DE69332878T2

DE69332878T2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der bahn eines überschallprojektils

Info

Publication number: DE69332878T2
Application number: DE69332878T
Authority: DE
Inventors: B. Niall McNELIS; O. Nelson CONNER
Original assignee: AAI Corp
Current assignee: Textron Systems Corp
Priority date: 1992-02-18
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: EP0627086A1; AU3779293A; DE69332878D1; EP0627086A4; AU656504B2; US5241518A; CA2128333A1; KR100252523B1; WO1993016395A1; EP0627086B1; CA2128333C; JP3203347B2; JPH07505219A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um u.a. die Flugbahn, die Zielabweichung und die Geschwindigkeit eines Überschallprojektils sowie die ungefähre Feuerstellung eines solchen Projektils zu bestimmen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aus dem Stand der Technik ist seit langem bekannt, daß akustische Mittel verwendet werden können, um einen Teil der Flugbahn eines Projektils zu bestimmen, und im allgemeinen werden beim Stand der Technik solche akustischen Mittel dazu verwendet, den Punkt auszumachen, an dem ein Projektil in ein Übungsziel hineinfliegt oder nahe demselben vorbeifliegt, um die Genauigkeit eines Handfeuerwaffenbeschusses auszuwerten, anstatt der herkömmlicheren Zielscheiben aus Papier. Ein Beispiel hierfür ist das US-Patent 4,514,621. Im Grunde funktionieren diese Vorrichtungen mittels eines Netzes aus akustischen Sensoren, wobei die Ebene der Sensoren senkrecht zur Flugbahn des Projektils, z. B. einer Gewehrkugel, ist. Wenn die Kugel durch dieses Netz aus Sensoren fliegt, können die Sensoren den Durchtritt der Kugel durch dieses Netz aus Sensoren ausmachen, indem die Zeitverzögerungen der Sensoren berechnet werden.
Wenn zwei derartige Netze hintereinander mit Abstand angeordnet werden und die Bahn einer Kugel durch beide Netze verläuft, kann auch ein Teil der Flugbahn einer Kugel bestimmt werden, wobei ein Beispiel hierfür im US-Patent 4,445,808 beschrieben ist. In diesem Patent wird auch darauf hingewiesen, daß, für den Fall, daß ein solches System mit zwei Netzen auf einem Militärfahrzeug, z. B. einem Helikopter, eingesetzt wird und feindliches Feuer durch die beiden zueinander beabstandeten Netze fliegt, die allgemeine Richtung der Flugbahn dieses Feuers bestimmt werden kann.
Ähnliche Verfahren zum Lokalisieren des Passierens einer Kugel können anstatt von akustischen Wandlern andere Arten von Sensoren einsetzen, wie z. B. Widerstandselemente, und Beispiele hierfür sind in den US-Patenten 3,585,497 und 3,656,056 beschrieben.
Anstatt der Verwendung eines Netzes aus akustischen Sensoren können ebenso längliche gebogenen Ringe mit akustischen Wandlern an deren Enden eingesetzt werden. Wenn eine Kugel in der Nähe der gebogenen Ringe vorbeifliegt, kann die Position der an solchen gebogenen Ringen vorbeifliegenden Kugel berechnet werden, wobei ein Beispiel hierfür im US-Patent 4,351,026 beschrieben ist.
Gebogene Ringe können auch dort verwendet werden, wo sich das Ziel innerhalb eines senkrecht zu den Ringen festgelegten Feldes bewegt, und ein Beispiel dieses Verfahrens ist im US-Patent 5,025,424 beschrieben.
Auf ähnliche Weise schlägt das US-Patent 4,885,725 eine Vielzahl von dreieckig angeordneten, mechanisch verbundenen akustischen Wandlern anstatt von gebogenen Ringen vor, um den Punkt zu bestimmen, in dem eine Kugel das Zielgebiet passiert, und um einen Hinweis über die Geschwindigkeit dieser Kugel zu liefern.
Die vorstehenden Patente sind hauptsächlich auf Übungsvorrichtungen ausgerichtet, um die Genauigkeit eines Übungsbeschusses auszuwerten, obgleich, wie oben erwähnt, das US-Patent 3,445,808 die Verwendung von zwei akustischen Netzen zum Bestimmen der allgemeinen Richtung eines feindlichen Beschusses auf eine Militärausrüstung, wie z. B. einen Helikopter, vorschlägt.
Ferner schlägt das US-Patent 4,659,034 die Verwendung einer Vielzahl von Wandlern vor, die auf einem beweglichen Ziel (Schleppziel) angeordnet sind, sowie mittels Einsatz der Wandler das Bestimmen der Genauigkeit eines Beschusses auf dieses Ziel. Diese Genauigkeit des Beschusses schließt ein, wie nahe das Projektil dem Schleppziel kommt (bezeichnet als Zielabweichung). Ähnlich dazu bestimmt das US-Patent 4,323,993 eine Zielabweichung mittels akustischer Wandler, und insbesondere kann in diesem Patent die Zielabweichung auch dann berechnet werden, wenn das Projektil das Schleppziel völlig verfehlt.
Das US-Patent 4,805,159 sieht ein Verfahren zum Schätzen der Zielabweichung zwischen einem Projektil und einem sich bewegenden Übungsziel vor. Wenn diese Schätzung gemacht wird, wird wenigstens auch ein Teil der Flugbahn des Projektils geschätzt. Da jedoch in diesem Patent darauf hingewiesen wird, daß die Schätzung wenigstens eines Teiles der Flugbahn des Projektils eine Vielzahl von möglichen Schätzungen der tatsächlichen Projektilbahn einschließt, und um fehlerhafte Schätzungen auszuschließen, werden zusätzliche Wandler verwendet, um fortlaufend korrekte Schätzwerte aus fehlerhaften Schätzwerten auszuwählen. Diese Anmerkung gilt auch für das Dokument WO-A-91/10876.
Im allgemeinen werden somit beim Stand der Technik Sensoren und insbesondere akustische Wandler in verschiedenen räumlichen Anordnungen verwendet, um die Zielabweichung eines Projektils, das durch ein Ziel hindurchfliegt oder nahe demselben vorbeifliegt, zu bestimmen. Einige dieser Systeme aus dem Stand der Tech nik können eine allgemeine Richtung einer lokalen Flugbahn des Projektils liefern, jedoch sind diese Systeme nicht in der Lage, genaue Informationen über die gesamte Bahn des Projektils und folglich über die Position des Ursprungs dieses Projektils zu liefern. Unabhängig von ihrer Konfiguration müssen diese Systeme aus dem Stand der Technik ferner eine Vorkenntnis über die Richtung und/oder die Geschwindigkeit des Projektils haben, um die lokale Flugbahn des Projektils zu bestimmen.
Folglich sind die Systeme aus dem Stand der Technik im wesentlichen nur bei Ausbildungsübungen von Nutzen, bei denen entweder die Richtung oder die Geschwindigkeit des Projektils oder beides bekannt sind, und derartige Systeme sind im wesentlichen nur bei solchen Übungen eingesetzt worden. Demzufolge können die Systeme nicht bei Schlachtfeldbedingungen angewandt werden, bei denen es wichtig ist, im wesentlichen die gesamte Richtung der Flugbahn eines Projektils, die Zielabweichung dieses Projektils, das ungefähre Kaliber bzw. die Masse dieses Projektils und den ungefähren Ursprung der Quelle dieses Projektils zu kennen, sowie unter Bedingungen, bei denen die Geschwindigkeit und/oder die Richtung des Projektils unbekannt sind. Alle diese Informationen sind unter Schlachtfeldbedingungen äußerst nützlich, bei denen eine unter Beschuß stehende Militäreinheit weder visuell noch durch andere menschliche Sinne die Richtung, die Zielabweichung, das Kaliber und die Quelle des feindlichen Feuers bestimmen kann.
Dies ist bei moderner Kriegsführung häufig der Fall. Beispielsweise kann sich bei einer modernen Panzerkriegsführung das Schlachtfeld über viele Kilometer erstrecken, und ein ankommendes feindliches Feuer, beispielsweise ein Granatfeuer, wird mit anderen Hintergrundskampfgeräuschen sowie mit von nicht-feindlichem Beschuß erzeugten Geräuschen verwechselt. Beispielsweise kann ein Panzerkommandeur die charakteristischen Geräusche einer feindlichen, ihr Ziel knapp verfehlenden Granate hören, im Durcheinander der Kampfgeräusche ist der Panzerkommandeur aber nicht in der Lage, weder den ungefähren Azimut noch den Höhenwinkel der Flugbahn dieser feindlichen Granate zu bestimmen. Folglich kann der Panzerkommandeur nicht feststellen, ob die Granate aus einer weiten oder einer sehr kurzen Entfernung abgefeuert wurde oder ob der Beschuß von vorne, von hinten oder von der Seite kommt, noch kann er das ungefähre Kaliber dieses Granatfeuers bestimmen. Ohne derartige Informationen kann der Panzerkommandeur beispielsweise weder schnell noch positiv auf ein solches feindliches Feuer reagieren, und die Gefahren einer vorausgehenden, ihr Ziel knapp verfehlenden Granate können mit den darauffolgenden feindlichen Granaten stark zunehmen, wodurch ein Unterdrückungsfeuer äußerst wichtig wird.
Die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik sind ferner nicht in der Lage, einen Übungsbeschuß auszuwerten, der von unbekannter Geschwindigkeit und/oder Richtung ist. Dies ist normalerweise die Situation bei einem Manöverfeuer, bei dem beispielsweise sich bewegende und umherrollende Panzer auf ein Ziel, z. B. einen veralteten Panzer, feuern.
Deshalb kann festgestellt werden, daß es ein wesentlicher Vorteil auf diesem Gebiet wäre, eine Vorrichtung und Verfahren anzugeben, um im wesentlichen die gesamte Flugbahn eines Überschallprojektils unbekannter Geschwindigkeit und Richtung, wie z. B. ein Granatenbeschuß oder auch ein Handfeuerwaffenbeschuß, zu bestimmen. Diese Flugbahn wird die ungefähre Position des Ursprungs dieses ankommenden feindlichen Feuers liefern. Wenn die Zielabweichung eines solchen ankommenden feindlichen Feuers berechnet ist, kann darüber hinaus auch die Wahrscheinlichkeit eines weiteren und starken genaueren feindlichen Beschusses bestimmt werden. Dies bietet die Möglichkeit, unmittelbar und wirksam mit einem Unterdrückungsfeuer zu reagieren. Ferner wäre es von Vorteil, derartige Vorrichtungen und derartige Verfahren anzugeben, die auch für ein Manöverfeuer geeignet sind.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Kombination zweier Hauptmerkmale. Erstens können wenigstens drei zueinander beabstandete, einen Sensor bildende Wandler, die derart positioniert sind, daß sie von der von einem Überschallprojektil erzeugten Stoßwelle getroffen werden, so konstruiert werden, daß sie in Antwort auf die Stoßwelle Signale erzeugen, die mit dem Azimut und dem Höhenwinkel eines Einheitszielvektors von jedem Sensor zum Ursprung der Stoßwelle in Beziehung stehen. Selbstverständlich hat ein Einheitsvektor, obgleich er eine Richtung hat, keine Größe (in diesem Falle Abstand). So bleibt der Abstand zwischen jedem Sensor und dem Ursprung der Stoßwelle und folglich der Flugbahn unbekannt, und diese Einheitszielvektoren könnten auf eine große Anzahl von möglichen tatsächlichen Flugbahnen zeigen.
Zweitens ist es basierend auf der Tatsache, daß jeder Einheitszielvektor unabhängig vom Azimut und vom Höhenwinkel der Flugbahn den gleichen Winkel zur Flugbahn bildet, möglich, für jeden Sensor eine Größe eines vollständigen Zielvektors zu berechnen.
Demzufolge sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen der Flugbahn eines Überschallprojektils ungekannter Geschwindigkeit und Richtung vor, wobei die Vorrichtung drei zueinander beabstandete, gegenüber Stoßwellen empfindliche Wandler umfaßt, die in der Lage sind, von einer Stoßwelle getroffen zu werden, die von einem in der Nähe der Wandler vorbeifliegenden Überschallprojektil erzeugt wurde, und in der Lage sind, in Antwort auf die Stoßwelle Signale zu erzeugen, die mit Einheitszielvektoren in Beziehung stehen, die senkrecht zu einer ankommenden Stoßwelle sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

(1) mindestens zwei zueinander beabstandete Sensoren, die jeweils mindestens drei Wandler umfassen,
(2) Mittel, um aus den Signalen den Azimut und den Höhenwinkel eines sich ab jedem Sensor erstreckenden Einheitszielvektors zu berechnen,
(3) Mittel, welche die Tatsache widerspiegeln, daß das Skalarprodukt aus dem lokalen Flugbahnvektor und den Einheitszielvektoren konstant ist, um für jeden Sensor eine Größe eines vollständigen Zielvektors zu berechnen, der sich ab jedem Sensor entlang dem entsprechenden Einheitszielvektor zur Flugbahn erstreckt, und
(4) Mittel, um aus den vollständigen Zielvektoren den Azimut und den Höhenwinkel des lokalen Flugbahnvektors des Projektils zu berechnen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Einheitszielvektoren jedes Sensors dadurch bestimmt, daß man die Zeit mißt, zu der die Stoßwelle auf jeden der Wandler in einem Sensor trifft, und diese Zeitbeziehung der drei Wandler liefert einen genauen Einheitszielvektor von dem Sensor zur Flugbahn des Projektils. Wenn die Größe für wenigstens zwei Sensoren berechnet ist, sind daher wenigstens zwei Punkte im Raum definiert, und diese zwei Punkte im Raum werden folglich den Azimut und den Höhenwinkel der lokalen Flugbahn des Projektils unter nahezu allen Umständen festlegen.
Als untergeordnete Entdeckung hat man festgestellt, daß der für diese Bestimmung am besten geeignete Teil der Stoßstörung die ansteigende Flanke (auch Stoßfront genannt) und die am besten geeignete Stoßstörung die erste von dem Sensor empfangene Stoßwelle (auch Hauptstoßwelle genannt) ist.
Als weitere nebengeordnete Entdeckung hat man festgestellt, daß, während zwei Sensoren zum Bestimmen der Flugbahn des Projektils erforderlich sind, es einige wenige Situationen gibt, in denen zwei Sensoren die Flugbahn nicht bestimmen können, und für eine größere Zuverlässigkeit bei der Bestimmung der Flugbahn eine Vielzahl von mehr als zwei Sensoren verwendet werden, wobei jeder von diesen einen gleichartigen Einheitszielvektor von jedem der Vielzahl von Sensoren zur Flugbahn des Projektils projiziert. Darüber hinaus hat man festgestellt, daß, obgleich eine Vielzahl von solchen Sensoren so angeordnet werden kann, unter gewissen Umständen besser nur ausgewählte Sensoren derselben zum Bestimmen der Flugbahn des Projektils verwendet werden, anstatt alle aus der Vielzahl der Sensoren für eine bestimmte Flugbahn zu verwenden.
Als weitere wichtige Hauptentdeckung hat man herausgefunden, daß mit der oben genannten Anordnung von Sensoren die Geschwindigkeit des Projektils bestimmt werden kann, und darüber hinaus durch Bestimmen der Zeitspanne, die beim Durchlauf der Hauptstoßwelle und der Linie der Umgebungsdichte des Projektils über die Sensoren hinweg verstreicht, die Länge des Projektils ebenfalls relativ genau berechnet werden kann. In dieser Hinsicht hat man ferner festgestellt, daß die Intensität der Hauptstoßfront, normalisiert auf die Zielabweichung, die Projektilgeschwindigkeit und die Länge des Projektils genügend Informationen liefern, so daß aus bekannten Projektileigenschaften das in Frage kommende Projektil selbst bestimmt werden kann. Bei Kenntnis des Projektils (und folglich seiner spezifischen Eigenschaften) und nach Bestimmung seiner lokalen Geschwindigkeit und der lokalen Flugbahn kann die gesamte Flugbahn berechnet werden, und dies liefert eine große Annäherung an die Position des Ursprungs dieses Projektils.
Demgemäß kann die Zielabweichung des Projektils, die Flugbahn des Projektils, die Klasse des Projektils bzw. das Projektil selbst und die ungefähre Position des Ursprungs dieses Projektils bestimmt werden. Anhand dieser ermittelten Informationen kann ein Panzerkommandeur beispielsweise ein wirksames Unterdrückungsfeuer gegen die Quelle dieses Projektils befehlen, und dies selbst unter Schlachtfeldbedingungen, bei denen die Geschwindigkeit und die Richtung des betreffenden Projektils zuvor nicht bekannt waren.
Die vorliegende Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Bestimmen der Flugbahn eines Überschallprojektils unbekannter Geschwindigkeit und Richtung aus mindestens zwei Sensoren an, die jeweils mindestens drei zueinander beabstandete, gegenüber Stoßwellen empfindliche Wandler umfassen, die in der Lage sind, von einer Stoßwelle getroffen zu werden, die von einem in der Nähe der Wandler vorbeifliegenden Überschallprojektil erzeugt wurde, und in der Lage sind, in Antwort auf die Stoßwelle Signale zu erzeugen, die mit Einheitszielvektoren in Beziehung stehen, die senkrecht zu einer ankommenden Stoßwelle sind, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt:

(1) Berechnen des Azimuts und des Höhenwinkels eines sich ab jedem Sensor erstreckenden Einheitszielvektors aus den Signalen,
(2) anhand von Gleichungen, welche die Tatsache widerspiegeln, daß das Skalarprodukt aus dem lokalen Flugbahnvektor und den Einheitszielvektoren konstant ist, Berechnen einer Größe eines vollständigen Zielvektors für jeden Sensor, wobei sich der vollständige Zielvektor ab jedem Sensor entlang dem entsprechenden Einheitszielvektor zur Flugbahn erstreckt, und
(3) Berechnen des Azimuts und des Höhenwinkels des lokalen Flugbahnvektors des Projektils aus den vollständigen Zielvektoren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung der akustischen Störungen, die von einem Überschallprojektil erzeugt werden,
2 eine schematische Darstellung großer, bekannter Störungen, die von einem Überschallprojektil erzeugt werden,
3 eine Darstellung einer Oszilloskop-Spur von Signalen, die von einem akustischen Wandler erzeugt werden, auf den eine passierende Stoßwelle auftrifft,
4A eine schematische Darstellung des Verfahrens, durch das die Flugbahn eines Projektils aus den Vektoren, die von drei zueinander beabstandeten Sensoren erzeugt werden, berechnet werden kann,
4B einen Ausschnitt eines Teils der Vektoren der 4A,
5 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Berechnen der Vektoren zur Flugbahn eines vorbeifliegenden Überschallprojektils,
6 eine Darstellung einer geeigneten Sensoranordnung,
7 eine Darstellung einer geeigneten Vorrichtungsanordnung,
8 eine schematische Darstellung eines Sonderfalls zur Berechnung, für den Fall, daß die Flugbahn eines Projektils parallel zu zwei der vorhandenen drei Sensoren ist,
9 eine idealisierte Darstellung der Signale, die von den vorhandenen Sensoren während des Auftreffens und Passierens einer Stoßwelle erzeugt werden,
10 eine schematische Darstellung einer Anordnung der vorhandenen Sensoren auf einem Militärfahrzeug, wobei ein vorbeifliegendes Projektil schematisch dargestellt ist,
11 eine zur 10 ähnliche Darstellung, bei der das Militärfahrzeug ein Helikopter ist,
12 die Verwendung der vorliegenden Sensoren in Verbindung mit einer Handfeuerwaffe, d.h. einem Gewehr,
13 eine alternative Anordnung der vorliegenden Sensoren auf einem Gewehr, und
14 die vorliegenden Sensoren, montiert auf einer tragbaren Vorrichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ehe auf die Details der Vorrichtung und des Verfahrens eingegangen wird, wird zunächst eine Erklärung der angenommenen Theorie wiedergegeben, nach der die vorliegende Erfindung funktioniert, obgleich ausdrücklich vorbehalten wird, daß die Anmelder durch diese Theorie nicht gebunden sind.
Wie dies allgemein bekannt ist, treten beim Fliegen eines Überschallprojektils durch die Atmosphäre eine Reihe von Stoßstörungen auf. Wenn das Projektil ein ballistisches Projektil mit einem Vorderabschnitt, z. B. einer Spitze oder Nase, ist, sind diese Störungen gut definiert. Die Störung aus dem Vorderabschnitt ist die Hauptstoßwelle, und die gut definierte ansteigende Flanke dieser Hauptstoßwelle wird als Hauptstoßfront bezeichnet.
Eine Stoßwelle breitet sich mit Schallgeschwindigkeit senkrecht zu dieser Stoßfront aus, wie in 1 gezeigt. Der Sinus θ des Stoßwinkels 1 ergibt sich aus der Schallgeschwindigkeit V_S geteilt durch die Projektilgeschwindigkeit V und ist: sin(θ) = VS/V. (1)
2 ist eine Darstellung einer Schlieren-Photographie eines tatsächlichen Projektils, den Stoßstörungen und dessen Nachlauf. Wie zu erkennen ist, ist eine äußerst scharfe Grenze an der Hauptstoßfront vorhanden, die von der Hauptstoßwelle gebildet wird, die von dem Vorderabschnitt, für gewöhnlich die Nase, des Projektils ausgeht. Der Beginn dieser Grenze liegt üblicherweise bei 1 bis 10 mittlerer freier Weglängen von Molekülen und ist folglich ziemlich gut definiert. Diese Stoßfront erzeugt einen sehr schnellen Druckanstieg, wie beispielsweise durch einen Sensor gemessen, wobei dieser schnelle Druckanstieg in der Größenordnung einer Sub-Nanosekunde liegt.
Die Linie, die von der Ecke der Basis des Projektils ausgeht und größtenteils parallel zur Hauptstoßfront ist, kann als Linie der Umgebungsdichte bezeichnet werden, obgleich sie in Wirklichkeit ein Kegel ist. Diese Linie stellt die Position einer Druckisobare dar, die im wesentlichen gleich dem Umgebungsluftdruck ist. Kleinere, weniger gut definierte Stoßwellen 20 entstehen entlang dem Projektil hinter der Hauptstoßfront und vor der Linie der Umgebungsdichte. Ebenso sind kleinere, hintere Stoßwellen vorhanden, die hinter der Linie der Umgebungsdichte und bis hin zur Relaxationsstoßfront austreten, wo diese Wellen in den Nachlauf 22 des Projektils zurückfallen.
Das Verhalten dieser Stoßwellen und ihrer Fronten wird aus den Darstellungen einer Oszillographen-Photographie, wie sie in 3 gezeigt ist, deutlich. Die Spur ist ein Maß des Druckes auf ein ballistisches Mikrophon aufgrund von Stoßwellen, die von einer 5,56 mm Kugel erzeugt wurden, die aus einem M-16 Gewehr abgefeuert wurde. Am Punkt A ist ein starker Druckanstieg vorhanden, der vom Umgebungsdruck auf einen hohen Anfangswert ansteigt und das Passieren der Stoßfront der Hauptstoßwelle anzeigt. Wenn die Kugel am Mikrophon vorbeifliegt, fällt der Druck am Punkt B, der die Linie der Umgebungsdichte wiedergibt, unter den Umgebungsdruck ab. Der Druck der Relaxationsstoßfront und des Nachlaufes sind am Punkt C gezeigt.
Die Geschwindigkeit der verschiedenen Stoßwellen ist eine Funktion der Dichte des Gases, in dem sich diese Wellen bewegen. Da der Druck und folglich die Dichte größer sind als der Umgebungsdruck vor der Linie der Umgebungsdichte, bewegen sich die Stoßwellen im Bereich zwischen der Linie der Umgebungsdichte und der Hauptstoßfront (vgl. 2) schneller als die Wellen aus der Hauptstoßfront und holen die Hauptstoßfront schließlich ein. Andererseits bewegen sich die Stoßwellen, die zwischen der Linie der Umgebungsdichte und der Relaxationsstoßfront austreten, durch einen niedrigeren Druck und somit eine niedrigere Dichte, und demzufolge breiten sie sich langsamer aus als Wellen aus der Hauptstoßfront und fallen deshalb am Punkt C in den Nachlaufstrom zurück.
Angesichts dieser Ausführungen hat man herausgefunden, daß die Linie der Umgebungsdichte, die von der Basis des Projektils ausgeht, ausreichend definiert ist, so daß die Projektillänge aus der Spur der 3 geschätzt werden kann. Beispielsweise zeigen chronographische Messungen, daß die Geschwindigkeit einer Testkugel ungefähr 3,150 ft./sec (96 cm/sec) betrug. Dies ergab einen Stoßkegelwinkel von sin(θ) = 1,050/3,150 oder θ = 19,5° (siehe Gleichung 1). Die Länge L_B der Kugel wird ungefähr gegeben durch: LB = VSt/sin(θ) = Vt, (2)wobei t die Zeit zwischen dem Punkt A und dem Punkt B der 3 entlang einer Linie, die senkrecht zur Hauptstoßfront der 2 ist, und V die Geschwindigkeit des Projektils ist. Da in 2 jedes Teilungsintervall 4,1 Mikrosekunden beträgt, ergibt dies eine Zeit von ungefähr 16,4 Mikrosekunden und somit eine Länge von 0,62 inch (15,75 mm). Die tatsächliche Länge der 5,56 mm Kugel betrug 0,678 inch (17,22 mm).
Es ist die Senkrechte der Ausbreitung der Stoßfront der Stoßwelle, die festlegt, welcher Teil der Stoßwelle auf einen einzelnen Sensor trifft. Anfänglich nimmt man an, daß der Teil der konischen Stoßwelle, der auf einen einzelnen Sensor trifft, als ebene Welle betrachtet werden kann, und dies ist eine berechtigte Annahme, wenn die Stoßwelle aus einem Projektil erzeugt wird, das mit angemessenem Abstand am Sensor vorbeifliegt. Bei einer Kugelflugbahn, die nur einen Fuß (30 cm) von einem drei inch (75 mm) Sensor entfernt verläuft, führt diese Annahme zu einem Fehler unter einem Grad. Dieser Fehler nimmt schnell ab, wenn die Entfernung zwischen Sensor und Kugel erhöht wird. Wenn jedoch das Projektil nahe einem Sensor vorbeifliegt und die Annahme einer ebenen Welle einen nicht akzeptierbaren Fehler einführt, kann, sobald bestimmt wurde, daß die Zielabweichung nahe einem Sensor ist, die Berechnung wiederholt werden, um den Fehler aufgrund der Form der Stoßwelle zu korrigieren.
In 4A legen die Sensoren S₁, S₂ und S₃ mit den dazwischenliegenden Vektoren D ⇀₁₂, D ⇀₂₃, und D ⇀₁₃ eine Ebene fest. Der Vektor D ⇀₁₂ gibt somit den Abstand (Größe) und die Richtung des Sensors S₂ vom Sensor S₁ an, und entsprechend geben die Vektoren D ⇀₁₃ und D ⇀₂₃ ähnliche Abstände und Richtungen an. Über dieser Ebene und mit unbekannter Ausrichtung in Bezug auf die Ebene befindet sich die Flugbahn eines Projektils unbekannter Geschwindigkeit. Der Zielvektor jedes Sensors wird von jedem Sensor bestimmt, wie dies nachstehend näher erläutert wird. Selbstverständlich hat ein Zielvektor nur eine Richtung und keine Größe (in diesem Fall Abstand) und kann daher als Einheitszielvektor bezeichnet werden. Folglich könnten diese Einheitszielvektoren eine Unmenge von unterschiedlichen drei Punkten im Raum und folglich eine Unmenge von möglichen Flugbahnen festsetzen. Ohne weitere Angaben wären diese Einheitszielvektoren somit ohne Nutzen.
Wie oben kurz erwähnt, hat man jedoch überraschenderweise festgestellt, daß jeder Einheitszielvektor den gleichen Winkel zum Ursprung der Stoßwelle (und folglich zur Flugbahn) bildet, wenn eine bestimmte Geschwindigkeit des Projektils gegeben ist. Diese Entdeckung macht es daher möglich, die Größe (Abstand) jedes Einheitszielvektors zu berechnen, so daß mit ermittelter Größe aus dem Einheitszielvektor ein vollständiger Zielvektor (Richtung und Größe) wird, wie dies in 4a mit den vollständigen Zielvektoren L ⇀₁, L ⇀₂ und L ⇀₃ gezeigt ist. Ohne diese Entdeckung wäre die Berechnung der Flugbahn unmöglich gewesen. Nachdem somit der vollständige Zielvektor bestimmt ist, wie in 4A gezeigt, wird jeder vollständige Zielvektor nur zu einem Punkt im Raum führen, und die drei Punkte im Raum, einer von jedem vollständigen Zielvektor, legen die tatsächliche Flugbahn der Projektils für nahezu alle Fälle vollständig fest.
Der Vektor d wird als lokaler Flugbahneinheitsvektor definiert. Der Vektor d ⇀₁₂ (vgl. 4B) bezeichnet den Abstand und die Richtung ab der Spitze von L ⇀₁ zur Spitze von L ⇀₂ entlang der Projektilflugbahn, und entsprechend wird es Vektoren d ⇀₂₃ und d ⇀₁₃ geben, die parallel zu ±d ^ sind, wie in 4A gezeigt. Die Vektoren d ⇀₁₂, d ⇀₂₃ und d ⇀₁₃ sind jeweils zu ±d ^ parallel, wobei d die lokale Flugbahn ist.
Die erste Schlüsselbeobachtung ist, daß das Skalarprodukt aus dem Flugbahnvektor d und den Einheitszielvektoren einfach cos(Φ) ergibt, wobei Φ = θ + 90° (θ ist der Stoßkegelwinkel). Für den Fall, daß die Einheitszielvektoren mit I ^₁, I ^₂ und I ^₃ bezeichnet sind, gilt deshalb: d ^·I ^1 = d ^ I ^2 = d ^·I ^3 (4.3) und da cos(Φ) = sin(θ) (4.4)sind diese Skalarprodukte dann einfach gleich V_S/V. Indem man 4B entnimmt, daß d ⇀12 = –L ⇀1 + D ⇀12 + L ⇀2, (4.5)und entsprechend folgt, daß d ⇀13 = –L ⇀1 + D ⇀13 + L ⇀3, (4.6)und d ⇀23 = –L ⇀2 + D ⇀23 + L ⇀3 (4.7)kann die Gleichung 4.3 verwendet werden, um d ⇀12·(I ^1 – I ^2) = 0 (4.8) d ⇀13·(I ^1 – I ^3) = 0 (4.9) d ⇀23·(I ^2 – I ^3) = 0 (4.10)zu bilden.
Substituiert man die Gleichungen 4.5 bis 4.7 in die Gleichungen 4.8 bis 4.10 und führt man die Skalarprodukt-Verteilung aus, erhält man: –|L ⇀1| + D ⇀12·I ^1 + |L ⇀2| I ^1·I ^2 + |L ⇀1| I ^1·I ^2 – D ⇀12·I ^2 – |L ⇀2| = 0 (4.11) –|L ⇀1| + D ⇀13·I ^1 + |L ⇀3| I ^1·I ^3 + |L ⇀1| I ^1·I ^3 – D ⇀13·I ^3 – |L ⇀3| = 0 (4.12) –|L ⇀2| + D ⇀23·I ^2 + |L ⇀3| I ^2·I ^3 + |L ⇀2| I ^2·I ^3 – D ⇀23·I ^3 – |L ⇀3| = 0 (4.13)oder durch Umstellen –(|L ⇀1| + |L ⇀2|) + (|L ⇀1| + |L ⇀2|) I ^1·I ^2 + D ⇀12·(I ^1 – I ^2) = 0 (4.14) –(|L ⇀1| + |L ⇀3|) + (|L ⇀1| + |L ⇀3|) I ^1·I ^3 + D ⇀13·(I ^1 – I ^3) = 0 (4.1 5) –(|L ⇀2| + |L ⇀3|) + (|L ⇀2| + |L ⇀3|) I ^2·I ^3 + D ⇀23·(I ^2 – I ^3) = 0 (4.16)
Durch weitere einfache Umformungen, wird der folgende Satz von Gleichungen hergeleitet: |L ⇀1| + |L ⇀2| = D ⇀12·(I ^1 – I ^2)/(1 – I ^1·I ^2) = K12 (4.17) |L ⇀1| + |L ⇀3| = D ⇀13·(I ^1 – I ^3)/(1 – I ^1·I ^3) = K13 (4.18) |L ⇀2| + |L ⇀3| = D ⇀23·(I ^2 – I ^3)/(1 – I ^2·I ^3) = K23, (4.19)wobei K eine Konstante ist.
Die mittleren Ausdrücke in den Gleichungen 4.17 bis 4.19 umfassen Größen, die aus den Azimut- und Höhenwinkeln der Einheitszielvektoren von jedem Sensor zur Flugbahn berechnet werden, sowie aus bekannten Standorten der Sensoren. Sobald die Sensoren ein "Ziel" ausmachen, sind die K-Konstanten K₁₂, K₁₃ und K₂₃ fest. Dann ist es ein einfacher Schritt nach den Größen L ⇀₁, L ⇀₂ und L ⇀₃ mittels der K-Konstanten aufzulösen. |L ⇀1| = (K12 + K13 – K23)/2 (4.20) |L ⇀1| = (K12 + K23 – K13)/2 (4.21) |L ⇀1| = (K13 + K23 – K12)/2. (4.22)
Mit diesen Gleichungen gelang es, die Größe und die Richtung der Einheitszielvektoren zu bestimmen, und sie führen zu den vollständigen Zielvektoren L ⇀₁, L ⇀₂ und L ⇀₃. Die Einheitszielvektoren I ^₁, I ^₂ und I ^₃ werden aus den Azimut- und den Höhenwinkeln bestimmt, die aus den Signalen jedes Sensors berechnet werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß nur zwei dieser L ⇀-Vektoren notwendig sind, um die lokale Flugbahn in den meisten Fällen auszumachen, drei werden jedoch die Flugbahn in nahezu allen Fällen liefern. Ferner wird angemerkt, daß diese Flugbahn kollinear mit dem Einheitsvektor d ^ ist. Dies bedeutet, daß die Skalarprodukte der Gleichung 4.3 konstruiert werden können und somit kann die Größe V_S/V abgeleitet werden. Wenn eine Annahme der Schallgeschwindigkeit gemacht oder diese gemessen werden kann, dann kann die Geschwindigkeit des Projektils berechnet werden.
Wie oben veranschaulicht, kann im Falle von wenigstens drei Sensoren, die jeweils in der Lage sind, ein Signal zu erzeugen, das mit dem Azimut und dem Höhenwinkel des Einheitszielvektors in Beziehung steht, und folglich in der Lage sind, den Azimut- und den Höhenwinkel zur Senkrechten einer ankommenden Stoßwelle zu bestim men, eine Lösung für die Flugbahn und die Projektilgeschwindigkeit gefunden werden.
In einem Beispiel einer praktischen Anwendung des vorstehenden und als bevorzugtes Ausführungsbeispiel können die erforderlichen Signale erzeugt werden, indem drei druckempfindliche Wandler (drei derartige Wandler bilden einen einzigen Sensor) an den Spitzen eines Dreiecks, d.h. eines gleichseitigen Dreiecks, angeordnet werden. Diese Signale ermöglichen Messungen, einschließlich des Zeitunterschiedes (t_F), der zwischen dem Auftreffen der Stoßfront auf den ersten der Wandler und dem Zeitpunkt des Auftreffens auf den zweiten der Wandler vorhanden ist, des Zeitunterschiedes (t_L) zwischen dem zuerst getroffenen Wandler und dem zuletzt getroffenen Wandler, der Identifizierung des zuerst getroffenen Wandlers und der Identifizierung des als zweiten getroffenen Wandlers.
Der Ursprung wird am Wandler 3 festgelegt, wie in 5 gezeigt. Es wird angenommen, daß die ebene Stoßwelle den Wandler 1 zuerst trifft, den Wandler 2 an zweiter Stelle und den Wandler 3 an dritter Stelle. Eine Veränderung dieser Reihenfolge wird eine Drehung der Koordinaten erfordern, damit die Azimut- und die Höhenwinkel in den richtigen Quadranten zeigen. Wenn die Geometrie genau zu dem Zeitpunkt des Auftreffens der ebenen Welle auf den Wandler 1 "eingefroren" wird, impliziert die Zeit t_F, daß die ebene Welle einen Abstand S₂ = t_fV_S vom Wandler 2 und einen Abstand S₃ = t_LV_S vom Wandler 3 hat. Dies kann erreicht werden, indem man die x, y und z-Koordinaten am Schnittpunkt der Linie S₃ mit der ankommenden ebenen Welle bestimmt, wie in 5 gezeigt.
Da die Wandler in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind, führt eine Ableitung dieses Ausführungsbeispiels zu folgenden Ergebnissen: x = s3(s2 – s3)/S (4.31) y = –(s2s3 + s3 2)/(S(3)½) (4.32) z = [(s3 2(S2 – (s3 – s2)2)/S2 – y2]½, (4.33)wobei S der Abstand zwischen jedem der Wandler ist. Selbstverständlich wird bei einer anderen Anordnung als einem gleichseitigen Dreieck S für die x-, y- und z-Koordinaten nicht gleich sein.
Der Azimutwinkel Φ und der Höhenwinkel Ψ des senkrechten Vektors zur ankommenden ebenen Welle ergeben sich dann aus: Φ = tan–1(y/x) (4.34) Ψ = tan–1(z/(x2 + y2)½). (4.35)
Aus dem vorstehenden ist auch eine Projektilidentifizierung, z. B. wenigstens das ungefähre Kaliber, möglich. Wie oben beschrieben, ergeben die ersten Lösungen der Gleichungen die lokale Flugbahn und die Geschwindigkeit des Projektils, d.h. mit den Vektoren, die in Verbindung mit 4A und 4B beschrieben sind. Wie ebenfalls oben erläutert, kann die Projektillänge bestimmt werden, z. B. die oben erörterte 5,56 mm Kugel. Die Größe des Beginns des Stoßwelle, wenn sie auf die Zielabweichung normalisiert ist, steht in Beziehung zur Masse. Diese drei Informationen, d.h. die normalisierte Größe, die Geschwindigkeit und die Projektillänge reichen aus, um eine Identifizierung des Projektils zu ermöglichen, zumindest innerhalb einer begrenzten Klasse von Möglichkeiten.
In dieser Hinsicht sind die Abmessungen, die Flugdynamik und die Wellenerzeugung der meisten Militärprojektile, die in der ganzen Welt hergestellt werden, bekannt oder können bestimmt werden. Wenn die Projektillänge bestimmt ist, fällt das Projektil in eine definierte Klasse. Die Größe des Beginns der Hauptstoßwelle, die mit der Hauptstoßfrontgröße in Beziehung steht, definiert die Masse des Projektils, und das Projektil fällt in eine Unterklasse dieser Klasse. Daraufhin klassifiziert die Geschwindigkeit das Projektil auf ein bestimmtes Projektil oder zumindest in eine Unterklasse von Projektilen. Beispielsweise können anhand der ermittelten Projektillänge Unterscheidungen zwischen Patronen aus Handfeuerwaffen und Patronen größeren Kalibers getroffen werden, und beispielsweise können die Patronen größerer Kaliber in eine definierte Gruppe oder Klasse solcher Patronen mit dieser ungefähren Länge eingeordnet werden. Die Größe des Beginns der Stoßwelle bezieht sich auf die Masse des Projektils und bestimmt zusammen mit der Länge des Projektils das ungefähre Kaliber. Die Länge und das Kaliber legen eine begrenztere Gruppe oder Unterklasse von Projektilen fest. Die Geschwindigkeit definiert eine begrenztere Gruppe von Projektilen weiter und kann ausreichen, um zusammen mit der Länge und dem Kaliber ein spezifisches Projektil zu identifizieren.
Wie nachstehend erläutert, ist eine solche Identifizierung nicht nur bei der Bestimmung der gesamten Flugbahn von Nutzen, sondern hat den größten Nutzen bei der Unterscheidung zwischen feindlichem und nicht-feindlichem Feuer, um so Unfälle auf dem Schlachtfeld zu vermeiden, bei denen ein nicht-feindliches Feuer auf nicht-feindliche Militäreinheiten gerichtet wird.
Nachdem das Projektil identifiziert ist, können anhand von bekannten Daten und von ermittelten Daten der Widerstandsbeiwert und die exakte Masse des Projektils ermittelt werden. Diese beide Informationen liefern ausreichend Daten, um die Flugbahn des Projektils auf dessen Ursprungspunkt zurückzurechnen (wobei die Zielabweichung des Projektils berücksichtigt wird). Dies kann mittels Standardalgorithmen für die Feuerleitung erfolgen. Andere Umgebungsinformationen, wie z. B. Temperatur oder Windabdrift, können verwendet werden, um diese Berechnung noch genauer zu machen, falls dies gewünscht wird. Selbst wenn man keine positive Identifizierung des spezifischen Projektils erreichen kann, kann die Klassenidentifizierung schließlich einen allgemeinen Widerstandsbeiwert liefern, der bei der Berechnung des Ursprungs nur zu kleinen Fehlern führen wird.
Ein typisches spezifisches Ausführungsbeispiel des bevorzugten Sensors ist in 6 gezeigt, jedoch kann der Sensor jede gewünschte Konfiguration haben, die mit den Anforderungen vereinbar ist, wie sie oben beschrieben und nachstehend noch genauer erläutert werden. In dem in 6 gezeigten Beispiel ist jeder Wandler 60, 61, 62 (in 6 sind drei gezeigt) auf einem Träger 63 (nachstehend noch genauer erläutert) angebracht. Die Wandler können jede Art von akustischem Wandler sein, der in der Lage ist, in Antwort auf einen von der auf den Wandler treffenden Druckwelle erzeugten Druck auf den Wandler ein Signal zu erzeugen. Die Wandler können ein Lichtsignal, ein akustische Tonsignal, ein elektrisches Signal oder andere Signale erzeugen, jedoch sind im Handel erhältliche piezoelektrische Kristalle in dieser Hinsicht ziemlich gut geeignet. Die in 6 gezeigten Wandler sind beispielsweise solche piezoelektrischen Kristalle, die von Electro-Ceramics hergestellt werden und eine Dicke von 0,125 inch (3,17 mm) und einen Durchmesser von 1 inch (25,4 mm) haben, obgleich jede andere gewünschte Konfigurationen derselben verwendet werden kann. Ein Draht 64 wird an jede Seite der Kristalle gelötet, nachdem die Oberfläche des Kristalls mit einem Schleifmaterial behandelt wurde, wie z. B. Scotch Brite. Die Polarität jedes Kristalls wird vermerkt, so daß jeder Eingang zum Kristall die gleiche der (nachstehend erläuterten) Detektionselektronik übermittelte Polarität hat. Während der Kompression des Kristalls durch die Druckwelle wird ein positives Spannungsausgangssignal erzeugt. Die Kristalle können mit einem Klebstoff, wie z. B. ein Klebstoff auf Silikonbasis, auf den Träger 63 geklebt werden, und vorzugsweise ist der Träger ein herkömmliches stoßdämpfendes Material, z. B. Isodamp. Dieses Material hat akustische Dämpfungseigenschaften, die, wie dies nachstehend genauer erläutert wird, von Nutzen sind. Jeder der Wandlerkristalle ist aus den im Zusammenhang mit 4A und 4B erläuterten Gründen auf diesem Träger 63 mit bekannter Geometrie angebracht, z. B. in einem gleichseitigen Dreieck mit Schenkellängen von 3 inch (76.2 mm), obgleich eine beliebige bekannte Geometrie und ein beliebiger Abstand zwischen den Kristallen verwendet werden kann. Das gleichseitige Dreieck vereinfacht jedoch die oben erläuterten Berechnungen und ist aus diesem Grunde das bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Die sechs Drähte 64, zwei aus jedem der drei Wandler 60, 61, 62, werden an einem Datensammelmodul, wie es in 7 gezeigt ist, angeschlossen, wobei für jeden Wandler ein Datensammelmodul vorgesehen ist. Diese Module bestimmen, welcher Wandler als erster von einer Hauptstoßwelle getroffen wird, bevorzugterweise von der Hauptstoßfront, welcher Wandler als zweiter von dieser Stoßwelle getroffen wird und wieviel Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Auftreffen verstrichen ist, sowie die Zeit zwischen dem ersten Auftreffen und dem letzten Auftreffen. Diese Informationen werden in einen Rechner eingegeben, um die erforderlichen Berechnungen, wie oben beschrieben, mittels beliebiger herkömmlicher Vorrichtungen durchzuführen, wie z. B. von einem Multiplexer mit parallelem Anschluß zu einem Parallel-Seriell-Adapter, mit dazugehöriger erforderlicher Stromversorgung, wie dies ebenfalls in 7 gezeigt ist. Beispielsweise kann diese Anordnung zwölf 8-bit parallele Eingangsanschlüsse unterbringen und jeden wiederum zu einem einzelnen 8-bit parallelen Ausgangsanschluß schalten. Das Ausgangssignal wird durch einen Parallel-Seriell-Adapter hindurch dem Rechner zugeführt. Mit Ausnahme der Sensoren sind alle Bestandteile dieser Anordnung im Handel erhältlich und auf diesem Gebiet allgemein bekannt. Folglich ist eine weitere Beschreibung derselben nicht erforderlich.
Sobald die Daten in dem Rechner sind, werden sie in den oben beschriebenen Berechnungen eingesetzt, um diese Daten in die Azimut- und Höhenwinkelinformationen für jeden Wandler eines Sensors umzuwandeln. Wie oben beschrieben, werden darüber hinaus mindestens drei Sensoren vorhanden sein, und eine der oben beschriebenen ähnliche Anordnung wird für jeden Sensor verwendet. Der Rechner entnimmt die Daten aus jedem Sensor und führt die oben beschriebenen mathematischen Berechnungen für den Azimut und den Höhenwinkel des vollständigen Zielvektors durch, der von jedem Sensor erzeugt wird. Bei der in 6 gezeigten Anordnung wird der Ursprung des Vektors beispielsweise der zentrale Punkt 66 der drei Wandler sein, wobei sich der vollständige Zielvektor der Wandler zur Projektilflugbahn erstreckt, wie dies in 4 gezeigt ist. Deshalb erhält man durch diese Berechnung die Position, den Azimut und den Höhenwinkel der lokalen Flugbahn des Projektils in der Nähe der Sensoren, sowie die Geschwindigkeit des Projektils.
Auch wenn vorstehend ein nützliches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wurde, können andere Mittel zum Messen des Zeitpunktes, zu dem die Stoßwelle auf jeden Wandler der wenigstens drei Sensoren trifft, verwendet werden, und es ist nur erforderlich, daß irgendein Mittel vorgesehen ist, um den Zeitpunkt zu messen, zu dem die Stoßwelle auf jeden der Wandler der Sensoren trifft, da es ganz offensichtlich nicht das spezielle Mittel, sondern die Messung des Zeitpunktes durch diese Mittel ist, die für die Erfindung von Bedeutung sind.
Ebenso kann jedes beliebige Mittel verwendet werden, um aus dem gemessenen Zeitpunkt den Azimut und den Höhenwinkel der Flugbahn des Projektils zu berechnen. Obgleich die in 7 gezeigte Anordnung äußerst zufriedenstellend und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist, können andere Anordnungen zum Durchführen der Berechnungen verwendet werden.
Obgleich zur Berechnung des Azimuts und des Höhenwinkels des Projektilflugbahn ein Rechner eingesetzt wird, können diese Berechnungen ebenso mittels gewöhnlicher mathematischer Lösungsansätze durchgeführt werden, obgleich dies bei den meisten Anwendungen und insbesondere bei Schlachtfeldbedingungen zu langsam wäre. Demzufolge wird üblicherweise ein Rechner für diese Berechnungen eingesetzt werden.
Ferner wird darauf hingewiesen, daß gerade unter Schlachtfeldbedingungen eine große Anzahl von akustischen Wellen vorhanden sein kann. Daher ist es wichtig, daß die Vorrichtung in der Lage ist, zwischen Hintergrundkampfgeräuschen, die andere akustische Wellen erzeugen, und den Stoßwellen zu unterscheiden, die von einem vorbeifliegenden Projektil von Interesse erzeugt werden. So müssen die Sensoren gegenüber einer Stoßwelle empfindlich sein, die von einem vorbeifliegenden Projektil ausgeht, und da einige Informationen, wie oben beschrieben, aus der Linie der Umgebungsdichte erhalten werden, sollten die Sensoren gegenüber der Linie der Umgebungsdichte empfindlich sein, um Mittel zum Berechnen der Länge des Projektils bereitzustellen. Andererseits müssen die Sensoren und/oder die dazugehörige Vorrichtung zwischen den Stoßwellen eines vorbeifliegenden Projektils und Hintergrundkampfgeräuschen unterscheiden.
Um eine solche Empfindlichkeit hervorzurufen, stehen herkömmliche Mittel zur Verfügung. Beispielsweise können entweder die Wandler oder das Datensammelmodul oder der Rechner so ausgebildet sein, daß von den Wandlern erzeugte Signale nur von dem Rechner angenommen werden, wenn diese Signale eine Anstiegszeit haben, die mit einer Stoßfront eines vorbeifliegenden Projektils übereinstimmt, z. B. im Sub-Nanosekundenbereich, im Gegensatz zu den viel längeren Anstiegszeiten von Hintergrundkampfgeräuschen. Alternativ dazu kann ein getrennter Sensor, der gegenüber einer Stoßfront eines vorbeifliegenden Projektils empfindlich und gegenüber unklaren Hintergrundskampfgeräuschen unempfindlich ist, als Gate verwendet werden, um die Übertragung von Signalen von den Sensoren zu dem Rechner herzustellen oder zu unterbrechen.
Wie aus dem vorstehenden deutlich wird und im direkten Gegensatz zu dem hier unter HINTERGRUND DER ERFINDUNG erörterten Stand der Technik, sollte ein "Übersprechen" zwischen den Wandlern eines Sensors oder zwischen Sensoren so gering wie möglich sein. Im Gegensatz zum Stand der Technik sollten somit die vorliegenden Wandler/Sensoren voneinander im wesentlichen akustisch isoliert werden. Wie in 6 gezeigt und in Verbindung mit derselben erörtert, ist der Träger für die Wandler ein Material zur akustischen Dämpfung, wie z. B. herkömmliches Isodamp. Wenn der Träger beispielsweise auf einem Panzer befestigt ist, wird das Material zur akustischen Dämpfung den Satz aus drei Wandlern zueinander und zum Panzer selbst hin isolieren. Andernfalls könnte ein "Übersprechen" zwischen Wandlern oder Sensoren nicht nur eine akustische Stoßenergie liefern, die nicht von einer ankommenden Stoßwelle stammt, sondern könnte den Druckanstieg an einem Wandler auch so undeutlich machen, daß eine Unterscheidung zwischen der Stoßwelle und einem Kampfgeräusch im Hintergrund unmöglich würde.
Wie in 8 gezeigt, sind wenigstens drei Sensoren 80, 81 und 82, beispielsweise angeordnet in einer gemeinsamen Sensorebene, erforderlich, um wenigstens drei vollständige Zielvektoren 83, 84 und 85 zur Flugbahn 86 des Projektils 87 zu erzeugen, wobei das Projektil 87 die Stoßwelle 88 erzeugt. Obgleich, wie in 8 gezeigt, die Chancen gering sind, ist es möglich, daß das Projektil zwei Sensoren auf einer Flugbahn passiert, die parallel zur Linie der beiden Sensoren ist. In einem solchen Fall wird die oben genannte Lösung für die Flugbahn nicht möglich sein. Zur Veranschaulichung in der oben genannten mathematischen Analyse wird angenommen, daß
·
= 1 ist. Dies bedeutet, daß nur I ^₂ und I ^₃ parallel und gleich sind, d.h. die Sensoren 81 und 82 liegen in der gleichen Ebene wie die Flugbahn, der Sensor 80 jedoch befindet sich nicht in dieser Ebene. Die oben genannte Gleichung 4.19 wird dann nutzlos, wobei zwei Gleichungen in zwei Unbekannten zurückbleiben. Jedoch kann unter Verwendung der Informationen über den Unterschied zwischen den Anfangszeiten des Auftreffens (Δt₁₂) auf die Wandler 81 und 82 die folgende Beziehung hergestellt werden: Δt12 = |L ⇀2|/VS + |d ^12|/V – |L ⇀1|/VS (4.23) oder wenn man bedenkt, daß d ^·I ^₁ = v_s/v, kann man wie folgt umstellen |d ⇀12| VS/V = VS Δt12 + |L ⇀1| – |L ⇀2| = d ⇀12·I ^1. (4.24)
Die Übereinkunft, daß für den Fall, daß das Signal früher am Sensor 81 als am Sensor 82 ankommt, dann Δt₁₃ positiv ist, wurde übernommen. Der Einheitsvektor I ^₁ wird in die Gleichung 4.5 hineinmultipliziert: d ⇀12·I ^1 = –L ⇀1·I ^1 + D ⇀12·I ^1 + L ⇀2·I ^1. (4.25)
Gleichsetzen der Gleichungen 4.25 und 4.26 und Ausmultiplizieren der Skalarprodukte: –|L ⇀1| + D ⇀12·I ^1 + L ⇀2(I ^1·I ^2) = VS Δt12 + |L ⇀1| – |L ⇀2|, (4.26)oder Umstellen der Ausdrücke, 2|L ⇀1| = D ⇀12·I ^1 + L ⇀2(1 + I ^1·I ^2) – VS Δt12. (4.27)
Verwendet man |L ⇀₁| = –|L ⇀₂| + K₁₂ aus Gleichung 4.17, setzt man es in die Gleichung 4.27 ein, und löst diese nach |L ⇀₂| auf |L ⇀2| = [2K12 – D ⇀12·I ^1(1 – I ^1·I ^2) – VS Δt12]/(3 – I ^1·I ^2). (4.28)
Verwendet man erneut die Gleichung 4.17 und die Gleichung 4.18, |L ⇀1| = K12 – |L ⇀2| (4.29) |L ⇀3| = K13 – |L ⇀1|. (4.30)
Wie zuvor, werden die Größen für die vollständigen Zielvektoren nun anhand der Gleichungen 4.28 bis 4.30 berechnet, und die Einheitsrichtungen dieser Vektoren sind die Sensorausgangssignale. Dieser lösbare Entartungsfall liefert die bedeutende Implikation, daß drei Sensoren die Lösungen für die Flugbahn und die Geschwindigkeit in allen Fällen liefern können, außer für den Fall, daß das Projektil sich in der Ebene aller drei Sensoren und außerhalb des Bereiches befindet, der von den drei Sensoren begrenzt wird (ein äußerst unwahrscheinliches Vorkommnis). Ferner ergibt sich daraus, daß ein System aus vier Sensoren, die nicht koplanar angeordnet sind, eine Lösung in allen Fällen bieten kann, indem drei Sensoren verwendet werden, von denen mindestens einer nicht in der Ebene der Flugbahn liegt.
Auch wird darauf hingewiesen, daß das Anordnen von drei Sensoren in einer Ebene nicht bei allen Militäranwendungen zweckmäßig sein kann, und darüber hinaus die Militäranwendung derart sein kann, daß die Stoßwelle eines Projektils, das nahe einem Teil einer Militärausrüstung vorbeifliegt, irgendwie einem oder mehreren der Sensoren durch eine Vorrichtung auf der Militärausrüstung verborgen bleiben kann, wie z. B. durch den Geschützturm eines Panzers und dergleichen. Aus diesem Grunde werden bei solchen Anwendungen eine Vielzahl von mehr als drei Sensoren vorgesehen, sowie Mittel, um aus der Vielzahl von Sensoren mindestens drei auszuwählen, um den Azimut und den Höhenwinkel der Flugbahn zu berechnen. Beispielsweise kann der Rechner in den Fällen, in denen eine Vielzahl von Sensoren verwendet wird, während die Daten in jedem Datensammelmodul (vgl. 7) für jeden der Wandler und/oder Sensoren gesammelt werden, die Berechnung aus nur drei ausgewählten Sensoren durchführen. Diese Auswahl wird vom Rechner im Hinblick auf die Klarheit oder die Anstiegszeit des Signals getroffen werden, das von den Wandlern und/oder Sensoren erzeugt wird, oder von anderen ähnlichen Diskriminierungsmitteln.
Wie in 9, einer idealisierten Darstellung, gezeigt, kann das Diskriminierungsmittel jedes Signal zurückweisen, das keine erste Stoßwelle hat, die in weniger als einer Sub-Nanosekunde auf einen Peak ansteigt, wie bei Zeiteinheit 1 gezeigt (eine willkürliche Einheit, die rein zur Veranschaulichung gezeigt ist). Da alle Militärprojektile eine Länge innerhalb gewisser definierter Längen haben werden, wird auch ein Signal, das keinen Druckanstieg von und Druckabfall zu der Linie der Umgebungsdichte innerhalb einer vorgegebenen Zeit (willkürliche Einheiten 1 bis 2,5 in 9) haben wird, zurückgewiesen werden. Da jedes Projektil einen Nachlauf haben wird, wird auch jedes Signal, das nicht unter die Linie der Umgebungsdichte abfällt und daraufhin über die Linie der Umgebungsdichte ansteigt, zurückgewiesen werden. Andere Kriterien könnten eingeführt werden.
So wird der Rechner alle Sensoren prüfen und Signale für Berechnungszwecke zurückweisen, die diese festgelegten Kriterien nicht erfüllen. Ausgehend den Sensoren, die die Kriterien erfüllen, kann ein zweiter, dritter oder weiterer Satz von Kriterien entsprechend den oben genannten Richtlinien die zu Berechnungszwecken akzeptierten Signale auf nur drei oder vier oder so Sensoren einschränken, z. B. kann ein solches weiteres Einschränken stattfinden, bis nur drei Sensorsignale zu Berechnungszwecken akzeptiert sind.
Aus dem Vorstehenden geht ebenso hervor, daß das von den Sensoren übertragene Signal jedes beliebige Signal sein kann, das proportional zum Druckanstieg der Stoßwelle ist, z. B. ein Tonsignal, ein Lichsignal, ein elektrisches Signal, usw. Ähnlich dazu ist der Sensor ein solcher Sensor, der ein derartiges proportionales Signal erzeugt. Elektrische Signale sind jedoch besser geeignet und werden bevorzugt verwendet.
Wie oben angemerkt, hat in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Sensoren jeder Sensor drei zueinander beabstandete, vorzugsweise koplanare Wandler. Wie dem vorstehenden entnommen werden kann, kann der Sensor jedoch jede gewünschte Form annehmen, solange der Sensor den erforderlichen Einheitszielvektor oder Signale erzeugen wird, aus denen der Einheitszielvektor berechnet werden kann. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Wandlern auf einer Oberfläche einer Halbkugel angebracht werden, wobei die Mitte der Halbkugel der Ursprung des Einheitszielvektors ist. Indem man feststellt, welcher Wandler zuerst von einer Stoßwelle getroffen wird, liefert die Position dieses zuerst getroffenen Wandlers zum Ursprung den Einheitszielvektor. Alternativ dazu können Kristalle, die intern einen Einheitszielvektor erzeugen, oder andere ähnliche Sensoren verwendet werden.
Abhängig von der Militäranwendung können die Sensoren mit geringem Abstand oder mit größerem Abstand zueinander angeordnet werden. Bei tragbaren Einheiten, wie sie auf einem Gewehr eingesetzt werden könnten, müssen die Sensoren beispielsweise einen Abstand von wenigstens 1 cm zueinander haben, im allgemeinen wird aber bevorzugt, daß die Sensoren wenigstens einen Abstand von 3 cm zueinander haben, und bei den meisten Anwendungen wird bevorzugt, daß die Sensoren einen Abstand von wenigstens 100 cm zueinander haben, oder alternativ dazu die ausgewählten Sensoren, für den Fall, daß eine Vielzahl von mehr als drei Sensoren verwendet wird, wenigstens einen Abstand von 100 cm zueinander haben. Im Falle einer zentralen Schlachtfeld-Erfassungseinheit können die Sensoren wenigstens einen Abstand von 200 cm zueinander haben und sogar bis hin zu einem Abstand von 30 Metern.
Als Beispiele für die vorstehenden Ausführungen zeigt 10 eine Anwendung der Erfindung, bei der die Sensoren auf einem Panzer angebracht sind und eine Vielzahl solcher Sensoren um diesen Panzer herum angeordnet sind. Mit einer solchen Anordnung einer Vielzahl von derartigen Sensoren, kann man feststellen, daß wenigstens drei Sensoren in einer Position sein werden, um die Zeit und die Zeitspannen der Stoßwelle genau zu bestimmen, ganz gleich in welchem Winkel oder in welcher Ausrichtung das Projektil am Panzer vorbeifliegt. Aus der Vielzahl von Sensoren werden, je nach gewähltem Kriterium, wie oben erörtert, drei oder mehr der Sensoren ausgewählt, um den Azimut und den Höhenwinkel der Flugbahn des vorbeifliegenden Projektils zu berechnen. Durch Ausführen der oben beschriebenen Berechnungen kann ein Panzerkommandeur mit einem Unterdrückungsfeuer antworten. Darüber hinaus werden diese Berechnungen dem Panzerkommandeur ermöglichen, eine Erfassungsausrüstung, z. B. IR-Detektoren (die ein enges Sichtfeld haben) auf das ankommende Feuer hin zu richten und die Position beispielsweise eines feindlichen Panzers zu erfassen.
In 11 ist eine andere Militärausrüstung gezeigt, bei der drei Sensoren auf der Heckstrebe eines Helikopters angebracht sind. Diese Heckstrebe ist in der Lage, die Flugbahn eines Projektils im wesentlichen genau zu bestimmen, ganz gleich in welchem Winkel oder in welcher Ausrichtung das Projektil an den Sensoren vorbeifliegt.
Die 12 zeigt drei Sensoren 120, 121 und 122, die auf einem Gewehr angebracht sind, zusammen mit der geeigneten Datenverarbeitungseinheit 123, die als Akustiksignal-Verarbeitungseinheit (ASPU) bezeichnet wird. Einer der Sensoren ist auf dem Lauf 124 des Gewehrs angebracht, während zwei Sensoren auf einfahrbaren Sensorarmen 125 und 126 angebracht sind. Dies stellt Sensoren zum Bestimmen der Richtung von Projektilen bereit, wie z. B. bei einem Handfeuerwaffenbeschuß, der aus einer unbekannten Richtung kommen kann.
In 13 ist ein akzeptables, wenngleich gegenüber 12 weniger wünschenswertes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem alle drei Sensoren 130, 131 und 132 auf einem Lauf 133 des Gewehrs angebracht sind. Wenn ein Projektil entlang der Reihe von Sensoren oder sehr nahe zu dieser Reihe von Sensoren vorbeifliegt, dann wird die vorliegende Berechnung durch die Datenverarbeitungseinheit 134 (ASPU) nicht möglich sein.
14 zeigt eine weitere Anwendung, bei der eine tragbare Einheit mit Sensoren 140, 141 und 142 derart versehen ist, daß beispielsweise ein Gruppenführer die Richtung eines ankommenden Beschusses bestimmen kann.
Die Montagestruktur der Sensoren wird von der speziellen Militärausrüstung abhängen, auf der die Sensoren plaziert werden, wobei zweckmäßige Anwendungen beim Plazieren solcher Sensoren berücksichtigt werden. Wenn die Sensoren auf einem motorisierten Fahrzeug angebracht werden, wie z. B. der in 10 gezeigte Panzer, sollten die Sensoren auf der Fahrzeugoberfläche angebracht und von einem vom Fahrzeug erzeugten Lärm physikalisch isoliert werden, wobei dazu Standard-Stoßisolierungsverfahren und -materialien mit hoher Hysterese verwendet werden. Ein Kabelbaum (nicht gezeigt) wird in das Panzerfahrzeug an einer geschützteren Stelle des Panzers eindringen, und die von den Sensoren erzeugten Signale an eine in 10 nicht gezeigte Akustiksignal-Verarbeitungseinheit (ASPU für Acoustic Signal Processing Unit) übertragen. Die ASPU enthält die erforderlichen üblichen Zeitschaltungen, Diskriminierungsschaltungen und Computeralgorithmen, um die Projektilgeschwindigkeit, die Zielabweichung und den Ursprungsort des Projektils, wie oben beschrieben, zu bestimmen. Diese ASPU wird auch die ballistische Datenbank über übliche nicht-feindliche und feindliche Projektile enthalten, um die durch die vorliegende Erfindung gewonnenen Informationen mit diesen Projektilen zu vergleichen, wie dies oben erläutert wurde.
Die in den 12 und 13 gezeigten ASPUs können die gleiche oder gekürzte Versionen einer ASPU sein, die auf einem Panzer angebracht wird. Beispielsweise können die ASPUs der 12 und 13 einfach solche sein, die den Azimut und den Höhenwinkel der Projektilflugbahn anzeigen und möglicherweise ein bloßes Anzeichen dafür liefern, ob das Projektil aus einem Granaten- oder einem Handfeuerwaffenbeschuß stammt.
So gibt die vorliegende Erfindung ein sehr genaues und leicht erreichtes Mittel und Verfahren zum Bestimmen der Flugbahn eines Projektils an. Die Vorrichtung besteht aus Bestandteilen, die im Handel erhältlich sind und kann, wie oben erläutert, zu einer großen Vielzahl von Konfigurationen für einen großen Bereich von Anwendungen zusammengebaut werden. Die Vorrichtung kann relativ kostengünstig gebaut und leicht bedient werden, was unter Schlachtfeldbedingungen notwendig ist. Demzufolge stellt die Erfindung einen beträchtlichen Fortschritt auf diesem Gebiet dar.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen der Flugbahn eines Überschallprojektils von unbekannter Geschwindigkeit und Richtung, umfassend drei zueinander beabstandete, gegenüber Stoßwellen empfindliche Wandler, die in der Lage sind, von einer Stoßwelle getroffen zu werden, die von einem in der Nähe der Wandler vorbeifliegenden Überschallprojektil erzeugt wurde, und in der Lage sind, in Antwort auf die Stoßwelle Signale zu erzeugen, die mit Einheitszielvektoren in Beziehung stehen, die senkrecht zu einer ankommenden Stoßwelle sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: (1) mindestens zwei zueinander beabstandete Sensoren, die jeweils mindestens drei Wandler umfassen, (2) Mittel, um aus den Signalen den Azimut und den Höhenwinkel eines sich ab jedem Sensor erstreckenden Einheitszielvektors zu berechnen, (3) Mittel, welche die Tatsache widerspiegeln, daß das Skalarprodukt aus dem lokalen Flugbahnvektor und den Einheitszielvektoren konstant ist, um für jeden Sensor eine Größe eines vollständigen Zielvektors zu berechnen, der sich ab jedem Sensor entlang dem entsprechenden Einheitszielvektor zur Flugbahn erstreckt, und (4) Mittel, um aus den vollständigen Zielvektoren den Azimut und den Höhenwinkel des lokalen Flugbahnvektors des Projektils zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend Mittel zum Messen der beim Passieren der Wandler eines Sensors durch die Stoßwelle verstreichenden Zeitspannen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend Mittel zum Messen von Unterschieden in den beim Passieren der Wandler durch die Stoßwelle verstreichenden Zeitspannen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wandler gegenüber der Stoßfront der Stoßwelle empfindlich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoren gegenüber der Stoßwelle und einer Linie der Umgebungsdichte empfindlich sind, und Mittel vorgesehen sind, um aus der Zeitspanne, die beim Durchlauf der Stoßwelle und der Linie der Umgebungsdichte über einen Sensor hinweg verstreicht, die Länge des Projektils zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in jedem Sensor drei Wandler vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von mehr als zwei Sensoren vorhanden ist und Mittel vorgesehen sind, um aus der Vielzahl von Sensoren mindestens zwei Sensoren zum Berechnen des Azimuts und des Höhenwinkels der lokalen Flugbahn des Projektils auszuwählen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoren auf einem motorisierten Fahrzeug, einer Kanone, einem Gewehr oder einer tragbaren Basis angebracht sind.
Verfahren zum Bestimmen der Flugbahn eines Überschallprojektils von unbekannter Geschwindigkeit und Richtung aus mindestens zwei Sensoren, die jeweils mindestens drei zueinander beabstandete, gegenüber Stoßwellen empfindliche Wandler umfassen, die in der Lage sind, von einer Stoßwelle getroffen zu werden, die von einem in der Nähe der Wandler vorbeifliegenden Überschallprojektil erzeugt wurde, und in der Lage sind, in Antwort auf die Stoßwelle Signale zu erzeugen, die mit Einheitszielvektoren in Beziehung stehen, die senkrecht zu einer ankommenden Stoßwelle sind, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt: (1) Berechnen des Azimuts und des Höhenwinkels eines sich ab jedem Sensor erstreckenden Einheitszielvektors aus den Signalen, (2) anhand von Gleichungen, welche die Tatsache widerspiegeln, daß das Skalarprodukt aus dem lokalen Flugbahnvektor und den Einheitszielvektoren konstant ist, Berechnen einer Größe eines vollständigen Zielvektors für jeden Sensor, wobei sich der vollständige Zielvektor ab jedem Sensor entlang dem entsprechenden Einheitszielvektor zur Flugbahn erstreckt, und (3) Berechnen des Azimuts und des Höhenwinkels des lokalen Flugbahnvektors des Projektils aus den vollständigen Zielvektoren.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend das Messen der beim Passieren der Wandler eines Sensors durch die Stoßwelle verstreichenden Zeitspannen.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend das Messen der Unterschiede in den beim Passieren der Wandler durch die Stoßwelle verstreichenden Zeitspannen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Wandler gegenüber der Stoßfront der Stoßwelle empfindlich sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Sensoren gegenüber der Stoßwelle und einer Linie der Umgebungsdichte empfindlich sind und aus der Zeitspanne, die beim Durchlauf der Stoßwelle und der Linie der Umgebungsdichte über einen Sensor hinweg verstreicht, die Länge des Projektils berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei in jedem Sensor drei Wandler vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Vielzahl von mehr als zwei Sensoren vorhanden ist und mindestens zwei Sensoren aus der Vielzahl von Sensoren ausgewählt werden, um den Azimut und den Höhenwinkel der Flugbahn des Projektils zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Sensoren auf einem motorisierten Fahrzeug, einer Kanone, einem Gewehr oder einer tragbaren Basis angebracht sind.