einführung

"Ich muß doch wiederholt davor warnen, im Publikum die Meinung zu verbreiten, dass die Ausgaben für die Armee unproduktive Ausgaben seien."[1]

Dieses Zitat von Otto Fürst von Bismarck kann sehr gut auf die heutige Zeit übertragen werden. Militärische Organisationen sind seit jeher mit viel Geld ausgestattet und verwenden einen großen Teil ihres finanziellen Budgets für die Erforschung neuer Technologien. Es gibt zahlreiche militärische Erfindungen, die Einzug in unseren Alltag gefunden haben. Das GPS und das Internet sind gute Beispiele dafür.

Augmented Reality, die erweiterte Realität, ist derzeit ein heiß diskutiertes Thema und wird von vielen Experten als die nächste technische Revolution angesehen. Dabei hat das Militär bereits vor vielen Jahren die Vorteile dieser Technologie erkannt und entsprechende Forschungs- und Entwicklungsprogramme durchgeführt. Das Militär hat in diesem Gebiet über die Jahrzehnte hinweg wichtige Pionierarbeit geleistet. Nun ist die Zeit kommen, dass auch wir als zivile Personen die Vorteile, die Augmented Reality bietet, nutzen können.

1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

Diese wissenschaftliche Arbeit soll einen Überblick über aktuelle und zukünftige militärische Entwicklungen auf dem Gebiet von Augmented Reality geben. Der Leser erfährt in welchen militärischen Anwendungsbereichen Augmented Reality eingesetzt werden kann. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit konkreten militärischen Systemen und Forschungsprogrammen. Abschließend wird eine Bewertung der militärischen Augmented Reality Technologien vorgenommen.

Das methodische Vorgehen in dieser Arbeit ist folgendermaßen:

  1. Der Leser erfährt zu Beginn dieser Arbeit was unter Augmented Reality zu verstehen ist, indem der Begriff definiert und von ähnlichen Begriffen abgegrenzt wird.
  2. Anschließend werden die allgemeinen technischen Grundlagen vermittelt, indem die verschiedenen Systemkomponenten und deren Funktion im Gesamtsystem beschrieben werden.
  3. Im Anschluß werden die verschiedenen militärischen Anwendungsbereiche aufgezählt, bevor auf die wichtigsten Bereiche näher eingegangen wird.
  4. Bei der Analyse der Forschungsprogramme und des aktuellen Stands der Technik wird zwischen den verschiedenen Einsatzbereichen (Lufteinsätze, Bodeneinsätze und Ausbildung) unterschieden.
  5. Zum Abschluß dieser Arbeit findet eine Bewertung der militärischen Technologien durch Gegenüberstellung von Vor- und Nachteilen statt.

2 Grundlagen

2.1 Definition

Unter „Augmented Reality“[2], im weiteren Verlauf dieser Arbeit als AR bezeichnet, versteht man die Erweiterung der Realitätswahrnehmung durch den Einsatz computergestützter Technik. Die in der Literatur am häufigsten verwendete Definition stammt von R. Azuma:[3]

Ein AR System hat folgende Charakteristika:

  1. Kombination von realer und virtueller Welt
  2. Echtzeitfähigkeit und Interaktivität
  3. Registrierung in drei Dimensionen

Der Nachteil dieser Definition ist, dass sie zu sehr auf technische Merkmale fixiert ist und nicht alle Bereiche von AR abdecken kann. Eine allgemeinere Definition, die in vielen wissenschaftlichen Arbeiten, einschließlich dieser Arbeit, verwendet wird, beschreibt AR folgendermaßen:

  1. Ausweitung der Sinneswahrnehmung des Menschen durch Sensoren, die Umgebungseigenschaften erfassen, die nicht von den menschlichen Sinnen erfasst werden können
  2. Darstellung weiterer Informationen

Im Folgenden soll diese Definition der AR gelten.

Abb.1: Realitäts-Virtualitäts-Kontinuums nach Milgram (1994)
Abb.1: Realitäts-Virtualitäts-Kontinuums nach Milgram (1994)

2.2 Begriffsabgrenzung

Die Begriffsabgrenzung soll anhand des Realitäts-Virtualitäts-Kontinuums nach Milgram (Abbildung 1) vorgenommen werden:[4]

Der menschlichen Wahrnehmung der Realität steht eine zunehmende Beeinflussung durch computergenerierte Eindrücke gegenüber, wobei in dieser Arbeit visuelle Eindrücke im Mittelpunkt stehen. Die menschliche Wahrnehmung kann aber auch um auditive und haptische Wahrnehmungen erweitert werden.

Sobald der realen Welt berechnete virtuelle Objekte hinzugefügt werden spricht man von „Augmented Reality“, insbesondere wenn die reale Welt die menschliche Wahrnehmung beherrscht. Unter „Augmented Virtual Reality[5] versteht Milgram das Vorherrschen von virtuellen Objekten, denen ein wenig Realität zugefügt wird. Sobald die reale Welt aus der Wahrnehmung des Menschen verschwindet befindet er sich in der „Virtual Reality[6].

2.3 Technische Grundlagen

2.3.1 Aufbau und Funktionsweise von AR Systemen

AR Systeme sind grundsätzlich aus folgenden Basiskomponenten aufgebaut:

  1. Anzeigegerät (HUD, HMD, Monitor, etc.)
  2. Trackingsystem
  3. Computer (Datenhaltungssystem)
  4. Software (Szenengenerator)

Eine wichtige Vorraussetzung, um dem Anwender virtuelle Informationen bedarfsgerecht zur Verfügung stellen zu können, ist die Erfassung seiner Blickrichtung und Position relativ zum betrachteten Objekt. Diese Funktion wird durch das Trackingsystem erledigt. Das Trackingsystem ermittelt die x,y,z Position und übermittelt diese Daten an den Szenengenerator und das Datenhaltungssystem. Das Datenhaltungssystem wiederum sucht anhand der Positionsdaten nach passenden virtuellen Informationen und überträgt diese an den Szenengenerator. Im Szenengenerator wird anhand der Positionsdaten berechnet wie die virtuellen Informationen perspektivisch korrekt darzustellen sind. Die perspektivisch korrekten virtuellen Daten werden schließlich an das Anzeigegerät übertragen, das die Daten visualisiert und in den Sichtbereich des Anwenders einblendet.

Registrierung

Ein wesentliches Element für die korrekte Funktionsweise von AR Systemen ist die Registrierung. Unter Registrierung vesteht man in diesem Zusammenhang die Synchronisation der realen Umgebung mit den Daten, die virtuell vorliegen. Diese Synchronisation ist zwingend notwendig um eine Verschmelzung von realer und virtueller Welt zu erreichen und dem Anwender den Eindruck zu vermitteln das beide Welten koexistieren. [7]


In den folgenden Abschnitten wird auf die wichtigsten Komponenten von AR Systemen, wie Anzeigegerät, Trackingsystem und Software, näher eingegangen.

2.3.2 Anzeigegeräte

Im Bereich der Anzeigegeräte gibt es eine Vielzahl verschiedener Technologien, die für den Einsatz in Augmented Reality Systemen in Frage kommen. Die Unterscheidung und Charakterisierung der unterschiedlichen Anzeigegeräte kann anhand verschiedener Kriterien erfolgen und soll nachfolgend näher beschrieben werden.

Hardware
Abb.2: Konzept eines monitorbasierten AR Systems nach Azuma (1997)
Abb.2: Konzept eines monitorbasierten AR Systems nach Azuma (1997)

Betrachtet man die verwendetete Hardware des Anzeigegerätes, so kann zwischen kopfbasierten und monitorbasierten Systemen unterschieden werden. Bei der Verwendung von monitorbasierten Anzeigesystemen erfolgt die Visualisierung der Informationen auf einem Computermonitor. Der Aufbau solcher Anzeigesysteme ist entweder statisch (festinstallierte Monitore) oder mobil (z.B. PDA, Smartphone)[8]. Bei einem mobilen Aufbau ist es erforderlich die Kameraposition mit Hilfe eines Trackingsystems zu ermitteln um virtuelle Objekte und reale Umgebung miteinander in Relation setzen zu können. Durch die Verwendung von Shutterbrillen kann bei monitorbasierten Systemen auch eine Stereovisualisierung erreicht werden.[9]

Bei kopfbasierten Anzeigesystemen handelt es sich um sogenannte HUD, HMD oder HWD[10], die, wie der Name schon sagt, am Kopf getragen werden. Solche Geräte verwenden häufig Strahlenteiler um dem Anwender das berechnete virtuelle Bild zusammen mit der wahrgenommenen realen Umgebung zu präsentieren.

Wahrnehmung

Anzeigesysteme lassen sich hinsichtlich ihrer Wahrnehmung in Durchsichtsysteme (Look-Through) und Umsichtsysteme (Look-Around) unterscheiden. Bei Look-Around Systemen ist neben der Wahrnehmung des virtuellen Objekts die freie Sicht auf die reale Umgebung möglich. Solche Systeme haben stets einen monitorbasierten Aufbau. Im Gegensatz dazu werden bei Look-Through Systemen kopfbasierte Geräte verwendet. Look-Through Systeme verdecken das Sichtfeld des Anwenders und schränken seinen Sichtbereich (FOV) ein.

Visualisierungstechnik

Abb.3: Konzept der VST Visualisierung nach Azuma (1997)
Abb.3: Konzept der VST Visualisierung nach Azuma (1997)
Abb.4: Konzept der OST Visualisierung nach Azuma (1997)
Abb.4: Konzept der OST Visualisierung nach Azuma (1997)

Für den Einsatz in AR Systemen konzipierte Anzeigegeräte können zwei verschiedene Visualisierungstechniken verwenden. Anzeigegeräte, die die Video-See-Through (VST) Visualisierung verwenden, arbeiten videobasiert, d.h. die reale Umgebung wird von einer Videokamera aufgenommen. Ein Videomixer fügt diesen Bildern die errechneten virtuellen Informationen hinzu, bevor das Ergebnis dem Anwender auf einem Monitor präsentiert wird. Die zweite Visualisierungstechnik wird mit dem Begriff Optical-See-Through (OST) beschrieben. Bei dieser Technik wird ein, vor der Sehachse des Anwenders positionierter, Strahlenteiler eingesetzt um das virtuelle Objekt im Sichtbereich des Anwenders anzuzeigen. Das Zusammenfügen des realen und virtuellen Bildes findet im Auge des Anwenders statt.[11]

2.3.3 Trackingsysteme

Das Trackingsystem ist ebenfalls eine wichtige Komponente innerhalb eines AR Systems. Trackingsysteme dienen der Bestimmung von Positionsdaten und sind für die Synchronisation zwischen virtuellen Daten und realer Umgebung notwendig. Die Anforderung an die Genauigkeit der Kongruenz zwischen virtuellem Objekt und realer Umgebung kann je nach Anwendungsgebiet verschieden sein. AR Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern, verwenden Feintrackingsysteme. In allen anderen Fällen reicht der Einsatz eines Grobtrackingsystems aus. Unter Berücksichtigung der eingesetzten Technologie können die verschiedenen Trackingsysteme in sechs verschiedene Kategorien eingeteilt werden [12]:

  • Laufzeit-Messungs-Verfahren (Time of Flight)
  • Elektro-Magnetisches Tracking (Direct Field Sensing)
  • Inertiales Tracking (Inertial Scan)
  • Phasen-Differenz-Tracking (Phase Differences)
  • Mechanisches Tracking (Mechanical Linkages)
  • Optisches Tracking (Spatial Scan)

Beim Time of Flight werden Signale von einem Sender an einen Empfänger übertragen. Um die Positionsdaten zu bestimmen wird die Zeit, die für die Übertragung des Signals benötigt wird, gemessen und ausgewertet. Das Global Positioning System (GPS) ist ein Beispiel für ein Trackingsystem, das diese Technologie einsetzt. Aufgrund der hohen Bedeutung von GPS für viele AR Systeme und des besonderen Bezugs zum Militär wird dieses Trackingsystem nachfolgend näher erläutert.

Global Positioning System

Abb.5: Global Positioning System
Abb.5: Global Positioning System

Die Geschichte des GPS[13] beginnt in den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts als das US Verteidigungsministerium den Auftrag gab 24 Satelliten in die Erdumlaufbahn zu befördern. Das System sollte ursprünglich ausschließlich militärischen Zwecken dienen und bei der Navigation von Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen, etc. eingesetzt werden. Mittlerweile ist das System auch zur zivilen Nutzung freigegeben, beispielsweise bei der zivilen Luft- und Seefahrt oder in Navigationssystemen für Kraftfahrzeuge. Die Satelliten umkreisen die Erde und senden dabei Signale, die Informationen zum Status des Satelliten, seiner Umlaufbahn und seiner Uhrzeit[14] beinhalten. Mit speziellen Empfangsgeräten kann das GPS Signal auf der Erde empfangen und ausgewertet werden. Zur Ermittlung der räumlichen Position verwendet der GPS Empfänger das Prinzip der Triangulation und wertet die Unterschiede in den Laufzeiten verschiedener Signale aus. Bei der GPS Technologie müssen zwei verschiedene Dienstklassen unterschieden werden:

  • Standard Positioning Service (SPS) ist ein für die zivile Nutzung gedachter GPS Dienst. In der ursprünglichen Variante hat das US-Militär ein Störsignal eingespeist um für eine künstliche Ungenauigkeit zu sorgen.[15] Die Genauigkeit des Systems betrug damals 100 m in 95% aller Messungen. Nachdem im Mai 2000 das Störsignal ausgeschaltet wurde verbesserte sich diese Genauigkeit auf ca. 15 m. [16]
  • Precise Positioning Service (PPS) heißt der GPS Dienst, der ausschließlich militärisch genutzt werden kann. Die GPS Signale werden hierbei vom Satelliten verschlüsselt ausgestrahlt. Der Dienst war ursprünglich auf eine Genauigkeit von 22 m in 95% der Messungen ausgelegt.

Durch den Einsatz von am Boden installierten Referenzstationen ist es möglich die Genauigkeit des Systems auf 0,01 bis 5m zu erhöhen (Differential-GPS, DGPS). Der große Vorteil von GPS liegt in der globalen Verfügbarkeit. Das System lässt sich allerding nur im Außenbereich einsetzen. Innerhalb von Gebäuden ist der Einsatz aufgrund der schlechten Signalverfügbarkeit nicht sinnvoll. Ein weiteres Problem von GPS ist die geringe Updaterate (ca. 1 Hz).

2.3.4 AR Software

Die Software bildet die Grundlage eines jeden AR Systems und ist für AR Anwendungen, die auf spezielle Anwendungsfälle zugeschnitten sind, essentiell. Die Software sorgt auch dafür, dass die verschiedenen Systemkomponenten miteinander interagieren und kommunizieren können. Unter anderem müssen die folgenden wichtigen Funktionen durch AR Software erfüllt werden:

  • Verarbeitung von Trackingdaten
  • Definition und Ausführen von Workflows (eigentliche Anwendungslogik)
  • Schnittstellen zum Anwender
  • Renderingfunktionalität
  • Gerätemangement (Einbinden der verschiedenen Ein- und Ausgabegeräte)
  • Kommunikation zwischen den Systemkomponenten

Es existieren aktuell verschiedene Softwareframeworks, die zur Entwicklung von AR Anwendungen eingesetzt werden können. Zu nennen sind hier vorallem ARToolkit (HIT Lab), DWARF (TU München), DART (Georgia Institute of Technology) und Studierstube (TU Graz).[17]


3 Militärische Anwendungsbereiche

Das Militär hat sehr viel Pionierarbeit was den praktischen Einsatz von AR Technologie angeht geleistet. Die militärische Anwendung dieser Technologie führte zu einem wachsenden Interesse bei Industrie und Endverbrauchern. Die wichtigsten aktuellen und zukünftigen Einsatzmöglichkeiten werden unten aufgezählt. Es sollte berücksichtigt werden, dass manche AR Systeme anwendungsbereichsübergreifend eingesetzt werden können. In dieser Arbeit wird daher auf eine strikte Trennung der einzelnen Bereiche verzichtet. Zu den militärischen Anwendungsbereichen gehören:[18]

  • Navigation und Situation Awareness (SA)
  • Zielerfassung
  • Nacht-Sicht-Systeme
  • Sichtverbesserung
  • Sicherheitsüberwachung
  • Simulation und Ausbildung
  • Wartung und Inspektion
  • Steuerung von Unbemannten Fahrzeugen

In den nachfolgenden Abschnitten sollen die wichtigsten militärischen Anwendungsbereiche näher erläutert werden.

3.1 Steuerung, Navigation und Situation Awareness

Die ersten militärischen AR Programme hatten zum Ziel das wahrnehmbare Sichtfeld in verschiedenen Luft-, Boden- und See-Fahrzeugen zu erweitern. Möglich wurde das durch den Einsatz von Trackingsystemen, welche die Kopfposition des Piloten ermitteln. Eine der ersten AR Anwendungen war die Zielerfassung für Bordwaffen in Verbindung mit außen angebrachten Sensoren. AR Systeme wurden im Laufe der Jahre in eine Vielzahl von Fahrzeugen und Waffensystemen eingebaut und mit Radar, Lenkflugkörpern und einer Vielzahl von Sensoren verbunden.

Ein zweiter Bereich indem AR Technologie genutzt wird ist die Fernsteuerung von unbemannten Fahrzeugen. Durch den Einsatz eines HMD entsteht beim Anwender die Illusion sich an Bord des Fahrzeugs zu befinden. Das Miltär verwendet diese Technologie erfolgreich in unbemannten Unterwasser-, Luft- und Bodenfahrzeugen für die verschiedensten Aufgaben, einschließlich Aufklärung, Zielerfassung, Bombenentschärfung, Minenräumung und anderer fernsteuerbarer Anwendungen.

Ein weiterer Anwendungsbereich findet sich in der bemannten Luftfahrt. Das US Militär hat in den späten 90er Jahren ein Forschungsprogramm namens "Virtual Cockpit Optimization Program" (VCOP) aufgesetzt. Hauptziel dieses Programms war die Entwicklung eines durch Software rekonfigurierbaren Cockpits, das zur Modernisierung alter Flugzeuge eingesetzt werden kann. Es wurde ein Gesamtsystem geschaffen, das verschiedene moderne Technologien vereint, einschließlich Retinal-Scan Displays (RSD), 3-D-Audio-Technologien zur Spracherkennung und -ausgabe, einem Warnsystem namens "Integrated Caution, Warning and Advisory Annunciator" (ICWAA) und dem Electronic Data Manager (EDM). Die wesentlichen Ziele von VCOP waren:[19]

  • effizienter Zugriff auf wichtige Informationen
  • Minimierung der "Head-Down"-Zeit des Piloten
  • Möglichkeit Cockpits zu rekonfigurieren

Der Einsatz von AR dient besonders der Verbesserung der Situation Awareness von Soldaten. Situation Awareness, zu deutsch etwa "Situationsbewusstsein", beschreibt den Zustand, sich seiner Umwelt zutreffend bewusst zu sein. Es werden folgende Prozesse durchlaufen:

  1. Die Objekte in der Umgebung werden wahrgenommen
  2. Ihre Bedeutung wird verstanden
  3. Die Veränderungen in der Umgebung und der zukünftige Zustand der Objekte werden zutreffend für eine ausreichende Zeitspanne vorhergesagt.

3.2 Simulation, Ausbildung und Einsatzplanung

Zu den bekanntesten militärischen Anwendungsbereichen von AR zählen neben der militärischen Luftfahrt vorallem die Bereiche Simulation und Training. Das Militär hat erhebliche Anstrengungen unternommen um Fortschritte in diesen Bereichen zu erzielen. Simulationen werden oft als Werkzeug für die Entwicklung, Bewertung und Validierung neuer Entwicklungen verwendet oder um Ergebnisse komplexer Berechnungen zu visualisieren. Simulatoren erschaffen eine virtuelle Welt, die es erlaubt geplante Änderungen an Fahrzeugen und Waffensystemen auszuprobieren und zu testen, bevor die reale Hardware angepasst wird. Mit ihnen lassen sich somit finanzielle Nachteile, die durch die Gefahr von Fehlentwicklungen entstehen können, vermeiden.

Eine realitätsnahe Ausbildung und Einsatzplanung ist eine wesentliche Grundvoraussetzung für den Erfolg von miltärischen Missionen. Viel wichtiger ist jedoch die Tatsache, dass sie auch die Überlebensfähigkeit von Soldaten in erheblichem Maße verbessert. Technische Fortschritte bei Computern, Displaysystemen und in der Netzwerktechnik haben dazu geführt, dass eine Vielzahl verschiedener Simulatoren rund um den Globus miteinander vernetzt wurden und für kollektive Trainingsszenarien eingesetzt werden können. Durch die Venetzung von Luftfahrt-, Marine- und Landfahrzeug-Simulatoren, die sich in verschiedenen Teilen der Erde befinden, ist es sogar möglich geworden komplette Gefechte zu simulieren. Der Realismusgrad in Simulatoren, der einen wesentlichen Faktor für die Effektivität der Ausbildung darstellt, konnte durch die Verwendung von Luftaufnahmen und Satelliten-Fotos erheblich gesteigert werden.[20]

4 Militärische AR Programme

In diesem Abschnitt werden die bedeutendsten militärischen Forschungs- und Entwicklungsprogramme vorgestellt. Einige dieser Programme sind bereits abgeschlossen und haben sich im militärischen Einsatz bewährt. Während die meisten hier beschriebenen Programme zumindest in Feldversuchen ihre Einsatztauglichkeit bewiesen haben, sind einige noch in ihrer Forschungs-und Entwicklungsphase. Sie sind dennoch ein Teil dieser Arbeit, da mit ihnen bedeutende Fortschritte in der AR Technologie verbunden sind.

4.1 Systeme für Lufteinsätze

4.1.1 Systeme für Kampfflugzeuge
Abb.6: Überblick HMD in Kampfflugzeugen
Abb.6: Überblick HMD in Kampfflugzeugen
Abb.7: Ausgewählte Programme für Kampfflugzeuge
Abb.7: Ausgewählte Programme für Kampfflugzeuge

Die Zielerfassung ist ein wichtiges Problem, das die frühe Entwicklung von AR basierter Technik in Kampfflugzeugen vorantrieb. Während des Ersten Weltkriegs, als man Maschinengewehre an Flugzeugen montierte, mussten Piloten zur Zielerfassung noch den Bug des Flugzeugs auf das Ziel ausrichten. Erst die Entwicklung des HUD hat dafür gesorgt, dass Piloten ein Zielerfassungssystem hatten, mit dem sie aus ihrem Cockpit heraus Ziele anvisieren konnten. Das HUD stellt einen wichtigen Meilenstein in der Geschichte der miltärischen Luftfahrt dar. Neben Symbolen für die Zielerfassung, zeigte es auch Informationen zu Höhe, Position und Fluggeschwindigkeit an - eine große Hilfe für den Piloten, der nicht mehr seinen Blick auf die Instrumente im Cockpit richten musste um diese Informationen zu sehen.

Das HMD stellt eine Weiterentwicklung des HUD dar und hat die Art und Weise der Austragung von Luft-Luft-Gefechten grundlegend verändert. Bewegungssensoren am Helm des Piloten verfolgen ständig die Blickrichtung des Piloten, während er seinen Blick auf das feindliche Ziel richtet. Die Sensoren senden diese Informationen an den Bordcomputer, der wiederum die Positionsdaten des Ziels ans Waffensystem weitergibt. Sobald die Rakete auf das Ziel fixiert ist, wird der Pilot mit einem Audio- und Videosignal darauf aufmerksam gemacht. Der Pilot kann nun den Abzug, der sich am Steuerknüppel befindet, betätigen um die Rakete auf das Ziel abzufeuern. Die Ausrichtung des eigenen Bugs auf das gegnerische Flugzeug ist nicht mehr notwendig. Die Möglichkeit das Waffensystem einzusetzen, hängt nur noch davon ab, ob das Ziel in Reichweite ist und ob der Pilot das Ziel in seinem HMD sehen kann.[21]

Abbildungen 6 und 7 zeigen eine Übersicht der wichtigsten miltärischen Programme, die sich mit der Entwicklung von HMDs für den Einsatz in Kampfjets befassen. Einige Programme sollen nachfolgend exemplarisch näher behandelt werden.

Abb.8: Display and Sight Helmet (DASH 3)
Abb.8: Display and Sight Helmet (DASH 3)
Abb.9: F-15 Kampfflugzeug
Abb.9: F-15 Kampfflugzeug

Display and Sight Helmet (DASH) series (Israel)

In den späten 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts hat die israelische Rüstungsfirma Elbit Systems Ltd damit begonnen den DASH zu entwickeln. Die erste Version (DASH 1) wurde in F-15 (Abbildung 9) und F-16 Kampfflugzeugen der israelischen Luftwaffe eingesetzt. Die Weiterentwicklung DASH 2 hatte ein verbessertes Design, wurde aber nie in Serie produziert. Die aktuelle Version DASH 3 (Abbildung 8) wird seit den frühen 90er Jahren hergestellt. Durch die Verwendung von Schaumstoffen kann der Helm an die Kopfform und -größe des einzelnen Piloten angepasst werden. Anschließend wird der Pilot mit dem Helm ausgerüstetet und die 15mm-Austrittspupille des HMD (20° FOV) wird an die Augenhöhe angepasst. DASH 3 bietet ausreichend Platz für Brillen und Sauerstoffmasken. Das Gewicht des Helms beträgt 1,65 kg. Die virtuellen Informationen werden auf das Visir projiziert. Die Vorteile dieses HMD liegen in der ausgereiften Technik und der kompakten Bauweise. Das System wird derzeit in fünf verschiedenen Ländern auf vier Kontinenten und in 5 verschiedenen Plattformen (F-15A/B/C/D; F-15I, F-16C / D, F-5E / F; MiG-21) eingesetzt. Über 1000 Dash-Systeme wurden weltweit an Kunden ausgeliefert.[22]

TopSight/TopNight (Frankreich)

Abb.10: Rafale Kampfflugzeug
Abb.10: Rafale Kampfflugzeug
Abb.11: TopSight
Abb.11: TopSight
Abb.12: TopNight
Abb.12: TopNight

TopSight (Abbildung 11) wird von Thales Avionics in Zusammenarbeit mit Intertechnique entwickelt und wird sowohl im Mirage 2000 als auch im Rafale Kampfflugzeug (Abbildung 10) eingesetzt. Der Helm ist mit einer Sauerstoffmaske ausgerüstet und bietet Schutz vor nuklearen, biologischen und chemischen Waffen. TopSight basiert auf einem modularen Ansatz bestehend aus einem abnehmbaren, an die Kopfform des Piloten angepassten Kopfteil und einem Tag-Display-Modul, das durch ein Nachtsichtmodul ersetzt werden kann. Das System ist in erster Linie für die Zielerfassung in Luft-Luft-Kämpfen gedacht. Es verwendet ein monokulares Display, bestehend aus einem CRT mit 0,5 Zoll Durchmesser, einer FOV von 20° und 60 mm Augenabstand. Der Helm hat ein Gesamtgewicht von 1,45 kg.[23]

TopNight (Abbildung 12) ist ein spezieller TopSight-Helm, der für Luft-Boden- und Nachteinsätze im Rafale Kampfflugzeug ausgelegt ist. Es erweitert den TopSight um eine spezielle Kamera mit der Bezeichnung "image-intensified charge-coupled device" (I2CCD) und verwendet ein binokulares Display, bestehend aus 2 CRTs mit 0,5 Zoll Durchmesser, einer FOV von 40°(H) und 30°(V) und 60-mm Augenabstand. Das Bild des I2CCD kann als Nachtsichtvariante ausgegeben werden. Es ist auch möglich ein FLIR-Bild auszugeben wenn entsprechende Sensoren am Flugzeug angebracht sind. Der Pilot hat dann die Möglichkeit zwischen FLIR- und I2CCD-Ausgabe zu wechseln. TopNight ermöglicht es auch Bilder von externen Quellen auszugeben. Das Gesamtsystem hat ein Gewicht von 1,8 kg.[24]

Abb.13: Helm-Mounted-Display-System (HMDS)
Abb.13: Helm-Mounted-Display-System (HMDS)
Abb.14: F-35 Joint Strike Fighter
Abb.14: F-35 Joint Strike Fighter

Helm-Mounted-Display-System (HMDS) (USA)

Das Helm-Mounted-Display-System (HMDS) (Abbildung 13) wird für den neuen F-35 Joint Strike Fighter (JSF) (Abbildung 14) von der Firma VSI entwickelt. Das HMDS versorgt den Piloten mit Videobildern in Tages- und Nachtsicht und kombiniert diese mit Symbolik, welche die Situation Awareness und taktischen Fähigkeiten des Piloten verbessern. Der F-35 JSF wird das erste taktische Kampfflugzeug seiner Art sein, dass ohne ein eigenes HUD auskommt. Die Funktionalität, die sonst ein HUD erfüllen muss, wird komplett durch das HMDS bereitgestellt. Als Displays werden zwei AMLCDs mit 0,7-Zoll Bildschirmdiagonale und SXGA-Auflösung eingesetzt. Das HMDS bietet eine FOV von 40°(H) und 30°(V).[25]

4.1.2 Systeme für Kampfhubschrauber
Abb.15: Überblick HMD in Hubschraubern
Abb.15: Überblick HMD in Hubschraubern
Abb.16: Ausgewählte Programme für Kampfhubschrauber
Abb.16: Ausgewählte Programme für Kampfhubschrauber

AR hat sich zu einer unverzichtbaren Technologie in Kampfflugzeugen entwickelt. Auch bei Kampfhubschraubern wird der Einsatz von AR Technologien immer weiter voran getrieben. Hierbei spielen Herausforderungen mit extremen Geschwindigkeiten und Fliehkräften, wie sie bei Kampfjets auftreten, eine geringe bis gar keine Rolle. Das bedeutet jedoch nicht, dass solche AR Systeme leichter zu entwickeln sind. Militärhubschrauber befinden sich meist im Tiefflug, um nicht von der feindlichen Luftverteidigung entdeckt zu werden und stellen damit besonderere Anforderungen an ein AR System. Insbesondere ist ein größerer Sichtbereich und eine erhöhte Auflösung notwendig.[26] Abbildungen 15 und 16 geben einen Überblick über die wichtigsten Entwicklungsprogramme, welche sich mit dem Einsatz von AR Technologie in Militärhubschraubern befassen. Einige ausgewählte Programme sollen nachfolgend näher beschrieben werden.

Abb.17: Integrated Helmet and Display Sighting System (IHADSS)
Abb.17: Integrated Helmet and Display Sighting System (IHADSS)
Abb.18: AH-64 Apache Kampfhubschrauber
Abb.18: AH-64 Apache Kampfhubschrauber

Integrated Helmet and Display Sighting System (IHADSS) (USA)

IHADSS (Abbildung 17) ist ein HMD, das in den späten 70er Jahren von der US-Rüstungsfirma Honeywell entwickelt wurde und derzeit von der Firma EFW für den Einsatz im AH-64 Apache-Kampfhubschrauber (Abbildung 18) produziert wird.

Die ersten Helme für Kampfpiloten hatten ausschließlich die Funktion den Träger vor einem Aufprall und vor Lärm zu schützen. Die Entwicklung eines fortgeschrittenen Kampfhubschraubers durch die US-Armee Ende der 70er Jahre machte ein völlig neues Helm-Konzept, in Form einer optischen Schnittstelle zwischen dem Piloten und dem Fluggerät, erforderlich. Es wurde das IHADSS entwickelt, ein integriertes, kopfbasiertes, mit Infrarot(IR)-Technologie ausgestattetes Displaysystem. Am Bug des Hubschraubers ist ein drehbarer FLIR-Sensor, der die Kopfbewegungen des Piloten registriert und seine Ausrichtung entsprechend ändert. Die Bilder, die dieser Sensor liefert, werden mit Fluginformationen (Position, Drehmoment, Höhe, etc.) und einem Zielfadenkreuz für Geschütz und Raketen überlagert und im HMD des Piloten angezeigt. Das IHADSS kann von beiden Cockpits des AH-64 gleichzeitig und unabhängig betrieben werden. Die wesentlichen Leistungsmerkmale des IHADSS sind:[27]

  • Monokulares CRT-Display vor dem rechten Auge mit 1 Zoll Durchmesser
  • FOV: 40°(H) und 30°(V)
  • runde Austrittspupille mit 10 mm Durchmesser
  • Ausgabe mit 525 bis 875 Zeilen
  • 10 mm Augenabstand
Abb.19: Aviator's Night Vision Imaging System (ANVIS)
Abb.19: Aviator's Night Vision Imaging System (ANVIS)

Aviator's Night Vision Imaging System (ANVIS) (USA)

ANVIS (Abbildung 19) ist das mit Abstand am weitesten verbreitete HMD der Welt und wird seit etwa zwei Jahrzehnten eingesetzt. Es handelt sich hierbei um ein integriertes Sensor/Display-System welches auf beliebige Pilotenhelme montiert werden kann. Das Tracking der Kopfbewegungen geschieht mit einer kamarabasierten Technologie mit der Bezeichnung I2. Das Modell ANVIS-9 befindet sich derzeit unter anderem bei der U.S. Navy und Airforce im Einsatz. Aufgrund von Problemen mit schwierigen Lichverhältnissen hat man einen internen Filter eingebaut, der Teile des sichtbaren Lichtspektrums herausfiltert. ANVIS verwendet ein binokulares Display mit einer FOV von 40°. Das System kann bei Bedarf hoch- und runtergeklappt werden und wird von einer einzigen Lithiumionen- oder zwei AA-Batterien mit Energie versorgt.[28]

Abb.20: ANVIS/HUD-7
Abb.20: ANVIS/HUD-7
Abb.21: Anzeige im ANVIS/HUD-7
Abb.21: Anzeige im ANVIS/HUD-7

ANVIS/HUD-7 und -24 (Israel) Der große Nachteil von I2-Systemen (z.B. ANVIS) ist der Mangel an eingeblendeter Symbolik. Um dieses Problem zu lösen hat Elbit Systems das ANVIS/HUD entwickelt. Die erste Version, das ANVIS/HUD-7 (Abbildung 20), ist für Nachteinsätze ausgelegt und überlagert das Standardbild eines normalen ANVIS mit zusätzlichen Fluginstrumentdaten und virtuellen Grafiken (vgl. Abbildung 21). Zu den wesentlichen Leistungsmerkmalen gehören:

  • FOV: Nachtsicht - 40 ° Symbologie - 32 °
  • Auflösung: > 512 x 512 Pixel
  • Gewicht: < 110 g
  • kann am rechten wie am linken Objektiv angebracht werden
  • kompatibel mit ABC-Maske und Brillen

Das ANVIS/HUD-24 ist eine Weiterentwicklung des ANVIS/HUD-7. Es wurde unter anderem mit einem Zusatzmodul für Tageinsätze erweitert. Damit kann das System zu jeder beliebigen Tageszeit eingesetzt werden. Das System unterstützt den gleichzeitigen Betrieb in zwei Cockpits und kann in jedem beliebigen Hubschrauber installiert werden. Es ist derzeit in mehr als 25 verschiedenen Plattformen im Einsatz.[29]

Abb.22: Ausgewählte AR Programme für Bodeneinsätze
Abb.22: Ausgewählte AR Programme für Bodeneinsätze

4.2 Systeme für Bodeneinsätze

In den frühen 90er Jahren wurde das Potenzial der AR Technologie für Bodentruppen erkannt. Eine Vielzahl von Forschungs- und Entwicklungsprogrammen, die sich mit den unterschiedlichen Anforderungen von AR Systemen für den Bodeneinsatz beschäftigten, wurde aufgesetzt. Die Programme konnten hierbei auf jahrzehntelange Erfahrung, die beim Einsatz von AR in der Luft gesammelt worden war, zurückgreifen. Beispielsweise wird in vielen Programmen die I2 Technologie für das Tracking von Kopfbewegungen verwendet. Die Anzahl der Systeme wird, verglichen mit AR Systemen für die Luft, um ein Vielfaches höher sein, weil jeder einzelne Soldat ausgerüstet werden muss. Daher spielen ökonomische Aspekte bei der Entwicklung von AR Systemen für Bodenstreitkräfte eine wichtige Rolle.[30] Eine Übersicht der wichtigsten Programme bietet die Abbildung 22. In den folgenden Abschnitten soll auf einige dieser Programme näher eingegangen werden.

4.2.1 Systeme für militärische Fahrzeuge
Abb.23: Combat Vehicle Crew (CVC)
Abb.23: Combat Vehicle Crew (CVC)
Abb.24: M1A2 Abrams Kampfpanzer
Abb.24: M1A2 Abrams Kampfpanzer

Combat Vehicle Crew (CVC) (USA)

Das Entwicklungsprogramm Combat Vehicle Crew (CVC) wurde im Jahr 1992 von der U.S. Army gestartet und hatte das Ziel ein hochauflösendes HMD (Abbildung 23) für M1A2 Abrams Kampfpanzer (Abbildung 24) und Bradley Kampffahrzeuge (Abbildung 35) zu entwickeln. Das HMD sollte es dem Kommandeur ermöglichen seine Umgebung in der gleichen Weise wahrzunehmen als wenn er den Kopf aus dem Panzer streckt. Außerdem sollte der Kommandierende in die Lage versetzt werden Bedrohungen im Nahbereich zu verfolgen, Erhebungen und Senken im Gelände besser zu erkennen und Kollisionen zu vermeiden. Das erste System wurde von der Firma Honeywell Inc. entworfen, war mit mit einem monochromen AMLCD Display mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixeln ausgestattet und hatte ein FOV von 30°. 1994 wurde das Display durch ein SXGA Panel mit 1280 x 1024 Pixeln ersetzt. Der Sichtbereich wurde auf 40° vergrößert und das System wurde mit IR-Kameras ausgestattet. Das CVC Programm wurde nach einem initialen Test 1997 eingestellt.[31]

Drivers Head Tracked Vision System (DHTVS) (USA)

In den späten 90er Jahren entwickelte die U.S.Army ein System mit der Bezeichnung Drivers Head Tracked Vision System (DHTVS) für den Einsatz in diversen Kampf- und Unterstützungsfahrzeugen. Das System bestand aus den folgenden Komponenten:

  • FLIR-Sensor
  • Flachbildschirm
  • Elektronik-Box
  • HMD

Das HMD ist ein bioculares Umsichtsystem mit XGA AMLCDs und wird auf dem Helm des Fahrers montiert. Der Sichtbereich beträgt 30°(V) und 40°(H). Das System kann an die IPD[32] des Anwenders angepasst werden und kann bei Bedarf hoch- oder runtergeklappt werden.[33]

Abb.25: NOMAD Augmented Vision System
Abb.25: NOMAD Augmented Vision System
Abb.26: Stryker Kampffahrzeug
Abb.26: Stryker Kampffahrzeug

NOMAD Augmented Vision System (USA)

Das NOMAD Augmented Vision System (Abbildung 25) wurde von der Firma Microvision Inc. für den Einsatz in militärischen Bodenfahrzeugen entwickelt. Das System erlaubt es dem Fahrzeugkommandeur seine Umgebung zu erkunden ohne aus der Fahrzeugluke blicken zu müssen und verbessert damit seine Situation Awareness. Weitere wichtige Einsatzbereiche dieses AR Systems sind die Wartung und Reparatur von militärischem Gerät. Dem Anwender werden dabei wichtige Daten, wie Reperatur-Checklisten, Stücklisten und Schaltpläne für diverse miltärische Fahrzeuge und Ausrüstungen bedarfsgerecht im HMD präsentiert. Das Gerät trägt dazu bei Ausfallzeiten zu minimieren und die Effizienz von Wartungs- und Reparaturarbeiten zu steigern. Während der Operation Iraqi Freedom (OIF) wurde NOMAD in Stryker Fahrzeugen (Abbildung 26) zu Testzwecken eingesetzt. Das NOMAD Augmented Vision System verwendet ein Scanning-Laser-Display und weist folgende Leistungsmerkmale auf:[34]

  • Auflösung: 800 x 600 Pixel
  • Helligkeit: Bis zu 1.000 fL
  • Anzahl Grautöne: 32
  • Gewicht: <200 Gramm
  • Betriebstemperatur: 0-45°C
Abb.27: Mounted Warrior Soldier System (MWSS)
Abb.27: Mounted Warrior Soldier System (MWSS)

Mounted Warrior Soldier System (MWSS) (USA)

Das Mounted Warrior Soldier System (MWSS) (Abbildung 27) ist ein weiteres wichtiges Programm der U.S.Army im Bereich der AR Technologien. Das MWSS ist konzipiert als ein "system of systems", also einem integrierten System, das verschiedene andere Systeme kombiniert und miteinander vereint. Es wird vorallem für den Einsatz in Stryker Fahrzeugen (Abbildung 26) entwickelt und soll die Effektivität im Kampf, die Letalität und die Überlebensfähigkeit der Besatzungsmitglieder erhöhen.

Das MWSS wird von der Rüstungsfirma General Dynamics C4 Systems mitentwickelt. Als HMD kommt das ProView S0-35TM zum Einsatz, ein monokulares Display der Firma Rockwell Collins. Das Display ist auch für den Einsatz im Land Warrior Programm[35], das ebenfalls von General Dynamics mitentwickelt wird, geeignet und bietet damit den Vorteil der Wiederverwendbarkeit. Das HMD des MWSS erlaubt seinem Benutzer einen von drei Anzeigemodi auszuwählen und sich anzeigen zu lassen:

  • Driver's Vision Enhancer (DVE)
  • Remote Weapon System (RWS) via Video Display Terminal (VDT),
  • Force XXI Battle Command, Brigade and Below (FBCB2)[36]

Im Rahmen eines Programms zur Verbesserung des Systems wurde im September 2006 Microvision Inc. mit der Entwicklung eine tageslichttauglichen full-color Durchsicht-HMDs beauftragt. Microvision wird hierbei auf seine scanning-laser Technologie zurückgreifen. Außerdem wird daran gearbeitet Größe, Gewicht und Energieverbrauch des MWSS zu reduzieren.[37]

4.2.2 Systeme für Infanteristen

Weltweit versuchen zahlreiche Nationen in militärischen Forschungsprogrammen die Entwicklung von tragbaren, mobilen Informationssystemen für Soldaten voranzutreiben. Zu nennen wären hier vorallem Land Warrior (USA), IdZ (Deutschland), Faust (Großbritannien), Félin (Frankreich), Land 125 (Australien), MARKUS (Schweden), IMESS (Schweiz) und ACMS (Singapur). Das Land Warrior Programm der USA soll exemplarisch näher betrachtet werden.

Abb.28: Soldat mit Land Warrior Ausrüstung
Abb.28: Soldat mit Land Warrior Ausrüstung
Abb.29: Helm und Display des Land Warrior
Abb.29: Helm und Display des Land Warrior
Abb.30: Beispiel für ein im IHAS angezeigtes Bild
Abb.30: Beispiel für ein im IHAS angezeigtes Bild

Land Warrior (USA)

Das Land Warrior-Programm ist ein integriertes, mobiles Soldaten-Informationssystem mit dem Infanteristen ausgestattet werden können (Abbildung 28). Es hat zum Ziel die Situation Awareness, Letalität und Überlebensfähigkeit von Soldaten der Rangers, Airborne, Air assault und der leichten und mechanisierten Infanterie zu verbessern. Land Warrior besteht aus den folgenden Komponenten:[38]

  • Waffensystem
  • Helm (HMD)
  • Computer
  • Digital-und Sprachkommunikation
  • Positions- und Navigationssystem
  • Schutzkleidung und sonstige Ausrüstung
  • Multifunktionaler Laser

Land Warrior ermöglicht die Vernetzung mit anderen Soldaten, Kommandoposten, Unterstüzungsfahrzeugen und Luftstreitkräften. Der Helm des Landwarrior (Abbildung 29) mit der offiziellen Bezeichnung "Integrated Helmet Assembly Subsystem" (IHAS) ist kugelsicher und beinhaltet Computer, Sensoren und ein monokulares Anzeigegerät. Der Einsatzbereich von Land Warrior ist vielseitig. Das Anzeigegerät kann dem Soldaten beispielsweise folgende Informationen bereitstellen:

  • Positionen verbündeter und feindlicher Einheiten auf dem digitalen Schlachtfeld
  • Aufnahmen von Aufklärungsdrohnen (Abbildung 30)
  • Geheimdienstinformationen
  • Bilder von Überwachungskameras
  • Bilder eines an der Waffe befestigten Thermal Weapon Sight (TWS) Systems

Land Warrior ermöglicht völlig neue taktische Manöver und ist hervorragend für den Häuserkampf in städtischen Gebieten geeignet. Ein mit dem System ausgerüsteter Soldat kann beispielsweise um eine Ecke schauen, ein Ziel anvisieren und beschießen ohne seine Deckung aufgeben zu müssen (mit Ausnahme der Hände und Arme). Dies ist möglich da die Thermalbilder des TWS auf dem HMD des Soldaten ausgegeben werden.

Das Land Warrior-Programm wurde 1994 ins Leben gerufen und gehört zu einer Gruppe von Programmen, die sich allesamt mit Soldaten-Informationssystemen beschäftigen und von der Firma General Dynamics C4 Systems mitentwickelt werden. 2005 wurde das Programm ins Future Force Warrior (FFW) Programm eingegliedert. General Dynamics C4 Systems hat die Aufgabe die verschiedenen Systeme zu integrieren. Das US Militär beabsichtigt mit FFW eine zehnfache Erhöhung der Letalität und Überlebensfähigkeit von Soldaten zu erzielen. FFW wird zu Testzwecken seit 2008 bei der OIF und seit 2009 bei der Operation Enduring Freedom (OEF) eingesetzt. Derzeit gibt es noch Probleme mit dem Gewicht und dem Energieverbrauch. 2010 soll die Testphase beendet werden. Ein Folgeprogramm mit dem Namen Vision Future Force Warrior ist für 2020 geplant.[39]

4.3 Systeme für Simulation und Training

Je realistischer die miltärische Ausbildung ist, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit das miltärische Operationen erfolgreich abgeschlossen werden und umso höher ist auch die Überlebenswahrscheinlichkeit der Soldaten. Es ist daher nicht weiter überraschend, dass das Militär sehr engagiert die Verbesserung von Simulatoren und die Entwicklung neuer realitätsnaher Trainingsmethoden vorantreibt. Zwei wichtige Militärprogramme aus dem Bereich der Pilotenausbildung und ein Programm zur Missionsvorbereitung sollen nachfolgend vorgestellt werden.

Abb.31: Aviation Combined Arms Tactical Trainer – Aviation Reconfigurable Manned Simulator (AVCATT-A)
Abb.31: Aviation Combined Arms Tactical Trainer – Aviation Reconfigurable Manned Simulator (AVCATT-A)
Abb.32: Pilot in einem AVCATT-A
Abb.32: Pilot in einem AVCATT-A

Aviation Combined Arms Tactical Trainer – Aviation Reconfigurable Manned Simulator (AVCATT-A) (USA)

Bei AVCATT-A handelt es sich um ein mobiles, transportierbares Simulationssystem für die Ausbildung von Kampfhubschrauberpiloten der U.S.Army (Abbildung 32). Es bietet realistische Militärübungen und Missionsvorbereitungen für fünf verschiedene Kampfhubschrauber: AH-64A Apache, AH-64D Apache Longbow, CH-47D Chinook, UH-60 Black Hawk und OH-58D Kiowa Warrior.

AVCATT-A ist ein reiner Kampfsimulator und kein Flugsimulator. Es verzichtet komplett auf Bewegungsmechanik und gibt dem Anwender nicht das Gefühl, dass er einen Hubschrauber fliegen würde. Es können keine Fluginstrumente benutzt werden, sondern nur kampfspezifische Instrumente. Jedes AVCATT-A System befindet sich in zwei Containern (Abbildung 31) mit jeweils 16 m Länge und kann mit Hilfe von Transportflugzeugen oder -schiffen an beliebige Orte transportiert werden. Ein Container enthält drei rekonfigurierbare Trainigssysteme und einen Schulungsraum mit 20 Plätzen in dem Nachbesprechungen stattfinden. Der zweite Container enthält drei weitere Trainingssysteme, einen Kontroll- und einen Wartungsraum. AVCATT-A kann mit anderen Simulatoren vernetzt werden und bietet damit die Möglichkeit Übungen und Missionsvorbereitungen kollektiv und mit verschiedenen Waffengattungen auf dem digitalen Schlachtfeld durchzuführen.[40]

Abb.33: Instrument Flight Trainer (IFT)
Abb.33: Instrument Flight Trainer (IFT)
Abb.34: Advanced Helmet Mounted Display (AHMD)
Abb.34: Advanced Helmet Mounted Display (AHMD)

Flight School XXI (USA)

Ein weiteres System, das für Simulation und Training bei der US-amerikanischen Armee eingesetzt wird, ist Flight School XXI (FSXXI). Das System befindet sich auf dem US-Luftwaffenstützpunkt Fort Rucker in Alabama. Es soll gewährleisten, dass Flugschüler vor ihrem ersten Kampfeinsatz über die notwendige Erfahrung mit ihrem Kampfhubschrauber verfügen. FSXXI unterscheidet drei Arten von Trainingssystemen:[41]

  • Operational Flight Trainer (OFT): OFT ist das realitätsnächste Trainingsystem. Es hat eine Mechanik um Bewegungen zu simulieren und ein Display mit besonders hohem Sichtbereich.
  • Instrument Flight Trainer (IFT): IFT (Abbildung 33) ist im Wesentlichen ein OFT mit kleinerem Display und funktioniert ohne Bewegung
  • Reconfigurable Collective Training Devices (RCTDs):RCTDs sind rekonfigurierbar und ermöglichen kollektive Trainingsmethoden für UH-60A/L, CH-47D, OH-58D, AH-64A und AH-64D Kampfhubschrauber.

Das im IFT eingesetzte HMD ist das Advanced Helmet Mounted Display (AHMD) (Abbildung 34) der Firma Link Simulation and Training und hat folgende Leistungsmerkmale:[42]

  • binokular, see-through, Farbe
  • Helligkeit: 0.02-22 fL
  • FOV: 100 ° x 50 °, 30 ° Überschneidung
  • Auflösung: SXGA, (1280 x 1024 Pixel)
  • Augenabstand:> 60 mm
  • Austrittspupille: 15mm
Abb.35: Bradley A3
Abb.35: Bradley A3
Abb.36: Screenshot von BETTI
Abb.36: Screenshot von BETTI

Bradley A3 Embedded Tactical Training Initiative (BETTI) (Großbritannien/USA)

Einige Fahrzeuge der US Armee haben in ihren Fahrzeugen eingebaute Simulatoren. Ein Beispiel hierfür ist die "Bradley A3 Embedded Tactical Training Initiative" (BETTI), ein von der Firma BAE Systems (Großbritannien) entwickelter Simulator, der in amerikanischen Bradley Kampffahrzeugen (Abbildung 35) eingebaut ist. Das System simuliert ein realistisch aussehendes Terrain (Abbildung 36) und ermöglicht es den Besatzungsmitgliedern sich auf dem Weg ins Einsatzgebiet auf ihre Mission vorzubereiten, während sie sich noch mit ihrem Fahrzeug im Laderaum des Transportflugzeugs befinden. Sobald das Flugzeug gelandet ist und sich die Laderampe öffnet, können sie aus der virtuellen in die reale Welt fahren.[43]

5 Vor- und Nachteile militärischer AR Systeme

Vorteile

Es ist unumstritten, dass der Einsatz von AR Technologien in miltärischen Anwendungsbereichen mit zahlreichen Vorteilen verbunden ist. Vorallem in Situationen bei denen kritische Informationen wahrgenommen werden und Entscheidungen in Sekundenbruchteilen getroffen werden müssen, ist der Einsatz von AR vorteilhaft. Beispielsweise wären Tiefflüge mit hoher Geschwindigkeit ohne den Einsatz von AR kaum möglich. Ein Blick nach unten auf die Instrumente zum falschen Zeitpunkt könnte für den Piloten katastrophale Folgen haben. Der Einsatz von HUDs steigert durch die Zentralisierung aller flugrelevanten Informationen sowohl die Sicherheit als auch die Leistungsfähigkeit des Piloten in erheblichem Maße.

HUDs offenbaren in Situationen, die ein großes Blickfeld erfordern, einen wesentlichen Nachteil: sie können nur mit nach Vorne gerichtetem Blick wahrgenommen werden. Aus diesem Grunde wurden HUDs zunehmend von HMDs ergänzt und ersetzt. Ein wesentlicher Vorteil von HMDs ist, neben der höheren Bewegungsfreiheit für den Kopf, die Geschwindigkeit mit der Ziele erfasst werden können. Ein Luftkampf dauert gewöhnlich zwischen 30 und 60 Sekunden.[44] Wenige Sekunden Zeitersparnis können für den Ausgang eines Kampfs von entscheidender Bedeutung sein. Ein Pilot kann ein Ziel markieren, eine Rakete auf das Ziel abfeuern und sich sofort dem nächten Ziel zuwenden und diese Prozedur wiederholen. Somit kann der Pilot durch sequentielle Zielerfassungen mehrere Feinde gleichzeitig bekämpfen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Möglichkeit seinen Blick auf die Außenwelt zu konzentrieren es erlaubt Veränderungen im Sichtbereich, beispielsweise eine Störung auf der Start-/Landebahn, eher zu registrieren.

Der Einsatz von AR bei militärischen Übungen kann die Gefahr für unerfahrene Schüler in großem Maße reduzieren. Beispielsweise kann bei militärischen Übungen auf den Einsatz von Sprengstoffen verzichtet werden, indem virtuelle Explosionen simuliert werden. Die Gefahren lebensgefährlicher Verletzungen durch menschliches Versagen werden erheblich reduziert. Eher nachrangig ist die Tatsache, dass eine solche Art der Ausbildung dem Militär auch finanzielle Vorteile bietet.

Die vielen Vorteile im Bereich der militärischen Luftfahrt haben dazu geführt, dass AR auch in anderen miltärischen Bereichen zunehmend eingesetzt wird. Diverse militärische Fahrzeuge wurden mittlerweile mit entsprechender Technik ausgestattet. Für die Verwendung bei Infanteristen wurden Prototypen entwickelt, die derzeit getestet werden. Der wichtigste Vorteil, unabhängig davon in welchem militärischen Bereich AR eingesetzt wird, ist stets die Verbesserung der Situation Awareness,Letalität und Überlebensfähigkeit des Soldaten.

Nachteile

Der Einsatz von AR in militärischen Anwendungsbereichen hat nicht nur seine Vorteile, sondern auch Nachteile. So kann es passieren, dass sich bei Kampfpiloten ein Tunnelblick einstellt. Der Tunnelblick ist ein Effekt, der eintritt, wenn Piloten ihren Blick zu stark auf die Anzeigen in ihrem HUD und/oder HMD konzentrieren und den Ereignissen in ihrer realen Umgebung zu wenig Beachtung schenken. Dieses Phänomen hat in der Vergangenheit zu Problemen, wie z.B. Abkommen von der Start-/Landebahn, geführt - Probleme, die der Einsatz von AR gerade verhindern sollte. Weiterhin wurde festgestellt, dass Anwender virtuelle und reale Informationen nicht gleichzeitig verarbeiten können.[45]

Eine weitere Beschränkung vieler AR Anwendungen ist das Registrierungsproblem, das auftritt wenn virtuelle Informationen und reale Objekte sich nicht 1:1 überlagern.[46] In diesem Fall fokussiert der Anwender automatisch seine Aufmerksamkeit entweder auf die eingeblendeten Symbole oder auf die reale Umgebung. Ein Nachteil kann auch auftreten wenn eingeblendete virtuelle Informationen wichtige Objekte der realen Umgebung verdecken. Das kann weitgehend vermieden werden, indem Anzahl und Größe der virtuellen Objekte möglichst gering gewählt werden. Diese Maßnahme kann auch dazu beitragen das Problem des Tunnelblicks besser in den Griff zu kriegen.

Es gibt einige Beschränkungen die spezifisch für kopfbasierte Anzeigesysteme sind. Die Nutzung eines HMD bedeutet für den Anwender, dass er zusätzliches Gewicht auf seinem Kopf tragen muss. Dieses Gewicht befindet sich typischerweise vor und über dem Schwerpunkt des Kopfs und führt bei längerer Tragezeit zu Problemen mit der Kopf- und Nackenmuskulatur. Solche Schwierigkeiten verringern natürlich die Akzeptanz des Anwenders. Benutzerakzeptanz ist eine wichtige Voraussetzung bei der Einführung neuer Technologien, denn eine Technologie, die nicht akzeptiert ist, wird wahrscheinlich auch nicht genutzt werden. Dieses Problem besteht beispielsweise aktuell beim Land Warrior Programm [47]: die Soldaten haben sich negativ über das zusätzliche Gewicht geäußert.

Ein weiteres Problem tritt bei einigen AR Systemen auf, die Kopfposition und Blickrichtung erfassen und verarbeiten müssen. Bewegungssensoren erfassen die Positionsdaten und übermitteln diese beispielsweise an einen FLIR-Sensor, der außen am Flugzeug angebracht ist. Die Richtung des FLIR-Sensors wird relativ zur Blickrichtung des Piloten angepasst. Der Sensor erfasst die aktuelle Umgebung und sendet das Bildmaterial ans HMD des Piloten, wo das Bild schließlich ausgegeben wird. All diese Prozesse erfordern Zeit, die auch als Latenz bezeichnet wird. Für das Gleichgewichtszentrum im menschlichen Gehirn sind das widersprüchliche Informationen. Eine zu hohe Latenzzeit kann beim Anwender sogar Schwindel und Übelkeit auslösen.[48]

6 Fazit

6.1 Zusammenfassung

Diese Fallstudie hat einen umfassenden Überblick über militärische AR Anwendungen vermittelt. Sie hat gezeigt, dass AR in vielen verschiedenen militärischen Anwendungsbereichen eingesetzt werden kann. In Kriegseinsätzen bietet AR Technologie Unterstützung bei Navigation, Steuerung, Wartung und Reparatur und verbessert die Situation Awareness von Soldaten. Der Einsatz von AR beschränkt sich aber nicht nur auf militärische Konflikte. Die Technologie wird auch in Simulatoren verwendet und leistet dabei einen wichtigen Beitrag zur militärischen Ausbildung und zur Vorbereitung auf Missionen.

Der Einsatz von AR ist erwartungsgemäß in der militärischen Luftfahrt und bei der Pilotenausbildung am weitesten verbreitet. Bereits seit mehreren Jahrzehnten werden HUDs und HMDs in Kampfflugzeugen und -hubschraubern eingesetzt. Die verwendeten Systeme sind ausgreift und aus der militärischen Luftfahrt nicht mehr wegzudenken. Überraschend ist, dass AR seit einigen Jahren auch am Boden angekommen ist. Es gibt verschiedene militärische Fahrzeuge, die mit entsprechender Technik ausgestattet sind und in aktuellen militärischen Operationen, wie z.B. OIF und OEF, eingesetzt werden. Das Militär entwickelt derzeit auch AR Systeme, mit denen Infanteristen ausgerüstet werden können. Die ersten Tests haben gezeigt, dass diese Systeme weiter verbessert werden müssen, da sie Beschränkungen hinsichtlich Gewicht und Energieverbrauch haben. Ein besonders spannender Aspekt ist, dass AR in naher Zukunft die Art und Weise, wie Nahkämpfe zwischen Infanteristen ausgetragen werden, komplett verändern wird. Der Einsatz von AR zur Steuerung von unbemannten Fahrzeugen wurde kurz erwähnt, konnte aber aufgrund der schwachen Quellenlage nicht ausführlicher beschrieben werden.

Diese Arbeit hat verdeutlicht, dass einige AR Anwendungen mit Nachteilen verbunden sind und dass die Akzeptanz beim Benutzer eine wesentliche Rolle spielt. Es gibt Nachteile, wie z.B. der Tunnelblick, die in der Natur der Sache liegen und wahrscheinlich nie komplett zu beheben sein werden. Andere Nachteile, wie z.B. die Probleme mit Gewicht und Energieverbrauch bei AR Systemen für Infanteristen, sollten zukünftig mit fortgeschrittener Technik in den Griff zu kriegen sein. Die Vorteile, die dem Militär mit AR geboten werden, überwiegen und haben AR zu einem wichtigen Bestandteil in der Militärtechnik werden lassen. Zu den wichtigsten Vorteilen zählt die Verbesserung der Situation Awareness, Letalität und Überlebensfähigkeit von Soldaten.

6.2 Ausblick

Diese Fallstudie liefert einen Einblick in aktuelle und zukünftige militärische Entwicklungen auf dem Gebiet von Augmented Reality und kann als Ausgangspunkt für weitere wissenschaftliche Arbeiten genutzt werden. Eingangs wurde erwähnt, dass AR derzeit auch in unserem Alltag immer mehr Verbreitung findet. Es wäre spannend zu analysieren, wie sich die aktuellen militärischen AR Entwicklungen auf zivile Bereiche auswirken. Auch der umgekehrte Fall, dass zivile AR Systeme in militärischen Bereichen eingesetzt werden, ist denkbar und wäre ein interessantes Thema für eine weitere Fallstudie.[49]

Das Militär steckt derzeit sehr viel Geld in die Entwicklung von mobilen AR Systemen für Infanteristen. In diesem Bereich sind viele Verbesserungen und neue Entwicklungen zu erwarten. Anknüpfpunkt an diese Arbeit könnte eine Analyse der aktuellen Herausforderungen und die Bewertung von Lösungsalternativen sein. Ein weiteres spannendes Thema ist die zukünftige Auswirkung von AR auf den Kriegsalltag von Infanteristen.

Um die eigene Ablehnung von Gewalt und Krieg zu unterstreichen, wird diese Arbeit mit den Worten von Albert Einstein beendet:

"Jeder Krieg fügt ein weiteres Glied an die Kette des Übels, die den Fortschritt der Menschlichkeit verhindert."[50]

7 Verzeichnisse

7.1 Abkürzungsverzeichnis

AbkürzungBedeutung
AH Apache Helicopter
AHMD Advanced Helmet Mounted Display
AMLCD Active Matrix Liquid Crystal Display
ANVIS Aviator's Night Vision Imaging System
AR Augmented Reality
AVCATT-A Aviation Combined Arms Tactical Trainer – Aviation Reconfigurable Manned Simulator
BETTI Bradley A3 Embedded Tactical Training Initiative
CRT Cathode Ray Tube
CVC Combat Vehicle Crew
DASH Display and Sight Helmet
DGPS Differential Global Positioning System
DHTVS Drivers Head Tracked Vision System
DVE Driver's Vision Enhancer
EDM Electronic Data Manager
FBCB2 Force XXI Battle Command, Brigade and Below
FFW Future Force Warrior
FLIR Forward Looking InfraRed
FOV Field Of View
FSXXI Flight School XXI
GPS Global Positioning System
H Horizontal
HMD Head-Mounted Display
HMDS Helm-Mounted-Display-System
HUD Heads-Up Display
I2CCD Image-Intensified Charge-Coupled Device
ICWAA Integrated Caution, Warning and Advisory Annunciator
IdZ Infanterist der Zukunft
IFT Instrument Flight Trainer
IHADSS Integrated Helmet and Display Sighting System
IHAS Integrated Helmet Assembly Subsystem
IPD Individual's Interpupillary Distance
IR Infarot
MWSS Mounted Warrior Soldier System
OEF Operation Enduring Freedom
OFT Operational Flight Trainer
OIF Operation Iraqi Freedom
OST Optical-See-Through
PDA Personal Digital Assistant
PPS Precise Positioning Service
RCTDs Reconfigurable Collective Training Devices
RSD Retinal-Scan Display
RWS Remote Weapon System
SA Situation Awareness
SA Selected Availability
SPS Standard Positioning Service
SXGA Super Extended Graphics Array
TWS Thermal Weapon Sight
V Vertikal
VCOP Virtual Cockpit Optimization Program
VDT Video Display Terminal
VST Video-See-Through

7.2 Abbildungsverzeichnis

Abb. 1Realitäts-Virtualitäts-Kontinuums nach Milgram (1994)
Abb. 2Konzept eines monitorbasierten AR Systems nach Azuma
Abb. 3Konzept der VST Visualisierung nach Azuma (1997)
Abb. 4Konzept der OST Visualisierung nach Azuma (1997)
Abb. 5Global Positioning System
Abb. 6Überblick HMD in Kampfflugzeugen
Abb. 7Ausgewählte Programme für Kampfflugzeuge
Abb. 8Display and Sight Helmet (DASH 3)
Abb. 9F-15 Kampfflugzeug
Abb.10Rafale Kampfflugzeug
Abb.11TopSight
Abb.12TopNight
Abb.13Helm-Mounted-Display-System (HMDS)
Abb.14F-35 Joint Strike Fighter
Abb.15Überblick HMD in Hubschraubern
Abb.16Ausgewählte Programme für Kampfhubschrauber
Abb.17Integrated Helmet and Display Sighting System (IHADSS)
Abb.18AH-64 Apache Kampfhubschrauber
Abb.19Aviator's Night Vision Imaging System (ANVIS)
Abb.20ANVIS/HUD-7
Abb.21Anzeige im ANVIS/HUD-7
Abb.22Ausgewählte AR Programme für Bodeneinsätze
Abb.23Combat Vehicle Crew (CVC)
Abb.24M1A2 Abrams Kampfpanzer
Abb.25NOMAD Augmented Vision System
Abb.26Stryker Kampffahrzeug
Abb.27Mounted Warrior Soldier System (MWSS)
Abb.28Soldat mit Land Warrior Ausrüstung
Abb.29Helm und Display des Land Warrior
Abb.30Beispiel für ein im IHAS angezeigtes Bild
Abb.31Aviation Combined Arms Tactical Trainer – Aviation Reconfigurable Manned Simulator (AVCATT-A)
Abb.32Pilot in einem AVCATT-A
Abb.33Instrument Flight Trainer (IFT)
Abb.34Advanced Helmet Mounted Display (AHMD)
Abb.35Bradley A3
Abb.36Screenshot von BETTI

7.3 Fußnoten

  1. Otto Fürst von Bismarck (01.04.1815 - 30.07.1898)
  2. zu deutsch „erweiterte Realität“
  3. vgl. Azuma (1997) S.2
  4. vgl. Milgram (1994) S.2
  5. zu deutsch "erweiterte virtuelle Realität"
  6. zu deutsch "virtuelle Realität"
  7. vgl. Azuma (1997) S.18 f.
  8. vgl. Zhou (2008) S.6
  9. vgl. Azuma (1997) S.12
  10. Head-Worn Display, Synonym für Head-Mounted Display
  11. vgl. Azuma (1997) S.10 ff.
  12. vgl. Rolland (n/a)S.3 ff.
  13. Die offizielle Bezeichnung lautet NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging)
  14. die Satelliten sind für diesen Zweck mit Atomuhren ausgestattet
  15. Selected Availability (SA)
  16. vgl. USCGNC (1995)
  17. vgl. Dähne (2008)
  18. vgl. Rash (2009) S.63
  19. vgl. Rash (2009) S.64
  20. vgl. Rash (2009) S.66,100
  21. vgl. Rash (2009) S.72 f.
  22. vgl. Rash (2009) S.73
  23. vgl. Rash (2009) S.77 f.
  24. vgl. Rash (2009) S.78
  25. vgl. Rash (2009) S.80 f.
  26. vgl. Rash (2009) S.81
  27. vgl. Rash (2009) S.81 ff.
  28. vgl. Rash (2009) S.85 f.
  29. vgl. Rash (2009) S.88 f.
  30. vgl. Rash (2009) S.93 f.
  31. vgl. Rash (2009) S.94 ff.
  32. Individual's Interpupillary Distance - Individueller Abstand zwischen den Pupillen
  33. vgl. Rash (2009) S.99
  34. vgl. Rash (2009) S.99
  35. vgl. Kapitel 4.2.2
  36. Bei FBCB2 handelt es sich um eine Kommunikationsplattform für Fahrzeugkommandanten zur Identifizierung und Verfolgung verbündeter und feindlicher Einheiten auf dem Schlachtfeld.
  37. vgl. Rash (2009) S.98
  38. vgl. PEOS (2009) S.1
  39. vgl. Rash (2009) S.96 f.
  40. vgl. Rash (2009) S.66 f., S.100
  41. vgl. Rash (2009) S.101
  42. vgl. Rash (2009) S.102
  43. vgl. Rash (2009) S.68
  44. vgl. Rash (2009) S.58
  45. vgl. Rash (2009) S.61
  46. vgl. Kapitel 2.3.1
  47. vgl. Kapitel 4.2.2
  48. vgl. Rash (2009) S.62
  49. z.B. hier: iPhone fürs Militär
  50. Albert Einstein (14.03.1879 - 18.04.1955)

7.4 Quellenverzeichnis

Azuma (1997) Azuma, Ronald T.: A Survey of Augmented Reality, Hughes Research Laboratories 1997
Milgram (1994) Milgram, P., Takemura, H., Utsumi, A.,Kishino, F.: Augmented Reality: A class of displays on the reality-virtuality continuum, ATR Communication Systems Research Laboratories 1994
Zhou (2008) Zhou, Feng; Been-Lirn Duh, Henry; Billinghurst, Mark: Trends in Augmented Reality Tracking, Interaction and Display: A Review of Ten Years of ISMAR, HIT Lab NZ 2008
Rolland (n/a) Rolland, Jannick P.; Baillot, Yohan; Goon, Alexei A.: A survey of tracking technology for virtual environments, CREOL - Center for Research and Education in Optics and Lasers (n/a)
USCGNC (1995) United States Coast Guard Navigation Center: GPS SPS Signal Specification, 2nd Edition, United States Coast Guard Navigation Center (1995)
Dähne (2008) Dähne, Patrick: Entwurf eines Rahmensystems für mobile Augmented-Reality-Anwendungen, Technischen Universität Darmstadt (2008)
Rash (2009) Rash, Clarence E.; Russo, Michael B.; Letowski, Tomasz R.; Schmeisser, Elmar T.: Helmet-Mounted Displays: Sensation, Perception and Cognition Issues, U.S. Army Aeromedical Research Laboratory (2009)
PEOS (2009) Program Executive Office Soldier: Land Warrior Fact Sheet, US Army (2009)
Persönliche Werkzeuge