DE4008395C2 - Sensorik für die aktive Panzerung - Google Patents
Sensorik für die aktive PanzerungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sensorik für eine aktive Panzerung.
Die Erfindung wird unter anderem in gepanzerten Fahrzeugen und
gepanzerten Kampfständen eingesetzt und kommt daher
beispielsweise im Bereich des aktiven Objektschutzes zur
Anwendung.
Zum Schutz einer Panzerung ist es aus der US 48 69 152 bekannt,
eine Panzerung mit explosionsreaktiven Elementen zu versehen,
welche durch ein auftreffendes Geschoß gezündet werden und die
Durchschlagskraft des Geschosses durch die diesem entgegenge
richtete Sprengwirkung verringern sollen.
Die US 47 51 511 beschreibt eine Anordnung zur Bestimmung der
Flugbahn eines Flugkörpers mittels zweier interferometrischer
Radarsensoren. Die Radarsensoren weisen jeweils eine Antennen
anordnung, einen Sucher und einen Empfänger auf, welche an
einen Zirkulator angeschlossen sind. Signalprozessoren zur Sen
designalsteuerung und Empfangssignalauswertung sind mit einem
gemeinsamen Bahnrechner verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorik der
eingangs genannten Art anzugeben, welche die Flugbahn eines
ankommenden Projektils so genau vermißt, daß ein zu
aktivierendes Segment der Panzerung daraus bestimmt werden
kann. Dabei ist jedes einzelne Segment sepa
rat zündbar. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe soll
dabei zusätzlich leicht herstellbar, preiswert und materi
alsparend implementierbar sein.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Haupt
anspruch beschrieben. In den Unteransprüchen sind vorteil
hafte Aus- und Weiterbildungen ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß
zur Rundumabsicherung eines Panzers mindestens drei Senso
ren (vorzugsweise Radarsensoren), jeder mit einem Blick
feld, das den ganzen oberen Halbraum abdeckt, vorgesehen
sind. Praktisch wird man mehr Sensoren verwenden. Die Sen
soren dürfen nicht alle in einer Ebene liegen. Für die
Sendeleistungsabschätzung wird mit einem Antennengewinn
von z. B. 3 dB gerechnet (Halbraum).
Als Sendefrequenz am besten geeignet ist die tiefste Fre
quenz, die noch die Bedingung erfüllt, daß die Wellenlänge
nicht größer sein soll als das kleinste betrachtete Ge
schoß; denn dann ist das Rückstreuverhalten des Geschosses
am wenigsten aspektabhängig und veränderlich. Für die Lei
stungsbilanz spielt im übrigen die Frequenz keine wesent
liche Rolle, da die gegenläufigen Einflüsse bei Doppleref
fekt und Reichweite sich kompensieren. Als Frequenz wird
vorzugsweise 15 GHz gewählt.
Als Meßintervall für die Bahnvermessung wird der Bereich
zwischen 10 m und 5 m Entfernung vom Panzer gewählt. Zur
hinreichend genauen Ermittlung des Auftreffpunkts ist eine
relative Geschwindigkeitsauflösung in der Größenordnung
von in etwa 1‰ erforderlich. Das heißt, die Dopplerphase
muß entsprechend ca. 5 mm Genauigkeit gemessen werden. Da
für ist bereits ein Störabstand S/N = 1, bei der gewählten
Wellenlänge von 20 mm, ausreichend.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein guter Ob
jektschutz sichergestellt. Des weiteren fällt die gefun
dene Lösung materialsparend, preiswert und leicht her
stellbar bzw. anordenbar aus. Die erfindungsgemäße Anord
nung erfüllt dabei die Aufgabenstellung in vollem Umfang.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 bis 3
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaubild zur Vermessung der Bahn eines
feindlichen Geschoßes oder Flugkörpers bezogen auf
einen Sensor;
Fig. 2 die geometrischen Zusammenhänge zwischen Flugkör
pergeschwindigkeit und Annäherungsgeschwindigkeit
im zweidimensionalen Modell;
Fig. 3 eine vorteilhafte Ausführungsform der Sensorik.
Die erfindungsgemäße Sensorik nach Fig. 1 bis 3 ist wie
folgt ausgebildet. Eine Antenne 1 bzw. ein Oszillator 4
sind direkt bzw. über einen Richtkoppler 3 jeweils an
einen Eingang eines Zirkulators 2 angeschlossen. Dieser
ist seinerseits ausgangsseitig mit einer Mischstufe 5, auf
die der Richtkoppler 3 aufgeschaltet ist, verbunden. Der
Ausgang der Mischerstufe 5 ist mit der Serienschaltung ei
nes Verstärkers mit Filter 6 und eines A/D-Wandlers 7, so
wie eines Dopplerprozessors 8 verbunden. Der Dopplerpro
zessor 8 ist auf einen ihm folgenden Ortungsrechner 9
synchronisiert. Die beschriebene Anordnung ist mehrfach
ausgebildet und jeweils auf den Ortungsrechner 9 aufge
schaltet.
Das Prinzip des Sensors ist in Fig. 1 skizziert. Als zu
schützendes Objekt 30 wird hier und im folgenden ein Pan
zer angenommen. Die einzelnen Segmente der aktiven Panze
rung 31 sind stark vergrößert dargestellt. Der Radarsensor
32 muß die geradlinig angenommene Geschoßbahn in einigem
Abstand vom Panzer auf wenige cm genau vermessen. Dafür
gibt es mehrere Möglichkeiten:
- a) Ein einziges abschattungsfrei angebrachtes 3D pha sed array-Radar mißt Azimut, Elevation und Entfer nung zum Geschoß 33. Aus mindestens zwei aufeinan derfolgenden Messungen kann der Auftreffort und der Auftreffzeitpunkt berechnet werden.
- b) Wenn sich während der Dauer der Vermessung eines ankommenden Geschosses 33 kein weiteres Geschoß 33 in der Erfassungsreichweite des Sensors 32 befin det, dann kann die phased array-Antenne durch eine einfache Peilantenne (Monopulsradar) ersetzt wer den. Zur Abdeckung des gesamten Halbraums ist al lerdings, ebenso wie bei der phased array-Lösung, eine Vielzahl von Einzelaperturen nötig.
- c) Die von einem einzigen Sensor 32 aus durchgeführte Winkelmessung kann durch eine räumliche Trilatera tion mit mindestens drei Sensoren ersetzt werden. Dann sind nur noch Entfernungsmessungen nötig. Da bei würde man vorteilhafterweise eine multistati sche Lösung vorsehen mit mindestens einem Beleuch tersender für den ganzen Halbraum und mindestens drei Empfängern. Die Synchronisation der Empfänger kann über Strahlungskoppelung zum Sender vorgenom men werden.
- d) Das anfliegende Geschoß 33 wird von mehreren Dopp lerradarsensoren gemessen. Nach dem Prinzip der inversen synthetischen Apertur (ISAR) können die Winkel zwischen den Sichtlinien und der Ge schoßbahn sehr genau ermittelt werden. Daraus läßt sich der Auftreffort und Auftreffzeitpunkt berech nen.
Die zuletzt genannte vorteilhafte Weiterbildung sei hier
genauer betrachtet.
Die zu sichernde gepanzerte Fläche wird mit mindestens
drei möglichst weit auseinanderliegenden Dopplersensoren
ausgerüstet. Wenn ein anfliegendes Geschoß 33 sich auf ca.
10 m genähert hat, wird es erfaßt und liefert in jedem
Sensor ein zeitveränderliches Dopplersignal. Fig. 2 zeigt
in einem zweidimensionalen Modell die Verhältnisse.
Da die (konstante) Geschoßgeschwindigkeit vG zunächst un
bekannt ist, können die Winkel αk nicht ohne weiteres aus
den über die Dopplerfrequenzen zu ermittelnden
Annäherungsgeschwindigkeiten vAk berechnet werden. Daher
sind mehrere aufeinanderfolgende Messungen von vAk (ti)
nötig, um genügend viele Gleichungen für alle Unbekannten
des Gleichungssystems zu erhalten. Es gilt pro Sensor k:
Annäherungsgeschwindigkeit vA(t) = vG cos α(t)
Minimalabstand R = vG . (t - t0)tan α(t)
Annäherungsgeschwindigkeit vA(t) = vG cos α(t)
Minimalabstand R = vG . (t - t0)tan α(t)
Daraus läßt sich ein System von drei Gleichungen mit drei
Unbekannten aufstellen:
R2 = vG 2 (vG 2/vA 2 (ti) - 1) (ti - t0)2, i = 1, 2, 3 (1)
Der Minimalabstand R der Geschoßbahn zum Sensor, der zuge
hörige Zeitpunkt t0 und die Geschoßgeschwindigkeit vG er
geben sich als Lösung dieses Gleichungssystems.
Man kann statt dreier diskreter vA-Messungen auch quasi
kontinuierlich messen und die Abtastwerte einer
Ausgleichsrechnung für die drei Unbekannten zuführen. Da
mit erhält man dann die maximal mögliche Genauigkeit.
Aus den so berechneten Werten für die Minimalabstände Rk
zu drei oder mehr Sensoren kann der Auftreffpunkt P ermit
telt werden. Im zweidimensionalen Modell gemäß Fig. 2 ist
dies dargestellt. Die Mehrdeutigkeit, die sich daraus er
gibt, daß mehrere Tangenten an die zwei Abstandskreise
möglich sind, wird durch die Ermittlung der Auftreffzeit
tp aus den verschiedenen t0k beseitigt, die im Rahmen der
Meßgenauigkeit für alle k gleich sein muß.
Zur Synchronisation der Radarsensoren benötigt man ein
Zeitsignal mit einer Auflösung von ca. 10 µs. Ein Ver
gleich der Dopplerfrequenzen zwischen den Sensoren ist
nicht nötig.
Der Fehler, mit dem der Auftreffpunkt P aus den Radarsi
gnalen ableitbar ist, darf ca. 10 cm nicht überschreiten.
Im 2D-Modell, Fig. 2, erkennt man, daß der Fehler in der
Größenordnung der Schwankung der Minimalabstände Rk liegt.
Diese Schwankung kann aus dem Störabstand der Radarmessung
abgeschätzt werden:
Die Schwankung dR läßt sich analytisch mit Hilfe der Feh
lerrechnung aus der rauschbedingten Schwankung dvA der
Dopplermessung erkennen, wenn man das nichtlineare Glei
chungssystem (1) gelöst hat. Zur Abschätzung der Schwan
kung dR wird vereinfachend angenommen, daß sich die
Geschoßgeschwindigkeit vG und der Zeitpunkt t0 beliebig
genau messen lassen, d. h. dvG = dt0 = 0. Dann gilt mit
(1):
2 RdR ≈ vG 2 (- 2vG 2/vA 3) (t-t0) 2dvA
dR ≈ (-) vG 4 (t - t0)2/(vA 3R) dvA
dR ≈ (-) vG 4 (t - t0)2/(vA 3R) dvA
Zur weiteren Vereinfachung wird der Abstand des Geschosses
zur Zeit t mit D bezeichnet und die Annäherungsgeschwin
digkeit durch die Geschoßgeschwindigkeit ersetzt:
D = vG (t - t0); vG ≈ vA
dann folgt dR ≈ D2/(RvG) dvA (2)
dann folgt dR ≈ D2/(RvG) dvA (2)
Nach dieser Beziehung erhält man eine Abschätzung des Meß
fehlers dR, unter der Voraussetzung, daß die einzelnen
Meßpunkte ti hinreichend weit auseinanderliegen. Eine ge
nauere aber sehr viel kompliziertere Betrachtungsweise des
Fehlers bestätigt die einfache Näherung (2) in der Größen
ordnung.
Mit einem Fehler für die gemessene Annäherungsgeschwindig
keit von vA ≈ 1 m/s, einer angenommenen Geschoßgeschwindig
keit vG ≈ 1000 m/s und einen Abstand D ≈ 10 m liefert (2)
das Ergebnis
also eine Größenordnung, die mit der Zielsetzung vereinbar
ist. Es bedeutet dabei Symbol ≈ in etwa.
Durch die Ausbildung der Erfindung gemäß obiger Beschrei
bung, stellen sich die bereits oben genannten Vorteile
ein.
Claims (4)
1. Sensorik für eine aktive Panzerung, mit wenigstens drei Ra
darsensoren, bei welchem jeweils
- 1. eine Antenne (1), ein Oszillator (4) direkt oder über einen Richtkoppler (3) jeweils an einen Eingang eines Zir kulators (2) angeschlossen sind;
- 2. der Zirkulator ausgangsseitig mit einer Mischstufe (5), auf die der Richtkoppler (3) aufgeschaltet ist, verbunden ist;
- 3. der Ausgang der Mischstufe (5) mit der Serienschaltung eines Verstärkers mit Filter (6) und eines A/D-Wandlers (7), sowie eines Dopplerprozessors (8) verbunden ist;
- 4. der Dopplerprozessor (8) auf einen ihm folgenden Ortungs rechner (9) synchronisiert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anordnung für jeden Sensor aus den Meßwerten vA(ti) gemäß der
Beziehung
R2 ≈ vG 2 (vG 2/vA 2 (ti) - 1) (ti - t0)2, i = 1, 2, 3
den Minimalabstand R bestimmt.
R2 ≈ vG 2 (vG 2/vA 2 (ti) - 1) (ti - t0)2, i = 1, 2, 3
den Minimalabstand R bestimmt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ortungsrechner (9) aus den Minimalabständen zu den ver
schiedenen Sensoren den Auftreffpunkt des Geschosses oder Flug
körpers auf der Panzerung berechnet und die Zündung des ent
sprechenden Segments auslöst.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auftreffzeit durch den Ortungsrechner
(9) aus den Größen t0 und vG der einzelnen Sensorkanäle berech
net wird.
Priority Applications (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHE AEROSPACE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
|
8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 8099 |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AEROSPACE AG, 85521 OTTOBRUNN, DE |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |