DE102011052616A1

DE102011052616A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verteidigung eines Zielobjekts gegen mindestens einen angreifenden Flugkörper

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Publication number: DE102011052616A1
Application number: DE102011052616A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2012-10-04
Also published as: EP2630433B1; CA2828171A1; US20140015704A1; WO2012130913A1; EP2630433A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verteidigung eines Zielobjekts gegen mindestens einen angreifenden Flugkörper. Um die Effizienz aus dem Stand der Technik bekannter Abwehrmittel und diverser Verteidigungseinrichtungen auf Schiffen gegen angreifende unbemannte Flugkörper deutlich zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass auf Basis einer Ermittlung von günstigen aber auch ungünstigen Schiffslagen für einzelne Bedrohungen und Seegänge eine Minimierung des Radarquerschnitts RCS eines Schiffes während der Bedrohung durch einen durch Radar und/oder Infrarotsensoren gesteuerten Lenkflugkörper mittels Einleiten von zeitlich optimierten Schiffsmanövern bewirkt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verteidigung eines Zielobjekts gegen mindestens einen angreifenden Flugkörper und insbesondere ein Steuerungssystem für Ablenkmittel eines Schiffs gegen eine angreifende Rakete.
Zur Abwehr von anfliegenden Flugkörpern mit Zielsuchköpfen ist es u. a. bekannt, von einem angegriffenen Schiff aus Täuschkörper auszubringen, die durch Vortäuschen eines Scheinzieles oder Störung der Elektronik und/oder Sensorik des Flugkörpers diesen von seiner Anflugrichtung auf das Schiff (Zielobjekt) so ablenken, dass er daran vorbeifliegt. Derartige Ablenksysteme basieren u. a. auf dem gezielten Ausbringen pyrotechnischer, metallische Partikel enthaltender und starke Nebel bildender Geschosse, die ein starkes Echo in Radar- und Infrarot-Suchköpfen bekannter Angriffswaffen erzeugen.
Ohne Beschränkung wird nachfolgend von Schiffen als Zielobjekten ausgegangen. Bekanntermaßen lassen sich derartige Ansätze aber auch auf Panzer oder sonstige bewegliche oder stationäre Ziele übertragen, wenngleich die Randbedingungen einer Anwendung auf ein Schiff einen besonderen Aufwand erfordert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz aus dem Stand der Technik bekannter Abwehrmittel und diverser Verteidigungseinrichtungen auf Schiffen gegen angreifende unbemannte Flugkörper deutlich zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Um dies zu erreichen muss der Radarquerschnitt des Scheinzieles „attraktiver” sein als der Radarquerschnitt des Schiffes. Dabei können ganze „Wände” von Radarquellen in unterschiedlichen Höhen durch Scheinziele erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird nun eine Minimierung des Radarquerschnitts RCS eines Schiffes während der Bedrohung durch einen Radar gesteuerten Lenkflugkörper mittels Einleiten von zeitlich optimierten Schiffsmanövern vorgeschlagen, insbesondere im Zusammenwirken mit dem Abschuss von pyrotechnischen Abwehrsystemen. In der vorliegenden Beschreibung wird dazu der RCS eines beliebigen Schiffes betrachtetet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach erfolgt eine zeitliche Synchronisation des Abschusses von Scheinzielen mit einer vorgeschlagenen Drehung des Schiffes.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Darstellung weiterer Merkmale und die sich daraus ergebenden Vorteile unter Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in skizzierter Darstellung:
1: ein Inertialsystem in einer Einheitskugel zur Darstellung der nachfolgend genutzten Koordinaten;
2a und 2b: Polardiagrame für den RCS Wert eines Schiffes ohne Rollen und Stampfen und bei einem Schiffs-Rollwinkel von 2.0 Grad, jeweils für eine Elevation ε_I des Lenkflugkörpers von 0.28 Grad;
3: den Aufbau eines Systems zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4: ein Ergebnis einer RCS Vermessung mit CAD RCS in 360 Grad Azimut für die Elevationen 0.0 Grad, 1,0 Grad und 2.0 Grad in dB als Diagramm;
5: eine Prinzipskizze einer direkten Reflektion R_d und indirekten Reflektion an einer Oberfläche R_i eines Reflektionspunktes P an einem Zielobjekt zu der Funkquelle F;
6: den Faktor der Mehrwegeausbreitung für eine Richtung;
7: ein gegenüber einem I-System verdrehtes S-System und eine Anflugrichtung in diesem System und
8a bis 8f: ein RCS Verhalten eines Schiffsmodells in verschiedenen Entfernungen (x-Achse) und Bedrohungsrichtungen (y-Achse) für einen Lenkflugkörper mit einer definierten Frequenz, Polarisation und Flughöhe bei einem definierten Seegang. Darstellung in verschiedenen Rollwinkeln um die Schiffs Längsachse.
Über die Abbildungen hinweg werden einheitlich gleiche Bezeichnungen und Bezugszeichen für gleiche Bauteile, Elemente, Koordinaten, Verfahrensschritte oder Baugruppen verwendet. Der Radarquerschnitt RCS eines als Zielobjekt bzw. Target angesehenen dreidimensionalen Gegenstandes beschreibt die Größe der Reflektion des Gegenstandes zurück in Richtung der Quelle einer Funkwelle, hier Radar. In mathematischen Formeln wird der Radarquerschnitt mit dem griechischen Buchstaben σ (Sigma) bezeichnet und hat die Maßeinheit „Quadratmeter”. Der RCS ist abhängig von der Form und Materialbeschaffenheit des Zielobjektes, sowie der Wellenlänge, Polarisation und der Richtung der Funkwelle zum Zielobjekt in Azimut α und Elevation ε bezüglich eines Inertialsystems I – beispielsweise eines erdfesten Koordinatensystems, dessen z-Achse in Gravitationsrichtung und dessen x-Achse in Nord-Süd-Richtung zeigen.
1 zeigt hierzu eine Prinzipskizze, bei der eine Zielrichtung p bezüglich eines Inertialsystems I gegeben ist. In 1 ist eine Einheitskugel um den Ursprung des I-Systems dargestellt, so dass sich die Winkel im Bogenmaß direkt als Großkreissegmente darstellen lassen.
Für die Größe der Reflektion bzw. des RCS eines nicht gleichförmigen Gegenstandes ist die Ausrichtung der Reflektionsflächen des Gegenstandes zur Strahlungsquelle von entscheidender Bedeutung. Es ist bekannt, das die Größe des RCS eines Schiffes in Abhängigkeit zur Richtung der Strahlenquelle in Elevation und Azimut variiert.
Für einen anfliegenden Lenkflugkörper ist die Richtung zwischen Ziel, hier insbesondere und ohne Beschränkung als ein Schiff angenommen, und Strahlungsquelle z. B. Radar des Lenkflugkörpers nicht konstant. Die Elevation der Anflugrichtung zur Schiffsposition im I-System hängt von der Entfernung des Lenkflugkörpers zum Schiff und der Flughöhe des Lenkflugkörpers über der Schiffsposition ab. Das Azimut im I-System kann sich durch Kursänderungen des Lenkflugkörpers ändern. Dabei wird eine eindeutige Schiffsposition über das Zentrum des Schiffes als Bezugspunkt in halber Länge, halber Breite und halber Höhe des Schiffes über Wasser eindeutig festgelegt, also im Schiffszentrum.
Zusätzlich zu den Änderungen der Elevations- und Azimutwinkel im I-System verändern sich die tatsächlichen Reflektionswinkel ε_S und α_S des schiffseigenen Koordinatensystems (S-System) durch die Schiffseigenbewegung.
Die Schiffseigenbewegung ist gekennzeichnet durch

(a) Rollen um die Schiffslängsachse entlang der Bugrichtung des Schiffes
(b) Stampfen um die Schiffsquerachse
(c) Änderung der Fahrtrichtung bezogen auf die Schiffs Bugrichtung
(d) Änderung der Fahrgeschwindigkeit

Rollen und Stampfen werden durch den Seegang und die damit verbundenen Wellen beeinflusst. Das Rollen des Schiffes kann aber auch durch die Krängung (Schräglage des Schiffes durch Fliehkräfte und Beladung) beeinflusst werden. Für die vorliegende Erfindung ist vor allem die Krängung durch die Fliehkräfte bei einer Kursänderung mit entsprechender Ruderlage von Interesse. Für einen kurzen Zeitraum von etwa 5–15 s kann dadurch der RCS Wert des Schiffes bewusst verändert werden.
2 zeigt das Polardiagram für den RCS Wert eines Schiffes ohne Rollen und Stampfen und ein Polardiagramm mit einem Schiffs-Rollwinkel von 2.0 Grad, für eine Elevation ε_I des Lenkflugkörpers von 0.28 Grad. Die Werte im Polardiagramm sind in dB angegeben, wobei 10 dB = 10 qm, 20 dB = 100 qm, 30 dB = 1.000 qm, 40 dB = 10.000 qm und 50 dB = 100.000 qm darstellen. 2 zeigt deutlich, dass die Einflüsse aus einer Rollbewegung auf den RCS Wert erheblich sein können. Zusammen mit einer Kursänderung des Schiffes zur Bedrohungsrichtung lassen sich so, abhängig von der Geometrie eines Schiffes, nicht unerhebliche Änderungen des RCS Wertes in einem kurzen Zeitraum erreichen.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht es günstige aber auch ungünstige Schiffslagen für einzelne Bedrohungen vorab zu berechnen und diese Erkenntnisse im Ernstfall zur Optimierung des Täuschkörpereinsatzes anzuwenden.
Die berechneten Bereiche hängen, bedingt durch die Mehrwegeausbreitung der Radarstrahlen, sehr stark von der Entfernung des Lenkflugkörpers ab. Die gewonnen Kenntnisse liefern somit auch Informationen über den Zeitraum, an dem ein Scheinziel oder ein Radar-Störsender bzw. Jammer zur Täuschung des Lenkflugkörpers eingesetzt werden soll.
Weiterhin beinhaltet die Erfindung eine Vorrichtung, die es ermöglicht auf einem Schiff zu Ausbildungs- und Trainingszwecken, entsprechende Einsätze und Manöver aufzuzeichnen. 3 zeigt einen Rechner dem u. a. entsprechend vorbereitete Daten aus den Ansprüchen 1 und 2 über eine Datenbank zur Verfügung gestellt werden. Die Schiffsbewegung in Roll- und Stampfwinkel wird über ein angeschlossenes Inklinometer gemessen. Die Navigationsdaten des Schiffes stehen über eine Navigationsschnittstelle zum Schiff zur Verfügung. Über ein Mensch-Maschine-Schnittstelle bzw. Human Machine Interface HMI lassen sich nun Bedrohungen eingeben.
Die Rechenanlage sucht nun über die vorab berechneten Werte, aus der Datenbank nach einem günstigen Schiffsmanöver und zeigt dies an einem Bildschirm an. Die realen Schiffsbewegungen und die damit verbundenen RCS Werte werden während der Bedrohungsphase berechnet und aufgezeichnet und können dann mit den vorgegebenen Empfehlungen verglichen werden. Damit lässt sich auf einem Schiff der Einsatz dieses Verfahrens trainieren, auswerten und optimieren.
Zusätzlich können einer derartigen Trainingsanlage Schnittstellen zu weiteren Sensoren zur Verfügung gestellt werden. Damit lässt sich die Genauigkeit und Effizienz der Empfehlungen durch automatisierte Datenzufuhr weiter verbessern.
Im Folgenden werden die angewandten Verfahren für die Berechnung der Beziehungen zwischen Lenkflugkörper und Schiffs RCS in verschiedenen Strahlungsrichtungen, Flughöhen und Entfernungen des Lenkflugkörpers beschrieben. Im Einzelnen sind dies:

• Berechnungen der RCS Daten und Manövrierfähigkeit des Schiffes
• Berechnung des Einflusses der Mehrwegeausbreitung.
• Verfahren zur Berechnung der Anflugrichtung des S-Systems aus der Anflugrichtung des I-Systems und den gemessenen Roll- und Stampfwinkeln ρ und ν. (Anspruch 6)

Schiffsdaten Ermittlung:
Zur Minimierung des Radarquerschnitts eines Schiffes während einer Bedrohung durch einen Radar gesteuerten Lenkflugkörper sind möglichst genaue Kenntnisse über das Schiff, also u. a. RCS, Manövrierfähigkeit und Manövrierverhalten, und den anfliegenden Lenkflugkörper notwendig, also beispielsweise Frequenz, Entfernung, Geschwindigkeit, Flughöhe und Polarisation. Diese Daten werden für ein Schiff bereits vor einer möglichen Bedrohung ermittelt und in einer Datenbank auf dem Schiff zur Verfügung gestellt. Lenkflugkörper Daten können ebenfalls in einer Datenbank abgelegt werden. Da es sich hierbei jedoch meist um klassifizierte Daten handelt, besteht auch die Möglichkeit, diese über eine Schiffs eigene Electronic Support Measures bzw. kurz ESM Anlage, wie sie regelmäßig auf Marine Schiffen zur Verfügung stehen, während einer Bedrohung zu ermitteln. Dynamische Lenkflugkörperdaten wie beispielsweise die Entfernung, können aus dem Zeitverhalten des Lenkflugkörpers abgeleitet, bzw. über eine Schiffseigene Radaranlage gemessen werden. Dynamische Schiffsdaten wie beispielsweise das Rollen und Stampfen des Schiffes werden über ein Inklinometer in Echtzeit gemessen und zur Verfügung gestellt.
Im Folgenden werden die Verfahren zur Ermittlung der notwendigen Daten beschrieben.
Schiffs RCS:
Um ein möglichst genaues Model des RCS zu erhalten ist es notwendig das Objekt zu „vermessen”. Die RCS Vermessung eines Schiffes auf See in einer hohen Auflösung für Azimut und Elevation ist nur schwer möglich. Hinzu kommen externe Fehlereinflüsse, wie beispielsweise Reflektion, Beugung, aber auch die Instabilität des Schiffes durch Rollen und Stampfen, die nicht oder nur Schwer aus den Messergebnissen herausgerechnet werden können. Aus diesem Grund wird für die RCS Vermessung des Schiffes die Software CAD RCS verwendet, die das RCS Modell für unterschiedliche Frequenzen über ein CAD Modell des Schiffes berechnet. Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse dieser Software wurde bereits experimentell untersucht.
4 zeigt das Ergebnis der RCS Vermessung mit CAD RCS in 360 Grad Azimut bei 1 Grad Auflösung für die Elevationen 0,0 Grad, 1,0 Grad und 2,0 Grad in dB. Die Auflösung des RCS Modells sollte in Azimut und Elevation mindestens 0,1 Grad betragen. Zusätzlich werden im RCS Modell die Höhen der markanten Reflektionspunkte über der Wasseroberfläche vermessen. Die Ergebnisse des RCS Modells werden in einer Datenbank gespeichert. Die Einträge in der Datenbank können dann für die jeweiligen Elevations- und Azimut-Winkel abgerufen werden. Die Eingangswerte für einen Datensatz sind dabei Elevation, Azimut, Frequenz und Polarisation der Bedrohung. Der zurückgegebene Datensatz enthält den RCS Wert und die Positionen x_i, y_i, z_i aller Reflektionspunkte/Flächen i, mit einem RCS größer als ein vorab festzulegender Minimalwert.
Manövrierfähigkeit/Manövrierverhalten:
Die Manövrierfähigkeit ist gekennzeichnet durch das Beschleunigungsverhalten sowie den Drehraten und dem Krängungsverhalten in unterschiedlichen Ruderlagen und Geschwindigkeiten. Diese Daten lassen sich beispielsweise über die Messung der fahrdynamischen Parameter mit Hilfe von Inertialplattformen aufzeichnen. Die Gewonnen Daten werden in einer Schiffseigenen Datenbank abgelegt. Sollten Daten aus Hydrodynamischen Versuchen zur Verfügung stehen, können auch diese genutzt werden.
Lenkflugkörper Daten:
Lenkflugkörper Daten können, sofern sie nicht über klassifizierte Bibliotheken zur Verfügung stehen, mittels Electronic Support Measures bzw. ESM und Schiffseigener Radaraufklärung ermittelt werden.
Berechnung des Einflusses der Mehrwegeausbreitung:
Zusätzlich zur direkten Reflektion der Funkwellen am Zielobjekt muss die Mehrwegeausbreitung der Radarstrahlen durch Reflektion und Beugung an der Wasseroberfläche berücksichtigt werden. Der Einfluss der Mehrwegeausbreitung ist abhängig von der Wellenlänge und Polarisation der Funkwelle, dem Abstand d zwischen Funkquelle und Reflektionspunkt am Zielobjekt, den Höhen h'_t von Funkquelle (Transmitter) und h'_r des Reflektionspunktes am Zielobjekt über der Tangente des Reflektionspunktes auf der Wasseroberfläche an der sphärischen Erdoberfläche, sowie den Eigenschaften der reflektierenden Oberfläche (z. B. Meerwasser).
5 zeigt hierzu eine Prinzipskizze der direkten Reflektion R_d und indirekten Reflektion an der Oberfläche R_i eines Reflektionspunktes P am Zielobjekt zur Funkquelle F. Da Radiowellen prinzipiell eine über den optischen Horizont hinausgehende Reichweite besitzen, muss diese zusätzliche quasioptische Reichweite berücksichtigt werden. Standardmäßig wird dabei um einen um den Faktor k = 4/3 größerem Erdradius r_e ausgegangen.
Folgende Ableitungen sind aus Ref. 1 bekannt und wurden von dort abgeleitet:
Für eine gegebnen Reflektionspunkthöhe h_r, einer Transmitterhöhe h_t (Funkquellen- und Antennen-Höhe) und einer Zielentfernung d, ergibt sich die Oberflächenentfernung G
Unter der Annahme einer geringen Zielpunkthöhe gilt die Vereinfachung:
Die Position des Reflektionspunktes X₀ wird abgeleitet aus der Lösung der kubischen Gleichung mit den Hilfsparametern p und ϕ
Daraus folgt die Oberflächenentfernung zwischen Radar und Reflektionspunkt:
Aus der Bildung einer Tangente am Reflektionspunkt der Oberfläche berechnen sich Transmitter- und Zielhöhe wie folgt:
Der Einfallswinkel ψ berechnet sich aus:
Für den Elevationswinkel vom Radar zum Ziel gilt:
Für die Wegstreckendifferenz des reflektierten Strahls:
Da der Einfluss der Mehrwegeausbreitung hängt auch von den Eigenschaften der reflektierenden Oberfläche ab. Hierfür wird der der Reflektionskoeffizient ρ der sich aus dem Produkt der „Fresnel Reflektion” ρ_f, der Streuung durch Spiegelung an der Oberfläche (Streuungskoeffizienten) ρ_s und dem Vegitationsfaktor ρ_v berechnet. Da der Vegitationsfaktor über Wasser keine Rolle spielt, wird er in diesem Fall mit dem Wert 1.0 angenommen. Der Fresnel Reflektionskoeffizient beschreibt das Verhältnis der reflektierten bzw. der transmittierten Amplitude der einfallenden elektromagnetischen Wellen an einer dielektrischen Grenzfläche.
Für horizontale Polarisation berechnet sich der komplexe Reflektionskoeffizient aus

ε_r: = Dielektische Konstante der Oberfläche
σ_e: = Konduktivität der Oberfläche

Für die vertikale Polarisation gilt:
Die Magnitude des Fresnel Reflektionskoeffizienten ρ_f wird aus dem Betrag der komplexen Zahl berechnet

(11) ρ_f = |ρ_hor,ver|
Der Winkel des Fresnel Reflektionskoeffizienten β berechnet sich aus dem Argument der komplexen Zahl

(12) β = arg(p_h,ν)
Für den Phasenwinkel des reflektierten Strahls gilt:
Für eine raue Oberfläche mit einer mittleren quadratischen Abweichung σ_h von einer glatten Oberfläche, berechnet sich der Streuungskoeffizient wie folgt:

Dabei hängt der Wert von σ_h von der Wellenhöhe der Wasseroberfläche ab (Seegang). Nach der Formel von Moskowitz ergeben sich für die jeweiligen Wellenhöhen folgende Werte für σ_h:

Seegang	Beschreibung	σ_h in m
0	Glasig	0.00
1	Gerippelt	0.05
2	Kleine Wellen	0.11
3	Leichte Wellen	0.25
4	Moderat	0.46
5	Raue See	0.76
6	Sehr raue See	1.2
7	Hoher Seegang	2.0
8	Sehr hoher Seegang	3.0
9	Phänomenal	> 3.5

Unter Vernachlässigung des Divergenzwinkels für kleine Einfallswinkel ψ, berechnet sich der Faktor für die Mehrwegeausbreitung aus dem Betrag der komplexen Zahl

(15) f_p = |1.0 + ρ_h·ρ_s·exp(α·i)| bzw. in dB: F_p = 20·log(f_p)
6 zeigt den Faktor der Mehrwegeausbreitung für eine Richtung (Transmitter zum Zielpunkt) für eine Wellenlänge λ = 0.03 Meter, einer Transmitterhöhe von 10 Meter, einer Reflektionspunkthöhe von 10 Meter bei Seegang 3 in vertikaler Polarisation. Für den Hin- und Rückweg der Funkwelle muss dieser Faktor mit 2 multipliziert werden.
Transformation der Anflugrichtung/Bedrohungsrichtung aus dem I-System in das S-System:
Bedrohungsrichtung im Inertialsystem I und im Schiffseigenen Koordinatensystem S, wie auch beschrieben in DE 103 08 308 A1 , jedoch mit einer klar anderen Anwendung und Zielsetzung: Die Bedrohungsrichtung TI im Inertialsystem I ist gegeben durch das Azimut α_I, zur Achse X_I und der Elevation ε_I bezüglich der durch X_I und Y_I aufgespannten horizontalen Ebene E_I. Die Elevation ε_I berechnet sich aus der Anflughöhe und Entfernung des Lenkflugkörpers zum Schiff. Der Elevations- und Azimutwinkel in dem das Radar des Lenkflugkörpers das Schiff auffasst, wird jedoch mittels Azimut α_S und Elevation ε_S bezüglich eines schiffsfesten Systems S bestimmt, dessen x-Achse X_S in Bugrichtung des Schiffes zeigt.
Bedingt durch den Seegang, aber auch durch die Krängung des Schiffes bei einer Ruderlage zur Kursänderung, ist die X_S-Y_S Ebene nicht koplanar zur X_I-Y_I Ebene. Das Schiff rollt vielmehr beständig um seine Längsachse X_S und stampft um seine Querachse Y_S. Ein Gieren des Schiffes ist hier unbeachtlich, da das I System insofern schleifend definiert ist als das die Bedrohungsrichtung T_I über schiffseigene Sensoren aufgefasst und anschließend nordweisend transformiert wird. Zur Vereinfachung wird die X-Achse des Inertialsystems in der weiteren Berechnung schleifend zur X-Achse des schiffseigenen Systems betrachtet. Das Azimut muss somit nicht in Nordrichtung und anschließend zurück transformiert werden.
Somit sind das schiffseigene und das Inertialsystem i. A. nicht identisch, so das ein anfliegender Lenkflugkörper das Schiff nicht aus der Elevation ε_I und dem Azimut α_I sieht sondern in der Elevation ε_S und dem Azimut α_S des schiffseigenen Systems.
7 zeigt ein gegenüber dem I-System verdrehtes S-System und die Anflugrichtung in diesem System. Die schraffierte Fläche deutet das Schiffssystem (S-System) an.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass die Elevation ε_S und das Azimut α_S aus den Roll- und Stampfwinkeln einer gegenüber dem Inertialsystem I beweglichen Plattform ermittelt.
Diese Aufgabe wird wie folgt gelöst:
Das Verfahren zur Berechnung der Bedrohungswinkel ε_S und α_S zur Ermittlung der entsprechenden RCS Daten umfasst folgende Schritte:
Ermitteln des Azimutwinkels α_I der Bedrohungsachse bezüglich der Bugrichtung des Schiffes (X_S). Auf eine doppelte Transformation in Nordrichtung und zurück, wird wie oben beschrieben verzichtet.
Berechnung des Elevationswinkels ε_I aus der Flughöhe und dem Abstand des Lenkflugkörpers zum Schiffsmittelpunkt im schleifenden Inertialsystem I.
Ermitteln des Stampfwinkels ν zwischen der x-Achse des schiffseigenen Systems entlang der Bugrichtung und der x-Achse des schleifenden Inertialsystems mittels einer ersten Messvorrichtung.
Ermitteln des Rollwinkels ρ zwischen der y-Achse des schiffseigenen Systems und der zur z-Achse des schleifenden Inertialsystems senkrechten Ebene mittels einer zweiten Messvorrichtung.
Als Messvorrichtungen sind zur Messung von Roll- und Stampfwinkel Inklinometer oder ähnliche Vorrichtungen geeignet. Sie sind hinsichtlich der x-Achse des schiffseigenen Systems zu kalibrieren.
Die X_S-Achse ergibt sich im Inertialsystem zu
wobei der hochgestellte Index die Darstellung im Inertialsystem I kennzeichnet.
Die Y_S-Achse ergibt sich im Inertialsystem zu
wobei sich der Winkel η aus der Orthogonalität der x- und y-Achse ergibt.

(18) cos(η) = –tan(ρ)tan(ν)
Die Z_S-Achse ergibt sich im Inertialsystem als Kreuzprodukt von x- und y-Achse zu
Die Zielrichtung im schiffseigenen System S ergibt sich aus

(20) P_S = A T / IS ·P_I

mit der Anflugrichtung im Inertialsystem
und der Transformationsmatrix vom S- in das I-System, deren Spalten die x-, y- und z-Achse des S-Systems bilden.
Unter vorzeichenrichtiger Beachtung der Hauptwerte der Arcsin- und Arccos-Funktion ergeben sich damit Azimut α_S und Elevation ε_S im schiffseigenen System direkt aus dem im Inertialsystem vorgegebenen α_I, ε_I und den gleichzeitig gemessenen Roll- und Stampfwinkeln ρ und ν, indem man die Gleichung (20) einsetzt und nach α_S bzw. ε_S auflöst:

(24) sin(ε_S) = cos(ε_I)·cos(α_I)·sin(ν)·cos(ρ)·sin(η) +
+ [sin(ν)·cos(ρ)·cos(η) – sin(ρ)·cos(ν)]·cos(ε_I)·sin(α_I) +
+ sin(ε_I)·cos(ν)·cos(ρ)·sin(η)

cos(ε_S)·cos(α_S) = cos(ε_I)·cos(α_I)·cos(ν) –
– sin(ε_I)·sin(ν)
Eine entsprechende Routine in einem PC kann diese Berechnung schnell durchführen.
Mit den vorhandenen Daten kann für jeden potentiellen Lenkflugkörper aus den zu erwartenden Bedrohungen ein Model berechnet werden, das Auskunft über den Trend des RCS Verhaltens in verschiedenen Manövern gibt. Die in 2 dargestellten Unterschiede des RCS an einer Position des Lenkflugkörpers lassen sich nun für beliebige Richtungen und Entfernungen für eine Schiffslage berechnen. Dabei wird der Einfluss der Mehrwegeausbreitung für einen entsprechenden Seegang mit berücksichtigt.
Die Berechnung des Modells wird im Folgenden beschrieben:
Anders als bei der Berechnung der Schiffs RCS Werte mittels der Software CAD RCS, werden die Modelle in einer Auflösung von 1 Grad in Azimut und 10 m der Entfernung des Lenkflugkörpers berechnet. Dies reicht für eine Analyse des RCS Verhaltens in unterschiedlichen Roll Winkeln völlig aus. Die Hohe Auflösung des Schiffs RCS ist jedoch notwendig, um zu große Rundungsfehler bei der Transformation der Anflugrichtung zu vermeiden. Die Berechnung des Modells erfolgt iterativ für die Azimutwinkel α_I von 0–359 Grad und die Entfernungen von der Radarquelle, von 15.000 m bis 100 m. Die Anflughöhe, Frequenz und Polarisation sind durch den zu untersuchenden Lenkflugkörper definiert. Die Modelle sind für unterschiedliche Rollwinkel und Seegänge zu bilden.

a) Berechnung der Elevation ε_I aus der Entfernung und Höhendifferenz zum Schiffs Referenzpunkt.
b) Berechnung von α_S und Elevation ε_S im S-System für einen zu untersuchenden Rollwinkel ρ und Stampfwinkel ν, wobei der Stampfwinkel in der Modellberechnung regelmäßig ,0' gesetzt wird und nur bei der realen Berechnung im Trainingssystem an Bord berücksichtigt wird. Die Berechnung erfolgt über Formel (24). Alternativ können an Bord mit dem Trainingssystem die Maxima und Minima der Stampfbewegung aufgezeichnet und ihr Einfluss auf die Rollwinkel abgeleitet werden.
c) Auslesen der Koordinaten und RCS Werte aller Reflektionspunkte/Flächen aus der RCS Datenbank mit den Eingangsparametern α_S, ε_S, Frequenz und Polarisation.
d) Berechnung des RCS Wertes des Schiffes aus der Summe der RCS Werte aus den RCS Werten der einzelnen Reflektionspunkte/Flächen multipliziert mit dem Faktor der Mehrwegeausbreitung für Hin- und Rückweg der Radarstrahlen, in Abhängigkeit von Ihrer Höhe und Entfernung (Formeln 1–15).

Ein entsprechend ausgestatteter Rechner benötigt für die oben beschriebene iterative Berechnung weniger als 1 Sekunde.
8a bis 8f zeigen exemplarisch das RCS Verhalten des Schiffes für die Aspektwinkel von 180 Grad bis 270 Grad, in verschiedenen Entfernungen (x-Achse) und Bedrohungsrichtungen (y-Achse) für einen Lenkflugkörper mit einer definierten Frequenz von 9.0 GHz, horizontaler Polarisation und 5 m Flughöhe bei einem definierten Seegang 3. Die Größe des RCS wird dabei in der Praxis farblich dargestellt und ist wie folgt definiert: Blau: 10 qm, Hellblau: 100 qm, Grün: 1.000 qm, Gelb: 10.000 qm und Rot: 100.000 qm
In der vorliegenden Darstellung der 8a bis 8f ist eine einfachere Unterteilung in nur vier Bereiche vorgesehen. In mit „1” markierten Bereichen liegt der RCS unter 1.000 qm, in Bereichen mit „2” zwischen 1.000 und 10.000 qm, eine „3” kennzeichnet Bereiche zwischen 10.000 und 100.000 und die Bereiche mit „4” einen RCS über 100.000 qm.
Das RCS Verhalten in 8a bis 8f ist für Rollwinkel zwischen 0.0 Grad und –5.0 Grad in 1 Grad Schritten dargestellt. Aus den Darstellungen wird deutlich wie stark der Einfluss der Rollbewegung auf die Reflektion abhängig von der Schiffsgeometrie sein kann. Gerade in den Rollwinkeln zwischen 1.0 Grad und 4.0 Grad lässt sich der RCS des untersuchten Schiffsmodels bei den verwendeten Lenkflugkörper Parametern signifikant reduzieren. Diese Erkenntnisse werden in einer Datenbank abgelegt und können dann am Schiff zur Empfehlung eines Manövers genutzt werden.
8a bis 8f zeigen auch, dass ein Scheinziel zusammen mit dem empfohlenen Manöver, eine optimale Täuschwirkung in einer Entfernung des Lenkflugkörpers zwischen 9000 und 3500 Meter erreicht. Der Abschusszeitpunkt sollte so gewählt werden, dass ein Scheinziel in diesem Zeitraum zur Verfügung steht und die Separation zwischen Schiff und Scheinziel möglichst vor dem Erreichen einer Entfernung von 3500 Metern abgeschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10308308 A1 [0056]

Claims

Verfahren zur Verteidigung eines Zielobjekts gegen mindestens einen angreifenden Flugkörper, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis einer Ermittlung von günstigen aber auch ungünstigen Schiffslagen für einzelne Bedrohungen und Seegänge eine Minimierung des Radarquerschnitts RCS eines Schiffes während der Bedrohung durch einen durch Radar und/oder Infrarotsensoren gesteuerten Lenkflugkörper mittels Einleiten von zeitlich optimierten Schiffsmanövern bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Zusammenwirken mit dem Abschuss von pyrotechnischen Abwehrsystemen ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Verwendung der ermittelten Daten des Zielobjekts zur Optimierung des Täuschkörpereinsatzes durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung der ermittelten Daten des Zielobjekts zur Optimierung des Zeitraums, an dem ein Scheinziel oder mindestens ein Radarstörsender bzw. Jammer zur Täuschung des Lenkflugkörpers eingesetzt werden soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über vorab berechnete Werte aus einer Datenbank nach einem günstigen Schiffsmanöver gesucht und dieses an einem Bildschirm angezeigt wird, wobei reale Schiffsbewegungen und die damit verbundenen RCS Werte während der Bedrohungsphase berechnet und aufgezeichnet werden, um nachfolgend insbesondere zu Trainingszwecken mit den vorgegebenen Empfehlungen verglichen zu werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Zielobjekt und insbesondere auf einem Schiff zu Ausbildungs- und Trainingszwecken entsprechende Einsätze und Manöver aufgezeichnet und/oder abgespielt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Schiff als Zielobjekt günstige Manöverdaten hinsichtlich des RCS des Schiffs aus den ermittelten Daten in Verbindung mit Echtzeitdaten der Bedrohung und Umwelt (Seegang/Wind) angezeigt und/oder ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Berechnung der Anflugrichtung des S-Systems aus der Anflugrichtung des I-Systems und den gemessenen Roll- und Stampfwinkeln ρ und ν.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Berechnung der notwendigen Größe und Anordnungen von Scheinzielen hinsichtlich ihrer Positionierung (Zeitverhalten) und Wirkung (RCS Verhalten) in Abhängigkeit der vorhandenen Scheinziel Systeme.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Berechnung des Einsatzzeitpunktes und Zeitraumes der Einsätze von Radarstörsendern bzw. von Jammern.
Vorrichtung zur Verteidigung eines Zielobjekts gegen mindestens einen angreifenden Flugkörper, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche dadurch ausgebildet ist, dass ein Rechner mit einer Datenbank gekoppelt ist, in der Ergebnisse von Berechnungen zur Manövrierbarkeit des Schiffs aus einer aktuellen Position heraus innerhalb einer Reaktionszeit von ca. 40 bis 60 s unter Kenntnis externer Umwelteinflüsse (Winddrift) und Daten einer RSC-Vermessung sowie vorhandene oder geschätzte Daten des angreifenden Flugkörpers gespeichert und jederzeit zur Bestimmung eines einzuschlagenden optimalen Kurses abrufbar sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Trainings-, Auswertungs- und Manövereinheit ausgebildet ist.