DE2355682B1

DE2355682B1 - Verfahren zur rechnerischen Radarzielverfolgung von mehreren dichtfliegenden Flugobjekten

Info

Publication number: DE2355682B1
Application number: DE19732355682
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr-Ing Flad
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-07
Filing date: 1973-11-07
Publication date: 1975-05-15
Also published as: GB1447815A; DE2355682C2; FR2250118B1; FR2250118A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zielverfolgung von mehreren dichtfliegenden Flugobjekten unter Verwendung eines Digitalrechners, dem Flugobjektpositionsdaten zugeführt werden, die fortlaufend durch eine Signalverarbeitungseinrichtung aus den Echosignalen einer Radaranlage gewonnen werden, wobei für jedes Echo ein Vorhersagepunkt bestimmt wird, der mit einem Gebiet, in dem das Echo des nächsten Ortungsvorganges auftreten kann (Erwartungsgebiet), umgeben wird.

In einem modernen Radarsystem werden die vom Radargerät gelieferten Daten automatisch verarbeitet. Dabei wird versucht, aus den empfangenen Radarechos der Flugzeuge deren Flugbahnen zu rekonstruieren. Bei diesem Prozeß, Zielverfolgung genannt, werden die Echomeldungen sortiert und zu Flugspuren zusammengesetzt. Um ein neues Echo der richtigen Spur zuordnen zu können, bedient man sich der sogenannten Erwartungsgebiete. Dies sind Flächen oder Räume, die man auf Grund der über die Spuren gesammelten Kenntnisse so konstruiert, daß der nächste Meßwert mit hoher Wahrscheinlichkeit im Erwartungsgebiet der richtigen Spur angetroffen wird. Solange die Abstände zwischen den Flugzeugen hinreichend groß sind, läuft der Spurbildungsprozeß einigermaßen reibungslos ab. Werden die Abstände dagegen verhältnismäßig klein, so überlappen sich die Erwartungsgebiete, und es kann im allgemeinen nicht mehr eindeutig entschieden werden, welches Echo welcher Spur zuzuordnen ist.

Ein Beispiel dafür ist das Kreuzen von Bahnen von zwei Flugzeugen. Aus dem RRE Memorandum Nr. 2153, Januar 1965, ist ein Verfahren bekannt, mit dessen Hilfe unter bestimmten Voraussetzungen die wahrscheinlichste Zuordnung von Echo und Spur bei Bahnkreuzungen getroffen werden kann.

Aus dem Bericht Nr. 101 des Forschungsinstituts für Funk und Mathematik, Werthof en, April 1968, ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem bei Bahnkreuzungen zunächst alle möglichen Spurfortsetzungen gebildet werden. Nur die echten Spuren überleben, die übrigen sterben ab, weil sie in die falsche Richtung zeigen und ihnen in der Folge-keine Echos mehr zugeordnet werden können.

Ganz anders ist die Situation, wenn mehrere Flugzeuge einen Pulk bilden und gemeinsam den Uberwachungsraum durchqueren. Bei derartigen Pulks ist es bei den beiden vorstehend genannten Verfahren von Anfang an nicht möglich, die Echos zu trennen

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und Spuren zu bilden. Ein Verfahren zur Spurbildung Die reflektierten Echosignale werden wiederum über aus den beiden bekannten Verfahren zu entwickeln die Sende-Empfangs-Weiche 2 zum Empfänger 4 für Flugobjekte, die längere Zeit dicht beieinander weitergegeben. Vom Empfänger 4 gelangen die Echofliegen, ist wenig sinnvoll. Da sich beim Verfolgen signale zu einer Signalverarbeitungseinrichtung 5. In von Pulks die Erwartungsräume vieler Spuren über- 5 dieser Signalverarbeitungseinrichtung werden die bislappen, ist es sehr aufwendig, die wahrscheinlichste her noch analogen. Echosignale digitalisiert und nor-Zuordnung nach dem im RRE Memorandum ge- miert und dann an den Rechner 6 weitergegeben. Im nannten Verfahren zu finden. Außerdem ist die wahr- Rechner 6 läuft ein Zielverfolgungsverfahren mit der scheinlichste Zuordnung von anderen Zuordnungen Fähigkeit der Verfolgung dicht beinander fliegender in der Regel nicht sehr deutlich ausgezeichnet. Noch io Flugobjekte ab. Alle relevanten Größen des Pulks, weniger geeignet ist das aus dem Bericht 101 be- wie Zahl der Flugzeuge, Position, mittlere Geschwinkannte Verfahren, hier würden immer neue Spuren- digkeit, werden errechnet und auf dem Bildschirm 7 Verzweigungen gebildet, bis der verfügbare Speicher- in geeigneter Form dargestellt. Selbstverständlich raum erschöpft wäre. können diese Daten für Dokumentationszwecke noch

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus den 15 auf anderen Medien, z. B. auf Magnetband 8, abge-

empfangenen Echos zu erkennen, ob es sich um einen speichert werden.

Pulk handelt, den Pulk in einfacher Weise so lange An Hand der Fig. 2a, 2b und 3 soll erläutert weiterzuverfolgen, bis durch das Auflösen des Pulks werden, wie das Verfahren erstmalig aufgetretene, oder durch das Abdrehen einzelner Flugzeuge sicher dicht beinander fliegende Objekte erkennt. In Fig. 2a wieder zu einer Darstellung mittels Einzelspuren 20 ist durch einen kleinen Kreis ein Echo E eines erstübergegangen werden kann. malig erkannten Flugobjekts angedeutet. Dieses

Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren Echo wird von einem sogenannten Erwartungsgebiet der eingangs beschriebenen Art bezieht, wird dies da- AR umgeben, dessen Abmessungen sich bei der erstdurch erreicht, daß in einem Pulkerkennungsschritt maligen Analyse aus den Meßfehlern sowie den jedes Echo daraufhin überprüft wird, ob es (im Sinne 25 Strecken ergeben, die ein Flugzeug mit der Maximalder Mengenlehre) im Durchschnitt mehrerer Erwar- geschwindigkeit v_max bis zum nächsten Ortungsvortungsgebiete liegt, daß diejenigen Flugobjekte vor- gang zurücklegen kann. Weil die Meßfehler gegenläufig als in einem Pulk fliegend festgehalten werden, über der Strecke v_m?x -T(T = Zeit zwischen zwei urin deren Erwartungsgebiet das jeweils überprüfte tungen) im allgemeinen zu vernachlässigen sind, sind Echo aufgetreten ist, daß in einem Pulkvorhersage- 30 die Erwartungsgebiete im wesentlichen Kreise mit dem schritt bei jeder Ortung ein Echoschwerpunkt aus den Durchmesser 2 · v_max ■ T, die in den F i g. 2 a, 2 b und Pulkechos errechnet und aus dem Abstand des ak- 3 der Übersichtlichkeit wegen immer durch Quatuellen Echoschwerpunkts vom vorhergegangenen drate der Kantenlänge 2-v_max-T ersetzt werden. Echoschwerpunkt die mittlere Geschwindigkeit des Wenn bei der erstmaligen Pulkechoanalyse Informa-Pulks gebildet wird, daß mit dieser Geschwindigkeit 35 tionen über die Radialgeschwindigkeit v_rad vorliegen, von jedem Echo aus ein neuer Vorhersagepunkt be- können die Erwartungsgebiete bereits kleiner gestimmt wird, um den dann ein Erwartungsgebiet auf- wählt werden. Diese sind dann Ellipsen, deren Halbgespannt wird, achsenabmessung in radialer Richtung sich aus dem

Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung können Entfernungsmeßfehler, dem Meßfehler der Radialge-Pulks erkannt und die Zielverfolgung in der Rechen- 40 schwindigkeit und der Grenzbeschleunigung ergibt anlage vorgenommen werden, wobei lediglich die Re- und deren Halbachsenabmessung in azimutaler Richsultate der ohnehin notwendigen Erwartungsraum- rung sich ergibt aus den Azimutmeßfehlern und der analyse auszuwerten sind. Es wird erst dann versucht, maximal möglichen Geschwindigkeitskomponente in zu Einzelspuren überzugehen, wenn dies erfolgsver- azimutaler Richtung, die aus v_max und der gemessesprechend und mit geringem Rechenaufwand möglich 45 nen Radialgeschwindigkeit nach der Formel

Die Vorteile der Erfindung sowie deren Weiterbil- ^v2ma_Xaz = v²max ~ v² _rad

dung werden an Hand von Zeichnungen näher er- berechnet wird,

läutert. Es zeigt In Fig. 2b sind sechs relativ nahe beieinander-

Fig. 1 ein Prinzip-Blockschaltbild eines Rund- 50 liegende Echos aufgezeichnet, die mit El, El,...

such-Radargerätes mit automatischer Auswertung der E 6 bezeichnet sind; die zugehörigen Erwartungsge-

Radardaten, biete sind mit AR 1 bis AR 6 gekennzeichnet. Durch

Fig. 2a ein Echo mit dem darum aufgespannten feine Schraffur ist angedeutet, daß sich die Erwar-

Erwartungsgebiet, tungsgebiete vielfach überlappen. Die Bereiche von

Fig. 2b einige benachbarte Echos mit den sich 55 Erwartungsgebieten, die sich mit anderen Erwar-

überlappenden Erwartungsgebieten, tungsgebieten überdecken, sollen im weiteren als

F i g. 3 eine Verkettung benachbarter Flugziele »Durchschnitt« dieser Erwartungsgebiete bezeichnet

durch Echos im Durchschnitt der Erwartungsgebiete werden,

und Erkennung als Pulk, Ausgehend von Fi g. 2 b sind in Fi g. 3 die Echos

Fig. 4 eine Darstellung der Verfolgung eines ⁶° El bis E6 eines ersten Ortungsvorganges und deren

Pulks, Erwartungsgebiete AR 1 bis AR 6 eingezeichnet.

F i g. 5 und 6 den zeitlichen Ablauf des Verfah- Beim nächsten Ortungsvorgang sollen nun unter an-

rens zur Zielverfolgung bei dicht beieinander fliegen- derem zwei Echos E7, FS auftauchen, die hier durch

den Flugobjekten. Kreuze dargestellt sind Das Echo El liegt imDurch-

In Fig. 1 ist eine Radaranlage schematisch darge- 65 schnitt der Erwartungsgebiete der Echos EA, ES und

stellt. Von einem Sender 3 gelangen Radarsignale E6. Damit ist klar, daß es sich beim Echo El um

über eine Sende- und Empfangsweiche 2 zur Radar- das Echo eines der Objekte handelt, die bei der letz-

antenne 1 und werden dort in den Raum abgestrahlt. ten Ortung die Echos EA, E 5 oder E 6 hervorgerufen

haben. Auf eine Zuordnung des Echos £7 zu einem der vorhergegangenen Echos £4, E 5 oder E 6 wird verzichtet; statt dessen wird vorläufig angenommen, daß die Objekte, die die Echos E4, ES, E6 hervorgerufen haben, im Pulk beieinanderfliegen; diese Beziehung wird vom Verfahren festgehalten. Ähnlich verhält es sich mit dem Echo £8, das im Durchschnitt der Erwartungsgebiete der Echos El, El und E4 liegt. Auch hier wird angenommen, daß die Objekte, die die Echos El₃ El und E4 hervorgerufen haben, dicht beieinander fliegen. Weil das Echo E 4 auch mit den Echos ES und E6 verkettet ist, sind somit die Echos El, El, E4, E5 und E6 miteinander verkettet. Auf diese Weise findet man nacheinander alle Echos, die miteinander verkettet sind und kann sie als Pulkbetrachten. Zur ersten Erkennung und Initiierung eines Pulks braucht man also nur die Resultate der ohnehin notwendigen Erwartungsgebietanalyse auszuwerten.

An Hand von F i g. 4 soll gezeigt werden, wie der Pulk weiterverfolgt wird. In der Mitte von F i g. 4 sind die Echos E12 bis E 61 des gerade aktuellen, z. B. des zweiten Ortungsvorganges aufgezeichnet, dazu in Fi g. 4 oben die Echos Eil bis E61 des letzten (z. B. ersten) Ortungsvorganges. Durch strichlinierte Linien ist angedeutet, daß die Echos miteinander verkettet sind, die Flugobjekte also als Pulk fliegen. Es wird nun der Echoschwerpunkt Sl aus den Echos £12 bis £62 des aktuellen Ortungsvorganges berechnet; wenn dieser der zweite ist, wird außerdem noch der Echoschwerpunkt 51 der Echos £11 bis £61 des ersten Ortungsvorgangs berechnet. Die Echoschwerpunktsberechnung erfolgt durch einfache Mittelwertbildung der Echokoordinaten. Aus dem Abstand des aktuellen Echoschwerpunkts 52 vom letzten Echoschwerpunkt 51 kann die mittlere Geschwindigkeit des Pulks berechnet werden. Mit dieser mittleren Geschwindigkeit wird von jedem der Echopunkte £12 bis £62 aus extrapoliert und so die Vorhersagepunkte Vl bis V6 gefunden. Um jeden dieser Vorhersagepunkte Vl bis V6 werden wie bei der erstmaligen Analyse Erwartungsgebiete aufgespannt. Im Gegensatz zu den Abmessungen der Erwartungsgebiete bei der erstmaligen Echoanalyse (F i g. 3) sind die Abmessungen im wesentlichen durch die Meßfehler in radialer und azimutaler Richtung und die Grenzbeschleunigungen der Flugobjekte bestimmt. Die Meßfehler in radialer Richtung sind im allgemeinen wesentlich kleiner als die in azimutaler Richtung, so daß sich als Erwartungsgebiete schmale Ellipsen ergeben, die entsprechend den Grenzbeschleunigungen vergrößert werden. Der Übersichtlichkeit wegen wurden diese Ellipsen in den F i g. 4, 5 und 6 durch Rechtecke entsprechender Abmessung dargestellt. Die Erwartungsgebiete während der Pulkverfolgung sind wesentlich kleiner als die während der erstmaligen Echoanalyse, so daß sich unter Umständen die Erwartungsgebiete nicht mehr überlappen und deshalb bereits zur Einzelspurbildung übergegangen werden kann. Andernfalls wird nach der nächsten Ortung wiederum festgestellt, ob die Echos im Durchschnitt mehrerer Erwartungsgebiete liegen, d. h. inwieweit der Pulk noch fortbesteht. Weiterhin wird wiederum der Echoschwerpunkt gebildet und das Verfahren wie an Hand der F i g. 4 beschrieben fortgesetzt. Dabei werden wieder nur die Flugobjekte berücksichtigt, die noch zum Pulk gehören, während die Objekte, deren Echos nicht mehr im Durchschnitt mehrerer Erwartungsgebiete liegen, von nun an getrennt weiterverfolgt werden.

In F i g. 5 sollen noch einmal die einzelnen Schritte des Verfahrens während der erstmaligen Echoanalyse und der Pulkweiterverfolgung, in F i g. 6 der Übergang zu Einzelspuren gezeigt werden. Dazu ist in der ersten Spalte der Fig. 5 und 6 dargestellt, welche Informationen von der Signalverarbeitungseinrichtung 5 zur Verfügung gestellt wird, in der zweiten Spalte

ίο wird angedeutet, welche Operationen vom Rechner 6 auf Grund der eingegangenen Positionsdaten der Echos vorgenommen werden, in der dritten Spalte wird gezeigt, wie die Darstellung auf dem Bildschirm 7 erfolgt. Untereinander ist in den einzelnen Zeilen angegeben, welche Schritte des Verfahrens zu den aufeinanderfolgenden Ortungszeitpunkten durchlaufen werden.

Zunächst sollen bei einem ersten Ortungsvorgang OFl Echos, die den Echos£11 bis £61 aus Fig. 4

zo entsprechen, das erste Mal auftauchen. In der Signalverarbeitungseinrichtung 5 werden die Koordinaten der Echos bestimmt. Da die Echos keinen bekannten Spuren zuzuordnen sind, werden sie in eine Neuspurliste eingetragen und mit Erwartungsgebieten um- geben, die, wie schon zur F i g. 2 a beschrieben, Kreise mit dem Durchmesser d = 2 · v_max · T sind, die aber in der Zeichnung wieder durch Qudrate entsprechender Abmessung ersetzt werden. Auf dem Bildschirm? werden die Echos als Lichtpunkte in der üblichen Weise,hier z.B. in /--^-Darstellung, angezeigt (Fig.5,

OFl).

Bei dem darauffolgenden Ortungsvorgang OF2 werden sich die Flugobjekte eine bestimmte Strecke fortbewegt haben. Die Signalverarbeitungseinrichtung 5 liefert die neuen Positionsdaten an den Rechner 6. Dieser prüft nun, ob die einzelnen Echos im Durchschnitt mehrerer Erwartungsgebiete der vorangegangenen Ortung liegen. Ist dies der Fall, wird angenommen, daß die Flugobjekte, die den Erwartungsgebieten zugeordnet waren, nahe beieinander fliegen. So werden nach und nach alle Echos überprüft und die Existenz des Pulks erkannt (Fig. 5, OVId). Aus den Positionsdaten wird nun ein Echoschwerpunkt errechnet, beim erstmaligen Erkennen eines Pulks außerdem noch der Echoschwerpunkt der vorangegangenen (ersten) Ortung des Pulks. Aus dem Abstand des aktuellen Echoschwerpunkts vom Echoschwerpunkt der letzten Ortung läßt sich die mittlere Geschwindigkeit des Pulks errechnen.

Mit dieser mittleren Geschwindigkeit wird von jedem Echo aus ein Vorhersagepunkt extrapoliert. Diese Vorhersagepunkte sind in Fig.5 bei OVIb mit kleinen Quadraten angedeutet. Auf dem Bildschirm? wird der Pulk durch seine Echos dargestellt, zusätzlich wird im Echoschwerpunkt die mittlere Geschwindigkeit als Vektor angegeben.

In einem letzten Schritt werden nun um die Vorhersagepunkte Erwartungsgebiete mit den an Hand der Fig. 4 beschriebenen Abmessungen gelegt (Fig. 5, OF2c). Solange der Pulk zusammenbleibt, durchläuft das Verfahren immer wieder die in Fig. 5 in OF2a, OVIb, OVIc verdeutlichten Schritte, also im wesentlichen Pulkerkennung, Berechnung des Echoschwerpunkts, Extrapolation, Aufspannung von Verfolgungserwartungsgebieten.

In Fig. 6, OVka, sei nun angenommen, ein Flugzeug habe begonnen abzudrehen und habe sich bereits ein Stück vom Pulk entfernt. In der ersten

Spalte OVKa ist dies an Hand der von der Signalverarbeitungseinrichtung 5 gelieferten Positionsdaten des Echos El verdeutlicht. Dieses Echo liegt jetzt nur noch in seinem Erwartungsgebiet und nicht mehr im Durchschnitt mehrerer Erwartungsgebiete und wird nun nicht mehr dem Pulk zugeordnet (F i g. 6, Zeile 1, OVka).

Mit diesem einen Echo 2? 1 wird nun zur Einzelspurbildung übergegangen. Dies geschieht im allgemeinen dadurch, daß aus den aktuellen Echopositionsdaten und den Positionsdaten des letzten Ortungsvorgangs zu einem einzelnen Vorhersagepunkt Vl extrapoliert wird. Die so entstandene Einzelspur wird ab jetzt getrennt vom Pulk weiterverfolgt und auch am Bildschirm getrennt dargestellt (F i g. 6, OVkb). Bei weiteren Schwerpunktsberechnungen wird dieses Echo El nicht mehr berücksichtigt.

Wird neben der Entfernung und dem Azimutwinkel noch die Höhe der Flugobjekte bei den Ortungsvorgängen ermittelt, so kann die Wirksamkeit des Verfahrens noch erhöht werden, wenn als Erwartungsgebiete statt der Flächen entsprechende Raumgebilde gewählt werden. Statt der Kreise werden dann zweckmäßig Kugeln, statt der Ellipsen werden Ellipsoide entsprechender Abmessungen gewählt. Ansonsten werden alle Schritte des Verfahrens mit den dreidimensionellen Positionsdaten der Echos durchgeführt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 509520/241

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Zielverfolgung von mehreren dichtfliegenden Flugobjekten unter Verwendung eines Digitalrechners, dem Flugobjektpositionsdaten zugeführt werden, die fortlaufend durch eine Signalverarbeitungseinrichtung aus denEchosignalen einer Radaranlage gewonnen werden, wobei für jedes Echo ein Vorhersagepunkt bestimmt wird, der mit einem Gebiet, in dem das Echo des nächsten Ortungsvorganges auftreten kann (Erwartungsgebiet), umgeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Pulkerkennungsschritt jedes Echo (El bis £8; EU bis £"61, E12 bis £"62) daraufhin überprüft wird, ob es im Durchschnitt mehrerer Erwartungsgebiete (AR 1 bis AR 6) liegt, daß diejenigen Flugobjekte vorläufig als in einem Pulk fliegend festgehalten werden, in deren Erwartungsgebiet (AR 1 bis AR 6) das jeweils überprüfte Echo aufgetreten ist, daß in einem Pulkvorhersageschritt bei jeder Ortung ein Echoschwerpunkt (S 1 bzw. 52) aus den Pulkechos (£11 bis £61 bzw. E12 bis E 62) errechnet und aus dem Abstand des aktuellen Echoschwerpunkts (52) vom vorhergegangenen Echoschwerpunkt (51) die mittlere Geschwindigkeit des Pulks gebildet wird, daß mit dieser Geschwindigkeit von jedem Echo (£12 bis £62) aus ein neuer Vorhersagepunkt (Vl bis V6) bestimmt wird, um den dann ein Erwartungsgebiet aufgespannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Pulkauflösungsphase ein Echo (£1 in Fig. 6), das nur in einem Erwartungsgebiet auftrat und deshalb im Pulkerkennungsschritt nicht mehr dem Pulk zugeordnet werden konnte, dadurch vom Pulk getrennt weiterverarbeitet wird, daß das Echo aus der Liste der Pulkechos gelöscht und dann ein Vorhersagepunkf. (Fl) bestimmt wird, um den ein Erwartungsgebiet aufgespannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwartungsbiete (ARl bis AR6), die beim erstmaligen Auftauchen des Echos um diese gelegt werden, Kreise mit dem Durchmesser d = 2 ■ v_max · T sind, wobei v_max die zu erwartende Maximalgeschwindigkeit und T die Zeit zwischen zwei Ortungsvorgängen ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Pulkweiterverfolgung um die Vorhersagepunkte (Fl bis V6) aufgespannten Erwartungsgebiete (AR 1 bis AR6) schmale Ellipsen sind, deren Abmessungen sich aus den unterschiedlichen Meßfehlern in radialer und azimutaler Richtung und den Grenzbeschleunigungen der Flugobjekte ergeben.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen von Informationen über die Radialgeschwindigkeit der Flugobjekte die beim erstmaligen Auftauchen der Echos um diese gelegten Erwartungsgebiete schmale Ellipsen sind, deren Halbachsenabmessung in radialer Richtung sich aus dem Entfernungsmeßfehler, dem Meßfehler der Radialgeschwindigkeit und der Grenzbeschleunigung ergibt und deren Halbachsenabmessung in azimutaler Richtung sich ergibt aus den Azimutmeßfehlern und der maximal möglichen Geschwindigkeitskomponente in azimutaler Richtung, die aus der Maximalgeschwindigkeit v_max und der gemessenen Radialgeschwindigkeit errechnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen von Höheninformationen der Flugobjekte die flächenhaften Erwartungsgebiete durch Erwartungsräume entsprechender Abmessung ergänzt werden.