DE3334008C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orten eines Ziels der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Bei solchen, z. B. aus der DE-OS 32 21 013, 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.

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 Begleitfahrzeugs, das den Sender trägt, beträchtlich.

Aus dem amerikanischen Patentschriften US 43 12 053 und US-28 37 738 sind Verfahren der Mehrwegeausbreitung bekannt, mit denen die Höhe bzw. die Tiefe eines Senders bestimmt wird. Diese passiven Verfahren zur Entfernungsmessung sind daher lediglich zur Ortsbestimmung für einen Sender geeignet.

Ein weiteres Verfahren zur passiven Entfernungsmessung ist auch aus der europäischen Patentanmeldung Ep 00 63 517 bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Mittel der Korrelationstechnik eingesetzt, um eine Schnittstelle zu orten.

Alle diese bekannten Entfernungsmeßverfahren sind nur geeignet, eine aktive Schallquelle unmittelbar zu vermessen und ihre Position zu bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Orten von Zielen der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Benutzung von aktiven Sendern in Verbindukng mit dem ortenden Eigenfahr­ zeug vermieden wird.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Orten von Zielen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angege­ benen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 gelöst.

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 ortenden Oberflächenschiff ausgewertet, wobei die Sendeimpulse rundum oder zu­ mindest gleichzeitig in Sektoren mit Richtung auf das Eigenfahrzeug und ein Ziel abgestrahlt werden.

Von dem Empfänger auf dem Eigenfahrzeug werden dann einerseits die auf direktem Wege eintreffen­ den Sendeimpuls als Direktsignal empfangen, wobei Richtung und Empfangszeitpunkt des Direktsignals gemessen werden. Andererseits werden die abge­ strahlten Sendeimpulse an dem Ziel reflektiert und treffen als Reflexionssignal mit entsprechend län­ gerer Laufzeit am Empfänger ein. Dabei müssen Ein­ fallsrichtung und Ankunftszeit der Reflexion eben­ falls gemessen werden, wobei die Einfallsrichtung mit der Peilrichtung des Ziels vom Eigenfahrzeug aus übereinstimmt. Da der Sendezeitpunkt der Sende­ impulse 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 An­ kunftszeit der Reflexion eine Differenzzeit gebildet. Diese Differenzzeit ist einer Laufwegdifferenz zwischen dem direkten Weg der Schallenergie und dem Um­ weg 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 Brennpunken sich der Sender und der Empfänger befinden. Um diese Standlinie für die Ortung des Zielfahrzeugs genau festzulegen, ist es deshalb er­ forderlich, die Entfernung zwischen Sender und Empfänger genau zu vermessen. Zur passiven Entfernungs­ messung sind jedoch eine Reihe Verfahren bekannt, von denen beispielhaft H. G. Launer, PRS 3 - ein passives Entfernungsmeßgerät für U-Boote -, in Marine-Rund­ schau, 11/1980, Seiten 678-682, zitiert wird. Eine zweite Standlinie ist mit der Messung der Einfalls­ richtung bzw. der Peilrichtung bestimmt worden. Da­ mit wird dann der Ort des Ziels aus dem Schnittpunkt beider Standlinien eindeutig bestimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft bei der Ortung einzelner Fahrzeuge eines größeren Ver­ bandes eingesetzt. Derartige Verbände werden im all­ gemeinen von Begleitfahrzeugen geschützt, die mit starken Sendeanlagen zur Unterwasserortung ausgestattet sind. Bei den von diesen Begleitfahrzeugen durch­ zuführenden Überwachungsaufgaben zum Schutz gegen eventuelle 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 garoßen Entfernung aufgenommen, in der die Entdeckungswahrscheinlichkeit für das Eigenfahrzeug durch den aktiv ortenden Sender noch sehr gering ist. Sonaranlagen mit Entfernungs­ meßverfahren für Schallenergie abstrahlende Fahr­ zeuge werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren be­ sonders einfach und vorteilhaft ergänzt, um auch weitgehend passive Ziele zu orten, so daß durch dieses Verfahren die Sicherheit passiver Zielortung erheblich gesteigert wird.

Verglichen mit für diesen Zweck üblicherweise verwen­ deten 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 Laufwegdifferenz­ ellipsen, deren Schnittpunkte mit der Peilrichtung die Ortung mehrerer hintereinanderliegender Ziele ermöglichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft durch die weiteren Ansprüche ausgestaltet.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer angenommenen Ortungssituation in einem Nord-Ost- Koordinatensystem.

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 be­ findet sich im Koordinatenursprung, der somit iden­ tisch 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 B_S=60° gegen die Nord-Koordinate N vom Eigen­ fahrzeug 10 aus gepeitl. Die Ziele 21, 22 und 23, 24, die an ihrem Ort jeweils durch einen Kreis markiert sind, sind unter einem Winkel B_Z=30° bzw. B=45° angenommen. Ferner sind in einem Dreieck, gebildet aus dem Eigenfahrzeug 10, dem Fremdfahrzeug 20 und dem Ziel 21 die Senderentfernung R_S, die Zielentfernung R_Z und die Senderzielentfernung R_SZ zusätzlich bezeichnet.

Ein vom Sender des Fremdfahrzeugs 20 omnindirektional abgestrahlter Schallimpuls bereitet sich in alle Rich­ tungen aus und wird einerseits vom Empfänger des Ei­ genfahrzeugs 10 als Direktsignal empfangen. Von dem Direktsignal werden die Empfangszeit t_s. d. h. der Zeitpunkt, zu dem der Sendeimpuls am Empfänger ein­ trifft, und die Empfangsrichtung gegen die Nord-Ko­ ordinate N gemessen, wobei die Empfangsrichtung, dar­ gestellt als Peilrichtung 40, gleich dem Winkel B_S in der Zeichnung ist. Der auch zum Ziel 21 gelangende Sendeimpuls wird andererseits dort reflektiert und als Reflexionssignal an dem Empfänger des Eigenfahr­ zeugs 10 aufgenommen. Von dem Reflexionssignal wird ebenfalls der Zeitpunkt des Eintreffens am Empfänger als Ankunftzeit t_z und die Einfallsrichtung gemessen, die gemäß dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel gleich dem Winkel B_Z ist. Aus der Ankunfts­ zeit t_z und der Empfangszeit t_s wird eine Diffe­ renz Δt=t_z-t_s berechnet. Diese Differenz Δt ist identisch mit einer Laufzeitdifferenz Δτ zwischen der Laufzeit τ_z des am Ziel reflektierten Impulses und der Impulslaufzeit τ_s des auf direktem Wege am Empfänger eintreffenden Sendeimpulses. Bei der Aus­ breitung von Schallimpulsen sind die zurückgelegten Wege den Zeiten direkt proportional, wobei als Pro­ portionalitätsfaktor die Schallgeschwindigkeit c auf­ tritt. Auf diese Weise wird nunmehr aus der Differenz Δt, d. h. der Laufzeitdifferenz Δτ, eine Laufweg­ differenz D ermittelt. Weiterhin muß vom Eigenfahr­ zeug 10 aus die Senderentfernung R_S gemessen und der Senderort im Koordinatensystem mit der Senderentfernung R_S und der Empfangsrichtung B_S bestimmt werden. Empfängerort und Senderort sind dann die Brennpunkte einer Laufwegdifferenzellipse, welche die Stand­ linie aller derjenigen Ziele darstellt, für die eine Summe aus Laufwegdifferenz D und Senderentfernung R_S 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 Laufwegdifferenz­ ellipse 31 wird mit einem Peilstrahl 41, der unter der Einfallrichtung B_Z vom Empfänger aus abgetragen wird, zum Schnitt gebracht. Der Schnittpunkt ist der Zielort des Ziels 21.

Aufgrund der trigonometrischen Beziehungen in dem vom Eigenfahrzeug 10, vom Fremdfahrzeug 20 und vom Ziel 21 aufgespannten Dreieck kann die Zielentfernung R_Z berechnet werden. Zunächst ergibt sich aus der Bedingung für die Laufwegdifferenzellipse die Laufwegdifferenz D zu

D = R_Z + R_SZ - R_S (1)

Außerdem kann dieses Dreieck, dessen Dreieckseiten die Zielentfernung R_Z, die Senderentfernung R_S und die Sender-Ziel-Entfernung R_SZ sind, mit Hilfe des trigonometrischen Kosinussatzes berechnet werden, wobei gilt

R_SZ² = R_Z² + R_S² - 2 R_S R_Z cos (B_S - B_Z) (2)

Ersetzt man in Gl. (2) die Sender-Ziel-Entfernung R_SZ durch die entsprechende Größe aus der Ellipsenbedingung nach Gl. (1), so kann man nach der Zielentfernung auflösen und erhält

In Gl. (3) werden Empfangsrichtung B_S und Einfalls­ richtung B_Z unmittelbar meßtechnisch erfaßt. Die Laufwegdifferenz D wird aus der ermittelten Diffe­ renz Δt unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit c zu

D = c · Δt (4)

bestimmt, so daß lediglich die Senderentfernung R_S mit einem passicen Entfernungsmeßverfahren bestimmt werden muß. Außer dem bereits weiter oben zitierten PRS-Verfahren (Passiv-Ranging-Sonat) sind insbesondere auf Sender mit signifikanter Charakteristik ab­ gestimmte Meßverfahren besonders wirkungsvoll.

In der Zeichnung sind weitere Ellipsen 30, 33, 34 dargestellt, wobei bei unveränderter Senderentfernung R_S die Ellipse 30 aufgrund einer kleineren und die Ellipsen 33, 34 aufgrund von größerern Lauf­ wegdifferenzen als der Elipse 31 ermittelt worden sind und die Ellipsen 30, 31, 32, 33, 34 insgesamt eine rasterartige Ellipsenschar bilden.

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 Ziele 21 und 22 wären dann nicht zu trennen gewesen, wenn passive Entfernungs­ meßverfahren lediglich die Lage von Geräuschschwer­ punkten detektieren und vermessen. Die Laufzeit- bzw. die daraus berechneten Laufwegdifferenzen un­ terscheiden sich noch so signifikant, daß zwei ge­ trennte Ziele 21 und 22 und erkannt werden und somit die Mehrzieltrennung im Verband fahrender Fahrzeuge vorgenomemn wird.

Die Ziele 23 und 24 liegen auf einem weiteren Peil­ strahl 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 Laufweg­ differenzen haben sich in dem in der Zeichnung darge­ stellten Beispiel die Ellipsen 33 und 34 ergeben, wo­ hingegen 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 Laufweg­ differenzen eine zur Ellipse normale Streuung bestimmt. 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 aus­ gerichtet sind und deren Mittelpunkte die Schnittpunkte der Ellipsen 33 und 34 mit dem Peilstrahl 42 sind.

Die Toleranzgebiete sind auch - obwohl nicht in der Zeichnung dargestellt - zwischen ihren Endprodukten durch Kurvenabschnitte von Peilstrahlen und Laufweg­ diferenzellipsen unter Berücksichtigung der jeweiligen Streuungen bestimmbar, wobei diese Eckpunkte dann gekennzeichnet sind durch

• a) Mittelwert der Einfallsrichtung minus tan­ gentiale Streuung und Mittelwert der Lauf­ wegdifferenz minus normale Streuung,
• b) Mittelwert der Einfallsrichtung plus tan­ gentiale Streuung und Mittelwert der Lauf­ wegdifferenz minus normale Streuung,
• c) Mittelwert der Einfallsrichtung plus tan­ gentiale Streuung und Mittelwert der Lauf­ wegdifferenz plus normale Streuung,
• d) Mittelwert der Einfallsrichtung minus tan­ gentiale Streuung und Mittelwert der Lauf­ wegdifferenz plus normale Streuung.

Aus der Form und der Lage der Toleranzgebiete 52, 53 und 54 ergeben sich Rückschlüsse auf die Genauigkeit des Ortungsverfahrens. Dabei ist einerseits zu erkennen, daß die normalen Zielstreuungen geringer sind als die tangentialen Zielstreunng, 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 Auflösungvermögen durch den Öffnungswinkel der Emp­ fangsbasis, der Impulslänge des Sendeimpulses und dem Signal-/Geräuschverhältnis von Direkt- bzw Reflexions­ signal bestimmt. Eine erheblich Einflußgröße auf die Meßgenauigkeit der Zielentfernung stellt auch die Sen­ derentfernung R_S dar. Durch ihre genaue Messung wird die Meßgenauigkeit der Zielentfernung ebenfalls größer und das Toleranzgebiet kleiner.

Claims (6)

1. Verfahren zum Orten eines Ziels, bei welchem mittels eines auf einem ersten Fahrzeug angeordneten Senders das Ziel mit Sendeimpulsen beschallt wird und die vom Ziel abgestrahlten Reflexionssignale mittels eines auf einem zweiten Fahrzeug angeordneten Empfängers empfangen werden und die Einfallsrichtung der Reflexionssignale bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender ein aktiv ortendes Fremdfahrzeug (20) benutzt wird, dessen Entfernung (R_S) zum Empfänger bestimmt wird, daß für ein am Empfangsort auf direktem Wege eintreffendes Direktsignal der Sendeimpulse eine Empfangsrichtung (B_S) und eine Empfangszeit gemessen werden, daß für ein zugehöriges Reflexionssignal die Ankunftszeit gemessen wird, daß aus der Differenz von Empfangszeit und Ankunftszeit die Laufwegdifferenz (D) ermittelt wird, daß mit der Empfangsrichtung (B_S) und der Senderentfernung (R_S) der Sendeort bestimmt wird und daß der Zielort als Schnittpunkt der Einfallsrichtung (B, B_Z) mit einer Laufwegdifferenzellipse (31, 33, 34) mit dem Empfängerort und dem Senderort als Brennpunkte bestimmt wird, wobei die Laufwegdifferenzellipse eine Standlinie aller Ziele mit konstanter Summe aus Laufwegdifferenz (D) und Senderentfernung (R_S) bildet, so daß die Zielentfernung (R_Z) aus der Laufwegdifferenz (D), der Senderentfernung (R_S), der Einfallsrichtung (B, B_Z) und der Empfangsrichtung (B_S) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung des Zielortes die Zielentfernung (R_Z) aus der Laufwegdifferenz (D), der Senderentfernung (R_S) und einer Winkeldiffe­ renz von Einfallsrichtung (B, B_Z) und der Emp­ fangsrichtung (B_S) unter Anwendung des trigono­ metrischen Kosinussatzes berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für eine Anzahl von ermittelten Laufwegdifferenzen (D) sowie von Messungen der Einfallsrichtung (B, B_Z), der Empfangsrichtung (B_S) und der Senderentfernung (R_S) jeweils Mittelwerte und Streuungen bestimmt werden und daß die Zielentfernung aus den Mittelwerten und den Streu­ ungen mit statistischen Auswerteverfahren berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Mittelwerten und Streuungen der Laufwegdifferenz (D), der Einfallsrichtung (B, B_Z), der Empfangsrichtung (B_S) und der Senderentfernung (R_S) eine normale und eine tangentiale Ziel­ streuung berechnet werden und daß als Ort des Zielfahrzeugs ein Toleranzgebiet (52, 53, 54) an­ gegeben wird, dessen Mittelpunkt durch die mittlere Zielentfernung und die mittlere Einfallsrichtung (B, B_Z) und dessen Begrenzungen durch die normale und tangentiale Zielstreuung bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Streuungen der Einfallsrichtung (B, B_Z), der Empfangsrichtung (B_S) und der Laufwegdifferenz (D) jeweils mit einem Faktor bewertet werden, der aus einem Öffnungswinkel der Emp­ fangsbasis und/oder einer Impulslänge der Sende­ impulse ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß jeweils ein Signal­ geräuschverhältnis für das Direktsignal und das Reflexionssignal bestimmt wird und daß die Streu­ ungen der Empfangsrichtung (B_S) mit dem Signal­ geräuschverhältnis für das Direktsignal und die Streuungen der Laufwegdifferenz (D) und der Ein­ fallsrichtung (B, B_Z) mit dem Signalgeräusch­ verhältnis des Reflexionssignals bewertet werden.