DE1298587C2

DE1298587C2 - Impulsradargeraet mit einer Rechenschaltung zum Verbessern seiner winkelmaessigen Zielaufloesegenauigkeit

Info

Publication number: DE1298587C2
Application number: DE1967T0034411
Authority: DE
Inventors: Baur; Dr-Ing Karl
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1967-07-26
Filing date: 1967-07-26
Publication date: 1970-02-26
Also published as: DE1298587B

Description

Die Erfindung betrifft ein Impulsradargerät mit einer Rechenschattung zum Verbessern seiner durch seine Impulslänge und durch die Biindelungsschärfe seines Antennenrichtdiagramms gegebenen winkelmäßigen Zielauflösegenauigkeit.

Übliche Radargeräte dieser Art arbeiten z. B. nach den bekannten Radarpeilverfahren der konischen Raumabtastung (beispielsweise mittels eines rotierenden Dipols) oder der Summe-Differenz-Bildung (Monopulsmethode). Das erstgenannte Verfahren ist bekanntlich relativ zur Monopulsmethode zwar wirtschaftlich durchführbar, aber durch die Auswirkungen der prinzipiell unvermeidbaren Zielecho-Amplituden-Fluktuationen hinsichtlich seiner Arbeitsgenauigkeit der Monopulsmethode unterlegen, was insbesondere bei Weitbereichs-Radargeräten ins Gewicht fällt. Bei diesen Geräten ist die gewünschte Winkelauflösung aber auch bei Anwendung einer Monopulsmethode infolge statistischer Schwankungen (beispielsweise infolge Luftturbulenz und Servonachfuhrungsinkonstanz) häufig nicht erreichbar.

Andere bekannte Radargeräte der genannten Art arbeiten z. B. mit Interpolation zwischen Zielanfang und -ende unter Verwendung eines sogenannten Wanderfensterdetektors oder auch mit einer sogenannten synthetischen Antenne unter Auswertung der Dopplerverschiebungen einer Reihe von beim überfliegen des Ziels gewonnenen Echos. Das erstgenannte Verfahren verarbeitet jedoch nicht alle zur Verfugung stehenden Informationen und ist daher verbesserungsfähig; das zweite Verfahren setzt ein bewegtes Radargerät voraus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Radargerät der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner winkelmäßigen Zielauflösungsgenauigkeit über das durch die Anwendung der vorstehend genannten Verfahren prinzipiell Erreichbare hinaus zu verbessern.

Bei einem Radargerät der eingangs genannten Art besteht die Erfindung darin, daß die Rechenschaltung so ausgebildet ist, daß sie bei Vorliegen einer radialen Bewegungskomponente zwischen Radargerät und Ziel in an sich bekannter Weise den Winkel a zwischen der Kursrichtung des Ziels und der Sichtlinie zwischen Radargerät und Ziel aus der Gleichung

tg²«

oder aus der Gleichung

tg²«

iL
Z²

oder aus daraus durch Umformung oder Ableitung unmittelbar gewonnene Gleichungen, wie

tg²«

r
r
r

J_

r
r

ermittelt, wobei r den Entfernungsmeßwert zwischen dem Radargerät und seinem Ziel und / die Dopplerverschiebung der Radarsendefrequenz bedeutet. Mit einem der zwei Punkte sind in üblicher Weise die erste bzw. zweite zeitliche Ableitung symbolisiert. Der Winkel « muß dann in an sich bekannter Weise zu einer Bezugsrichtung (z. B. Nordrichtung) im Standort des Radargerätes in Beziehung gesetzt werden.

Vorausgesetzt ist dabei allerdings der Regelfall, daß das Ziel keine zu schnellen Geschwindigkeitsoder Kursänderungen erleidet.

Die Erfindung geht aus von der bekannten Tatsache, daß ein gemäß Fig. 1 in O befindliches Radargerät ein entlang der Kurslinie χ mit der Geschwindigkeit ν bewegtes Ziel T bezüglich des Entfernungsparameters r wesentlich genauer bestimmt werden kann als bezüglich des Winkelparameters /<, und von der Erkenntnis, die Genauigkeit von (i durch Auswertung von r und dessen zeitlichen Ableitungen verbessern zu können. Es gilt ja nämlich

und

r · cos it — v t

r · sin a = r₀.

Der Winkel« ist deshalb gewählt worden, da bei Betrachtung der Entfernung r allein keine Bezugsrichtung vorliegt, auf die (i bezogen werden kann, [i ergibt sich aber, einfach aus 90° — «.

Berücksichtigt man noch die bekannte Gleichung für die auf Grund des Dopplereffektes auftretende, jo Dopplerverschiebung / der Sendewellenlänge λ Rir den RUckstrahIfall bei Vorliegen einer radialen Geschwindigkeitskomponente zwischen Radargerät und Ziel, nämlich die Gleichung

/ = —r- ■ COS u .

so kann man, wie sich beweisen läßt, auch schreiben:

tg-«

rr

Il
/²

1_

r
r

Die Messung von r und / sowie die Gewinnung der zeitlichen Ableitungen dieser beiden Größen ist mittels eines üblichen Radargerätes und einfacher Rechenschaltungen leicht durchrührbar und führt zu den erstrebten genaueren Winkelmeßwerten.

Für den Beispielsfall « = 45^a ergibt sich bei einer Fehlerbetrachtung Tür « aus der Gleichung (4) -

d«,„„ ^

+ — dr + — dA
r<> " )

unter praktisch häufig gegebenen Voraussetzungen

dr ϊ 1 m, df » 1 Hz, df = Wⁱ ~. λ * IO cm,

ν % 300 — und r₀ * 10 km für

see

d«_ < 2 · 10-

Ist die Geschwindigkeit υ gesucht, so wi{d zweckmäßig die Gleichung

A/

2 · cos a

zusätzlich ausgewertet, was aus Gleichung

iE. = U. + _tg(,._{d(i (8>}

für den vorstehend genannten Beispielsfall mit einem Fehler für ν von

-— * 4 · IO ⁴ (V)

verbunden ist. Wie ersichtlich ist neben einer genauen Winkel- auch eine genaue Geschwindigkeitsmessung mit dem erfindungsgemäßen Radargerät durchführbar. Gegenüber herkömmlichen Methoden sind bei Verwendung der Erfindung <i und r jeweils um etwa zwei Zehnerpotenzen genauer bestimmbar.

r ist beim erfindungsgemäßen Radargerät aus r vorteilhart dadurch bestimmbar, daß man die Laufzeitverschiedenheit zweier sich unmittelbar folgender Impulse mißt, umrechnet auf den Laufweg und dividiert durch den zeitlichen Impulsabstand, also vom Differentialquotienten auf den Differenzenq uotienten übergeht. Weiter läßt sich dann mit vier Impulsenr als Diflerenzenquoticnt von r bestimmen. / und seine zeitlichen Ableitungen sind häufig noch leichter als r und seine Ableitungen gewinnbar, da in üblichen Impulsradargeräten die Dopplerverschiebung/ meist sowieso gewonnen wird, um eine Unterscheidung von Bewegtzielen gegenüber Festzielen durchrühren zu können, den Signalstörabstand zu verbessern und/oder die radiale Zielgeschwindigkcit zu bestimmen. Hierbei sind, was vielfach vorteilhaft beim erfindungsgemäßen Radargerät ist, für eine Gleichung auswertbar

2r

J = -— (IO)
/.

^/='¥-
Das erfindungsgemäße Radargerät ist vorteilhaft auch zu einem Radargerät mit Mitteln zur automatischen Zielverfolgung (»Track«) erweiterbar. Mit den Parametern α und ν ist allerdings zunächst nicht ohne weiteres eine Zielverfolgung durchführbar, was an Hand von F i g. 2 erläutert sei. Ist die Spur (mit »Track« bezeichnet) in Parameterdarstellung gegeben, nämlich gemäß x(f) und y(t), so hängen die Geschwindigkeitskomponenten .x(f) und y(t) mit den Komponenten r, u wie folgt zusammen:

X = V COS a, (12)

y = ν sin a. (13)

Aus diesem simultanen Differentialgleichungssystem kann man dann die Spurkoordinaten x(f) und >(i) bestimmen, aber nur bis auf die Anfangsbedingungen, denn diese sind ja aus ν und α nicht bekannt. Die Kenntnis der Anfangsbedingungen muß aus der normalen Spur gewonnen werden. Der Erfindungsvorschlag kann demzufolge nur zur Verbesserung der normalen Spurverfolgung herangezogen werden und ist keine autarke Methode zur Zielverfolgung. Trotzdem ist seine Anwendung gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft im Hinblick auf die Arbeitsgenauigkeit.

F i g. 3 dient der Erläuterung dieser Weiterbildung der Erfindung, die die Zielverfolgung gestattet. Ihre

gepunktete Linie >v soll als wahrer Zielkurs vorausgesetzt sein. Er ist aber zunächst unbekannt. Von ihm sind nur die Vektoren bekannt, die Geschwindigkeit und Kursrichtung angeben. Gerade dieser richtige Kursweg ist aber zu finden. Nun weiß man, daß bei Vorgabe eines Ausgailgspunktcs und.Kenntnis der Zielgeschwindigkeit und Richtung sich ein möglicher Zielweg mit Hilfe der Koppclmcthodc finden läßt. Man muß nur ein Kriterium schaffen, das angibt,

ίο ob dieser mögliche Zielweg auch der richtige ist bzw. das angibt, wie weit er vom richtigen entfernt liegt. Das optimale Kriterium ergibt sich sicher nach der Methode der kleinsten Quadrate. Wählt man in F i g. 3 auf der normalen Spur ii(f) einen Punkt A zum Ausgangspunkt für den Koppeltrack, bestimmt dann durch Integration mit r und « die gekoppelte mögliche Bahn <y(f), dann kann man ja für jeden Punkt der Bahnen n(t) und </(f) zur selben Zeit den Bahnabstand n(t) — g(t) berechnen. Dieser Abstand wird quadriert und integriert über ein Zeitintervall T,

"F= Jdi- f/)²df. (14)
τ

I⁷ ist dann ein Maß für die Schwankung des normalen »Tracks« um den gekoppelten. Die wahre Bahn u(f) sucht man dann, indem man diese Schwankung zum Minimum macht:

"F = j (n - i))¹ dt = Min. (15)

Dies bedeutet aber ein Auswahlverfahren. Zu diesem Zweck genügt nun nicht die Annahme eines Koppeltracks, sondern man benötigt, um auswählen zu können, mehrere davon. Man wählt auf der normalen Spur jetzt eine ganze Anzahl von Anfangspunkten A_r aus (F i g. 4). Sie werden zweckmäßigerweise als Punkte der normalen Spur gewählt, weil einmal die Wahrscheinlichkeit groß ist, daß sie Punkte der wahren Bahn sein können, zum anderen aber werden sie vom normalen Radargerät direkt geliefert und können auf den Auswahlmechanismus auch direkt eingespeist werden. Nun koppelt man von den Anfangspunkten aus die verschiedenen »Tracks«, wie in F i g. 4 dargestellt ist, und verfährt weiter für jeden getrennt nach Gleichung (14). Der Auswahlmechanismus bestimmt dann die Spur zum richtigsten, für die J¹ das Minimum darstellt.

$o Zweifellos braucht das Aus wähl verfahren nicht in einem Integrationsschritt Tschon zu einem brauchbaren Ergebnis führen. Wenn die Ausgangspunkte A_r weit genug auseinanderliegen bzw. nicht genügend Koppeltracks zur Verfugung stehen, kann es sein, daß der Minimaltrack den gestellten Forderungen noch nicht genügt. Dann muß eben dasselbe Verfahren nochmals angewendet werden mit neuen Ausgangspunkten, die enger um den schon gefundenen Minimaltrack gruppiert liegen.

Um das Verfahren zu vereinfachen, kann man auch nur jeweils zwei Ausgangspunkte wählen, denn schon für zwei kann eine Auswahl vorgenommen werden. In den folgenden Zeitabschnitten T werden dann immer wohl zwei neue Ausgangspunkte genommen werden müssen, die in engerem Abstand als vorher neben dem Minimaltrack zu liegen haben. Bei diesem Vorgehen wird man dann im Gegensatz zur Verwendung vieler »Tracks« eben mehr Zeitabschnitte T

heranziehen müssen, wenn man dieselbe Gcnauigkcil erreichen will. Sicherlich wird es letzten Endes auf einen Kompromiß hinauslaufen zwischen der simultanen Trackzahl und der Zahl der Zeitstufen T, die man aus taktischen oder ähnlichen Gründen zulassen will.

Man ist auch sicherlich auf der falschen Spur, wenn man glaubt, nach einer großen Zahl von Zeitstufen T auf dem richtigen wahren Flugwcg zu sitzen und nun nur noch wcitcrzukoppcln braucht, ohne den ganzen Mechanismus des Auswahlverfahrcns in Betrieb halten zu müssen. Wenn das Ziel erkennt, daß es geortet wird, dann wird es Ausweichbewegungen vornehmen. Dieser !"all ist in F i g. 3 rechts angedeutet. In diesem Fall wird sich der gekoppelte »Track« wieder etwas von dem wahren Flugweg entfernen, weil auch die nachlaufenden Entfcrnungstorc und Dopplerfiltcr scrvogcstcucrt sind und infolge der darauf abgestimmten Informationsbandbreiten Schlcppfchler aufweisen. Durch fortgesetzte Anwendung des Auswahlvcrfahrcns aber werden Tür jeden neu einsetzenden Koppel track die Anfangsbedingungen immer wieder frisch minimisiert. Die Wahl des Integrationsintcrvalls T erfolgt nach Gesichtspunkten der Informationsbandbreite und nach taktischen Forderungen wie /. B. möglicher Dauer von beschleunigten Ausweichmanövern. Im allgemeinen wird man sie so kurz wie möglich machen. Sic muß aber auf jeden Fall länger sein wie die der Informationsbandbreite entsprechenden, denn sonst kommt keine ausreichende Mittelung nach Gleichung (14) zustande.

Nachdem nun die theoretischen Grundlagen und das Prinzip des Verfahrens abgeklärt sind, wird nunmehr ein Gerät angegeben, das die denkbar einfachste Ausführung mit zwei Koppeltracks darstellt. Ausgegangen wird von einem Zielverfolgungsradar, das den Azimutwinkel die Entfernung r und die Doppicrverschiebung mißt. Dazu werden drei Nachführcinrichtungcn benötigt. Diese drei Radarausgänge sind die Eingänge des Gcrälckon/.epts. das in F i g. 5 dargestellt ist. Auf der rechten Seite kommen die normalen Radardaten r und ,( an. Sie werden in einem Rechner C, auf die Daten x. \ des Flugziels umgerechnet und zur weiteren Verarbeitung (z. B. in C_j) zur Verfiigung gestellt. Auf der linken Seite dagegen stehen die in Ncrbindung mit der Erfindung interessanten Daten r. / zur Verfügung. AusJ leitet man noch mit Hilfe eines Diffcrcnzierglicdcs den Differentialquotienten/ ab und führt r, f. / dem Rechner C₁ zu. In ihm werden nach den Gleichungen (3) und (4| die Größen i. .« berechnet. Sie werden auf die beiden Koppclrcchncr (I. K. R und 2. K. R.) aufgeschaltet in dem Zeitpunkt /,, (s. Pfeil bei C₃), der dem Bedienungspersonal günstig erscheint. Die mindeste Voraussetzung ist die. daß ein Ziel vom Radar erfaßt ist. so daß aus der dann laufenden Anzeige \. y über den Rechner C₃ Anfangswerte A_x und A₁ für jeden der beiden Koppcltracks abgenommen werden können. Die beiden Koppelrcchner liefern die Koppeltracks (x,, y_x) und (x,. Y₁). aus denen jetzt mit den Flugdaten x. y aus C₁ in Differenzgliedern die Bahnabstände »;(/)-</,(/) und "(i)-<h(0 gebildet werden [s. Gleichung (14)]. Zur Erfüllung der Gleichung (14) werden die Differenzen dann quadriert und integriert (5). Nun stehen in Fig. 5 ganz unten zwei Größen zur Verfügung, aus denen mit Hilfe eines Vergleichsgliedes die Entscheidung getroffen wird, ob rechts oder links das geforderte Minimum darstellt. Dieses Ergebnis wird an einen Schalter Sch signalisiert, der dem Minimaltrack seine Endwertc entnimmt und C₃ zuführt. Dieser Kreisverkehr geschieht im einfachsten Fall immer wieder nach der Zeit T, die für die Integration vorgesehen ist. Dabei muß der Rechner C₃ entscheiden und festlegen, wie er aus der Kenntnis der Tracks (x,, y_x), (x₂, y₂) und der Minimalangabc

ίο zwei neue Anfangswertc bestimmt, die die Möglichkeit in sich bergen, zu besseren Koppeltracks zu führen. Zweckmäßig werden die zwei neuen Anfangswerle um den ausgewählten Endwert gruppiert liegen. In den vorangegangenen Abschnitten ist immer der Fall betrachtet worden, daß die Bewegungen des Ziels in einer Ebene stattfinden bzw. die dritte Raumkoordjnatc nicht berücksichtigt zu werden braucht. . Bei Raumfahrt Problemen, zu denen hier auch die gewöhnliche Fliegerei gezählt werden soll, darf diese Einschränkung nicht weiter aufrechterhalten werden. Eeider verkompliziert sich bei Einführung der dritten Dimension die Problematik sehr, doch soll das kein Hindernis sein, auch diesen Fall zu diskutieren. Im'folgenden wird ein Schema für diesen Zweck

2s entworfen. '

Vom 3 O-Radar werden die in F i g. 6 oben angeführten W erte der Dopplerfrcqucnz. der Entfernung, des A/imiits und der Elevation laufend gemeldet. Sie sollen hier der Einfachheit halber nicht in karte-

}o sische Koordinaten verwandelt werden. Aus / wird wie oben / abgeleitet und mit r auf den Rechner C, geführt. Dort werden wieder mit den Gleichungen (3) und (4) die Größen ι und η gebildet. Wählend ι sofort dem Koppelrechner C₅ zugeführt werden kann,

is muß mit <i noch weiter manipuliert werden. Der Grund ist. weil <t jetzt den öffnungswinkel eines Kegels darstellt, dessen Drehachse der Radarstrahl ist und das Ziel die Kegelspitze bildet. Gleichgültig auf welcher Mantellinie des Kegels das Ziel sich auch bewegt. C₁ berechnet immer denselben Winkel <i. Die Größen r. J und / können einfach keine eindeutige Raumrichtung festlegen. Um aber koppeln zu können, müssen solche für die Geschwindigkeitsrichtung vorliegen, und man belli I ft sich damit, daß man aus

4> den normalen Radardaten r.,(. > mit dem Fiechner C₁ die Raumrichtungen ;·. λ durch Differenzieren oder zeitliche Differenzbildung ermittelt und diese dann mit ·■ korrigiert. Dies ist insofern möglich, als ja die Forderung besteht, daß die ermittelte Raumrichtung auf dem Kegelmantel, der oben erwähnt wurde, liegen muß. Es wird die Korrektur wohl so ausgeführt werden, daß man die Raumrichtung senkrecht auf den Kegelmantel projiziert und so zu einer korrigierten Richtung kommt mit den Werten ;-_Ur und <\ Diese Manipulation führt der Rechner C, aus. Die Werte y_k,„ und «V„_r werden nun parallel zu ι dem Koppclrechner C₅ zugeführt.

Wenn der Rechenvorgang im Koppclrechner beginnen soll, müssen wieder Anfangswerte der Zicl-

(<o koordinaten vorliegen. Diese beschafft man sich auch wieder aus den vqm Radargerät gelieferten Größen r. ,;. ,. Hier wird man wohl mehr Koppcl-Iracks laufen lassen müssen, da man ja ein räumliches Problem vor sich hat So wird es wohl zweckmäßig

h< sein, wenn man einen Anfangspunkt A_lt als r„. »„ bestimmt. Dann aber werden sofort mit dem Rechner C₄ noch vier weitere Punkte A₁. A₂, A_it I₄ dergestalt bestimmt, daß sie wohl alle auf derselben

Claims

Entfernung zum Radargerät, also in einer Fläche liegen, auf dieser Fläche also im Quadrat den Ponkt A0 umschließen. Man hat dann die Anfangswerte für fünf Koppelwege, die nun dem Koppelrechner Cs zugeführt werden können, und zwar wieder über S einen Eingriff zu dem am günstigsten scheinenden Zeitpunkt f0. Diedem Koppelrechner C5 entströmenden fünf berechneten Zielwege r,, J1, et ... rs, Js, tSr die eine Art Schlauch darstellen, werden über eine Differenzschaltung mit den vom Radargerät direkt gelieferten Werten r, J, t verglichen. Die Differenzen werden nach Gleichung (14) wieder quadriert und integriert. Nuh muß wieder die Entscheidung getroffen werden, welcher der fünf Koppelwege die minimalste Abweichung vom wirklichen Zielweg liefert. Diese Entscheidung wird dem Rechner Cs übermittelt, der dem ausgesuchten Kanal z. B. r2, J1, r2 entnimmt und J2 — ßopt un^ fz — tOf erklärt und diese als neue Anfangswerte dem Rechner C4 zuführt. Mit der Entfernung r ist das ja nicht notwendig, da r schon vom Radargerät her genügend genau bekannt ist. Aus diesen neuen Aniangswerten r, Jop,, tvft berechnet nun C4 weitere vier Anfangswerte, die wieder wie zu Beginn im Quadrat um r, Jop,, »„_, gruppiert sind, r bleibt auch dabei wieder konstant. Die Zykluszeit Für die Minimalentscheidung ist bier auch gleich T aus denselben Gründen wie oben im vorangegangenen Abschnitt. Patentansprüche:

1. Impulsradargerät mit einer Rechenschaltung zum Verbessern seiner durch seine Impulslänge und durch die Bündelungsschärfe seines Antennenrichtdiagramms gegebenen winkelmäßigen Zielauflösegenauigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung so ausgebildet ist, daß sie bei Vorliegen einer radialen Bewegungskcmponente zwischen Radargerät und Ziel in an sich bekannter Weise den Winkel a zwischen der Kursrichtung des Ziels und der

Sichtlinie zwischen Radargerät und Ziel aus der Gleichung

Ig² η = -μ

oder aus der Gleichung

«g²« = ¹JT

oder aus daraus durch Umformung oder Ableitung unmittelbar gewonnenen Gleichungea wie

Ig² « = -y-

Ig² α = -4-T

ermittelt, wobei r den Entfernungsmeßwert zwischen Radargerät und Ziel und / die Dopplerverschiebung der Radarsendefrequenz bedeutet, und den Winkel a in an sich bekannter Weise zu einer Bezagsrichtung (z. B. Nordrichtungl im Standort des Radargerätes in Beziehung setzt.

2. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung zum zusätzlichen Bestimmen der Zielgeschwindigkeit r in Kursricbtung die Gleichung

2 - COSa

mit i = Radarsendewellenlänge oder eine durch Umformung oder Ableitung daraus gewonnene Gleichung ausrechnet.

3. Radargerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur automatischen Zielverfolgung.

Hienoi 2 Blatt Zeichnung«: