DE69705314T2 - Verfahren zur einschlagpunktermittlung eines geschossenen projektils in bezug auf das ziel - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Bestimmung eines Auftreffpunkts eines abgefeuerten Projektils auf einem Ziel. Insbesondere wird in diesem Zusammenhang auf Projektile Bezug genommen, die von Kanonen abgeschossen wurden.
• Beim Abfeuern von Projektilen ist es wichtig, die Position zu erfahren, an der das Projektil am Boden oder am Zielobjekt auftrifft, beispielsweise um diese Position mit einem vorhergesagten Punkt zu vergleichen, dem vorhergesagten Auftreffpunkt (PHP - predicted hitting point). Die Abschußrichtung eines späteren Projektils kann dann durch ein Verfahren nachgeregelt werden, das als IAC (IAC - in action calibration) bekannt ist. Außerdem ist es oft wichtig, eine Angabe über die Distanz zu liefern, um die das Projektil das Ziel verfehlt hat, die MDI genannt wird (MDI - Miss Distance Indication).
• Üblicherweise bestimmt man den Auftreffpunkt mithilfe eines Suchradarsystems. Insbesondere in Anwendungen bei der Kriegsmarine, beispielsweise auf See, wird die Projektil- Position in dem Augenblick gemessen, in dem das Projektil auf dem Wasser aufschlägt und detoniert. Dies erzeugt eine aufsteigende Wassersäule oder Fontäne. An Land bewirkt die Detonation des Projektils eine Staubwolke. Die Wasserfontäne oder Staubwolke kann von einem Suchradar erfaßt werden, sodaß der Auftreffpunkt bestimmt werden kann.
• Der Nachteil einer solchen Methode liegt darin, daß die Fontäne relativ schlecht auf Radarschirmen erkennbar ist. Da das Ziel im allgemeinen ein sehr starkes Echo im Vergleich zur Fontäne erzeugt, kann sogar das Radarecho aufgrund der Fontäne manchmal vom Radarecho überdeckt werden, das vom Ziel erzeugt wird. Befindet sich der Auftreffpunkt des Projektils in der Nähe des Ziels, dann schließt die begrenzte Radarauflösung und der begrenzte Dynamikbereich des Radarsystem die Möglichkeit einer Unterscheidung zwischen dem Ziel und der Fontäne und unter den mehreren Fontänen aus. Außerdem senden derzeit bekannte Suchradarsysteme, die mit TWT-Sendern (Travelling Wave Tube - Wanderwellenröhre) ausgerüstet sind, lange Impulse aus. Bei der Verarbeitung der empfangenen Echos ergeben sich so zeitliche Nebenkeulen, die ihrerseits zu einer verschlechterten Abstandsauflösung führen. Ein zweiter Nachteil eines Suchradarsystems ist die relativ niedrige Aktualisierungsrate der Ziel- und Fontänenmessungen. Außerdem ist es schwierig, wenn mehrere Fontänen durch getrennte Projektile hervorgerufen werden, die zu einer bestimmten Fontäne gehörenden Meßwerte je Umdrehung des Suchradars zu koordinieren, was zum Teil darauf beruht, daß nicht alle Fontänen gleich starke Radarechos hervorrufen.
• Hochseeschiffe besitzen jedoch im allgemeinen auch Zielverfolgungsradarsysteme, die gewöhnlich Sender zur Erzeugung kurzer Impulse enthalten, welche besonders für die Verfolgung von fliegenden Zielen geeignet sind. Dies ergibt eine hohe Auflösung. Zielverfolgungs-Radargeräte haben auch eine deutlich höhere Aktualisierungsrate der Meßwerte. Ziel der Methode gemäß der Erfindung ist es, die obigen Nachteile zu beseitigen, indem die bereits erhältlichen Zielverfolgungs-Radarsysteme benutzt werden. Diese Methode ist zu diesem Zweck gekennzeichnet durch
• - das Verfolgen des Ziels mit einem ersten Radarstrahl,
• - die Ausrichtung eines zweiten Radarstrahls auf einen Punkt oberhalb des Ziels,
• - das Warten, bis das Projektil sich im zweiten Radarstrahl befindet,
• - und die Bestimmung des Auftreffpunkts aufgrund von Meßdaten des zweiten Radarstrahls.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Methode ist dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Radarstrahl schmaler als der erste Radarstrahl ist, beispielsweise indem eine höhere Sendefrequenz bei gleichen Antennenabmessungen verwendet wird. Dadurch wird die Neigung die Gefahr verringert, daß der zweite Radarstrahl den bekannten Bildeffekt bezüglich der Echos de Projektils erzeugt. Der Bildeffekt tritt auf, wenn das Echo des Ziels von der Erdoberfläche reflektiert wird und das reflektierte Echo beim Empfang in der Radarantenne mit dem tatsächlichen Echo des Ziels interferiert. Dadurch wird die Höhenmessung des Projektils gestört oder sogar unbrauchbar. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß Azimut- und Elevationswinkel sowie Reichweite genauer bestimmt werden können. Ein weiterer Vorteil liegt noch darin, daß man es so einrichten kann, daß vom zweiten Radarstrahl zwar das Projektil beleuchtet wird, nicht aber das Ziel, was verhindert, daß das Ziel ein Störecho erzeugt.
• Die Erfindung wird nun genauer anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
• Fig. 1 zeigt eine Konfiguration, in der die Methode angewendet werden kann.
• Fig. 2 zeigt schematisch einen Zielverfolgungsrechner, in dem die beschriebene Methode implementiert ist.
• Fig. 3 zeigt im einzelnen die Konfiguration aus Fig. 1 im Umfeld des Ziels.
• Fig. 1 zeigt ein Schiff 1, auf dem ein Zielverfolgungs-Radargerät 2 mit einer Antenne 3 und ein Abschußsystem 4 aufgebaut sind. Das Abschußsystem 4 hat ein Projektil 5 in Richtung auf ein Ziel 6 an der Oberfläche abgefeuert. Das Projektil verfolgt eine ballistische Kurve 7. Das Abschußsystem 4 kann beispielsweise eine 76 mm-Kanone sein. Es wird von einem Feuerkontrollrechner 8 gesteuert, dar Daten vom Zielverfolgungsrechner 9, der an das Zielverfolgungs- Radargerät 2 angeschlossen ist, empfangen kann, was allerdings nicht unbedingt notwendig ist. Das Zielverfolgungs- Radargerät 2 mit seiner Antenne 3 erzeugt einen ersten Radarstrahl 10 und einen zweiten Radarstrahl 11 und ist auf das Ziel 6 an der Oberfläche ausgerichtet. Der zweite Radarstrahl 11 arbeitet vorzugsweise in einem höheren Frequenzbereich als der erste Radarstrahl 10 und ist daher schmaler. Dadurch beseitigt man praktisch die Gefahr des Bildeffekts im zweiten Strahl. Ein besonders günstiges Frequenzband ist das I-Band (8 GHz bis 9,5 GHz) für den ersten Strahl 10 und das Ka-Band (34,5 GHz bis 35,5 GHz) für den zweiten Strahl 11 mit einer Strahlbreite von etwa 8 mrad, was den zweiten Radarstrahl 11 praktisch gegen Echos unempfindlich macht, die vom Ziel erzeugt werden. Da der erste und der zweite Radarstrahl von einer gemeinsamen Antenne 3 erzeugt werden, sind ihre Bewegungen gekoppelt. Die Antenne kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß der zweite Strahl bezüglich des ersten Strahls gedreht werden kann, sodaß ein gewisser Grad an Unabhängigkeit erreicht wird, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist. Außerdem kann man bei der bevorzugten Ausführungsform mit einer einzigen Antenne zwei unabhängig arbeitende Zielverfolgungs-Radarsysteme verwenden, nämlich eines für die Erzeugung des ersten Radarstrahls und das andere für die Erzeugung des zweiten Radarstrahls. Die bevorzugte Ausführungsform bietet jedoch eine Ersparnis, da sie nur eine Antenne erfordert.
• Gemäß dem Zeitmultiplexprinzip können der zweite und der erste Strahl abwechselnd erzeugt werden, sodaß die beiden Strahlen von einem gemeinsamen Sender und einer gemeinsamen Antenne gebildet werden können.
• Fig. 2 zeigt genauer die Feuerkontroll-Konfiguration auf einem Schiff gemäß Fig. 1. Die Radarsignal-Verarbeitungseinheit 12, die für die Erfassung eines beweglichen Ziels geeignet ist, empfängt Zieldaten vom Zielverfolgungs- Radargerät 2 und richtet das Zielverfolgungs-Radargerät aufgrund dieser Daten in der richtigen Position aus. Die Radarsignal-Verarbeitungseinheit 12 ist außerdem an den Zielverfolgungsrechner 9 angeschlossen, um eine Verfolgungsspur für jedes Ziel zu konstruieren, Der Zielverfolgungsrechner ist zur Steuerung des Feuerkontrollrechners 8 ausgebildet. Alternativ kann der Feuerkontrollrechner 8 auch von einer Bedienungsperson gesteuert werden, der die vom Zielverfolgungsrechner gelieferten Daten verwertet.
• Fig. 3 zeigt im einzelnen die Konfiguration aus Fig. 1 im Umfeld des Ziels 6 an der Oberfläche. Man erkennt auch die Grenzen 7A und 7B, zwischen denen die Flugkurve 7 des Projektils liegen kann. Das Projektil tritt in den zweiten Radarstrahl 11 im Punkt 13 ein und verläßt den Strahl im Punkt 14. Ab dem Punkt 14 wird ein Auftreffpunkt auf der Basis von ballistischen Daten und der örtlich gemessenen Projektilposition in drei Dimensionen vorhergesagt. Die ballistischen Daten enthalten einen Auftreffwinkel 15,' der beispielsweise auf der Basis einer Abschußtabelle vorhergesagt wird, sowie die Endgeschwindigkeit und die Endbeschleunigung des Projektils. Die MDI bezüglich des Ziels 6 wird dann auf der Basis der gemessenen Position des Ziels und des vorhergesagten Auftreffpunkts bestimmt. In dem dargestellten Beispiel fällt der Auftreffpunkt mit dem Ziel 6 zusammen, sodaß die vorhergesagte MDI den Wert null hat. Die MDI der alternativen Flugbahnen 7A und 7B sind durch die Bereiche 16 und 17 angegeben.
• In dem Ausführungsbeispiel ist das Zielverfolgungs = Radargerät an die Radarsignal-Verarbeitungseinheit 12 angeschlossen, die ihrerseits mit dem Zielverfolgungsrechner 9 verbunden ist. Bei Verwendung des ersten Radarstrahls 10 wird das Ziel 6 innerhalb eines ersten Zielverfolgungsfensters 18 verfolgt, das in diesem Ausführungsbeispiel eine Länge von 300 m hat. Der erste Radarstrahl hat eine Breite von 250 m an der Stelle des Ziels. In diesem Beispiel beträgt der Abstand zwischen dem Ziel und dem Schiff 8000 m. Der zweite Radarstrahl 11 wird, beispielsweise aufgrund eines Aktivierungssignals vom Verfolgungsrechner 9, auf einen Punkt oberhalb des Ziels 6 ausgerichtet, im Ausführungsbeispiel je nach dem Abstand des Ziels zwischen 0,5 und 1º oberhalb. In diesem Ausführungsbeispiel hat der zweite Radarstrahl eine Breite von etwa 60 m in Höhe des Ziels 6. Der erste Radarstrahl 10 ist ausreichend breit, um weiterhin das Ziel 6 zu verfolgen. In einem gegebenen Zeitpunkt erscheint das vorher abgefeuerte Projektil 6 im Bereich des zweiten Radarstrahls, der in Fig. 3 das Bezugszeichen 13 trägt. Die Endgeschwindigkeit liegt dann beispielsweise bei etwa 300 bis 500 m/s und der Auftreffwinkel 15 beträgt beispielsweise etwa 16º. Die Radarsignal-Verarbeitungseinheit 12, die an den Zielverfolgungsrechner 9 angeschlossen ist, erfaßt das Projektil, indem es innerhalb eines Erfassungsfensters 19 für den zweiten Radarstrahl 11 in der Nähe des Ziels Zielechos in an sich bekannter Weise aufgrund von Doppler-Spektralkomponenten registriert und auswählt. In dem Ausführungsbeispiel geschieht dies durch Aussenden von Radarimpulsfolgen und durch Erfassung eines Echos dieser Folgen. Wenn innerhalb des Erfassungsfensters 19 ein Echo mindestens zweimal erfaßt wurde, das zumindest im wesentlichen denselben Abstand und dieselben Doppler-Spektralkomponenten enthält, gilt ein Projektil als mit einer ausreichend niedrigen Fehlalarm-Wahrscheinlichkeit erfaßt. In dem Beispiel hat das Erfassungsfenster 19 etwa die Länge von 1000 m. Danach wird das Projektil verfolgt, indem ein Zielverfolgungsfenster 20 an der Stelle des Projektilechos, nämlich dem Punkt 13, in der Radarsignal-Verarbeitungseinheit 12 entfernungsmäßig fixiert wird. Das Verfolgungsfenster 20 wandert entsprechend entlang des Echos des Projektils.
• In dem Ausführungsbeispiel liefert die Radarsignal- Verarbeitungseinheit 12 einen Meßwert bezüglich Position und Geschwindigkeit des Projektils an den Verfolgungsrechner 9. In diesem Augenblick ist die Position des Projektils in drei Dimensionen bekannt. Außerdem ist das Projektil in unmittelbarer Nähe des Ziels angekommen. Auf der Basis von Zielechos · des zweiten Radarstrahls und von ballistischen Daten bezüglich des Projektils kann eine Vorhersage hinsichtlich des Auftreffpunkts des Projektils gemacht werden. Wenn im Punkt 14 keine Projektilmeßwerte eines ausreichenden Signal/Rauschabstands in dem betreffenden Verfolgungsfenster empfangen wurden, stoppt die Radarsignal-Verarbeitungseinheit die Projektilmessungen.
• In diesem Augenblick hat offensichtlich das Projektil den zweiten Radarstrahl verlassen, gewöhnlich 200 bis 300 m vor dem Punkt, an dem das Projektil im Ziel oder im Wasser einschlägt. In einer bevorzugten Ausführungsform, die die Erfassung mehrerer nacheinander abgefeuerter Projektile erlaubt, stoppt die Radarsignal-Verarbeitungseinheit die Projektilmessungen, sobald ein nachfolgendes Projektil zweimal mit demselben Abstand und Dopplerwert erfaßt wurde, worauf dieses Projektil in die Verfolgung übernommen wird. Der Zielverfolgungsrechner 9 sagt dann den weiteren Verlauf des Projektils voraus, der nicht mehr weiter verfolgt wird. Es ist auch möglich, mehrere Projektile gleichzeitig zu verfolgen, vorausgesetzt, der Zielverfolgungsrechner ist dafür ausgerüstet.
• Die Vorhersage des Auftreffpunkts kann vom Punkt 14 an durch Extrapolation erfolgen. Diese Vorhersage ist wesentlich genauer als eine Vorhersage auf der Basis nur der ursprünglichen Geschwindigkeit beim Abschuß und der Ballistikdaten des Projektils, da die Position des Projektils in der Endphase der Flugbahn bekannt ist. Es ist nicht erforderlich, das Projektil während der ganzen Flugkurve zu verfolgen. Der Zielverfolgungsrechner kann nun die Differenz zwischen dem berechneten und dem vorhergesagten Auftreffpunkt unter Berücksichtigung ihrer verschiedenen Zeitdaten, der sogenannten IAC-Daten, an den Feuerkontrollrechner 8 für die IAC-Eichung übergeben. Auf dieser Basis kann der Feuerkontrollrechner die Abschußrichtung nachfolgender Projektile justieren. Es ist auch möglich, den berechneten Auftreffpunkt zusammen mit dem Ziel 6 unter entsprechender Berücksichtigung ihrer relativen Zeitwerte auf einer Anzeigevorrichtung darzustellen, um eine MDl-Angabe (Miss Distance Indication) zu ermöglichen.
• Die Anwendung der erfindungsgemäßen Methode ist keineswegs auf die oben beschriebene Konfiguration beschränkt, sondern eignet sich auch für andere Geschoßkaliber, andere Sendefrequenzen der Radarstrahlen und anders ausgewählte Verfolgungs- und Erfassungsfenster u. s. w.. Die Projektile können Raketen enthalten. Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Anwendung der Kriegsmarine, wenngleich die Methode auch für Konfigurationen an Land geeignet ist.
• Der erste und der zweite Radarstrahl können auch von einem ersten und einem zweiten Radargerät erzeugt werden. Der erste Strahl dient dann der Zielverfolgung, während der zweite Strahl direkt oberhalb des Ziels ausgerichtet wird. Der zweite Strahl kann dann in Azimutrichtung auf der Basis von Zielverfolgungsdaten aus dem ersten Strahl gesteuert werden. Dies erlaubt es, den zweiten Strahl in einem vergleichsweise einfachen Radargerät zu erzeugen.

Claims (10)

1. Methode zur Bestimmung eines Auftreffpunkts für ein abgefeuertes Projektil (5) auf einem Ziel (6), gekennzeichnet durch

- - das Verfolgen des Ziels (6) mit einem ersten Radarstrahl (10),

die Ausrichtung eines zweiten Radarstrahls (11) auf einen Punkt oberhalb des Ziels (6), das Warten, bis das Projektil (5) sich im zweiten Radarstrahl (11) befindet,

- - und die Bestimmung des Auftreffpunkts aufgrund von Meßdaten des zweiten Radarstrahls (11).

2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung des Auftreffpunkts von ballistischen Daten des Projektils (5) Gebrauch gemacht wird.

3. Methode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Radarstrahl (11) schmaler als der erste Radarstrahl (10) ist.

4. Methode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Radarstrahl (10) und der zweite Radarstrahl (11) von einer einzigen Radarantenne (3) mit angeschlossenen Radarmitteln (2)erzeugt werden.

5. Methode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Radarstrahl (10) im I- Band und der zweite Radarstrahl (11) im Ka-Band arbeitet.

6. Methode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektil (5) von einem Schiff (1) abgefeuert wird und der erste Radarstrahl (10) und der zweite Radarstrahl (11) auf demselben Schiff (1) erzeugt werden.

7. Methode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn sich das Projektil im Bereich des zweiten Radarstrahls (11) befindet, der zweite Radarstrahl (11) zuerst das Projektil (5) innerhalb eines Erfassungsfensters (19) erfaßt und dann innerhalb eines Zielverfolgungsfensters (20) verfolgt, das erheblich kleiner als das Erfassungsfenster ist.

8. Methode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschußrichtung für das Projektil (5) aufgrund des vorhergesagten Auftreffpunkts korrigiert wird.

9. System zur Bestimmung des Auftreffpunkts eines abgefeuerten Projektils (5) auf einem Ziel (6), mit einer Radardaten-Verarbeitungseinheit (12), einem ersten Radargerät für die Erzeugung eines ersten Radarstrahls (10) und einem zweiten Radargerät für die Erzeugung eines zweiten Radarstrahls (11), dadurch gekennzeichnet, daß

- die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) mit dem ersten und dem zweiten Radargerät verbunden ist,

- die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) zur Ausrichtung des ersten Radargeräts derart ausgebildet ist, daß sich das Ziel (6) im Bereich des ersten Radarstrahls (10) befindet,

- die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) zur Ausrichtung des zweiten Radargeräts derart ausgebildet ist, daß der zweite Radarstrahl (11) sich knapp oberhalb des Ziels (6) befindet,

- die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) zur Erfassung einer Position eines Projektils (5) oder ähnlichen fliegenden Objektes ausgebildet ist, sobald das Projektil in den Bereich des zweiten Radarstrahls (11) eintritt,

- die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) auf der Basis der erfassten Position des Projektils zur Vorhersage eines Auftreffpunkts des Projektils (5) auf dem Ziel ausgebildet ist.

10. System zur Bestimmung des Auftreffpunkts eines abgefeuerten Projektils (5) auf einem Ziel (6), mit einer Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) und einem Radargerät (2) für die Erzeugung eines ersten Radarstrahls (10) und eines zweiten Radarstrahls (11), dadurch gekennzeichnet, daß

- - die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) mit dem Radargerät (2) verbunden ist,

- die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) zur Ausrichtung des Radargeräts (2) derart ausgebildet ist, daß sich das Ziel (6) im wesentlichen im Bereich des ersten Radarstrahls (10) befindet und der zweite Radarstrahl (11) auf einen Punkt knapp oberhalb des Ziels (6) gerichtet ist,

- die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) zur Erfassung einer Position eines Projektils (5) oder ähnlichen fliegenden Objektes ausgebildet ist, sobald das Projektil in den Bereich des zweiten Radarstrahls (11) eintritt,

- die Radardaten-Verarbeitungseinheit (12) auf der Basis der erfassten Position des Projektils zur Vorhersage eines Auftreffpunkts des Projektils (5) auf dem Ziel ausgebildet ist.