-
Verfahren zur akustischen Messung der Trefferablage beim Beschuß fliegender
Übungsziele Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Messung der Trefferablage
beim Beschuß fliegender Ubungsziele gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
-
Die- gängige Methode zur Messung der Trefferablage beim Beschuß von
mit Unterschallgeschwindigkeit fliegenden Zielen beruht auf der zielseitigen Messung
der akustischen Stoßwelle des vorbeifliegenden Geschosses mit Hilfe von Mikrophonen,
die im Ziel mitgeführt werden und eine richtungsunabhängige Rundumempfindlichkeit
(Kugelcharakteristik) haben, dem Aussenden der Meßinformation sowie dem Empfang
und der Auswertung dieser Meßinformation an einer Bodenstation.
-
Die Wirkungsweise der akustischen Trefferablagemessung beruht darauf,
daß das mit Uberschallgeschwindigkeit und einer Machzahl MAG> 1 fliegende Geschoß
eine kegelförmige Stoßwelle mit sich führt, deren halber Kegelöffnungswinkel der
Machwinkel a ist, welcher der Beziehung = = arc sin 1/MAG (1) folgt. Der Druckverlauf
in Stoßwellen-Ausbreitungsrichtung zeigt im Oszillogramm die Form eines N und trägt
deshalb die Bezeichnung "N-Welle".
-
Die Druckamplitude #P der N-Welle hängt von der Geschoßgestalt, atmosphärischen
Parametern und dem Abstand R von der Geschoßbahnachse ab. Für einen gegebenen Geschoßtyp
und gegebene Atmosphärenbedingungen gilt in guter Näherung R34 = c1 (2).
-
Bei der akustischen Trefferablagemessung wird aus der Messung der
Druckamplitude A P nach der Gleichung (2) ein Rückschluß auf den Abstand R beim
Vorbeiflug des Geschosses am Ziel gezogen.
-
Grundsätzlich ist die akustische Trefferablagemessung nur für mit
Unterschallgeschwindigkeit fliegende Ziele (Zielmachzahl MAZ<l) möglich. Ihre
technischen Grenzen sind außerdem gezogen durch das Eigengeräusch des bewegten Sensors
selbst, da für die Auswertung ein ausreichend hoher Pegelabstand des Nutzsignals
über dem Rauschstörsignal vorhanden sein muß.
-
Das bekannte Verfahren der akutischen Trefferablagemessung hat jedoch
einige schwerwiegende Mängel. Durch die Eigenbewegung des Zieles entsteht ein systematischer
Meßfehler, der die Tauglichkeit des Meßvehrens für höhere Zielmachzahlen (praktisch
oberhalb von MAZ = 0,5) in Frage stellt, da dann untolerierbar große Meßfehler auftreten
können.
-
Diese systematischen Meßfehler wirken sich im Sinne eines Fehltrainings
aus, denn übermäßig starker Vorhalt beim Zielen ergibt fälschlich gute Trefferergebnisse,
während bereits eine geringe Trefferablage hinter dem sich bewegenden Ziel ein Meßergebnis
einer großen Trefferablage ergibt; das Verfahren trainiert bei höheren Geschwindigkeiten
des Ziels somit eigentlich das Fehl-Schießen. Darüber hinaus gibt das bekannte Verfahren
keine Aussage über die Richtung der Trefferablage und ist deshalb nicht geeignet
als. korrekturweisende Rückmeldung während des Schießvorganges. Der Schütze kann
aus der im allgemeinen nachträglich gemeldeten summarischen Trefferzählung unmittelbar
nichts lernen.
-
Der Grund für diesen systematischen Fehler ist die Eigenbewegung des
Ziels. Die Berechnung des Passageabstandes des Geschosses vom Ziel erfolgt aus der
Messung der Druckamplitude der N-Welle im Moment von deren Durchlauf durch das mikrophonbestückte
Ziel. Tatsächlich verstreicht aber
zwischen der geometrischen Zielpassage
und dem Eintreffen der Stoßwellenfront am Ziel eine Schallauf zeit, während der
das Ziel seinen Ort verlagert. Folglich wird mit diesem Verfahren der Ort des Ziels
beim Eintreffen der Stoßwelle,nicht jedoch der eigentlich interessierende Ort während
der unmittelbaren Passage zur Geschoßbahnachse festgestellt. Der Unterschied dieser
beiden Ortsangaben wirkt sich als Meßfehler aus und wächst mit der Geschwindigkeit
des Zieles derart, daß im oberen Unterschallbereich das Meßverfahren vollkommen
unbrauchbar wird, da Meßfehler mit Beträgen vom Mehrfachen der Meßgröße auftreten
können.
-
Es sind Uberlegungen angestellt worden, die akustische Trefferablagemessung
durch Radarmessung zu ersetzen, da man auf diese Weise von der verhältnismäßig geringen
Schallgeschwindigkeit und außerdem von Einflüssen der stets wechselnden atmosphärischen
Bedingungen frei ist. Wegen der mehrfach höheren Kosten der im Verlustgegenstand
- dem Ziel -unterzubringenden technischen Einrichtung muß jedoch zumindest für das
Ubungsschießen im Unterschallbereich davon Abstand genommen werden.
-
Es liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren
der akustischen Trefferablagemessung dahingehend zu verbessern, daß ohne Steigerung
der fur den Verlustgegenstand aufzuwendenden Kosten, d. h. ohne höhere technische
Ausrüstung im fliegenden Ziel, die eingangs aufgezeigten Mängel der durch die Zieleigenbewegung
bedingten Meßfehler beseitigt und ein Meßergebnis erhalten wird, aus dem mit guter
Genauigkeit der Abstand der Geschoßbahn vom Ziel ermittelt werden kann.
-
Überdies soll möglichst eine Aussage darüber gemacht werden, ob die
Geschoßpassage vor oder hinter dem Ziel erfolgte.
-
Gewünscht ist die Ermittlung des Durchstoßpunktes durch die Koordinatenebene
eines z ie lbe zogenen Koordinatensystems mit Angabe des Abstandsabsolutwertes und
der zum Durchstoßpunkt
gehörenden Koordinate auf der Zielbahnachse
nach Größe und Richtung.
-
Die Lösung der obengenannten Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs.
-
Aus den kennzeichnenden Merkmalen geht hervor, daß die meßtechnische
Ausrüstung des Ziels gegenüber der bisher üblichen nicht erweitert zu werden braucht.
Zur Korrektur des beim Verfahren nach dem Stand der Technik auftretenden Fehlers
aufgrund der Doppler-Verschiebung ist es im einzelnen nötig, die Periodendauer TMESS
der N-Welle im Ziel zu messen, was mit den bisher bereits verwendeten Mikrophonen
ohne Schwierigkeit möglich ist, ferner die Zielmachzahl MA aufgrund der Schleppgeschwindigkeit
bei den gegebenen atmosphärischen Bedingungen und die Geschoßmachzahl MAG nach den
üblichen Methoden und den Winkel , den die Zielflugrichtung mit der Geschoßflugrichtung
einschließt (Beschußwinkel), zu ermitteln.
-
Diese Informationen können in folgender Weise zur systematischen Fehlerkorrektur
dienen: Die Informationen gestatten den Rückschluß auf den Vektor der Eigengeschwindigkeit
des Ziels relativ zum Geschoß sowie auf die Schallauf zeit zwischen geometrischer
Geschoßpassage und Eintreffen der Stoßwellenfront am Ziel. Folglich ist die Ortsverlagerung
des Zieles während der Schallaufzeit bestimmbar und ermöglicht das korrigierende
Rückschreiten vom Ort des Zieles bei der Stoßwellenbegegnung, gekennzeichnet durch
den -gemessenen Trefferabstand RMESS zum gesuchten Ort des Zieles bei der geometrischen
Geschoßpassage, welches der wahre Trefferabstand RWAHR ist.
-
Die physikalische Grundlage für die systematische Fehlerkorrektur
ist die Vorkenntnis der Periodendauer TRUHE der N-Welle, die mit einem ruhenden
Mikrophon am Ort des Ziels gemessen würde.-TRUHE ist ebenso wie die Druckamplitude
ß P bei gegebener Geschoßkontur
und bei gegebenen Atmosphärenbedingungen
nur eine Funktion des Abstandes von der Geschoßbahnachse TRUHE = c2 R1/2 (3).
-
Tatsächlich gemessen wird eine im allgemeinen von TRUHE abweichende
Periodendauer TMESS der N-Welle, wobei die Differenz auf den Doppler-Effekt infolge
der Eigenbewegung des Zieles zurückgeht. Aus dem Vergleich der gemessenen Periodendauer
TMESS mit der Periodendauer TRUHE bei ruhendem Ziel erhält man die senkrecht zur
Stoßwellenfront gerichtete Komponente der Zielgeschwindigkeit. Wegen des engen Zusammenhanges
mit dem Doppler-Effekt wird nachfolgend die systematische Fehlerkorrektur der akustischen
Trefferablagemessung als Doppler-Korrektur bezeichnet.
-
Als Meßwert liegen für die Auswertung die vom Ziel auf die Bodenstation
gesendeten Werte der Druckamplitude a P der Stoßwelle beim Durchtritt durch das
Ziel und die gemessene N-Wellen-Periode TMESS vor. Ferner sind gegeben: Die Mach
zahl des Zieles MA Z aus den bekannten atmosphärischen Bedingungen und den für die
Übung festgelegten Zielflugdaten; die Machzahl des Geschosses MAG aus den bekannten
atmosphärischen Bedingungen, der Geschoßgestalt und der Zielentfernung bei der vorliegenden
Schußübung; der Beschußwinkel a (kann Werte zwischen Oo - Parallelrichtung - und
180° - Gegenrichtung - annehmen) aus der Schußübung1 die bei ruhendem Ziel zu erwartende~N-Wellen-Periode
TRUHE im Abstand RMESS von der Geschoßbahnachse gemäß obiger Gleichung (3) (softwaremäßig
erfaßt);der Machwinkel des Geschosses a gemäß Gleichung (1).
-
Aus dem Quotienten der gemessenen Periodendauer TMESS und der Periodendauer
in Ruhe des Ziels TRUHE erhält man einen Doppler-Dehnungsfaktor
DF
= TMESS/TRUHE (4), mit dessen Hilfe unter Verwendung weiterer, oben aufgeführter
Größen ein Korrekturfaktor KORR berechnet wird zu KORR = 1 1+DF [1-1/DF-cos(o MA
)] MAG Der wahre Abstand RWAHR ergibt sich dann aus dem gemessenen Abstand RMESs,
der aus der Druckamplitude jP der N-Welle erhalten wird, zu RWAHR RMESS # KORR (6)
Die Zeichnung zeigt in Figuren 1A bis C Diagramme der Abhängigkeit des Korrekturfaktors
KORR vom Beschußwinkel a und den gemessenen Doppler-Dehnungsfaktor DF für eine Geschoßmachzahl
3,0 und Zielmachzahlen 0,3 bzw. 0,5 bzw.
-
0,8J Fig. 2: Die geometrische Bedeutung des wahren Trefferabstandes
RWAHR und der azimutalen Trefferablage #X in einer imaginären, in Geschoß flugrichtung
betrachteten Zielscheibe mit dem Ziel im Zentrum.
-
Unter allen möglichen Trefferstreuungen kann der Doppler-Dehnungsfaktor
DF Werte annehmen im Intervall Minimum DF = 1/[1-MAz#sin(α-#)] (6a) Maximum
DF = 1/[1-MAz#sin(α+#)] (6b).
-
Die Mitte dieses Intervalles bildet der Neutralwert von DF, bei dem
die Doppler-Verschiebung ohne Einfluß auf die Trefferablageauswertung ist Neutral
DF = 1/[1-MAz(sinα#cos#)] (6c).
-
Werte des Dehnungsfaktors DF kleiner als der Neutralwert bedeuten
eine dopplereffektbedingte Verkürzung der N-Welle oder - das Ziel fliegt der Stoßwelle
entgegen, entsprechend einer Trefferablage "vor" dem bewegten Ziel. Sinngemäß bedeuten
Doppler-Dehnungsfaktor-Werte DF größer als der Neutralwert eine Dopplerdehnung der
N-Welle oder - das Ziel fliegt vor der Stoßwelle davon, entsprechend einer Trefferablage
"hinter" dem Ziel. Werte des Doppler-Dehnungsfaktors und des Korrekturfaktors KORR
sind für eine Geschoßmachzahl 3 und verschiedene Zielmachzahlen in den Diagrammen
der Figuren 1A bis C dargestellt.
-
Die Auswertung der Gleichung (6) zur Berechnung des wahren Trefferabstandes
WAHRT gestützt auf die Gleichungen (5), (1), (4) und (3) stellt ein vollständiges
System zur Dopplerkorrektur des systematischen Fehlers der akustischen Trefferablagemessung
dar. Die geometrische Bedeutung des wahren Trefferabstandes RWAHR als radialem Trefferabstand
vom Ziel auf einer imaginären, in Geschoßflugrichtung betrachteten Zielscheibe mit
dem Ziel im Zentrum veranschaulicht die Fig. 2.
-
Aus den Figuren 1A bis 1C lassen sich überdies folgende Aussagen entnehmen:
1. Der Korrekturfaktor erstreckt sich, abhängig von dem aktuell gemessenen Doppler-Dehnungsfaktor
DF1 über ein Intervall um den Wert KORR = 1.
-
2. Dieses Intervall ist ohne Ausdehnung bei den Extrem-Beschußwinkeln
Oo und 1800 und hat die maximale Spannweite etwa beim Beschuß unter 750, d. h. quer
von hinten.
-
3. Die Intervallspreizung wächst mit der Machzahl des Zieles.
-
4. Die relative Auswirkung des Korrekturfaktors auf den Meßwert ist
unsymmetrisch für die Bereiche großer und kleiner Werte des Doppler-Dehnungsfaktors.
-
Große Werte von DF entsprechend Trefferlagen "hinter dem Ziel" führen
auf Korrekturfaktoren im Bereich zwischen 0 und 1, also relativen, auf den korrigierten
Meßwert bezogenen Korrekturfaktoren von bis zu hunderten von Prozenten.
-
Hingegen ergeben kleine Werte von DF entsprechend Trefferlagen "vor
dem Ziel'!,Korrekturfaktoren im Bereich zwischen 1 und 2, also relative Korrekturen
von maximal 50 t.
-
Aus Bild 1C ist beispielsweise ein Bereich des Korrekturfaktors KORR
zwischen ca. 0,2 und 1,8 abzulesen, was Meßfehlern des unkorrigierten Wertes, bezogen
auf den korrigierten Wert, zwischen maximal ca. 400 % bis minimal ca.
-
-40% entspricht.
-
Der Doppler-Korrekturfaktor deckt auf, daß ohne Korrektur Trefferlagen
"vor dem Ziel" als zu gut "hinter" dem Ziel allgemein als zu schlecht, möglicherweise
um ein Vielfaches zu schlecht, angegeben werden. Dieser Sachverhalt begründet die
oben als Fehltraining bemängelte einseitige Bevorzugung des "Vorhaltens" in der
Praxis des Ubungsschießens.
-
Es wurde oben bereits angegeben, daß für die Auswertung der Messung
die Atmosphärenwerte benötigt, deshalb streng genommen bei jeder Schießübung gemessen
und dem Rechenverfahren eingegeben werden müssen. Zur Vereinfachung ist bei zwar
verminderter jedoch hinreichender Genauigkeit statt der gemessenen Werte der Atmosphäre
die Verwendung einer Standardatmosphäre möglich.
-
Es ist ferner möglich, in einem kurzen Rechenvorgang zu bestimmen,
ob das Geschoß vor oder hinter dem Ziel passiert hat.
-
Hierzu wird das Vorzeichen eines Diskriminationsfaktors DVH = sin
acos a- 1 (1 - 1 ) (7) MAz DF bestimmt, was rechentechnisch in der Auswerteeinrichtung
kein Problem darstellt und, wenn sich ein negativer Wert
ergibt,
die Aussage ermöglicht, daß eine Geschoßpassage hinter dem Ziel, wenn sich ein positiver
Wert ergibt, die Aussage ermöglicht, daß eine Geschoßpassage vor dem Ziel vorliegt.
-
Es ist ferner möglicht, die explizite Angabe der Trefferablage in
Richtung der Zielbahn zu erhalten. Die Gleichungen (6) geben die möglichen Extremwerte
für die Dopplerverschiebung an.
-
Die konkrete Lage der gemessenen Dopplerverschiebung innerhalb dieser
Grenzen ist ein Maß für den Polarwinkel der Trefferlage auf einer imaginären, in
Geschoßflugrichtung betrachteten Zielscheibe mit dem Ziel im Zentrum gemäß Fig.
2. In der in aller Regel horizontal verlaufenden Zielbahnrichtung ist dieses Maß
entsprechend dem Verlauf der Sinusfunktion antisymmetrisch und somit für eine "Vor-/Hinter-"Richtungsaussage
nutzbar. Senkrecht zur Zielbahnrichtung dagegen ist dieses Maß, entsprechend dem
Verlauf der Cosinusfunktion, symmetrisch und damit zweideutig und als Richtungsaussage
"über/unter" nicht brauchbar.
-
Da die Zielbewegung weitgehend horizontal erfolgt, ändert sich bei
der Zielverfolgung das Geschütz-Azimut mit großer Winkelgeschwindigkeit, der Geschütz-Höhenwinkel
hingegen nur wenig. Gerade in der kritischen Azimut -Richtung liefert das dopplerkorrigierte
Verfahren der akustischen Trefferablagemessung gemäß der Erfindung die Horizontalkomponente
ß X der wahren Trefferablage RWAHR in Betrag und Richtung, d. h. die Trefferablage
"vor" oder "hinter" dem Ziel in Metern, was nach folgender Gleichung (8) rechnerisch
ermittelt wird:
Da für jede durchzuführende Schußübung die geometrische Anordnung
(Geschütz, Zielbahnabstand, Zielbahnhöhe, Beschußwinkel) festliegt, können diese
Größen leichtens zusammen mit den Werten der Atmosphäre oder einer Standardatmosphäre,
den Machzahlen und den Parametern der Geschoßkontur softwaremäßig erfaßt und bei
Zugang der Meßwerte vom Zielmikrophon unmittelbar in den Berechnungsvorgang eingegeben
werden, so daß der Schütze eine sofortige Trefferrückmeldung nach Betrag und azimutzaler
Richtung erhält und damit sein Schießverhalten während der Schußübung korrigieren
kann. Im zielseitigen Verlustgerät ist dafür keine zusätzliche Ausstattung erforderlich.
-
Leerseite