DE4431851A1

DE4431851A1 - Verfahren zur Überprüfung und/oder Überwachung der Peilgenauigkeit einer Ortungsanlage und Anordnung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE4431851A1
Application number: DE19944431851
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Worch
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1994-09-07
Filing date: 1994-09-07
Publication date: 1996-03-14

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung und/oder Überwachung der Peilgenauigkeit einer Ortungsan lage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zum Durchführen eines solchen Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Die Aufgabe von Ortungsanlagen, z. B. Radar-, Sonar- und Lidaranlagen, besteht darin, vom eigenen Standort aus Da ten von Zielen zu messen, zu speichern, darzustellen und weiterzuverarbeiten. Diese Daten sind Richtung, Entfernung und weitere Werte (z. B. Geschwindigkeit, Bewegungsrich tung).

Die Entfernung wird beispielsweise aus der Ausbreitungsge schwindigkeit und der Laufzeit gesendeter, reflektierter und empfangener HF-, Schall- oder Lichtenergie ermittelt, die Richtung entspricht der Strahlrichtung dieser Energie.

Bei PPI-Sichtgeräten (Plan Position Indicator) werden die Zielechos analog zur Meßmethode dargestellt bzw. gespei chert. Im Elementarfall entspricht der eigene Radarstand ort dem Schirmmittelpunkt einer Kathodenstrahlröhre, die Peilstrahlrichtung der Ablenkrichtung des einen Leucht punkt erzeugenden Kathodenstrahles und der doppelte, mo mentane Laufweg des Energieimpulses dem Abstand des Leuchtpunktes von der Schirmmitte. Die Zieldaten werden im R,ϕ-Koordinatensystem ermittelt und dargestellt, führen also direkt zu einer kartenähnlichen Darstellung (vgl. hierzu / 1 / 2 / 5 / 7 / 8 /). Der hier geschilderte Zu sammenhang ist als einfachstes Beispiel von Messung, Regi strierung und Speicherung zu verstehen (Kathodenstrahlröh re mit Nachleuchtschirm); allen weiterentwickelten Techni ken (Zielextraktion, Zieldatenspeicherung, -weiterverar beitung, -darstellung) liegt dasselbe Prinzip zugrunde.

Bei beweglichen Ortungsanlagen treten Besonderheiten beim Messen, Verarbeiten und Darstellen von Zielechos auf, die im folgenden beispielhaft anhand einer 2D-Schiffsradaran lage erläutert werden (Fig. 2 bis Fig. 4).

Zunächst sei Fig. 2 betrachtet, in der das Entstehen und Darstellen schiffsvorausbezogener Peilungen dargestellt ist und die eine auf einem Schiff angeordnete Ortungsan lage sowie das resultierende Ortungsbild zeigt. Die Radar antenne 1 der Ortungsanlage sendet und empfängt HF-Energie innerhalb des Antennenrichtdiagramms 2 in Richtung eines Zieles Z.

Der Peilwinkel ϕ (in Fig. 2 mit β1, β2 bezeichnet) wird z. B. bei mechanisch im Azimut geschwenkten Antennen von einem Drehwinkelgeber 3 gemessen; bei elektronisch ge steuerter Antennenstrahlrichtung steht er als Zahlenwert direkt zur Verfügung.

Er ist die Differenz zwischen einer Bezugsrichtung und der Antennen-Hauptstrahlrichtung.

Bei Schiffs-Radaranlagen ist die Bezugsrichtung die Längs achse des Schiffes (Schiff-voraus, S↑), d. h. die Peilungen sind zunächst auf das Eigen-Koordinatensystem bezogen (sog. Schiffs-Seitenpeilungen). Wechselnde Kurse bzw. Schiffsanlagen (S↑ und S↑′) führen zu wechselnden Zielpei lungen β1, β2, die auf einem Bildschirm 4 (mit S↑ oben) als Z bzw. Z′ entsprechend dargestellt werden.

Fig. 3, 4 und 4a befassen sich mit dem Entstehen und Dar stellen nordbezogener Peilungen und zeigen ebenfalls eine auf einem Schiff angeordnete Ortungsanlage sowie das re sultierende Ortungsbild.

Für eine nordbezogene Darstellung wird zusätzlich die Lage der Schiffslängsachse zu geographisch Nord () - d. h. der Schiffskurs α - benötigt; dieser wird von einer Kompaßan lage 5 geliefert und in einem Summierer 6 zum Antennenwin kelwert β addiert, was zu schiffslageunabhängigen, nordbe zogenen Peilungen führt, da α1 + β1 = α2 + β2 = ϕ = const. (sogenannter rechtweisender Betrieb).

Auf einem Bildschirm 4 (mit oben) erscheint das Ziel Z immer unter dem Winkel ϕ, unabhängig vom Schiffskurs (definiert als Winkel zwischen und S↑ in Fig. 2, 3 (vgl. hierzu / 2 / 3 / 4 / 5 /.)

Wie in Fig. 4a und 4b gezeigt wird, führen im Gegensatz dazu unterschiedliche Schiffspositionen (relativ zu den Zielen) zu unterschiedlichen Peilungen, sowohl in Richtung als auch in Entfernung. Bei Positionsänderung des Schiffes werden die Ziele nicht mehr als Z1 . . . Z3 (Z1 mit R1 und ϕ1) - Fig. 4a -, sondern als Z1′ . . . Z3′ (Z1′ mit R1′ und ϕ1′) - Fig. 4b - gemessen und dargestellt (vgl. hierzu / 2 / 3 / 4 / 6 /.)

Es wurde bereits ein Verfahren zur Überprüfung bzw. Über wachung der Peilgenauigkeit solcher Ortungsanlagen vorge schlagen, bei dem die Prüfung der Peilgenauigkeit von einem vermessenen Liegeplatz aus durchgeführt wird; die nordbezogenen Sollpeilwerte zu ausgewählten Festzielen - ermittelt durch vorangegangene Präzisionsvermessungen - werden mit den aktuellen, mit dem Radar erhaltenen Werten verglichen. Dieses Verfahren wird von Hand mittels auf dem Bildschirm eingeblendeter elektronischer Peilzeiger durch geführt.

Diese Methode hat erhebliche Nachteile:

Die zur Vermessung gelangende Anlage - und damit das Schiff - muß zum vermessenen Liegeplatz verholt und dort vertäut werden; besonders bei mehreren, evtl. gleichzeitig benötigten Schiffen (z. B. Minensuchflottille) bedeutet dies einen erheblichen Zeit-, Arbeits- und Organisations aufwand.

Darüber hinaus sind bestimmte Peilfehler u. U. nicht zu erkennen:

- Durch die begrenzte Anzahl geeigneter vermessener Festziele sind genaugenommen nur deren entsprechende Peilungen, nicht jedoch die Azimute dazwischen prüfbar.
- Da das Schiff fest vertäut ist, treten bei diesen Tests nur statische Fehler in Erscheinung, z. B. konstanter Winkelversatz durch dejustierten Antennenwinkelgeber, unterschiedliche Peilungen bei wechselnden Antennen drehrichtungen infolge Getriebespiel u.ä.

Die Aufgabe der Erfindung besteht zum einen darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das mög lichst unabhängig von der Eigenposition der jeweiligen Or tungsanlage jederzeit eine Überprüfung bzw. Überwachung der Peilgenauigkeit der Anlage gestattet, und zum anderen darin, eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Ver fahrens zu schaffen, die möglichst einfach in ihrem Aufbau ist und einfach in bereits bestehende Ortungsanlagen inte griert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in bezug auf das zu schaffende Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben und in bezug auf die zu schaffende Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 6.

Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Ansprü che 2 bis 5) und der erfindungsgemäßen Anordnung (Ansprü che 7 bis 10) sowie bevorzugte Anwendungen der Erfindung (Anspruch 11).

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß unabhängig von der Eigenposition der zu überprüfenden bzw. überwachenden Ortungsanlage deren Peilgenauigkeit jeder zeit überprüft bzw. überwacht werden kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß neben statischen Fehlern auch (sich während des Betriebs der Anlage erge bende) dynamische Fehler in der Peilgenauigkeit der Anlage erkannt und korrigiert werden können. Hierzu zählen bei spielsweise Kompaß-Fahrtfehler, -Schleppfehler, Einfluß von Schiffsbewegungen, wie Stampfen, Rollen, Gieren.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die Erfindung auf einfache Weise in bereits bestehende Ortungsanlagen imple mentiert werden kann (nämlich in Form einer einfachen, hard- und software-mäßig an die Ortungsanlage anzuschlie ßenden Zusatzeinrichtung).

Die Erfindung beruht auf zwei Gegebenheiten:

1. Bei wechselnden Eigenpositionen der Ortungsanlage än dern sich die Peilungen vom Radar zu den Zielen, nicht jedoch die Abstände und Peilungen der Ziele unterein ander (vgl. hierzu Fig. 5a, 5b, in denen der Einfluß der Eigenposition der beispielhaft auf einem Schiff angeordneten Ortungsanlage auf Azimute und Relativ peilungen gezeigt wird.), also von z. B. Ziel 1 nach Ziel 3 (Z1 → Z3) in Fig. 5a und 5b.
2. Peilfehler, die durch fehlerhafte Winkelwertgeber (An tenne bzw. Kompaß), Datenübertragung und -verarbeitung entstehen, bewirken nicht nur falsche Azimute (auf den eigenen Standort bezogene Winkel), sondern auch eine Drehung der Bildebene um deren Mittelpunkt, im Radar ursprung mit R = 0.

Fig. 6 zeigt in dem Zusammenhang am Beispiel einer Schiffsortungsanlage den Effekt bei einem für alle Azimute konstanten Winkelversatz Δϕ: Z1 erscheint dann bei Z1′, Z2 bei Z2′ usw.

Fig. 7 zeigt ebenfalls am Beispiel einer Schiffsortungsan lage die Wirkung eines Winkelfehlers Δϕ, der nur im Be reich von Z3 auftritt: In allen Fällen ändern sich die Peilungen der Ziele zueinander, z. B. Z1 → Z3 in Z1 → Z3′.

Die der Erfindung zugrundliegende Idee besteht darin, die Winkel und Entfernungen der als Referenzziele dienenden Festziele untereinander auszuwerten bzw. zu überwachen, da Abweichungen nur durch o.a. Fehler entstehen, nicht jedoch infolge wechselnder Eigenposition der Ortungsanlage bzw. bei Schiffsanordnungen der Schiffslage und -position.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Schiffsortungsanlage näher erläutert, in die eine bevor zugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung im plementiert ist. Ein Blockschaltbild dieser Schiffsor tungsanlage ist in Fig. 1 gezeigt.

Im linken Teil der Figur ist der an sich bekannte Aufbau einer Schiffsradaranlage dargestellt, die mit der im rech ten Teil der Figur dargestellten und mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung verbunden ist. In der Radaranlage ist ein Trig gerteil 4 vorgesehen, das die einzelnen Abläufe in der Ra daranlage während des Betriebs steuert: ein Sender 3 lie fert über einen Sende-/Empfangsumschalter 2 die HF-Energie an eine Antenne 1; die empfangene Echoenergie gelangt über den Sende-/Empfangsumschalter 2 in einen Empfänger 5. Die Echosignale werden detektiert und vorverarbeitet (Schwell überschreitungen, Zielmittenbildung, Erwartungsfenster, CFAR usw.). Dies geschieht in einem Videoteil 6; die Re sultate werden als (Videoamplituden-)Daten D in einen Zielspeicher 10 geschrieben.

Die dazugehörenden Adressen A werden aus den in einem Sum mierer 8 addierten Winkelwerten der Antenne 1 und einer Kompaßanlage 7 sowie Zeitsignalen aus dem Triggerteil 4 in einem Adreßbildner 9 generiert und dem Zielspeicher 10 zu geführt; in diesem stehen die Zielwerte üblicherweise in R,ϕ-Koordinaten (Polar-Koordinaten). Der Datensatz jeden Zieles wird unter einer Kennung (Label) geführt und lau fend aktualisiert. In einem Koordinatenwandler 11 erfolgt eine Transformation dieser Daten in das kartesische Be zugssystem, die in einem als Istwert-Speicher dienenden Zielspeicher 12 gehalten und aktualisiert werden. Der Ist wert-Speicher 12 dient u. a. auch als Bildwiederholspeicher für ein z. B. in X-Y-Festspulentechnik ausgeführtes Sicht gerät 13.

Die Koordinatenwandlung erleichtert die Aufgabe der mit 14 bezeichneten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anord nung, einen Soll-/Ist-Vergleich der relativen Referenz-/ Festziellagen durchzuführen.

Dazu werden in einem Referenzspeicher 15 die z. B. topogra phisch vermessenen Positionen der Prüffestziele Z1 . . . Zn - als Sollwerte - in X-Y-Koordinaten gehalten. Die Eingabe dieser Daten geschieht über ein Bediengerät 20 (eine wei tere Eingabemöglichkeit besteht darin - bei definitiv in takter Radaranlage - einen Satz ausgewählter Prüffestziele aus dem Istwert-Speicher 12 in den Referenzspeicher 15 zu kopieren).

Aus den Positionen der Referenzziele werden deren Schiffs positions- und -lageunabhängigen "Peilungen" untereinander gebildet (gemäß Fig. 5a, 5b); dazu werden in einer ersten Subtrahiereinheit 16 die entsprechenden X,Y-Wertepaare subtrahiert, also z. B.: (Z1 - Z2) → (X_Z1 - X_Z2 = ΔX₁₂, Y_Z1 - Y_Z2 = ΔY₁₂).

Diese Differenzrechnungen werden mit allen möglichen Kom binationen aus je zwei Zielen durchgeführt.

Fig. 8 verdeutlicht anhand zweier Ziele Z1 und Z2 die Zu sammenhänge zwischen R,ϕ-, X,Y-Koordinaten und die Bildung von ΔX₁₂ und ΔY₁₂.

Dieselben "Relativpeilungen" (Differenzrechnungen) werden laufend mit den vom Radar gemessenen, aktualisierten Ist werten derselben Ziele vorgenommen. Diese Werte stehen - unter den entsprechenden Labels - im Istwert-Speicher 12 und werden einer zweiten Subtrahiereinheit 18 zugeführt.

Der eigentliche Soll-Ist-Vergleich der einander entspre chenden, relativen Zielpeilungen findet - durch Subtrak tion - in einer der ersten und zweiten Subtrahiereinheit 16 und 18 ausgangsseitig nachgeschalteten dritten Subtra hiereinheit 17 statt. Die Resultate werden in einer Ver gleichseinheit 19 auf Einhalten eines zulässigen, wählba ren Grenzwertes E überwacht; bei dessen Überschreiten wird ein Alarm- bzw. Korrektursignal A ausgelöst. Die Subtra hiereinheiten 16 bis 18 können beispielsweise in an sich bekannter Weise mit Addierern aufgebaut werden bzw. die Vergleichseinheit 19 in an sich bekannter Weise mit Kompa ratoren.

Die Radaranlage mit der gezeigten Ausführungsform der er findungsgemäßen Anordnung bietet gegenüber einer Radaran lage ohne eine solche Anordnung folgende Vorteile:

1. Innerhalb der Anlagenreichweite ist jederzeit eine Prüfung der Peilgenauigkeit möglich, unabhängig von Schiffslage und Liegeplatz, d. h. auch während der Fahrt.
2. Mögliche Peilfehler im Bereich zwischen den Referenz zielen lassen sich durch Fahren langsamer Drehkreise des Schiffes feststellen, da dabei alle Antennenwin kelwerte über die Referenzziele geführt werden.
3. Das Verfahren läuft parallel (d. h. zeitgleich) zum laufenden Normalbetrieb (d. h. operationellen Betrieb) der Ortungsanlage ab, und zwar zweckmäßigerweise kon tinuierlich; mit diesem Verfahren ist somit eine lau fende Überprüfung bzw. Überwachung der Peilgenauigkeit der Ortungsanlage möglich, und zwar ohne jegliche Ein schränkung des operationellen Betriebs der Anlage ("on-line"-Überprüfung bzw. -Überwachung).

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungs beispiel beschränkt, sondern vielmehr sinngemäß auf wei tere übertragbar. So ist die Erfindung weder auf 2D- noch auf boden- oder seegestützten Betrieb beschränkt; wird der Radareigenbewegungsvektor gemessen (z. B. mit Dopplerver fahren) und die Ziele mit dem genauen Zeitpunkt ihrer Pei lung markiert (time-tags), sind auch Anwendungen in Luft- und Raumfahrt möglich.

Ferner ist es möglich, anstelle eines gemeinsamen Grenz wertes (ε in Fig. 1) für jede Koordinatendifferenz einen eigenen Grenzwert vorzusehen.

Liste der Figuren

Fig. 1 Blockschaltbild einer Schiffsradaranlage mit einer bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 Entstehen und Darstellen schiffsvorausbezoge ner Peilungen,

Fig. 3 Entstehen und Darstellen nordbezogener Peilun gen,

Fig. 4a, b Entstehen und Darstellen nordbezogener Peilun gen bei unterschiedlichen Schiffspositionen,

Fig. 5a, b Einfluß der Eigenposition auf Azimute und Re lativpeilungen,

Fig. 6 Wirkung eines konstanten Winkelversatzes auf Relativpeilungen,

Fig. 7 Wirkung eines sektoriell begrenzten Winkelver satzes auf Relativpeilungen,

Fig. 8 R,ϕ-, X,Y-Koordinaten, Entstehen einer Rela tivpeilung ΔX, ΔY,

Literatur

/ 1 / Merrill I. Skolnik Introduction to Radar Systems McGraw-Hill, 7. Printing/International Student Edition, 1981, Seiten 353 bis 359
/ 2 / Merrill I. Skolnik Radar-Handbook McGraw-Hill, 1970, Seiten 31-16 bis 31-21
/ 3 / Ernst Kramar Funksysteme für Ortung und Navigation Verlag Berliner Union GmbH, 1973, Seiten 251, 252
/ 4 / Robert Feller Grundlagen und Anwendungen der Radartechnik AT-Fachverlag GmbH, Stuttgart, 1975, Seiten 93, 94
/ 5 / Bopp/Paul/Teger Radar Grundlagen und Anwendungen Fachverlag Schiele und Schön GmbH, Berlin, Seiten 52, 53, 99 bis 105
/ 6 / wie / 5 /, jedoch Seiten 219 bis 222
/ 7 / Karl Röhrich "Radar zu Lande, zu Wasser und in der Luft" Sonderdruck AH 431, "radio mentor", Jahrgang 30, Nov. 1964, Heft 11, vgl. dort die letzten 5 Seiten
/ 8 / AEG-TELEFUNKEN Firmenschrift MTS 1/16 Display

Claims

1. Verfahren zur Überprüfung und/oder Überwachung der Peilgenauigkeit einer Ortungsanlage, bei welchem Verfahren die Standort-Koordinaten von mehreren bekannten ortsfesten Zielen vermessen werden und diese vermessenen Standort-Ko ordinaten mit dem aus anderen Messungen vorbekannten Standort-Koordinaten dieser Ziele verglichen werden, da durch gekennzeichnet, daß für alle oder zumindest für einen Teil der Ziele die Differenzen der vermessenen und der vorbekannten Standort-Koordinaten gebildet und an schließend miteinander verglichen werden und daß bei Ab weichung einer oder mehrerer Differenzen der vermessenen Standort-Koordinaten von den entsprechenden Differenzen der vorbekannten Standort-Koordinaten mindestens um einen für die einzelnen Differenzen der vorbekannten Standort- Koordinaten jeweils vorgegebenen Grenzwert ein Alarm- und/ oder Korrektursignal ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Differenzen aller vorbekannten Standort-Koordina ten ein für alle gleicher Grenzwert vorgegeben wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die vermessenen und die vorbe kannten Standort-Koordinaten der Ziele als kartesische oder als Polar-Koordinaten vorliegen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als vorbekannte Standort-Ko ordinaten ein ausgewählter Satz von vermessenen Standort- Koordinaten der vorbekannten Ziele verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß es parallel, vorzugsweise konti nuierlich parallel zum laufenden Normalbetrieb der Or tungsanlage abläuft.

6. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Anordnung Teil einer Ortungsanlage ist, die einen Istwert-Speicher (12) für die vermessenen Standort-Koordinaten der vorbekannten ortsfe sten Ziele aufweist, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Referenzspeicher (15) zur Speicherung der aus anderen Messungen vorbekannten Standort-Koordinaten der Ziele vorgesehen ist,
- daß der Referenzspeicher (15) ausgangsseitig an eine erste Subtrahiereinheit (16) zur Bildung der Differen zen der in dem Referenzspeicher (15) abgespeicherten vorbekannten Standort-Koordinaten angeschlossen ist,
- daß der Istwert-Speicher (12) ausgangsseitig an eine zweite Substrahiereinheit (18) zur Bildung der Diffe renzen der in dem ersten Speicher (12) abgespeicherten vermessenen Standort-Koordinaten angeschlossen ist,
- daß die erste und die zweite Subtrahiereinheit (16, 18) ausgangsseitig an eine dritte Subtrahiereinheit (17) angeschlossen sind,
- daß die dritte Subtrahiereinheit (17) ausgangsseitig an eine Vergleichseinheit (19) angeschlossen ist,
- daß die Vergleichseinheit (19) bei Überschreiten minde stens eines vorgegebenen Grenzwertes (ε) ein Alarm und/oder Kontrollsignal (A) auslöst.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Istwert-Speicher (12) und in dem Referenzspeicher (15) die Standort-Koordinaten als kartesische oder als Po lar-Koordinaten abgelegt sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinheit (19) in Form mehrerer Komparatoren realisiert ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bedienfeld (20) zur Eingabe der vorbekannten Standort-Koordinaten in den Referenzspeicher (15) und/oder der Grenzwerte (ε) in die Vergleichseinheit (19) vorgesehen ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert-Speicher (12) zwecks Über tragung eines ausgewählten Satzes von vermessenen Stand ort-Koordinaten der vorbekannten Ziele in den Referenz speicher (15) mit letzterem verbindbar ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bzw. An ordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer mobilen bzw. portablen Or tungsanlage, insbesondere in einer Lidar-, Sonar-, oder Radaranlage.