DE3229819A1

DE3229819A1 - Integriertes navigations- und feuerleitsystem fuer kampfpanzer

Info

Publication number: DE3229819A1
Application number: DE19823229819
Authority: DE
Inventors: Uwe Phys.-Ing. 7770 Überlingen-Nußdorf Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1982-08-11
Filing date: 1982-08-11
Publication date: 1984-02-16
Also published as: DE3229819C2

Description

Integriertes Navigations- und Feuerleitsystem für
Kampfpanzer Die Erfindung betrifft ein integriertes Navigations-und Feuerleitsystem für Kampfpanzer mit einem um eine Hochachse verdrehbaren Turm und einer gegenüber dem Turm in der Elevation verstellbaren Waffe, enthaltend (a) eine an der Waffe angebrachte Wendekreiselanordnung, (b) an der Waffe angeordnete Layefühler, (c) Fühler, die auf die Lagewinkel der Waffe relativ zu dem Kampfpanzer ansprechen, (d) einen Geschwindigkeitsfühler, der ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal liefert und (c) einen Rechner mit (e1) Mitteln zur Bestimmung drs auf die Waffe bezogenen Kurswinkels, auf welche die Signale der Wendekreisel und der Lagefühler aufgeschaltet sind, (e2) Mitteln zur Bestimmung des Fahrzeugkurswinkels, auf welche der auf die Waffe bezogene Kurswinkel, die Signale der Lagefühler und die von den Fühlern gelieferten Lagewinkel der Waffe relativ zu dem Kampfpanzer aufgeschaltet sind, (e3) Mitteln zum Bestimmen der Fahrzeugposition, auf welche der Fahrzeugkurswinkel und das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal aufgeschaltet sind, sowie (e4) Mitteln zum Stabilisieren und Richten der Waffe unter Benutzung der von den Fühlern gelieferten Signale.
Es sind Feuerleitsysteme für Kampfpanzer bekannt.
Bei einem bekannten Feuerleitsystem sind an der Waffe (kanone) zwei Wendekreisel angebracht. Die Eingang achse des einen Wendekreisels liegt in der Elevationsebene der Waffe senkrecht zur Achse der Waffe. Die Eingangsachse des anderen Wendekreisels liegt senkrecht zu dieser Elevationsebene. Weiterhin sitzt an der Waffe ein Lagekreisel, der die Lagewinkel der Waffe im Raum liefert. Durch diese Kreisel erfolgt eine Stabilisierung der Waffe, d.h. eine Entkopplung der Waffe von den Nick- und Gierbewegungen des Kampfpanzers im Gelände.
Es wird dabei ein primärstabilisiertes Visier auf das Ziel gerichtet. Die Waffe wird durch einen Regler (Waffennachführung) der Visierlinie dieses prilnärstabilisierten Visiers nachgeführt, wobei die Nachführung unter Berücksichtigung der vom Feuerleitsystem vorgegebenen Abweichungen (Vorhalt- und Aufsatzwinkel) erfolgt. Es sind weiterhin ein Fühler für die Drehbewegung des Turms und ein Fühler für den Elevationswinkel der Waffe gegenüber dem Turm vorgesehen. Diese Fühler sprechen auf die Lagewinkel der Waffe relativ zu dem Kampfpanzer an. Es ist weiterhin ein Geschwindigkeitsfühler (Odometer) vorgesehen, der ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal liefert.
Bei einem anderen bekannten Feuerleitsystem ist an der Waffe ein zweiachsiger, dynamisch abgestimmter Wendekreisel abgebracht. Ein weiterer zweiachsiger, dynamisch abgestimmter Kreisel sitzt am Turm, wobei eine erste Eingangsachse parallel zur Elevationsebene der Waffe und eine zweite Eingangsachse senkrecht zu dieser Eingangsachse liegt. Am Turm ist weiterhin ein Lotfühler angebracht. Schließlich sind ebenfalls Lagefühler vorgesehen, die auf die Lagewinkel der Waffe relativ zu dem Kampfpanzer ansprechen.
Es sind Fahrzeugnavigationssysteme bekannt (DE-AS 25 45 025, DE-AS 26 59 094, DE-OS 29 22 415), bei denen aus Fahrzeugkurswinkel, der mittels einer Kreiselanordnung erhalten wird, und Fahrzeuggeschwindigkeit nach dem Prinzip der Koppelnavigation die Position des Fahrzeugs bestimmt wird.
Durch die DE-OS 29 22 415 ist ein Navigationsgerät für Landfahrzeuge bekannt, bei welchem aus Winkelgeschwindigkeiten, die von Wendekreiseln gemessen werden, der Sinus und der Kosinus des Fahrzeugkurswinkels ermittelt wird. Es sind fahrzeugfeste Beschleunigungsmesser vorgesehen. Die hinsichtlich der Erddrehung korrigierten Winkelyeschwindigkeiten und die Signale der Beschleunigungsmesser werden auf Lagefilter geschaltet, welche Elemente der Richtungskosinusmatrix für eine Trans-Formation aus einem fahrzeugfesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinatensystem liefert. Diese Elemente sind zusammen mit den Winkelgeschwindigkeiten auf den Rechner zur Berechnung des Fahrzeugkurswinkels geschaltet. Aus Fahrzeugkurs und Fahrzeuggeschwindigkeit wird die Fahrzeugposition nach dem Prinzip der Koppelnavigation bestimmt.
Die Lagefilter bei der DE-OS 29 22 415 sind Kalman-Filter und enthalten einen ersten Integrator. Das Ausgangssignal des ersten Integrators ist ggf. einer Komponente der Fabrzeuggeschwindigkeit entgegengeschaltet. Das so erhaltene Differenzsignal wird mit einem zeitabhängigen Faktor multipliziert. Diesem mit dem Faktor multiplizierte Differenzsignal wird ein aus den Winkelgeschwindigkeiten und den (wiederum von den Lagefiltern gelieferten) Elementen der Richtungskosinusmatrix abgeleitetes Signal überlagert, das der Zeitableitung des durch das Lauefilter zu schätzenden Elements der Richtungskosinusmatrix cntspricht. Das so erhaltene Summensignal wird durch einen zweiten Integrator integriert. Ausgangssignal des zweiten Integrators bildet den von dem Lagefilter gelieferten Schätzwert des Elements der Richtungskosinusmatrix. Das Ausgangssignal des zweiten Integrators wird weiterhin mit der Erdbeschleunigung g multipliziert und zusammen mit dem Signal eines der Beschleunigungsmesser und dem mit einem zeitabhängigen Faktor multiplizierten Differenzsignal auf den Eingang des ersten Integrators geschaltet.
Es wäre wünschenswert, ein solches Fahrzeugnavit3dsionssystem auch in einem Kampfpanzer vorzusehen. Das bringt aber in der Praxis Raum- und Kostenprobleme mit sich.
Es ist daher schon der Vorschlag gemacht worden (Symposium Gyro Technology 1981", Stuttgart, herausgegeben von der DGON und Universität Stuttgart, Inst.
f. Mechanik), die in einem Kampfpanzer für das Feuerleitsystem sowieso vorhandenen Kreisel für Navigationszwecke auszunutzen, also ein integriertes Navigations-und Feuerleitsystem vorzusehen. Bei einem Feuerleitsystem der oben zuerst erwähnten Art wird zu diesem Zweck in einem ersten Rechenschritt eines Rechners aus den von den Wendekreiseln gemessenen Drehgeschwindigkeiten der Waffe und den von dem Lagekreisel gelieferten Lagewinkeln der Waffe der Kurswinkel der Waffe in einem erdfesten Koordinatensystem bestimmt. Aus diesem Kurswinkel, den Lagewinkeln vom Lagekreisel und den Lagewinkeln der Waffe relativ zu dem Kampfpanzer (Turmdrehung und Elevation der Waffe) wird in einem zweiten Rechenschritt des Rechners der Fahrzeugkurswinkel ermittelt.
In ähnlicher Weise kann der Fahrzeugkurswinkel aus den Signalen der Kreisel und sonstigen Fühler bei dem zweiten oben erwähnten Feuerleitsystem bestimmt werden.
Die Güte der für das Feuerleitsystem verwendeten Kreisel entspricht jedoch in der Praxis nicht den an ein Navigationssystem zu stellenden Anforderungen. Die Verwendung von Kreiseln höherer Güte würde den Preis für das Navigations- und Feuerleitsystem so erhöhen, daß sein Einsatz in Kampfpanzern aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein intgriertes Navigations- und Feuerleitsystem für Ssampfpanzer so auszubilden, daß ohne übermäßige Anforderungen an die Kreisel die an ein Navigationssystem zu stellenden Anforderungen erfüllt werden können, wobei gleichzeitig die Funktion des Feuerleitsystems verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, d (f) der Lagefehler von Beschleunigungsmess ist, (g) die Signale der Beschleunigungsmesser zusammen mit Fahrzeuggeschwindigkeitssignalen und von der, Wandekreiselanordnung abgeleiteten Winkelgeschwindigkeitssignalen auf Kalman-filter geschaltet sind, welche Schätzwerte für Elemen kosinusmatrix liefert, und, (h) die von den Kalman-Filtern gelierferten Elemente der Richtungskosinusmatrix und die von der Wendekreiselanordnung gelieferten Drehgeschwindigkeit signale auf Rechnermittel zur Berechung des auf die Waffe bezogenen Kurswinkels geschaltet sind.
Als waffenfeste Lagefühler sind stàtt e; Beschleunigungsmesser vorgesehen. Die Signale der Beschleunigungsmesser sind zusammen mit den Fahrzeuggeschwindigkeitssignalen und Winkelgeschwindigkeitssignalen, welche aus den Signalen der Wendekreiselanordnung durch Korrektur hinsichtlich der Erddrehung abgeleitet sind, auf ein Kalman-Filter ges das Kalman-Filter erfolgt eine Korrektur von Kreiselfehlern: Fehler des Kreiselsignals führen Fehler des Elements der Richtungskosinusmatrix. Das führt zu einer Fehlkompensation der Schwers@@@@@@e komponente in dem Signal des Beschleunig eine Newtonsche Beschleunigung vortäusch der daraus ermittelten Geschwindigkeit m - ni mit Geschwindigkeitsfühler gelieferten Geschwindigkeit ergi dann ein Differenzsignal, das eine Korrektur des von de Kalman-Filter gebildeten Modells bewirkt. Es wird dadur einmal ermöglicht, mit einem Kreisel, wie er für das Feuerleitsystem verwendet wird, auch die Navigationsaufgaben zu lösen. Es wird aber gleichzeitig die Messung der Lagewinkel der Waffe für das Feuerleitsystem verbessert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Kampfpanzers und veranschaulicht die Anordnung der verschiedenden Fühler.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des integrierten Navigations- und Feuerleitsystems.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild und veranschaulicht die Bestimmung des Fahrzeugkurswinkels und der Lagewinkel der Waffe.
Fig. 4 zeigt im einzelnen ein als Lagefilter benutztes Kalman-Filter.
Fig. 5 zeigt die Mittel zur Bestimmung des auf die Waffe bezogenen Kurswinkels und Fig. 6 zeigt die Mittel zur Bestimmung des Fahrzeugkurswinkels.
In Fig. 1 ist schematisch-perspektivisch ein Kampfpanzer 10 mit einem Turm 12 dargestellt. Der Turm 12 ist um eine Hochachse zT verschwenkbar. Ein Winkelgeber 14 liefert ein den Drehwinkel αT um die Hochachse zT darstellendes Signal. In dem Turm 12 ist eine Waffe 16 in einer durch die Hochachse zT und eine turmfeste, zur Hochachse zT senkrechte Koordinatenachse xT festgelegten Elevationsebene verschwenkbar. Der Elevationswinkel #W der Waffe 16, d.h. der Winkel zwischen der Koordinaten- 1' achse xT und der Längsachse der Waffe wird von einem Winkelgeber 18 erfaßt und in ein entsprechendes!Sig,flal umgesetzt.
T Die Hochachse zT, die Koordinatenachse xT und eine zu diesen beiden senkrechte Koordinatenachse yT bilden ein turmfestes Koordinatensystem. Ein waffenfestes Ko ordinatensystem ist bestimmt durch die Längsachse der Waffe 16, die eine Koordinatenachse x bildet, dt,, Schwenkachse der Waffe 16, die parallel zu der Koordinatenachse yT und senkrecht zu der Elevationsebene verlauft und eine Koordinatenachse y bildet, und eine zu den Koordinatenachsen xW und yW senkrechte Achse zW. Ein fahrzeugfestes Koordinatensystem wird durch die Fahrzeuglängsachse xF, die Fahrzeugquerachse yF und die Fahrzeughochachse zF definiert. Schließlich ist ein -erdfestes Koordinatensystem durch xR=Nord, yR=Ost und zR=Vertikale festgelegt.
An der Waffe 16 sitzt ein erster Beschleunigungsmesser 0 dessen Empfindlichkeitsachse 22 parallel zu der ordinatenachse xW, also der Längsathte der W e ì An der Waffe 16 sitzt weiterhin ein zweiter Beschleunigungsmesser 24, dessen Empfindlichkeitsachse 2@ parallel zu der Koordinatenachse yW, also der Schwenkachse der Waffe 16 ist. Mit 28 ist ein ebenfalls an der Waffe 16 angebrachter zweiachsiger Wendekreisel bezeichnet.
Der Wendekreisel 28 ist ein dynamisch abgestimmter Kreisel (DTG). Die Drallachse 30 des Wendekreisels 28 liegt parallel zu der Koordinatenachse x . Eine erste Eingangsachse 32 des Wendekreisels 28 ist parallel zu der W Koordinatenachse y . Der Wendekreisel 28 liefert a]so ein Signal nach Maßgabe der Drehgeschwindigkeit qW der Waffe.um die Schwenk- oder Koordinatenachse yW. Die zweite Eingangsachse 34 des Wendekreisels 28 ist parallel zu der Koordinatenachse zW des waffenfesten Koordinatensysteme.
Der Turm 12 trägt noch einen turmfesten, zweiachsigen Wendekreisel 36, der ebenfalls als dynamisch abgestimmter Kreisel ausgebildet ist. Die Drallachse 38 des turmfesten Wendekreisels 36 liegt parallel zu der Koardinatenachse z T des turmfesten Koordinatensystems. Eine erste Eingangsachse 40 des Wendekreisels 36 ist parallel zu der Koordinatenachse xT und eine zweite T Eingangsachse 42 ist parallel zu der Koordinatenachse y des turmfesten Koordinatensystems. Der Wendekreisel 36 spricht somit auf Roll- und Nickbewegungen des Turms 12 an und liefert entsprechende Winkelgeschwindigkeitssignale pT und qT Ein Odometer oder Geschwindigkeitsfühler 44 liefert ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit in Richtung der Fahrzeuglängsachse xF.
Fìg. 2 ist ein Blockdiagramm des integrierten Navigations-und Feuerleitsystems.
Mi-t 46 ist ein primärstabilisiertes Visier bezeichnet, das vom Richtschützen mittels eines Richtgriffs 48 auf ein Ziel gerichtet wird. Das Visier 46 liefert Kommandos #zV und #yV, welche die Lage der Sichtlinie zum Ziel in dem stabilisierten, visierfesten System angibt.
Ein Regler 50 erhält diese Kommandos #zV und #yV von dem Visier 46 sowie Aufsatz- und Vorhaltsignale von einem Feuerleitrechner 52 über Leitungen 54 bzw. 56. Der Regler 50 erhält weiterhin dber Leitungen 58,60,62 @; T W W Drehgeschwindigkeitssignale q q q und r von- dem turmfesten Wendekreisel 36 und dem waffenfesten Wendekreisel 28. Er erhält weiterhin über Leitung 64 ein Signale' W von dem Winkelgeber 18. Er liefert über Leitungen 66 und 68 KommandosαKDOT bzw.#KDOW zur Verdrehung des Turms 12 bzw. der Waffe 16 mit den durch die Kommandos vorgegebenen Stellgeschwindigkeit, Das Dtehgeschwindigkeitssignal qT stellt eine Störgrößenaufschaltung dar. Eine Nickbewegung des Turms 12 auch zu einer Bewegung der Waffe 16. Dieser Bewegung @ wirkt der Regler 50 entgegen. Die Drehgeschwindigkeitssignale qW und rW und das Elevationswinkelsignal #W sind Rückführungen.
Der Feuerleitrechner 52 erhält über Leitungen 70 und 72 Signale die dem Nick- bzw. Rollwinkel #W bzw.#W des oben definierten waffenfesten Koordinatensystems gegenüber dem erdfesten Koordinatensystem angeben Außerdem erhält der Feuerleitrechner über Leitung 74 ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal v von dem Odometer 44.
x Ein Mitrichtunterstützungsrechner 76 erhält über Leitungen 78 und 80 die Signale #xV und #yV von dem Visier 46 sowie ebenfalls das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal vxF von dem Odometer 44. Der Mitrichtunterstützungsrechner 76 liefert Signale #yV und #zV an Stellmotore 82 bzw. 84 zur Verstellung des Visiers.
Durch die Berücksichtigung der Fahrzeuggeschiwindigkeit wird das Visier 46 und damit die Waffe 16 automatisch entsprechend der Eigenbewegung des Kampfpanzers nachgeführt und auf das Ziel ausgerichtet gehalten.
Das ist im wesentlichen die Funktion eines üblichen Feuerleitsystems und daher nicht im einzelnen beschrie Das NavigCtionssystem, dessen Signalverarbeitung in dem mit 86 bezeichneten Rechteck dargestellt ist, erhält über die Leitungen 88,90,92,94 die Drehgeschwindigkeitssignale qT, pT von dem Wendekreisel 36 und die Drehgeschwindigkeitssignale qW, rW von dem Wendekreisel 28.
Diese Drehgeschwindigkeitssignale werden, wie durch Block 96 dargestellt ist, vor Antritt der Fahrt einer Fehlerkompensation unterworfen. Diese Fehlerkompensation kann nach Art der DE-AS 29 03 282 erfolgen, wobei der 0 0 m412 12 in eine O°-Stellung und eine 180°-Stellung verdreht wird. Nach den so bestimmten Drehgeschwindigkeiten können die Anfangsausrichtungen ermittelt werden. Es werden weiter die Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit kompensiert. Und es wird unter Benutzung des Elevationswinkels #W die Drehgeschwindigkeit pW der Waffe 16 um die Koordinatenachse xW berechnet.
Die hinsichtlich der Erddrehgeschwindigkeit kompensierten Drehgeschwindigkeitssignale E, rW und N werden Kursrechnermittel 98 zur Berechnung des auf die Waffe 16 bezogenen Kurswinkels #W oder vielmehr des Sinus w W sin, und Kosinus cost dieses Kurswinkels zugeführt.
Die Kursrechnermittel 98 geben die Sinus- bzw. Kosinus-Signale über Leitungen 100 und 102 auf Transformationsrechnermittel 104.
Die Rechnermittel gemäß Block 96 geben die hinsichtlich der Erddrehung kompensierten Drehgeschwindigkeitssignale auf Lagefiltermittel 106. Den Lagefiltermitteln 106 wird weiter über Leitung 107 das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal zugeführt. Die Lagefiltermittel 106 liefern Elemente der Richtungskosinusmatrix für die Transformation eines Vektors aus dem waffenfesten in ein erdfestes Koordinatensystem. Diese Elemente sind Winkelfunktionen des Nick- und des Rollwinkels#W bzw. der Waffe 16 in dem erdfesten Koordinatensystem. Die Ausgangssignale der Lagefiltermittel 106 sind über Leitungen 108,110 auf die Transformationsrechnermittel 104 geschaltet.
Die Transformationsrechnermittel 104 erhalten weiterhin die Winkels und#W von den Winkelyebern 14 und 18 über Leitungen 112 bzw. 114. Die Transformationsrechnermittel 104 liefern den Kurswinkel #F der Fahrzeuglangsachse x in einem erdfesten Koordinatensystem.
Ein UTM-Navigationsrechner 116 erhält den Kurswinkel und über eine Leitung 118 das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal vxF von dem Odometer 44. Er liefert Ostwert, Nordwert und Gitterkurs. Wenn ein Wegpunkt als Fahrziel mit seinen Koordinaten bei 120 eingegeben wird, liefert der UTM-Navigationsrechner 116 auch den Gitterkurs zu diesem Wegpunkt und die Distanz bis zu diesem Wegpunkt.
In Fig. 3 ist die Signalverarbeitung für die Navigation ausführlicher dargestellt.
Links von der Linie 122 in Fig. 3 sind die Sensoren dargestellt, deren Signale für die Navigation ausgenutzt werden. Im mittleren Teil von Fig. 3 ist als Blockschaltbild die Signalverarbeitung dargestellt. Rechts von der Linie 124 in Fig. 3 sind die erhaltenen Informationen gezeigt.
Im linken Teil von Fig. 3 ist der turmfeste Wende- i kreisel 36 gezeigt, der die Signale qT und pT liefert.
Der waffenfeste Wendekreisel 28 liefert die Signale qW und rW . Die ebenfalls waffenfesten Beschleunigungs messer 20 und 24 liefern die Beschleunigungssignale axW und ayW . Das Odometer 44 liefert dasFahrzeuggeschwindigkeitssignal vxF. Die Winkelgeber 18 und 14 liefern die WinkelαW und αT.
Die Drehgeschwindigkeitssignale qT, pT und qW, rW von den Wendekreiseln 36 bzw. 28 sind auf Rfchnermittel 126 zur Fehlerkompensation und zur Berechnung der Drehge-W schwindigkeit p um die waffenfeste Koordinatenachse x geschaltet. Die Rechnermittel 126 erhalten zu diesem Zweck über Leistung 128 ein dem ElevationswinkeljW entsprechendes Signal von dem Winkelgeber 18. Die Rechnermittel 126 liefern so die Drehgeschwindigkeiten pW, , @ W w W W W und r um die Koordinatenachsen x , y und z des waffenfesten Koordinatensystems. Die Wendekreisl 28 und 36 messen Drehgeschwindigkeiten gegenüber dem inertialen Raum Um Drehgeschwindigkeiten gegenüber dem erdfesten Koordinatensystem zu erhalten, muß der Einfluß der Erddrehgeschwindigkeit kompensiert werden. Tn Rechnermittel 130 wird ein Anfangswert 0 (0) der geographischen Breite eingegeben. Weiterhin erhalten die Rechnermittel 130 die (in noch zu beschreibender Weise erhaltenen) Elemente aus der ersten und dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix für eine Transformation aus dem erdfesten in ein waffenfestes Koordinatensystem. Die Rechnermittel 130 liefern die Komponenten #FxW,#FyW und #FzW der Erd-EY Ey Ez drehgeschwindigkeit auf Leitungen 132,134 und 136.
Summationsmittel 138,140 und 142 korrigieren die Drehgeschwindigkeiten pW, q und rW hinsichtlich der um die Koordinatenachsen xW, yW und zW wirksamen Komponenten #ExW,#EyW und #EzW der Erddrehgeschwindigkeit und liefern die Drehgeschwindigkeiten um diese waffenfesten Koordinatenachsen relativ zu dem erdfesten Koordinantensystem.
Rechnermittel 144 erhalten diese korrigierten Drehgeschwindigkeiten#xW,#yW,#zW sowie die (in noch zu beschreibender Weise als Schätzwerte erhaltenen) Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix für die Transformationen aus dem waffenfesten Koordinatensystem in das erdfeste Koordinatensystem. Die Rechnermittel 144 bestimmen daraus, wie in der DE-OS 29 22 415 angegeben, W Größen mit der Dimension von Drehgeschwindigkeiten d31 W und d32 als deterministische Eingangsgrößen für Lage-und filter 146 und 148. Diese Größen d31 d32 entsprechen den Änderungsraten der Elemente der Richtungskosinusmatrix.
Das Lagefilter 146 erhält die Größe d31W.
über eine Anordnung 150 zur Fehlerkompensation wird dem Lagefilter 146 weiterhin das Beschleunigungssignal axW des Beschleunigungsmessers 20 zugeführt. Eine weitere Eingangsgröße für das Lagefilter 146 ist die durch Substraktionsmittel 152 gebildete Größe rW-#EzW, d.h.
die hinsichtlich der Erddrehgeschwindigkeitskomponente #EzW berichtigte, Drehgeschwindigkeit der Waffe 16 um die Koordinatenachse zW Die Drehgeschwindigkeit rW wird von dem Wendekreisel 28 gemessen. Schließlich erhält das Lagefilter 146 noch die in Richtung der Koordinatenachse yW fallende Komponente vyMW der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit vxF. Die von dem Odometer 18 gelieferte Fahrzeuggeschwindigkeit wird durch Rechnermittel 154 Komponentenzerlegung in die Komponenten vxMW und vyMW zerlegt. Die Rechnermittel 154 erhalten zu diesem Zweck den WinkelαT, um den der Turm verdreht- -ist, von Winkelgeber 18.
Das Lagefilter 148 erhält die Größe d32W.
über eine Anordnung 156 zur Fehlerkompensation wird dem Lagefilter 148 weiterhin das Beschleunigungssignal ayW des Beschleunigungsmessers 24 zugeführt. Eine weitere Eingangsgröße für das Lagefilter 148 ist ebenfalls von den Subtraktionsmitteln 152 gebildete Grö-ß-e g 'r Schließlich erhält das Lagefilter 148 noch die in die Richtung der Koordinatenachse xW fallende Komponente vxMW der Fahrzeuggeschwindigkeit vxF von den Rechnermitteln 154.
In die Lagefiltor 146 und 148 werden die Anfangswerte C31 (0) bzw. C32 (O) der Elemente C31 W bzw. C32 der Ri chtungskosinusmatrix fiir die Transformation aus dem waffenfesten Koordinatensystem in das erdfeste Koordinatensystem eingegeben. Diese Anfangswerte werden bei einer -Anfangsausrichtung vor Antritt der Fahrt in bekannter Weise ermittelt. Das Lagefilter 146 liefert in noch zu beschreibender Weise einen Schätzwert C31W für das Element C31W der Richtungskosinusmatrix. Das Lagefilter 148 W -liefert entsprechend einen Schätzwert C32 für das Element C32W der Richtungskosinusmatrix. Aus den beiden Schätzwerten C31W und C32W kann in bekannter Weise durch Rechnermittel 158 ein Schätzwert C33W für das Element W C33 der Richtungskosinusmatrix erhalten werden. Die Lagefilter 146 und 148 sind Kalman-Filter der in Fig. 4 dargestellten Art, deren Wirkungsweise unten noch beschrieben wird.
Die Lagefilter 146,148 und die Rechnermittel 158 liefern somit die Elemente der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix, die durch einen Vektor C3W dargestellt werden können. Diese Elemente C3W werden unter anderem über den Informationskanal 160 auf die Rechnermittel 144 gegeben, die wiederum die Größen d31W und d32W für die Lagefilter 146 und 148 liefern.
Die durch den Vektor C3 W dargestellten Elemente der Richtungskosinusmatrix werden über den Informationskanal 162 Rechnermittel 164 zur Berechnung der Kurswinkeländerung #W der Waffe 16 zugeführt. Rechnermittel 164 erhalten die hinsichtlich der Erddrehung korrigierten Drehgeschwindigkeitssignale #yW und #zW von den Summationsmitteln 140 und 142. Die Rechnermittel 164 liefern die Kurswinkeländerung W der Waffe 16 in dem erdfesten Koordinantensystem. Integrationsmittel 166 liefern daraus den Kurswinkel #W der Waffe. Die Integrationsmittel 166 erhalten den Anfangswert #W (0) des Kurswinkels, der durch einen Nordungsvorgang vor Antritt der Fahrt ermittelt wird. Dieser "Waffenkurs" #W wird über eine Leitung 168 Rechnermitteln 170 zugeführt.
Die Rechnermittel 170 erhalten über einen Informationskanal 172 die Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix, d.h. den Vektor C3W, sowie, wie W s9wia"' gesagt, den Waffenkurs Y . Sie liefern daraus die Elemente aus der zweiten Zeile der Richtungskosinusmatrix,, die wieder zu einem Vektor C2W zusammengefaßt werden können.
Erste Fahrzeugkurs-Rechnermittel 174 erhalten über einen Informationskanal 176 von den Rechnermitteln 170 die Elemente aus der zweiten Zeile der Richtungskosinusmatrix C2W sowie über einen Informationskanal 178 von den Rechnermitteln 158 die Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix C3W. Die ersten Fahrzeugkurs-Rechnermittel 174 erhalten weiterhin Von Winkelgeber 14 über Leitung 180 den DrehwinkelαT des Turms 12 sowie von Winkelgebern 18 über Leitung 182 den Elevationswinkel#W der Waffe 16. Die ersten Fahrzeugkurs-Rechnermittel 174 berechnen den Sinus des Kurswinkels der Fahrzeuglängsachse xF in dem erdfesten Koordinatensystem und durch Arcussinusbildung den Kurswinkel (Fahrzeugkurs) #F.
Die Elemente aus der dritten Reihe der Richtungskosinusmatrix C3W sind über einen Informationskanal 184 auf Rechnermittel 186 geschaltet. Die Rechnermittel 186 erhalten außerdem über Leitung 188 von den Integrationsmitteln 166 den Waffenkurs W. Die Rechnermittel 186 berechnen daraus die Elemente aus der ersten Zeile d.er Richtungskosinusmatrix, die zu einem Vektor C1W zusammengefaßt werden können.
Zweite Fahrzeugkurs-Rechnermittel 190 erhalten über einen Informationskanal 192 von den Rechnermitteln 186 die Elemente aus der ersten Zeile der Richtungskosinusmatrix C1W sowie über einen Informationskanal 194 die Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix C3W. Die zweiten Fahrzeugkurs-Rechnermittel 190 erhalten weiterhin ebenfalls vom Winkelgeber 14 über Leitung 196 den Drehwinkel T des Turms 12 sowie vom kegelber 18 über Leitung 198 den Elevationswinkel# W der Waffe 16. Die zweiten Fahrzeugkurs-Rechnermittel 190 berechen den Kosinus des Kurswinkels und durch Arcuscosinusbildung den Kurswinkel #F.
Die Elemente aus der ersten Zeile der Richtungskosinusmatrix C1W sind über einen Informationskanal 200 auf die Rechnermittel 130 für die Kompensation der Erddrehgeschwindigkeit geschaltet. Die Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix C3W sind über einen Informationskanal 202 ebenfalls auf die Rechnermittel 130 geschaltet.
Die Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix C3W sind über einen Informationskanal 204 auf Lagewinkel-Rechnermittel 206 geschaltet. Sie liefern die Lagewinkel #W und #W der Waffe 16.
In Fig. 4 ist das Lagefilter 148 im einzelnen dargestellt.
Das Lagefilter 146 ist in entsprechender Weise aufgebaut.
Das Lagefilter 148 ist ein Kalman-Filter, das einen Schätzwert C32W des Elements C32W der Richtungs-;kosinusmatrix liefert.
Das Lagefilter 146 enthält erste integrierende Mittel 208.
Das Ausgangssignal vyW der ersten integrierenden Mittel 208 wird als Subtrahend Substraktionsmitteln 210 zugeführt.
Als Minuend erhalten die Subtraktionsmittel -, - :1 -dem Odometer 44 und rlen Rechnermitteln 154 - ? gelieferte Komponente vyMW des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals vxF. Die Substraktionsmittel 210 bilden daraus ein Differenzsignal. Durch einen Block 212 sind Mittel zur Multiplikation des Differenzsignals mit einem erste vorzugsweise zeitabhängigen Faktor Kc symbolisiert Summationsmittel 214 erhalten das mit dem Faktor Kc multiplizierte Differenzsignal und - als deterministische Eingangsgröße - die Größe d32W.Die Größe d32W entspricht, wie oben erläutert wurde der Änderungsrate des Elements C32 der Richtungskosinusmatrix. Es wird ein Summensignal gebildet. Dieses Summensignal ist auf zweite integrierend Mittel 216 aufgeschaltet. Diese zweiten integrierenden Mittel 216 liefern den Schätzwert C32W für das Element C3 der dritten Zeile und zweite Spalte der Richtungskosinusmatrix. Ein Block 218 symbolisiert Mittel zu Multiplikation dieses Schätzwertes mit der Erdbeschleunigung g. Ein Block 220, der zwischen dem Ausgang der Subtraktionsmittel 210 und dem Eingang der ersten integrierenden Mittel 208 angeordnet ist, symbolisiert Mittel zur Multiplikation des Differenzsignals mit einen zweiten, vorzugsweise zeitabhängigen, Faktor K Es sind W Mittel 222 zur Summation der Signale ay von dem Beschleunigungsmesser 24, des mit der Erdbeschleunigung g multiplizierten Schätzwerts C32W und des mit dem zweiten Faktor Kv multiplizierten Differenzsignals vorgesehen. Die so erhaltene Summe ist auf die ersten integrierenden Mittel 208 aufgeschaltet.
Das beschriebene Lagefilter 148 arbeitet wie folgt: Es sei einmal angenommen, die Orientierung dcr Waffe 16 W im Raum bliebe unverändert, so daß d32 null ist, und der Schätzwert deren entspräche dem tatsächlichen Flemnt C32W der Richtungskosinusmatrix. In diesem Falle ergibt sich aus der Überlagerung des mit der Erdbeschleunigiing g W multiplizierten Schätzwerts C32 und, der vom Beschleunigungsmesser 24 erfaßten Beschleunigung die tatsächliche Newtonsche Beschleunigung, also Geschwindigkeitsänderung, gegenüber dem erdfesten Koordinatensystem. Der Ausgang vA W der ersten integrierenden Mittel 208 entspräche y bei richtigen Anfangsbedingungen der tatsächlichen Geschwindigkeit. Die Differenz dieser "inertia]en" Geschwindigkeit v@W W und der mit dem Odometer gemessenen Geschwindigkeitskomponente vyMW wäre null. Damit wäre auch der Eingang der zweiten integrierenden Mittel 216 null. Der Ausgang der zweiten integrierenden Mittel W 216 und somit der Schätzwert C32 des Elements der Richtungskosinusmatrix bliebe konstant.
Wenn nun der Ausgang der zweiten integrierenden Mittel 216 nicht dem tatsächlichen Element der Richtungskosinusmatrix entspricht, dann ist die Differenz ayW-C32W.g nicht die Newtonsche Beschleunigung. Das von den Subtraktionsmitteln 210 gebildete Differenz signal wird von null verschieden und wächst mit der Zeit an. Damit entsteht ein Signal am Eingang der zweiten integrierenden Mittel 216, so daß der Ausgang der zweiten integrierenden W Mittel 216 und damit C32 verändert wird. Gleichzeitig wird der Eingang der integrierenden Mittel 208 unmittelbar mit dem Faktor Kv verändert.
Es erfolgt also eine Regelung derart, daß die inertial gemessene Geschwindigkeitskomponente vyW gleich der direkt gemessenen Geschwindigkeitskomponente vyMW gehalten wird. Im Gleichgewichtszustand muß dann der w Schätzwert C32W am Ausgang des Integrators 216 gleich dem dem tatsächlichen Lagewinkel entsprechenden Element der Richtungskosinusmatrix sein.
Eine Änderung des Lagewinkels der Waffe 16, also ein W Signal d32 führt über die integrierenden Mittel 216 unmittelbar, also nicht auf dem Umweg 32 über die Geschwindigkeit zu einer Änderung des Schätzwertes C32W.
In entsprechender Weise arbeitet das Lagefilter 146.
W Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, wird der "Waffenkurs" dadurch bestimmt, daß zunächst aus den Elementen der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix, d.h.
C31W, C32W, C33W, die den Rechnermitteln 164 über den Informationskanal 162 zugeführt werden, und den Winkelgeschwindigkeiten#yW und #zW nach der Beziehung die Zeitableitung des Waffenkurses gebildet wird. Diese Zeitableitung wird dann durch die Integrationsmittel 166 mit dem Anfangswerti (O) integriert.
Fig. 6 veranschaulicht die Gewinnung des Fahrzeugkurses F aus dem Waffenkurs@W Die Richtungskosinusmatrix CwR für eine Transformation aus dem waffenfesten Koordinantensystem x ,y ,z' in das erdfeste Koordinatensystem xR,yR,zR ist eine Funktion der Elemente @31W und C32W und des Waffenkurses #@.
Die Richtungskosinusmatrix CFW für eine Transformation aus dem fahrzeugfesten Koordinatensystem xF , yF, ZF in.
das waffenfeste Koordinatensystem xW,yW,zW ist eine Funktion der Winkel αT und #W, die von den Winkelgebern 14 bzw. 18 gemessen werden. Die Richtungskosinusmatrix CFR für eine Transformation aus dem fahrzeugfestn Roordinatensystem xF,yF,zF ist die gleiche Funktion der Lagewinkel #F,#F,#F. Es gilt (2) CFR(#F,#F,#F) = CWR(C31W,C32W,#W) . CFW(#T,#W) Die, Anordnung mit den Rechnermitteln 186 und 170 sowie :aerL Fahrzeugkurs-Rechnermitteln 174 und 190 von Fig. 3 ist in Fig. 6 durch einen Block 224 dargestellt. Diesen Rechnermitteln werden die Elemente C31W,C32W, der Waffenkurs #W und die WinkelαT und#W zugeführt.
Multipliziert man die Matritzen auf der rechten Seite der Gleichung (2) aus, so ergeben sich durch Vergleich der Elemente Beziehungen für #F, die in den Fahrzeugkurs-Rechnermitteln 174 und 190 benutzt werden.
Es sind vorstehend "Leitungen" erwähnt, um den Weg der verschiedenen Informationen in den Blockdiagrammen von Fig. 2 und 3 zu verdeutlichen. Das soll aber nicht bedeuten, daß es sich dabei um einzelne Leitungen handeln müsse, wie sowie zur Ubertragung analoger Signale dienen.

Claims

Patentansprüche 1. Integriertes Navigations- und Feuerleitsystem für Kampfpanzer mit einem um eine Hochachse verdrehbaren Turm und einer gegenüber dem Turm in der Elevation verstellbaren Waffe, ebnthaltend (a) eine an der Waffe angebrachte Wendekreiselanordnung, (b) an der Waffe angeordnete Lagefühler, (c) Fühler, die auf die Lagewinkel der Waffe relativ zu dem Kampfpanzer ansprechen, (d) einen Geschwindigkeitsfühler, der ein Fahrzeugycschwind i.ykeit ssigna 1 liefert und (e) einen Rechner mit (e1) Mitteln zur Bestilenung des auf die Waffe bezogenen Kurswinkels, auf welche die Signale der Wendekreisel und der Laqefühler aufgeschaltet sind, (@2) Mitteln zur Bestimmung des Fahrzeugkurswinkels, auf welche der auf die Waffe bezogene Kurswinkel, die Signale der Lagcfühier und die von den Fühlern gelieferten Lagewinkel der Waffe relativ zu dem Kampfpanzer aufgeschaltet sind, (e3) Mitteln zum Bestimmen der Fahrzeugposition, auf welche der Fahrzeugkurswinkel und das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal aufge schaltet sind, sowie (e4) Mitteln zum Stabilisieren und Richten der Waffe unter Benutzung der von den Fühlern gelieferten Signale, dadurch gekennzeichnet, daß (f) der Lagefühler von Beschleunigungsmessern gebildet ist, (g) die Signale der Beschleunigungsmesser zusammen mit Fahrzeuggeschwindigkeitssignalen und von der Wendekreiselanordnung abgeleiteten Winkelgeschwindigkeitssignalen auf Kalman-Filter geschaltet sind, welche Schätzwerte für Elemente der Richtungskosinusmatrix liefert, und (h) die von den Kalman-Filtern gelieferten Elemente der Richtungskosinusmatrix und die von der Wendekreiselanordnung gelieferten g Drehgeschwindigkeitssignale auf Rechnermittel zur Berechnung des auf die Waffe bezogenen Kurswinkels geschaltet sind.
2. Integriertes Naviyatirls- und Feuerleitsystem ac Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, deß das Kalman-Filter jeweils (a) erste integrierende Mittel enthält sowie (b) Mittel zur Subtraktion des von den ersten integrierenden Mitteln gelieferten Signals und der Komponente des Fahrzeuggeschwindigkeitssignals zur Bi.ldung eines Differenzsignals, (c) Mittel zur Multiplikation des Differenzsignals mit einem ersten, vorzugsweise zeitabhängigen Faktor, (d) Mittel zur Addition des mit dem Faktor multiplizierten Differenzsignals mit einem Winkelgeschwindigkeitssignal zur Bildung eines Summensignals, (e) zweite integrierende Mittel, auf welche das Summensignal aufgeschaltet sind und welche den Schätzwert für das Element der Richtungskosinusmatrix liefert, (f) Mittel zu-r Multiplikation dieses Schätzwertes mit der Erdbeschleunigung, (h) Mittel zur Multiplikation des Differenzsignals mit einem zweiten, vorzugsweise zeitabhängigen, Faktor und (i) Mittel zur Summation (i1) des Signals von dem Reschleunigungsmesser, (i2) des mit der Erdbeschleunigung multiplizierten Schätzwerts und (i3) des mit dem zweit.en Faktor multiplizierten Differenzsignals und (j) Mittel zum Aufschalten des so erhaltenen Signals auf die ersten integrierenden Mittel.
3. Integriertes Navigations- und Feuerleitsystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch (a) ein erstes als Kalman-Filter ausgebildetes Lagefilter, das einen Schätzwert (C31W) des Elements der dritten Zeile und ersten Sp der Richtungskosinusmatrix für eine Transformation aus einem waffenfesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinatensystem liefert, (b) ein zweites als Kalman-Filter ausgebildetes Lagefilter, das einen Schätzwert (C32W) des Elements der dritten Zeile und zweiten Spalte der Richtungskosinusmatrix für eine Transformation aus einem waffenfesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinaten-, system liefert, (c) erste Rechnermittel, auf welche die Sch.tzwerte von dem ersten und dem zweiten Lagefilter aufgeschaltet sind und welche daraus einen Schätzwert (C33W) des Elements aus der dritten Zeile und dritten Spalte der Richtungskosinusmatrix für eine Transformation aus einem waffenfesten Koordinatensystem in ein er-1-festes Koordinatensystem bildet.
4. Integriertes Navigations- und Feuerleitsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch (d) zweite Rechnermittel auf welche (d1) von der Wendekreiselanordnung die hinsichtlich der Erddrehgeschwindigkeit kompensierten Winkelgeschwindigkeiten um Achsen des waffenfesten Koordinatensystems und (d2) von den Lagefiltern und den ersten Rechnermitteln die Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix aufgeschaltet sind, und welche (d3) die Änderungsgeschwindigkeit des auf di Waffe bezogenen Kurswinkels (Waffenkurses) im erdfesten Koordinatensystem liefern, (e) Integrationsmittel zur Integration der besagten Änderung sgeschwindigke it , welche ein Ausgangssignal entsprechend dem Waffenkurs liefern, (f) dritte Rechnermittel, auf welche (f1) die Schätzertw der Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix und (f2) der Waffenkurs aufgeschaltet sind und welche (f3) Schätzwerte für die Elemente der ersten Zeile der Richtungskosinusmatrix liefern, und (g) vierte Rechnermittel, auf welche (g1) die Schätzwerte der Elemente aus der ersten Zeile der Richtungskosinusmatrix, (g2) die Schätzwerte der Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix und (g3) die Lagewinkel der Waffe relativ zu dem Kampfpanzer zugeführt werden und welche daraus über die Arcuscosinusfunktion (g4) den Kurswinkel der Fahrzeuglängsachse in dem erdfesten Koordinatensystem liefern Integrit rtes Navigations- und Feuerleitsystem nach Anspruch 3, gokennzeichnet durch (d) zweite Rechnermittel auf welche (d1) von der Wendekreiselanordnung die hinsichtlich der Erddrehgeschwindigkeit kompensierten Winkelgeschwindiqkeit um Achsen des waffenfesten Koordinatensystems und (d2) von den Lagefiltern und den ersten Rechnermitteln die Elemente aus der dritten Zeile der Richtunaskosinusmatrix aufgeschaltet sind, und welche (d3) die Anderungsgeschwindigkeit des auf die Waffe bezogenen Kurswinkels (Waffenkurses) im erdfesten Koordinatensystem liefern, (e) Integrationsmittel zur Integration der besagten Änderungsgeschwindigkeit, welche ein Ausgangssignal entsprechend dem Waffenkurs liefern, (f) fünfte Rechnermittel (170), auf welche (fl) die Schätzwerte (C3W) der Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix und (f2) der Waffenkurs (! W) aufgeschaltet sind und welche (f3) Schätzwerte (C2W) für die Elemente der zweiten Zeile der Richtungskosinusmatrix liefern, und (g) sechste Rechnermittel (174), auf welche (g1) die Schätzwerte (C2W) der Elemente aus der zweiten Zeile der Richtungskosinusmatrix, (g2) die Schätzwerte (C3W) der Elemente aus der dritten Zeile der Richtungskosinusmatrix und (g3) die Lagewinkel (αT,#W) der Waffe (16) relativ zu dem Kampfpanzer (10) zugeführt werden und welche daraus über die Arcussinusfunktion, (g4) den Kurswinkel der Fahrzeuglängsachse in dem erdfesten Koordinatensystem liefern, 6. Integriertes Navigations- und Feuerleitsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch Rechnerflittel (206), auf welche die Elelnente (C W) der dritten Zeile der Richtungs-R kosinusmatrix (Cw ) aufgeschaltet sind und welche für das Feuerleitsystem Nick- und Rollwinkel (ffi..JW bzw.#W) der Waffe (16) liefern.