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Die Erfindung betrifft ein Impulsradargerät mit einer Rechenschaltung
zum Verbessern seiner durch seine Impulslänge und durch die Bündelungsschärfe seines
Antennenrichtdiagramms gegebenen winkelmäßigen Zielauflösegenauigkeit.
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Ubliche Radargeräte dieser Art arbeiten z. B. nach den bekannten
Radarpeilverfahren der konischen Raumabtastung (beispielsweise mittels eines rotierenden
Dipols) oder der Summe-Differenz-Bildung (Monopulsmethode). Das erstgenannte Verfahren
ist bekanntlich relativ zur Monopulsmethode zwar wirtschaftlich durchführbar, aber
durch die Auswirkungen der prinzipiell unvermeidbaren Zielecho-Amplituden-Fluktuationen
hinsichtlich seiner Arbeitsgenauigkeit der Monopulsmethode unterlegen, was insbesondere
bei Weitbereichs-Radargeräten ins Gewicht fällt. Bei diesen Geräten ist die gewünschte
Winkelauflösung aber auch bei Anwendung einer Monopulsmethode infolge statistischer
Schwankungen (beispielsweise infolge Luftturbulenz und Servonachführungsinkonstanz)
häufig nicht erreichbar.
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Andere bekannte Radargeräte der genannten Art arbeiten z. B. mit
Interpolation zwischen Zielanfang und -ende unter Verwendung eines sogenannten Wanderfensterdetektors
oder auch mit einer sogenannten synthetischen Antenne unter Auswertung der Dopplerverschiebungen
einer Reihe von beim Uberfliegen des Ziels gewonnenen Echos. Das erstgenannte Verfahren
verarbeitet jedoch nicht alle zur Verfügung stehenden Informationen und ist daher
verbesserungsfähig; das zweite Verfahren setzt ein bewegtes Radargerät voraus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Radargerät der eingangs
genannten Art hinsichtlich seiner winkelmäßigen Zielauflösungsgenauigkeit über das
durch die Anwendung der vorstehend genannten Verfahren prinzipiell Erreichbare hinaus
zu verbessern.
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Bei einem Radargerät der eingangs genannten Art besteht die Erfindung
darin, daß die Rechenschaltung so ausgebildet ist, daß sie bei Vorliegen einer radialen
Bewegungskomponente zwischen Radargerät und Ziel in an sich bekannter Weise den
Winkel a zwischen der Kursrichtung des Ziels und der Sichtlinie zwischen Radargerät
und Zeil aus der Gleichung tg2α = #r/r2 oder aus der Gleichung tg2α
= #r/f2 oder aus daraus durch Umformung oder Ableitung unmittelbar gewonnene Gleichungen,
wie tg2α = 1/#/# r oder J tg2α = f/#/r ermitelt, wobei r den Entfernungsmeßwert
zwischen dem Radargerät und seinem Ziel und f die Dopplerverschiebung der Radarsendefrequenz
bedeutet. Mit einem der zwei Punkte sind in üblicher Weise die erste bzw. zweite
zeitliche Ableitung symbolisiert.
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Der Winkel a muß dann in an sich bekannter Weise zu einer Bezugsrichtung
(z. B. Nordrichtung) im Standort des Radargerätes in Beziehung gesetzt werden.
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Vorausgesetzt ist dabei allerdings der Regelfall, daß das Ziel keine
zu schnellen Geschwindigkeits-oder Kursänderungen erleidet.
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Die Erfindung geht aus von der bekannten Tatsache, daß ein gemäß
F i g. 1 in 0 befindliches Radargerät ein entlang der Kurslinie x mit der Geschwindigkeit
v bewegtes Ziel T bezüglich des Entfernungsparameters r wesentlich genauer bestimmt
werden kann als bezüglich des Winkelparameters ß, tS, und von der Erkenntnis, die
Genauigkeit von P durch Auswertung von r und dessen zeitlichen Ableitungen verbessern
zu können. Es gilt ja nämlich x = r cos a = V t (1) und r # sin a = rO. (2) Der
Winkel a ist deshalb gewählt worden, da bei Betrachtung der Entfernungr allein keine
Bezugsrichtung vorliegt, auf die ß bezogen werden kann. (1 ergibt sich aber einfach
aus 90°a.
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Berücksichtigt man noch die bekannte Gleichung für die auf Grund
des Dopplereffektes auftretende Dopplerverschiebung f der Sendewellenlänge A für
den Rückstrahlfall bei Vorliegen einer radialen Geschwindigkeitskomponente zwischen
Radargerät und Ziel, nämlich die Gleichung f = A cos a, (3) so kann man, wie sich
beweisen läßt, auch schreiben:
Die Messung von r und f sowie die Gewinnung der zeitlichen Ableitungen dieser beiden
Größen ist mittels eines üblichen Radargerätes und einfacher Rechenschaltungen leicht
durchführbar und führt zu den erstrebten genaueren Winkelmeßwerten.
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Für den Beispielsfall a = 45° ergibt sich bei einer Fehlerbetrachtung
für a aus der Gleichung (4) -
unter praktisch häufig gegebenen Voraussetzungen Hz dr # 1 m, df # 1 Hz, d# = 10-3
, # # 10 cm, xec v # 300 und r0 # 10 km für sec damax < 2-10-4. (6) Ist die Geschwindigkeit
v gesucht, so wird zweckmäßig die Gleichung (7) 2 - com kl
zusätzlich
ausgewertet, was aus Gleichung dv = df + tg a da (8) v f für den vorstehend genannten
Beispielsfall mit einem Fehler für v von dv 4. ~ 4 10-4 (9) v verbunden ist. Wie
ersichtlich ist neben einer genauen Winkel- auch eine genaue Geschwindigkeitsmessung
mit dem erfindungsgemäßen Radargerät durchführbar. Gegenüber herkömmlichen Methoden
sind bei Verwendung der Erfindung a und v jeweils um etwa zwei Zehnerpotenzen genauer
bestimmbar. r ist beim erfindungsgemäßen Radargerät aus r vorteilhaft dadurch bestimmbar,
daß man die Laufzeitverschiedenheit zweier sich unmittelbar folgender Impulse mißt,
umrechnet auf den Laufweg und dividiert durch den zeitlichen Impulsabstand, also
vom Differentialquotienten auf den Differenzenquotienten übergeht. Weiter läßt sich
dann mit vier Impulsen r als Differenzenquotient von r bestimmen. f und seine zeitlichen
Ableitungen sind häufig noch leichter als r und seine Ableitungen gewinnbar, da
in üblichen Impulsradargeräten die Dopplerverschiebung f meist sowieso gewonnen
wird, um eine Unterscheidung von Bewegtzielen gegenüber Festzielen durchführen zu
können, den Signalstörabstand zu verbessern und/oder die radiale Zielgeschwindigkeit
zu bestimmen. Hierbei sind, was vielfach vorteilhaft beim erfindungsgemäßen Radargerät
ist, für eine Gleichung auswertbar 2* (10) und 2r (11) Das erfindungsgemäße Radargerät
ist vorteilhaft auch zu einem Radargerät mit Mitteln zur automatischen Zielverfolgung
(»Track«) erweiterbar. Mit den Parametern a und v ist allerdings zunächst nicht
ohne weiteres eine Zielverfolgung durchführbar, was an Hand von F i g. 2 erläutert
sei. Ist die Spur (mit »Track« bezeichnet) in Parameterdarstellung gegeben, nämlich
gemäß x(t) und y(t), so hängen die Geschwindigkeitskomponenten i(t) und jr(t) mit
den Komponenten v, a wie folgt zusammen: x = Vcosa, (12) j = v sin a. (13) Aus diesem
simultanen Differentialgleichungssystem kann man dann die Spurkoordinaten x(t) und
y(t) bestimmen, aber nur bis auf die Anfangsbedingungen, denn diese sind ja aus
v und a nicht bekannt. Die Kenntnis der Anfangsbedingungen muß aus der normalen
Spur gewonnen werden. Der Erfindungsvorschlag kann demzufolge nur zur Verbesserung
der normalen Spurverfolgung herangezogen werden und ist keine autarke Methode zur
Zielverfolgung.
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Trotzdem ist seine Anwendung gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft
im Hinblick auf die Arbeitsgenauigkeit.
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F i g. 3 dient der Erläuterung dieser Weiterbildung der Erfindung,
die die Zielverfolgung gestattet. Ihre
gepunktete Linie w soll als wahrer Zielkurs
vorausgesetzt sein. Er ist aber zunächst unbekannt. Von ihm sind nur die Vektoren
bekannt, die Geschwindigkeit und Kursrichtung angeben. Gerade dieser richtige Kursweg
ist aber zu finden. Nun weiß man, daß bei Vorgabe eines Ausgangspunktes und Kenntnis
der Zielgeschwindigkeit und Richtung sich ein möglicher Zielweg mit Hilfe der Koppelmethode
finden läßt.
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Man muß nur ein Kriterium schaffen, das angibt, ob dieser mögliche
Zielweg auch der richtige ist bzw. das angibt, wie weit er vom richtigen entfernt
liegt.
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Das optimale Kriterium ergibt sich sicher nach der Methode der kleinsten
Quadrate. Wählt man in F i g. 3 auf der normalen Spur n(t) einen Punkt A zum Ausgangspunkt
für den Koppeltrack, bestimmt dann durch Integration mit v und a die gekoppelte
mögliche Bahn g (tl dann kann man ja für jeden Punkt der Bahnen n(t) und g(t) zur
selben Zeit den Bahnabstand n(t) - g(t) berechnen. Dieser Abstand wird quadriert
und integriert über ein Zeitintervall 7 ;
ist dann ein Maß für die Schwankung des normalen »Tracks« um den gekoppelten. Die
wahre Bahn w(t) sucht man dann, indem man diese Schwankung zum Minimum macht:
Dies bedeutet aber ein Auswahlverfahren. Zu diesem Zweck genügt nun nicht die Annahme
eines Koppeltracks, sondern man benötigt, um auswählen zu können, mehrere davon.
Man wählt auf der normalen Spur jetzt eine ganze Anzahl von Anfangspunkten Au aus
(F i g. 4). Sie werden zweckmäßigerweise als Punkte der normalen Spur gewählt, weil
einmal die Wahrscheinlichkeit groß ist, daß sie Punkte der wahren Bahn sein können,
zum anderen aber werden sie vom normalen Radargerät direkt geliefert und können
auf den Auswahlmechanismus auch direkt eingespeist werden. Nun koppelt man von den
Anfangspunkten aus die verschiedenen »Tracks«, wie in F i g. 4 dargestellt ist,
und verfährt weiter für jeden getrennt nach Gleichung (14). Der Auswahlmechanismus
bestimmt dann die Spur zum richtigsten, für die u das Minimum darstellt.
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Zweifellos braucht das Auswahlverfahren nicht in einem Integrationsschritt
Tschon zu einem brauchbaren Ergebnis führen. Wenn die Ausgangspunkte Ar weit genug
auseinanderliegen bzw. nicht genügend Koppeltracks zur Verfügung stehen, kann es
sein, daß der Minimaltrack den gestellten Forderungen noch nicht genügt. Dann muß
eben dasselbe Verfahren nochmals angewendet werden mit neuen Ausgangspunkten, die
enger um den schon gefundenen Minimaltrack gruppiert liegen.
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Um das Verfahren zu vereinfachen, kann man auch nur jeweils zwei
Ausgangspunkte wählen, denn schon für zwei kann eine Auswahl vorgenommen werden.
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In den folgenden Zeitabschnitten T werden dann immer wohl zwei neue
Ausgangspunkte genommen werden müssen, die in engerem Abstand als vorher ne; ; n
dem Mi.nimaltrack zu liegen haben. Bei diesem V. gehen wird man dann im Gegensatz
zur Verwendung vieler »Tracks« eben mehr Zeitabschnitte T
heranziehen
müssen, wenn man dieselbe Genauigkeit erreichen will. Sicherlich wird es letzten
Endes auf einen Kompromiß hinauslaufen zwischen der simultanen Trackzahl und der
Zahl der Zeitstufen X die man aus taktischen oder ähnlichen Gründen zulassen will.
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Man ist auch sicherlich auf der falschen Spur, wenn man glaubt, nach
einer großen Zahl von Zeitstufen T auf dem richtigen wahren Flugweg zu sitzen und
nun nur noch weiterzukoppeln braucht, ohne den ganzen Mechanismus des Auswahlverfahrens
in Betrieb halten zu müssen. Wenn das Ziel erkennt, daß es geortet wird, dann wird
es Ausweichbewegungen vornehmen. Dieser Fall ist in F i g. 3 rechts angedeutet.
In diesem Fall wird sich der gekoppelte »Track« wieder etwas von dem wahren Flugweg
entfernen, weil auch die nachlaufenden Entfernungstore und Dopplerfilter servogesteuert
sind und infolge der darauf abgestimmten Informationsbandbreiten Schleppfehler aufweisen.
Durch fortgesetzte Anwendung des Auswahlverfahrens aber werden für jeden neu einsetzenden
Koppeltrack die Anfangsbedingungen immer wieder frisch minimisiert. Die Wahl des
Integrationsintervalls T erfolgt nach Gesichtspunkten der Informationsbandbreite
und nach taktischen Forderungen wie z. B. möglicher Dauer von beschleunigten Ausweichmanövern.
Im allgemeinen wird man sie so kurz wie möglich machen.
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Sie muß aber auf jeden Fall länger sein wie die der Informationsbandbreite
entsprechenden, denn sonst kommt keine ausreichende Mittelung nach Gleichung (14)
zustande.
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Nachdem nun die theoretischen Grundlagen und das Prinzip des Verfahrens
abgeklärt sind, wird nunmehr ein Gerät angegeben, das die denkbar einfachste Ausführung
mit zwei Koppeltracks darstellt. Ausgegangen wird von einem Zielverfolgungsradar,
das den Azimutwinkelp, die Entiernung r und die Dopplerverschiebung mißt. Dazu werden
drei Nachführeinrichtungen benötigt. Diese drei Radarausgänge sind die Eingänge
des Gerätekonzepts, das in F i g. 5 dargestellt ist. Auf der rechten Seite kommen
die normalen Radardaten r und p an. Sie werden in einem Rechner C1 auf die Daten
x, y des Flugziels umgerechnet und zur weiteren Verarbeitung (z. B. in C3) zur Verfügung
gestellt. Auf der linken Seite dagegen stehen die in Verbindung mit der Erfindung
interessanten Daten r, f zur Verfügung.
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Aus f leitet man noch mit Hilfe eines Differenziergliedes den Differentialquotienten
t ab und führt r, f, f dem Rechner C2 zu. In ihm werden nach den Gleichungen (3)
und (4) die Größen' v, a berechnet.
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Sie werden auf die beiden Koppelrechner (1. K. R. und 2. K. R.) aufgeschaltet
in dem Zeitpunkt t0 (s.
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Pfeil bei C3), der dem Bedienungspersonal günstig erscheint. Die mindeste
Voraussetzung ist die, daß ein Ziel vom Radar erfaßt ist, so daß aus der dann laufenden
Anzeige x, y über den Rechner C3 Anfangswerte A1 und A2 für jeden der beiden Koppeltracks
abgenommen werden können. Die beiden Koppelrechner liefern die Koppeltracks (xl,
Yl) und (x2, Y2) aus denen jetzt mit den Flugdaten x, y aus Ct in Differenzgliedern
die Bahnabstände n(t) - g1 (t) und ntt) 2 (t) gebildet werden [s. Gleichung (14)].
Zur Erfüllung der Gleichung. (14) werden die, Differenzen daisn quadriert und integriert
(S),-Nun stehen in F i g. 5 ganz unten- zwei Größen zur Verfügung, aus denen ; mit
Hilfe eines Vergleichsgliedes die Ent-
scheidung getroffen wird, ob rechts oder links
das geforderte Minimum darstellt. Dieses Ergebnis wird an einen Schalter Sch signalisiert,
der dem Minimaltrack seine Endwerte entnimmt und C3 zuführt.
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Dieser Kreisverkehr geschieht im einfachsten Fall immer wieder nach
der Zeit 7; die für die Integration vorgesehen ist. Dabei muß der Rechner C3 entscheiden
und festlegen, wie er aus der Kenntnis der Tracks (xl, Yl), (x2, Y2) und der Minimalangabe
zwei neue Anfangswerte bestimmt, die die Möglichkeit in sich bergen, zu besseren
Koppeltracks zu führen. Zweckmäßig werden die zwei neuen Anfangswerte um den ausgewählten
Endwert gruppiert liegen.
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In den vorangegangenen Abschnitten ist immer der Fall betrachtet
worden, daß die Bewegungen des Ziels in einer Ebene stattfinden bzw. die dritte
Raumkoordinate nicht berücksichtigt zu werden braucht.
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Bei Raumfahrtproblemen, zu denen hier auch die gewöhnliche Fliegerei
gezählt werden soll, darf diese Einschränkung nicht weiter aufrechterhalten werden.
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Leider verkompliziert sich bei Einführung der dritten Dimension die
Problematik sehr, doch soll das kein Hindernis sein, auch diesen Fall zu diskutieren.
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Im folgenden wird ein Schema für diesen Zweck entworfen.
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Vom 3 D-Radar werden die in F i g. 6 oben angeführten Werte der Dopplerfrequenz,
der Entfernung, des Azimuts und der Elevation laufend gemeldet.
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Sie sollen hier der Einfachheit halber nicht in kartesische Koordinaten
verwandelt werden. Aus f wird wie oben t abgeleitet und mit r auf den Rechner C1
geführt. Dort werden wieder mit den Gleichungen (3) und (4) die Größen v und a gebildet.
Während v sofort dem Koppelrechner C5 zugeführt werden kann, muß mit a noch weiter
manipuliert werden. Der Grund ist, weil a jetzt den Uffnungswinkel eines Kegels
darstellt, dessen Drehachse der Radarstrahl ist und das Ziel die Kegelspitze bildet.
Gleichgültig auf welcher Mantellinie des Kegels das Ziel sich auch bewegt, C1 berechnet
immer denselben Winkel a. Die Größen r, f und f können einfach keine eindeutige
Raumrichtung festlegen. Um aber koppeln zu können, müssen solche für die Geschwindigkeitsrichtung
vorliegen, und man behilft sich damit, daß man aus den normalen Radardaten r, ß,
F mit dem Rechner C2 die Raumrichtungen y, 6 durch Differenzieren oder zeitliche
Differenzbildung ermittelt und diese dann mit u korrigiert. Dies ist insofern möglich,
als ja die Forderung besteht, daß die ermittelte Raumrichtung auf dem Kegelmantel,
der oben erwähnt wurde, liegen muß. Es wird die Korrektur wohl so ausgeführt werden,
daß man die Raumrichtung senkrecht auf den Kegelmantel projiziert und so zu einer
korrigierten Richtung kommt mit den Werten Ykor und zur Diese Manipulationzführt
der Rechner C3 aus. Die Werte rkor und bkor werden nun parallel zu v dem Koppelrechner
C5 zugeführt.
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Wenn der Rechenvorgang im Koppelrechner beginnen soll, rnüssen wieder
Anfangswerte der Zielkoordinaten vorliegen. Diese beschafft man sich auch wieder
aus den vom Radargerät gelieferten Größen r, ß, e. Hier wird man wohl mehr Koppeltracks
laufen lassen müssen, da man ja ein räumliches Problem vor sich hat. So wird es
wohl zweckmäßig sein, wenn man einen Anfangspunkt Ao als rO, ßO, e0 bestimmt. Dann
aber werden sofort mit dem Rechner C4 noch vier weitere Punkte Al, A2, A3, A4 dergestalt
bestimmt, daß sie wohl alle auf derselben
Entfernung zum Radargerät,
also in einer Fläche liegen, auf dieser Fläche also im Quadrat den Punkt Ao umschließen.
Man hat dann die Anfangswerte für fünf Koppelwege, die nun dem Koppelrechner C5
zugeführt werden können, und zwar wieder über einen Eingriff zu dem am günstigsten
scheinenden Zeitpunkt to. Die dem Koppelrechner C5 entströmenden fünf berechneten
Zielwege r1, ß1, #1...r5, ß5, #5, die eine Art Schlauch darstellen, werden über
eine Differenzschaltung mit den vom Radargerät direkt gelieferten Werten r, A, F
verglichen. Die Differenzen werden nach Gleichung (14) wieder quadriert und integriert.
Nun muß wieder die Entscheidung getroffen werden, welcher der fünf Koppelwege die
minimalste Abweichung vom wirklichen Zielweg liefert. Diese Entscheidung wird dem
Rechner cis übermittelt, der dem ausgesuchten Kanal z. B. r2,ß2,#2, entnimmt und
ß2 = ßopt und #2 = #opt erklärt und diese als neue Anfangswerte dem Rechner C4 zuführt.
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Mit der Entfernung r ist das ja nicht notwendig, da r schon vom Radargerät
her genügend genau bekannt ist.
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Aus diesen neuen Anfangswerten r, flop, Fall berechnet nun C4 weitere
vier Anfangswerte, die wieder wie zu beginn im quadrat um r, ßopt, #opt gruppiert
sind. r bleibt auch dabei wieder konstant. Die Zykluszeit für die Minimalentscheidung
ist hier auch gleich T aus denselben Gründen wie oben im vorangegangenen Abschnitt.