DE3122644C2

DE3122644C2 -

Info

Publication number: DE3122644C2
Application number: DE19813122644
Authority: DE
Inventors: Hartmut Ing.(Grad.) 8035 Gauting De Euer; Hartmut Ing.(Grad.) 8000 Muenchen De Borberg; Joachim Dr.-Ing. 1000 Berlin De Wernicke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-06-06
Filing date: 1981-06-06
Publication date: 1992-01-16
Also published as: DE3122644A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Messung der Trefferablage beim Beschuß fliegender Übungsziele 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 richtungsun abhängige 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 Überschallgeschwindigkeit und einer Machzahl MA_G<1 fliegende Geschoß eine kegelförmige Stoßwelle mit sich führt, deren halber Kegelöffnungswinkel der Machwinkel α ist, welcher der Beziehung

α = arc sin 1/MA_G (1)

folgt. Der Druckverlauf in Stoßwellen-Ausbreitungsrichtung zeigt im Oszillogramm die Form eines N und trägt deshalb die Bezeichnung "N-Welle".

Die Druckamplitude ΔP 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

ΔP = c₁ R^-3/4 (2).

Bei der akustischen Trefferablagemessung wird aus der Messung der Druckamplitude ΔP 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 MA_Z<1) 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 akustischen Trefferablagemessung hat jedoch einige schwerwiegende Mängel. Durch die Eigenbewegung des Zieles entsteht ein systematischer Meßfehler, der die Tauglichkeit des Meßverfahrens für höhere Zielmachzahlen (praktisch oberhalb von MA_Z=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 korrekt turweisende 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 Eigen bewegung des Ziels. Die Berechnung des Passageabstandes des Geschosses vom Ziel erfolgt aus der Messung der Druck amplitude 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 Schallaufzeit, 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 Unter schied 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 Überlegungen angestellt worden, die akustische Trefferablagemessung durch Radarmessung zu ersetzen, da man auf diese Weise von der verhältnismäßig geringen Schallgeschwindigkeit und außerdem von Einflüssem 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 Übungsschießen im Unterschallbereich davon Abstand genommen werden.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der EP-B1 00 03 095 bekannt. Bei diesem Verfahren sind im fliegenden Übungsziel vier an den Eckpunkten eines Tetraeders angeordnete Meßwertaufnehmer für die Druckwelle des vorbeifliegenden Geschosses vorgesehen. Die Auswerteapparatur ermittelt aus den Zeitunterschieden, mit denen die Druckwelle von den vier Meßwertaufnehmern erfaßt wird, die Flugbahn des Geschosses und deren Abstand vom fliegenden Ziel.

Dem Dokument DE-AS 11 53 299 liegt ein Zeitverfahren zur Trefferortung zugrunde, bei welchem die Trefferortung für die Trefferanzeige allein aufgrund der Kegelgeometrie der Stoßwelle (Machkegel) vorgenommen wird, indem die Laufzeit unterschiede der Stoßwelle innerhalb eines starren Systems von in der Regel wenigstens vier Mikrophonen in einer vorgegebenen geometrischen Anordnung gemessen werden. Bei diesem Verfahren handelt es sich also dem Wesen nach um akustische Interferometrie. Das Zeitverfahren des letztgenannten Dokumentes arbeitet mit vier zeitmessenden Mikrophonen mit einer Bandbreite von 100 kHz und nachfolgender Signaldifferentiation zur Erhöhung der Zeitmeßgenauigkeit. Eine Amplitudeninformation kann mit diesem bekannten Verfahren nicht ermittelt werden. Die beiden vorgenannten Dokumente betreffen als ein rein zeitmessendes Verfahren der Trefferortung an fliegenden Zielen.

Die Dokumente DE-Z.: Internationale Wehrrevue, 5/1975, Seiten 755, 756;Firma AB Lyth, Stockholm, Acoustik Misdistance Indicator Lyth 22 vom August 1962 und US-Z.: The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 18, Nr. 1, July 1946, pages 97-118 befassen sich mit dem sogenannten Amplitudenverfahren, bei welchem die systematischen Abstandsabhängigkeiten der Spitzenamplitude und der Impulsdauer der Stoßwelle mit sägezahnförmigem Oszillogramm (N-Welle) eines bestimmten Geschoßtyps bei gegebener Überschall-Fluggeschwindigkeit des Geschosses beschrieben werden. Das Amplitudenverfahren stützt sich also auf die Erkenntnis, daß die N-Wellen-Amplitude mit dem Abstand abnimmt, hingegen die Impulsdauer mit dem Abstand wächst, und zwar in beiden Fällen nach einer Potentialfunktion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art so weiter zu entwickeln, daß die 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird demgemäß eine Kombination der beiden oben erläuterten bekannten Verfahrensweisen, also des Amplitudenverfahrens und des Zeitverfahrens, vorgeschlagen, die auch als zeitkorrigiertes Amplitudenverfahren bezeichnet werden könnte. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht deshalb darin, daß zusätzlich die Doppelverschiebung der Impulsdauer (Periodendauer) der N-Welle gemessen wird und daß diese zusammen mit weiteren Parametern für eine systematische Korrektur der genannten Verfälschung der Trefferablagemessung herangezogen wird.

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 T_MESS der N-Welle im Ziel zu messen, was mit den bisher bereits verwendeten Mikrophonen ohne Schwierigkeit möglich ist, ferner die Zielmachzahl MA_Z aufgrund der Schleppgeschwindigkeit bei den gegebenen atmosphärischen Bedingungen und die Geschoßmachzahl MA_G nach den üblichen Methoden und den Winkel σ, 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 Schallaufzeit zwischen geometrischer Geschoßpassage und Eintreffen der Stoß wellenfront 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 R_MESS zum gesuchten Ort des Zieles bei der geometrischen Geschoßpassage, welches der wahre Trefferabstand R ist.

Die physikalische Grundlage für die systematische Fehlerkorrektur ist die Vorkenntnis der Periodendauer T_RUHE der N-Welle, die mit einem ruhenden Mikrophon am Ort des Ziels gemessen würde. T_RUHE ist ebenso wie die Druckamplitude ΔP bei gegebener Geschoß kontur und bei gegebenen Atmosphärenbedingungen nur eine Funktion des Abstandes von der Geschoßbahnachse

T_RUHE = c₂R^1/4 (3).

Tatächlich gemessen wird eine im allgemeinen von T_RUHE abweichende Periodendauer T_MESS der N-Welle, wobei die Differenz auf den Doppler-Effekt infolge der Eigenbewegung des Ziels zurückgeht. Aus dem Vergleich der gemessenen Periodendauer T_MESS mit der Periodendauer T_RUHE 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 ΔP der Stoßwelle beim Durchtritt durch das Ziel und die gemessene N-Wellen-Periode T_MESS vor. Ferner sind gegeben:
die Machzahl des Zieles MA_Z aus den bekannten atmosphärischen Bedingungen und den für die Übung festgelegten Ziel flugdaten;
die Machzahl des Geschosses MA_G aus den bekannten atmosphärischen Bedingungen, der Geschoßgestalt und der Zielentfernung bei der vorliegenden Schußübung;
der Beschußwinkel σ (dieser kann Werte zwischen 0° - Parallelrichtung - und 180° - Gegenrichtung - annehmen) aus der Schußübung;
die bei ruhendem Ziel zu erwartende N-Wellen-Periode T_RUHE im Abstand R_MESS von der Geschoßbahnachse gemäß obiger Gleichung (3) (softwaremäßig erfaßt); der Machwinkel des Geschosses α gemäß Gleichung (1).

Aus den Quotienten der gemessenen Periodendauer T_MESS und der Periodendauer in Ruhe des Ziels T_RUHE erhält man einen Doppler-Dehnungsfaktor

DF = T_MESS/T_RUHE (4),

mit dessen Hilfe unter Verwendung weiterer, oben aufgeführter Größen ein Korrekturfaktor KORR berechnet wird zu

Der wahre Abstand R ergibt sich dann aus dem gemessenen Abstand R_MESS, der aus der Druckamplitude ΔP der N-Welle erhalten wird, zu

R = R_MESS · KORR (6).

Nach Einsetzen der Gleichungen (2), (4), (5) in Gleichung (6) folgt die im Anspruch 1 angegebene Gleichung.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1A bis C Diagramme der Abhängigkeit des Korrekturfaktors KORR vom Beschußwinkel σ und den gemessenen Doppler-Dehnungsfaktor DF für eine Ge schoßmachzahl 3,0 und Zielmachzahlen 0,3 bis 0,5 bzw. 0,8;

Fig. 2 die geometrische Bedeutung des wahren Trefferab standes R und der azimutalen Trefferablage ΔX in einer imaginären, in Geschoßflugrichtung betrachteten Zielscheibe mit dem Ziel im Zentrum.

Unter allen möglichen Trefferstreuungen kann der Doppler- Dehnungsfaktor DF Werte annehmen im Intervall

Minimum DF = 1/[1-MA_Z · sin(α-σ)] (6a),
Maximum DF = 1/[1-MA_Z · sin(α+σ)] (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-MA_Z(sin α · cos σ)] (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 Fig. 1A bis 1C dargestellt.

Die Auswertung der Gleichung (6) zur Berechnung des wahren Trefferabstandes R gemäß den Gleichungen (5), (1), (4) und (3) stellt ein vollständiges System zur Doppler korrektur des systematischen Fehlers der akustischen Treffer ablagemessung dar. Die geometrische Bedeutung des wahren Trefferabstandes R als radialem Trefferabstand vom Ziel auf einer imaginären, in Geschoßflugrichtung betrachteten Zielscheibe mit dem Ziel im Zentrum veranschaulicht die Fig. 2.

Aus den Fig. 1A bis 1C lassen sich überdies folgende Aussagen entnehmen:

1. Der Korrekturfaktor erstreckt sich abhängig von dem aktuell gemessenen Doppler-Dehnungsfaktor DF über ein Intervall um den Wert KORR=1.
2. Dieses Intervall ist ohne Ausdehnung bei den Extrem- Beschußwinkeln 0° und 180° und hat die maximale Spannweite etwa beim Beschuß unter 75°, 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 Treffer lagen "vor dem Ziel" Korrekturfaktoren im Bereich zwischen 1 und 2, also relative Korrekturen von maximal 50%.

Aus Fig. 1C ist beispielsweise ein Bereich des Korrektur faktors 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 Übungs schießens.

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

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 möglich, die explizite Angabe der Trefferablage in Richtung der Zielbahn zu erhalten. Die Gleichungen (6a-6c) geben die möglichen Extremwerte für die Doppler verschiebung 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 Treffer ablagemessung gemäß der Erfindung die Horizontalkomponente ΔX der wahren Trefferablage R 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 leicht zusammen mit den Werten der Atmosphäre oder einer Standard atmosphäre, 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 Tref ferrückmeldung nach Betrag und azimutaler Richtung erhält und damit sein Schießverhalten während der Schußübung korrigieren kann. Im zielseitigen Verlustgerät ist dafür keine zusätzliche Ausstattung erforderlich.

Claims

1. Verfahren zur akustischen Messung der Trefferablage beim Beschluß fliegender Übungsziele, bei welchem im mit Unterschallgeschwindigkeit (Machzahl MA_Z<1) fliegenden Ziel die Druckamplitude (ΔP) der von dem mit Überschall geschwindigkeit (Machzahl MA_G<1) fliegenden Geschoß ausgehenden Druckwelle gemessen und einer Auswerteapparatur am Boden zugesendet wird, die unter Berücksichtigung der atmosphärischen und der Geschoßparameter sowie der Zielhöhe und -entfernung (Konstante c₁) den Abstand zwischen Geschoßbahn und Ziel ermittelt, dadurch ge kennzeichnet, daß ferner gemessen wird die Periodendauer (T_MESS) der Stoßwelle am bewegten Ziel, und daß aus den Meßwerten und der Periodendauer (T_RUHE) der Stoßwelle am ruhenden Ziel (bestimmt in an sich bekannter Weise aus den Geschoßparametern und dem atmosphärischen Parameter am Zielort) sowie aus dem Winkel (σ), den die Zielflugrichtung mit der Geschoßflugrichtung einschließt (Beschußwinkel), der Abstand (R) zwischen dem Ziel und der Geschoßbahn im Augenblick des Vorbeiganges des Geschosses am Ziel bestimmt wird nach:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Konstante c₁ die Werte einer Standardatmosphäre zugrundegelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung einer vor oder hinter dem Ziel liegenden Trefferablage das Vorzeichen eines Diskriminationsfaktors bestimmt wird, wobei α der Machwinkel der Stoßwelle ist und ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die azimutale Trefferablage ΔX bestimmt wird nach