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(11) | EP 0 159 392 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Feuerleitsystem für bewegte Waffenträger, insbesondere für Kampfpanzer |
| (57) Das Feuerleit- und Navigationssystem für bewegliche Waffenträger, insbesondere für
Kampfpanzer sieht vor, zur Primärstabilisierung beispielsweise eines Ziel- oder Sichtgeräts
sowie zur Sekundärstabilisierung einer Waffe einen einzigen zentralen Sensorblock
in Strapdown-Technologie zu verwenden, der zwei zweiachsige trockene, dynamisch abgestimmte
Kreisel und drei einachsige Beschleunigungsmesser umfaßt. Die Beschleunigungswerte
bzw. Drehraten werden im Digitalformat ausgegeben und verarbeitet, so daß außer den
üblichen Feuerleitfunktionen zusätzliche Leistungen des Systems ermöglicht sind, insbesondere
eine einwandfreie Navigation ohne externe Sichthilfen, eine exakte Feuerleitung sowie
eine dynamische Punktstabilisierung der Waffe. |
[0001] Die Erfindung betrifft ein Feuerleit- und Navigationssystem für bewegte Waffenträger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das sich insbesondere für Kampfpanzer aber auch für andere Fahrzeuge eignet, die für Ziel- und Ortungszwecke über ein primärstabilisiertes System und außerdem über ein relativ zum Fahrzeug bewegbares sekundärstabilisiertes System verfügen.
[0002] Von modernen Waffensystemen wird heutzutage verlangt, daß sie bei bewegtem Waffenträger eingesetzt werden können. Das bedeutet für ballistisch wirkende Waffen eine Kompensation der Störungen beim Abgang des Geschosses. Dazu muß die Bewegung der Waffe bekannt oder die Waffe muß stabilisiert sein, um die Bewegungen und damit Störeinflüsse des Trägers wie gegebenenfalls andere auf die Waffe wirkende Bewegungs- und Beschleunigunskomponenten , zum Zeitpunkt des Geschoßabgangs zu kompensieren.
[0003] Am Beispiel eines modernen Kampfpanzers soll im folgenden aufgezeigt werden, welche Baugruppen heutzutage eingesetzt werden und welche Probleme dabei auftreten.
[0004] Betrachtet werden soll ein Kampfpanzer mit einer Rohrwaffe, die um zwei Achsen frei beweglich ist, das heißt um die Hochachse in azimutaler Richtung und um eine Elevationsachse in der Höhe. Über den Höhen-Richtwinkel wird unter anderem die ballistische Bahn des Schusses und damit seine Reichweite bestimmt. Um die Waffe auch bei bewegtem Fahrzeug einsetzen zu können, muß die Bewegung des Waffenträgers kompensiert, das heißt die Waffe muß stabilisiert werden. Für das Feuerleitsystem eines bekannten Kampfpanzers werden dazu mehrere Kreiselpakete als Sensoren zur Primärstabilisierung von Sichtmitteln und der Waffenanlage verwendet. Ein solches Kreiselpaket umfaßt in der Regel zwei einachsige Wendekreisel, die auf der Waffe montiert sind und die Drehbewegungen in Elevations- und Azimutachse messen und über je einen geschlossenen Regelkreis mit Hilfe von Richtantrieben ausgleichen. Für die Feuerleitung muß darüberhinaus zum Ermitteln der ballistischen Daten der Kantwinkel der Waffe bekannt sein, was durch einen Lotsensor erfaßt wird. Zusätzlich werden zur Vorstabilisierung der Waffe Wendekreisel in Turm und Wanne eingesetzt.
[0005] Der Kampfpanzer als direkt gerichtete Waffe verfügt über Sichtmittel für Kommandanten und Richtschützen, mit denen die Lage des Ziels optisch festgestellt wird. Um diese Sichtmittel während der Fahrt benutzen zu können, müssen sie ebenfalls stabilisiert sein. Sind sie primärstabilisiert, so bedeutet das, daß auch die Sichtgeräte über zwei einachsige Wendekreisel-Pakete mit entsprechenden Servoantrieben und Regelkreisen verfügen. Damit stehen in einem solchen Kampfpanzer drei primärstabilisierte Geräte mit insgesamt sechs Wendekreiseln zur Verfügung. Diese Wendekreisel arbeiten jedoch unabhängig voneinander, so daß bei Ausfall eines Kreiselpaketes das andere dessen Funktion nicht miterfüllen kann. Darüberhinaus sind die bekannten Kreisel nicht geeignet, Führungsinformationen, zum Beispiel in Form von Navigationsdaten,bereitzustellen.
[0006] Das Schießen bei schnellbewegter Waffe ist aus den folgenden Gründen nur mit reduzierter Treffgenauigkeit möglich:
1. Die Waffenbewegung ist nicht vollständig bekannt, da die Kreisel nur Drehdaten messen können. Damit ist keine Aussage über die translatorische Bewegung der Waffe möglich. Wie jedoch die Figur 1 veranschaulicht, überlagern sich die Fahrzeuggeschwindigkeit V sowie die Richtgeschwindigkeit V (Drehwinkelgeschwindigkeit WR) der Anfangs- oder Mündungsgeschwindigkeit VO des'Geschosses, so daß sich eine tatsächliche Geschoßgeschwindigkeit VG ergibt.
2. Die Stabilisierung wird üblicherweise nur als sogenannte Richtungsstabilisierung durchgeführt. Das bedeutet, wie in Figur 2 veranschaulicht, daß der Richtungsvektor unabhängig von den auftretenden Drehdaten des Waffenträgers im Raum richtungsstabilisiert bleibt, aber zu sich selbst parallel verschoben wird. Je nach Fahrtrichtung von Waffenträger und Ziel können damit relativ große translative Verschiebungen auftreten, die durch die Stabilisierungsanlage allein nicht ausgeglichen werden können.
3. Die translatorischen Verschiebungen können über sogenannte Mitrichthilfen und dynamische Vorhaltbildung kompensiert werden. Dazu gibt der Richtschütze an einem Richtgriff die Richtgeschwindigkeit vor, die vom Feuerleitsystem zur Vorhaltberechnung verwendet wird. Diese Richtwinkelgeschwindigkeit WRS enthält jedoch sowohl Komponenten der Geschwindigkeit des Waffenträgers VW als auch der Geschwindigkeit des Ziels VZ (siehe Figur 3). Die Zielgeschwindigkeit VZ muß jedoch entsprechend dem Vorhaltewinkel Wv kompensiert werden, während die Geschwindigkeit des Waffenträgers Vw selbst als ballistische Störung beim Abgang des Geschosses behandelt werden muß. Durch die Vermischung beider Informationen im Richtsignal WRS ist beides gemeinsam bei bewegtem Waffenträger heute nicht möglich, oder anders ausgedrückt, der Waffenträger muß zum Zeitpunkt des Schusses kurzzeitig anhalten, so daß nur einer der beiden Informationswerte benötigt wird und erfaßt werden kann, oder es kommt in erheblichem Maße auf die Erfahrung des Richtschützen an, wie genau das Geschoß bei fahrendem Waffenträger das bewegte Ziel trifft. In der Regel sind auch über Mitrichthilfen dynamische Vorhaltbildungen nicht korrekt zu ermitteln.
4. Die einachsigen Wendekreisel in den heutigen Waffenstabilisierungsanlagen geben ein Analog-Signal aus und besitzen im allgemeinen nur eine begrenzte Bandbreite und Stabilität. Damit ist es kaum möglich, die gemessenen Drehraten auch für andere Funktionen als für die Stabilisierung des dem Kreiselpaket zugeordneten Geräts zu verwenden.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feuerleit-und Navigationssystem für bewegte Waffenträger zu schaffen, das alle für die Feuerleitung und die Stabilisierung der Waffe unter allen denkbaren Fahrbedingungen von Waffenträger und Ziel notwendigen Informationen mißt und zusätzlich Führungsinformation für taktische Aufgaben zur Verfügung stellt. Darüberhinaus soll die Genauigkeit des Gesamtsystems verbessert und sollen neue taktische Einsatzmöglichkeiten erschlossen werden.
[0010] Die oben erläuterte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:
a) Es wird nur ein einziger zentraler Sensorblock in Strapdown-Technologie auf dem primär zu stabilisierenden Gerät montiert. Dieser zentrale Sensorblock mit digitaler Datenausgabe umfaßt zwei zweiachsige trockene und dynamisch abgestimmte Kreisel sowie drei einachsige Beschleunigungsmesser.
b) Die gemessenen Drehraten werden zur Primärstabilisierung des Geräts sowie außerdem zur Sekundär- stabilisierung der Waffe verwendet.
c) Die gemessenen Lagewinkel aus dem insgesamt digital ausgelegten System und die ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit können unmittelbar zur ballistischen Berechnung bei der Feuerleitung herangezogen werden.
d) Weiterhin ist eine laufende Berechnung der aktuellen Position des Fahrzeugs und damit eine Fahrzeugnavigation möglich.
e) Schließlich ist im Gegensatz zu bisherigen Systemen (s. obige Punkte 2 und 3) eine Punktstabilisierung und eine korrekte dynamische Vorhaltbildung möglich.
[0011] Außer den bereits angesprochenen Vorteilen der Erfindung ist auch der geringe technische Aufwand im Vergleich zu den bisher in dreifacher Ausführung vorhandenen Wendekreiselpaketen zu erwähnen. Das erfindungsgemäße digitale Navigationssystem in Strapdown-Technik benötigt außer den inertialen Sensoren keine komplizierten aufwendigen mechanischen Teile. Es umfaßt lediglich zwei zweiachsige trockene, dynamisch abgestimmte Kreisel sowie drei einachsige Beschleunigungsmesser, die mit den Kreiseln in einem einzigen Sensorblock zusammengefaßt sind. Damit sind alle aufgabengemäßen Funktionen vollständig autonom und ohne Störungsmöglichkeit von außen ausführbar.
[0012] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine bereits erläuterte Skizze zur Verdeutlichung, welche zusätzlichen Geschwindigkeitskomponenten zum Zeitpunkt des Abgangs auf ein Geschoß additiv überlagernd wirken;
Fig. 2 eine ebenfalls bereits erläuterte Darstellung zur Verdeutlichung der Richtungsstabilisierung der Waffe eines im Gelände bewegten Waffenträgers;
Fig. 3 die für dynamische Vorhaltbildung bei bewegtem Ziel und bewegtem Waffenträger zu berücksichtigenden Geschwindigkeiten;
Fig. 4 ein konkretes erprobtes Ausführungsbeispiel eines Strapdown-Sensorblocks, wie er erfindungsgemäß zur Primär- und Sekundärstabilisierung vorgeschlagen wird;
Fig. 5 den Blockschaltbildaufbau eines Feuerleitsystems im Zusammenhang mit der Erfindung; und
Fig. 6 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung zur Verdeutlichung des Unterschieds einer Punktstabilisierung im Vergleich zu einer Richtungsstabilisierung.
[0013] Der Strapdown-Sensorblock umfaßt gemäß Figur 4 zwei senkrecht zueinander angeordnete trockene, dynamisch abgestimmte zweiachsige Kreisel 1 und 2 sowie drei einachsige, in den drei Raumachsen ausgerichtete Beschleunigungsmesser 3, 4, 5. Die Beschleunigungsmesser 3, 4, 5 ermitteln die Fahrzeugbeschleunigungen in drei orthogonalen Achsen und die Kreisel 1, 2 messen die Drehraten ebenfalls in drei orthogonalen Achsen. Durch Integration der Beschleunigungen unter Berücksichtigung der Richtung kann damit die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt werden. Durch Integration der Fahrzeuggeschwindigkeit erhält man den zurückgelegten Weg. Sind die Ausgangsposition und die Anfangsgeschwindigkeit des Fahrzeugs bekannt, so ist damit eine Navigation möglich, das heißt, es läßt sich ständig die aktuelle Fahrzeugposition im dreidimensionalen Raum errechnen.
[0014] Um das System voll autonom arbeiten zu lassen, ist außerdem eine Selbstausrichtung, das heißt das selbständige Auffinden der Richtung von geographisch Nord,Voraussetzung. Die gemessenen Drehraten können zur Primärstabilisierung des die Kreisel tragenden Fahrzeugs herangezogen und außerdem zur Sekundärstabilisierung eines weiteren Geräts mitbenutzt werden.
[0015] Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Arbeitsweise des Gesamtsystems im einzelnen erläutert:
Angenommen werden soll ein Kampfpanzer mit stabilisierter Waffe und stabilisiertem Sichtgerät. Der in Figur 4 dargestellte Strapdown-Sensorblock mit zwei Kreiseln 1, 2 und drei Beschleunigungsmessern 3, 4, 5 ist zur Primärstabilisierung der Sichtlinie in das Sichtgerät integriert und wird gleichzeitig zur Sekundärstabilisierung der Waffe verwendet.
[0016] Das Blockschaltbild der Figur 5 gibt eine Übersicht über das Feuerleitsystem. Ein Strapdown-Sensorblock 8 ist in ein Zielgerät 6 integriert, das mit Hilfe von Regler und Servoantrieben 7 primärstabilisiert wird. Die zur Stabilisierung ermittelten Drehraten werden durch eine Regelelektronik 16 einer Waffe 15 zur Sekundär-Stabilisierung der Waffe mitbenutzt. Zur Verbesserung der Stabilisierungsgüte kann die Waffe mit Hilfe eines Feuerleitrechners 10 nachstabilisiert werden. Darüber hinaus berechnet der Feuerleitrechner 10 abhängig vom Geschoßtyp die ballistischen Werte sowie Vorhalt und Aufsatz. Über einen Richtgriff 9 kann die Führungsgröße als Richtgeschwindigkeit auf Zielgerät und Waffe gegeben werden.
[0017] Ein Navigationsrechner 11 ermittelt aus Drehraten und Beschleunigungen, gemessen durch den Strapdown-Sensorblock 8, Geschwindigkeit und Position, bezogen auf das Trägerfahrzeug. Ein Anzeige- und Bediengerät 13 dient zum Anzeigen der ermittelten Werte, z.B. der Position in UTM-Koordinaten und zur Eingabe, z.B. der Startposition. Weitere Sensoren 14 wie z.B. Wärmebild-Nachtsichtgeräte, können zur Ergänzung in das System integriert werden. Durch die Mehrfachausnützung der Sensoren werden über die eigentliche Stabilisierungsaufgabe hinaus aus den gemessenen translatorischen Beschleunigungen und den Drehraten die Positionsdaten des Trägerfahrzeugs ermittelt.
[0018] Als Zwischenergebnis der Navigationsrechnung ermittelt das System darüberhinaus die Lagewinkel der Waffe, die zum Verkantungsausgleich zur Berechnung der ballistischen Winkel benötigt werden. Außerdem ist die Bewegung der Waffe beim Abschuß vollständig bekannt, so daß ballistische Störungen kompensiert werden können.
[0019] Eine mit der Erfindung mögliche Verbesserung ist dadurch gegeben, daß bei Kenntnis der Zielentferriung die Waffe punktstabilisiert werden kann, wie die Figur 6 verdeutlicht. Ferner läßt sich über die Richtbewegung die tatsächliche Zielbewegung ermitteln, da die Fahrzeugbewegung bekannt ist. Damit wird eine korrekte dynamische Vorhaltbildung bei gleichzeitiger korrekter ballistischer Kompensation ermöglicht.
[0020] Als besonderer Vorteil der mit der Erfindung gegebenen Navigationsfähigkeit zusammen mit einer Richtungsreferenz ist außerdem der Einsatz der Waffe im indirekten Schuß, das heißt, ohne direkte Sichtverbindung zum Ziel möglich. Damit kann die Waffe für neue taktische Aufgaben zum Beispiel zur Hubschrauberabwehr und zur Unterstützung der Artillerie bei einem Feuerschlag eingesetzt werden. Darüberhinaus bietet die Navigationsfähigkeit dem Kommandanten zusätzliche Führungshilfen, insbesondere die Anzeige der eigenen Position und die Anzeige der Position anderer Fahrzeuge seines Trupps, so daß die Sichtverbindung der freundlichen Fahrzeuge zueinander zur taktischen Führung nicht mehr unabdingbare Voraussetzung ist. Damit ist auch unter schwierigen Sichtbedingungen, zum Beispiel unter ABC-Bedingungen oder bei Nacht der Einsatz ohne Degradation der Systemleistung möglich. Das gleiche gilt für den Kampf im monotonen oder im fremden Gelände, in dem keine Orientierungspunkte zu finden sind.
[0021] Das erfindungsgemäße System arbeitet verschleißarm und wartungsfrei. Durch die digitale Systemauslegung können die Meßwerte mehrfach benutzt und Zwischenergebnisse verwendet werden. Dadurch ist eine deutliche Verbesserung der Leistung des Gesamtsystems gegeben und neue Einsatzmöglichkeiten sind eröffnet.
gekennzeichnet durch
- einen einzigen zentralen Sensorblock (8) in Strapdown-Technik mit zwei zweiachsigen, trockenen, dynamisch abgestimmten Kreiseln (1, 2) und drei einachsigen Beschleunigungsmessern (3, 4, 5) und mit digitaler Ausgabe der Meßwerte und durch
- eine digitale Recheneinheit (10, 11), die aus den eingespeisten Meßwerten
- die zur Primärstabilisierung des Ziel- und Sichtgeräts (6, 7) und gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig die zur Sekundärstabilisierung der Waffe (15, 16) erforderlichen Stell- bzw. Regelgrößen errechnet und bereitstellt, die zur Ermittlung der Position des Waffenträgers erforderliche Navigationsrechnung sowie
- die Feuerleitrechnung zur Ermittlung der ballistischen Werte einschließlich der Kompensation der ballistischen Störungen beim Abschuß und der dynamischen Vorhaltbildung durchführt.