DE2414192A1

DE2414192A1 - Verfahren zur bestimmung der ausrichtung eines ersten objektes in bezug auf ein zweites objekt mittels schallmessung

Info

Publication number: DE2414192A1
Application number: DE2414192A
Authority: DE
Inventors: Donald Jack Rotier
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1973-03-30
Filing date: 1974-03-25
Publication date: 1974-12-12
Also published as: IT1003964B; FR2223703A1; US3836953A; NL7404341A; GB1469536A; SE389562B

Description

02-4573 Ge - ₂2. Mars 1974

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis Minn., USA

Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung eines ersten Objektes in Bezug auf ein zweites Objekt mittels Schallmessung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung eines ersten Objektes in Bezug auf ein zweites Objekt mittels Schallmessung, wobei das erste. Objekt in Bezug auf das zweite Objekt beweglich ist, mit zwei Schallsendern am ersten Objekt und drei Schallempfängern am zweiten Objekt, wobei aufgrund der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit und der Schallaufzeit die Koordinaten der Schallsender und damit die räumlich Ausrichtung des ersten Objektes bestimmt wird.

Bekannte Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung eines Objektes in Bezug auf ein anderes Objekt benutzen akustische Übertragungssysterne, die auf den Objekten angeordnet sind, messen die Laufzeit der akustischen Signale zwischen den Objekten und be rechnen die relative Lage der Objekte zueinander mit Hilfe der gemessenen Laufzeit und einer angenommenen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit. Ein solches bekanntes Verfahren wird beispielsweise benutzt, um die Lage eines von einem Piloten getragenen Helmes in Bezug auf ein ortsfestes Bezugssystem zu bestimmen. Ein solches be kanntes System ist in einem Aufsatz erschienen in "Proceedings of the Fall Joint Computer Conference",1968, auf den Seiten 760-761 beschrieben. Eine andere bekannte mit Ultraschall arbeitende

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LageteifcLmmungseinrichtung ist in der gleichen Zeitschrift 1966, auf den Seiten 223-227 erörtert worden. Auf Seite 227 dieser Veröffentlichung wird auf bestehende Fehler in der Lagebestimmungseinrichtung hingewiesen _t die aus einer Änderung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit resultieren. Es wird dort festgestellt, daß Änderungen hinsichtlich der Temperatur des Übertragungsmediums Änderungen in der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit verursachen.

Wenn solche bekannte . akustische Übertragungssysteme benutzt werden, um die Visierlinie eines Piloten, der über ein Fadenkreuz am Helm ein Ziel anvisiert, zu bestimmen, so müssen, wenn das System nicht nur unter labormäßigen Bedingungen funktionieren soll, die Fehler, die durch Änderungen der Temperatur und des Druckes verursacht werden, berücksichtigt werden. Bei einer Einrichtung, bei der die Ausrichtung eines Helmes akustisch vermessen wird und daraus Nachführsignale für Zieleinrichtungen hergeleitet werden, ist es daher unbedingt erforderlich, den Wert für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit den veränderlichen Werten des Übertragungsmediums anzupassen.

In verschiedenen bekannten System, die mittels Schallmessung die relative Lage zweier Objekte zueinander bestimmen, wurde diesem Problem Rechnung getragen. So ist beispielsweise in dem US-Patent 2 841 775 ein System beschrieben worden, welches separat angeordnete Schallempfänger und Schallsender verwendet, die in einem bekannten Abstand angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit exakt ermittelt werden und der ermittelte Wert kann sodann in der eigentlichen Lagebestimmungseinrichtung verwendet werden. Eine weitere ganz ähnliche Einrichtung ist in dem US-Patent 3 496 524, insbesondere in Figur 6, dargestellt. Auch dort wird zur Ermittlung der exakten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit ein separates System verwendet.

Die bekannten Systeme sind in mancherlei Hinsicht als nachteilig zu betrachten. So verursacht ein zusätzliches System zusätzliche

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Kosten und beansprucht zusätzlichen Platz. Eine Verfälschung der Messung kann zusätzlich auftreten, wenn die Mediumsverhältnisse am Ort des Hilfssystemsund des eigentlichen Systems differieren.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung eines ersten Objektes in Bezug auf ein zweites Objekt mittels Schallmessung anzugeben, bei dem auf ein getrenntes Hilfssystem zur Bestimmung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit verzichtet werden kann und trotzdem die Vermessung der Lage eines Objektes unter Zugrundelegung der tatsächlichen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit erfolgen kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Teilsystems zur Bestimmung der Ausrichtung einer Sichtlinie, wofür die vorliegende Erfindung vorzugsweise benutzt wird; Figur 2 die Darstellung der zur Visierlinienbestimmung erforderlichen Schallsender und Schallempfänger in einem kartesischen Koordinatensystem;

Figur 3 eine vereinfacht Blockdiagrammdarstellung eines Ultraschallsystems zur Bestimmung der Ausrichtung einer Visierlinie, in welcher die Ermittlung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist; Figur 4 eine Blockdiagrammdarstellung einer Recheneinrichtung zur Ermittlung der korrigierten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit und

Figur 5 eine Flußdiagrammdarstellung der zur Ermittlung einer korrigierten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit erforderlichen Rechenschritte auf einem Digitalrechner.

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In Figur t sind die grundlegenden Elemente einer Einrichtung zur Bestimmung der Ausrichtung einer Visierlinie dargestellt. Die Einrichtung verwendet ein akustisches übertragunssystem. Ein Beobachter 10, beispielsweise ein Pilot, trägt einen Helm 12. Der Helm 12 weist einen gebogenen durchsichtigen Schirm auf, auf welchen ein Fadenkreuzmuster 16 projiziert wird. Das Fadenkreuzmuster 16 erscheint dem Beobachter 10 im Unendlichen der Außenwelt überlagert. Zwei Schallsender 18 und 20 sind am Helm 12 angeordnet. In einem ausgeführten Beispiel werden Ultraschallsender mit einer Resonanzfrequenz von 75 kHz verwendet. Die Schallsender 18 und 20 sind unter einem vorgegebenen Abstand S angeordnet. Bei der Anbringung der Schallsender 18 und 20 ist darauf zu achten, daß außer dem vorgegebenen Abstand S eine bestimmte räumliche Zuordnung im Hinblick auf das Fadenkreuzmuster 16 einzuhalten ist. Die Schallsender 18 und 20 sind so angeordnet, daß ihre Verbindungslinie parallel zu einer Sichtlinie 22 des Beobachters 10 verläuft, wobei die Sichtlinie 22 durch das Fadenkreuzmuster 16 und das eine Auge des Beobachters 10 definiert wird. Für die Funktion des Systems ist es nicht erforderlich, daß die Verbindungslinie zwischen den beiden Schallsendern 18 und 20 parallel zu der Sichtlinie 22 verlauft,aber es ist wesentlich, daß zwischen diesen beiden Linien ein vorbestimmter und bekannter Winkel eingehalten wird. Die Sichtlinie 22 wird in Figur 2 durch einen Pfeil mit der Bezeichnung "LOS" dargestellt. Der Ausdruck "LOS" steht im weiteren Verlauf der Beschreibung für die Visierlinie 22. In einem festen Bezugspunkt, beispielsweise an der Wand der Pilotenkanzel, ist eine Schallempfangseinrichtung 24 angeordnet. Die Schallempfangseinrichtung 24 weist drei Schallempfänger 26,28 und 30 auf. Gemäß Figur 1 verlaufen von den beiden Schallsendern 18 und 20 jeweils drei gestrichelte Linien zu den Schallempfängern 26,28 und 30. Diese gestrichelten Linien stellen gepulste Schallsignale dar, welche von jedem Sender ausgesendet werden und von den entsprechenden drei Empfängern empfangen werden. Zur Bestimmung der Ausrichtung der Visierlinie "LOS" werden die Laufzeiten der Schallsignale zwischen Sender und

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Empfänger gemessen und einem Rechner eingegeben, welcher die Koordinaten der beiden Schallsender 18 und 20 errechnet. Zur Berechnung dieser Koordinaten ist zusätzlich die Kenntnis der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit erforderlich. Die später noch zu beschreibende Einrichtung zur Ermittlung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit ergibt den für die Berechnung der Koordinaten der Visierlinie erforderlichen korrekten Wert.

Figur 2 zeigt in einem rechthändigen, kartesischen Koordinatensystem die räumliche Zuordnung zwischen den an der einen Seite des Helmes 12 angeordneten Schallsendern 18 und 20 und den drei Schallempfängern 26,28 und 30 auf dem Schallempfangssystem 24. In dem kartesischen Koordinatensystem sind die positive X,Y und Z-Achse dargestellt. Zum leichteren Verständnis sind den Achsen jeweils die Richtung zugeordnet, die der den Helm tragende Pilot den entsprechenden Koordinaten zuordnet. So blickt der Pilot in Richtung der positiven X-Achse in Vorwärtsrichtung, die positive Y-Achse befindet sich rechts von ihm und die positive Z-Achse zeigt für ihn nach unten. In Figur 2 ist jeder Schallsender und jeder Schallempfänger durch einen Punkt markiert. Die einzelnen Punkte sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet. Zusätzlich sind zu jedem Punkt in WieP-i&ordinaten angeschrieben. Der Schallsender 18 ist in der Spitze des die Visierlinie markierenden Pfeiles LOS angeordnet. Obwohl dieser Pfeil nicht deckungsgleich mit dem Pfeil 22 in Figur 1 ist, wurde er in gleicher Weise beziffert, da die Verbindungslinie zwischen den Schallsendern 18 und 20 parallel zu der Visierlinie 22 verläuft und daher die gleiche räumliche Zuordnung zu dem Koordinatensystem gemäß Figur 2 wie die tatsächliche Visierlinie 22 aufweist. Der Schallsender 18 weist die Koordinaten (X,, Y,, Z-) auf. Im Ausgangspunkt des Pfeiles LOS ist der Schallsender 20 angeordnet, welcher die Koordinaten (X„, Y_ß, Z_) aufweist. Die Lage der drei Schallempfänger in der Schallempfangsrichtung 24 wurden so gewählt, daß ihre Koordinaten eine möglichst einfache Berechnung der Lage der Schallsender 18 und 20 gestatten.Im Ursprung

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des Koordinatensystems gemäß Figur 2 ist der Schallempfänger 26 angeordnet. Die anderen beiden Schallempfänger sind in der X-Z-Ebene unter einerX-Koordinate von X^ⁿunter Z-Koordinaten von + Z_Q angeordnet. Somit ist der Schallempfänger 30 in dem Koordinatenpunkt (Xq/ 0, -Zq) angeordnet. Andererseits befindet sich der Schallempfänger 28 in dem Koordinatenpunkt (Xq/ 0/ Z_) .

ÄCßjehend vom Schallsender 18 sind drei langgestrichelte Linien d- , d₂ und d₃ eingezeichnet. Diese Linien stellen ein gepulstes Schallsignal dar, welches von dem Schallsender 18 ausgesandt wird und von jedem der drei Schallempfänger 26,28 und 30 empfangen wird. Unter der Annahme, daß die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit im wesentlichen konstant über diese kurze Entfernung zwischen Schallsender und Schallempfängern ist, ist die Länge dieser Linien proportional zu der Schallaufzeit zwischen diesen Punkten. In gleicher Weise sind drei kurzgestrichelte Linien d,, d^ und d_fi,vom Schallsender 20 ausgehend*, eingezeichnet. Diese Linien enden ebenfalls in den drei Schallempfängern und stellen die entsprechenden Entfernungen zwischen Schallsender und zugeordneten Schallempfängern dar.

Im nachfolgenden soll nunmehr die Notwendigkeit einer genauen Bestimmung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit im Zusammenhang mit der Bestimmung der Ausrichtung einer Visierlinie erläutert werden, wobei auf die in Figur 1 und 2 dargestellten Verhältnisse Bezug genommen wird.

Der allgemeine formelmäßige Zusammenhang zur Bestimmung der Entfernung zweier Punkte in einem kartesischen Koordinatensystem ist folgender:

2 2 2 .2 (λ)

Pi Po 1 ' ?. 12 12

worin D - den Abstand zwischen den beiden Punkten P- und P₂

darstellt. Der Punkt P- habe hierbei die Koordinaten (X-, Y-, Z-) und der Punkt P₉ die Koordinaten (X₀, Y₀, Z₉). Unter Verwendung dieser Gleichung kann die Entfernung zwischen einem Sender und

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den drei Empfängern unter Zugrundelegung ihrer Koordinaten er-

die rechnet werden. Für den Schallsender 18 ergeben sich in Figur 2

eingezeichneten Entfernungen d-, d„ und d₃ wie folgt:

= (X_A-X₀)² + Υ_Ά ² + (Z_A-Z₀)² (4).

Durch geeignete Substitution und agebraische Auflösung ergeben sich die Koordinaten des Schallsenders 18 - ausgedrückt in bekannten und unbekannten Entfernungen - wie folgt:

9 7 7 7 7

²V -^d2 -^d3 , y ⁺ V (5)

^{A 4x}o ^2xo

_ ^d2 - ^d3 (6)

²A -- AT₀

Aus den Gleichungen (5) und (6) folgt:

1/2 (7)

Zur Errechnung dieser Koordinaten sind jedoch immernoch die entsprechenden Entfernungen erforderlich. Wie bereits vorstehend erwähnt, benutzt das hier verwendete System Schallaufzeiten. Eine Laufzeit kann in eine Entfernung durch folgende Beziehung umgewandelt werden:

⁰I = Vi ⁽⁸⁾

In dieser Beziehung stellt d. die Entfernung zwischen einem Sender und einem Empfänger dar und t. ist die von dem System gemessene Zeit, die ein Impuls braucht, um von einem Schallsender entlang-des Weges d. zu einem Schallempfänger zu gelangen. C„ stellt eine angenommene Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit ds.r. Benutzt man diese wohlbekannte Beziehung und nimmt entsprechende

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Substitutionen in den Gleichungen für die Koordinaten bezüglich des Schallsenders 18 vor, so ergibt sich:

^YA

Die Koordinaten für den hinteren Schallsender 20 werden durch ähnliche Gleichungen gewonnen. Aus diesen Gleichungen kann die Ausrichtung der Visierlinie unter Verwendung der errechneten Schallsenderkoordinaten und der bekannten Schallsenderentfernung S errechnet werden. Die Richtungskomponenten der Visierlinie sind durch folgende Ausdrücke gegeben:

^XA " ^XB
^A (12)

A_y = (13)

	S	^YB
^YA	-
	S	Z
Z	-

Die errechneten Richtungskomponenten für die Ausrichtung der Visierlinie können sodann benutzt werden, um Waffen oder Seh-HiIfSeinrichtungen, wie Fernsehkameras oder optische Fühler nachzuführen. Aus den Gleichungen (9), (10) und (11) geht hervor, daß die Kenntnis der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit äußerst wichtig für die exakte Berechnung der Visierlinie ist. Da die Vorrichtung zur Bestimmung der Ausrichtung der Visierlinie oft an Orten verwendet wird, wo die Temperatur und der Druck großen Schwankungen unterliegt, ist davon auszugehen, daß die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit sich ebenfalls um nicht vernachlässigbare Beträge verändert.

Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Ausrichtung der

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Visierlinie unter Verwendung einer jeweils korrigierten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit errechnet wird. Eine Empfänger/ Filter-Vorrichtung 36 weist neben drei Empfängern jeweils ein zugeordnetes Filter auf, wodurch es möglich ist, die von einem Ultraschällsender 60 über zwei im Abstand S angeordnete Quellen abgestrahlten Utralschallsignale zu erkennen und zu empfangen. Die empfangenen Signale werden einer Impulsdetektor-Schaltung zugeführt. Drei Pfeile zwischen der Empfänger/Filter-Vorrichtung 36 und der Impulsdetektor-Schaltung 40 deuten an, daß jeweils drei Signale übertragen werden. Die Impulsdetektor-Schaltung 40 erzeugt beim Empfang eines Schallsignales ein logisches Signal an einem ihrer Ausgänge, wobei das empfangene Signal beispielsweise anhand eines Null-Durchganges oder einer Amplitudenspitze festgestellt wird. Drei Ausgänge der Impulsdetektor-Schaltung sind auf eine Start/Stop-Logikschaltung 44 geführt. Die drei der Start/Stop-Logikschaltung 44 zugeführten logischen Signale werden dazu benutzt, ein Stopsignal für jeden von drei in einer Oszillator/Zähler-Schaltung 46 enthaltenen Zählern zu erzeugen. Jeder dieser Zähler war vorher durch ein Startsignal, welches ebenfalls von der Start/Stop/Logikschaltung 44 erzeugt wurde, gestartet worden. Die Startsignale werden über eine Verbindungsleitüng 48 auf die Oszillator/Zähler-Schaltung 46 gegeben. Ein mit dem Startsignal synchrones' Signal wird über eine Verbindungsleitung 50 von der Start/Stop-Logikschaltung 44 auf eine Sender-Ansteuerelektronik 54 gegeben. Die Sender-Ansteuerelektronik 54 weist ein Senderansteuerprogramm auf, welches getrennte Ansteuerimpulse für jeden Schallsender erzeugt. Das Sender-Ansteuerprogramm in der Sender-Ansteuerelektronik 54 wird durch das auf der Verbindungsleitung 50 ankommende Signal gestartet. Die Ansteuerimpulse werden über eine Verbindungsleitung 56 auf den Ultraschallsender 60 gegeben. Auf diese Weise werden die beiden Schallquellen des Ultraschallsenders 60 hintereinander zur Abgabe von Schallimpulsen angeregt. Die Start/Stop-Logikschaltung 44 bewirkt demnach gleichzeitig, den Start entsprechender Zähler in der Oszillator/Zähler-Schaltung 46 und die Aussendung eines Ultraschallsignales an einer der-beiden Quellen des Ultraschallsenders 60. Das ausgesendete Schallsignal wird von der Empfänger/Filter-

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- ίο -

Vorrichtung 36 empfangen und von der Impulsdetektor-Schaltung 40 registriert, worauf über die Start/Stop-Logikschaltung 44 ein Stopsignal für die in der Oszillator/Zähler-Schaltung 46 enthaltenen Zähler erzeugt wird. Der Zählstand dieser Zähler ist somit jeweils ein Ausdruck für die Laufzeit des Schallsignals zwischen der Schallquelle und den drei zugeordneten Schallempfängern. Der Inhalt der drei Zähler, d.h. drei Laufzeiten werden jeweils einem Rechner 64 zugeführt. Die Zählerstände werden anschließend gelöscht und die Schaltungsanordnung ist somit in der Lage in gleicher Weise die Laufzeiten zwischen der zweiten Schallquelle und den zugeordneten Empfängern zu bestimmen. Auf diese Weise werden sechs Laufzeiten erhalten, welche erforderlich sind, um die Koordinaten der Schallsender in Bezug auf die Schallempfänger zu bestimmen.

Der Rechner 64 ist so aufgebaut und programmiert, daß er in der Lage ist, die Gleichungen (9) bis (11) zu lösen. Bei der Berechnung dieser Koordinaten wird eine Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit zugrundegelegt, die entweder geschätzt ist oder einem Wert entspricht, welcher bei einer voraugegangenen Berechnung der Ausrichtung der Visierlinie benutzt wurde. In der weiteren Beschreibung soll der Ausdruck CL, für diesen angenommenen bzw. vorher errechneten Wert stehen. Andererseits soll der Ausdruck C_n+1 sich auf eine korrigierte Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit beziehen, welche gemäß dem Verfahren der Erfindung berechnet wird. Unter Verwendung dieser angenommenen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit C-j und den erhaltenen sechs Laufzeitsignalen, ist der Rechner 64 in der Lage, die Koordinaten für die beiden Schallquellen des Ultraschallsenders 60 zu berechnen. Dem Rechner 64 wird weiterhin ein Signal zugeführt, dessen Wert dem bekannten Abstand S zwischen den beiden Schallquellen entspricht. Wenn die sechs Koordinaten der beiden Schallquellen des Schallsenders 60 durch den Rechner 64 ermittelt worden sind, so können diese dazu benutzt werden, in Verbindung mit der bekannten Entfernung S zwischen den beiden Schallquellen den Vektor der Visierlinie des Beobachters zu errechnen.

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Aus den Gleichungen (9) bis (11) geht hervor, daß das Quadrat

der Schaltfortpflanzungsgeschwindigkeit C^. benutzt wird, um die sechs Koordinaten der beiden Schallquellen zu errechnen.

Die vorliegende Erfindung sieht die Berücksichtigung eines ge-

der

nauen Wertes für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit bex Berechnung dieser Werte vor. Zu diesem Zweck werden über eine Verbindungsleitung 66 die errechneten Richtungskomponenten A„, A_y

und A einer weiteren Recheneinheit 68 zugeführt. Diese Richz

tungskomponenten wurden unter Verwendung der geschätzten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit C errechnet. Die Recheneinheit 68 errechnet aus den Richtungskomponenten der Sichtlinie einen Einheitsvektor A_. Der Einheitsvektor A_Q ist durch folgende Beziehung gegeben:

Aus den Gleichungen (12) bis (14) für die Richtungskomponenten A , A und A geht hervor, daß der Einheitsvektor A^ aus einem Bruch besteht, in dessen Zähler die errechnete Entfernung zwischen den Schallquellen und in dessen Nenner die bekannte Entfernung S zwischen den Schallquellen steht. Hinsichtlich der Berechnung des Einheitsvektors A₀ erzeugt die Recheneinheit 68 ein Signal bezogen auf die bekannte Entfernung S, welches aus den Laufzeiten und einer angeommenen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit gebildet wird.

Wenn der Wert der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit C„ genau ist, so erhält der errechnete normierte Einheitsvektor A_Q den Wert 1. Wenn ein Fehler hinsichtlich der angenommenen Schallfortfortpflanzungsgeschwindigkeit C^ vorliegt, so kann man feststellen, daß der Einheitsvektor A„ in nahezu proportionaler Weise seine Länge verändert, unter Verwendung dieser Erkenntnis ergibt sich folgende einfache Näherungsberechnung für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit:

2 ? 1

U+I - ^N (A₀) (16)

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In dieser Gleichung stellt C₁ den verbesserten Wert für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit dar.

Gemäß Figur 3 überträgt die Recheneinrichtung 68 ein dem normierten Einheitsvektor A_Q entsprechendes Signal zu einer Korrektureinrichtung 72. Die Korrektureinrichtung 72 erhält über eine Verbindungsleitung 74 ein dem Quadrat der angenommenen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit entsprechendes Signal. Unter Zuhilfenahme der Gleichung (16) erzeugt die Korrektureinrichtung 72 einen neuen Wert für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit C_n- und überträgt ein Signal entsprechend CL- über eine Verbindungsleitung 76 zu dem Rechner 64. Dieser verbesserte Wert C_n- wird in dem Rechner 64 zur genaueren Berechnung der Richtungskomponenten A_v/ A_v und A₁₇ verwendet. Normalerweise ist nur eine einmalige Berechnung eines verbesserten Wertes C_n- für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit erforderlich, da die Berechnung der Richtungskomponenten für die Visierlinie in sehr kurzen Zeitabständen erfolgt und der verbesserte Wert für die Schallfort·*- pflanzungsgeschwindigkeit daher sehr schnell nach dem tatsächlichen Wert konvergiert.

Figur 4 zeigt in genauerer Darstellung ein Blockdiagramm der besonderen Einrichtung zur Errechnung der verbesserten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit. Auf der linken Seite der Figur 4 sind drei Eingangsanschlüsse 80,82 und 84 dargestellt. Die Eingänge 80, 82 und 84 erhalten Signale, die den Richtungskomponenten der Visierlinie entsprechen. Die an den Eingängen 80,82 und 84 anstehenden Signale für die Richtungskompnenten werden drei quadratbildenden Netzwerken 86,88 und 90 zugeführt. Die Netzwerke 86,88 und 90 bilden an ihren Ausgängen das Quadrat der an ihren Eingängen anstehenden Signale. Die Ausgänge der Quadriereinrichtungen 86,88 und 90 sind mit drei negativ bewerteten Eingängen einer vier Eingänge aufweisenden Summiereinrichtung 92 verbunden. Ein vierter positiv bewerteter Eingang der Summiereinrichtung 92 erhält von einem Funktionsgenerator 94 ein Signal. Der Funktionsgenerator 94 erzeugt ein der ganzen Zahl Eins entsprechendes Signal an

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seinem Ausgang. An einem Ausgang 96 der Summiereinrichtung 92 ist

2 ein Signal erhältlich, welches dem Ausdruck (1- A_Q ) entspricht und wobei A entsprechend Gleichung (15) erhalten wird. Der linke gestrichelt umrahmte Teil der Rechenschaltung gemäß Figur ist mit der Bezugsziffer 68 versehen, wodurch auf die Verwandtschaft mit der Recheneinheit 68 gemäß Figur 3 hingewiesen werden soll. In der speziellen Ausführung gemäß Figur 4 wird der Wert

(1 -A_Q ) durch das in dem Block 68 enthaltene Netzwerk berechnet, um von zwei vorteilhaften Annäherungen Gebrauch zu machen, welche sich bei der Verwendung eines Digitalrechners hinsichtlich einer Einsparung von Rechenzeit als vorteilhaft erwiesen haben.

Auf die Herkunft dieser Annäherungen soll kurz eingegangen werden. Wie vorstehend bereits erläutert, stellt Gleichung (16) eine nützliche Beziehung für die Bestimmung einer verbesserten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit dar. Da jedoch die Änderungen der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit klein im Hinblick auf die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit selbst sind, kann ohne weiteres von folgenden bekannten Annäherungen ausgegangen werden. Für kleine Werte von £ und oc gelten die folgenden Ausdrücke:

(1+6 )^1/2 'S (1 + § ) (17)

Unter Verwendung dieser Beziehung setzen wir (1 + £ ) gleich

2
A₀ . Das bedeutet:

£ = A₀ ² - 1 (19)

und _A 2_₁ 1 ₊ a ²

Unter Verwendung von Gleichung (18) und Gleichsetzung von 1 + ot mit dem Wert ₍₁ ^ ^AO ¹ _} ergibt sich

^An ^ · a²- 1 - 2 2 (21)

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1+ -2,

Durch Einführung dieser Annäherung in Gleichung (16) ergibt sich:

r ² - r ² ³ " ^A° = r 2 . _r 2 . ¹ " ^A0 (22)

S*+1 ~ ^N * 2 Sl ^{+ C}N 2

Die Benutzung einer solchen Annäherung hat eine erheblich Reduzierung der Rechenzeit bei Verwendung von Digitalrechnern zur Folge.

In der Praxis hat sich herausgestellt, daß aufgrund erheblicher Empfindlichkeit des Systems in Bezug auf Datenstreuung und Rauschen, der durch die Gleichung (22) beschriebene Systemausgang kleine Schwingungen um einen Grundwert ausführt. Um diesen Faktor zu eliminieren,wurde der einzelne Rechenschritt zur Errechnung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit halbiert. Dies wurde bewerkstelligt, indem der Wert füro(, , der in den Beziehungen (21) und (22) verwendet wird, mit einem Faktor 1/2 multipliziert wurde, Somit ergibt sich folgende Berechnung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit:

^fiV> - 2 '¹V'

Si * ■ 4 ₍₂₃₎

wobei ^{2 2 2}

Gemäß Figur 4 wird der Ausgang 96 des Summierers 92,der ein Sig-

nal entsprechend dem Wert 1 - A_Q liefert, mit einem ersten Eingang 100 eines elektronischen Multiplizierwerkes 102 verbunden. Das Multiplizierwerk 102 besitzt einen zweiten Eingang 104. Die Zahl 1/4 am Eingang 104 deutet an, daß das Produkt, welches das Multiplizierwerk 102 aus den Signalen an den Eingängen 100 und 104 errechnet, mit dem Faktor 1/4 bewertet wird. Eine Eingangsklemme 106 ist mit dem Eingang 104 verbunden. An der Eingangs-

2 klemme 106 wird ein Signal entsprechend dem Wert C_n angelegt, welches dem Quadrat der angenommenen Schallfortpflanzungsgeschwin-

digkeit entspricht. Ein erster Wert für C.. ist normalerweise vorprogrammiert und dem System eingegeben. Weitere Werte werden während der fortlaufenden Errechnung der Komponenten für die Visierlinie erhalten.

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CN	N+1	- c ²» -	(	4	y	+ I	_r 2
	^CN *	+ i		N
2 2 = A			^²

Zwischen der Eingangskleinme und dem Eingang 104 ist.ein Verbindungspunkt 108 angeordnet. Ein Signal entsprechend dem Wert

C_M wird dem Eingang 104 aufgeprägt und ein Signal entsprechend

dem Wert 1 - A_Q wird an den Eingang 100 des elektronischen Multiplizierwerkes 102 gelegt. Das Multiplizierwerk 102 weist einen Ausgang 114 auf, an welchem ein Ausgangssignal erscheint, das

2 2

dem Wert C_n , multipliziert mit dem Wert 1 - A_ entspricht. Der

4 Ausgang 114 ist mit einem positiv bewerteten Eingang 116 eines Summenpunktes 120 verbunden. Ein zweiter positiv bewerteter Eingang 118 des Summierpunktes 120 ist an den Verbindungspunkt 108 angeschlossen. Der Eingang 118 erhält somit ein Signal entspre-

2
chend dem Wert C„ . Der Summenpunkt 120 v/eist einen Ausgang 122 auf, an welchem ein Signal erscheint, welches . der Summe von C_n und C_n ^ ' ^Ao entspricht. Dieser Summenausdruck ergibt

2 eine neue Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit C_n+-, welche dem Rechner 64 zur genaueren Bestimmung der Ausrichtung der Visierlinie zugeführt wird. Der Teil des Netzwerkes zwischen dem Eingang 100 und dem Ausgang 122 ist gestrichelt umrahmt und bildet einen Block 72. Hiermit wird angedeutet, daß dieser Block eine der Korrektureinheit 72 gemäß Figur 3 entsprechende Funktion beinhaltet .

Wenn die Messung und Errechnung der Ausrichtung der Visierlinie in kurzen Zeitabständen erfolgt, genügt im allgemeinen eine einmalige Verbesserung des Wertes für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit zwischen zwei Messungen. Erfolgen diese Messungen in größerem Abstand, so ist es zweckmäßig, mehrere Rechenzyklen zur Errechnung einer verbesserten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit zwischen zwei Messungen durchzuführen.

In Figur 4 wurde ein Blockdiagramm einer geeigneten Rechenschaltung zur Ermittlung der verbesserten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit dargestellt und beschrieben. Das erfinderische Verfahren kann ebensogut auf einem in geeigneter Weise programmierten

409850/0247 "

- 16 Digitalrechner durchgeführt werden.

Figur 5 zeigt ein Flußdiagramm, welches der Programmierung eines Digitalrechners zugrundegelegt werden kann/ um die Schallfortpf lanzungsgeschwindigkeit zu errechnen. Das Flußdiagramm gemäß Figur 5 enthält einige Rechenschritte, welche in der Recheneinrichtung gemäß Figur 4 nicht vorgesehen sind. Die Maximum- und Minimumwerte des Quadrates der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit sind in dem Flußdiagramm durch entsprechende Entscheidungsschleifen beachtet worden. Durch diese Maßnahme werden gewisse Fehler in der Bestimmung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit ausgeschlossen,- die sonst den Erfolg einer richtigen Bestimmung der Visierlinie in Frage stellen würden. Zum Beispiel könnte ein Fehler in der Elektronik des Rechners 68, der den Einheitsvektor A_Q errechnet, die Errechnung eines Wertes zur Folge haben, der von dem tatsächlichen Wert in unzulässiger Weise abweicht. Die Entscheidungschleife in dem Flußdiagramm verhindert in einem solchen Fall, daß das ganze System unbrauchbar wird. Das zweite in dem Flußdiagramm gemäß Figur 5 verwirklichte Merkmal betrifft die maximale prozentuale Abweichung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit innerhalb eines Rechenschrittes. Durch dieses Merkmal wird sichergestellt, daß die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit sich dem tatsächlichen Wert der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit allmählich annähert.

In einer Ausführungsform eines Systems zur Bestimmung der Ausrichtung einer Visierlinie, welches ein der Figur 5 entsprechendes Rechenschema verwendet, werden das Quadrat der Schallfortpflan-

2
Zungsgeschwindigkeit C„ * und die prozentuale Abweichung während eines Rechenschrittes (m) wie folgt definiert

c² · SlAX'	r	C²	-· ι 1	2	> C² " ^CMAX	²< c² MAX
^CN^{2 +}	r	•	C² - MIN	^{C C}N^{2 + mC}N^:
C² ;	+	mC² ^	■ c² - MIN

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24U192

1-A 2

1-A.

1-A

4
2

—M

M,

In diesen Beziehungen ist zu setzen für: ^CMAX = °'¹²⁶³ ' "Ό"⁶-²' ²

^CMIN = °'⁰⁹³⁸ ' ¹⁰"⁶
M- = 0,001

^Au

In Figur 5 stellt das Parallelogramm 150 das Laden der Richtungskomponenten Α_χ, Ay und A„ in entsprechende X, Y, und Z-Register dar. Diese Richtungskomponenten seien beispielsweise aus einer Berechnung mit der zuletzt festgestellten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit ermittelt worden. Die erste Operation in dem Flußdiagramm ist mit 152 bezeichnet und stellt das Quadrieren des Inhalts des X-Ragisters und das erneute Laden des quadrierten Wertes in das X-Register dar. Auf diese Weise wird in das X-Register der

2
Ausdruck Α_χ eingeschrieben. Die Rechenschritte 154 und 156 sind

identisch mit dem Rechenschritt 152 und stellen das Laden der Wer-

2 2

te A„ und A in die entsprechenden Y- und Z-Register dar. Im Rechenschritt 158 werden die Inhalte der drei Register X, Y und Z entnommen, miteinander addiert und dann die Summe erneut in das X-Register geladen. Auf diese Weise steht in dem X-Register der Wert A,

Im nächsten Rechenschritt 160 wird der Inhalt des X-

Registers von dem Wert 1 subtrahiert, das bedeutet 1 - A_Q und zusätzlich die sich ergebende Binärzahl um zwei Stellen nach rechts verschoben, welches im Binärsystem eine Division durch 4 bedeutet und dieses Ergebnis wird neu in das X-Register geladen. Die bis hierher durchgeführten Rechenoperationen erzeugen ein Signal, welches dem Signal am Ausgang des Summenpunktes 92 in Figur 4 entspricht, mit der Ausnahme, daß die Stellverschiebung

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um 2 bereits eine Multiplikation des Faktors 1 - A mit 1/4 bedeutet. Der nächste Rechenschritt stellt eine logische Entscheidung 164 dar. An dieser Stelle wird festgestellt, ob der Inhalt des X-Registers gleich oder größer als der Wert M„ ist. Wie vorstehend bereits anhand einer Gleichung erläutert, stellt der Wert K_n die maximal erlaubte Änderung innerhalb eines Rechen-Schrittes bezüglich der Bestimmung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit dar. Wenn der Inhalt des X-Registers größer oder gleich dem Wert M_c ist, so wird der Wert M_c in das X-Register eingeschrieben. Der Pfeil 166 deutet an, daß in dem Fall einer Ja-Entscheidung, d.h. wenn der Inhalt des X-Registers größer oder gleich M„ ist, die Rechnung entlang dem Pfeil 166 fortgeführt wird. Der Pfeil 166 führt zu einer Rechenoperation 170, welche das Laden des Wertes M^, in das X-Register darstellt. Ein Pfeil 172 trift sodann auf Pfeile, welche im Falle einer Nein-Entscheidung bei dem Rechenschritt 164 den weiteren Fortgang der Rechnung darstellen.

Im Falle einer Nein-Entscheidung beim Rechenschritt 164 erfolgt der Fortgang der Rechnung in Richtung des Pfeiles 174. Der Pfeil 174 führt zu einer Raute 176, welche eine weitere Entscheidungsstufe darstellt. Während die Entscheidungsstufe 164 ein oberes Band bezüglich der Änderung der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit innerhalb eines Rechenschrittes vorgab, ergibt die Entscheidungsstufe 176 ein unteres Band. In der Entscheidungsstufe 176 wird festgestellt, ob der Inhalt des X-Registers kleiner oder

gleich dem Wert -M_, ist. Wenn diese Entscheidung mit Nein beantwortet wird, so wird dem Pfeil 180 bei der weiteren Rechnung gefolgt. Wird die Entscheidung mit Ja beantwortet, so ist der Inhalt des X-Registers negativer als der Wert -ML₁. In diesem Fall wird einem Pfeil 178 gefolgt, welcher zu einer Rechenoperation 182 führt, in v/elcher der Wert -M_n in das X-Register geladen wird, Ein Pfeil 184 führt sodann das Rechenprogramm auf die Pfeile und 172 zurück.

Die Pfeile 172, 180 und 184 führen das Programm zu einem nächsten Rechenschritt 190. Bei diesem Rechenschritt wird der Inhalt des

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2 X-Registers genommen und mit einem Wert C„ multipliziert, der einer angenommenen Schallfortjoflanzungsgeschwindigkeit entspricht und das so erhaltene Produkt wird erneut in das X-Register geladen. An dieser Stelle ist eine Verschiebung der Binärzahl um eine Stelle nach rechts erforderlich, um bei der Multiplikation das Binärkomma an der richtigen Stelle zu erhalten. Im nächsten .Rechenschritt 192 wird zu dem Inhalt des X-

2
Registers der Wert C_M addiert und das Ergebnis erneut in das X-Register geladen. Durch die Bezeichnung S-19 wird angedeutet, daß bei der Rechenoperation 192 eine Verschiebung des Binärkommas erforderlich ist, um die Binärkommas des Inhalts des X-

2
registers und des Wertes G„ in Übereinstimmung zu bringen. Der neue Wert für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit ist somit

errechnet. Dieser neue Wert ist gleich dem Wert von C_w plus dem

1-A ^

0 ?
Wert (—-j—)■· C_n ".Der verbleibende Teil des Flußdiagramms befaßt sich nur noch mit dem Merkmal, welches den minima'len und maximalen Wert,um den sich das Quadrat der Schallfortpflanzungsgeschv/indigkeit verändern darf, begrenzt.

Dieser Teil des Flußdiagramms wirkt im wesentlichen in der gleichen Weise wie der Teil, welcher die prozentuale Änderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit für einen Rechenschritt begrenzt.

Eine Entscheidungsstufe 200 stellt fest, ob der Inhalt des X-

Registers größer oder gleich dem Wert C_MAX ist. Wird diese Entscheidung mit Ja gefällt, so wird der Wert C„, in das X-Register eingeschrieben, wobei auf dem Weg 210 weitergeschritten wird. Fällt diese Entscheidung mit Nein aus, so wird der Registerinhalt auf einen minimalen Wert in einer Entscheidungsstufe 214

überprüft. Ist der Inhalt des X-Registers kleiner als C-. , so wird der Wert C„ _N in das X-Register geladen und die weitere Rechnung folgt dem Weg 220. Ist der Inhalt des X-Registers größer als

2
der Wert C , so wird dem Pfeil 224 entlang mit der Rechnung fortgeschritten. Die Wege 210,224 und 220 laufen zu einem weiteren .Rechenschritt 228. In dem Rechenschritt 228 wird der Inhalt des X-Registers in ein neues Register, welches mit dem Ausdruck

N-I-1 bezeichnet ist, geladen, welches einen neu berechneten Wert

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für die Schallfojrtpflanzungsgeschwindigkeit darstellt. Dieser neue Wert kann sodann in einem System, wie es in Figur 3 dargestellt ist, dazu benutzt werden, um eine neue Berechnung der Richtungskcmponenten der Visierlinie in dem Rechner 64 durchzuführen.

Es liegt ohne weiteres auf der Hand, daß das vorstehend beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nicht auf eine Anwendung zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung einer Visierlinie beschränkt ist. Jedes System, welches Schallwellen zur Bestimmung einer Entfernung oder einer Geschwindigkeit benutzt und hierbei eine bestimmte Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit zugrundelegt, kann von der vorstehend beschriebenen Erfindung Gebrauch machen. Der besondere Vorteil des hier beschriebenen Systems besteht darin, daß es ohne getrennt angeordnete Schallempfänger und Schallsender die Ermittlung der tatsächlichen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit gestattet.

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Claims

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Patentansprüche-

Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung eines ersten Objektes im Bezug auf ein zweites Objekt mittels Schallmessung, wobei das erste Objekt in Bezug auf das zweite Objekt beweglich ist, mit zwei Schallsendern am ersten Objekt und drei Schallempfängern am zweiten Objekt, wobei aufgrund der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit und der Schallaufzeit die Koordinaten der Schallsender· und damit die räumliche Ausrichtung des ersten Objektes bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schallsender (18,20) in einem bekannten Abstand (S) angeordnet werden, daß mit einer angenommenen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit (C ) der Abstand der beiden Schallsender (18, 20) voneinander errechnet wird und daß das Verhältnis (A_Q) aus errechnetem Abstand zu dem bekannten Abstand (S) zur Berechnung eines neuen, verbesserten Wertes (C_n+1) für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit herangezogen wird.

2« Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der neue Wert für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit gemäß folgender Beziehung:

C -Cc f-l}^{1/2 (16)}

Sj+1 - S ⁽A₀ ^}

errechnet wird, wobei

C_n -: den neuen,verbesserten Wert für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit

C„ : den angenommenen Wert für die Schallfortpflanzungsgegeschwindigkeit und

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: den aufgrund C errechneten Abstand der Schallsender nojniert auf den bekannten Abstand S darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der neue Wert für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit gemäß folgender Beziehung:

Si

errechnet wird.

1/2

(22)

4. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der neue Wert für die Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit gemäß folgender Beziehung:

+ ( )f (23)

errechnet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der verbesserten Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit iterativ in mehreren Schritten durchgeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere zur rechnerischen Erfassung einer Visierlinie, wobei die beiden Schallsender am Helm eines Piloten und die drei Schallempfänger in der Pilotenkanzel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Recheneinrichtung (64) angeordnet ist, der die Schallaufzeiten (t.) zwischen den Schallsendern (18,20) und den Schallempfängern (26,28,30) sowie eine angenommene Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit (C ) eingegeben werden zur Errechnung von Richtungskomponenten (Α_χ, Α_γ, A„) für das die Schallsender (18, 20) tragende Objekt (12), daß eine zweite Recheneinrichtung (68) angeordnet ist, die aus den Richtungskomponenten (A , A_v,

Λ. X

A„) einen Einheitsvektor (A_Q) errechnet, welcher Einheits-

iotienten aus en

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vektor (A^) den Quotienten aus errechnetem Schallsenderabstand

und bekanntem Abstand (S) entspricht und daß in einer Korrektureinrichtung (72) das Quadrat der angenommenen Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit (C ) mit dem reziproken Einheitsvektor (Aq) zwecks Wiedereingabe in die erste Recheneinrichtung (6 4) multipliziert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Start/Stop-Logikschaltung (44) gleichzeitig eine Oszillator/Zähler-Schaltung (46) und einen Schallsender (60) in Betrieb setzt und daß eine Impulsdetektorschaltung (40) beim Eintreffen der Schallwelle auf einem Schallempfänger (36) über die Start/Stop-Logikschaltung (44) die Oszillator/Zähler-Schaltung sperrt und daß die entsprechenden Zählerstände in die erste Recheneinrichtung (6 4) eingegeben werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Digitalrechner zur Errechnung der Korrektur der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit.

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