DE3244879C2 - Elektronisches Gerät zur näherungsweisen Bestimmung der momentanen Distanz eines auf einer geradlinigen Flugbahn fliegenden Flugkörpers von einem Beobachtungspunkt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät zur nähe­ rungsweisen Bestimmung der momentanen Distanz eines auf einer geradlinigen Flugbahn fliegenden Flugkörpers von einem Beobachtungspunkt.

Zum Richten einer Waffe auf einen Flugkörper benötigt man außer der momentanen Winkelposition des Flugkörpers, d. h. den auf den Beobachtungspunkt bezogenen Elevations- und Azimutwinkeln, die durch ein Zielverfolgungssystem bestimmt werden können, auch eine Angabe über den momentanen Abstand des Flugkörpers vom Beobachtungspunkt. Es sind Zielverfolgungs- bzw. Richtsysteme bekannt, die Einrichtungen zur direkten Messung des momentanen Zielabstandes aufweisen, z. B. mittels Radarechos oder mittels Laser (US 39 52 304, US 37 27 514, GB 11 15 866). Dies erfordert zusätzliche Einrichtungen, die zusätzliche Nachteile mit sich bringen können, z. B. im Falle von Radar- oder Lasereinrichtungen die Erkennbarkeit und Ortbarkeit der Zielverfolgungsstation vom Flugkörper aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät anzugeben, das ohne Zuhilfenahme direkter Abstandsmessung eine näherungsweise Herleitung der momentanen Distanz des Flugkörpers auf seiner Flugbahn ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

Vorzugsweise berechnet das Gerät nicht nur laufend den mo­ mentanen Abstand des Flugkörpers vom Beobachtungspunkt, sondern auch den voraussichtlichen Querabstand, d. h. das Maß der größten Annäherung der Flugbahn an den Beobach­ tungspunkt.

Das erfindungsgemäße Gerät läßt sich vorteilhafterweise mit einem unter der Bezeichnung P 56 bekannten Feuerricht- und -zielsystem zur Luftabwehr kombinieren. Dieses System besitzt einen hydraulischen Servomechanismus, der von einer Knüppelsteuerung steuerbar ist und mit einer Elektronik zur Berechnung des Läufers kombiniert ist, wobei der Läufer durch eine optische Vorrichtung realisiert ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Geräts gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt ein geometrisches Diagramm in einer Flugebene.

In der folgenden Beschreibung bedeuten (insbesondere auch unter Bezugnahme auf Fig. 2):

A die Position des Beobachters
B_i, B_i+1, B_i+2, . . . die Positionen des Flugkprpers zu den Zeitpunkten i, i+1, i+2, . . . der Erfassung
= R_i Entfernung zur Zeit i
= R_i+1 Entfernung zur Zeit i+1
. . .
. . .
= R_i+1 Entfernung zur Zeit i+1
. . .
. . .
α_i Winkel zwischen AB_i und AB_i+1
α_i+1 Winkel zwischen AB_i+1 und AB_i+2
. . .
. . .
β_i Winkel zwischen AB_i und B_iB_i+1, d. h. zwischen AB_i und r_o
β_i+1 Winkel zwischen AB_i+1 und B_i+1B_i+2, d. h. zwischen AB_i+1 und r_o
ε den Elevationswinkel
δ den Azimutwinkel
v Geschwindigkeit des Flugkörpers
t_i zwischen den von dem Flugzeug zwischen zwei aufeinanderfolgenden Beobachtungen eingenommenen Positionen verstreichende Zeit
R_T Querabstand.

In dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild sind folgende Bezeichnungen verwendet: Mit 2 sind Eingänge ε, bezeichnet; mit 4 sind Schalter für den Rechenbeginn bezeichnet (es handelt sich um zwei Arbeits- und einen Ruhekontaktschalter); mit 6 und 8 sind zwei Integratoren bezeichnet. Mit dem Integrator 6 wird mit Hilfe des Anfangswerts (ε₀) des Elevationswinkels und der Wert ε ermittelt. Der zweite Integrator 8 ermittelt den Wert δ.Mit 10 ist ein Rechenkomplex zur Berechnung des Winkels α in der Flugebene nach der Formel

cos α = sin ε · sin ε₀ + cos ε · cos ε₀ · cos β

bezeichnet.

Mit 12 ist eine Recheneinheit für die kontinuierliche Aktuali­ sierung der momentanen Distanz R_i und des Querabstands R_Ti mit Hilfe des Winkels α und der Zeit t bezeichnet. Hierzu dienen folgende Formeln:

worin

bedeuten.

Mit 14 und 16 sind zwei Rechner bezeichnet, die sich zur Errechnung eines optimalen Schätzwertes für die Eingabedaten nach der KALMAN-Filter-Methode mit folgenden Formeln eignen:

mit
K_i = A_i P_i-1 C_i′ G_i ^-1 (G_i = C_iP_i-1C_i′ + R_i* und
P_i = A_iP_i-1A_i′ - K_iC_iP_i-1A_i′)

= Schätzwert des Querabstands auf der Basis der bis zum Zeitpunkt i durchgeführten Beobachtungen
R_i* = Kovarianzmatrix des Meßrauschens (Rauschen bei den Querabstandsmessungen)
A_i = Matrix des Statusübergangs
C_i = Diffussionsmatrix des Eingangs
P_o = "a priori"-Kovarianzmatrix des Querabstands
R_i* = R*
und

_i+1/i = A_{i i/i-1} + K_i (R_i+1-C_{i j/i-1})

mit

K_i = A_iP_i-1C_i′G_i ^-1 (G_i = C_iP_i-1C_i′+_i und
P_i = A_iP_i-1A_i′-K_iC_iP_i-1A_i′+Q_i)
_i+1/i = Schätzwert der aktuellen Distanz im Zeitpunkt i+1 auf der Grundlage der Beobachtungen bis zum Zeitpunkt i
_i = Kovarianzmatrix des Meßrauschens (Rauschen beim Messen der aktuellen Distanz)
Q_i = Kovarianzmatrix des Eingangsrauschens
P_o = "a priori"-Kovarianzmatrix der aktuellen Distanz
A_i = Matrix des Statusübergangs
C_i = Diffusionsmatrix des Eingangs.

Die beiden Werte und _i können einer Steuereinheit 18 zugeführt werden.

Das mit CRE bezeichnete Gerät wird vorzugsweise mit einem Feuerricht- und -zielsystem P 56 kombiniert, dem es die Werte des Querabstands zuführt.

Das Gerät CRE führt eine Schätzung des Querabstands eines geradlinigen gleichförmigen Fluges auf der Basis der bekannten Geschwindigkeit und der Winkelbeobachtungen aus, wobei die Filtermethode nach Kalman Anwendung findet.

Das Gerät empfängt von dem System P 56 die Geschwindigkeits- und Winkelinformationen in analoger Form und liefert eine Spannung an das System, die sich zur Speisung der Läufer­ berechnung eignet.

Wie erwähnt, besteht das Gerät CRE im wesentlichen aus einem Digitalrechner, einem Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler und einem Stromversorgungsgerät.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltmittel läßt folgende Funk­ tion erkennen: Von Rechnungsbeginn an liefern die beiden Integratoren 6 und 8 die Elevations- und Azimutwinkel ε bzw. δ. Der Integrator 8 für den Azimutwinkel δ startet mit dem Wert Null, während der Integrtor 6 für den Elevationswinkel ε mit dem im Zeitpunkt des Rechenbeginns maßgebenden Elevationswert (ε₀) startet.

Aus den beiden Winkeln ε und δ läßt sich der Winkel α in der flugebene ermitteln:

cos α = sin ε sin ε₀ + cos ε cos ε₀ cos δ .

Diesen Wert liefert die Schaltungseinheit 10.

Auf der Basis der bekannten Geschwindigkeit, des Winkels und der seit Rechenbeginn verflossenen Zeit werden die aktuelle Distanz sowie die voraussichtliche Querabposition errechnet. Mit diesen Werten wird mit Hilfe der Schaltungseinheit 14 der Schätzwert des Quer­ abstands durch mathematische Berechnung ermittelt.

Die Schaltungseinheit 16 liefert den aktuellen Schätzwert _i der Distanz, der in der Steuereinheit 18 verwendet wird.

Die Steuereinheit 18 stellt sicher, daß dem System P 56 ein Quer­ abstandswert zugeführt wird, der zur Berechnung der Läufer in jedem Zeitpunkt verwendbar ist.

In der ersten Phase des Rechnungsbeginns wird dem System P 56 über die Umschalteinrichtung ein Querabstandswert R_Tx eingegeben, der derart vorberechnet ist, daß die Betriebsleistung optimiert wird. Wenn die Steuereinheit 18 feststellt, daß die Schätzmethode konvergiert (wozu die Akkumulierung einer ge­ wissen Anzahl von Beobachtungen notwendig ist), wirkt sie auf die Umschalteinrichtung 20 ein. Dem System P 56 wird dann der geschätzte Querabstandswert _Ti zugeführt, der sich an den voran­ gehenden derart anschließt, daß der Richtvorgang nicht gestört wird.

Claims (6)

1. Elektronisches Gerät zur näherungsweisen Bestimmung der momentanen Distanz eines auf einer geradlinigen Flugbahn fliegenden Flugkörpers von einem Beobachtungspunkt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gerät an eine an sich bekannte Zielverfolgungseinrichtung an­ schließbar ist, die zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (i, i+1) die Winkelwerte des Elevationswinkels (ε) und Azimut­ winkels (δ) der Ziellinie vom Beobachtungspunkt (A) zur Flugkörperposition (B_i, B_i+1) liefert,
und daß das Gerät eine Recheneinheit (10, 12) aufweist, die aus diesen Winkelwerten und einem als bekannt vorausgesetzten oder von der Zielverfolgungseinrichtung gelieferten Wert der Ge­ schwindigkeit (v) des Flugkörpers dessen momentane Distanz (R_i, R_i+1) vom Beobachtungspunkt (A) berechnet.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Recheneinheit eine Einrichtung (10) aufweist, die aus den Elevations- und Azimutwinkelwerten die Winkel (α_i, α_i+1) zwischen den Ziellinien (A-B_i; A-B_i+1, A-B_i+2) zu den auf­ einanderfolgenden Zeitpunkten (i, i+1, i+2) in der den Beobach­ tungspunkt (A) und die Flugbahn (r₀) enthaltenden Flugebene errechnet
und daß die Recheneinheit die momentane Distanz (R_i+1) nach der Formel berechnet, wobei und t_i, t_i+1 die Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Beobachtungszeiten (i, i+1) usw. sind.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Recheneinheit (10, 12) den momentanen Schätzwert für den Querabstand (R_T) der Flugbahn (r₀) vom Beobachtungspunkt (A) nach der Formel R_T = R_i+1 sin β_i+1bestimmt.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine Gruppe von Recheneinheiten (14, 16) zur Optimalwertfilterung (KALMAN-Filterung) aufweist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es die von der Zielverfolgungseinrichtung gelieferten Winkelwerte in analoger Form aufnimmt und den berechneten Wert der Distanz (R_i+1) oder des geschätzten Querabstandes (R_T) in Form einer Spannung an die Zielverfolgungseinrichtung liefert.

6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die in der ersten Phase der Berechnung einen fiktiven Eingabewert (R_Tx) für den Querabstand liefern.