DE4209077A1 - Verfahren zur entfernungsmessung und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, Minen mit einer Mikrofonanordnung zu versehen, um sie mit der Fähigkeit auszustatten, die Richtung eines sich annähernden Zieles zu ermitteln. Ferner ist es bekannt, derartige Minen mit einer Entfernungsmeßeinrichtung, wie beispielsweise einem Radar zu versehen. In einem modernen Verteidigungskonzept gelangen sogenannte Flächenverteidigungs­ minen zur Anwendung, die von Hand oder auch automatisch durch Minenwerfer verlegt werden, wobei das Verteilungsmuster im Gelände mehr oder weniger zufällig ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derart verlegte Minen in die Lage zu versetzen, ihre Entfernung zu einem Ziel passiv sehr genau zu bestimmen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Das bei der Erfindung angewandte Triangulationsverfahren ist ein an sich bekanntes Verfahren, bei dem aus der Meßbasis und den Winkeln zu dem Objekt, dessen Entfernung zu bestimmen ist, die Entfernung des Objekts relativ genau berechnet werden kann. Die Größe der Meßbasis und ihre genaue Ermittlung ist von ausschlag­ gebender Bedeutung für die Genauigkeit der Entfernungsmessung.

Wichtig für die vorliegende Erfindung ist, daß der zuvor nicht bekannte Abstand zwischen mindestens zwei Minen im Feld der verlegten Minen ermittelt und als Meßbasis für das Triangulationsverfahren herangezogen wird. Die Einrichtungen zur Winkelbestimmung in Form von Mikrofonen sind jeweils an jeder Mine vorhanden und durch eine zusätzliche Schallquelle an jeder Mine, die über eine vorhandene Kommunikationsverbindung ausgelöst werden kann, kann über eine Schall-Laufzeitmessung die Entfernung zwischen den Minen bestimmt werden.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2a und 2b die Erläuterung eines bei der Meßbasis­ bestimmung abfallenden Nebeneffektes; und

Fig. 3a und 3b mögliche Konstellationen, bei denen unterschiedliche Ziele jeder Mine zugeordnet sind.

Gemäß Fig. 1 sind zwei Flächenverteidigungsminen FVM1 und FVM2 aus einem Feld (Cluster) von beliebig in einem Gelände verteilten Minen dargestellt, die einen unbekannten Abstand a voneinander aufweisen. Jede Mine FVM1, FVM2, usw. weist eine Mikrofonanordnung, bestehend aus drei mit einem Basisabstand von mindestens 30 cm angeordneten Mikrofonen M1, M2 und M3 auf. Die Mikrofone sind auf einem Kreis in einem gegenseitigen Winkelab­ stand von 120° angeordnet. Die Azimuth-Winkelausrichtung der Mikrofone bei der Verlegung der Mine ist beliebig. Ein Mikrofon, z. B. das Mikrofon M1 dient jedoch als interne Winkelreferenz, so daß alle gemessenen Winkel auf dieses Mikrofon jeweils bezogen werden. Ein akustisches Ziel Z befindet sich in einem Abstand c von der Mine FVM1 und in einem Abstand b von der Mine FVM2. Diese Abstände sind zu bestimmen. Die Winkel, unter denen die Mine FVM1 und die Mine FVM2 das Ziel Z, bezogen auf die Basislinie a sehen, sind mit β und γ bezeichnet. Die beiden Schenkel des Dreiecks b und c schließen zwischen sich den Winkel δ ein.

Beide Flächenverteidigungsminen FVM1 und FVM2 und eventuell noch weitere Minen des Minenfeldes verfügen über eine Kommunikations­ verbindung, beispielsweise in Form einer Hochfrequenz-Strecke, eines Lichtwellenleiters oder einer Drahtverbindung, über die eine Mine ihre Winkelinformation an die andere Mine liefern kann.

Im Betrieb und bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erklärt sich eine Mine als übergeordnetes System (Master) und wenigstens eine weitere Mine zu einem nebengeord­ neten System (Slave).

Zur Bestimmung der Dreieckseiten b und c, d. h. der Entfernung des Zieles zu den Minen FVM1 und FVM2 ist zunächst eine Ermittlung der Winkel β, γ und δ erforderlich. Während die Winkel β und γ durch die Mikrofonanordnung jeder Mine auf Grund der Geräuschemission des Zieles unmittelbar ermittelt werden können, ergibt sich der Winkel δ gemäß folgender Beziehung:

w = arc cos [- cos (β + γ)]

Somit lassen sich die Strecken b und c wie folgt berechnen:

c = a · cos β + b · cos δ

Hierbei ist:

β = α₁ - α₁₀ und

γ = α₂ - α₂₀

Die erforderlichen Größen a, α₁₀ und α₂₀ werden zuvor, etwa nach dem Verlegevorgang akustisch, durch die Minen selbst wie folgt ermittelt:

• 1. Die Master-Mine FVM1 initiiert ein akustisches Signal über die Kommunikationsverbindung im Schallsender der Slave-Mine FVM2.
• 2. Die Master-Mine FVM1 bestimmt den Winkel α₁₀ über ihre Einrichtung zur Winkelbestimmung, d. h. über die drei Mikrofone sowie eine Schallaufzeit wobei
  c₀ = Schallgeschwindigkeit und
  v = Windgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Basislinie a von FVM2 zu FVM1.
• 3. Die Slave-Mine FVM2 initiiert ein akustisches Signal über die Kommunikationsverbindung im Schallsender der Master-Mine FVM1.
• 4. Die Slave-Mine FVM2 bestimmt den Winkel α₂₀ über ihre Einrichtung zur Winkelbestimmung, d. h. die drei Mikrofone sowie eine Schallaufzeit wobei
  c₀ = Schallgeschwindigkeit und
  v = Windgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Basislinie a vom FVM1 zu FVM2.
• 5. Die Slave-Mine FVM2 sendet den Winkelwert α₂₀ und die Schallaufzeit τ₂ über die Kommunikationsverbindung an die Master-Mine FVM1.
• 6. Die Master-Mine FVM1 berechnet den Abstand der Basis a gemäß folgender Beziehung

Somit sind der Master-Mine FVM1 alle benötigten Daten bekannt, um die Zielentfernungsbestimmung aus den Winkelinformationen α₁ und α₂ zu bestimmen. Die Aufteilung zwischen Master- und Slave-Funktion ist beliebig. Insbesondere kann die Master/Slave-Aufteilung auch dynamisch erfolgen, was speziell von Vorteil ist, wenn mehr als zwei Flächenverteidigungsminen im Minen/Sensorcluster beteiligt sind und z. B. eine oder mehrere Kommunikationsverbindungen ausfallen. Alle Minen besitzen nämlich den gleichen Aufbau und sie sind alle mit den gleichen Sensoren ausgestattet.

Beim Ausfall aller Kommunikationsverbindungen kann eine einzelne Mine auch alleine mit Hilfe ihrer drei Mikrofone und einem akustischen oder Radar-Entfernungsmesser als Einzelsystem noch wirksam betrieben werden. Ferner kann die Genauigkeit sowohl der Einzelmine bezüglich Richtungs- und Entfernungsbestimmung als auch des Sensor/Minenclusters mit Hilfe einer modellgestützten Kalman-Filterung weiter verbessert werden.

Nach Bestimmung der Entfernungen c und b kann der günstiger positionierten Mine die Bekämpfung des Ziels über die Kommunikationsverbindung zugewiesen werden, speziell, wenn über den zeitlichen Verlauf der Änderungen von b und c, d. h. der Zieltrajektorie Informationen über den zukünftigen Zielort gemacht werden können. Diese Prädikation erfolgt ebenfalls vorzugsweise über Kalman-Filter.

Befinden sich mindestens drei Minen im Minen-Cluster, wie dies in den Fig. 2a und 2b dargestellt ist, so kann in bestimmten zeitlichen Abständen auch die Windrichtung und die Windge­ schwindigkeit ermittelt werden. Dies geschieht über die Mikrofonanordnung, den Schallsender in jeder Mine und die Kommunikationsverbindung. Über die Auswertung von mindestens vier Laufzeiten aus den in Fig. 2a dargestellten 6 Laufzeiten kann bei bekannter identifizierter Minenanordnung die Wind­ richtung und die Windgeschwindigkeit bestimmt werden.

Ein vereinfachtes Beispiel, bei dem drei Flächenverteidigungs­ minen FVM1 bis FVM3 in einem rechtwinkligen Dreieck angeordnet sind, ist in Fig. 2b dargestellt. Für dieses Beispiel lassen sich unter Verwendung der angeschriebenen Abstände und Schall­ laufzeiten folgende Gleichungen anschreiben:

a₁ = c₁ - τ_1a = c₂ - τ_1b

c₁ = c₀ - v_w1

c₂ = c₀ + v_w1

a₂ = c₃ · τ_2a = c₄ · τ_2b

c₃ = c₀ + v_w2

c₄ = c₀ - v_w2

(c₀ - v_w1) · τ_1a = (c₀ + v_w1) · τ_1b

(c₀ + v_w2) · τ_2a = (c₀ - v_w2) · τ_2b

Auf Grund der bekannten (hier rechtwinkligen) Minenanordnung kann aus den Komponenten v_w1 und v_w2 die Windgeschwindigkeit v_wund die Windrichtung α wie folgt bestimmt werden:

Der Vorteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens gegenüber dem bekannten Hyperbel-Verfahren mit einem Mikrofon pro Mine liegt darin, daß über die Kommunikationsverbindungen der Minen wesentlich geringere Datenraten ausgetauscht werden müssen. Beispielsweise müssen nur alle 500 ms ein Winkelwert übermittelt werden. Dies ist vor allem bei HF-Übertragungen von Vorteil wegen der geringeren Störmöglichkeit und Ortbarkeit.

Weiter ist darauf zu verweisen, daß die Sensorik sowie die Auslöseelektroniken abgefeuerter Minenwirkkörper im Minenfeld funktionsfähig erhalten bleiben und somit als redundante Hilfssensoren für noch nicht abgefeuerte Minen wirken können. Sie melden jedoch über die Kommunikationsschnittstelle den anderen Minen und speziell der Master-Mine, daß ihr Wirkkörper verschossen ist, so daß sie bei einer Zielzuweisung nicht mehr berücksichtigt werden können.

Da jede Mine für den Einzelbetrieb eine eigene Entfernungsmeßein­ richtung besitzt, die jedoch prinzipbedingt mit relativ großen Fehlertoleranzen behaftet ist, können für Mehrfachziele einfache Plausibilitätsprüfungen durchgeführt werden.

In Fig. 3a ist ein Fall dargestellt, bei dem sich unterschied­ liche Ziele Z1 und Z2 beidseits der Basislinie zwischen beiden Minen FVM1 und FVM2 befinden. In diesem Fall wird auf ein Mehrfachziel erkannt und die Einzelziele können nur über die mineneigenen Entfernungsmeßeinrichtungen vermessen werden. Das Triangulationsverfahren ist in diesem Fall nicht durchführbar. Natürlich kann in diesem Fall eine Mine als Mastermine eine weitere Mine als Slavemine anwählen, um mit dieser womöglich das Triangulationsverfahren durchzuführen.

In Fig. 3b ist ein Fall dargestellt, bei dem unterschiedliche Ziele Z1 und Z2 sich auf der gleichen Seite der Basislinie zwischen den beiden Minen FVM1 und FVM2 befinden, diese Ziele bezüglich ihrer Entfernung r₁ bzw. r₂ jedoch nur von dem Sensor jeweils einer Mine innerhalb eines Toleranzbereiches TBr₁ bzw. TBr₂ erfaßt werden. Auch hier muß die Anmessung des Zieles über das der Mine eigene Entfernungsmeßsystem erfolgen, da eine Triangulation zu einem virtuellen Triangulationsschnittpunkt führen würde, an dem sich kein Ziel befindet. Das System besitzt die Fähigkeit, derartige Zustände mit Mehrfachzielen zu erkennen und in diesem Fall das Triangulationsverfahren zur Entfernungsbestimmung zumindest zeitweise zu unterdrücken und dann entweder über die Sensorik einer Einzelmine auszulösen oder zu warten, bis die Ziele günstiger bezüglich des Triangulationsverfahrens positioniert sind.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung eines Zieles von mindestens zwei beliebig in bezug auf das Ziel angeordneten und mit Mitteln zur Winkelbestimmung des Zieles ausgerüsteten Minen, dadurch gekennzeichnet, daß die Minen mit Sende/Empfangseinrichtungen zur Bestimmung ihres gegenseitigen Abstands ausgerüstet sind und daß eine Triangulations-Entfernungsmessung bezüglich des Zieles durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Minen mit akustischen Mitteln zur Winkelbestimmung des Zieles ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mine über Mittel zur Kommunikation mit jeweils einer anderen Mine und über einen Schallsender verfügt und daß über die Kommunikationsmittel eine Mine eine andere Mine zur Schallaussendung veranlaßt, um über die Schallaufzeit den Abstand zur anderen Mine zu bestimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schallaufzeit in beiden Richtungen gemessen wird, um Windeinflüsse zu kompensieren.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch fortlaufende Ermittlung der Zielentfernung eine Zieltrajektorie bestimmt wird und der am günstigsten positionierten Mine die Zielbekämpfung zugewiesen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schallaufzeiten zwischen drei Minen jeweils in beiden Richtungen ermittelt werden und daß aus den insgesamt 6 Meßsignalen die Windgeschwindigkeit und Windrichtung ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die von jeder Mine ausgeführte Winkelbestimmung zu Winkeln führt, die zu beiden Seiten der Verbindungslinie (Basis) zwischen den beiden Minen liegen, auf die Durchführung der Triangulation verzichtet wird und in diesem Fall auf Mehrfachziele erkannt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die von jeder Mine ausgeführte Winkelbestimmung zu Winkeln führt, die auf einer Seite mit der Verbindungslinie (Basis) zwischen den beiden Minen liegen, aber von unterschiedlichen Zielen herrühren (virtueller Triangulationsschnittpunkt) auf die Durchführung der Triangulation verzichtet wird und in diesem Fall auf ein Mehrfachziel erkannt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mine mit einer zusätzlichen Entfernungs-Meßeinrichtung ausgerüstet ist, um im Falle der Mehrfach-Zielerkennung die Entfernung des in ihrem Wirkbereich liegenden Zieles zu messen.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zur Winkelbestimmung drei in regelmäßigen Winkelabständen und mit vorgegebenem Basisab­ stand an der Mine (FVM1, FVM2, usw.) angeordnete Mikrofone (M1, M2, M3) umfassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Kommunikationsverbindung (Hochfrequenz, Lichtwellenleiter, Drahtverbindung) zwischen den Minen vorhanden ist.