DE3914179A1 - Verfahren zur ermittlung der trefferablage beim beschuss von uebungszielen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Er­ mittlung der Trefferablage beim Beschuß ruhender oder beweglicher Übungsziele durch Messung der Druckwelle vorbeifliegender Geschosse, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt akustische Verfahren zur Geschoßablage­ messung an ruhenden oder mit Unterschallgeschwindigkeit bewegten Übungszielen anzuwenden. Hierbei wird die von den überschallschnellen Geschossen erzeugte kegelförmi­ ge Druckwelle unter Verwendung von einem oder mehreren Mikrophonen erfaßt, wobei der Druckwellenerzeugungs­ punkt auf der Geschoßbahn sowie die Druckwellenamplitu­ de und/oder die Druckwellendauer zur Messung herange­ zogen werden. Diese direkte Messung bei bewegten Zie­ len, in Abhängigkeit von den vektoriellen Größen Ge­ schoß-, Ziel- und Schallgeschwindigkeit ist fehlerhaft und nur in seltenen Sonderfällen ist das richtige Er­ gebnis vorhanden.

Aus der DE- OS 31 22 644, ist ein Verfahren zur akusti­ schen Messung der Trefferablage beim Beschuß fliegender Übungsziele bekannt, welches einen Teil der Fehler ver­ meidet.

Dieses Verfahren geht von der akustischen Messung der Trefferablage beim Beschuß fliegender Übungsziele aus, wobei im Ziel die Stärke des Druckes der Stoßwelle des Geschosses aufgenommen wird und einer Auswerteapparatur am Boden zugesandt wird. Unter Berücksichtigung von vorgegebenen Parametern wird dann der Abstand zwischen Geschoßbahn und Übungsziel im Augenblick des Vorbei­ gangs des Geschosses ermittelt, indem die Periodendau­ er der Druckwelle im Übungsziel und der Beschußwinkel zwischen der Zielbahn und der Geschoßbahn festgestellt und zur Gewinnung des wahren Abstandes zwischen Ge­ schoßbahn und Übungsziel ein Korrekturfaktor berechnet wird. Die Genauigkeit der Messung ist somit von den vorgegebenen Parametern abhängig. In jedem Fall wird die Druckwelle über Mikrophone gemessen, womit der so­ genannte Knalleffekt in die Messung eingeht. Die Schwierigkeiten die sich bei der Messung über Mikro­ phone ergeben sind aber allgemein bekannt.

Darüberhinaus offenbart die EP 00 03 095 eine Erweite­ rung des oben genannten Verfahrens durch Verwendung von 5 Mikrophonen, wobei 4 Mikrophone an den Ecken eines Polyeders angeordnet sind. Hierdurch können nicht nur betragsmäßige Abstandsinformationen zwischen Geschoß­ bahn und Übungsziel, sondern auch Richtungsangaben er­ mittelt werden.

Bei den bekannten Verfahren ist jedoch folgendes zu beachten:

Die Gestalt der Druckwelle des Geschosses ist von vie­ len Einsatzparametern wie z.B. Geschoßtyp und -entfer­ nung, Zielgeschwindigkeit und Beschußwinkel abhängig, so daß für jede Kombination von Einsatzparametern eine Eichung vorgenommen werden muß und die entsprechenden Korrekturfaktoren im Auswerteprogramm beim Einsatz vor­ gewählt werden müssen.

Da sich die Gestaltsveränderung der Druckwelle bei der Ausbreitung nicht oder nur bedingt exakt rechnerisch ermitteln läßt, kann eine Auswertung nur durch aufwen­ dige Eichungen für die jeweiligen Einsatzbedingungen erfolgen, eine zyklische Kalibrierung der Anlage ist notwendig.

Die Aufnahme der Druckwellengestalt durch Mikrophone ist darüberhinaus durch eine Vielzahl von Störparame­ tern wie Temperaturschwankungen und Rauschpegel, insbe­ sondere bei hohen Zielgeschwindigkeiten, beeinträchtigt und die meßtechnische Umwandlung im Mikrophon ist durch Dopplereffekte und die Mikrophoneigencharakteri­ stik erschwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein völlig neuartiges Verfahren zu schaffen, durch welches die Genauigkeit der Ermittlung der Trefferablage beim Beschuß von Übungszielen erhöht wird, und bei welchem von der Druckwelle der vorbeifliegenden Geschosse le­ diglich die Information über den Durchgang der Druck­ wellenfront ausgewertet wird, ohne hierbei Mikrophone verwenden zu müssen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein völlig neuar­ tiger Weg beschritten, indem von einfachen Drucksenso­ ren, die in einer im wesentlichen geradlinigen oder langgestreckten Kette angeordnet sind (Sensorkette), lediglich der Durchgang der Druckwellenfront der vor­ beifliegenden überschallschnellen Geschosse in Form von zeitversetzten getriggerten Impulsen registriert wird. Geometrisch betrachtet bedeutet dieser Registriervor­ gang ein Schneiden der Sensorkette mit dem Machkegel des Geschosses, d.h. die Ermittlung eines Kegelschnit­ tes.

Somit entfällt die Vermessung der Gestalt der Stoßwel­ le, die von überschallschnellen Geschossen erzeugt wird und die bekannterweise mit Hilfe von Mikrophonen von der Geschoßvorderkante und der Geschoßhinterkante ra­ dial mit Schallgeschwindigkeit abschwemmend vermessen wird. Damit spielen die bekannten Zusammenhänge zwi­ schen der Gestaltveränderung, d.h. der abnehmenden Am­ plitude und der zunehmende Abstand zwischen Wellen­ kopf und Wellenschwanz, mit wachsender Lauflänge vom Ort der Erzeugung keine Rolle mehr, weil durch die Erfindung von der Ermittlung des gesuchten Abstandes zwischen Mikrophon und dem zum Mikrophon nächstliegen­ den Bahnpunktes des Geschosses bewußt Abstand genommen wird.

Als Drucksensoren genügen bei der vorliegenden Erfin­ dung einfache, preiswerte Sensoren ohne jede besondere Eigenschaften, die lediglich evtl. getriggerte Signale liefern, die eindeutig vom Störpegel unterschieden wer­ den können. Deshalb können als Drucksensoren z.B. auch Piezomembrane verwendet werden.

Wegen der erheblich geringeren Kosten ist der Einsatz einer größeren Zahl von Drucksensoren möglich anstatt möglichst weniger teuerer Mikrophone wie bei den be­ kannten Verfahren. Im Endergebnis sind die Kosten so­ viel geringer, daß eine solche Sensorkette im Verlust­ bereich in unmittelbarer Zielnähe plaziert werden kann.

Als Schnittfigur zwischen der Sensorkette und dem Mach­ kegel des Geschosses, im vorliegenden Fall erfolgt der Schnitt in Bewegungsrichtung des Machkegels, d.h. in Richtung der Kegelachse, entsteht aus elementaren geo­ metrischen Überlegungen eine Hyperbel, in einem Sonder­ fall, dem Volltreffer, ein Geradenpaar oder bei beweg­ ten Übungszielen deren affine Abbildung. Diese affine Abbildung entsteht auch bei allen Schnittwinkeln un­ gleich 90°.

Wenn nun eine Kette von mehreren Drucksensoren vom Machkegel des Geschosses geschnitten wird, so werden die einzelnen Drucksensoren nacheinander von der Druckwel­ lenfront des breiter werdenden Machkegels erfaßt und diese lösen zeitversetzt nacheinander Impulse aus.

Aus dem Zeitversatz der Impulse der einzelnen Drucksen­ soren läßt sich die Gestalt der Schnittfigur zwischen Machkegel des Geschosses und geradliniger Sensorkette eindeutig ermitteln. Diese Schnittfiguren sind mei­ stens, wie oben erwähnt, Hyperbeln oder deren affine Abbildungen.

Da eine Hyperbel eine mathematisch exakt definierte Ge­ stalt hat, genügen wenige, d.h. mindestens drei Punkte zur eindeutigen Festlegung der Koeffizienten der voll­ ständig beschreibenden Funktion.

Bei vollständig bekannter Hyperbel sind der mit der Sensorkette geschnittene Machkegel des Geschosses und der Abstand der Kegelachse zur Sensorkette mit relativ geringem Aufwand berechenbar.

Unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen Drucksensors, der außerhalb der horizontalen Ebene durch die Sensorkette angeordnet ist, läßt sich nun die Lage des Geschoßka­ nals eindeutig bestimmen.

Bei bewegten Übungszielen und bei beliebigen Schnitt­ winkeln zwischen Sensorkette und Geschoßbahn ungleich 90° muß zudem eine Rücktransformation des affinen Bil­ des der maßstäblichen Originalhyperbel, welches als Schnittfigur zwischen Machkegel des Geschosses und der Sensorkette entsteht, auf die maßstäbliche Originalhy­ perbel durchgeführt werden.

Die Geschwindigkeit des Übungszieles und des Geschosses können über die Bildung des Machzahldreiecks ermittelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber bekann­ ten Methoden folgende Besonderheit auf:

• - Für die Messung werden keine technisch aufwendigen Mikrophone benötigt, damit entfallen alle sich durch die Messung mit Mikrophonen ergebenden Schwierigkeiten;
• - das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit einfachen Drucksensoren aus, welche wegen der geringeren Ko­ sten auch in größerer Stückzahl im Verlustbereich angeordnet werden können;
• - anstatt der Gestalt der Druckwelle des vorbeiflie­ genden Geschosses, wird die sehr viel genauer be­ stimmbare Schnittfigur zwischen der Sensorkette und dem Machkegel nur über die Information des Durchgangs der Druckwellenfront ermittelt;
• - an die Übertragung der Meßsignale zwischen den Drucksensoren und der Auswerteeinheit werden keine besonderen Anforderungen gestellt;
• - eine Vorausbestimmung von Einsatzparametern durch Eichbeschuß, ebenso wie eine zyklischen Eichung der Anlage entfällt weitgehend.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 die Geschoßbahn mit Sensorkette, Machkegel und entstehender Schnitthyperbel,

Fig. 2 ein Sensor-Zeit-Diagramm zur Rekonstruk­ tion der Schnitthyperbel,

Fig. 3 ein lmpuls-Zeit-Diagramm eines Drucksen­ sors.

In Fig. 1 ist die geradlinige Sensorkette 1 mit den Drucksensoren 2 dargestellt, die von einem überschall­ schnellen Geschoß 6 überflogen wird, dessen Druckwelle sich in Form des Machkegels 7 ausbreitet. Die Hyperbel 8 stellt die Schnittfigur des Machkegels 7 mit der Sen­ sorkette 1 dar.

In Fig. 2 ist die Rekonstruktion der Schnitthyperbel 8 aus den zeitversetzten Impulsen der einzelnen Drucksen­ soren 2 der Sensorkette 1 gezeigt, welche in der Aus­ werteeinheit erfolgt.

Die Drucksensoren geben einen Impuls an die Auswerte­ einheit, wenn entsprechend Fig. 3 beim Durchgang der Druckwellenfront ein bestimmter Schwellwert 12 bzw. Rauschpegel von z. B. 68 dB überschritten wird. Der Schwellwert 12 muß den normal vorhandenen Geräuschpegel berücksichtigen und gleichzeitig auf den Geräuschpegel der kleinsten Geschoßdruckwelle abgestimmt sein. Der Schwellwert liegt somit oberhalb des normal vorhandenen Geräuschpegels 13 und unterhalb des Geschoßgeräuschpe­ gels 14. Mit der Weiterleitung des Impulses an die Aus­ werteeinheit muß gleichzeitig die Kennung des betref­ fenden Drucksensors, d. h. die örtliche Position, an die Auswerteeinheit gemeldet werden, damit eine Rekonstruk­ tion der Schnitthyperbel entsprechend Fig. 2 ermöglicht wird.

Aus der vollständig bekannten Schnitthyperbel oder ih­ rem affinen Bild 8 in Fig. 1, deren Äste in 9 in die Asymptoten übergehen, ist mit relativ geringen Aufwand der Machkegel 7, die Hyperbelachse 10 und die Kegelach­ se 11 sowie deren räumlicher Abstand berechenbar. Der Winkel zwischen Sensorkette und Geschoßbahn ist somit auch bestimmbar.

Drucksensor 5 z.B. in Fig. 1 ist der Zielmitte zugeord­ net, so daß durch die Lage der Schnitthyperbelachse un­ ter Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeit die Ge­ schoßablage ermittelt werden kann; bei ruhenden Zielen z.B. rechts oder links von der Zielmitte und bei beweg­ ten Zielen davor oder dahinter in Zielbewegungsrich­ tung.

Durch mindestens einen Drucksensor 4 in Fig. 1 (Hilfs­ sensor) außerhalb der horizontalen Ebene durch die Sen­ sorkette, wird die Lage des Geschoßkanals bzgl. ober­ halb bzw. unterhalb der Sensorkette eindeutig festge­ legt.

Bei der Betrachtung von bewegten Übungszielen ist Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit einer im Schleppseil des Schleppkörpers integrierten Sensorkette, welche durch die Zielmitte in Zielbewegungsrichtung geführt ist.

In diesem Fall ist die Schnitthyperbel 8 die affine Ab­ bildung der maßstäblichen Originalhyperbel. Diese affi­ ne Abbildung muß erst durch Rücktransformation auf die maßstäbliche Originalhyperbel zurückgeführt werden, be­ vor die Trefferablage ermittelt werden kann.

Die Bestimmung der Ziel- und der Geschoßgeschwindigkeit als Funktion der Machzahl erfolgt über die Bildung des Machzahldreiecks.

Mit Hilfe des Temperatursensors 3 in Fig. 1 wird die Umgebungstemperatur gemessen, so daß aus den eben ge­ nannten Größen die absoluten Geschwindigkeiten des Ge­ schosses und des Übungszieles bestimmt werden können.

Darüberhinaus kann auch der Abstand zwischen Geschütz und Übungsziel und die Flughöhe eines bewegten Übungs­ zieles bei Eingabe entsprechender Randparameter ermit­ telt werden.

Als bewegte Übungsziele werden normalerweise räumliche Körper, sogenannte Schleppkörper, mit Hilfe eines Schleppseiles in einem entsprechenden Abstand von einem Schleppflugzeug gezogen. Hierbei kann die Sensorkette, die innerhalb des Übungszielgebietes eine Gerade bilden sollte, an einem oder an beiden Enden über das Übungs­ ziel hinausragen.

Die Sensorkette kann bei bewegten Übungszielen z.B. in das Schleppseil integriert werden und durch die Ziel­ mitte in Zielbewegungsrichtung angeordnet werden. Bei einem räumlichen Übungsziel können aber auch zwei oder mehrere Sensorketten vorgesehen werden, die in einem bestimmten Winkel aufeinander zulaufen. Bei einem Schleppsack können z.B. zwei oder mehrere Sensorketten auf dessen Kontur angebracht werden. Durch zwei oder mehrere aufeinander zulaufende Sensorketten kann auf einen oder mehrere Hilfssensoren außerhalb der horizon­ talen Ebene durch eine einzige Sensorkette verzichtet werden. Die Sensorkette muß wegen der eindeutigen Be­ stimmung der Schnitthyperbel mit mindestens drei Druck­ sensoren ausgestattet sein. Die Sensorkette kann auch eine unterschiedliche Bestückungsdichte von Drucksenso­ ren aufweisen, wenn in der näheren und weiteren Umge­ bung des Übungszieles unterschiedliche Genauigkeiten gefordert sind.

An die Übertragung der Impulse der Drucksensoren zur Auswerteeinheit werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Deshalb kann die Auswerteeinheit in sicherer Entfernung vom Übungsziel angordnet werden. Bei beweg­ ten Übungszielen kann die Auswerteeinheit im Bereich des Schleppseils angeordnet sein, oder im Flugzeug oder auch in der Bodenstation. Entsprechende Sende- und Em­ pfangseinheiten sorgen für die Übertragung der ausge­ werteten oder der noch nicht ausgewerteten Daten.

Die Auswerteeinheit kann neben einem Rechner einen A-D-Wandler und einen Zwischenspeicher beinhalten.

Die Bodenstation umfaßt mindestens eine Anzeigevorrich­ tung, die die Darstellung der Ergebnisse übernimmt. Ne­ ben der numerischen Anzeige der ermittelten Ergebnisse ist die genaue Darstellung des Geschoßkanals in dreidi­ mensionaler Perspektive ebenso möglich, wie die Dar­ stellung einer Zielscheibe mit eingeblendeten Zonen, Ringen und Punkten. Ebenso kann eine statistische Aus­ wertung der Trefferergebnisse über einen gewünschten Zeitraum erfolgen.

Claims (15)

1. Verfahren zur Ermittlung der Trefferablage beim Beschuß ruhender oder beweglicher Übungsziele, durch Messung der Druckwelle vorbeifliegender Ge­ schosse, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschoß auf seiner Flugbahn in den Bereich mindestens ei­ ner annähernd geradlinig verlaufenden, dem Übungs­ ziel zugeordneten Sensorkette gelangt, durch wel­ che die Druckwelle des Geschosses geschnitten wird, und daß die von der Druckwelle beeinflußten Sensoren zeitversetzte getriggerte Impulse an ei­ ne Auswerteeinheit abgeben, in der die Schnitthy­ perbel des Geschoßmachkegels in mindestens zwei Punkten erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Geschoßkanals im Zielgebiet durch die zeitliche Impulsfolge eines mittig festgeleg­ ten Sensors und den von der Druckwelle nachfolgend beaufschlagten Sensoren unter Berücksichtigung der Relativgeschwindigkeiten aus Geschoß und Ziel be­ stimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels eines Hilfssensors, außer­ halb der horizontalen Ebene durch die Sensorkette, durch die Zeitimpulsmessung des vom Hilfssensor ausgelösten Impulses, die Lage des Geschoßkanals eindeutig bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei bewegten Übungszielen, bei denen sich auch die Sensorkette bewegt und/oder bei beliebigen Schnittwinkeln zwischen Sensorkette und Geschoß­ bahn, das, durch die zeitversetzten Impulse der von der Druckwelle beaufschlagten Sensoren dann entstehende, affine Bild der Schnitthyperbel in der Auswerteeinheit erfaßt und auf symbolischem, geometrischem oder numerischem Wege in die maß­ stäbliche Originalhyperbel rücktransformiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zielbewegungsgeschwindigkeit und/oder andere Einsatzparameter während des Ein­ satzes zyklisch oder stationär gemessen bzw. er­ rechnet oder aber vorher eingegeben wird und zur Auswertung als bekannte Größe mitverwertet werden kann.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Abstandes der Hyperbelachse zur Kegelachse des Geschoßmachkegels der aus der Gleichung der Schnitthyperbel errechenbare Kegel dient.

7. Verfahren nach Anpruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus den Transformationsparametern bei der Rücktransformation der affinen Abbildung, der aus den zeitversetzten Impulsen abgeleiteten Hyperbel in die maßstäbliche Originalhyperbel die Geschwindigkeiten im Geschwindigkeitsdreieck aus Zielbewegung, Geschoßbewegung und Schallausbrei­ tung bestimmt werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Temperaturmeßsensor im Zielgebiet die Umgebungs­ temperatur gemessen wird, und daß mit Hilfe dieser Größe die absolute Geschwindigkeit des Geschosses und/oder des Zieles erfaßt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, da­ durch gekennzeichnet, daß jedem Übungsziel eine Sensorkette zugeordnet ist, die innerhalb des Übungszielgebietes eine Gerade bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sensorkette an beiden Enden über das Übungsziel hinausragt.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkette mindestens zwei weitere Sensoren zugeordnet sind, die außer­ halb der von den Sensoren gebildeten Geraden seit­ lich versetzt liegen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Übungszielen mit räumlichem Körper zwei oder mehrere Sensorketten vorgesehen sind, die in einem vorgegebenen Winkel aufeinander zu­ laufen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteeinheit aus einem Zwischen­ speicher und einem Rechner besteht.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit bei beweg­ lichen Übungszielen im Schleppseil des Schleppkör­ pers angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß als Sensoren Piezomembranen vorgesehen sind.