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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
in einem Waffensystem für abgeschossene nichtgelenkte
Munition zur Bestimmung der Position eines oder mehrerer
Vorhaltepunkte eines bewegten Zieles, welches im
dreidimensionalen Raum Manöver mit dem Ziel ausführt, eine solche
Position zu erreichen, daß ein Abwurf seiner Geschosse gegen
ein Angriffsobjekt möglich wird. Der Vorhaltepunkt ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit, in der das Ziel bis zu
ihm gelangt, das heißt die Schußzeit, gleich der Flugzeit
des Projektils bis zu diesem Punkt ist. Das Verfahren setzt
voraus, daß es eine Art von Sensor gibt, welcher das System
kontinuierlich mit Informationen über die momentane
Position des Zieles versorgt. Desgleichen wird eine
Rechnereinheit vorausgesetzt, welche den Zustand der Zielposition und
-bewegung berechnen kann, die die vorausgesagte Position
des Zieles berechnet und die Position des Vorhaltepunktes
in Winkeleinstellungen des Waffensystems umwandelt, damit
das System auf den Vorhaltepunkt zielt, wobei die Bewegung
des bewegten Zieles durch Bewegungsmodelle vorausgesagt
wird. Dies beinhaltet auch eine Kompensation der
ballistischen Einflüsse wie Wind, Temperatur, Luftdruck und so
weiter.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem
Oberbegriff ist aus dem US-A-4 794 235 bekannt. Es wird eine
nichtgelenkte Munition verwendet, und die Kanone des
Systems zielt mit Hilfe von Winkeleinstellungen der Kanone
auf einen vorausgesagten Vorhaltepunkt vor dem sich
bewegenden Ziel. Es wird angenommen, daß das verfolgte, bewegte
Ziel einen Kreisbogen durchläuft. Aus dem Stand der
Technik, der im Patent zitiert wird, ist auch bekannt, daß
angenommen werden kann, daß das bewegte Ziel einer geraden
Linie folgt.
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Ein anderer Typ eines Abwehrsystems, das mit gelenkten
Projektilen arbeitet, ist aus dem GB-A-2 212 252 bekannt. In
diesem Fall wird das Projektil während seines Fluges zum
Ziel mittels Radar, das Flugbahninformationen über das Ziel
gewinnt, gesteuert. Es wird eine vorausgesagte Flugbahn des
Zieles bestimmt, und das gelenkte Projektil wird auf einer
nahezu reziproken Bahn zum Ziel geführt. Bei diesem
Systemtyp ist keine Entsprechung mit dem Vorhaltepunkt eines
nichtgelenkten Systems vorhanden, wie es in dem
einleitenden Absatz dieser Beschreibung definiert ist.
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Zur Lösung des Problems der Voraussage wird eine Hypothese
oder ein Modell aufgestellt, wie sich das Ziel von diesem
Moment an verhalten wird, und es wird eine Voraussage in
bezug auf das Zielmodell gemacht. Das Modell kann entweder
deterministisch oder stochastisch sein. Beispiele für
mögliche Zielmodelle sind:
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- Es wird angenommen, daß der
Geschwindigkeitsvektor des Zieles in Größe und Richtung konstant ist, das
heißt, eine konstante Geschwindigkeit in den drei
Koordinaten für die gesamte Schußzeit vorhanden ist.
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- Es wird angenommen, daß die Richtung des
Geschwindigkeitsvektor konstant ist, aber es wird angenommen,
daß das Ziel in Richtung des Vektors beschleunigt oder
verzögert wird.
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- Es wird angenommen, daß das Ziel einem Weg mit
einer konstanten Beschleunigung in den drei Koordinaten
folgt.
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- Es wird angenommen, daß sich das Ziel auf einer
Kreisbahn bewegt. Bei diesem Zielmodell kann entweder eine
konstante Fortbewegungsgeschwindigkeit angenommen werden
oder es kann eine Beschleunigung entlang der Kreisbahn
erlaubt werden.
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- Das Ziel bewegt sich mit konstanter
Beschleunigung, ändert aber die Beschleunigung zu beliebig
ausgewählten Zeitenpunkten. Der Beschleunigungswert besitzt eine
Gaußsche Verteilung und die Zeit mit konstanter
Beschleunigung besitzt eine Poissonsche Verteilung. Die
Beschleunigung kann in einer oder in allen drei Koordinaten
auftreten.
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Das erste und vierte dieser Zielmodelle ist in dem
US-Patent offenbart.
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Ein Problem, das die Voraussage beeinflußt, besteht darin,
daß die gemessene Position des Ziels ein Rauschen besitzt.
Dieses Rauschen hat zur Folge, daß die Zustandsangabe der
Zielposition und -bewegung gefiltert werden muß, bevor sie
für die Voraussage des zukünftigen Zielzustands verwendet
werden kann. Ein Filter beinhaltet jedoch stets eine
Verzögerung und das führt in einem System, welches nicht
schlagartig auf schnelle Änderungen im aktuellen Bewegungszustand
des Zieles reagieren kann.
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Das große Problem bei der Voraussage besteht jedoch darin,
daß der Bewegungzustand des Zieles fast nie über die
gesamte Schußzeit als konstant betrachtet werden kann. In
einem System mit Flugabwehrkanonen kann zum Beispiel das
Abschußsteuersystem die zukünftige Position des Ziels bis 10
Sekunden im voraus voraussagen. Zu diesem Zeitpunkt wird
dann die Filterverzögerung addiert, welche einige Sekunden
betragen kann. Selbstverständlich kann der Pilot stets
durch Manövrieren versuchen, die Zeit, in welcher sich das
Ziel in einem konstanten Bewegungzustand befindet, zu
minimieren, und folglich wird die vorausgesagte Position nur
für eine Schußentfernung mit einer sehr kurzen Schußzeit
genau sein.
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Der Nachteil bei den ersten vier Zielmodellen, auf die oben
hingewiesen wird, besteht darin, daß sie einen konstanten
Bewegungszustand für die gesamte Schußzeit voraussetzen,
was nicht als wahrscheinlich betrachtet werden kann. Auch
verwendet keines der Modelle den Umstand, daß die Absicht
der Manöver des Zieles in den meisten Fällen darin besteht,
eine solche Position zu erreichen, daß die Bekämpfung des
Angriffsobjektes möglich wird. Diese Position besteht in
einer kurzen Phase einer geraden Flugbahn, in der der Pilot
zielen und seine Munitionslast abfeuern kann. Eine typische
Situation bei einem Sturzflugangriff gegen ein geschütztes
Ziel wird in Fig. 1 gezeigt, welche die Nachteile zeigt.
Die Figur zeigt die Zielposition mit einer Anzahl von
Zeitpunkten und Positionen für die Vorhaltepunkte, welche das
Ergebnis aus einer konventionellen Voraussage sind, bei der
der Bewegungszustand des Zieles über die gesamte Schußzeit
als konstant angenommen wird. Eine Aktion gegen das
Angriffsziel ist nur in der letzten Stufe in einer kurzen
Entfernung möglich. Es ist auch wahrscheinlich, daß das
Ziel in der Lage war, seine Munitionslast abzuwerfen, bevor
es bekämpft werden konnte.
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Die Aufgabe dieser Erfindung, wie sie in Anspruch 1 und 4
definiert wird, besteht darin, das oben betrachtete
Voraussageproblem zu lösen, oder auf jeden Fall ein besseres
Modell dafür zu erzeugen, wie das Ziel sich verhält, und
damit die Wahrscheinlichkeit zu verbessern, das Ziel zu
bekämpfen,
bevor es in der Lage ist, seine Munitionslast
abzulassen.
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Die Erfindung baut auf einem deterministischen Zielmodell
auf, bei welchem sich der Bewegungszustand (Geschwindigkeit
und Beschleunigung) des Zieles über die Schußzeit
verändert, daß heißt, über die Zeit vom Abschuß des Projektils
bis es im Ziel aufschlägt.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Positionen der vermutlichen Angriffsobjekte relativ zum
Waffensystem dem System zuführbar gemacht werden, daß diese
Positionen zur Berechnung des Vorhaltepunktes oder der
Vorhaltepunkte verwendet werden und daß eine Anzahl von
Bewegungsmodellen kombiniert werden, um auf diese Weise eine
hypothetiche Wegform (Zielmodell) für das bewegte Ziel zum
jeweiligen wahrscheinlichen Angriffsobjekt aufzubauen,
welcher das bewegte Ziel vermutlich folgen wird, wobei die
Änderungen zwischen den Bewegungsmodellen kontinuierlich in
Abhängigkeit von der Aktion des bewegten Zieles
durchgeführt werden.
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Vorteilhafterweise werden die Zielmodelle, daß heißt, die
Hypothesen, wie sich das Ziel bewegen wird, für die
Berechnung des Vorhaltepunktes aus Kreisbögen, Kugeloberflächen
und/oder geraden Linien aufgebaut.
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Bei der Versorgung des Systems mit der Position der
wahrscheinlichen Angriffsobjekte kann diese Information für
eine effektive Voraussage des wahrscheinlichen
Vorhaltepunktes des Zieles verwendet werden. Die Zielmodelle, die
bei der Berechnung des Vorhaltepunktes verwendet werden,
werden aus einer Anzahl von Komponenten, wie z.B.
Kreisbögen, Kugeloberflächen und gerade Linien, aufgebaut und in
einer solchen Weise kombiniert, daß sie der Absicht der
Manöver des Zieles entsprechen, nämlich ein vorbestimmtes
geschüztes Objekt anzugreifen.
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Die Vorteile, die mit Hilfe der Erfindung erzeugt werden,
sind ein größerer wirksamer Abschußbereich für das
Waffensystem mit manövrierenden Zielen, eine höhere
Trefferwahrscheinlichkeit und die Möglichkeit, ein Ziel zu bekämpfen,
bevor es in der Lage ist, seine Munitionlast abzusetzen.
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Im folgenden Text soll ein Beispiel der Erfindung in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen in größeren
Einzelheiten beschrieben werden, in denen
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Fig. 1 eine typische Situation zeigt, bei welcher das Ziel
einen Sturzflugangriff auf ein geschütztes Objekt
ausführt;
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Fig. 2 eine kontinuierliche Messung der Zielposition im
Raum erkennen läßt;
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Fig. 3 zeigt, wie die Informationen zur Bestimmung einer
Bewegungsebene und einer Kreisbahn, auf welcher
sich das Ziel vermutlich bewegen wird, verwendet
wird;
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Fig. 4 zeigt, wie die Position des geschützten Objektes,
von dem eingeschätzt wird, daß es ein für den
Angreifer wichtiges Objekt ist, um es zu vernichten,
zum Beispiel in rechtwinkligen Koordinaten gemessen
und dem System zugeführt wird;
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Fig. 5 erkennen läßt, wie während der Zielverfolgung eine
Bewegungsebene kontinuierlich gemessen wird;
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Fig. 6 ein erstes Bewegungsmodell zeigt;
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Fig. 7 ein zweites Bewegungsmodell zeigt;
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Fig. 8 ein drittes Bewegungsmodell zeigt;
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Fig. 9 ein viertes Bewegungsmodell zeigt;
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Fig. 10 ein fünftes Bewegungsmodell zeigt;
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Fig. 11 ein Bewegungsmodell mit horizontaler Korrektur
zeigt; und
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Fig. 12 eine Übersicht zeigt, das heißt, welches
Bewegungsmodell auf den verschiedenen Wegen der
Annäherung in Richtung zum geschützten Objekt verwendet
wird.
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Wie in der Einleitung erwähnt wird, besteht das große
Problem einer Voraussage darin, daß der Bewegungszustand des
Zieles über die Schußzeit fast nie konstant ist. Die
Manöver des Zieles sind in den meisten Fällen der Forderung
zuzuschreiben, eine solche Position zu erreichen, daß die
Bekämpfung des Angriffsobjektes möglich wird. Eine typische
Situation wird in Fig. 1 gezeigt, bei der ein Ziel (ein
Flugzeug) 1 in einer kurzen Phase eines geraden
Wegabschnittes manövriert, in welcher der Pilot zielen und seine
Munition auf ein geschütztes Objekt 2 abschießen kann. Die
Figur zeigt die Position des Zieles an einer Anzahl von
Zeitpunkten und für Vorhaltepunkte, welche das Ergebnis aus
einer herkömmlichen Voraussage darstellen, bei der der
Bewegungszustand des Zieles über die gesamte Schußzeit als
konstant angenommen wird. Eine Aktion gegen das
Angriffsziel 1 ist dann nur in der letzten Stufe in einer kurzen
Entfernung möglich. Es ist auch wahrscheinlich, daß das
Ziel seine Munition abwerfen konnte, bevor es in einem
solchen Fall bekämpft werden konnte.
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Durch die kontinuierliche Messung der Zielposition im Raum
über einen Sensor 4 und der Filterung dieser Meßwerte in
der nächsten Stufe, kann der Positions- und
Bewegungszustand des Zieles zum Beispiel in rechtwinkligen Koordianten
ausgedrückt werden. Diese Zustände werden hier durch die
Vektoren r, v und entsprechend Fig. 2 gebildet. Diese
Vektoren können dann zur Bestimmung einer Bewegungsebene und
einer Kreisbahn verwendet werden, entlang welcher sich das
Ziel (Fig. 3, Bezugszahl 1) vermutlich bewegen wird. Es
kann auch erkannt werden, daß eine Bewegungsebene und eine
Kreisbahn nur definiert werden, wenn der
Beschleunigungsvektor
ein Vektor mit (a) ≠ Null ist und der
Geschwindigkeitsvektor (v) nicht parallel zum Beschleunigungsvektor
(a) liegt. Wenn diese Bedingungen nicht zutreffen, ist man
gezwungen eine Bewegung entlang v anzunehmen.
Lösung:
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Das System 3, 4 bietet die Möglichkeit der Bestimmung der
Position relativ zum Abschußsteuersystem der aktuell
geschützten Objekte. Diese geschützten Objekte sind Objekte,
welche als wichtige Objekte betrachtet werden, um von einem
Angreifer vernichtet zu werden. In einem Fahrzeugsystem ist
das Fahrzeug sicher selbst ein wichtiges, zu schützendes
Objekt. Die Position kann zum Beispiel in rechtwinkligen
Koordinaten bestimmt und dem System über ein Daumenrad,
Menü oder dergleichen zugeführt werden. Ein Beispiel des
Vorganges wird in Fig. 4 gezeigt. Diese Parametereingabe
wird nur nach der Gruppierung des Systems ausgeführt, kann
aber, wenn erforderlich, verändert werden. Die Figur zeigt
drei stärker geschützte Objekte als Beispiel: einen
Flugzeughangar 2', eine Radarstation 2" und eine Brücke 2"'.
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Die oben erwähnte Bewegungsebene wird bei der
Zielverfolgung kontinuierlich berechnet. Die Position des geschützten
Objektes wird in diese Ebene projiziert und der dann in der
Ebene erhaltene Punkt, wird von der Voraussage für die
Berechnung der vermutlichen Zielbewegung verwendet. Der
Grund, warum die absoluten Koordinaten des geschützten
Objektes nicht für diese Zwecke verwendet werden, besteht
natürlich darin, daß es nicht wahrscheinlich ist, daß sich
dieser Punkt in der berechneten Bewegungsebene befindet.
Außerdem kann eine Situation entsprechend Fig. 5 vorliegen,
welche eine Art eines Bombenangriffs zeigt. In diesem Fall
ist es zwar wahrscheinlich, daß sich das Ziel in der
horizontalen Ebene selbst ausrichtet, jedoch nicht in Richtung
der Höhenkoordinate des Zieles.
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Es wird eine Anzahl von Bewegungsmodellen definiert und
zwischen ihnen werden in Abhängigkeit von der Aktion des
Zieles kontinuierlich Änderungen durchgeführt. Diese
Modelle werden unten mit Hilfe von erläuternden Figuren
beschrieben. Plötzliche Änderungen in der Position des
Vorhaltepunktes werden durch zwei Bewegungsmodelle vermieden,
zwischen welchen Änderungen auftreten können, die denselben
Vorhaltepunkt an den Grenzübergängen erzeugen.
Bewegungsmodell 1 (Fig. 6)
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In diesem Fall ist die Beschleunigung 0, oder alternativ
ist nur in Fortpflanzungsrichtung eine Beschleunigung
vorhanden. Da quer zur Fortpflanzungsrichtung keine
Beschleunigung vorhanden ist, ist auch keine Bewegungsebene
definiert. Das ist mit dem Vorhandensein eines unendlichen
Kurvenradius der Kreisbewegung gleichzusetzen. In diesem Fall
wird angenommen, daß der Bewegungszustand während der
Schußzeit konstant ist.
Bewegungsmodell 2 (Fig. 7)
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Bei dieser Bewegung trifft zu, daß quer zur
Fortpflanzungsrichtung eine Beschleunigung vorhanden ist und folglich
kann eine Bewegungsebene berechnet werden. Dieses Modell
wird verwendet, wenn das Ziel von der Projektion des
geschützten Objektes weg in die Ebene manövriert wird, oder
wenn diese Projektion in dem vorher berechneten Kreis
enthalten ist. In diesen beiden Fällen wird angenommen, daß
der Bewegungszustand des Ziels über die gesamte Schußzeit
konstant ist.
Bewegungsmodell 3 (Fig. 8)
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In gleicher Weise definieren die Zielbeschleunigung und
-geschwindigkeit eine Bewegungsebene, in welcher sich das
Ziel vermutlich fortpflanzt. Wenn nicht angenommen wird,
daß sich der Bewegungszustand des Zieles während der
Schußzeit ändert, führt das zu einer Richtung des
Fortpflanzungsvektors des Zieles, die vermutlich an dem
projizierten, unter Schutz stehenden Objekt vorbeigeht. Das wird als
weniger wahrscheinlich angenommen und deshalb wird die
Annahme gemacht, daß das Ziel (Pilot) sucht, sich in Richtung
des projizierten, unter Schutz stehenden Objektes
aufzurichten und es anzugreifen. Das ist sicher eine grobe
Annäherung, da ein fortlaufendes Aufrichten realistischer wäre,
das heißt, der Kurvenradius steigt mehr und mehr. Die
Annäherung ist jedoch gut genug, da der Bewegungszustand des
Zieles wegen des gemessenen Rauschens noch nicht genau
berechnet werden kann. Die Beschleunigung in Richtung der
Fortpflanzung wird auch nach dem Aufrichten als konstant
angenommen.
Bewegungsmodell 4 (Fig. 9)
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Unter der Annahme, daß das Bewegungsmodell 3 in einer
früheren Stufe verwendet wurde, tritt der Wechsel zu diesem
Bewegungsmodells ein, nachdem der Fortpflanzungsvektor des
Zieles an dem projizierten, unter Schutz stehendem Objekt
vorbei gegangen ist. Dieses Modell kann als ein
eigenständiges gesehen werden, da die Mitte der Kurve der Kreisbahn
(p') in bezug auf die berechnete (p) um 180º verschoben
angenommen wird. Der Grund liegt darin, daß der Nachlauf des
Filters dafür kompensiert ist. Dieser Nachlauf führt dazu,
daß auch dann, wenn das Ziel ein ideales Manöver ausführt
(Kreisbahn - gerade Linie), das Filter eine Kreisbewegung
mit stufenweise ansteigenden Radien erzeugen wird. Es wird
ein Abstand (b) berechnet, welcher die wahrscheinliche
Entfernung zur Projektion des geschützten Objektes angibt,
wenn sich das Ziel in eine vollständig gerade Bahn
aufgerichtet hat. Dieser Abstand beruht auf der Entfernung zum
Ziel und dem früheren Vorhaltepunkt.
Bewegungsmodell 5 (Fig. 10)
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Umter der Annahme, daß das Bewegunsgmodell 4 in einer
früheren Stufe verwendet wurde, tritt der Wechsel zu diesem
Modell ein, nachdem das Zentrum der Kurve erzeugt wurde,
was damit verbunden ist, daß das Ziel in Richtung auf das
projizierte, unter Schutz stehende Objekt manövrierend
gedacht wird. Die Zielbewegung kann identisch mit Bewegung 3
sein, mit dem Unterschied, daß ein kleinerer Kurvenradius
als der berechnete, angenommen wird. In dem Fall, in dem
der berechnete Kurvenradius (p) geringer wird als der
angenommene (p'), kehrt man natürlich zum Bewegungsmodell 3
zurück. Es wird ein Abstand (b) berechnet, welcher die
wahrscheinliche Entfernung zum projizierten, unter Schutz
stehenden Objekt angibt, wenn angenommen wird, daß sich das
Ziel in einer vollständig geraden Linie aufgerichtet hat.
Dieser Abstand hängt von der Entfernung zum Ziel und dem
früheren Vorhaltepunkt ab.
Bewegungsmodell mit horizontaler Korrektur (Fig. 11)
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Wie früher erwähnt wird, werden nicht die absoluten
Koordinaten des geschützten Objektes verwendet. Stattdessen wird
die Position des geschützten Objektes kontinuierlich in die
Bewegungsebene projiziert, welche durch die
Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren des Zieles definiert
ist. Das deutet darauf hin, daß alle Bewegungsmodelle, auch
jene, die während der Schußzeit eine Änderung im
Bewegungszustand des Zieles annehmen, mit der Hypothese arbeiten,
daß sich das Ziel während der gesamten Schußzeit in dieser
Ebene bewegen wird. Um weiterhin die Position des
vermutlichen Angriffsziels bei Bestimmung des Vorhaltepunktes zu
verwenden, kann man die zusätzliche Annahme machen, daß das
Ziel außerhalb der Bewegungsebene manövrieren wird, um in
die Linie mit dem geschützten Objekt zu kommen. Diese
Korrektur ist jedoch nur in der horizontalen Ebene erlaubt, da
es nicht sicher ist, daß sich das Ziel in bezug zur
Höhenkoordinate
des geschützten Objektes selbst ausrichten wird.
Die Korrektur wird auch nur dann gemacht, wenn die kürzeste
Entfernung zwischen dem geschützten Objekt und der
Bewegugsebene deutlich abgegrenzt ist. Dieses kombinierte
Bewegungsmodell führt dazu, daß angenommen wird, daß sich das
Ziel entlang einer Kugeloberfläche und einer geraden Linie
bewegt. Die Situation wird einfacher mit Hilfe von Fig. 11
beschrieben, in der eine Art Sturzflugangriff auf ein
geschütztes Objekt gezeigt wird. Wenn das Ziel entsprechend
der Figur lokalisiert ist, wird das Bewegungsmodell 3
verwendet. Ohne Korrektur in der horizontalen Ebene wird das
Ergebnis darin bestehen, daß das Ziel vermutlich der
gestrichelten Flugbahn folgt und bei der Bestimmung des
Vorhaltepunktes ist ein relativ großer Seitenfehler vorhanden.
Wenn jedoch die Korrektur in der horizontalen Ebene
ausgeführt wird, wird das Ziel vermutlich entlang der
durchgezogenen Flugbahn fliegen und es wird ein besseres Ergebnis
erhalten. Die Korrektur kann natürlich auch für die
Bewegungsmodelle 4 und 5 verwendet werden.
Bewegungsmodelle - Zusammenstellung (Fig. 12)
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Fig. 12 zeigt ein einfaches Beispiel, welches angibt,
welches Bewegungsmodell in den verschiedenen Abschnitten der
Annäherung auf ein geschütztes Objekt verwendet wird. Die
Annäherung ist von oben gesehen dargestellt und ist nur
schematisch.
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Natürlich kann man sich ein Bewegungsmodell vorstellen,
welches mit anderen Komponenten als Kreisbahnen,
Kugeloberflächen und geraden Linien aufgebaut ist. Das einzige
Merkmal der Lösung besteht darin, daß eine Anzahl von
Bewegungsmodellen für den Aufbau in der Weise einer
flugbahnbegrenzten Wegform kombiniert werden, bei welcher der Umstand
verwendet wird, daß die Position des Angriffsobjektes
bekannt ist. In dem Fall, in dem eine Anzahl von geschützten
Objekte definiert ist, kann die Berechnungseinheit auch zur
Berechnung verschiedener Vorhaltepunkte verwendet werden.
Das Abschußsteuersystem kann dann die angeschlossenen
Waffensysteme (angenommen, daß einige angeschlossen sind)
gegen die verschiedenen Vorhaltepunkte richten, und wenn
bestimmte Vorhaltepunkte vorhergesagt werden können, wird der
Abschuß auf einen der wahrscheinlichsten konzentriert.
Referenz:
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1. Mechanics, Particle Dynamics - Part 1, Anders J. Thor,
Anders Höglund.