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Eine
Vorrichtung zur Feststellung der Trefferlage in einem Zielfeld anhand
der Ermittlung der Flugbahndaten eines Geschosses ist aus dem
DE 298 19 394 U1 bekannt.
Hierbei wird in einem, mit geringem Abstand vor dem Zielfeld eingerichteten,
eine definierte Erstreckung in Beschussrichtung aufweisenden Messraum
mittels eines Radargerätes
die Flugbahn des Geschosses einschliesslich dessen Geschwindigkeit
ermittelt, wobei anhand der Flugbahn in Verbindung mit der Lage
des Messraumes die Koordinaten der Trefferlage in einem X–Y Koordinatensystem
des Zielfeldes errechnet werden. Die Erfassung der Geschwindigkeit,
welches beispielsweise anhand einer Auswertung der Frequenzen eines
Sende- und eines Empfangssignals, die sich um die Dopplertrequenz
unterscheiden, beruhen kann, dient dazu, die Messung auf Hochgeschwindigkeitsziele,
nämlich
Geschosse zu beschränken.
Das in einiger Entfernung vor einem Zielfeld eingesetzte Radargerät kann eine
rotierende Antenne aufweisen, deren Hauptstrahlungsrichtung im wesentlichen
in Richtung auf das Zielfeld hin gerichtet ist, wobei dessen Betriebsparameter
dahingehend eingestellt sind, dass der maximal erfassbare Bereich
in einer geringfügigen
Entfernung vor dem Zielfeld endet, wobei von diesem erfassbaren
Bereich lediglich ein vergleichsweise schmaler Bereich unmittelbar
vor dem Zielfeld als Messraum benutzt wird und wobei das Echosignal
in dem restlichen Teil des erfassbaren Bereiches ignoriert wird.
Die rotierende Antenne des Radargerätes weist eine keulenartige
Charakteristik auf, die in einer Ebene des Messraumes einen entsprechend rotierenden
Messbereich bildet, der eine Fläche überstreicht,
die – in
Beschussrichtung gesehen – das
Zielfeld zumindest überdeckt.
Anstelle einer solchen mechanischen rotatorischen oder auch oszillatorischen
Abtastung einer Ebene des Messraumes kommt auch die Verwendung einer
Antenne mit elektrisch schwenkbarer Richtcharakteristik (phased
array Antenne) in Betracht. In jedem Fall wird die Stellung des
Messbereichs in der genannten Ebene mittels eines Stellungsgebers
erfasst, so dass erst anhand der Lageinformation des Stellungsgebers
in Verbindung mit einer Auswertung der Lage der Flugbahn innerhalb
des Messbereichs die Trefferlage im Zielfeld ermittelbar ist.
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Die
Genauigkeit des Messergebnisses einer solchen Vorrichtung wird maßgeblich
durch die Genauigkeit der Justierung des Nullpunktes des X–Y-Koordintensystems
relativ zu dem rotierenden oder in sonstiger Weise bewegten Messfeld
beeinflusst. Hinzutritt, dass sowohl bei der mechanischen als auch
bei der elektrischen Verschwenkung des Messbereichs innerhalb der
genannten Ebene bedingt durch die Bewegung des Messbereichs unvermeidbare
Detektionslücken
entstehen, ein Mangel, der insbesondere bei hohen Schussfolgefrequenzen bei
Verwendung automatischer Waffen ins Gewicht fällt. Schließlich bringt ein mechanischer
Antrieb für eine
Antenne einen unvermeidbaren Verschleiß und damit Wartungsaufwand
mit sich.
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Es
ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung
der eingangs bezeichneten Art dahingehend auszugestalten, dass die
Genauigkeit der Messung bei einfacher Handhabbarkeit verbessert
wird. Gelöst
ist diese Aufgabe bei einer solchen Vorrichtung durch die Merkmale des
Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.
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Erfindungswesentlich
ist hiernach, dass durch die Hauptstrahlungsrichtungen der Antennen zweier
Radargeräte
eine Messebene vor einem Zielfeld gebildet wird, wobei die Ermittlung
der Lage des Durchstoßpunktes
der Flugbahn in dieser Messebene auf eine radargestützte Messung
der Entfernungen dieses Durchstoßpunktes von den geräteeigenen
Bezugspunkten der links- und rechtsseitig bezüglich der Zielfeldes angeordneten
Radargeräte
zurückgeführt wird.
Da die Entfernung der genannten Bezugspunkte bekannt ist, ergibt
sich in der Messebene die geometrische Figur eines Dreiecks, dessen obere
Spitze durch die Lage des Durchstoßpunktes gebildet ist, so dass
aufgrund elementarer geometrischer Beziehungen die Lage des Durchstoßpunktes in
einem X–Y-Koordinatensystem,
dessen Nullpunkt beispielsweise in den links- oder rechtsseitigen
der beiden Bezugspunkte gelegt wird, auf analytischem Wege ermittelt
werden kann. Aus der Lage des Durchstoßpunktes in der Messebene,
die sich mit geringem Abstand vor dem Zielfeld befindet, kann auf die
Trefferlage eines Geschosses in dem Zielfeld geschlossen werden.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die Hauptstrahlungsrichtungen
der Antennen der beiden Radargeräte
im wesentlichen senkrecht zur Beschussrichtung des Zielfeldes orientiert
sind, so dass keine rotatorisch oder oszillatorisch bewegten Antennen,
sondern lediglich feststehende Antennen benötigt werden. Dies bringt eine
beträchtliche
Vereinfachung der Handhabung und auch eine Verbesserung der Messgenauigkeit
mit sich.
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Gemäß den Merkmalen
der Ansprüche
2 und 3 besteht die Vorrichtung in der einfachsten Form aus zwei
Radargeräten,
deren Hauptstrahlungsrichtungen eine erste Messebene definieren
und einer Rechnereinheit, die mit diesen Radargeräten in Verbindung
steht und die zur Auswertung der von diesen übertragenen Signale eingerichtet
ist, die durch Reflexionen an dem zu vermessenden Geschoss gewonnen
worden sind. Die genannte Messebene erstreckt sich im wesentlichen
senkrecht zu einer Beschussrichtung und befindet sich mit geringem
Abstand vor einem Zielfeld. Es ist dies gegenüber dem eingangs dargelegten
Stand der Technik eine einfachere Art der Realisierung eines ebenen
Messbereichs.
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Gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 4 werden für
sämtliche
Radarmessungen Dauerstrichradars eingesetzt. Im einfachsten Fall
kommen somit Geräte
zum Einsatz, die eine kontinuierliche unmodulierte Welle abstrahlen,
wobei Entfernungen anhand des Energiegehalts der empfangenen Echoimpulse,
bzw. deren Impulshöhe
ermittelbar sind. Im Fall der in Beschussrichtung mit definiertem Abstand
hintereinander angeordneten Radargeräte werden deren Echoimpulse
lediglich zur Zeitmessung benutzt, so dass bei gegebener Messtrecke
die Geschwindigkeit des Geschosses ermittelbar ist. Schließlich wird
noch von dem Umstand unterschiedlicher Radarquerschnitte Gebrauch
gemacht, nämlich
eines Parameters, der u. a. auch durch geometrische Größenverhältnisse
der zu erfassenden Geschosse beeinflusst wird und sich wiederum
im Energiegehalt der Echoimpulse bzw. deren Impulshöhen niederschlägt.
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Obwohl
erfindungsgemäß das Radarverfahren
des Dauerstrichradars bevorzugt wird, können auch andere Radarverfahren,
z. B. Dauerstrichradars mit frequenzmodulierten Sendesignalen, soweit
es um Geschwindigkeitsmessungen geht, Impulsradars, Puls-Doppler-Radars usw.
verwendet werden, die zur Messung von Entfernungen und Geschwindigkeiten
sowie zur Ermittlung der Größe eines
Geschosses bzw. eines Flugobjekts geeignet sind, wobei lediglich
feststehende Antennen benutzt werden. Auch ist die Erfindung nicht
auf monostatische Radargeräte
beschränkt,
so dass gleichermaßen
auch bistatische Radargeräte
nutzbar sind.
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Die
Merkmale des Anspruchs 5 erleichtern die rechnerische Auswertung
der von den Empfängern
der beiden Radargeräte
ermittelten Signale.
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Die
Merkmale des Anspruchs 6 sind darauf gerichtet, in einfacher Weise
eine definierte Bezugsstrecke für
die analytische Auswertung der Signale der Radargeräte zu gewinnen.
Dies wird erfindungsgemäß durch
eine langgestreckte, rohrartige Messbasis erreicht, auf der die
zur Lagevermessung verwendeten Radargeräte, vorzugsweise monostatische
Radargeräte
justierbar angeordnet sind.
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Die
Merkmale des Anspruchs 7 sind auf eine Erweiterung der hinsichtlich
des fliegenden Geschosses zu gewinnenden Informationen gerichtet.
So sind Geschwindigkeit und Kaliber eines Geschosses ermittelbar – ein Umstand,
der insbesondere bei der Simulation von Zieldarstellungen und der
Auswertung von Schiessleistungen im Rahmen einer militärischen
Schiessausbildung vielfältig
nutzbar ist . So sind z. B. die Wirkungen von Trefferlagen in Abhängigkeit
von dem eingesetzten Kaliber realitätsnah interpretierbar.
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Die
Merkmale der Ansprüche
8 bis 12 sind auf die weitere Ausgestaltung der Vorrichtung mit Hinblick
auf die Messung bzw. Erfassung der Geschwindigkeit sowie der Größe eines
Geschosses gerichtet. Vorzugsweise sind sämtliche der eingesetzten Radargeräte CW-Radars. Sämtliche
Parameter des Geschosses bzw. dessen Flugbahn werden mit Mitteln
der Radartechnik erfasst und stehen über eine Rechnereinheit visuell
zur Verfügung,
mittels welcher auch deren weitere Auswertung durchführbar ist.
Der einfachen Handhabung dient eine langgestreckte Trägerbasis,
auf der die, zur Geschwindigkeitsmessung bestimmten Radargeräte in justierbaren
Positionen fixierbar sind. Diese Trägerbasis kann mit der Messbasis
in mechanischer Verbindung stehen, so dass die Geschossgeschwindigkeit
in der Nähe
des Zielfeldes erfasst wird. Sie kann jedoch auch in unmittelbarer
Nähe des
Schützen platziert
werden, so dass eine Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses gemessen
wird. Schließlich
besteht die weitere Möglichkeit,
dass eine Trägerbasis sowohl
ziel- als auch schützenseitig
angeordnet wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist keine, sich während
der Messung mechanisch bewegende Teile auf und ihre Justierung relativ
zu einem Zielfeld gestaltet sich insbesondere in Verbindung mit einer
Messbasis sowie einer Trägerbasis
vergleichsweise einfach. Sie ermöglicht
sehr genaue Messergebnisse.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen
schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung
der Lageerfassung eines Geschosses in einer Ebene senkecht zur Schussrichtung;
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2 eine Darstellung einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Lageerfassung eines Geschosses;
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3 grafische Darstellungen
der jeweils von den rechts- und linksseitigen Radargeräten herrührenden
Echosignale;
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4 grafische Darstellungen
der Echosignale gemäß 3 nach erfolgter Differenzsignalbildung;
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5 eine um die Geschwindigkeitsmessung
erweiterte Prinzipdarstellung der Lageerfassung eines Geschosses
in perspektivischer Darstellung.
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Mit
1 ist in 1 eine zum
bodenseitigen Auflegen bestimmte rohrförmige, aus einem metallischen
Werkstoff bestehende Messbasis bezeichnet, die sich mit geringem
Abstand vor einem scheibenartigen Zielfeld 2 befindet.
Das Zielfeld 2 kann von an sich bekannter Art sein und
die Abbildung eines ebenen Zielobjektes tragen. Diese Messbasis 1 erstreckt sich
horizontal und senkrecht zu einer Beschussrichtung des Zielfeldes 2,
welche senkrecht zur Zeichenebene der 1 gerichtet
ist.
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An
den Enden der Messbasis 1 ist jeweils ein Radargerät 4, 5 fest
angebracht, und zwar mit der Maßgabe,
dass sich die Richtcharakteristiken der Antennen dieser Geräte symmetrisch
aufwärts
in Richtung auf eine vertikale Mittelebene 3 der Messbasis 1 hin
erstrecken, wobei deren Hauptstrahlrichtungen jeweils einen Winkel
von 45° mit
der Messbasis 1 bilden. Die Antennen der Radargeräte 4, 5,
insbesondere ihre Richtcharakteristiken sind im übrigen dahingehend angelegt,
dass sie lediglich zur Abtastung einer, dem Zielfeld 2 vorgelagerten
flächigen, von
einem zu erfassenden Geschoss im wesentlichen senkrecht zu durchdringenden
Messebene 2' eingerichtet
sind. Die Messebene 2' erstreckt
sich regelmäßig ungefähr parallel
zu der Ebene des Zielfeldes 2.
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Die
Radargeräte 4, 5 sind
beispielsweise nach dem Radarverfahren eines Dauerstrichradars (CW-Radar)
eingerichtet und strahlen im einfachsten Fall ein kontinuierliches,
insbesondere unmoduliertes HF-Signal aus, das an einem, die genannte
Messebene 2' durchdringenden
Geschoss reflektiert wird.
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Zur
Erläuterung
der Wirkungsweise dieser Anordnung wird im Folgenden ergänzend auf
die Darstellungen der 2 bis 4 Bezug genommen, in denen
Funktionselemente, die mit denjenigen der 1 übereinstimmen,
entsprechend beziffert sind, so dass auf eine diesbezügliche wiederholte
Beschreibung verzichtet werden kann.
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In
der in der Zeichenebene der 1 gelegenen
Messebene 2',
die durch die Hauptstrahlrichtungen der links- und rechtsseitigen
Radargeräte
definiert ist, wird zunächst
der Durchstoßpunkt 6 eines zu
vermessenden Geschosses 6' zunächst anhand der
Entfernungen 7, 8 zwischen diesem Durchstoßpunkt 6 und
den radargeräteeigenen
Bezugspunkten 9, 10 ermittelt, und zwar durch
Messung des Energiegehalts eines Echoimpulses bzw. dessen Impulshöhe, welcher/welche
in einer funktionalen Abhängigkeit
zu dem Betrag der jeweiligen Entfernung 7, 8 steht.
In der Messebene 2' bilden
die Entfernungen 7, 8 einerseits und die Entfernung 9' der Bezugspunkte 9, 10 voneinander
ein Dreieck, anhand welchem die Lage des Durchstoßpunktes 6 errechenbar
ist.
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Zur
Beschreibung der Lage des Durchstoßpunktes 6 relativ
zu dem Zielfeld 2, insbesondere dessen Zielobjekt wird
ein X–Y-Koordinatensystem
in der Messebene 2' definiert,
dessen Nullpunkt mit dem Bezugspunkt 9 zusammenfällt, dessen
X-Achse durch die Verbindungslinie der Bezugspunkte 9, 10 gebildet
wird und dessen Y-Achse sich in dem Bezugspunkt 9 senkrecht
zu dieser Verbindungslinie erstreckt. Mit 11 ist in diesem
X–Y-Koordinatensystem der
Schnittpunkt einer Senkrechten ausgehend von dem Durchstoßpunkt 6 auf
die genannte Verbindungslinie bezeichnet, so dass die Punkte 11, 10, 6 ein
rechtwinkliges Dreiecks definieren, dessen eine Kathete 12 die
Y-Koordinate des Durchstoßpunktes 6 bildet,
dessen Hypothenuse der Strecke 8 entspricht und über dessen
Kathete 13 die X-Koordinate des Durchstoßpunktes 6 als
Differenz der Beträge
der Entfernung 9' der
Bezugspunkte 9, 10 und der Länge der Kathete 13 errechenbar
ist. Das genannte X–Y-Koordinatensystem
ist hierbei mit dem Zielfeld 2 in einer, eine rechnergestützte Auswertung
ermöglichenden
Weise ausgerichtet.
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Die 3 zeigt anhand zweier Grafiken
die Echosignale 15, 16 der links- und rechtsseitigen
Radargeräte 4, 5 in
der Form von Verläufen
einer Spannung U als Funktion der Zeit t. Mit U" ist ein konstanter Wert einer Bezugspannung
bezeichnet, der grundsätzlich
beliebig bemessen sein kann.
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Zur
Umsetzung dieses vorstehend beschriebenen Konzepts werden die Echosignale 15, 16 der links-
und rechtsseitigen Radargeräte 4, 5 zwecks Auswertung
in einem Funktionsblock 14 analog erfasst. Diese weisen
nach Maßgabe
der unterschiedlichen Längen 7, 8 hinsichtlich
der Bezugsspannung U' unterschiedliche
Differenzwerte Udiff und UDIFF auf. Lediglich
zum Zweck einer erleichterten rechnerischen Weiterverarbeitung werden
in einem weiteren Funktionsblock 17 die den Signalen 15, 16 entsprechenden,
in 4 dargestellten Differenzsignale 15', 16' gebildet, welche
den genannten Differenzwerten Udiff, UDIFF entsprechen.
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Die
abschließende
Berechnung der X– und Y-Koordinaten
ausgehend von dem, durch die Punkte 9, 10, 6 gebildeten
Dreieck erfolgt in einem nachgeordneten Funktionsblock 18,
wobei das Ergebnis dieser Auswertung zweckmäßig in digitaler Form zwecks
visueller Darstellung, Speicherung und Auswertung einer Rechnereinheit 19 übertragen
wird.
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Das
Konzept der 1 bis 4 wird in 5 mit Hinblick auf eine einfach realisierbare
Geschwindigkeitsmessung eines Geschosses und – hiermit zusammenhängend – die Erkennung
der Geschossart bzw. des Kalibers erweitert.
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Zu
diesem Zweck wird an der Messbasis 1, sich senkrecht zu
dieser erstreckend, eine weitere rohrförmige, zum bodenseitigen Aufliegen
bestimmte Trägerbasis 20 vorzugsweise
lösbar
befestigt. Auf dieser sind nach Maßgabe eines definierten Abstands 21 entlang
dieser zwei weitere Radargeräte 22, 23 angebracht,
die ebenfalls mit der genannten Rechnereinheit 19 in Wirkverbindung
stehen. Diese beiden Geräte 22, 23 sind
vorzugsweise wiederum solche, die nach dem Radarverfahren eines
CW-Radars eingerichtet sind, wobei deren Richtcharakteristiken mit
der Maßgabe
gewählt
sind, dass sich deren Hauptstrahlrichtungen in Ebenen senkrecht
zu der Trägerbasis 20 und
parallel mit Abstand zueinander erstrecken. Idealisiert werden durch
die beiden Radargeräte 22, 23 somit
zwei, in Schussrichtung voneinander beabstandete Messebenen 25, 26 eingerichtet.
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Die
Flugbahn 27 eines Geschosses durchstößt somit nacheinander die Messebenen 25, 26 der Radargeräte 22, 23 und
anschließend
die durch die Radargeräte 4, 5 gemeinsam
definierte Messebene 2'.
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Gemessen
wird nunmehr die Zeitdifferenz tdiff, die
zum Passieren der Messebenen 25, 26 benötigt wird,
so dass anhand deren Abstandes 21 die Geschwindigkeit und
anhand beispielsweise der Impulshöhen das Kaliber des Geschosses
ermittelbar sind.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
können
in vielfältiger
Weise variiert werden. So kann beispielsweise auf die Bauelemente
Messbasis und Trägerbasis
verzichtet werden, wenn in sonstiger, insbesondere reproduzierbarer
Weise eine Positionierung der Radargeräte nach Maßgabe definierter Abstände zueinander
gegeben ist, und zwar auch in Ausrichtung mit dem Zielfeld 2.
Durch die genannten Bauelemente wird eine exakte Positionierung
der Radargeräte
jedoch wesentlich erleichtert.
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In
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Messbasis 1 sowie
die Trägerbasis 20 bzw.
die Radargeräte
stets bodenseitig mit einer aufwärts
gerichteten Hauptstrahlungsrichtung angeordnet. Es ist dies eine
zweckmäßige, leicht
einzurichtende Ausführungsform.
Eine Umkehrung dieser Anordnung, so dass sich die Radargeräte oberhalb
eines Zielfeldes mit einer im wesentlichen abwärts gerichteten Hauptstrahlungsrichtung
befinden, wird jedoch ausdrücklich
nicht ausgeschlossen und kann unter bestimmten Umständen zweckmäßig sein.