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Verfahren zum Orten eines Ziels
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orten eines Ziels der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
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Bei solchen bekannten Verfahren werden Sender verwendet, die im allgemeinen
abgesetzt von einem eigenen Fahrzeug betrieben werden und über eine Übertragungsstrecke,
z. B. ein Kabel, steuerbar sind. Diese Verfahren sind auch als bistatische Sonarverfahren
bekannt. Dabei wird die vom Sender abgestrahlte Schallenergie zur "Beleuchtung"
des zu ortenden Ziels verwendet. Aus Richtung und Laufzeit der am Zielfahrzeug reflektierten
Schallenergie wird dann empfängerseitig der Ort des Zielfahrzeugs bezüglich des
Empfängers bestimmt. Die zur Bestimmung des Sendezeitpunktes oder der Sendesignalcharakteristika
erforderlichen Informationen müssen dabei zwischen Sender und Empfänger über die
Übertragungsstrecke ausgetauscht werden.
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Der Einsatz eines solchen Verfahrens, z. B. auf einem U-Boot, schränkt
jedoch in erheblichem Maße dessen Manövrierfähigkeit ein und erhöht durch den unmittelbar
benachbarten Sender die Eigenverratswahrscheinlichkeit des U-Boots und des Begleitfahrzeuges,
das den Sender trägt, beträchtlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Orten
von Zielen der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Benutzung von aktiven
Sendern in Verbindung mit dem ortenden Eigenfahrzeug vermieden wird, Die Aufgabe
ist bei einem Verfahren zum Orten von Zielen der im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs
1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet der Sender völlig eigenständig
und unbeeinflußbar auf einem Fremdfahrzeug, von dem keine Verbindung zum Datenaustausch
mit dem Eigenfahrzeug bzw. dessen Empfänger besteht. Beispielsweise werden Sendeimpulse
eines Unterwasserschallsenders von einem mit einer Aktivsonaranlage ort enden Oberflächenschiff
ausgewertet, wobei die Sendeimpulse rundum oder zumindest gleichzeitig in Sektoren
mit Richtung auf das Eigenfahrzeug und ein Ziel abgestrahlt werden.
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Von dem Empfänger auf dem Eigenfahrzeug werden dann einerseits die
auf direktem Wege eintreffenden Sendeimpulse als Direktsignal empfangen, wobei Richtung
und Empfangszeitpunkt des Direktsignals gemessen werden. Andererseits werden die
abgestrahlten Sendeimpulse an dem Ziel reflektiert und treffen als Reflexionssignal
mit entsprechend längerer Laufzeit am Empfänger ein. Dabei müssen Einfallsrichtung
und Ankunftszeit der Reflexion ebenfalls gemessen werden, wobei die Einfallsrichtung
mit der Peilrichtung des Ziels vom Eigenfahrzeug aus übereinstimmt. Da der Sendezeitpunkt
der Sendeimpulse unbekannt ist und somit die Gesamtlauf-
zeit der
als Reflexionssignal am Empfänger eintreffenden Sendeimpulse nicht bestimmt werden
kann, wird aus der Empfangszeit des Direktsignals und der Ankunftszeit der Reflexion
eine Differenzzeit gebildet.
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Diese Differenzzeit ist einer Laufwegdifferenz zwischen dem direkten
Weg der Schallenergie und dem Umweg der am Zielfahrzeug reflektierten Schallenergie
proportional. Die Standlinie oder Kurve aller Orte von solchen Zielfahrzeugen, für
die sich gleiche Laufwegdifferenzen ergeben, ist eine Ellipse, in deren Brennpunkten
sich der Sender und der Empfänger befinden. Um diese Standlinie für die Ortung des
Zielfahrzeugs genau festzulegen, ist es deshalb erforderlich, die Entfernung zwischen
Sender und Empfänger genau zu vermessen. Zur passiven Entfernungsmessung sind jedoch
eine Reihe Verfahren bekannt, von denen beispielhaft H. G. Launer, PRS 3 - ein passives
Entfernungsmeßgerät für U-Boote -, in Marine-Rundschau, 11/1980, Seiten 678-682,
zitiert wird. Eine zweite Standlinie ist mit der Messung der Einfallsrichtung bzw.
der Peilrichtung bestimmt worden. Damit wird dann der Ort des Ziels aus dem Schnittpunkt
beider Standlinien eindeutig bestimmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft bei der Ortung einzelner
Fahrzeuge eines größeren Verbandes eingesetzt. Derartige Verbände werden im allgemeinen
von Begleitfahrzeugen geschützt, die mit starken Sendeanlagen zur Unterwasserortung
ausgestattet sind. Bei den von diesen Begleitfahrzeugen durchzuführenden Überwachungsaufgaben
zum Schutz gegen evtl. Angreifer ist es nicht vermeidbar, daß auch die Fahrzeuge
des Verbandes mit Schallimpulsen "beleuchtet" werden. Diese Schallimpulse werden
dann gemäß der Erfindung von dem angreifenden Eigenfahr-
zeug bereits
in einer so großen Entfernung aufgenommen, in der die Entdeckungswahrscheinlichkeit
für das Eigenfahrzeug durch den aktiv ort enden Sender noch sehr gering ist. Sonaranlagen
mit Entfernungsmeßverfahren für Schallenergie abstrahlende Fahrzeuge werden mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders einfach und vorteilhaft ergänzt, um auch
weitgehend passive Ziele zu orten, so daß durch dieses Verfahren die Sicherheit
passiver Zielortung erheblich gesteigert wird.
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Verglichen mit für diesen Zweck üblicherweise verwendeten Passiv-Sonar-Ortungs-Anlagen
ergibt sich der wesentliche Vorteil der Mehrzieltrennung, da unter der gleichen
Peilrichtung hintereinander gestaffelte Ziele mehrere Reflexionssignale mit unterschiedlichen
Laufzeiten erzeugen. Die unterschiedlichen Laufzeiten ergeben unterschiedliche Laufwegdifferenzellipsen,
deren Schnittpunkte mit der Peilrichtung die Ortung mehrerer hintereinanderliegender
Ziele ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft durch die weiteren
Ansprüche ausgestaltet.
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestallten Ausführungsbeispiels
im folgenden näher beschrieben.
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Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer angenommenen
Ortungssituation in einem Nord-Ost-Koordinatensystem.
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In der Zeichnung ist als Ausschnitt einer erfindungs-
gemäßen
PPI-Anzeige eine Ortungssituation in einem Nord-Ost-Koordinatensystem mit einem
Eigenfahrzeug 10, einem Fremdfahrzeug 20 und Zielen 21, 22 , 23, 24 schematisch
dargestellt. Das Eigenfahrzeug 10 ist symbolisch durch eine Raute gekennzeichnet
und befindet sich im Koordinatenursprung, der somit identisch mit dem Empfängerort
ist. Das Fremdfahrzeug 20, das an seiner Position, d. h. dem Senderort, durch ein
Dreieck symbolisch dargestellt ist, wird unter einem Winkel 135 = 600 gegen die
Nord-Koordinate N vom Eigenfahrzeug 10 aus gepeilt. Die Ziele 21, 22 und 23, 24,
die an ihrem Ort jeweils durch einen Kreis markiert sind, sind unter einem Winkel
Bz= 300 bzw. B = 450 angenommen. Ferner sind in einem Dreieck'gebildet aus dem Eigenfahrzeug
10, dem Fremdfahrzeug 20 und dem Ziel 21 die Senderentfernung Rs, die Zielentfernung
RZ und die Senderzielentfernung RSZ zusätzlich bezeichnet.
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Ein vom Sender des Fremdfahrzeugs 20 omnidirektional abgestrahlter
Schallimpuls breitet sich in alle Richtungen aus und wird einerseits vom Empfänger
des Eigenfahrzeugs 10 als Direkt signal empfangen. Von dem Direktsignal werden die
Empfangszeit ts, d.h. der Zeitpunkt, zu dem der Sendeimpuls am Empfänger eintrifft,
und die Empfangsrichtung gegen die Nord-Koordinate N gemessen, wobei die Empfangsrichtung,
dargestellt als Peillinie 40, gleich dem Winkel BS in der Zeichnung ist. Der auch
zum Ziel 21 gelangende Sendeimpuls wird andererseits dort reflektiert und als Reflexionssignal
an dem Empfänger des Eigenfahrzeugs 10 aufgenommen. Von dem Reflexionssignal wird
ebenfalls der Zeitpunkt des Eintreffens am Empfänger als Ankunftszeit t und die
Einfallsrichtung gemesz sen, die gemäß dem in der Zeichnung dargestellten
Beispiel
gleich dem Winkel Bz ist. Aus der Ankunftszeit t und der Empfangszeit t wird eine
Diffez 5 renz tt = t -t berechnet. Diese Differenz tt ist z s identisch mit einer
Laufzeitdifferenz ts zwischen der Laufzeit T des am Ziel reflektierten Impulses
z und der Impulslaufzeit T des auf direktem Wege am 5 Empfänger eintreffenden Sendeimpulses.
Bei der Ausbreitung von Schallimpulsen sind die zurückgelegten Wege den Zeiten direkt
proportional, wobei als Proportionalitätsfaktor die Schallgeschwindigkeit c auftritt.
Auf diese Weise wird nunmehr aus der Differenz bt, d.h. der Laufzeitdifferenz Ih'c,
eine Laufwegdifferenz D ermittelt. Weiterhin muß vom Eigenfahrzeug 10 aus die Sender
entfernung RS gemessen und der Senderort im Koordinatensystem mit der Senderentfernung
RS und der Empfangsrichtung BS bestimmt werden.
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Empfängerort und Senderort sind dann die Brennpunkte einer Laufwegdifferenzellipse,
welche die Standlinie aller derjenigen Ziele darstellt, für die eine Summe aus Laufwegdifferenz
D und Senderentfernung RS konstant ist. Für Laufwegdifferenzen, die sich durch Reflexionen
von Schallimpulsen am Ziel 21 ergeben, ist die Laufwegdifferenzellipse in der Zeichnung
durch die Ellipse 31 wiedergegeben. Diese Laufwegdifferenzellipse 31 wird mit einem
Peilstrahl 41, der unter der Einfallsrichtung 13Z vom Empfänger aus abgetragen wird,
zum Schnitt gebracht. Der Schnittpunkt ist der Zielort des Ziels 21.
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Aufgrund der trigonometrischen Beziehungen in dem vom Eigenfahrzeug
10, vom Fremdfahrzeug 20 und vom Ziel 21 aufgespannten Dreieck kann die Zielentfernung
RZ berechnet werden. Zunächst ergibt sich aus der Bedingung für die Laufwegdifferenzellipse
die Laufwegdifferenz D zu
D = Rz + RSZ R R5 (1).
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Außerdem kann dieses Dreieck, dessen Dreieckseiten die Zielentfernung
Rz, die Senderentfernung R5 und die Sender-Ziel-Entfernung RSZ sind, mit Hilfe des
trigonometrischen Kosinussatzes berechnet werden, wobei gilt R2SZ = R2Z + R2S -
2 RS RZ cos (BS-BZ) (2).
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Ersetzt man in G1. (2) die Sender-Ziel-Entfernung RSZ durch die entsprechende
Größe aus der Ellipsenbedingung nach Gl. (1), so kann man nach der Zielentfernung
auflösen und erhält
In Gl. (3) werden Empfangsrichtung BS und Einfallsrichtung Bz unmittelbar meßtechnisch
erfaßt. Die Laufwegdifferenz D wird aus der ermittelten Differenz tt unter Berücksichtigung
der Schallgeschwindigkeit c zu D = c . ht (4) bestimmt, so daß lediglich die Senderentfernung
R5 mit einem passiven Entfernungsmeßverfahren bestimmt werden muß. Außer dem bereits
weiter oben zitierten PRS-Verfahren (Passiv-Ranging-Sonar) sind insbesondere auf
Sender mit signifikant er Charakteristik abgestimmte Meßverfahren besonders wirkungsvoll.
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In der Zeichnung sind weitere Ellipsen 30, 33, 34 dargestellt, wobei
bei unveränderter Senderentfernung R5 die Ellipse 30 aufgrund einer kleineren und
die Ellipsen 33, 7 aufgrund von größeren Laufwegdifferenzen als der Ellipse 31 ermittelt
worden sind und die Ellipsen 30, 31, 32, 33, 3 insgesamt eine rasterartige Ellipsenschar
bilden.
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Das zweite Ziel 22 auf dem Peilstrahl 41 hat sich aus einer Laufwegdifferenz
ergeben, die zwischen den die Laufwegdifferenzen der Ellipsen 31 und 33 bestimmenden
Werten liegt, wobei die zugehörige Laufwegdifferenzellipse jedoch nicht angezeigt
worden ist. Diese beiden Ziel 21 und 22 wären dann nicht zu trennen gewesen, wenn
passive Entfernungsmeßverfahren lediglich die Lage von Geräuschschwerpunkten detektieren
und vermessen. Die Laufzeit-bzw. die daraus berechneten Laufwegdifferenzen unterscheiden
sich noch so signifikant, daß zwei getrennte Ziele 21 und 22 erkannt werden und
somit die Mehrzieltrennung im Verband fahrender Fahrzeuge vorgenommen wird.
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Die Ziele 23 und 24 liegen auf einem weiteren Peilstrahl 42 unter
dem Winkel B an Schnittpunkten mit den Ellipsen 33 und 34. Um die Ziele 22, 23 und
24 sind Toleranzgebiete 52, 53 und 54 angezeigt worden, die auf der Messung oder
Berechnung von Mittelwerten und Streuungen beruhen. Aus den Mittelwerten der Laufwegdifferenzen
haben sich in dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel die Ellipsen 33 und 34
ergeben, wohingegen aus dem Mittelwert für Einfallsrichtungen von Reflexionssignalen
an den Zielen 23 und 24 der dem Winkel B zugeordnete Peilstrahl 42 bestimmt worden
ist.
Aus der Streuung der Einfallsrichtungen wird eine tangentiale Streuung und aus der
Streuung der Laufwegdifferenzen eine zur Ellipse normale Streuung bestimmt.
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Die tangentiale und die normale Streuung ergeben dann die Abmessungen
der Toleranzgebiete 53 und 54, die im wesentlichen tangential zu den Ellipsen 33
und 34 ausgerichtet sind und deren Mittelpunkte die Schnittpunkte der Ellipsen 33
und 34 mit dem Peilstrahl 42 sind.
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Die Toleranzgebiete sind auch - obwohl nicht in der Zeichnung dargestellt
- zwischen ihren Eckpunkten durch Kurvenabschnitte von Peilstrahlen und Laufwegdifferenzellipsen
unter Berücksichtigung der jeweiligen Streuungen bestimmbar, wobei diese Eckpunkte
dann gekennzeichnet sind durch a) Mittelwert der Einfallsrichtung minus tangentiale
Streuung und Mittelwert der Laufwegdifferenz minus normale Streuung, b) Mittelwert
der Einfallsrichtung plus tangentiale Streuung und Mittelwert der Laufwegdifferenz
minus normale Streuung, c) Mittelwert der Einfallsrichtung plus tangentiale Streuung
und Mittelwert der Laufwegdifferenz plus normale Streuung, d) Mittelwert der Einfallsrichtung
minus tangentiale Streuung und Mittelwert der Laufwegdifferenz plus normale Streuung.
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Aus der Form und der Lage der Toleranzgebiete 52, 53 und 54 ergeben
sich Rückschlüsse auf die Genauigkeit des Ortungsverfahrens. Dabei ist einerseits
zu erken-
nen, daß die normalen Zielstreuungen geringer sind als
die tangentialen Zielstreuungen, d.h. daß die Meßgenauigkeit der Zielentfernung
größer ist als die der Einfallsrichtungen. Andererseits ändern sich die Zielstreuungen
mit zunehmender Entfernung nichtlinear, wie einem Vergleich der Toleranzgebiete
53 und 54 zu entnehmen ist. Die jeweilige Zielstreuung ist dabei mit einem Faktor
bewertet worden, der sich aus dem Auflösungsvermögen durch den Öffnungswinkel der
Empfangsbasis, der Impulslänge des Sendeimpulses und dem Signal-/Geräuschverhältnis
von Direkt- bzw. Reflexionssignal bestimmt. Eine erhebliche Einflußgröße auf die
Meßgenauigkeit der Zielentfernung stellt auch die Senderentfernung R5 dar. Durch
ihre genaue Messung wird die Meßgenauigkeit der Zielentfernung ebenfalls größer
und das Toleranzgebiet kleiner.
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