DE3030983C1

DE3030983C1 - Monopuls-Zielfolgeradar zur Bestimmung des Zielhoehenwinkels

Info

Publication number: DE3030983C1
Application number: DE19803030983
Authority: DE
Inventors: Heinz Werkes
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 1980-08-16
Filing date: 1980-08-16
Publication date: 1990-12-20
Anticipated expiration: 2000-08-17

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur radargestützten Zielerfassung von Luftfahrzeugen, mit einem Monopuls-Zielfolgeradar, welches zusätzlich einen Quadratur-Detektor, an dessen Ausgang das um 90°phasenverschobene Winkelablagesignal (Q-Ausgangssignal), dessen Nullstellen zur Signalverknüpfung dienen, anliegt, und welches einen Entfernungssensor aufweist, an dessen Ausgang das Signal für die Zielschrägentfernung anliegt, und mit einem Eingang für den Zielhöhenwinkel (R) der aus dem Radarantennenwinkel bei abgebautem Winkelablagesignal (X) bestimmt wird.

Eine derartige Anordnung ist bekannt aus der DE-OS 28 28 171.

Im bekannten Fall wird davon ausgegangen, daß das Winkelablagesignal Schwankungen, sogenannte Winkelfluktuationen, auch Radarclint genannt, aufweist, die davon herrühren, daß das Ziel nicht punktförmig ist. Diese Winkelfluktuation wird dadurch beseitigt, indem das Winkelablagesignal elektronisch aufbereitet wird, und zwar unter Verwendung der Nulldurchgänge des Q-Ausgangssignals.

Bei der Zielverfolgung von Luftfahrzeugen, die in sehr niedrigen Höhen operieren, tritt physiklisch bedingte Reflexion der Radarechosignale (sogenannter Spiegeleffekt) auf. Dieser Spiegeleffekt verursacht zusäztlich eine Fluktuation des Winkelablagesignals und damit eine Fluktuation des Zielhöhenwinkels.

Im bekannten Fall führt die Signalaufbereitung aufgrund des Spiegeleffektes zu einem falschen Ausrichten der Radarantenne in Richtung der Spiegelachse und damit zu einem falschen Zielhöhenwinkel; somit ist die bekannte Anordnung für die Erfassung von tieffliegenden Luftfahrzeugen unbrauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete Anordnung so auszubilden, daß der Zielhöhenwinkel frei von den nachteiligen Auswirkungen der Spiegelreflexionen bestimmbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß zur alternativen Erfassung des Zielhöhenwinkels bei tieffliegenden Luftfahrzeugen zwischen dem Ausgang des Quadratur-Detektors (6) und dem Ausgang des Entfernungssensors einerseits und dem Eingang für den Zielhöhenwinkel R andererseits eine Rechenstufe geschaltet ist,

- welche eingangsseitig einmal abhängig von den Nulldurchgängen des Q-Ausgangssignals und zum anderen in einem vorgegebenen Rechentakt durchlässig gesteuerte Torschaltungen für das Ausgangssignal (r) des Entfernungssensors aufweist, wobei den vom Q-Ausgangssignal getakteten Torschaltungen Speicher für aufeinanderfolgende Zielschrägentfernungswerte (r_i, r_i+1) nachgeschaltet sind, und
- welche die Ausgangssignale der Speicher und der rechentaktgesteuerten, den jeweils aktuellen Zielschrägentfernungswert (r_a) liefernden Torschaltung zum Zielhöhenwinkel als Ausgangssignal der Rechenstufe nach folgender Beziehung verknüpft: wobei c = const. = ist mit λ=Wellenlänge und l = Antennenhöhe (Strahlungszentrum) über Grund.

Bei höherfliegenden Luftfahrzeugen erfolgt somit die Zielhöhenwinkelbestimmung in bekannter Weise durch direkten Abgriff an der Stellung der Radarantenne, wogegen bei tieffliegenden Luftfahrzeugen auf einen Alternativkanal umgeschaltet und dann der Höhenwinkel indirekt über die Entfernung und damit unabhängig von der Spiegelreflexion bestimmt wird.

Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich der Zielhöhenwinkel in Realzeitdarstellung sehr genau und unverfälscht von Bodenreflexionen ermitteln.

Besondere Vorteile ergeben sich bei der Verwendung über See, da hier einige landspezifische Unsicherheiten, welche die erzielbare Genauigkeit (geländebedingt) je nach Umständen mehr oder weniger stark einschränken können, nicht existieren.

Die Erfindung ist auf besonders einfache Weise zu realisieren. Man benötigt lediglich ein herkömmliches Monopuls-Zielfolgeradar mit einem sogenannten Quaratur-Detektor mit üblicher, nachgeschalteter Signalaufbereitung sowie zusätzlich einen Digital-Rechner, insbesondere einen Mikroprozessor, wobei diese Organe unter Umständen bereits in der Radar-Feuerleitanlage enthalten sind, was gelegentlich der Fall ist.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Monopulsradar-Empfängers,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der einzelnen Signalkomponenten der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 den Verlauf des Q-Ausgangssignals über der Zeit bei konstanter Flughöhe und unterschiedlichen Reflexionsfaktoren,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Q-Ausgangssignals bei konstantem Reflexionsfaktor für unterschiedliche Flughöhen,

Fig. 5 ein Diagramm, in dem für 7 Flughöhen die Nulldurchgänge des Q-Signals dargestellt sind,

Fig. 6 ein Flußdiagramm, das die Verarbeitung der Signale (Q-Ausgangssignal, Entfernungsmesser-Ausgangssignal) darstellt.

Bei der nachstehenden Beschreibung wird die Kenntnis der Arbeitsweise herkömmlicher Zielfolgeradare nach dem Monopulsprinzip vorausgesetzt.

Die Fig. 1 zeigt das stark abstrahierte Blockschaltbild eines Monopulsradar-Empfängers (Sender ist nur angedeutet) gültig für eine (hier die vertikale) Ebene zur Winkelortung eines Zieles. Dargestellt sind in Fig. 1 die Antenne 1, die die Signale A und B liefert, der Brückenkomparator 2, der die Summe bzw. die Differenz der Größen A und B als Spannungen S bzw. D abbildet, die in Verstärkern 3, 4 verstärkt und danach einem Produktdetektor 5 zugeführt werden. Der reguläre - d. h. im herkömmlichen Zielfolgeradar obligatorisch vorhandene - Produktdetektor liefert das Ausgangssignal X, das funktionell der "Fehlerspannung" gleichwertig ist, welche dazu dient, die Zielfolgeradar-Antenne über einen geschlossenen Regelkreis möglichst genau und verzögerungsarm zwecks Höhenwinkelbestimmung auf das Ziel zu richten. Dies führt zum Abbau der Fehlerspannung auf 0 (abgesehen von Rauschresten, Einschwingvorgängen und regeltechnisch bedingten Restfehlern, die hier nicht zu berücksichtigen sind).

Im Falle der Mehrwegausbreitung des Radarechosignals - hier verursacht durch Bodenreflexionen - sind die Komponenten von X (Summensignal S und Differenzsignal D) nicht mehr genau gleich- oder gegenphasig, d. h. sie nehmen aufgrund von Laufzeitdifferenzen zwischen direktem und reflektiertem Zielecho beliebige relative Phasenwinkel Φ ein.

Der einzelne Produktdetektor liefert nur resultierende Beträge, d. h. er kann den Phasenwinkel Φ zwischen den Eingangsgrößen S und D nicht ermitteln.

Dies ist jedoch möglich, wenn man einen weiteren Detektor 6 im gleichen Kanal verwendet, der völlig funktionsgleich und somit konstruktiv gleichgestaltet, wie der zwangsläufig vorhandene Produktdetektor 5 arbeitet. Diesem wird eines seiner beiden Eingangssignale S oder D mit einer in der Stufe 7 zusätzlich erzeugten, fest eingestellten Phasenverschiebung von 90° zugeführt. Man nennt diesen weiteren Detektor daher häufig "Quadratur-Detektor".

Der Quadratur-Detektor 6 liefert das Ausgangssignal Q (Abkürzung für Quadratur).

In Fig. 2 ist das Zustandekommen der einzelnen Signalkomponenten, die aus den Antennendiagrammen abgeleitet sind, mit Hilfe von Zeigerdiagrammen dargestellt; diese Diagramme sprechen an sich für sich selbst.

Nähere Erläuterungen dazu finden sich in

Samuel M. Sherman:
"Compex Indicated Angles Applied to Unsolved Radar Targets and Multipath"
IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems; Vol. AES-7, Nr. 1, Januar 1971,

wonach das kombinierte Signal mit "Complex Indicated Angle" (CIA) bezeichnet wird. Nach der dort verwendeten Terminologie liefert der Produktdetektor 5 als Ausgangssignal X den Realteil des CIA, der Quadratur-Detektor 6 als Ausgangssignal Q den Imaginärteil des CIA. Das Q-Signal verschwindet, wenn der Bodenreflexionsfaktor, Rho genannt, 0 ist oder wenn der Winkel Φ ganzzahlige Vielfache von 180° annimmt (s. Formel in Fig. 2 sowie die Gleichungen (16) bis (18) in vorgenannter Literaturstelle). Dieses Signal ist daher eine Funktion des aktuellen Zielhöhenwinkels als einzige variable Größe, wenn man die Antennenhöhe und die verwendete Wellenlänge als konstant annimmt, was bei stationärem Betrieb regelmäßig zutrifft. Eventuelle Frequenzänderungen (Umschaltung) wirken ggf. als neue Konstante und können, wie später gezeigt wird, leicht berücksichtigt werden. Weder die Struktur des Antennendiagramms noch die Größe von Rho (der praktisch niemals 0 sein kann) beeinflussen die Abhängigkeit der 0-Durchgänge des Q-Signals vom sich normalerweise laufend ändernden Zielhöhenwinkel. Diese Feststellung in Verbindung mit der Tatsache, daß die Schrägentfernung zum Ziel trotz Spiegeleffekt hinreichend genau meßbar ist, bildet die eine Grundlage zur Realisierung der Erfindung.

Zur Verdeutlichung zeigt die Fig. 3 den Verlauf von Q über der Zeit für einen simulierten, gradlinigen Zielanflug bis zum Wechselpunkt mit der konstanten Zielhöhe 50 m, jedoch für 3 ausgewählte Rho-Werte von 0,5, 0,7 und 0,9. Als Konstanten (Wellenlänge und Antennenhöhe) wurden reale Werte eines FlakPz verwendet; die Zielgeschwindigkeit beträgt 250 m/s.

Die Fig. 4 zeigt gleichartig simulierte Anflüge, jedoch mit den drei verschiedenen Zielhöhen 10 m, 50 m und 100 m, wobei nunmehr Rho mit der Größe 0,7 konstant gehalten wurde.

Relevant sind für diese Diagramme folgende Interpretationen:

1. Die Lage der Null-Durchgänge wird von Rho nicht beeinflußt.
2. Die Lage der Q-Null-Durchgänge hängt in eindeutiger Weise von der Zielhöhe (bzw. von dem darin implizit enthaltenen Zielhöhenwinkel) ab.

Die zweite Feststellung bildet die andere Grundlage zur Realisierung der Erfindung. Sie wird durch die Fig. 5 untermauert. Dort sind für 7 Flughöhen nur die Null-Durchgänge des Q-Signals (als kleine, vertikale Striche auf den Höhenlinien) dargestellt, wobei "Strich nach unten" bedeutet Übergang von plus nach minus und "Strich nach oben" umgekehrt. Jedem dieser Striche entspricht eine zugeordnete Schrägentfernung, die an der Abzissenskala ablesbar ist. Aus praktischen, nicht aus prinzipiellen Gründen ist die Grafik nach Fig. 5 begrenzt auf Schrägentfernungen von 0,5 bis 4 km sowie auf einen maximalen Zielhöhenwinkel von ca. 6° (oberhalb dessen ist im vorliegenden Fall der Spiegeleffekt praktisch abgeklungen). Man erkennt deutlich aus Fig. 5, daß sowohl die Abstandsdifferenzen als auch die Abstandsverhältnisse der Null-Durchgänge (z. B. von zwei benachbarten) in eindeutiger Weise zielhöhenspezifisch strukturiert sind.

Die hierin enthaltene Gesetzmäßigkeit kann z. B. durch die nachstehende neue Gleichung ausgedrückt werden:

Dabei bedeuten:
h = die Zielhöhe,
r₁ = die gemessene Zielschrägentfernung z. Z. des erstmals erfolgten Nulldurchganges des Q-Signals,
r₂ = die gemessene Zielschrägentfernung z. Z. des darauffolgenden Nulldurchganges des Q-Signals,c = const. = mit
λ = Wellenlänge und
l = Antennenhöhe (Strahlungszentrum) über Grund mit der Randbedingung, daß r₁ größer als r₂, d. h. der Wert von r₁ "älter" als r₂ ist, also Verhältnisse vorliegen, wie es beim Anflug normalerweise der Fall ist.

Man erhält also aus zwei aufeinanderfolgenden Entfernungsmeßwerten, die zu dem Zeitpunkt aufeinanderfolgender Q-Null-Durchgänge ermittelt werden, in einfacher Weise die Zielhöhe h, indem man die Rechnung nach Gleichung (1) vollzieht. Dazu kann man im einfachsten Fall eine entsprechend verschaltete Rechenschaltung vorsehen; üblicherweise verwendet man jedoch einen modernen Digitalrechner in Form eines Mikroprozessors.

Durch fortlaufende Verwendung weiterer Entfernungsmeßwerte erhält man jeweils zum Zeitpunkt des geraden aktuellen Q-Signal-Durchganges korrigierte h-Werte, falls sich die Flughöhe inzwischen geändert hat. Dieser Umstand ist in nachstehender Gleichung allgemein gültig formuliert:

Zur Ermittlung des Zielhöhenwinkels R₀ braucht man lediglich noch folgende Rechnung auszuführen:

Zweckmäßigerweise ersetzt man jedoch die (rechenzeitintensive) arc sin-Rechnung durch folgende lineare Näherung, was wegen der hier ausschließlich in Frage kommenden kleinen Werte des Zielhöhenwinkels zulässig ist:

Das ergibt bei R₀ =6° den für Feuerleitzwecke vernachlässigbaren Fehler von 0,194848 Strich.

Die Rechnung nach (3) oder (4) hat allerdings noch den entscheidenden Nachteil, daß die r_i+1-Werte meist viel zu langsam zufließen (siehe Fig. 3 bis 5), um das sich relativ schnell ändernde R₀ hinreichend genau, d. h. aktuell genug zu erhalten. Dieser Nachteil ist leicht umgehbar, indem man zur Berechnung des Zielhöhenwinkels statt der schnell "veraltenden" Größe r_i+1 den jeweils aktuellsten gemessenen Entfernungswert r_a verwendet, unter Umgehung des durch die Abfolge der Q-Null-Durchgänge gesetzten "Zeittores".

Aus Gleichung (4) wird dann:

Insgesamt wird so erreicht, daß die relativ langsam erfolgenden Zielhöhenänderungen mit Gleichung (2) ausreichend schnell korrigiert werden, zusätzlich aber der sich meist schnell ändernde Zielhöhenwinkel entsprechend der Rechenschrittgeschwindigkeit für Gleichung (4) (eine Division!) ermittelt wird, d. h. mit einem für Feuerleitzwecke vernächlässigbaren Zeitverzug von weit unter 1 ms. In dieser Zeit legt das hier angenommene Ziel (Geschwindigkeit gleich 250 m/s) einen Weg von 25 cm zurück.

Zwecks zusammenfassender Veranschaulichung ist der Gesamtablauf in Fig. 6 als Flußdiagramm dargestellt, aus dem die zeitliche Schachtelung aller wesentlichen beteiligten Prozesse leicht entnommen werden kann. Verwendet man einen Prozeßrechner zur Bestimmung des Zielhöhenwinkels, so kann man das vorstehende Flußdiagramm als grobe Programmiervorschrift verwenden; man erkennt dabei, daß eine einfache "lineare" Programmierung möglich ist, ohne die bei den meisten Prozeßrechnungen sonst notwendigen und relativ komplizierten hierarchisch gesteuerten Interrupt-Routinen. Hierdurch wird der Hard- und Software- Aufwand extrem gering und zusätzlich die Resistenz gegen Ablaufstörungen verschiedenster Art und Ursachen beträchtlich erhöht.

Claims

Anordnung zur radargestützten Zielerfassung von Luftfahrzeugen mit einem Monopuls-Zielfolgeradar, welches zusätzlich einen Quadratur-Detektor, an dessen Ausgang das um 90° phasenverschobene Winkelablagesignal (Q-Ausgangssignal), dessen Nullstellen zur Signalverknüpfung dienen, anliegt, und welches einen Entfernungssensor aufweist, an dessen Ausgang das Signal für die Zielschrägentfernung anliegt, und mit einem Eingang für den Zielhöhenwinkel (0) der aus dem Radarantennenwinkel bei abgebautem Winkelablagesignal (X) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur alternativen Erfassung des Zielhöhenwinkels bei tieffliegenden Luftfahrzeugen zwischen dem Ausgang des Quadratur-Detektors (6) und dem Ausgang des Entfernungssensors einerseits und dem Eingang für den Zielhöhenwinkel (R₀) andererseits eine Rechenstufe geschaltet ist,
- - welche eingangsseitig einmal abhängig von den Nulldurchgängen des Q-Ausgangssignals und zum anderen in einem vorgegebenen Rechentakt durchlässig gesteuerte Torschaltungen für das Ausgangssisgnal (r) des Entfernungssensors aufweist, wobei den vom Q-Ausgangssignal getakteten Torschaltungen Speicher für aufeinanderfolgende Zielschrägentfernungswerte (r_i, r_i+1) nachgeschaltet sind, und
- - welche die Ausgangssignale der Speicher und der rechentaktgesteuerten, den jeweils aktuellen Zielschrägentfernungswert (r_a) liefernden Torschaltung zum Zielhöhenwinkel als Ausgangssignal der Rechenstufe nach folgender Beziehung verknüpft: wobei c=const.= ist mit λ=Wellenlänge und l = Antennenhöhe (Strahlungszentrum) über Grund.