DE1936820C1

DE1936820C1 - Zielverfolgungsgerät für Luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE1936820C1
Application number: DE1936820A
Authority: DE
Inventors: Jerome Milton Page
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1968-07-22
Filing date: 1969-07-19
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 1989-07-20
Also published as: IT1061607B; GB1528739A; US4128837A

Description

Die Erfindung betrifft ein Zielverfolgungsgerät für Luftfahr zeuge mit einem Trägheitsnavigations- und Feuersteuerungsradar gerät und mit einem Koordinatenwandler, der auf das Radargerät und den Eigenkurs zur Umwandlung der Radarpolarkoordinaten der Zielposition in kartesische Koordinaten in demjenigen Koordina tensystem anspricht, in dem der Navigator eigene Positionsdaten erzeugt.

Das Zielen und Abfeuern von Geschoßen und Projektilen von einer manövrierenden Waffenplattform für Bordzwecke, beispielsweise von einem Militärflugzeug, bedingt eine Berechnung und einen Vergleich der vorhergesagten Flugbahn des Zielobjektes und des Geschoßes, damit die erforderlichen Steueränderungen bestimmt werden, die an die Steuerung der Waffenplattform angelegt werden. Eine derartige Feuersteuerungstechnik verwendet üblicherweise die Sichtlinienentfernung zum Zielobjekt und die Richtungswin kelkomponenten der Sichtlinienrichtung, wie sie durch ein Radar system bestimmt werden. Bei einer derartigen Anwendung kann das Radarsystem vorzugsweise ein Verfolgungssystem sein, bei dem die Radarantennen-Einstellachse mittels eines Servosystems oder an derweitig praktisch in Koinzidenz mit der Sichtlinie zum Ziel objekt gehalten wird.

Die so durch das Radargerät ermittelte Zielpositionsinformation wird in Polarkoordinaten der Antenne ausgedrückt, die relativ zu der Plattform, auf der sie befestigt ist, rotiert, wobei die Plattform selbst wiederum relativ zum Inertialraum rotieren kann. Somit erfordert die Berechnung vorhergesagter, zukünftiger Zielpositionen unter Anwendung von Ableitungen nach der Zeit oder Verhältnisänderungsdaten die Differentiation einer Vektorgröße, die in einem rotierenden Koordinatensystem gemessen wird. Eine derartige Berechnung hat die Berechnung von Kreuzprodukten von Winkelgeschwindigkeiten eingeschlossen. Auch verstärkt ein der artiger Differentiationsvorgang den Störungsgehalt der Signale (wie dies wohlbekannt ist), so daß eine Tiefpaßfilterung zur Dämpfung derartiger Störungen erforderlich ist. Die Vorhersage von Zielbeschleunigungen (gewöhnlich als Vorhersage zweiter Ordnung bekannt) wurde bisher für die meisten Bordsysteme auf grund der Störungsprobleme nicht angewandt.

Die bekannte Glättungstechnik bei der Abfeuersteuerungs-Vorher sageberechnung unter Verwendung eines Verfolgungsradars bewirkte eine Vektorfilterung mittels Meß-Wendekreiseln an der Radarenten ne. Eine derartige Technik dient dem Glätten oder Ausgleichen der Zielpositions- und Meßwendekreiseldaten, die durch das Radar gerät erhalten werden. Da derartige Positions- und Meßwende kreiseldaten die Auswirkung sowohl der eigenen Bewegung als auch der Zielbewegung beinhalten, bringt ein derartiges Glätten oder Ausgleichen ein Nachhängen der eigenen Daten mit sich. Mit an deren Worten, das Radarverfolgungsfilter liegt in der Verfol gungsschleife und führt so ein Filternachhinken in der Verfol gungsschleife in Form von Feuersteuerungsfehlern ein und neigt dazu, die Verfolgungsstabilität des Piloten zu verringern. Auch trägt die Verwendung derartiger Meßwendekreisel infolge der ihnen eigenen Schwellwerte und Nicht-Linearitäten der Arbeits weise und infolge der Ausgangsgeräuschpegel derartiger Vorrich tungen zu Winkelfehlern bei. Die tatsächliche Ausführung derartiger Kreiselfilter mittels Vorrichtungen, die Instrumenten servosysteme mit begrenzter Genauigkeit und begrenztem dyna mischen Verhalten einschließen, bringt zusätzliches Geräusch und zusätzliche Fehler mit sich. Derartige Geräuschpegel ver hindern im allgemeinen die Anwendung einer Vorhersagetechnik zweiter Ordnung und begrenzen somit die theoretisch erreich baren Genauigkeiten.

Die zur Zeit verwendeten Verfolgungsradarvorrichtungen er fordern ein hochdynamisches Verhalten, um die Manöver des Flugkörpers zu stabilisieren, wodurch sie das Radargerät an wendungsfähiger für ECM-Ausrüstung und -Technik machen.

Da die Geschwindigkeiten von Militärflugzeugen ständig ansteigen, ist es erforderlich, die Waffen derartiger Flugzeuge bei wei teren Entfernungen und reduzierten Reaktionszeiten abzufeuern. Derartige weitere Entfernungen in Verbindung mit zulässigen Entfernungsfehlern definieren somit die zulässigen Winkel steuerungsfehler mit geringeren Größen. Derartige kleinere zulässige Winkelsteuerungsfehler erfordern somit größere Ge nauigkeiten als diejenigen, die mittels der bekannten Meßwen dekreiseltechnik erreichbar sind und führen dazu, daß das zeit liche Nacheilen der Daten der eigenen Bewegung (der Bewegung des Flugzeuges) infolge der Verwendung des Radarvorhersagefil ters in der Regelschleife für die Gesamtgeometrie untragbar wird. Auch führt die Notwendigkeit erhöhter Genauigkeit dazu, daß anstelle der mehr angenäherten Methoden der Abfeuersteuerungsberechnung für Geschoße mit kurzer Entfernung auf manövrierende Ziele nun die Verwendung von Vorhersagetechniken zweiter Ordnung treten muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend ge nannten Nachteile der bekannten Geräte zu vermeiden und ausge glichene Zieldaten für die Anwendung einer Vorhersage zweiter Ordnung ohne Verwendung von Kreiselfiltern zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß Datenverarbei tungsvorrichtungen zur Zielpositionvorhersage vorgesehen sind, die auf die Zielpositionsausgangssignale in kartesischen Koordi naten des Koordinatenwandlers und auf Ausgangssignale der Eigen geschwindigkeit in kartesischen Koordinaten des Navigators zur Berechnung der geglätteten oder ausgeglichenen Zielgeschwindig keitsdaten in kartesischen Koordinaten ansprechen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der Geometrie eines beispielsweisen Problem einer Feuersteuerung, das durch ein Bord feuersteuerungssystem gelöst werden soll,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Systems, in dem der Erfin dungsgedanke verwirklicht wurde und das geeignet ist, das Feuersteuerproblem der Fig. 1 zu lösen,

Fig. 3 eine schematische Anordnung in Form eines Block diagramms eines der Ziel-Entfernungsänderungsrech ner der Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Anordnung in Form eines Block diagramms eines der Zielbeschleunigungsrechner der Fig. 2,

Fig. 5 ein vereinfachtes Blockdiagramm, das die Anwendung des Berechnungskonzepts zweiter Ordnung der Fig. 4 zur Steuerung der Entfernungsverfolgungseinheit eines Verfolgungsradars veranschaulicht und

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem das Konzept sowohl zur Ent fernungsverfolgungs- als auch zur Winkelverfolgungs steuerung eines Verfolgungsradars und zur Waffen systemvorhersage und -steuerung der Waffenplattform verwendet wird, die ein derartiges Verfolgungsradar gerät oder ein äquivalentes Gerät benützt.

In den Figuren geben gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wieder.

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein Diagramm der Geometrie eines beispielsweisen Abfeuerungsteuerungsproblems veranschaulicht, das durch ein Bordabfeuersteuerungssystem gelöst werden soll.

Fig. 1 zeigt ein Vektordiagramm der Geometrie eines bei spielsweisen Feuersteuerungsproblems, das mit Hilfe eines Bordradarfeuersteuerungssystem gelöst werden soll, bei dem die Richtung und die Entfernung zu dem Ziel durch den Vektor R angezeigt wird. Die zukünftige Position eines von dem waffentragenden Flugkörper (von dem das Ziel beobachtet wird) abgefeuerten Geschosses zum vorhergesagten Geschoß- Auftreffzeitpunkt ist gleich der Vektorsumme zweier Produkte: Die Faktoren des ersten Produkts sind der Waffenflugkörper- Geschwindigkeitsvektor V_A und die Geschoßauftreffzeit T. Die Faktoren des zweiten Produkts sind der relative Geschwindig keitsvektor V_O des Geschosses und die Geschoßflugzeit T_f. Die zukünftige Position des Zieles bei einem derartigen Auf treffen ist gleich der Vektorsumme der Zielentfernung R und des Produkts des Zielgeschwindigkeitsvektors V_T und dem Auf treffzeitintervall T. Der senkrechte Abstand E von der Ge schoßbahn zu der vorhergesagten Zielposition stellt den vor hergesagten Fehlabstand dar. Das Verhältnis eines derartigen Fehlabstandes zu der vorhergesagten Auftreffentfernung längs der Richtung des Waffenplattform-Geschwindigkeitsvektors zeigt einen Steuerungswinkelfehler an, der durch kompensie rendes Ändern der Flugbahnrichtung der Waffenplattform korri giert wird (d. h. durch Ändern der Richtung des Geschwindig keitsvektors V_A, um E auf Null zu reduzieren).

Die Parameter V_O und T_f für ein gegebenes Geschoß oder eine gegebene andere Waffe und die taktischen Angaben (wie Vor haltungskollision, Zielverfolgung usw.) sind im allgemeinen bekannt oder berechnet und in den Daten enthalten, die in einem ballistischen Rechner für die Berechnung von Steuer kontrollsignalen gespeichert oder in diesem erzeugt werden. Der Parameter V_T ist im allgemeinen nicht bekannt und muß aus anderen gemessenen Daten, beispielsweise dem Geschwindig keitsvektor V_A des eigenen Flugzeugs und der Änderungsge schwindigkeit des Zielentfernungsvektors R zur Verwendung beider Vorhersagerechnung von V_TT bestimmt werden. Eine der artige Bestimmung kann genauer und wirkungsvoller dann ge schehen, wenn alle derartigen Vektorgrößen in einem gemein samen nichtrotierenden kartesischen Koordinatensystem, aufge löst und mittels der in Fig. 2 gezeigten Anordnung verarbei tet werden.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die ein System ver anschaulicht, das den Erfindungsgedanken verkörpert. Es ist ein automatischer Trägheitsnavigator 10 vorgesehen, der auf der Waffenplattform angebracht werden kann und der zur Be stimmung des Waffenplattform-Geschwindigkeitsvektors V_A in Form der aufgelösten Komponenten desselben in einem kartesi schen Koordinatensystem V_AN dient, das über ein Zeitinter vall des Angriffs auf ein Ziel praktisch nicht rotierend ist. Ferner ist eine Entfernungsbestimmungsvorrichtung vorhanden, beispielsweise ein Verfolgungsradargerät 11 oder ein ähnli cher Sensor, der für die Feststellung des Abstands und der Rich tung des Zieles (d. h. des Entfernungsvektors R) dient. In anderen Worten die Zielpositionsdaten liegen in Polarkoordi naten vor, wobei das Koordinatensystem der Antenne des Ver folgungsradargeräts 11 verwendet wird. Das Antennensteuer system des Verfolgungsradargerätes spricht auf Signale an, die die Schlinger- und Drehbewegung der Waffenplattform ange ben, die von einer Trägheitsplatform des Trägheitsnavigators 10 dargestellt wird und zwar zur räumlichen Stabilisierung des Antennensystems gegen Schlinger- und Drehmanöver der Waf fenplattform, so daß die Antenne nur in azimutaler Richtung relativ zur Ausrichtung der Trägheitsplattform des Trägheitsnavigators 10 rotiert werden zu braucht.

Der Aufbau, die Anordnung und Wirkungsweise von Trägheits navigatorsystemen ist in der Technik wohlbekannt und bei spielsweise in folgenden USA-Patentschriften angegeben:

3 282 188 (N. F. Parker), 3 269 024 (J. J. Fischer und ande re), 2 993 267 (J. M. Slater u. ä.). Deshalb ist der Naviga tor 10 der Einfachheit halber nur in Blockform gezeigt.

Die berechneten Zielpositions-Ausgangswerte (R, ζ und η) des Radargerätes 11 werden dem Polarkoordinatenkonverter 12 zu geführt, der auch auf das Waffenflugkörperkurssignal ψ zur Umsetzung in das kartesische Koordinatensystem (R_N, R_E und R_Z) anspricht, wie es von dem Trägheitsnavigator 10 ver wendet wird. Eine derartige Umsetzung bedingt eine Multipli kation der skalaren Entfernungsgröße R mit geeigneten Rich tungskosinussen, wie dies bekannt ist, und wird gewöhnlich durch digitale Berechnungstechnik nach Umsetzung der inte ressierenden Parameter durchgeführt. Eine derartige Umwand lung kann vereinfacht werden, wenn die Waffenplatform-Schlin ger- und Drehbewegungsdaten (ϕ und θ) zusätzlich verwendet werden.

Die Zielentfernungskomponenten (R_N, R_E und R_Z), wie sie durch den Koordinatenumsetzer 12 in Form kartesischer Koordinaten abgegeben werden, werden zusammen mit in gleicher Weise auf gelösten Komponenten der Waffenplattformgeschwindigkeit (V_AN, V_AE und V_AZ) von einem Vorhersagerechner 13 zur Be rechnung der geglätteten oder ausgeglichenen Komponenten der Zielträgheitsgeschwindigkeit (V_TN, V_TE und V_TZ) verwen det. Ein derartiges Gerät zur Berechnung jeder dieser aus geglichenen Zielgeschwindigkeitskomponenten besteht aus glei chen Integriervorrichtungen mit geschlossener Schleife, einer Anordnung, von denen eine representativ näher in Fig. 3 ge zeigt ist.

Die Fig. 3 veranschaulicht in Blockdiagrammform eine der drei gleichen Integriervorrichtungen mit geschlossener Schleife, die die Vorhersageberechnungsvorrichtungen 13 der Fig. 2 enthalten und auf die beobachtete Entfernung R des Zieles ansprechen, das längs einer vorgewählten Achse eines vorgewählten kartesischen Koordinatensystems aufge löst ist, und ferner auf die Geschwindigkeit V_A der Waffen plattform ansprechen, die längs der gleichen vorgewählten Achse des gleichen Koordinatensystems der aufgelösten Ziel entfernung aufgelöst ist, um eine ausgeglichene Zielge schwindigkeitskomponente V_T abzugeben, die längs der glei chen Achse wie die genannte aufgelöste Zielentfernung und die aufgelöste Plattformgeschwindigkeit aufgelöst ist, und zwar gemäß der folgenden Formel:

wobei t = Konstante für Nacheilzeit erster Ordnung und
s = Laplace Operator.

In einer derartigen Anordnung der Fig. 3 ist ein Signal integrator 15 mit einem ersten Eingang 16 vorgesehen, der auf eine Komponente V_AN einer Beobachtergeschwindigkeit V_A aufgelöst längs der vorgewählten Koordinate N (des karte sischen Koordinatensystems N, E, Z) anspricht und ferner einen zweiten Eingang 17 besitzt. Ferner ist eine Signal summiervorrichtung 18 vorgesehen, die ein Ausgangssignal V_TN abgibt, das die geglättete oder ausgeglichene und auf gelöste Zielgeschwindigkeitskomponente anzeigt, wobei der erste Eingang 19 der Signalsummiervorrichtung auf ein Signal anspricht, das den Wert der beobachteten Entfernung R des Zieles aufgelöst längs der N Koordinate angibt, und wo bei der zweite Eingang 20 der Summiervorrichtung 18 an einen Ausgang des Signalintegrators 15 angeschlossen ist. Der Eingang 17 des Integrators 15 ist an den Ausgang der Summier vorrichtung 18 angeschlossen, so daß der Integrator 15 und die Summiervorrichtung 18 in Form einer negativen Rückkopp lung zusammenwirken. Eine derartige negative Rückkopplungs beziehung kann dadurch erzielt werden, daß man eine Signal inverterstufe entweder innerhalb der Summiervorrichtung 18 oder in dem Integrator 15 vorsieht, wie dies allgemein be kannt ist. Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß das Eingangssignal an dem ersten Eingang bei jedem dieser Ele mente die richtige Richtung aufweist.

Die Beziehung des Ausgangswertes der Summiervorrichtung 18 zu den kombinierten Eingängen, wie sie an die Anordnung der Fig. 3 angelegt werden, kann aus einer Untersuchung des Ver haltens der geschlossenen Schleife an jedem dieser Eingänge bestimmt werden:
Ist

V_TN = V_TN(R_N) + V_TN(V_AN) (2)

was anzeigt, daß V_TN gleich ist der Summe der aufgetrennten Komponenten, davon als entsprechende Funktionen von V_AN bzw. R_N. Betrachtet man die Funktion V_TN(V_AN):

Somit ist:

Dies ist die Darstellung eines einfachen Nacheilens erster Ordnung, wobei die Zeitkonstante (t) hierfür umgekehrt pro portional zu dem Integratorverstärkungsfaktor K ist.

Betrachtet man die Funktion V_TN(R_N):

So ist

Dies ist eine Differentiation (was durch das freie "s" dividiert durch K angezeigt wird) verbunden mit einer ähnli chen Nacheilung erster Ordnung, wie bei Gleichung (3). Demge mäß wird der R_N-Eingang auf den Faktor K in Fig. 3 bezogen:

Da die rechten Seiten der Gleichungen (4) und (7) gemeinsame Nenner besitzen, können die Ausdrücke in Gleichung (2) einge setzt werden:

wobei _N = die zeitliche Ableitung der Änderung von R durch N
t = Nacheilzeitkonstante erster Ordnung
s = Laplace Operator

Mit anderen Worten, die Anordnung nach Fig. 3 dient dazu, einen in erster Ordnung gefilterten Ausdruck für die Zielge schwindigkeitskomponente V_TN zu erzeugen, wobei diese gefil terte Komponente ferner definiert ist als die algebraische Komponentensumme der aufgelösten Beobachtergeschwindigkeit V_TN und der Änderungsgeschwindigkeit der Entfernung _N.

Die drei geglätteten oder kompensierten Komponenten (V_TN, V_TE und V_TZ) der Zielgeschwindigkeit V_T, aufgelöst in dem nichtrotierenden kartesischen Koordinatensystem (N, E, Z), können dann einer weiteren Verarbeitung unterworfen werden, beispielsweise einer Kalman-Filterung (falls erwünscht), mittels der Filterverarbeitungsvorrichtung 14 in Fig. 2, wo durch sich gefilterte Zielgeschwindigkeitskomponenten V'_TN, V'_TE und V'_TZ ergeben. Eine zusätzliche Verarbeitung kann vorgesehen werden, um ausgeglichene oder geglättete Komponenten der Zielbeschleunigung (a_TN, a_TE und a_TZ) für die Anwendung in einer Vorhersageberechnung zweiter Ordnung der Zielposition an einem gewählten zukünftigen Waffenauf treffpunkt zur Zeit T zu erzeugen. Eine derartige Verarbei tung zum Erhalten der geglätteten Komponenten der Zielbe schleunigung kann in der gleichen Weise durchgeführt wer den, wie dies in Fig. 3 bei der Berechnung der geglätteten Komponenten der Zielgeschwindigkeit durchgeführt wurde, wie dies näher aus Fig. 4 hervorgeht.

In Fig. 4 ist in Blockdiagrammform eine Anordnung zur Be rechnung einer beispielsweisen der geglätteten Komponenten der Zielbeschleunigung (a_TN), aufgelöst in dem interessieren den nichtrotierenden kartesischen Koordinatensystem, gezeigt, wobei die entsprechenden Komponenten der Entfernung (KR_N) und der Waffenplattformgeschwindigkeit (V_AN) verwendet werden. Eine Signalsummiervorrichtung 18 besitzt einen ersten Eingang 19, der auf das aufgelöste Entfernungssignal R_N anspricht, sowie einen zweiten Eingang 20, der an einen Ausgang einer ersten Signalintegratorschaltung 15 mit einem Summiereingang gekoppelt ist. Eine Klemme 16 des Summiereingangs spricht auf die aufgelöste Waffenplattform-Geschwindigkeit V_AN an. Ferner ist ein zweiter Integrator 23 mit einem Eingang vorgesehen, der mit dem Ausgang der Summiervorrichtung 18 verbunden ist. Der Summiereingang des ersten Integrators 15 ist ferner mit dem Ein gang und einem Ausgang des zweiten Integrators 23 verbunden.

Die Integratoren 15 und 23 sind derart angeordnet, daß sie mit der Summiervorrichtung 18 in negativer Rückkopplung zusammen arbeiten, um Ausgangssignale zweiter Ordnung zu erhalten, die mathematisch in ähnlicher Weise abgeleitet werden können, wie dies in Verbindung mit der Beschreibung des einfachen Integrators der Fig. 3 für Signale erster Ordnung erklärt wurde. Der Eingang zum ersten Integrator 15 von dem Eingang des zweiten Integrators 23 (Ausgang der Summiervorrichtung 18) dient als ein Dämpfungs eingang, um einen Klingeleffekt zweiter Ordnung zu vermeiden, wie dies nachstehend noch eingehender erläu tert wird. Deshalb ist ein derartiger Eingang geeignet be zogen (t_D) durch eine Unter- oder Übersetzerstufe 22, um den gewünschten Dämpfungsgrad zu erzielen.

Die Beziehung des Ausgangswertes der Summiervorrichtung 18 zu den kombinierten Eingängen, wie sie an die Anordnung der Fig. 4 angelegt werden, ergibt sich aus einer Untersuchung des Verhaltens der geschlossenen Schleife für jeden derarti gen Eingang:
Es ist

a_TN = a_TN(KR_N) + a_TN(V_AN) (9)

was anzeigt, daß eine derartige Komponente der aufgelösten Zielbeschleunigung (a_TN) gleich ist der Summe der aufge trennen Komponenten derselben als entsprechende Funktionen von V_AN bzw. R_N. Betrachtet man die Funktion a_TN(V_AN):

Nach Umordnung ergibt sich:

Dieser letzte Ausdruck ist, wie erkenntlich, die Ableitung der eigenen Geschwindigkeit (wie dies durch das freie "s" angezeigt wird), gekoppelt mit einem Filterausdruck zweiter Ordnung. Ein derartiger Filterausdruck zweiter Ordnung be wirkt ein Glätten dort, wo K so gewählt ist, daß es dem Quadrat einer interessierenden oberen Grenzfrequenz ent spricht und wo der Ausdruck T_D so gewählt ist, daß ein ge wünschter Dämpfungsgrad eines derartigen Ausdrucks zweiter Ordnung erzielt wird, wie das in der Filtertechnik bekannt ist.

Betrachtet man die zweite Funktion a_TN(R_N) der Gleichung (9) so ergibt sich:

Nach Umordnung erhält man:

Werden die Gleichungen (12) und (15) in die Gleichung (9) eingesetzt, so ergibt sich:

Wo die Verarbeitung der Beschleunigungskomponenten gemäß Gleichung (16) durch Filterverarbeitungsvorrichtungen 14 der Fig. 2 durchgeführt werden, enthalten die Eingänge zu einer derartigen Vorrichtung notwendigerweise R_N, R_E und R_Z (Ausgänge vom Element 12) zusätzlich zu den veranschaulich ten Eingängen V_TN, V_TE und V_TZ.

Da die gefilterten Geschwindigkeits- und Beschleunigungs komponenten der Zielbewegung derart gefiltert oder ge glättet wurden, daß sie ein Nacheilen der fahrzeugeigenen Daten oder eine Destabilisierung der Flugzeugmanöver-Waffen steuerschleife vermeiden, kann eine stärkere Filterung er folgreich für ein stärkeres Glätten oder Ausgleichen der Zielvorhersage angewendet werden. Obleich beispielweise die Ausgangswerte für die Geschwindigkeitskomponente vom Vorhersage rechner 13 der Fig. 2 derart beschrieben wurden, daß sie zwangs läufig nach erster Ordnung gefiltert sind und die Beschleu nigungskomponentenausgangswerte der Filterverarbeitungsvorrichtung 14 nach zweiter Ordnung gefiltert wurden, und zwar mit weiteren nicht linearen Filtern, beispielsweise einer Kalman- oder ande ren digitalen Filterung über die Vorrichtung 14, wird das Kon zept der Erfindung nicht hierauf beschränkt. Eine Filterung zweiter Ordnung kann bei der Erzeugung der Geschwindigkeits komponenten V_TN, V_TE und V_TZ genauso verwendet werden wie bei der Erzeugung der Beschleunigungskomponenten a_TN, a_TE und a_TZ. Andererseits kann eine nichtlineare Filterung ausschließlich bei der Erzeugung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponente angewendet werden, um eine ge trennte und weitere Filterung derartiger Komponenten zu um gehen.

Obgleich derartige Beschleunigungskomponenten bei der Vor hersage zweiter Ordnung in einem Abfeuersteuerungsrechner nützlich sind, können derartige Daten auch beispielsweise in der Zielentfernungsverfolgungseinheit eines trägheits stabilisierten Verfolgungsradargeräts 11 der Fig. 2 verwendet wer den. Eine derartige beispielsweise Verwendung derartiger Da ten ist in vereinfachter Form für den Fall einer einzigen Ach se in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 5 zeigt ein Verfolgungsradargerät 11, beispielsweise ein Winkelverfolgungsmonopulsradargerät, dessen Summenkanal ausgangswert des Empfängers 30 mit einer Zielentfernungsver folgungseinheit 31 desselben zusammenwirkt. Die Anord nung und das Zusammenwirken eines Monopulsempfängers mit einem Entfernungsverfolgungsgerät ist in der Technik be kannt und etwas näher beschrieben in der USA-Patentschrift 3 177 484 für ein Positionsanzeige system. Die gedämpfte doppelt integrierende Berechnungs schleife der Fig. 4 ist um die Zielentfernungsverfolgungseinheit 31 geschlossen, wobei der Ausgang des Integrators 15 als ein berechnetes Entfernungs eingangssignal an die Zielentfernungsverfolgungseinheit 31 angelegt wird und der Entfernungs fehler- oder Steuerausgangswert der Zielentfernungsverfolgungseinheit 31 als Eingang der Klemme 24 des doppelt integrierenden Rechners zugeführt wird. Eine Differenz zwischen dem Entfernungssignaleingangswert am Zielentfernungsverfolgungseinheit 31 vom Empfänger 30 und dem berechneten Entfer nungseingangswert für denselben vom Doppelintegrator ergibt, wie dies in der Servotechnik allgemein bekannt ist, ein Differenzausgangssignal r_ε mit bestimmten Eigenschaften unter bestimmten Umständen. Bei einer Zielverfolgung beispielsweise, wo die Winkelverfolgungssteuerungen des Monopulsradars die Radarausrichtungsachse in Richtung des Zieles halten, neigt der Entfernungsfehler oder -ausgang der Zielentfernungsverfolgungseinheit 31 für den ste tigen Zustand in Richtung Null; ändert sich jedoch die radiale Entfernung des Zieles mit Beschleunigung (z. B. wenn sich die Entfernungsgeschwindigkeit selbst ändert), dann gibt der Zielentfernungsverfolgungseinheits- Fehler oder -ausgang die radiale Beschleunigung des Zieles bezogen auf den stetigen Zustand an.

Die Anordnung in Fig. 5 ist natürlich sehr vereinfacht. So ist beispielsweise die tatsächlich berechnete Entfernung R_c zu berechnen als die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Entfernungskomponenten, bestimmt in dem vorgewählten trägheitsstabilisierten kartesischen Koordinatensystem. Ob gleich die schematische Anordnung die Zielentfernung- und Beschleunigungskomponenten zur Steuerung der Zielentfernungsverfolgungseinheit 31 berech net, verwendet eine derartige Anordnung doch nicht derarti ge Zielbeschleunigungskomponenten zur Reduzierung von Ver folgungsfehlern in den Winkelverfolgungssteuerungen des Ver folgungsradargeräts 11; diese zusätzliche Leistung ist in Fig. 6 veranschaulicht.

Fig. 6 zeigt in Blockdiagrammform ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel des Erfindungsgedankens, bei dem eine Radar verfolgung kombiniert wird mit der Vorhersageberechnung, die Vorhersageausdrücke erster und zweiter Ordnung erzeugt und eine verbesserte Stabilisierung des Radars in Trägheits koordinaten bezüglich Flugzeugmanövern bewirkt. Es ist ein gegen Schlingern trägheitsstabilisiertes Bereichs- und Win kelverfolgungsradargerät 11 vorgesehen, das Ausgangssignale er zeugt, die den Entfernungsverfolgungsfehler r_ε _i und die Win kelverfolgungsfehler ε_k und ε_j angeben. Entfernungsfehlerauflösungsvorrichtungen, die auf eine Gruppe berechneter Zielpositionsdaten ζ_T, η_T und r_i in Form berechneter träg heitsstabilisierter Polarkoordinaten ansprechen, sind vorge sehen, um die Radarverfolgungsfehlerausgangssignale relativ zu dem genannten vorgewählten trägheitsstabilisierten karte sischen Koordinatensystem aufzulösen; ein zugeordnetes Träg heitsnavigatorsystem 10 erzeugt aufgelöste Plattformgeschwin digkeitsdaten (V_GN, V_GE und ) für das eigene Flugzeug. Der artige Auflösevorrichtungen beinhalten einen Entfernungsfeh lerauflöser 32 und Mulitpliziervorrichtungen 33 und 34 zur Berechnung der aufgelösten Entfernungsfehlerkomponenten r_ε _N, r_ε _E und r_ε _Z gemäß den folgenden Beziehungen:

r_ε _Z = -r_ε _isinη_Tcosζ_T + r_ε _jsinζ_Tsinη_T + r_ε _Kcosη_T

r_ε _N = r_ε _Xcosψ' - r_ε _Ysinψ'

r_ε _E = r_ε _Xsinψ' + r_ε _Ycosψ' (17)

wobei

r_ε _X = r_ε _icosζ_Tcosη_T - r_ε _jsinζ_Tcosη_T + r_ε _Ksinη_T

r_ε _Y = r_ε _isinζ_T + r_ε _jcosζ_T

Ein derartiges Berechnungsschema kann entweder analog oder di gital oder hybrid ausgeführt werden, je nach Wunsch, wie dies in der Rechnertechnik bekannt ist.

Es sind auch Doppelintegrierrückkopplungsvorrichtungen vorge sehen, die auf die aufgelösten Verfolgungsfehler r_ε _N, r_ε _E und r_ε _Z zur Berechnung der Komponenten R_N, R_E und R_Z für die Ziel position ansprechen und die in dem vorgewählten trägheitssta bilisierten kartesischen Koordinatensystem (des Navigations systems 10) aufgelöst sind. Drei getrennte, aber gleichartige Berechnungskanäle werden verwendet, einer für jede Entfernungs fehlerkomponente. Der erste Kanal besitzt einen ersten Inte grator 15, der mit dem Eingang bzw. Ausgang eines zweiten In tegrators 23 verbunden ist, wobei Verstärkungs- oder Dämpfungsvorrichtungen 22 an dem Dämpfungseingang zum ersten Integrator 15 eingeschaltet sind, in ähnlicher Weise wie es in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 4 erläutert wurde. Das gemeinsame Eingangssignal r_ε _N für jeden Integra tor 23 und die Verstärkungs- oder Dämpfungsvorrichtung 22 (in Fig. 6) ist das r_ε _N-Ausgangssignal des Koordinatenwandlers 32. Da der zweite und dritte Kanal 36 bzw. 37 der Doppelintegriervorrichtung in ähnlicher Weise aufgebaut und angeordnet ist wie der erste Kanal und zwar für die Verarbeitung von r_ε _E bzw. r_ε _Z sind die entsprechen den Elemente in Fig. 6 lediglich in Blockform gezeigt.

Ein Zielpositionsrechner 38 spricht auf das Kurssignal ψ' und die Quer- oder Drehamplitude ν an (wie sie durch det Trägheitsnavigator 10 bestimmt werden), sowie auf die umge wandelten Zielentfernungskomponenten R_N, R_E und R_Z (berech net durch die Doppelintegrierrückkopplungsvorrichtung) und berechnet ferner die stabilisierten Polarkoordinaten ζ_T, η_T und r_i der berechneten Zielposition bezogen auf das eige ne Fahrzeug (zur Steuerung des Radargeräts 11) gemäß dem folgenden Gleichungssatz:

r_i = r_Xcosζ_Tcosη_T + r_Ysinζ_T - r_Zsinη_Tcosζ_T

r_j = r_Xsinζ_Tcosη_T + r_Ycosζ_T + r_Zsinζ_Tsinη_T = 0

r_k = r_Xsinη_T + r_Zcosη_T = 0 (18)

Die simultanen Gleichungen (2) werden iterativ für r_j = 0 und r_k = 0 durch Austauschen von η_T und ζ_T gelöst. Nach dieser Lösung richtet sich die Radarverfolgungssichtlinie auf die vorhergesagte Zielposition aus und r_i entspricht dann der richtigen Schrägentfernung. Die Entfernungskomponenten r_X, r_Y und r_Z ergeben sich ebenfalls aus einer derartigen Be rechnung. Ein derartiger Datensatz wird von dem Verfolgungs radargerät 11 verwendet, bei dem die Radarentfernungsverfolgungs- und Winkelverfolgungsschleifen derart um ein trägheitsstabili siertes Vorhersagesystem zweiter Ordnung in kartesischen Koordinaten geschlossen ist und bei dem eine Filterung zweiter Ordnung der Zieldaten bewirkt wird, ohne entweder die Be wegungsdaten des eigenen Fahrzeugs zu filtern oder Nacheil fehler in die Waffenmanövriersteuerschleifen des eigenen Fahrzeugs einzuschleusen. Ferner wird eine Vorhersage zwei ter Ordnung für eine verbesserte Radarwinkelverfolgung an gewendet, und zwar ohne die Verwendung von das erfolgreiche Funktionieren begrenzenden Meßwendekreiseln.

Das Waffensteuersystem nach Fig. 6 besitzt auch Waffensteuer vorrichtungen für die Steuerung der Waffenflugzeugleitung und die Waffenabfeuerung und umfaßt einen Feuersteuerungs- und Auslöserechner 39, der mit einem ballistischen Rechner 40 zusammenarbeitet, um Steuersignale (ε_Y und ε_Z) und Ab feuersignale (r_g) für Verwendung in einem Anzeigegerät 41 zu erzeugen, sowie eine automatische Flugsteuerung 42 und Bombenauslösevorrichtung 43. Zusätzlich zu den Zielpositions daten in Polarkoordinaten ζ_T, η_T und r_i, wie sie durch das Verfolgungsradargerät 11 erzeugt werden, gibt der Zielpositions rechner 38 einen zweiten Ausgangsdatensatz (r_X, r_Y und r_Z) ab, der in dasjenige Koordinatensystem (X, Y, Z) umgewandelt ist, das von dem Feuersteuerungsrechner 39 verwendet wird. Der Rechner 39 verwendet die relative Geschwindigkeits- oder Zielentfernungsänderung umgewandelt in das Waffen rechner- (X, Y, Z) -Koordinatensystem, wie beispielsweise (V_TX - V_GX), (V_TY - V_GY) und (V_TZ + ). Jede dieser Kompo nenten stellt die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Waffenplattformgeschwindigkeit V_G (bestimmt durch den Träg heitsnavigator 10) und der Zielgeschwindigkeit V_T (berech net in den Doppelintegrierrückkopplungsvorrichtungen) dar. Im einzelnen sind Signalkombiniervorrichtungen 118, 218 und 318 vorgesehen, die auf eine entsprechende der Komponenten des Trägheitsplattformgeschwindigkeitsausgangssignals des Navigationssystems 10 ansprechen, welche in dem vorgewählten trägheitsstabilisierten kartesischen Koordinatensystem auf gelöst sind und welche ferner ansprechen auf einen entspre chenden der Ausgangswerte (V_TN, V_TE und V_TZ), einer ersten Integrierstufe der Doppelintegriervorrichtung zur Erzeugung von Signalen, die die Zielentfernungsänderungsgeschwindig keit (V_TN - V_GN), (V_TE - V_GE) und (V_TZ + ) angeben. Die Sig nale für die relativen Zielgeschwindigkeits- oder Zielent fernungsänderungsgeschwindigkeiten werden dann aufgelöst oder umgewandelt mittels eines Koordinatenumwand lers 44, der auf das Kurssignal ψ' des eige nen Fahrzeugs anspricht, und zwar in das Koordinatensystem des Fahrzeugs, wie es von dem Feuersteuerungsrechner 39 verwendet wird.

Beispielsweise zeigt das Ausgangssignal des Integrators 23 des ersten Kanals die erste Ableitung von R_N nämlich V_TN an, wobei das Ausgangssignal um eine erste Ableitung höher als das Ausgangssignal R_N des Integrators 15 ist. Das differen tielle Kombinieren der umgewandelten Zielgeschwindigkeit, der Komponente V_TN und der entsprechend umgewandelten Ge schwindigkeitskomponente V_GN des eigenen Fahrzeugs mittels differentiellen Signalkombiniervorrichtungen 118 erzeugt somit die Zielentfernungsänderungsgeschwindigkeits komponente (V_TN - V_GN).

Das Entfernungs- und Winkelverfolgungsradargerät 11 wurde als eine Anordnung mit Entfernungs- und Winkelverfolgung unter Verwendung einer geschlossenen Schleife beschrieben; bei dieser Anordnung wurde eine Vorhersage zweiter Ordnung mittels einer Doppelintegriervorrichtung angewendet, wobei die Winkelverfolgungsschleifen durch zusammengeschaltete Schalter 44a und 44b gemäß Fig. 6 geschlossen wurden. Der Erfindungsgedanke ist jedoch nicht auf ein derartiges Win kelverfolgungsgerät mit geschlossener Schleife begrenzt und das System kann auch in einem anderen optischen Modus durch Schalten der Schalter 44a und 44b in einen zweiten Zustand betrieben werden, wobei ein Pilot unter optischer Zuhilfenahme eines Anzeigeschirmes eines Anzeigegeräts 41 von Hand Korrektur eingangssignale für die Azimut- und Elevationsverfolgung mittels Potentiometern 45 und 46 zur Verwendung in Vorher sagevorrichtungen zweiter Ordnung einstellen kann.

Es wurden somit verbesserte Vorrichtungen zum Bestimmen der Komponenten einer Zielbewegung erläutert, ohne daß Re chenfehler in die Bewegungsdaten des eigenen Fahrzeugs eingehen, wodurch eine verbesserte Genauigkeit in Feuer steuerungssystemen, die diese Daten verwenden, erreicht wird. Es wird eine Verwendung bei Vorhersagen höherer Ord nung für noch weitere Verbesserungen der Feuersteuerge nauigkeiten erzielt, während dabei die Verwendung von Meß wendekreiseln vermieden wird. Ferner können infolge des trägheitsstabilisierten Koordinatensystems, wie es für die Radarstabilisierung verwendet wird, niedrigere dynamische Sichtlinien-Verhalten in den Radarsystemen benützt werden, wo durch die Anfälligkeit des Systems gegenüber feindlichen elektronischen Gegenmaßnahmen verringert wird.

Claims

1. Zielverfolgungsgerät für Luftfahrzeuge mit einem Trägheits navigations- und Feuersteuerungsradargerät und mit einem Koordinatenwandler, der auf das Radargerät und den Eigenkurs zur Umwandlung der Radarpolarkoordinaten der Zielposition in kartesische Koordinaten in demjenigen Koordinatensystem anspricht, in dem der Navigator eigene Positionsdaten erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß Datenverarbei tungsvorrichtungen (13) zur Zielpositionvorhersage vorgesehen sind, die auf die Zielpositionsausgangssignale (R_N, R_E, R_Z) in kartesischen Koordinaten des Koordinatenwandlers (12) und auf Ausgangssignale der Eigengeschwindigkeit (V_AN, V_AE, V_AZ) in kartesischen Koordinaten des Navigators zur Berechnung der geglätteten oder ausgeglichenen Zielgeschwindigkeitsdaten in kartesischen Koordinaten ansprechen.

2. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Datenverarbeitungsvorrichtungen (13) für die Zielpositionsvorhersage Integriervorrichtungen (15) mit geschlossener Schleife umfassen, die auf die Ziel positionsdaten (R) und die Eigengeschwindigkeitsdaten (V_A) ansprechen, um aufgelöste Komponenten der Zielgeschwindigkeits daten (V_T) gemäß dem Ausdruck
zu erzeugen, wobei
t = Nacheil-Filterzeitkonstante erster Ordnung
s = Laplace Operator.

3. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Datenverarbeitungsvorrichtungen (13) erste Signalsummiervorrichtungen (18) besitzen, deren erster Eingang (19) mit einer Komponente der Zielentfernung (R), aufgelöst längs einer vorgewählten Koordinate des Koordi natensystems, beschickt wird und deren zweiter Eingang (20) mit den Integriervorrichtungen (15) verbunden ist, deren erster Eingang mit einer Komponente der Eigengeschwindigkeit (V_A), aufgelöst nach einer vorgewählten Koordinate, beschickt wird und deren zweiter Eingang (17) mit dem Ausgang der Sig nalsummiervorrichtungen (18) verbunden ist, wobei das Aus gangssignal der Signalsummiervorrichtungen (18) die geglättete oder ausgeglichene Zielgeschwindigkeit angibt.

4. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Integriervorrichtungen (15) und die Signalsummiervorrichtungen (18) in negativer Rückkopplung zusammenarbeiten.

5. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch T, dadurch gekenn zeichnet, daß die Datenverarbeitungsvorrichtung (13) eine geglättete oder ausgeglichene Trägheitsbeschleuni gungskomponente (a_T) eines beobachteten Zieles, aufgelöst längs einer vorgewählten Koordinate eines kartesischen Koordinaten systems, unter Einsatz von Integriervorrichtungen (15) mit ge schlossener Schleife berechnet, die auf die beobachtete Ent fernung (R) des Zieles, aufgelöst nach einer vorgewählten Koordinate des Koordinatensystems und die Eigengeschwindigkeit (V_A), aufgelöst längs der gewählten Koordinate, ansprechen, um eine geglättete oder ausgeglichene Zielbeschleunigungskomponente gemäß dem folgenden Ausdruck zu erzeugen:
wobei K = Integrationsverstärkungsfaktorkonstante
T_D = Dämpfungskonstante erster Ordnung
s = Laplace Operator.

6. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtungen zum Berechnen der geglätteten oder ausgeglichenen Trägheitsbeschleunigungs komponente enthalten: erste Integriervorrichtungen (15) mit einem ersten Eingang (16), dem eine Komponente der Eigen geschwindigkeit, aufgelöst längs der vorgewählten Koordinate, zugeführt wird, und mit einem zweiten und dritten Eingang, Signalsummiervorrichtungen (18), die geglättete oder ausge glichene Zielbeschleunigungskomponente angeben und die einen ersten Eingang (19) zum Empfang eines die beobachtete Ziel entfernung, aufgelöst längs der vorgewählten Koordinate, an gebendes Signal empfängt und die einen zweiten Eingang (20) besitzen, der an den Ausgang der ersten Signalintegriervor richtungen (15) angeschlossen ist, sowie zweite Signalinte griervorrichtungen (23) mit einem auf das Ausgangssignal der Signalsummiervorrichtungen (18) ansprechenden Eingang (24), wobei die zweiten und dritten Eingänge der ersten Signalinte griervorrichtungen (15) mit dem Ausgang bzw. mit dem Eingang der zweiten Signalintegriervorrichtungen (23) verbunden sind und die ersten und zweiten Signalintegriervorrichtungen (15, 23) und die Signalsummiervorrichtungen (18) in negativer Rück kopplung zusammenarbeiten.

7. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß Zielpositionsberechnungsvorrichtungen (38) vorgesehen sind, die auf die von den Datenverarbeitungs vorrichtungen (13) berechnete Zielgeschwindigkeit zur weiteren Berechnung der Polarkoordinaten der genannten Zielposition ansprechen, wobei das Radargerät (11) mit den berechneten Zielpositionsdaten in Polarkoordinaten beschickt wird.

8. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Trägheitsnavigatorsystem (10) zur Trägheitsstabilisierung der berechneten Zielpositions daten vorgesehen ist.

9. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Trägheitsnavigatorsystem (10) sowohl eine Schlingerstabilisation für das Radargerät (11) als auch eine Dreh- und Versetzungsstabilisation für die berechneten Zielpositionsdaten in Polarkoordinaten bewirkt.

10. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das Trägheitsnavigatorsystem (10) Ausgangssignale (V_GN, V_GE, -) erzeugt, die die Platt formgeschwindigkeit, aufgelöst in dem vorgewählten kartesi schen Koordinatensystem, angibt und daß Signalkombiniervor richtungen (118, 218, 318) vorgesehen sind, die auf die aufgelösten Geschwindigkeitsausgangssignale des Trägheits navigatorsystems (10) und die Ausgangssignale der Signal integriervorrichtungen (23) zur Erzeugung von die berechnete Zielgeschwindigkeit, aufgelöst in dem vorgewählten kartesischen Koordinatensystem, anzeigenden Signalen ansprechen.

11. Zielverfolgungsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rechenvorrichtungen (38) für die Zielposition auch berechnete Zielpositionsdaten, aufgelöst in einem zusätzlichen Koordinatensystem, abgeben und daß Waffen steuerrechenvorrichtungen (39, 40) vorgesehen sind, die die Daten in dem zusätzlichen Koordinatensystem verwenden und auf Signale des Trägheitsnavigatorsystems (10) der Rechenvorrich tungen (38) für die Zielposition und die Signalkombiniervor richtungen (118, 218, 318) ansprechen.