DE2802492A1

DE2802492A1 - Zielverfolgungssystem

Info

Publication number: DE2802492A1
Application number: DE19782802492
Authority: DE
Inventors: Robert Gendreu
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-20
Publication date: 1978-07-27
Also published as: DE2802492C2; IT7847718A0; US4148026A; IT1101878B; FR2378318A1; FR2378318B1; GB1567104A

Description

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Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dipl -Chem. Dipl.-Inq

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

20. Januar 1978

!THOMSON - CSi¹

173, Bä. Haussmann

75OOB PARIS / Frankreich

Unser Zei.oh.en: T 3050

Zielverfolgungsaystera

Die Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Positionsmessung und Verfolgung eines beweglichen Ziels, wobei die Systeme ihrerseits beweglich sind. Es handelt sich hierbei insbesondere um Radarsysteme an Bord von Luftfahrzeugen, aber auch um Bodenradarsysteme oder an Bord von land- oder Wasserfahrzeugen angebrachte Systeme.

Systeme dieser Art enthalten eine Positionsmeßanordnung, die derart stellungsgeregelt wird, daß sie auf das Ziel gerichtet bleibt. Wenn es sich beispielsweise um ein Radargerät handelt, ist die Meßanordnung durch eine Antenne vom Monopuls-Typ gebildet, die mit einem Sender und einem Empfänger verbunden ist, um Meßsignale für die Entfernung und Winkelablagen in bezug auf die Antennenachse zu liefern. Diese Meßsignale werden für die

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Stellungsregelung verwendet, durch, welche die Stellung der Antenne im Sinne einer Verringerung der Ablagesignale gesteuert wird.

Jede durchgeführte Messung ist mit einem Fehler behaftet. Hierbei handelt es sich um den statistischen Fehler oder das Meßrauschen, abgesehen von systematischen Fehlern. Das Meßrauschen ist im allgemeinen so groß, daß eine genaue Einstellung der Antenne aufgrund einer einzigen Messung nicht möglich ist. Der Einfluß dieses Rauschens wird dadurch abgeschwächt, daß der Mittelwert von mehreren aufeinanderfolgenden Messungen gebildet wird, beispielsweise durch Integration der Meßsignale. Diese Signalverarbeitung wird bereits teilweise durch die Stellungsregelanoo-dnungen der Antenne infolge ihrer mechanischen Trägheit durchgeführt. Die Verringerung des Meßrauschens kommt also auf eine Verringerung der Bandbreite des Systems heraus. Je kleiner die Bandbreite ist, umso geringer sind die statistischen Fehler nach der Signalverarbeitung. Diese Signalverarbeitung hat aber zwangsläufig eine Verzögerung in der Durchführung der Stellungsregelung der Antenne zur Folge. Diese Verzögerung ist umso störender, je sohneller sich das Ziel bewegt; somit erscheint ein zweiter Fehler: der dynamisohe Fehler.

Schließlich ist auch die Kenntnis der kinematischen Parameter eines beliebigen, duroh ein System verfolgten Ziels, von einem Fehler begleitet, der die Resultierende des statistischen Fehlers nach der Signalverarbeitung und des dynamischen Fehlers ist.

Zur Erzielung möglichst kleiner resultierender Fehler ist es bekannt, einen Kompromiß zwischen einer ausreichend sohmalen Bandbreite der Verarbeitungsschaltungen und einer

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einen geringen statistischen Fehler nach der Signalverarbeitung verursachenden Stellungsregelung, jedoch mit einem unerwünscht großen dynamischen Fehler auf der einen Seite und einer das Gegenteil "bewirkenden, ausreichend großen Bandbreite auf der anderen Seite zu suchen. Dieser Kompromiß läßt sich umso schwieriger erzielen, als eine gewählte Lösung nicht für alle Fälle gültig ist. Wenn sich nämlich das Ziel in großer Entfernung befindet, sind das Meßrauschen und die Winkelauswanderung des Ziels gering, so daß dann eine schmale Bandbreite mit einem annehmbaren dynamischen Fehler zulässig ist. Mit abnehmender Entfernung muß dagegen die Bandbreite vergrößert werden, damit die dynamischen Fehler verringert werden, wodurch gleichzeitig die vom Meßrauschen verursachten Fehler zunehmen.

Die Genauigkeit solcher Systeme ist daher ziemlich beschränkt; sie beträgt beispielsweise 4 Meter bei der Positionsmessung und 10 m/s bei der Geschwindigkeitsmessung für ein Ziel in einer Entfernung von 1 km.

Mit der Erfindung wird ein Zielverfolgungssystem geschaffen, das diesen Nachteilen und Einschränkungen nioht unterworfen ist. Es beseitigt einen großen Teil des Meßrauschens, der auf den üblichen Meßbedingungen beruht. Die Messungen werden nämlich an einem Punkt durchgeführt, der von dem Schwerpunkt des Trägers oder von seinem Augenblicksrotationszentrum entfernt ist, und sie stellen Kuge!koordinaten in bezug auf ein bewegliches Bezugssystem dar. Diese Koordinaten sind nicht voneinander unabhängig und hängen ferner von der Lage des Bezugssystems ab. Das Bezugssystem ist aber infolge von Schwingungen, Verwindungen, Drehungen des Trägers oder infolge der Stellungsregelmechanismen schnellen Translations- und Rotationsbewegungen unterworfen. Erfindungsgemäß werden die vom System ausgeführten Messungen

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in kartesische Koordinaten umgewandelt und in ein Bezugssystem mit invarianter Orientierung umgesetzt, dessen Ursprung in der Nähe des Schwerpunkts des Trägers oder seines Augenblicksrotationszentrums liegt. Da dieses Bezugssystem nur Translationsbewegungen ausgesetzt ist, sind die Meßergebnisse von einem großen Teil ihres Rauschens befreit, so daß eine schmale Bandbreite für die Verarbeiiungsschaltungen zulässig ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Messungen, die in Kuge!koordinaten in einem mit den Meßorganen verbundenen Bezugssystem durchgeführt werden, in kartesische Koordinaten transformiert, und vor und hinter den Vererbe itungsschaltungen sind Umsetzerschaltungen so angeordnet, daß die Verarbeitung in einem Bezugssystem mit im wesentlichen invarianter Orientierung durchgeführt wird, dessen Ursprung im wesentlichen im Augenblicksrotationszentrutn des beweglichen Trägers des Systems liegt.

In diesem Bezugssystem ist der Effektivwert des Meßrauschens, das hauptsächlich von der Ortsveränderung des strahlenden Punktes im Innern und in der Nähe des Zieles stammt, eine Invariante, und die Kinematik des Ziels kann gleichfalls als invariant angesehen werden. Es ist dann möglich, eine echte Simulierung der Plugbahn des Ziels mit einer gewissen Vorhersagesicherheit durchzuführen, anstelle einer einfachen Signalverarbeitung durch Integration. Diese Simulierung erlaubt die Erzielung geringer dynamischer Fehler.

Da ferner die Bandbreite des diese Simulierung anwendenden Systems sohmal ist, hat der Verlust eines Teils der Meßinformation infolge der Speieherwirkung des Simulators keinen oder nur einen geringen Einfluß auf die Ergebnisse.

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Es kann somit ein freiwilliger Verlust von Meßinformationen durch Unterdrückung von offensichtlich, fehlerhaften Messungen vorgesehen werden, wodurch die statistischen Fehler naoh der Signalverarbeitung oder im Verlauf gywisser taktischer Bewegungen des Trägers noch weiter verringert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die sich im wesentlichen auf ein von einem Luftfahrzeug getragenes Radarsystera bezieht und in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein allgemeines Übersichtsschema eines Radarsystems nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung der Bezugssysteme für die Messung und Signalverarbeitung,

Fig. 3 eine Darstellung des Stabilisierungsblocks für die Stabilisierung von Querneigungen (Rollbewegungen) des Radarsystems,

Fig. 4 die verschiedenen Schaltungen des Querneigungs-Stabilisierungsblocks,

Fig. 5 die Servoriohtanordnung für die Antenne des Radarsystems,

Fig. 6 die Entfernungsablage-Meßschaltungen, Fig. 7 die Winkelablage-Meßschaltungen und Fig. 8 die Schaltungen des Flugbahnsimulators.

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Pig. 1 zeigt das Schema eines an Bord eines Plugzeugs installierten Zielverfolgungs-Radargeräta. Dieses Radargerät ist dazu bestimmt, die Eohos eines bestimmten Ziels (beispielsweise eines anderen Plugzeugs) aufzufangen. Es enthält eine bewegliche Antenne 1 vom Monopuls-Typ, d.h. eine Antenne, mit der Meßwerte für die Winkelablagen zwischen der Zielrichtung und ihrer Projektionen auf zwei zueinander senkrechte Symmetrieebenen erhalten werden können. Das Radargerät mißt zugleich die Entfernung zwischen dem Trägerflugzeug und dem Ziel. Die bewegliche Antenne m\xa in bezug auf das Trägerflugzeug durch den Plugbahnsimulator dauernd auf das Ziel gerichtet werden, und zwar möglichst unabhängig von den Winkelbewegungen des Trägerflugzeugs. Diese Einstellung erfolgt durch Servorichtanordnungen 2. Die Steuerung der Servorichtanordnungen erfolgt durch eine Sirnalverarbeitungsschleife aufgrund der zuvor erwähnten Ablagemessungen. Diese Schleife muß eine möglichst große Verstärkung haben, damit die gemessenen Ablagen so klein wie möglich sind, und eine schmale Bandbreite, damit sie das Meßrauschen möglichst gut beseitigt und somit einen möglichst kleinen statistischen Pehler aufweist. Diese Signalverarbeitung darf offensichtlich nicht zum Nachteil des dynamischen Pehlers erfolgen. Aus diesem Grund enthält die Signalverarbeitungsschleife Simulatorschaltungen 17, welche dauernd die geschätzten kinematischen Parameter des Ziels (Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position) in bezug auf das Trägerflugzeug berechnen.

Die zuvor angegebenen Ergebnisse werden mit Hilfe von Torverarbeitungsschaltungen, Koordinatenänderung'ssohaltungen und Bezugssystemänderungsschaltungen in der Weise erhalten, daß die Simulatorschaltungen 17 mit Parametern arbeiten, die von einem großen Teil des Rauschens befreit sind.

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Diese Schaltungen erlauben insbesondere die Beseitigung des Rauschens, das von Bewegungen des Trägerflugzeugs stammt und durch Filterung nicht beseitigt werden könnte, da sein Spektrum schmäler als das Spektrum ist, das von OrtsVeränderungen des strahlenden Punkts des Ziels stammt. Ferner haben diese Parameter, was wichtig ist, unabhängig vom Meßrauschen des Radars ein schmales Spektrum, d.h., daß sie sich zeitlich verhältnismäßig langsam ändern, unabhängig von der Lage des Trägerflugzeugs und von der Lage des Ziels.

Pig. 2 zeigt die Definition der im System verwendeten Koordinatensysteme. Das Trägerflugzeug ist zweimal bei I und bei II dargestellt, doch handelt es sich dabei um das gleiche Plugzeug. Es enthält das im vorderen Teil angebrachte Radarsystem R. Bei dem Plugzeug II ist das rechtwinklige kartesische Flugzeugkoordinatensystem (R, x_r, y_r, Z_x) des Radargeräts und das rechtwinklige kartesische Plugzeugkoordinatensystem (G, x_, y_o, z„) des Schwerpunkts G des Plugzeugs oder besser des Augenblicksrotationszentrums des Plugzeugs dargestellt. Bei dem Plugzeug I sind die kartesisohen Koordinatensysteme (x, y, z) dargestellt, deren Ursprung bei R bzw. G liegt, und die parallel zu einem absoluten kartesischen Bezugssystem liegen.

Das Ziel befindet sich bei B, aber die von dem Radargerät durchgeführten Messungen, die mit einem Rauschen behaftet sind, geben eine Position C des Ziels an. Fach der Signalverarbeitung liegt die geschätzte Position des Ziels bei D, und seine Richtung ist durch einen Einheitsvektor "ή* dargestellt.

Die vom Radargerät durchgeführten Messungen folgen im Plugzeugkoordinatensyatem (R, χ , y_r, z_r), und die Meßwerte

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■beziehen sich auf das Radargerät. Die Messungen werden ferner in Kuge!koordinaten (Entfernung, Höhenwinkel, Seitenwinkel) durchgeführt. Die Verwendung dieser Koordinaten zur Steuerung der Servorichtanordnung ergibt zahlreiche Nachteile. Die Koordinaten sind unabhängig voneinander. Die Berechnung der Geschwindigkeit und der Position ist kompliziert, und es ist schwierig, sich eine Plugbahnsimulierung aufgrund eines einfachen Modells vorzustellen. Wenn man die gleichen Messungen in einem absoluten kartesischen Bezugssystem betrachtet, reflektieren sie die Kinematik des Ziels unabhängig von derjenigen des Trägerflugzeugs. Nun ist aber die Kinematik des Ziels in einem absoluten kartesischen Bezugssystem gleich der Resultierenden der Kinematik des Ziels, die in bezug auf das mit dem Radargerät verbundene Bezugssystem gemessen wird, und derjenigen des Bezugssystems, die in bezug auf das zuvor erwähnte absolute kartesische Koordinatensystem gemessen wird. Der Ursprung des mit dem Radargerät verbundenen Bezugssystems liegt in der Nase des Plugzeugs. Diese ist den Vibrationen und Deformationen ausgesetzt, die von der Biegsamkeit' des Plugzeugrumpfes stammen, und ferner den Eigenbewegungen des Plugzeugs, wie Rotationen, Translationen usw. Die im Radar-Koordinatensystem durchgeführten Messungen sind also mit einem ersten Pehler behaftet, der einen bekannten Teil (Parallaxe) enthält, der von den Eigenbewegungen des Radar-Koordinatensystems in bezug auf ein absolutes kartesisches Bezugssystem stammt und mit einem zweiten Pehler, der von den PositionsSchenkungen des Ziels stammt (die gleichfalls eine kartesische Erscheinung sind). Ein Ziel des beschriebenen Systems besteht darin, diese Pehler dadurch zu beseitigen, daß die gemessenen Informationen in ein bestimmtes kartesisohes Bezugssystem gebracht werden, das möglichst wenig beweglich ist.

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Die Wahl eines mit der Erde verbundenen kartesischen Bezugssystems ist nicht wünschenswert, obwohl die Bewegung eines Körpers in einem solchen Bezugssystem bereits durch seine absolute Beschleunigung vollkommen bekannt ist. Im hier beschriebenen Anwendungsfall ergibt diese Wahl aber einige Nachteile.

Sie erfordert eine Angabe über die absolute Bewegung des Trägers, weil das Radargerät nur relative Informationen liefert. Es wäre also erforderlich, dauernd die Position und die Lage des das Radargerät tragenden Plugzeugs in bezug auf den Boden zu kennen.

Zur Verwendung eines vom gleichen Flugzeug getragenen Waffensystems ist es dann erforderlich, zu einem mit dem Flugzeug verbundenen Bezugssystem zurückzukehren, um die Waffen und das Radargerät zu richten.

Schließlich ist es bei einer solchen Wahl notwendig, den festen Ursprung des Bezugssystems häufig neu festzulegen. Diese Gründe sind die Ursachen von Fehlern.

Es wird vorgezogen, ein "gleitendes" Bezugssystem zu wählen, d.h. ein Bezugssystem, das dauernd zu einem absoluten kartesischen Bezugssystem parallel ist, dessen Ursprung sich aber mit dem Trägerflugzeug bewegt. Dieser Ursprung kann im Augenblicksrotationszentrum des Flugzeugs oder aus praktischen Erwägungen in dessen Nähe gewählt werden, denn dieses Rotationszentrum verlagert sich dauernd im Verlauf der Bewegungen des Flugzeugs.

Im Luftkampf sind nämlich die Beschleunigungen des Ziels und des Jagdflugzeugs nicht voneinander unabhängig, und in der kritischen Phase, in welcher der Jäger in günstiger

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Schußposition ist, ist die relative Beschleunigung beträchtlich herabgesetzt. Da jeder Ausweichversuch des Ziels dieses von hinten verletzlich macht, versucht dieses, seine Flugbahn beizubehalten, wodurch es möglich ist, die Bandbreite der Zielverfolgungsschleife zu verringern.

In dem gewählten Bezugssystem ist es dann, möglich, die kinematischen Parameter des Ziels aufgrund der vom Radar gemessenen und in dieses Bezugssystem transformierten Daten zu berechnen. Die Berechnung dieser Parameter ist durch die Wahl eines einfachen Modells möglich.

Bei diesem Modell wird angenommen, daß die drei Komponenten der Beschleunigung voneinander unabhängig und statistisch durch ein Gauß-Markowien'sches Verfahren dargestellt sind, d.h. durch ein Verfahren, bei welchem die Entwicklung nach einem Zeitpunkt t nur von diesem Zeitpunkt und nicht von den Werten des Verfahrens in vorhergehenden Zeitpunkten abhängt (gedächtnisloses Verfahren). Der Zustandsvektor hat neun Komponenten, aber ist in drei voneinander unabhängige Vektoren zerlegt. Die Einzelheiten eines Simulators, bei dem dieses Modell angewendet wird, werden später angegeben.

Die Gesamtheit der Schaltungen des Systems entspricht somit der Darstellung von Pig. 1. Diese Darstellung enthält eine gewisse Anzahl von Blöcken, von denen jeder eine bestimmte Punktion ausführt. Die genauere Ausbildung jedes dieser Blöcke ist in den folgenden Figuren dargestellt.

Die Antenne 1 wird von der Servoriohtanordnung 2 in Abhängigkeit von den drei Koordinaten des Vektors η gerichtet, welche der besten Schätzung der Zielrichtung entspricht,

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die vom Simulator 17 berechnet wird. Ein Stabilisierungsblock 7 für die Stabilisierung des Radar-Koordinatensystems um die Flugzeuglängsachse, dem eine Trägheitszentrale 8 zugeordnet ist, trägt die von der Antenne 1 und der Servorichtanordnung 2 gebildete Anordnung. Der Block 7 ist ein leistungsfähiger Mechanismus mit einer einzigen Achse, die im Prinzip parallel zu der Flugzeuglängsachse liegt, und er hat die Aufgabe, den Antennenblock 1 zu stabilisieren. Er trägt dadurch zu der guten Leistungsfähigkeit des Systems bei, daß er die großen und schnellen Querneigungsbewegungen (Rollbewegungen) des Flugzeugs komprimiert (die von 0 bis 360° mit Winkelgeschwindigkeiten von 100 bis 200°/Sekunde erfolgen können). Diese Vorrichtung bildet auch aufgrund einer Information «5 0 (Stabilisierungsfehler des Querneigungs-Servomechanismus) und von Fluglageinformationen θ und Ψ (Längsneigungswinkel und Kurs), die von einer Trägheitszentrale 8 geliefert werden, drei Informationen θ, Ψ und α ψ höherer Güte, welche das (mit der Achse des Servomechanismus verbundene) Radar-Koordinatensystem in bezug auf die örtliche Vertikale und ein geographisches Bezugssystem definieren. Diese Informationen werden zur Durchführung der Bezugssystemänderungen in den Blöcken 9, 11 und 12 verwendet.

Die Servorichtanordnung 2 enthält im wesentlichen einen die Antenne 1 tragenden Mechanismus mit zwei Freiheitsgraden, der die Achse des Radarbündels in eine Richtung des Raums richtet, die in dem Radar-Koordinatensystem durch den Einheitsvektor ΊΓ definiert ist. Dieser Mechanismus muß hochwertige Eigenschaften haben, um die Richtung ~ώ mit vernaohlässigbaren Fehlern nachzubilden.

Ein Impulsradargerät, das duroti die Blöcke 3, 4 und 5 gebildet ist, ist mit der Antenne 1 verbunden. Dies ist

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das eigentliche Meßorgan, das die Werte der Winkelablage und der Entfernung oder Entfernungsablage liefert. Die Antenne ihrerseits ist eine Monopulsantenne, die ein gerades "Summendiagramm" und zwei ungerade "Differenzdiagramme" für den Seiterwinkel bzw. den Höhenwinkel aufweist, mit denen die Meßsignale erhalten werden. Der Block 3 ist von den Sende- und Empfangsschaltungen des Radargeräts gebildet. Der Block 4 bestimmt aufgrund der vom Empfänger des Blocks 5 gelieferten Tideosignale die Winkelablagesignale AS (Höhenwinkelablage) und 4G (Seitenwinkelablage). Der Block 5 hat die Aufgabe, die Entfernungsverfolgung des durch einen Videoimpuls dargestellten Zielechos zu gewährleisten. Die Messung der Laufzeit des ausgesendeten und dann am Ziel reflektierten Impulses auf dem Hinweg und auf dem Rückweg ermöglicht die Abschätzung der Zielentfernung. Eine Entfernungsmeßmarke in Form eines Impulses wird erzeugt, um die beste Entfernungsschätzung darzustellen. Die Abweichung AR zwischen der Echoposition und der Entfernungsmeßmarke wird von dem System in einer später erläuterten Weise verwendet.

Die vom Radargerät gelieferten Ablagemeßwerte ΔS, ΔG und AR beziehen sich auf ein Kugelkoordinatensystem in einem mit dem Radar verbundenen Bezugssystem.

Ein Block 6 führt die Transformation der Kugelkoordinaten in kartesische Koordinaten in dem Radar-Koordinatensystem duroh. Es liefert also die drei kartesischen Koordinaten ε» , ε· und ε· des Vektors ]5θ in bezug auf das Radar-Koordinatensystem (R, x_, y_r, z_r), wobei D die vom System geschätzte Position und C die gemessene Position des Ziels, vom Antennenbrennpunkt aus gesehen, sind.

Der Block 12 berechnet anschließend die absoluten Komponenten (ε_χ, ε , ε_ζ) des Vektors Sc im Bezugssystem (ff, x, y, z), deesen Ursprung im wesentlichen der Schwerpunkt

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oder das Augenblicksrotationszentrum des Trägerflugzeugs ist. Zu diesem Zweck verwendet der Block die Daten (Ψ, Θ, 50), der besten Schätzung der Winkellage des Radar-Koordinatensystems, die vom Stabilisierungsblock 7 mit Hilfe der Trägheitszentrale 8 geliefert werden.

Die vom Block 12 berechneten absoluten Komponenten werden zum Simulator 17 über einen Schalter I, übertragen, der von einer Schaltung H gesteuert wird, deren Funktion später angegeben wird. Der Schalter I, befindet sich normalerweise in der Stellung 1, in welcher er die Signale überträgt. Er hat den Zweck, in der Stellung 2 die dem Simulator 17 zugeführten Meßwerte zu beseitigen oder zu annullieren, wenn diese Meßwerte offensichtlich falsch sind. Die Lage dieses Schalters im Aufbau des Systems ist in Pig. 1 als Beispiel angegeben, um die Punktion des Schalters verständlich zu machen. Es ist offensichtlich, daß die Beseitigung von falschen Meßwerten auch durch andere, gleichwertige Maßnahmen vorgenommen werden kann.

Der Simulator 17 hat die Aufgabe, die kinematischen Parameter des Ziels in dem mit dem Schwerpunkt G des Plugzeugs oder mit dem Augenblicksrotationszentrum oder auch mit einem nahe bei einem dieser beiden Zentren liegenden Punkt verbundenen Bezugssystem (G,x, y, z) zu simulieren, d.h. zu bereohnen. Er liefert unter anderem die drei Koordinaten x, y und ζ des Punktes D, der die beste Schätzung der relativen Position des Ziels in diesem Bezugssystem definiert. Eine Parallaxenkorrektursohaltung 18 korrigiert die Werte dieser drei Komponenten in Abhängigkeit von der Entfernung RG aufgrund der Daten, die von der Trägheitszentrale 18 geliefert werden. Die korrigierten Koordinaten werden einer Schaltung 19 zugeführt, die einerseits die Entfernung R zwisohen dem Antennenzentrum und dem Punkt D

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"bestimmt, und andererseits die drei Komponenten des Vektors n¹, der dem Vektor If entspricht, aber in dem Bezugssystem (R, x, y z). Die Koordinatenumsetzerschaltung 9 setzt die Koordinaten des Vektors rf¹*' in Koordinaten des Vektors IT in dem Koordinatensystem (R, χ , y_r, z_r) für die Servorichtanordnung 2 um. Eür diese Koordinatenänderung macht die Schaltung 9 wie die Schaltung 12

Λ Α Λ

von den Werten δφ, θ und ψ Gebrauch., die von dem Stabilisierungsblock 7 geliefert werden, aber sie führt die umgekehrte Transformation durch.

Während der Erfassungsphase des Systems ist die Richtung des Antennenblocks nicht durch den Simulator gegeben, sondern durch eine Gruppe von Schaltungen, die durch einen Block dargestellt sind, dem ein Umschalter I.. zugeordnet ist, der den Vektor n^!>, welcher von dem Block 19 noch nicht berechnet worden ist, durch einen Vektor n" ersetzt, der einen gegebenen Raum bestreicht. Die Erfassungsoperationen (Aufsuchen und Erfassen des Ziels) laufen nach bekannten Verfahren ab und werden deshalb nur soweit beschrieben, wie dies zum guten Verständnis des Systems erforderlich ist.

Schließlich enthält ein Block 10 eine Gruppe von drei Beschleunigungsmessern, die dauernd die kinematischen Änderungen des !Trägerflugzeugs in Form eines Beschleunigungsvektors T? messen. Die Koordinaten des Vektors T? werden mit Hilfe einer Koordinatenänderungsschaltung 11, die der Schaltung 12 gleioh ist, in das Koordinatensystem (G, x» y» ^z) gebracht und dem Simulator 17 über einen Schalter Ip zugeführt, der von der Sohaltung 14 synchron mit dem Schalter I₅ betätigt wird. Wenn der Schalter 1-, geschlossen ist, ist der Schalter I₂ offen (Stellung 1). Wenn der Schalter I, die dem Eingang des Simulators zugeführten

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Daten unterdrückt, ist der Schalter I₂ geschlossen (Stellung 2), und er legt die Beschleunigungskoordinaten des Jägers an. Somit wird der Siraulator während einer Abschaltperiode des Systems hinsichtlich der Beschleunigung des Jägers korrigiert. Diese Punktion wird durch das "beschriebene System ermöglicht. Sie erlaubt es, die Verfolgung des Ziels selbst im Fall eines Verlusts an Meßsignalen infolge von Schwunderscheinungen, Maskierung, Störsendungen usw. aufrecht zu erhalten, oder auch im Verlauf einer schnellen taktischen Bewegung des Jägers, durch die dessen Darbietung gegenüber dem Ziel geändert wird.

Bevor die verschiedenen Blöcke und die zugehörigen Bestandteile im einzelnen beschrieben werden, soll zum besseren Verständnis die Punktion des gesamten Systems erläutert werden.

In einer ersten Phase steuert der Block 20 die Erforschung eines ausgedehnten Raumbereichs durch das Radargerät. Während dieser Phase erfolgt die Entdeckung eines Ziels. In einer zweiten Phase wird die automatische Verfolgung des Ziels duroh das System in kontinuierlicher Weise durchgeführt.

Die Operationen des Aufsuchens und Erfassens des Ziels laufen nach bekannten Verfahren ab und gehören nicht zur Erfindung. DieB.e bezieht sich nur auf die automatische Zielverfolgung.

Die Zielsuche (erste Phase) kann beispielsweise mit Hilfe eines Abtastprogramms (Block 20) erfolgen, das in dem stabilisierten Bezugssystem (R, x, y, z) durchgeführt wird. Die Suchrichtung (Vektor η "J wird zu den Seuvomechanismen des Blocks 2 (Schalter I₁ in Stellung 1) über

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einen Koordinatenumsetzer (Block 9) übertragen. Das Programm bewirkt, daß das Antennenbündel einen Raumwinkel abtastet, der das vermutete Ziel enthält. Dieser Vorgang wird im allgemeinen vom Piloten auf einem Anzeigegerät mit Katodenstrahlröhre überwacht, das die eventuellen Echos darstellt.

Um das Zielverfolgungssystem in ein Ziel einzurasten, geht die Bedienungsperson in der folgenden Weise vor:

Sie gibt dem System auf irgendeine an sich bekannte Weise die Entfernung und die Richtung des zu verfolgenden Ziels an, was zur Folge hat, daß die Antenne in der gewünschten Richtung angehalten wird. Dieser Befehl löst eine automatische Entfernungssuche nach dem Zielecho durch Verschiebung einer Entfernungsmeßmarke rings um die von der Bedienungsperson vorgewählte Entfernung aus.

Wenn die Zielverfolgung entfernungsmäßig eingerastet ist, d.h., wenn die Entfernungsmeßmarke auf die Position des Echos eingeregelt ist, werden die vom Empfangsblock 4 gelieferten Winkelmeßwert AS und AG sowie die Winkelablage AR nach den Koordinaten- und Bezugssystemänderungen in den Blöcken 6 und 12 zum Simulator 17 übertragen. In dieser Phase haben die Ablagen 4S, AQ und AR die Wirkung, die Einstellung des Simulators 17 so anzutreiben, daß die von ihnen gelieferten Positionsdaten im wesentlichen denjenigen des Ziels entsprechen. Dieser Zustand wird nach einer zuvor festgelegten Verzögerungszeit erhalten. Während dieser Phase ist der Schalter I₁ in die Stellung 2 gebracht worden. Die Entfernungsmeßmarke ist auf den von der Schaltung 19 berechneten Wert R eingeregelt worden. Das Radargerät wird dann auf die Entfernung R und in der Richtung Tt geateuert.

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Die Ablagen (Vektor DB) zwischen den vom Simulator bereohneten Werten, die für die Einstellung des Radargeräts verwendet werden, und der idealen Zielposition (Punkt B) müssen so klein wie möglich sein.

Die Vorteile des beschriebenen Systems ergeben sich daraus, daß die Koordinaten- und Bezugs3ystemänderungen die Verarbeitung der Ablagesignale in einem quasi-absoluten kartesischen Bezugssystem ermöglichen, und daß die Bandbreite des Systems in diesem Bezugssystem beträchtlich verringert werden kann. Daraus ergibt sich einerseits eine wesentlich bessere Ausfilterung des Meßrauschens als bei den bisher vorhandenen Systemen, und andererseits eine einfache und wirksame Simulierung der kinematischen Parameter des Ziels, wodurch der dynamische Fehler verringert wird. Da das System die Bewegungen und die Position des Ziels mit großer Genauigkeit vorwegnehmen kann, können die Meßwerte besser gefiltert werden. Sie können insbesondere ohne weiteres einfach unterdrückt werden, wenn sie offensichtlich falsch sind. Es gibt nämlich verschiedene'Ursachen, welche die Zielverfolgung stören können: das Rausohen, atmosphärische Störungen, Störungen durch das Flugzeug, vom Ziel ausgesendete Täuschungssignale, restliche Bodenechos, Schwunderscheinungen ("fading") und Maskierungseffekte, die zur Folge haben können, daß das Signal manchmal für mehrere Sekunden verschwindet. Die Feststellung dieser Ursachen erfolgt durch den dem Radargerät zugeordneten Block 14.

In allen zuvor angegebenen Fällen werden die Radarinformationen unterdrückt (Schalter Ig und I, in der Stellung 2), und der Simulator berücksichtigt die Bewegungen des Jägers. Er hält die relative Flugbahn des Ziels insoweit fest, als sioh diese während dieser Zeit nioht ändert.

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Die in Form von Blöcken in Fig. 1 dargestellten Baugruppen entsprechen entweder elektronischen und elektromechanischen Baugruppen oder Gruppen von Rechenschal— tungen. Die Rechenschaltungen können vom Fachmann ohne weiteres realisiert werden, sobald dieser die zu lösenden Gleichungen kennt. Ea können ebenso viele Rechenschaltungen vorgesehen sein, wie Rechenblöcke vorhanden sind, doch ist dies nicht die beste Lösung. Vorzugsweise übernimmt ein einziger Rechner alle durchzuführenden Berechnungen. Es läßt sich zeigen und nachweisen, daß die Anzahl der durchzuführenden Operationen und die Summe der Rechenzeiten für diese Operationen mit der Bandbreite des Systems vollkommen verträglich bleiben, und zwar umso eher, als diese Bandbreite schmal ist. Aus diesen Gründen sind der Takt und der Genauigkeitsgrad der Rechnungen eine ausreichende Angabe für den Fachmann.

Fig. 3 zeigt den Querneigungs-Stabilisierungsblock für das mit dem Radargerät verbundene bewegliche Bezugssystem. Die Zielverfolgungs-Radargeräte sind im allgemeinen in der vordersten Spitze der Trägerflugzeuge angebracht und durch eine Radarkuppel Ra geschützt. Der Antennenblock 1 und die Servorichtmechanismen 2 sind in Form eines schraffierten Zylinders dargestellt, dessen Mittelpunkt der Punkt R ist, der den Ursprung des Radar-Bezugssystems darstellt. Dieser Antennenblock und ein großer Teil des Materials sind auf einem (nicht dargestellten) Gestell montiert, das um die Achse χ beweglich ist, die nur in seltenen Fällen parallel zu der entsprechenden Achse der Fluglagezentrale des Flugzeugs (Trägheitszentrum 8) liegt.

Eine exakt genaue Stabilisierung ist nicht notwendig, wenn man den Stabilisierungsfehler messen kann. Dennoch muß der Meohanismus eine gute Qualität aufweisen. Er enthält einen

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Servomotor M mit Tachometergenerator, einen Winkelposition.Bfuh.ler S und gegebenenfalls einen Kreiselblock G- , der drei Signale p, q, r liefert, die in der Zeichnung durch drei Vektoren dargestellt sind, die zu den Achsen ^xr* ^yr ^{unä z}r ^{αθΒ sta}^i^lisierten Radar-Koordinatensystems parallel sind.

Die Achse ζ des stabilisierten Koordinatensystems muß im Prinzip in einer vertikalen Ebene liegen.

In. Wirklichkeit ist die Achse ζ_χ um einen Winkel δ 0 gegen die Vertikale versetzt. Dieser Winkel wird durch den Fühler S und den Kreiselblock Gy gemessen (Signal p). Der Winkel 50 wird dann von den Stabilisierungssohaltungen dazu verwendet, den Motor M in der in Pig. 4 gezeigten Weise zu steuern. Der Winkel «5 0 ist auch zwischen der Achse y_r und der durch den Punkt R gehenden Horizontalen H dargestellt.

Fig. 4 zeigt das Schema der Servorichtanordnung, welche die Informationen 0, θ und Ψ der Trägheitszentrale 8 verwendet und die geschätzten Werte δ φ, θ und Ψ liefert, die von den Bezugssystemänderungsschaltungen verwendet werden. Die Signale, die in den in dieser Figur dargestellten Schaltungen umlaufen, können, wie auch in den übrigen Figuren, analoge Signale oder digitale Signale sein. Alle beschriebenen Schaltungen sind dementsprechend entweder Analogschaltungen oder Digitalschaltungen, die in allen Fällen dem Fachmann an sich bekannt und ohne weiteres realisierbar sind.

Der Servofehler 5 0 stellt den restlichen Querneigungswinkel des Antennenträgerblocks und des Radar-Bezugssystems dar. Der Antennenblook 1 und die Servorichtanordnung 2 sind um eine Achse Ax mit Hilfe des Motors M

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mit Tachometergenerator, des Stellungsfühlers S und des Kreiselblocks Gy "beweglich, wobei der Kreiselblock Gy dazu bestimmt ist, die Kenntnis des Winkels δ 0 zu verbessern. Der von der Trägheitszentrale 8 gelieferte Wert von 0 wird mit dem vom Fühler S gemessenen Wert durch eine Komparatorschaltung 70 verglichen. Die Differenz .5 0 wird einem Differenzverstärker 71 zugeführt, der den Motor M steuert und als Gegenkopplungssignal das Ausgangssignal des mit dem Motor verbundenen Tachometergenerators empfängt.

Aus verschiedenen Gründen (Meßrauschen der Trägheitszentrale, Elastizität des Flugzeugrumpfes, örtliche Schwingungen an der Einbaustelle des Radargeräts) kann es notwendig sein, die Kenntnis der Winkel <$0, θ und ψ durch eine örtliche Messung der Ableitungen <50, θ und ψ zu verbessern, wodurch es möglich wird, die empfangenen Informationen unter Kompensation der dynamischen Fehler stark zu filtern.

Da die Ableitungen δ&, θ und Ψ bei der Messung nicht direkt zugänglioh sind, werden diese Werte mit Hilfe der vom Kreiselblock Gy gelieferten Signale p, q, r und einer Rechenschaltung 72 erhalten, welche die folgende, in Matrizenform angegebene Rechnung:

1 O O

O cos 80 - sin 8 0

sin θ cos £0 . cos θ sin 50 . cos θ

aufgrund der Werte 5 0 und θ durchführt, die am Ausgang des Komparators 70 bzw. am Ausgang der Trägheitszentrale 8 verfügbar sind.

ORIGINAL INSPECTED

809830/0869

20024^2

Die Signale 5 0 und δ $ werden einer Schaltung 73 zugeführt, die den besten Schätzwert δψ bestimmt. Ebenso werden die

Signale θ und θ einer Schaltung 74, die der Schaltung 73 gleich ist, zur Berechnung des Wertes θ zugeführt, und die Signale Ψ und Ψ werden einer Schaltung 75 zugeführt, die der Schaltung 73 gleich ist und den Wert ψ berechnet. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur die Schaltung im einzelnen gezeigt. Sie enthält eine erste Subtrahierschaltung 731, die einerseits das Ausgangssignal S0f von der Rechensohaltung 72 und andererseits das Ausgangssignal einer Integrierschaltung 740 empfängt und einen besseren. Schätzwert von 80 liefert. Der Ausgang der Subtrahierschaltung 731 ist mit drei Verstärkern 732, 737, 741 verbunden, die einen bestimmten Verstärkungsfaktor 01, C2 bzw. 03 haben.

In gleicher Weise werden das Ausgangssignal δ0 des !Comparators 70 und das Ausgangssignal δψ der Schaltung 73 an eine Subtrahierschaltung 735 angelegt, deren Ausgang mit drei weiteren Verstärkern 734, 739, 743 verbunden ist, welche den-Verstärkungsfaktor 04, 05 bzw. 06 haben.

Mit den Ausgängen der Verstärker 732 und 734 ist eine Addierschaltung 733 verbunden. Ihr ist ein Integrator naohgeachaltet. Eine zweite Addierschaltung 738 empfängt die Ausgangssignale des Integrators 736 und der Verstärker 737 und 739; ihr ist ein zweiter Integrator 740 nachgeschaltet. Schließlich empfängt eine dritte Addierschaltung 742 die Ausgangssignale des Integrators 740 und der Verstärker 741 und 743, und ihr ist ein Integrator 744 naohgeschaltet, die den besten Schätzwert δφ liefert.

Die Schaltungen 74 und 75 sind der Sohaltung 73 gleich,

Λ Α.

und sie liefern die besten Schätzwerte θ bzw. Ψ.

8098 30/0 861 original inspected

Die Antenne und ihre Servorichtanordnung sind in Fig. 5 dargestellt.

Die Antenne 1 kann eine flache Schlitzantenne sein, deren Bündel mit dem strahlenden Teil verknüpft ist.

Sie kann auch eine umgekehrte Cassegrain-Antenne sein, bei der ein beweglicher Spiegel zur Ablenkung des Bündels verwendet wird.

Diese beiden Arten von Antennen sind allgemein bekannt; sie ermöglichen insbesondere die Erzielung der beiden "Monopuls"-Funktionen:

Beim Senden hat das Bündel im allgemeinen eine rotationssymraetrische Form, und beim Empfang bilden Höchatfrequenz-Schaltungen drei Kanäle:

- einen "Suramenkanal", der dem Sendediagramm entspricht;

- einen "Seitenwinkel-Differenzkanal", der die Bildung der Winkelablage des Ziels in einer horizontalen Ebene ermöglicht;

- einen "Höhenwinkel-Differenzkanal", der die Bildung der Winkelablage in einer vertikalen Ebene ermöglicht.

In beiden Fällen sind zwei Achsen notwendig, um das Radarbündel zu orientieren, von dem angenommen ist, daß es rotationssymmetrisch ist. Bei der Cassegrain-Antenne wird eine Ablenkung des Bündels um einen Winkel α durch ein Verschwenken des Spiegels um einen Winkel a/2 erhalten.

Die in der Zeichnung dargestellte Cardanaufhängung ist nur als Beispiel angegeben.

809830/088§

_ 31 - 28Ü24S2

Der Punkt R in der Mitte der Antenne stellt den Ursprung des Radar-Bezugssystems dar. Die Antenne kann durch einen Motor 204, dem ein Tachometergenerator 202 und ein Stellungsfühler 206 zugeordnet sind, um einen Winkel A um die Achse z_r gedreht werden. Der vom Fühler gelieferte Winkelwert A ist der Seitenwinkel.

Die Antenne ist außerdem um eine senkrecht zur Achse ζ liegende Achse durch einen Motor 205 drehbar, dem ein Tachometergenerator 203 und ein Stellungsfühler 207 zugeordnet sind. Der Fühler 207 liefert den Höhenwinkelwert E.

Die Tachometergeneratoren ermöglichen die Durchführung der Servoeinstellungen mit sehr kurzer Ansprechzeit und großer statischer Verstärkung, damit die von Stördrehmomenten verursachten Fehler verringert werden. Diese Servomechanismen müssen besonders sorgfältig ausgeführt sein (sehr geringes Spiel).

Die drei Koordinaten (X, Y, Z) des Einheitsvektors"^ auf den sioh die Servoeinstellung erstreckt, werden einer Rechenschaltung 220 zugeführt, die daraus sowie aus dem Höhenwinkelwert E und dem Seitenwinkelwert A die Steuersignale ε. und ε_Ε bildet. Die Werte ε. und ε_ werden aufgrund der folgenden Gleichungen bestimmt:

- Im Fall einer Flachantenne:
- Seitenwinkelachse:

ε = ~X sin A + Y cos A
^A cos E

809830/0863

2602492

- 52 -

- Höhenwinkelachse:

ε_Ε = -(χ cos A + Y sin A) sin E + Z cos E

- Im Fall einer Cassegrain-Antenne mit beweglichem Spiegel:

- Seitenwinkelacb.se:

ε = "(1 +X) sin A + Y cos A ^A 2(1 + X) cos E

- Höiienwinkelachse:

ε - -(1 + X) cos A + Y sin A » sin E + Z cos E ^E " 2 (1 + X)

In diesem Fall beziehen sich A und E auf den Spiegel.

Für die Steuerung des Motors 204 wird von dem Signal ε. das vom Tachometergenerator 202 gelieferte Signal in einer Subtrahierschaltung 210 abgezogen. Die Differenz wird von einem Verstärker 208 verstärkt und dann dem Steuermotor zugeführt.

In gleicher Weise wird der Motor 205 durch die in einer Subtrahiersehaltung 211 gebildete Differenz zwischen dem von der Reohensohaltung 220 gelieferten Signal ε^ und dem Ausgangssignal des Tachometergenerators 203 gesteuert, wobei diese Differenz in einem Verstärker 209 verstärkt wird.

Vom Radargerät sind nur die besonderen Schaltungen dargestellt, mit denen die Entfernungsmeßsignale (Fig. 6) und die Winkelablagesignale (Fig. 7) erhalten werden können.

809830/0869

28Q2492

Es sei jedoch daran erinnert, daß der Radarsender beispielsweise ein Magnetron ist und zur Antenne periodisch wiederkehrende Mikrowellenimpulse bestimmter Dauer liefert. Der Empfänger ist mit automatischen Frequenzregelschaltungen ausgestattet, die es ermöglichen, die Frequenz des Überlagerungsoszillators der Sendefrequenz bis auf die der Zwischenfrequenz entsprechende Differenz nachzuregeln.

Empfangsseitig werden die von den drei Kanälen erhaltenen Signale Σ, λS und AG nach Frequenzumsetzung durch Verstärker auf einen geeigneten Pegel gebracht. Automatische Verstärkungsregelschaltungen, die vom Summenkanal Σ gespeist werden, bewirken die Regelung der Differenzkanäle.

Fach der Demodulation wird das Summensignal £ an ein Laufzeitfilter angelegt, das dann ein Echosignal liefert, das für die Entfernungsmessung verwendet wird. Dieses Signal ist in Fig. 6 am Ausgang des Blocks 3 gezeigt, der den Sender und den Empfänger darstellt.

Dieser Block 3 ist einerseits mit den Winkelmeßschaltungen verbunden, die anhand von Fig. 7 noch genauer beschrieben werden, und andererseits mit den Entfernungsmeßschaltungen.

Die Entfernung eines punktförmigen Ziels vom Brennpunkt der Antenne wird durch Messung der Laufzeit der vom Radargerät ausgesendeten Welle auf dem Hinweg und dem Rückweg erhalten. Sequentiell bildet eine Vergleichsschaltung 501 einen dauerkalibrierten Impuls im Zeitpunkt der Koinzidenz zwischen einem von einem Generator 500 gelieferten Sägezahnsignal und einem von einem Integrator 508 gelieferten Gleichspannungssignal. Es wird angenommen, daß das Auftreten des Eohos (Dreiecksignal Σ am Ausgang des Empfängers 3) annähernd in diesem Zeitpunkt stattfindet. Eine Entfernungsmeßmarken-Generatorschaltung 502 empfängt den von

£09830/0869

der Vergleichsschaltung 501 gelieferten kalibrierten Impuls und bildet zwei feine Abtastimpulse P1 und P2, die beispielsweise zeitlich mit der ansteigenden Planke bzw. der abfallenden Planke des kalibrierten Impulses zusammenfallen. Die Impulse P1 und P2 werden an eine erste Momentanwertspeicherschaltung 503 bzw. eine zweite Momentanwertspeicherschaltung 504 angelegt, die beide das Signal Σ empfangen. Diese Schaltungen ermöglichen es, während der Impulse P1 und P2 zwei Amplitudenwerte des Echosignals in Form von zwei Gleichspannungen zu messen, wie in Pig. 6 durch ein Diagramm angedeutet ist. Diese Gleichspannungen werden an einen Komparator 505 angelegt, der die Differenz liefert, die den Stellungsfehler der Entfernungsmeßmarken in bezug auf die Mitte des Echosignals darstellt.

Die Einrastphase einer solchen Anordnung ist nicht dargestellt. Sie besteht darin, daß die Entfernungsmeßmarken ausreichend langsam in dem Entfernungsmeßbereich des Radargeräts verschoben werden. Einfache logische Schaltungen ermöglichen das automatische Einrasten im Augenblick des Durchgangs der Entfernungsmeßmarken durch das Echosignal.

Die Schaltung von Pig. 6 enthält eine Gruppe von zwei Umschaltern I, und I₁-, die es in Verbindung mit zwei Subtrahierschaltungen 506 und 507 ermöglichen, entweder die vom Simulator berechnete simulierte Entfernung S der Entfernungsmessung nachzuregeln, oder die Entfernungsmeßmarken der geschätzten Entfernung R nachzuregeln. Diese zuletzt erwähnte Phase entspricht der normalen Phase der Zielverfolgung.

Die beiden Subtrahierschaltungen 506 und 507 empfangen einerseits die Entfernung Rm vom Ausgang der Integrierschaltung 508 und andererseits die vom Simulator 19

009830/0669

gelieferte Entfernung R. Die Subtrahierschaltung 506 liefert die Differenz R^ - R, die über den Umschalter Itin der Stellung 1 zum Block 6 übertragen wird. In der Stellung 2 überträgt dieser Umschalter den Fehler AR, der vom Komparator 505 geliefert wird. Die Subtrahierschaltung 507 liefert die Differenz R - R_m zum Integrator 508, wenn der Umschalter I. in der Stellung 2 steht, während in der Stellung 1 der Fehler AR an den Integrator angelegt wird.

Während der Anlaufphase des Simulators, nachdem die Entfernungsmeßmarken zuvor auf das Echo eingerastet sind (Umschalter I, in der Stellung 1), bleiben die Umschalter I, und Ic in der Stellung 1. Die Anordnung liefert die Differenz R„, - R, wobei Rm dann die wirkliche Zielentfernung ist. Die Differenz geht nach 0; die geschätzte Entfernung it ist die Nachbildung der Entfernung Rm. Während dieser Phase sind die Entfernungsmeßschaltungen unabhängig, und sie beschränken sich auf die Messung der Entfernung R„,.

Während der Phase der automatischen Zielverfolgung, nach dem Einlaufen des Simulators, werden die Umschalter in die Stellung 2 gebracht. Die Entfernung R₃, ist dann eine Nachbildung der geschätzten Entfernung R. Die Entfernungsmeßmarken werden dann der Entfernung §. nachgeregelt. Der Fehler AR, der am Ausgang des !Comparators 505 erscheint, wird anschließend zum Block 6 und zum Simulator übertragen.

Fig. 7 zeigt das Schema der Meßschaltungen für die Winkelablagen AS und AG des Radarbündels nach einem der an sich bekannten Verfahren. Diese Figur zeigt die Endstufen des Empfängers 3 und die eigentlichen Schaltungen des Blocks Die Signale, die an diesen Stufen ankommen, sind die

809830/0869

Signale σ, AS und AG bei der Zwischenfrequenz (FI), die noch, nicht amplitudennormalisiert sind.

In vereinfachter Weise führen alle diese Schaltungen zu der Näherungsbeziehung:

η- ν ^A
^P - ^K ΙΣΙ

Darin ist A das Signal eines der Differenzkanäle (AS oder AG), das positiv oder negativ sein kann,IH ist der Betrag des Summensignals, k ist eine Konstante und β ist der entsprechende Winkelmeßwert.

Ein Zwischenfrequenzverstärker 303 liefert das Signall zu einer Verstärkungsregelsohaltung 304 im Empfänger 3. In gleicher Weise werden die Differenzsignale AS und AQ bei der Zwischenfrequenz (IT) über Verstärker 301 und mit veränderlicher Verstärkung übertragen, wobei die Verstärkung durch die Verstärkungsregelschaltung 304 gesteuert wird. Die Verstärkung des Verstärkers 303 wird gleichfalls, durch die Verstärkungsregelschaltung 304 gesteuert. Die Differenzsignale werden anschließend durch das Summensignal in einem Amplituden-Phasen-Detektor bzw. 306 demoduliert. Diese Schaltung ist gebräuchlich. Die Detektoren 305 und 306 liefern die videofrequenten Heßwerte ß, die den Werten AS und AG entsprechen.

Die Messungen sind genau, wenn das Ziel punktförmig ist und die Pegel der Signale A und σ ausreichend groß sind, um jedes Störsignal zu beherrschen, insbesondere das Rauschen des Empfängers. Diese Bedingung ist insbesondere bei kleiner Entfernung (beispielsweise unter 1 km) erfüllt, wo das Verhältnis des Nutzsignals zum Rauschen eines Radargeräts groß -ist.

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2802432

In Wirklichkeit ist das Ziel nur selten punktförmig, unä sein Flimmern muß berücksichtigt werden. Diese Erscheinung ergibt sich aus den Interferenzen von Wellen, die von einer gewissen Anzahl von reflektierenden Elementen des Ziels zurückgeworfen werden, und sie äußert sich hauptsächlich in einer Änderung der Richtung der vom Radargerät empfangenen Welle. Alles läuft so a"b, als ob die empfangene Welle von einer einzigen punktförmigen Quelle stammte, die "strahlender Punkt" genannt wird und in einem mehr oder weniger beschränkten Bereich rings um die wirkliche Position des Ziels liegt. Diese Erscheinung hängt nur von den geometrischen Eigenschaften des Ziels ab. Die Winkelabweichungen werden deshalb umso größer, je kleiner die Entfernung des Ziels vom Radargerät ist.

Die in Pig. 7 dargestellte Anordnung ermöglicht die Verringerung des vom Flimmern des Ziels verursachten Effekts. Sie beruht auf der Tatsache, daß jede Abschwächung an einem Punkt des empfangenen Feldes (im Summenkanal) von einer örtlichen Verformung der Wellenebene begleitet ist, die eine mehr oder weniger große Abweichung β mit sich bringt. Diese Abweichung ist insbesondere an dem Punkt am größten, an welchem das Feld lllein Minimum hat. Wenn das Meßsystem dann die Winkelmeßwerte verwertet, können diese mit einem beträchtlichen Meßrauschen behaftet sein. Die Anordnung mißt deshalb die empfangene Leistung

P_r = m²

und vergleicht diese mit einem permanenten Schwellenwert S_Q. Wenn P_r kleiner als S₀ wird, werden die irrigen Meßwerte unterdrückt, und es wird ihnen der Wert Null zugeteilt, weloher der wahrscheinlichste Wert ist, wenn angenommen wird, daß die Verteilung zentrisch ist.

809830/080· original inspected

28Q2492

— Ja —

Die Anordnung enthält deshalb, wie in Pig. 7 gezeigt ist, eine Meßanordnung 403 für die leistung P_r, die einfach, das Verhältnis Nutzsignal/Rauschen bestimmt, was ausreic hend :
ergibt,

eine Meßanordnung 403 für die leistung P_r, die einfach

Lm chend ist und den Wert von P_r in einer sehr kurzen Zeit

Das Signal P wird einem Moraentanwertspeicher 404 zugeführt, der vom Block 5 den kalibrierten Impuls empfängt, der zur Erzeugung der beiden Entfernungsmeßmarken dient. Die abgetastete Spannung wird anschließend an einen Schwellenwertkomparator 405 angelegt, der eine Bezugsspannung S₀ empfängt und zwei Umschalter 406, 407 synchron betätigt. Wenn die Leistung P größer als der Schwellenwert Sq ist, stehen die beiden Umschalter in der Stellung 1, und sie übertragen die videofrequenten Winkelablage-Meßsignale ΔG und AS zu einem Momentanwertspeicher 401 bzw. 402. Diese Momentanwertspeicher werden durch den gleichen, vom Block gelieferten Impuls gesteuert, der zur Erzeugung der Entfernungsmeßmarken dient. Wenn das Signal P den Schwellenwert Sq nicht überschreitet, sind die Umschalter 406 und 407 in der Stellung 2 an Masse gelegt, d.h. an das zuvor angegebene Bezugspotential Null.

Die zum Block 6 gelieferten Signale AS und 4Gf haben also die Form von Rechteckspannungen, die gegebenenfalls von Null verschieden sind, wenn sich die Umschalter 406, 407 in der Stellung 1 befinden, während sie Null sind, wenn sioh die Umschalter in der Stellung 2 befinden; diese Reohteoksignale haben die gleiche Periode wie die Entfernungsmeßimpulse, d.h. die Radarsendeperiode.

Fig. 7 zeigt außerdem, daß im Block 3 das zwischenfrequente Signal Σ an einen Detektor 307 angelegt wird, dessen Ausgang mit einem Laufzeitfilter 308 verbunden ist, welches das Dreiecksignal liefert, das im Block 5 für die Entfernungsmessung bestimmt ist.

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ORiGiN INSPECTED

28024^2

Durch genauere Untersuchungen war es möglich, die Standardabweichung σ der Abweichung α als Punktion von S₀ zu ermitteln. Man konnte auf diese Weise feststellen, daß ein Schwellenwert S_Q, bei welchem nur 50 <fo der vom Radargerät empfangenen Informationen verwendet werden, eine Verringerung der Standardabweichung, die einer Verwendung von 100 i<> der Meßwerte entspricht, etwa um den Paktor 3,5 ermöglicht.

Die vom Block 4 gelieferten Meßwerte AS und AG sowie der vom Block 5 gelieferte Meßwert AR sind für den Simulator bestimmt, nachdem eine Koordinatenänderung (Block 6) und eine Bezugssystemänderung (Block 12) durchgeführt worden sind.

Der Block 6 ist in Wirklichkeit ein Rechenblock, der den drei Kugelkoordinaten AS, AG und AR die drei Pehlerkoordinaten ε· , _ε· und ε' zuordnet. Es handelt sich um eine Matrizenrechnung, d.h. um die Lösung einer Gruppe von drei Gleichungen in bekannter Weise durch eine für diesen Zweck speziell programmierte Rechenschaltung.

Im Fall einer umgekehrten Cassegrain-Antenne gilt:

X₁

X Y

YR_n

-P

π ^τζ τ 1 + χ

- X
*2

AR

AG

AS

Im Pail einer herkömmlichen Antenne (bei der die Strahlungsquelle und der strahlende Teil ein starres Ganzes bilden) gilt:

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X -YR₁(X² + Y²)"^1/2 -ZR₁X(X² + γ²)-¹/2 Y XR₁(X² + Υ²Γ^1/2 -ZYR₁(X² + ΐ²Γ¹/2 ZO R₁ (X² + Y²) ^1/2

Der Block 12 empfängt die drei Komponenten ε¹ , ε· , ε' » transformiert das rechtwinklige Radar-Koordinatensystem in ein rechtwinkliges absolutes Koordinatensystem und liefert die drei Fehlerkoordinaten ε , ε , e durch eine Matrizenrechnung:

11

21

^εζ ^a'

Darin sind:

'12

22

a.

'15

23

33

,.I

= cos θ'· cos Ψ

- - cos 80 . sin Ψ + sin 80 · sin θ · cos Ψ = sin 80 · sin Ψ - cos 8 0 · sin θ · cos Ψ

= cos θ · sin Ψ

= cos 80 · cos ν - sin 80 · sin θ · sinf

= -(sin 80 · cos ψ + cos 80 · sin θ · sinf )

= sin θ

= cos θ · sin

- COS θ · COS

Der Block 11 führt die gleiche Matrizenrechnung hinsichtlich der Besohleunigungskoordinaten des Vektors"^ durch.

809830/086§

In Wirklichkeit werden die Koordinaten von γ' und von r in den gleichen Reohenschaltungen zu verschiedenen Zeiten durchgeführt.

Der Block 9 ist gleichfalls eine Matrizenrechenschaltung, welche die umgekehrte Bezugssystemänderung durchführt, die aufgrund des vom Block 19 gelieferten Einheitsvektors n^!> den Einheitsvektor "n* (X, Y, Z) liefert, der zum Richten der Antenne durch Servosteuerung und für die Koordinatenänderung im Block 6 dient:

'11

'21

'31

'12

'22

'32

'13

^J23 ^J33

X'

ISI

^b11 ^b12 ^b13
^b21 ^b22 ^b23

33

umgesetzt von

a.

^a12 ^a13

^a21 ^a22 ^a23 ^a31 ^a32 ^a33

In dem Bezugssystem (G, x, y, z) von unveränderlicher Orientierung, das mit dem Schwerpunkt des Jägers oder mit dessen AugenblioksrotationsZentrum verbunden ist oder in der Nähe eines dieser Zentren liegt, dient der Simulator für die Plugbahn des Ziels (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung), korrigiert durch die Ablagen der Radarzielverfolgung, zur Steuerung der Antenne des Radargeräts und der Entfernungsmessung.

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Dieses über den Simulator zu einer Schleife geschlossene Zielverfolgungssystem ermöglicht es, den besten Schätzwert der kinematischen Parameter des Ziels nach einem gewählten Modell zu erhalten.

Die hauptsächlichen Kriterien für die Wahl des kinematischen Modells stützen sich auf wichtige Vereinfachungen.

Ea wird angenommen, daß in dem Bezugssystem (G, x, y, z) die drei Koordinaten x, y und ζ des Ziels und ihre Ableitungen unabhängig sind.

Die Beschleunigung des Ziels entlang jeder Koordinate wird nach einem Gauß-Markowien¹sehen Verfahren modelliert, d.h. einem Verfahren, bei welchem die weitere Entwicklung nach einem Zeitpunkt t nur von diesem Zeitpunkt abhängt und nicht von Verfahrenswerten zu früheren Zeitpunkten; es handelt sich um ein gedächtnisloses Verfahren.

Die Standardabweichung ay hinsichtlich der Beschleunigung und die Zeitkontante τ kennzeichnen die Beweglichkeit und die Möglichkeiten der Ortsveränderungen des Ziels. Die

2
Spektraldiohte a für Jede Koordinate ist mit τ und σ_γ durch die folgende Beziehung verknüpft:

a² = 2σ_γ ²/τ

Die Geschwindigkeit und die Position werden durch eine Integration bzw. duroh zwei Integrationen erhalten.

Je nach dem gewählten Modell kann die Beschleunigung des Ziels statistisch in jeder Richtung liegen, und sie ist duroh ein Gauß-Markowien'sohes Verfahren dargestellt.

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2802482

Die neun Komponenten des Zustandsvektors werden in drei unabhängige Gruppen zerlegt:
X, X, X )
y» y» y )
25, Z, Z )

Daraus ergibt sich eine beträchtliche Vereinfachung der Rechnungen.

Der Simulator ist in Fig. 8 dargestellt. Er enthält somit drei voneinander unabhängige Schaltungsgruppen 1700, 1710 und 1720, welche die Fehlersignale ε , ε_ν bzw. ε_ζ empfangen und jeweils eine der drei zuvor erwähnten Gruppen von Zustandskomponenten liefern.

Nur die Schaltungsgruppe 1700 ist im einzelnen dargestellt; die beiden anderen Sohaltungsgruppen sind in gleicher Weise aufgebaut.

Die Schaltungsgruppe 1700 enthält im wesentlichen einen Schaltungskanal, der hintereinander die folgenden Schaltungen enthält: einen Verstärker 170 mit dem Verstärkungsfaktor TL-z, einen ersten Integrator 1702 oder genauer eine Schaltung, deren Übertragungsfunktion die Form 1/(p + 1/τ) aufweist, worin ρ der Laplace'sehe Operator ist, eine erste algebraische Addierschaltung 1703, einen zweiten Integrator 1704, eine zweite algebraische Addierschaltung 1705 und einen dritten Integrator 1706.

Die Schaltungsgruppe enthält ferner einen zweiten Verstärker 1707 rait dem Verstärkungsfaktor K₂, der zwischen dem Eingang der Schaltungsgruppe und einem addierenden Eingang der Addierschaltung 1703 angeschlossen ist, und einen dritten

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2802A92

Verstärker 1708 mit dem Verstärkungsfaktor K-., der zwischen dem Eingang der Schaltungegruppe und einem addierenden Eingang der Addierschaltung 1705 angeschlossen ist.

Die Addierschaltung 1703 hat außerdem einen subtrahierenden Eingang, der für den Empfang der Komponente ν der Beschleunigung des beweglichen Trägers bestimmt ist, die vom Block 11 über einen Umschalter I₂ in dessen Stellung kommt; die Komponente >> hat den Wert Null, wenn der Umschalter I₂ in der Stellung 1 steht.

Die Koeffizienten K₁, K₂ und K~ sind reell. Sie sind für die drei Schaltungsgruppen des Blocks 17 voneinander verschieden. Diese Werte werden durch Schaltungen 1730 und 1740 berechnet, die weiter unten beschrieben werden.

Die Verstärker 1708, 1707 und 1701 sowie die entsprechenden Verstärker der anderen Sohaltungsgruppen können dann einen veränderlichen Verstärkungsfaktor aufweisen, der durch die Rechenschaltungen 1730, 1740 entsprechend der Stellung eines Umschalters Ig gesteuert wird.

/N /N A

Die Komponenten ϊ, χ und χ sind an den Ausgängen der Integratoren 1702, 1704 bzw. 1706 verfügbar.

Das gleiche gilt für die Schaltungsgruppe 1710 hinsichtlich der Komponenten y, y und y und für die Schaltungsgruppe 1720 hinsichtlich der Komponenten ζ, ζ und z. Die neun Zustandskomponenten werden anschließend einerseits zu den Peuer-Ieitschaltungen 21 und andererseits zu Lenkhilfsschaltungen übertragen, wie in Fig. 1 angedeutet ist.

Die Positionskomponenten, die zur Steuerung der Antenne und zur Entfernungsmessung dienen, werden auoh zu der Parallaxenkorrektur-Rechenschaltung 18 übertragen.

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Der Simulator 17, der (Fig. 1) mit der Gesamtheit der Blöcke 18, 19, 9, 2, 3 (4 und 5), 6 und 12 zu einer Schleife geschaltet ist, die infolge ihres Übertragungsfaktors 1 eine vernachlässigbare Rolle spielen, bildet das Filter, das die beste Abschätzung der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung unter Berücksichtigung der an die Kinematik des Ziels und an das Meßrauschen des Radargeräts angepaßten Koeffizienten K₁, Kg» K, ermöglicht.

Diese Koeffizienten hängen nur von dem Wert a ab, der durch die Beziehung a = 2σ_γ /τ gegeben ist, sowie von k, d.h. der Quadratwurzel der spektralen Dichte des Meßrauschens.

Der Parameter a kann eine von dem Piloten in Abhängigkeit von der Kinematik des Ziels, d.h. in Abhängigkeit von der Art des Ziels einstellbare Information sein.

ρ Das zusammengesetzte und veränderliche Rauschen k wird gemessen und ermöglicht die Berechnung der Koeffizienten K-j, K₂, K, jeder der Schaltungsgruppen des Simulators durch die Schaltung 1740. Die Messung des Koeffizients k kann für jede Koordinate erfolgen, wodurch es möglich ist, die Übertragungsfunktion der Schaltungsgruppen des Simulators an jede Koordinate anzupassen.

Zur Vereinfachung von Fig. 8 ist angenommen, daß die Messungen von k zu drei Werten K₁, K₂, K, führen, die für die drei Schaltungsgruppen 1700, 1710 und 1720 gleich sind.

ρ
Die spektrale Dichte k des Meßrauschens ist eine Funktion der Frequenz von folgender Form:

k² = k_r

Π + (f/B)²] ß«

809830/0 8., orohalinspected

Soweit gilt B»f_Q, wobei f~ die Frequenz ist, jenseits welcher das Signal kleiner als das Rauschen wird, kann angenommen werden, daß es sich um weißes Rauschen handelt.

Es genügt dann, dieses Rauschen in einem Frequenzfenster der Breite ΔΪ zu messen, das in der Nahe der Frequenz B liegt.

Die in Pig. 8 dargestellten Meßschaltungen enthalten Frequenzfenster 1741, 1742 und 1743, d.h. Bandfilter, die etwa die Breite Af = 2 Hz haben und jeweils eines der Signale ε , e_v,bzw. e empfangen. Diesen Filtern sind quadratische Detektoren 1744, 1745 und 1746 nachgeschaltet, an welche die Rechenschaltung 1740 angeschlossen ist.

Die Rechenschaltung 1740 führt somit für jede der drei Koordinaten die Berechnung der Koeffizienten K₁, K₂ und K₅ durch, die automatisch die Zielverfolgungs-Bandbreite des Simulators für die entsprechenden Koordinaten einstellen. Sie hat also neun Ausgänge.

Wenn das Rauschen k zu groß wird, vergleicht die Steuerschaltung 14, die einen Schwellenwert S., empfängt, dieses

Rauschen k mit dem Schwellenwert S₁, und sie bringt beim Überschreiten die Umschalter I₂ und I₅ aus der Stellung 1 in die Stellung 2. Der Simulator speichert dann die entsprechenden, gegebenenfalls korrigierten Koordinaten der Beschleunigung des beweglichen Trägers.

Die Ansprechzeit für die Messung von k und für die Berechnung der Koeffizienten K₁, K₂, K₅ liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 Sekunden.

Während der normalen Zielverfolgungsphase, in deren Verlauf der Simulator normal aufgrund der vom Radargerät gelieferten

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L «'INSPECTED

CR?2

28024S2

Atilagemeßwerte arbeitet, befindet sich der Umschalter Ig in der Stellung 2, so daß die Koeffizienten K₁, K₂, K^ von der Schaltung 1740 geliefert werden.

Im Verlauf der vorhergehenden Phasen wird dagegen der Umschalter Ig in die Stellung 1 gebracht, was das schnelle Anlaufen des Simulators ermöglicht.

Während dieser Phase steht der Umschalter I₁ in der Stellung 1. Die Antenne ist in einer Nähei ^ngsriohtung stabilisiert, die durch den Suchblock 20 bestimmt ist. Die Umschalter 1, und Ic (Pig. 6) stehen in der Stellung 1, und die Entfernungsmessung ist in autonomer Weise der wirklichen Entfernung des Ziels nachgeregelt. Das dem Eingang des Blocks 6 zugeführte Signal AR stellt die Differenz R-, - R dar, d.h. die Entfernung R_m, denn der noch nicht angelaufene Simulator liefert über den Block 19 den Wert R* = 0. Somit werden an den Simulator die drei Komponenten von R_fJ, im absoluten Bezugssystem angelegt.

Der Umschalter Ig steht dann in der Stellung 1. Die Werte von K₁, Kp, K-z werden von der Schaltung 1730 programmiert. Diese Schaltung ist ein Speicher oder eine Einstellvorrichtung für die Daten K₂ = K, = 0 und K₁ ♦ 0 mit einem vorbestimmten Wert. Über die die Blöcke 17-18-19-5-6-12 enthaltende Schleife nehmen die letzten Integratoren der Schaltungsgruppen des Simulators die drei entsprechenden Anfangswerte (xq, Vq, Zq) an, so daß gilt:

^A2__222__T?2 0 ~ 0 ^y0 0 ~ ^ΚΤ

Der Koeffizient K₁ hat einen ausreichend großen Wert, um die Anlaufzeit vernachlässigbar klein zu machen.

Am Ende dieser Einleitungsphase nehmen die Umschalter die folgenden Stellungen an:

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Umschalter I. und I,- in Stellung 2: Die Meßentfernung Rm bildet die Entfernung R_Q des Simulators nach.

Umschalter I₁ in Stellung 2: Die Ablagen AR, AQ und AS werden an den Simulator 17 nach Koordinatenänderung (in 6) und Bezugssystemänderung (in 12) angelegt, und die Schleife schließt sich zur Positionasteuerung der Antenne und zur Entfernungsmessung im Sinne einer Beseitigung oder Verringerung der Ablagen.

Umschalter I₆ in Stellung 2: Die Koeffizienten K₁, K₂, K₅ werden von der Schaltung 1740 aufgrund eines Modells berechnet, damit das System in jedem Zeitpunkt den besten Schätzwert der kinematischen Parameter des Ziels liefert.

ρ
Da das wirkliche Rauschen k erst nach einer bestimmten, ziemlich kurzen Zeit bekannt ist, gibt es noch eine kurze Anlaufperiode, in deren Verlauf die Koeffizienten K₁, K₂» Κ? ihre optimalen Werte annehmen.

Der Block 18 in Fig. 1 hat die Aufgabe, die Parallaxenkorrektur der simulierten Daten auf den Punkt G- anstatt auf den Punkt R vorzunehmen.

Dieser Blook berechnet den Vektor

RD* = GD - GR

der die Position des geschätzten Ziels D in dem mit dem Brennpunkt der Antenne verbundenen stabilisierten Bezugssystem definiert.

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Diese Korrektur ist nicht immer notwendig. Sie hängt von der Größe des Vektors GR* und von der Geschwindigkeit der Winkerbewegungen des Trägerflugzeugs unter Berücksichtigung der in Betracht gezogenen Leistungen ab.

Die durchzuführenden Rechnungen sind durch die folgende Matrizengleichung gegeben:

S /

I₁₁

'21

'15

33

Rx

Ry

Rz

Darin sind (Rx, Ry, Rz) die Koordinaten von R im Koordinatensystem (G, x, y, z). Ferner gilt:

= cos θ · cosy

= -(cos 0 · sin Ψ + sin 0 · sin θ ·

'13 ⁵21 ⁵22 ⁵23 ⁵31

= sin 0 · sin Ψ - cos 0 · sin θ · cosy

= cos θ · sin Ψ

= cos 0 · cos Ψ - sin 0 · sin θ · sin ψ

== -(sin θ · cos Ψ + cos 0 · sin. θ · sin ψ)

s sin θ

),_2 = cos θ · sin 0 '33

= cos 0 · cos

Dabei sind Θ, 0 und Ψ die von der Trägheitszentrale 8 gelieferten Daten.

Der Block 19 bildet aufgrund der gesohätzten Koordinaten (x¹, y«, z¹ ) der Position des Ziels, deren Parallaxe
korrigiert ist, die geschätzte Entfernung δ und die Koordinaten der Richtung des Ziels (X¹, Y',-^Z¹) im Bezugssystem (R, x, y, z). ₈₀₉₈30/08ß9

.50- 2802432

Diese Daten werden durch die folgenden Rechnungen erhalten:

Entfernung R = (x'² + y'² + z·²) ^1/2 Richtung X» = x' / R (Vektor IT¹*)

Λ λ , Α

Υ· = y' / R
Ζ· = ζ· / R

Der Block 20 liefert die Koordinaten eines Vektors n", der einen Winkelbereich erforscht, der zentrisch zu einer beispielsweise vom Piloten angegebenen Richtung liegt. Diese Richtung wird von den Servomechanismen der Antenne während der Suohphase nachgebildet (Umschalter I₁ in Stellung 1).

Diese Suche kann auch in einem zentrisch zur Plugzeugachse liegenden Winkelbereioh durchgeführt werden.

Die für das Suchprogramm durchgeführten Rechnungen hängen von den gewählten Abtast-Gesetzmäßigkeiten ab und bilden keinen Teil der Erfindung. Sie werden deshalb nicht beschrieben.

Der Block 10, der zur Lieferung der Beschleunigung""^ des

beweglichen Trägers bestimmt ist, ist beispielsweise durch eine Gruppe von Beschleunigungsmessern gebildet. Die Beschleunigung des Trägers kann auch durch Ableitung der von der Trägheitszentrale angegebenen Geschwindigkeit V„ bekannt sein. Eine Information von noch größerer Qualität kann, falls notwendig, durch eine Kopplung zwischen der Trägheitszentrale und drei mit dem Träger im Schwerpunkt G verbundenen Beschleunigungsmessern mittlerer Leistungsfähigkeit erhalten werden. Eine solche Anordnung erfordert nur eine Koordinatenänderung (im Block 11) und drei Integrationen und hat den Vorteil, daß sie die Sohrägheitsfehler der Beschleunigungsmesser korrigiert.

S09830/0S69

_₅₁_ 2802482

Die Mehrzahl der Rechnungen, die in dem System von den verschiedenen das System bildenden Blöcken (Pig. 1) durchgeführt werden, benutzen arithmetische und trigonometrische Formeln und ausnahmsweise auch gebrochene Exponenten. Die Verstärkungsfaktoren der Euter (beispielsweise des Plugbahnsimulators 17) beziehen sich auf eine kontinuierliche Filterung. Es ist für den Fachmann ohne weiteres möglich, die beschriebenen Bestandteile, die in analoger Technik erscheinen, in gleichwertige Schaltungen der digitalen Technik umzusetzen. Insbesondere die Rechenschaltungen (Koordinatenänderungen, Bezugssystemänderungen, Simulator usw.) verwenden die Signale in Form codierter Abtastwerte.

Beispielsweise erfolgt im Simulator die Bildung der kinematischen Parameter für jede der drei Koordinaten nach den folgenden Beziehungen:

Beschleunigung: γ. -^_-1 « Te (2K, -ay.

Geschwindigkeit: V. - V. ^Te (Κ₂ε+ F^₁) +

Position: P^ - P_3-1^Te V^₁ + 1|£ (Κ₂ε+ γ^)+ΐφ (εΚ₃ ~<*Υ^

Darin sind:

^VV ^Vi* ^r3 ^{äie Werte äer} Beschleunigung, der Geschwindigkeit bzw. der Position im Rechenzeitpunkt t.;

*\j_1> Vj -j, P4_i die Werte der gleichen Parameter im vorhergehenden Zeitpunkt t. ^;

Te die Abtastperiode der Messungen;

ε die Ablage zwischen der gemessenen Position und der geschätzten Position im Zeitpunkt t. ^;

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28024S2

α ein Faktor, der nit der die Beweglichkeit dea Ziels kennzeichnenden Zeitkonstante τ durch die folgende Beziehung verknüpft ist: α= 1/τ.

Je nach dem Wert von Te kann eine lineare Polarisation notwendig Bein.

Die Berechnung der Koeffizienten K₁, Kp, K₅ für die drei Koordinaten erfolgt durch die Schaltung 1740. Diese Koeffizienten beziehen sich auf ein stationäres System oder auf ein System mit langsam veränderlichen statistischen Eigenschaften (beispielsweise: Nachregelung naoh dem Rauschen k ). Diese Koeffizienten ändern si*, h als Punktion der Zeit während der Zielerfassungsperiode (Anlauf des Filters) naoh Gesetzmäßigkeiten, die sich aus der Lösung eines Ricatti-Differentialgleichungssystems ergeben. Das Ansprechen hängt von k und a und von den Anfangsbedingungen des Filters, Anfangsposition, Anfangsgeschwindigkeit, Anfangsbesohleunigung und ihre vorgegebene Genauigkeit, die im Simulator eingestellt werden, ab. Diese Gesetzmäßigkeiten werden naoh irgendeiner an sich bekannten Weise im Augenblick der Einstellung mittels einer Kenntnis der zuvor angegebenen Parameter berechnet. Unter der Annahme, daß es sich um ein stationäres oder pseudo-stationäres System handelt, sind die asymptotischen Werte von K₁, Kg und K, (naoh einer theoretisoh unendlich langen Zeit):

K₁ = (a/k)^1/5
K₂ = (a/k)²/⁵
K₅ = a/k

Die Sohaltung. 1740 kann dann in folgender Weise realisiert sein: Die Werte von K₁, Kp und K^ werden im Verlauf der

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Einstellung des Systems dadurch berechnet, daß mit Hilfe einer Rechenmaschine die zuvor angegebenen Gleichungen für verschiedene Werte von a und k berechnet werden, d.h. für verschiedene Werte der von den Detektoren 1744, 1745 und 1746 gelieferten Signale. Diese Werte werden dann in einen Festwertspeicher eingeschrieben. Die Adresse jedes dieser Werte im Speicher stimmt mit einem digitalen Signal überein, das sich aus der Codierung der Ausgangssignale der Detektoren ergibt. Somit entsprechen jjedem von einem

Detektor gelieferten Wert von k und einem vom Piloten (beispielsweise duroh Handeinstellung) gelieferten Wert von a duroh eine entsprechende Ablesung des Speichers drei Werte von K₁, K₂ und K^, die für die entsprechende Schaltungsgruppe des Simulators bestimmt sind.

Die Erfindung eignet sich wohlgemerkt für Zielverfolgungssysteme an Bord von Luftfahrzeugen, die als Meßeinrichtung ein Radargerät verwenden, dem eine Antenne vom Monopuls-Typ zugeordnet ist, in Verbindung mit elektromechanischen Servorichtanordnungen und mit Rechenschaltungen entsprechend der vorstehenden Beschreibung· Die verschiedenen beschriebenen Punktionen können in einem gemeinsamen Rechner zusammengefaßt sein, wenn alle Informationen in digitaler Form verarbeitet werden. Die geringe Bandbreite des Systems, die auf der langsamen Entwicklung der Parameter in dem kartesisohen Bezugssystem mit invarianter Orientierung beruht, erlaubt eine Behandlung der verschiedenen Punktionen im Zeitteilungssystem in einem einzigen Rechner· Je nach der geforderten Rechengeschwindigkeit und Rechengenauigkeit kann es vorteilhaft sein, mehrere Reoheneinrichtungen zu verwenden, die in an sioh bekannter Weise miteinander gekoppelt sind, damit ihre individuellen Leistungen erhöht werden. Es ist natürlioh auch, möglich, moderne Komponenten wie Mikroprozessoren zur Durchführung der verschiedenen

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beschriebenen Funktionen mit geringem Raumbedarf zu verwenden. Die beschriebenen Verarbeitungsschaltungen (Koordinatenumsetzer, Bezugssystemumsetzer, Rauschdetektoren, Pegeldetektoren, Simulatoren) machen, weitgehend Gebrauch von arithmetischen Recheneinheiten mit programmierbaren, wiederprogrammierbaren oder Sctireib-Lese-Speichern, die gegenwärtig im Handel weit verbreitet sind. Die Programmierung der Speicher zur Durchführung der in der vorstehenden Besohreibung erwähnten Rechnungen liegt offensichtlich im Rahmen des Fachwissens.

Die Erfindung eignet sich auch für Zielverfolgungssysteme, die Lichtstrahlen wie Laser oder "Lidars" anwenden. Wie im !"all von Radargeräten wird das Licht bündel in einer durch den Simulator definierten Richtung ausgestrahlt. Die vom System gelieferten Positionsinformationen werden in der bei solchen Systemen üblichen Weise erhalten. Die Verarbeitung dieser Informationen erfolgt dann in der gleichen Weise wie bei einem Radarsystem.

Schließlich "kann die Erfindung auch auf dem Gebiet der Schall- und Ultraschallwellen angewendet werden (inbesondere bei Unterwassersystemen).

ÖO9830/O8S!

Leerse i t e

Claims

Patentansprüche

\1.)Zielverfolgungssystem mit einer an Bord eines beweglichen Trägers angeordneten Meßanordnung für die Messung von das Ziel betreffenden Ablagen in einem mit der Meßanordnung verbundenen ersten Bezugssystem, einer Servorichtanordnung für die Meßanordnung und einer Steueranordnung für die Steuerung der Servorichtanordnung aufgrund der Ablagemeßwerte, daduroh gekennzeichnet, daß die Steueranordnung eine Transformationsanordnung enthält, welche die Ablagemeßwerte in neue Ablagewerte transformiert, die sich auf ein zweites Bezugssystem mit im wesentlichen invarianter Orientierung beziehen, dessen Ursprung in der Nähe des Augenblioksrotationszentrums des Trägers liegt, sowie eine Vererbeitungsanordnung, welche die Ablagewerte durch Integrationen verarbeitet und insbesondere die geschätzte Position des Ziels liefert, und eine inverse Transformationsanordnung, welche die geschätzte Position für die Servosteuerungen im ersten Bezugssystem liefert.

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Lei/Gl
2. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die Ablagemeßwerte von der Meßanordnung in Kugelkoordinaten geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung Einrichtungen zur Transformation der Meßwerte in kartesiache Koordinaten enthält.
3. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsanordnung Einrichgungen zur Simulierung der Bewegungsbahn des Ziels mit einer gewissen Vorhersagesicherheit enthält.
4. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung vor der Verarbeitungsanordnung erste Schalteinrichtungen und Steuereinrichtungen für diese ersten Schalteinrichtungen zur Unterdrückung von offensichtlich falschen Ablagemeßwerten enthält.
5. Zielverfolgungssystem nach den Ansprüchen 3 und 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung eine Beschleunigungsmeßeinrichtung für die Messung der Beschleunigung des beweglichen Trägers, zweite Schalteinrichtungen und Steuereinrichtungen für diese zweiten Schalteinrichtungen zum Anlegen der Beschleunigungsmeßwerte an zwei Simulationseinrichtungen in vorbestimmten Zeitpunkten enthält.
6. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen für die ersten und zweiten Schalteinrichtungen derart zusammengefaßt sind, daß sie die Beschleunigungsmeßwerte an den Simulator zugleioh mit der Unterdrückung der Ablagemeßwerte anlegen.
7. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inverse Transformationsanordnung Einrichtungen zur Korrektur der vom Abstand zwischen dem

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Ursprung äes ersten Bezugssystems und dem Ursprung des zweiten Bezugssystems stammenden Parallaxe enthält.
8. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmeßeinrichtung eine Trägheitszentrale enthält, welche die drei Komponenten der Geschwindigkeit des Trägers liefern, sowie drei Beschleunigungsmesser, welche die drei Komponenten der Beschleunigung des Trägers liefern, und Filter- und Addiereinrichtungen für diese Komponenten.
9. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 1 "bis 8, "bei welchem die Ablagemeßanordnung eine Monopulsantenne, eine Sende-Empfangsanordnung, Anordnungen zur Messung der Winkelablagen und Entfernung in einem ersten, mit der Antenne verbundenen Bezugssystem und eine Servorichtanordnung für die Einstellung der Antenne in einer gegebenen Richtung enthält, gekennzeichnet durch Einrichtungen (7, 8) zur Messung der sich auf die Orientierung der Antenne beziehenden Parameter (δ$, θ,ψ), Recheneinrichtungen (6, 12) für die Berechnung der Meßwerte in kartesischen Koordinaten bezüglich eines zweiten Bezugssystems mit im wesentlichen invarianter Orientierung, dessen Ursprung im wesentlichen im Augenblicksrotationszentrum des Trägers liegt, eine Simulieranordnung (17) für die Bewegungsbahn des Ziels in dem zweiten Bezugssystem, eine Rechenanordnung (19) für die Berechnung der geschätzten Entfernung (R) und die geschätzte Richtung (n¹; des Ziels in diesem Bezugssystem und durch eine Rechenanordnung (9) für die Berechnung der Richtung (n) des Ziels in dem mit der Antenne verbundenen ersten Bezugssystem aufgrund der geschätzten Richtung (n¹) für die Steuerung der Servorichtanordnung (2).

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10. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Anordnung (1b) sur Korrektur der Parallaxe, die sich aus dem Abstand zwischen den Ursprüngen der "beiden Bezugssysteme ergibt.
11. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Rechenanordnung (5) für die Ablage (AR) zwischen der Entfernung (R™) des Ziels und der von der Entfernungsrechenanordnung (19) gelieferten geschätzten Entfernung (R).
12. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 9, 10, 11, gekennzeichnet durch eine Suchsteueranordnung (20), die eine Suchrichtung (n") gemäß einem bestimmten Programm liefert, und durch eine Umschalteinrichtung (I₁), welche diese Suchrichtung (n") während der Zielsuchphase des Systems und die geschätzte Richtung (n *) während der Zielverfolgungsphase an die Rechenanordnung (9) für die Bezugssystemänderung anlegt.
13. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Meßanordnung (10) für die Beschleunigung des Trägers, eine Rechenanordnung (11) für die Änderung des Bezugssystems und eine Schalteinrichtung (Ip) zum Anlegen der Beschleunigungskoordinaten des Trägere im zweiten Bezugssystem an die Simulieranordnung (17).
14. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch, eine Lenkhilfsanordnung (22) für den Träger und/oder eine Feuerleitanordnung (21) für eine Waffe aufgrund der von der Simulieranordnung (17) gelieferten Parameter der Bewegungsbahn des Ziels.

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2ÖÜ2492
15. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenanordnung (5) für die Entfernungsablage (AR) zwei Momentanwertspeicherschaltungen (503, 504) enthält, von denen jede einerseits die Videoempfangssignale (σ) vom Empfänger (3) und andererseits einen Steuerimpuls (P.., P_?) empfängt, eine Komparatorschaltung (505), welche die Differenz (aR) zwischen den Amplituden der abgetasteten Signale liefert, einen Integrator (508), eine Subtrahiersehaltung (506), die einerseits die geschätzte Entfernung (R) und andererseits die Zielentfernung (R_m) empfängt und die Differenz (R - R_m) liefert, die an den Eingang des Integrators (508) angelegt wird, eine Komparatorschaltung (501), die einerseits die Zielentfernung (R^) und andererseits ein von einem Generator (500) geliefertes Sägezahnsignal empfängt und bei Koinzidenz der beiden angelegten Signale einen dauerlcalibrierten Impuls liefert, und einen Entfernungsmeßimpulsgenerator (502), der Entfernungsmeßimpulse (P₁, P₂) liefert, die mit der Vorderflanke bzw. der Hinterflanke des kalibrierten Impulses des !Comparators (501) zusammenfallen und jeweils eine der Momentanwertspeichersohaltungen (503, 504) steuern.
16. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenanordnung (5) für die Entfernungsatüage (^R) Schalteinrichtungen (I., I₁-) enthält, die ein Signal (AR = R_m - R) liefern und das Ausgangssignal des Komparators (505) während einer Einleitungsphase des Systems an den Integrator (508) anlegen.
17. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 15, gekennzeichnet durch Abtastanordnungen (406, 407; Fig. 7) und Speicheranordnungen (401, 402) für die Winkelablagesignale (4S, AG·), eine Meßanordnung (403) für die Energie

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des Empfangssignals (r) und Steueranordnungen (404, 405) für die Steuerung der !testschaltungen synchron mit den Entfernungsmeßmarken in der Weise, daß die Werte der Ablagesignale (nS, Δ G-) abgetastet und gespeichert werden, wenn die Energie der Signale (r) größer als ein Schwellenwert (Sq) ist, und diese Werte annulliert werden, wenn die Energie unter dem Schwellenwert (S₀) ist.
18. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Simulieranordnung (17) drei voneinander unabhängige Schaltungen von gleichem Aufbau enthält, von denen jede eine Eingangsklemme zum Empfang eines einer Koordinate im zweiten Bezugssystem entsprechenden Ablagesignals aufweist und einen ersten Verstärker (1701), einen zweiten Verstärker (1707) und einen dritten Verstärker (1708) mit einstellbarem Verstärkungsfaktor K₁, K₂ bzw. K₅, einen an den Ausgang des ersten Verstärkers (1701) angeschlossenen ersten Integrator (1702), eine an die Ausgänge des ersten Integrators (1702) und des zweiten Verstärkers (1707) angeschlossene erste Addierschaltung (1703), einen an den Ausgang der ersten Addierschaltung (1705) angeschlossenen zweiten Integrator (1704), eine an die Ausgänge des zweiten Integrators (1704) und des dritten Verstärkers (1708) angeschlossene zweite Addierschaltung (1705) und einen an den Ausgang der zweiten Addierschaltung (1705) angeschlossenen dritten Integrator (1706) zur Lieferung der entsprechenden Komponente der geschätzten Zielposition enthält.
19. Zielverfolgungssystem naoh Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrator (1702) eine Übertragungsfunktion der Form 1/(p + 1/τ) aufweist, worin ρ der laplace'sehe Operator und τ eine Zeitkonstante sind.

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20. Zielverfolgungssystem nach Anspruch. 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Addierschaltung (1703) einen zusätzlichen invertierenden Eingang für den Empfang der entsprechenden Koordinate der Beschleunigung (r ) des Trägers aufweist.
21. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der Koordinaten der Ablagemessung, die der Simulieranordnung (17) zugeführt wird, eine Meßanordnung für das Meßrauschen (k ), eine Einstellvorrichtung für einen die Kinematik des Ziels darstellenden Parameter (a) und eine Rechen- und Steueranordnung (1740) für die Verstärkungsfaktoren (K₁, K₂, K*)der Verstärker (1701,1707,1708) des Simulators vorgesehen sind.
22. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung für das Rauschen (k ) für jede Koordinate hintereinander ein Frequenzfenster (1741, 1742, 1743) und einen quadratischen Detektor (1744, 1745, 1746) enthält.
23. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch eine Steueranordnung (1730) für die Verstärkungsfaktoren (K₁ Φ 0, K₂ = K* = 0) während der Einleitungsphase des Systems und eine Umschalteinrichtung (ig) zum Anlegen dieser Verstärkungsfaktoren an die Verstärker des Simulators enthält.
24. Zielverfolgungssystem nach einem der Ansprüche 21 bis 23, gekennzeichnet durch eine Vergleichsanordnung (14) für den Vergleich des für_tjede der drei Koordinaten gemessenen Rauschens mit einem Schwellenwert (S₁) und eine Schalteinrichtung (I,) zum Annullieren der an den Simulator angelegten Ablagewerte und eine Schalteinrichtung (I₂) zum Anlegen der Komponenten (}' ) der Beschleunigung des Trägers an uen Simulator, wenn die Rauschpegel über dem Schwellenwert (S₁) liegen. 809830/0859
25. Zielverfolgungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (7» 8) für die sich auf die Orientierung der Antenne beziehenden Parameter (ό{3, θ, ψ) einen Servomechanismus (M, 71, 5) für die Stabilisierung einer die Antenne (1) des Radargeräts tragenden mechanischen Struktur um eine Rollachse (Ax) enthält, daß mit dieser Struktur drei Kreiselmeßgeräte (Gy) zur Messung der drei zueinander senkrechten Komponenten des Vektors der Augenblicksdrehung der Struktur verbunden sind, und daß Rechenschaltungen (72, 73, 74, 75) vorgesehen sind, die den Azimut (ψ), den Längsneigungswinkel (Θ) des Trägers und den vom Stabilisierungs-Servomechanismus (70) gelieferten, den Querneigungs-Stabilisierungsfehler darstellenden Winkel (s0) verwenden und eine bessere Schätzung der drei die absolute Winkelorientierung der mechanischen Struktur definierenden Winkel (ψ, θ, liefern.

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