DE3926216A1 - Multifunktionsradar - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Multifunktionsradar gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Multifunktionsradar mit einer elektronisch phasengesteuerten
Antenne hat eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen. Insbesondere
können wichtig sein: die Sache in verschiedenen Bereichen,
das Auffinden von Objekten, für die eine Voreinweisung
vorliegt, die Klärung möglicher Fehlalarme und gegebenenfalls
die schnelle Zielverfolgungsinitiierung, die Verfolgung von
Zielen verschiedener Kategorien, die passive Ortung (z. B.
Triangulation und Trilateration) und das Erkennen von Clutter
und Abschattungen.
Das Multifunktionsradar erfüllt diese Aufgabe durch das
geeignete Zusammenwirken seiner in der Figur dargestellten
Baugruppen. Zunächst gibt es dabei Baugruppen, die für die
physikalische Generierung der Sendesignale, sowie für den
Empfang und die Signalverarbeitung bis zur Plotbildung sorgen.
Im einzelnen sind dies ein Signalgenerator 1, ein Sender 2,
eine elekronisch phasengesteuerte Antenne 3, ein Empfänger 4
und eine Empfangssignalverarbeitungseinrichtung 5. Dazu tritt
die elementare Koordination dieser Baugruppen, die z. B. sicherstellt,
daß die Phasenschieber der Antenne 3 korrekt
eingestellt sind, daß die Sende- und Empfangsfrequenzen zusammenstimmen
und daß die Signalverarbeitung so erfolgt, daß
sie zum gerade ausgesandten Signal paßt.
Die Baugrupe, die diese Koordination durchführt, wird als Radarsteuerungseinrichtung
6 bezeichnet. Alle bisher erwähnten
Baugruppen sollen unter dem Begriff Radarmeßgerät 7 zusammengefaßt
werden.
Das so definierte Radarmeßgerät 7 ist in der Lage, Anweisungen
auszuführen, in denen festgelegt ist, wohin (Keulenposition),
wie lange (Beleuchtungsdauer) und wie (Signalform und Signalverarbeitungsform)
das Multifunktionsradar "schauen" soll.
Dabei ist die Beleuchtungsdauer durch die Signalform festgelegt.
Eine solche Anweisung, die aus Keulenposition, Signalform
und Signalverarbeitungsform besteht, soll als elementarer Radarauftrag
bezeichnet werden. Das Radarmeßgerät muß also elementare
Radaraufträge erhalten. Es generiert dann in Abhängigkeit
vom Zustand der Außenwelt, d. h. dem Szenario 8, Plots bzw.
Strobes und liefert diese an eine Multifunktionsradar-Zielverfolgungseinrichtung
(Tracker) 9, die diese Informationen verarbeitet.
Die verarbeitete Information wird an einen Feuerleitstand
10 geliefert.
Der Aufwand bei der Konstruktion des Radarmeßgeräts 7 schlägt
sich nieder in der Menge ausführbarer elementarer Radaraufträge.
Bei einem Phasen-Array-Radar mit schmalem Radarstrahl
("Bleistiftkeule") kann innerhalb eines Raumwinkelbereichs eine
Keulenposition frei ausgewählt werden. Die Verweildauer in
dieser Keulenposition, die Signalform und die Signalverarbeitungsform
können ebenfalls aus einer großen Vielfalt von
Möglichkeiten ausgewählt werden. Berücksichtigt man darüber
hinaus, daß im allgemeinen mehrere 100 solcher elementarer
Radaraufträge pro Sekunde zu generieren sind, so erhält man
eine Vorstellung von der Fülle technisch angelegter Möglichkeiten,
die das Radarmeßgerät zur Verfügung stellt.
Unter einer Radarmanagement-Baugruppe 11 soll nun diejenige
Baugruppe eines Multifunktionsradars verstanden werden, die
durch geschickte Nutzung des Radarmeßgerätes 7 dafür sorgt, daß
das Multifunktionsradar alle seine oben angedeuteten Aufgaben
optimal erfüllt, und daß dabei etwa auftretende Zielkonflikte
sachgerecht gelöst werden.
Vom Radarmeßgerät 7 aus gesehen, besteht die Aufgabe der
Radarmanagement-Baugruppe 11 darin, zu jedem Zeitpunkt den
günstigsten elementaren Radarauftrag zu erteilen. Die Komplexität
des Radarmanagements resultiert dabei aus der unüberschaubar
großen Anzahl der möglichen Kombinationen elementarer
Radaraufträge.
Darunter ist in Abhängigkeit von den sich andauernd ändernden
Umwelteinflüssen und der ebenfalls dynamischen taktischen Lage
für jedes Zeitintervall die beste Kombination auszuwählen,
damit die oben angedeuteten Aufgaben des Multifunktionsradars,
das in der Figur mit 12 bezeichnet ist, optimal erfüllt werden.
Bisher wurden Radarmanagement-Probleme bei Multifunktionsradaren
mit phasengesteuerten Antennen mittels heuristischer Verfahren
angegangen, die keine angebbaren Zielfunktionen optimieren,
offline vorgeplante Betriebsmoden zur Lösung der Suchaufgabe
benutzen und eine nur beschränkte und langsame Anpassung
an die veränderliche Umwelt zulassen.
Im Aufsatz von B. H. Scheff, D. G. Hammel: "Real-Time Computer
Control of Phased Array Radars" in "Supplement to IEEE Transactions
on Aerospace and Elektronic Systems" Vol. AES-3, No. 6,
Nov. 1987, Seiten 198 bis 206 ist ein mit einer elektronisch
phasengesteuerten Antenne ausgestattetes Multifunktionsradar
beschrieben, das in Realzeit rechnergesteuert wird und dessen
Betriebsablauffolgen durch ein Management-Programm ausgeführt
werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Erzeugung der am häufigsten
auftretenden elementaren Radaraufträge möglichst exakt zu
behandeln, damit ein Grundgerüst für das Radarmanagement da
ist. Da für den Einsatz eines Multifunktionsradars der Betrieb
unter ECM-Bedingungen typisch ist, führt dies zur besonderen
Aufgabe der besten Sendeleistungsverteilung im Raum als
Funktion der Störleistungsverteilung bei der Suche. Die Suche
stellt an das Radarmanagement die meisten Anforderungen, weil
hier die meisten Freiheitsgrade vorhanden sind.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Die von Umwelt und Lage abhängige Güte von Sendeleistungsverteilungen
läßt sich mittels einer Nutzenfunktion beschreiben.
Deren dynamische Optimierung führt nach der Erfindung dann zur
besten Suchleistungsverteilung und weiter zur Generierung der
besten elementaren Radaraufträge bei der Suche.
Neben der Suche, die im typischen Betrieb weit mehr als die
Hälfte der elementaren Radaraufträge beanspruchen dürfte, muß
der Radarmanager alle vorher genannten Aufgaben des Multifunktionsradars
berücksichtigen und entsprechende elementare Radaraufträge
generieren und einplanen. Die Planung der Nicht-
Suchaufträge wird hier nicht behandelt.
Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen beschrieben.
Ziel der Suchaktivitäten eines Radars ist es, Objekte, die in
den zu überwachenden Raum einfliegen, möglichst frühzeitig zu
entdecken. Üblicherweise formuliert man das so: Die Reichweite
soll möglichst hoch sein. Allerdings gibt es verschiedene
Reichweitenbegriffe, die insbesondere dann, wenn die Abtastperiode
frei wählbar ist, sauber unterschieden werden müssen.
Dabei wird auf ihre Abhängigkeit von den im allgemeinen
unbekannten und sehr weit streuenden Eigenschaften der zu
entdeckenden Objekte hingewiesen. Weiter wird ein für die
Optimierung des Radarmanagements geeigneter Reichweitenbegriff,
die Überwachungsreichweite, ausgewählt.
Wie die Überwachungsreichweite im Grundfall, d. h. kein Clutter,
keine Abschattungen, wohl aber Rauschstörer zugelassen, nach
der Erfindung optimiert werden kann, wird gezeigt. Unter vertretbaren
vereinfachenden Ausnahmen ist dies analytisch möglich.
Es resultieren aus dieser Optimierung dreierlei Ergebnisse,
nämlich die Überwachungsreichweite als Funktion des
Leistungsanteils, die Signalform und Signalverarbeitungsform
als Funktion des Leistungsanteils und die Abtastperiode als
Funktion des Leistungsanteils.
Die Erfindung enthält auch Optimierungsangaben im Fall von
Abschattungen bzw. Clutter. Da die exakte Lösung dieser Optimierungsaufgabe
die optimale Signalform-Auswahl im Detail beinhaltet,
läßt sich hier keine allgemeine Lösung angeben.
In der Radartechnik spielen verschiedene Reichweitenbegriffe
eine Rolle. Hiervon sind allerdings die am meisten verbreiteten
zur Problemlösung wenig geeignet: Die "eindeutige Reichweite"
sagt nichts über die Entdeckungswahrscheinlichkeit konkreter
Objekte aus. Die "Einzelentdeckungsreichweite" ist als
Optimalitätskriterium nur geeignet, wenn die Abtastperiode (=
Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Beleuchtungen derselben
Keulenposition) a priori vorgegeben ist. Ohne diese Vorgabe
würde die Optimierung zu unendlich langen Abtastperioden
führen.
Auch die "kumulative Entdeckungsreichweite" ist wenig geeignet,
da sie einmal analytisch schwer handhabbar ist, außerdem aber
davon ausgeht, daß die Abtastperiode über mehrere Abtastungen
hinweg vorausgeplant wird. Diese Voraussetzung ist aber in
hochdynamischen Szenarien (u. a. mit Ein-/Ausschalten von
Störer) nicht zu erfüllen, wenn sich das Radar schnellstmöglich
an die Situation anpassen und folglich seine Abtastperiode
immer wieder adaptieren soll.
Gemäß der Erfindung wird als Optimalitätskriterium die
Überwachungsreichweite
RÜ = Rd - vR · T (1)
vorgeschlagen, wobei Rd die Einzelentdeckungsreichweite ist, vR
die Radialgeschwindigkeit des "zu entdeckenden Objekts" (auf
das Radar zu) und T die Abtastperiode. Daß vR und Rd vom
Verhalten und von den Eigenschaften des "zu entdeckenden
Objekts" abhängen, zeigt schon, daß die Vorgehensweise
"Bayes'sch" ist. D. h. die Optimierung basiert auf einer a
priori-Annahme über die Umwelt, die das Radar voraussichtlich
antreffen wird.
Rd hängt außer von den Eigenschaften des "zu entdeckenden
Objekts" von den Umwelteinflüssen (ECM, Clutter), von den
festen Radarparametern, von den variablen Radarparametern
(Signalform) und der angestrebten Entdeckungswahrscheinlichkeit
pD (z. B. 95%) ab. Die Überwachungsreichweite läßt sich
verbal so interpretieren:
Überwachungsreichweite ist diejenige Entfernung Rü, für die bei
den angenommenen "zu entdeckenden Objekten" und den angenommenen
Umweltbedingungen mit Wahrscheinlichkeit pD garantiert werden
kann, daß ein radial mit Geschwindigkeit vR einfliegendes
Objekt in einer Entfernung RRü entdeckt wird.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung gegebene Interpretation
der Formel (1) strebt eine hohe sichere Entdeckungsentfernung
(pD-Qualität) an. Letzteres führt bei gleicher Objektgeschwindigkeit
zu wesentlich kürzeren Abtastperioden als die Optimierung
einer mittleren Entdeckungsreichweite.
Für die Überwachungsreichweite als Optimalitätskriterium
spricht insbesondere das Prinzip der größtmöglichen Einfachheit.
Sie ist die einfachste Reichweitendefinition, die eine
sinnvolle Optimierung der Abtastperiode ermöglicht. Im gleich
zu behandelnden "Grundfall" der Abhängigkeit Rd(T) ermöglicht
sie sogar eine analytische Optimierung.
Die Erfindung zeigt, wie die Optimierung der Überwachungsreichweite
in einer Keulenposition die optimalen Werte für Überwachungsreichweite,
Signalform und Abtastperiode für diese Keulenposition
als Funktion des zur Verfügung stehenden Leistungsanteils
liefert.
Im folgenden soll die Optimierung der Überwachungsreichweite im
Grundfall erläutert werden.
Bei einem Luftverteidigungsradar wird man den ECM-Fall als
denjenigen Fall ansehen müssen, der die Auslegung bestimmen
sollte. Hat man sonst günstige Verhältnisse (kein Clutter,
keine Abschattungen), dann läßt sich die (Einzel-)Entdeckungsreichweite
in erster Näherung durch folgende Version der
Radargleichung ausdrücken:
Rd = c′ (TB / N)1/4 (2)
wobei c′ eine Konstante ist, die vom "zu entdeckenden Objekt"
und den festen Radarparametern abhängt. N ist die Rauschleistungsdichte.
TB ist die gesamte Dauer der Signalform, wobei
die Annahme zugrunde liegt, daß die Energie der Signalform
proportional zu TB ist.
Der Leistungsanteil, der für eine Keulenposition zur Verfügung
steht, ist nun gegeben durch:
P = TB / T (3)
da die mittlere Leistung konstant bleibt. Wird nun P als
vorgegeben angesehen, so erhält man durch Einsetzen von (3) in
(2) und von (2) in (1):
Rü = c′ (T · P / N)1/4 - vR · T (4)
Optimiert man nun Rü auf dem üblichen Weg durch Ableiten nach T
und Nullsetzung der Ableitung, so erhält man (siehe Anhang)
Einsetzen in (4) liefert nach einigen Umformungen (siehe
Anhang)
Ein Vergleich von (5) und (6) ergibt mit einfachen Umformungen:
Rü = 3 · vR · Topt und (7)
Rd = 4 · vR · Topt (8)
Die Gleichung (6) liefert die optimierte Überwachungsreichweite
als Funktion des Leistungsanteils; die Gleichung (5) gibt die
zugehörige optimale Abtastperiode an. In der benutzten Näherung
ist die Angabe einer optimalen Signalform trivial, da TB als
einzige Kenngröße in (2) auftritt. Z. B. wäre ein Puls optimal,
wenn man als sekundäres Kriterium die eindeutige Reichweite
optimiert.
In der Praxis wird man eine eindeutige Reichweite Re
anstreben, die zwar deutlich über Rd liegt, aber nicht ein
Vielfaches von Rd ausmacht. Gilt also z. B. mit c = Lichtgeschwindigkeit
c · TB < 6 Rd (9)
d. h. wäre Re bei einem Puls größer als z. B. das 3fache der
Einzelentdeckungsreichweite, dann wird man die Energie in
mehrere Pulse aufteilen, um einen möglichen Dekorrelationsgewinn
zu realisieren und die Entfernungsauflösung in einem
günstigen Bereich zu halten.
Im folgenden wird die Optimierung der Überwachungsreichweite
bei Abschattungen behandelt.
Die Gleichung (2) für die Einzelentdeckungsreichweite als
Funktion der Signalform ist nur annähernd richtig. Will man
Abschattungen und Clutter berücksichtigen, so muß diese
Gleichung verallgemeinert werden.
Es befindet sich bei gegebener Keulenposition z. B. in der Entfernung
R₀ ein massives Hindernis, z. B. ein Berg. Man spricht
dann von einer Abschattung. Damit ist die Einzelentdeckungsreichweite
durch R₀ nach oben beschränkt, da ein Objekt in
größerer Entfernung auf keinen Fall entdeckt werden kann.
Solange das durch (2) gegebene Rd kleiner oder gleich R₀ ist,
bleibt aber (2) gültig. Insgesamt erhält man:
Aufbauend auf dieser Formel, kann man Rü noch analytisch optimieren.
Dabei ergibt sich, daß die Formeln (5) bis (8) gültig
bleiben, solange der Leistungsanteil P kleiner ist, als der
Wert P₀, der sich ergibt, wenn in (8) Rd = R₀ gesetzt wird, (5)
eingesetzt wird, und man dann nach P auflöst. So ergibt sich:
P₀ = 4 vR · N · R₀³ · c′-4 (11)
T₀ = R₀ / (4 vR). (12)
Steht ein größerer Leistungsanteil zur Verfügung, so kann die
zusätzliche Leistung nicht mehr zur Steigerung von Rd, sondern
ausschließlich zur Verringerung der Abtastperioden T verwandt
werden. So erhält man als Abtastperiode
Als Formel für die Überwachungsreichweite ergibt sich:
Die Signalform geht bei der benutzten Näherung wiederum nur
über die Beleuchtungszeit TB ein. In der Praxis wird man
Signalformen bevorzugen, für die die eindeutige Reichweite
größer (aber nur wenig größer) als R₀ ist. Diese Überlagerung
gilt für den Fall P<P₀. Sonst bleiben die Aussagen, die im
Zusammenhang mit der Erläuterung des Grundfalls über die
Signalform-Auswahl gemacht wurden, gültig.
Im folgenden soll eine Situation erwähnt werden, in der (2) und
die darauf aufsetzende Optimierung der Überwachungsreichweite
nicht vollständig korrekt sind: Für sehr kleine Beleuchtungszeiten
ist nämlich die Reichweite nicht durch (2), sondern durch
bestimmt, da nur Objekte entdeckt werden können, deren Echos
während einer Zeitspanne T₀′ kleiner als die Zeitspanne TB zum
Radar zurückkommen. In der Praxis wird dieser Bereich, in dem
Rd linear mit TB ansteigt, selten eine Rolle spielen. Dennoch
ist es wichtig, diese Beschränkung zu berücksichtigen, wo sehr
kleine TB, d. h. TB mit
auftreten. Die allgemeinen Formeln für die optimale
Überwachungsreichweite, die optimale Abtastperiode und die
optimale Signalform bei dieser letzten Verallgemeinerung der
Formel für die Entdeckungsreichweite
sollen hier nicht angegeben werden. Es handelt sich jedoch um
ein analytisch vollständig lösbares Problem.
Im folgenden wird noch die Optimierung der Überwachungsreichweite
bei Clutter behandelt.
Grundsätzlich andere Probleme kommen nämlich hinzu, wenn in der
betrachteten Keule Clutter vorhanden ist. Dann ist die Entdeckungsreichweite
in relativ komplizierter Weise von der
Signalform und der Radialgeschwindigkeit abhängig (Dopplerfilter,
Blindgeschwindigkeiten, . . .).
Überdies ist eine Optimierung unter der Annahme einer bestimmten
Radialgeschwindigkeit nicht sinnvoll, weil die resultierenden
Signalformen bei anderen (ähnlich wahrscheinlichen) Radialgeschwindigkeiten
vollständig versagen würden (Blindgeschwindigkeitsproblem).
Wollte man eine echte Optimierung unternehmen,
so müßte man einen Ansatz verwenden, der zu einem sehr
komplizierten Optimierungsproblem führt, das weder analytisch
lösbar, noch einer schnelleren numerischen Behandlung zugänglich
sein dürfte (schnell im Sinne von: im Rahmen des Radarmanagements
online durchführbar).
Es wird daher für diesen Fall eine weitgehend heuristische
Vorgehensweise vorgeschlagen, die zu gegebenem Spektrum zu
entdeckender Objekte, zu gegebener Beleuchtungszeit, Clutterform
und Störleistung eine annähernd "optimale" Entdeckungsreichweite,
sowie die zugehörige Signalform liefert.
Für das der Erfindung zugrunde liegende Problem, eine Rahmenstruktur
für ein Radarmanagement anzugeben, ist die Kenntnis
dieser Heuristiken auch gar nicht nötig. Wichtig ist nur, daß
es - wenn auch mit vielen Vereinfachungen - möglich ist, eine
Näherung für den Verlauf der Funktion
Rd opt (TB) (18)
auch in Clutter anzugeben, genauso wie das (17) ohne Clutter
tut. Weiter ist es möglich, die zugehörigen Signalformen und
Signalverarbeitungsformen anzugeben.
Kennt man (18), so ist die numerische Optimierung der Überwachungsreichweite,
die sich durch Einsetzen von (3) in (18)
und von (18) in (1) zu
Rü = Rd opt (T · P) - vR · T (19)
ergibt, leicht möglich. Auf diese Weise erhält man wie n in der
Abhandlung des Grundfalls und des Abschattungsfalls als
Funktion des Leistungsanteils P einer Keule die Überwachungsreichweite
Rü, die Signalform und Signalverarbeitungsform sowie
die Abtastperiode.
Diese Funktionen entsprechen den Gleichungen (5) und (6) im
Grundfall. Es ist sinnvoll, die Optimierung offline durchzuführen,
damit online schnelle Funktionsprozeduren zur Verfügung
stehen.
Es folgt noch ein Anhang zur Ableitung der Formel (5) und (6):
Ableiten von (4) ergibt:
Ableiten von (4) ergibt:
Nullsetzen der Ableitung liefert
woraus
folgt und weiter
Eine leichte Umformung liefert
Setzt man Topt in (4) ein, so erhält man
Claims (4)
1. Multifunktionsradar mit einem eine elektronisch phasengesteuerte
Antenne, einen Signalgenerator, einen Sender, einen
Empfänger, eine Empfangssignalverarbeitungseinrichtung und eine
Radarsteuerungseinrichtung umfassenden Radarmeßgerät, mit einer
Zielverfolgungseinrichtung und mit einer Radarmanagement-Baugruppe,
die unter anderem die Antennenkeulenposition, die
Abtastperiode, die Signalform sowie die Signalverarbeitungsform
fortlaufend festlegt und diesbezüglich Anweisungen als
elementare Radaraufträge dem Radarmeßgerät zuführt, wodurch zu
jedem Zeitpunkt die im Radarmeßgerät zur Verfügung stehende
Radarleistung bei der Suche optimal ausgenutzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Grundfall, d. h. weder bei Vorliegen von Clutter noch
von Abschattungen, zur Optimierung der Leistungsnutzung des für
die Suche vorgegebenen Leistungsanteils P in einer Antennenkeule
eine optimale Abtastperiode
und eine optimale Überwachungsreichweite
vorgesehen sind, wobei vR die Radialgeschwindigkeit eines zu
entdeckenden, auf das Radar zufliegenden Objektes, c′ eine vom
zu entdeckenden Objekt und den festen Radarparametern abhängende
Konstante, N die Rauschleistungsdichte, Rd = c′(TB/N)1/4 die
Einzelentdeckungsreichweite und TB die gesamte Dauer der
Signalform ist.
2. Multifunktionsradar nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Vorhandensein einer sich aufgrund eines sich in der
Entfernung R₀ befindenden Hindernisses ergebenden Abschattung
folgende Zusammenhänge für die optimale Abtastperiode Topt
und die optimale Überwachungsweite Rü vorliegen:
wobei der Leistungswert P₀ durchP₀ = 4 vR · N · R₀³ · c′-4bestimmt wird.
3. Multifunktionsradar nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekenzeichnet,
daß sich bei Vorhandensein von Clutter und bei zumindest
näherungsweiser Vorgabe der Funktion
Rd opt (TB)für die optimale Entdeckungsreichweite bei Clutter die
numerische Optimierung der Überwachungsreichweite aufgrund des
ZusammenhangsRü = Rd opt (T · P) - vR · Tergibt.
4. Multifunktionsradar nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Optimierung der Überwachungsreichweite offline
vorgenommen wird.
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Family Applications (1)
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DE19893926216 Withdrawn DE3926216A1 (de) | 1989-08-08 | 1989-08-08 | Multifunktionsradar |
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Country | Link |
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DE (1) | DE3926216A1 (de) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8141 | Disposal/no request for examination |