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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der Erfindung (Technisches
Umfeld):
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Ferneinschlagererfassungssysteme für militärische Anwendungen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Das Militär muss die Befähigung der
Truppen, genau und effektiv verschiedene Typen von Geschützen auf
Ziele auszurichten, unter Gefechtsbedingungen trainieren und testen.
Gängige
Verfahren, die von verschiedenen Dienststellen genutzt werden, sind
in Reichweite und Leistungsfähigkeit
begrenzt. Die Verlagerung hin zu einem verstärkten Einsatz von Nachtgefechten
hat vordem den Einsatz von schwachexplosivem Sprengstoff (Leuchtmunition) erfordert,
um die Einschlagpunkte zu ermitteln. Diese Ladungen sind teuer und
gefährden
sowohl die Sicherheit als auch die Umwelt. Viele Munitionstypen können gegenwärtig nicht
in Trainingszenarien erfasst werden.
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Der Stand der Technik auf diesem
Gebiet umfasst folgende: US-Patent Nr. 4,155,096, (Thomas und Partner)
bezieht sich auf Laserausrichtung von Sensoren. US-Patent Nr. 4,222,564
(Alan und Partner) bezieht sich auf Vibrationsabtastung von Einschlägen. US-Patent Nr. 4,315,689,
(Goda) bezieht sich auf simulierte Abschüsse von sichtgeleiteten Raketen
unter Verwendung von Laserlichtbeleuchtung des Zieles für eine Zeitperiode.
US-Patent Nr. 4,333,106
(Love) bezieht sich ausschließlich
auf luftgestützte
Ziele. US-Patent Nr. 4,349,838 (Daniel) bezieht sich auf Laserausrichtung
von Sensoren. US-Patent Nr. 4,350,881, (Knight und Partner) bezieht
sich auf die Ermittlung von Druckwellen von Projektilen. US-Patent
Nr. 4,439,156, (Marshall und Partner) bezieht sich auf simulierte
Umge bungen von Waffenabschüssen.
US-Patent Nr. 4,622,458, (Boeck und Partner) bezieht sich auf ein
System, welches die Flugbahn von Objekten bestimmt, mithilfe vieler
mobiler Datenerfassungssysteme, die an einer zentralen Stelle angeschlossen
sind. US-Patent Nr. 4,478,581, (Goda) bezieht sich auf simulierte
Abschüsse
von ballistischer Munition unter dem Einsatz von Lasern. US-Patent
Nr. 4,611,993, (Brown) bezieht sich auf ein System, welches einen
senkrechten Projektionsschirm benötigt. US-Patent Nr. 4,689,016, (Eichweber)
bezieht sich nur auf Simulationen von Schusswaffen. US-Patent Nr.
4,695,256, (Eichweber) bezieht sich nur auf Schusswaffensimulationen, die
einen Retroreflektor benötigen.
US-Patent Nr. 4,739,329 (Ward und Partner) bezieht sich auf ein System,
das einen Radar benötigt.
US-Patent Nr. 4,955,812, (Hill) bezieht sich nur auf Schusswaffensimulationen.
US-Patent Nr. 5,025,424, (Rohrbaugh) bezieht sich auf die Abtastung
von Druckwellen. US-Patent Nr. 5,228,854, (Eldridge) bezieht sich
auf ein echtes Simulationssystem. US-Patent Nr. 5,359,920, (Muirhead) bezieht
sich auf Erkennung von Radiofrequenzen, die durch einen Aufschlag
generiert werden. US-Patent Nr. 5,432,546, (Cargill) bezieht sich
auf einen Sensor, der direkt auf dem Projektil befestigt ist. Schließlich US-Patent
Nr. 5,521,634, (McGary) bezieht sich auf einen Algorithmus für Bilddatenkompressionen
in einem Zielerfassungssystem.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein
Ferneinschlagerfassungssystem vor, das fähig ist, Schusseinschläge einer
breiten Auswahl von Geschützen in
Echtzeit unter Tages- und Nachtbedingungen zu erkennen und anzuzeigen.
Einmal kalibriert, ist das System einfach einzustellen und anzuwenden,
einschließlich
der automatischen Auswahl von Zielen.
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Zusammenfassung der Erfindung(Offenbarung
der Erfindung)
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Die vorliegende Erfindung ist ein
Ferneinschlagerfassungssystem für
militärische
Anwendungen nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden in den
abhängigen
Ansprüchen
geschildert.
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Eine Hauptaufgabe der vorliegenden
Erfindung sieht ein Ferneinschlagerfassungssystem vor, das Schusseinschläge einer
breiten Vielfalt von Geschützen
erkennen und genau anzeigen kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung sieht ein Ferneinschlagerfassungssystem vor, das sowohl
unter Tages- und Nachtbedingungen funktionsfähig ist.
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Ein erster Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist die Tatsache, dass es eine automatische Auswahl von
Zielen bietet.
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Weitere Ziele, Vorteile und neue
Merkmale, sowie weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung
werden dargelegt, teilweise in den detaillierten Beschreibungen
im Anschluss, in Verbindung mit den beigelegten Zeichnungen, und
teilweise werden sie für
den Fachmann bei Überprüfung des darauffolgenden
ersichtlich werden oder sie können durch
die Anwendung der Erfindung in Erfahrung gebracht werden. Die Ziele
und Vorteile der Erfindung können
anhand der Vermittlungen und Kombinationen umgesetzt und erreicht
werden, insbesondere dargelegt in den anhängenden Ansprüchen.
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Kurze Zeichnungsbeschreibung
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Die begleitenden Zeichnungen, die
in den Spezifikationen enthalten sind und ein Teil davon sind, veranschaulichen
mehrere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung
zur Erklärung
der Erfindungsgrundsätze.
Die Zeichnungen dienen nur zu dem Zweck, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung zu veranschaulichen und sind nicht so hinzustellen, um
die Erfindung zu beschränken.
In den Zeichnungen:
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1 stellt
ein Ablaufdiagramm der Spitzenfunktionalität dar, unterstützt durch
das bevorzugte Erfassungssystem der Erfindung;
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2 stellt
ein Ablaufdiagramm der Einsatzvorbereitungsfunktion des Erfassungssystems
dar;
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3 stellt
ein Ablaufdiagramm der Erfassungs- und Berichtsfunktion dar;
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4 ist
eine schematische Darstellung des bevorzugten Controllers der Erfindung;
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5 ist
eine schematische Darstellung eines exemplarischen Erfassungssystems,
das aufgestellt und im Einsatz ist;
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6 ist
eine schematische Darstellung eines weitreichenden Infrarotbildgebers,
vorzugsweise eingesetzt in dem System;
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7 ist
eine schematische Darstellung eines weitreichenden Laser-Infrarotbildgebers,
vorzugsweise eingesetzt in dem System;
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8 ist
eine schematische Darstellung des bevorzugten Bildgeber-Standorts
der Erfindung;
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9 ist
eine schematische Darstellung der bevorzugten Erfassungsposition
der Erfindung;
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10 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das die Eingabe und die
Auswahl eines Einsatzes ermöglicht;
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11 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das das Einrichten der
Ziele ermöglicht;
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12 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das Einsatzdaten und eine
Echtzeitansicht der Zielfläche
zeigt, während
ein Einsatz durchgeführt
wird, einschließlich
Funktionen für
die Kontrolle des Bildgebers, der ausgesuchten Ziele, und die Durchführung der
Erfassung;
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13 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das das Einrichten der
Bilgeber-Parameter ermöglicht;
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14 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das die Einrichtung der
Zielparameter ermöglicht;
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15 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das das Einrichten der
Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Computer und dem Videodigitalisierer
ermöglicht;
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16 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das die Einrichtung der
Anzeigecharakteristika des digitalisierten Videos auf dem Computerbildschirm
ermöglicht;
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17 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das die Einstellung der
Position und der Bildwiederholungsrate des digitalisierten Video
auf dem Computerbildschirm ermöglicht;
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18 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das die Einsatzerstellung
und Benennung ermöglicht;
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19 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das die Einsatzauswahl
aus einer Liste vorher erstellter Einsätze ermöglicht;
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20 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das die Geschützauswahl
ermöglicht;
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21 stellt
ein Fenster der bevorzugten Software dar, das die Auswahl des Verfahrens
für die Schussabgabe
der Geschütze
ermöglicht;
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22 wurde
absichtlich ausgelassen;
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23 ist
die Unterseitenansicht des Leiterbahnenlayouts der bevorzugten Konfiguration
der Fernbedienungsplatine für
die Erfindung;
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24 ist
die Oberseitenansicht des Platinenlayouts der bevorzugten Konfiguration
der Fernbedienungsplatine für
die Erfindung;
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25 ist
eine schematische Darstellung des bevorzugten Kompasscontrollers
und Videodaten-Inserter der Erfindung;
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26 ist
die Unterseite des Platinenlayouts für das Diagramm der 25;
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27 ist
eine schematische Darstellung des bevorzugten Motherboards der Erfindung;
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28 ist
eine Fortsetzung der schematischen Darstellung aus 27;
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29 wurde
absichtlich ausgelassen; und
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die 30–34 sind schematische Darstellungen der
Kabelnetze für
Video, Mikrowelle, Strom, Bildgeber, und Schwenk- und Neigesubsysteme,
die entsprechend an den Controlleranschlüssen der 4 angeschlossen sind.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele (beste
Verfahren für
die Ausführung
der Erfindung)
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Ferneinschlagerfassungssystem für Geschütze, das vorzugsweise optische
und thermische Bildgeber nutzt, die unter verschiedenen Lichtbedingungen funktionieren.
Die Bildgeber tasten sichtbares Licht, Nahinfrarot, Infrarot und
militärische
Laserzeichner ab und haben gleichzeitig die Fähigkeit sie aufeinander zu überlagern.
Der Ausgang des Sensors ist eine videoähnliche Darstellung, die unterschiedliche
Energieniveaus eher als Lichtniveaus anzeigt. Durch das Abtasten
der Energieniveaus eines jeden Objekts im Sichtfeld, arbeitet der
Bildgeber sowohl ohne Licht als auch in sichtbaren hellen Umgebungen. Dementsprechend
arbeitet der Sensor unter allen Tages- und Nachtbedingungen und
kann den Einschlag eines jeden Geschütztyps ermitteln, wie auch
eines Laserpunktzeichners, der die Ziele für intelligente Waffen anstrahlt.
Der Sensor kann auch den „einfliegenden"
Weg von vielen Waffen verfolgen, die durch den Luftwiderstand während des
Fluges angemessen erhitzt sind.
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Die vorliegende Erfindung schließt ebenfalls ein
Kontrollsystem ein, welches nach der Kalibrierung der Bildgeber
automatisch auf jedes ausgewählte
Ziel ausrichtet, mit einer hohen Azimut- und Elevationsgenauigkeit
von etwa 0,05% Abweichung oder weniger. Der Entfernungsfehler zwischen
Ziel und dem Einschlag kann dann mithilfe mehrfacher Sensor-Azimut-Triangulation
oder einfacher Sensor-Azimut- und Elevationsdifferenzen berechnet
werden.
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Der Benutzer bedient das Fernerfassungssystem über einen
Computer, vorzugsweise einen IBM-PC-kompatibles System unter einem
Windows-System (Warenzeichen von Microsoft Corporation). Im Normalbetrieb
erfolgt die Einschlagerfassung und das Neuausrichten des Systems
auf verschiedene Ziele durch das einfache Anklicken der Maus, des
Trackballs, des Touch Screen, oder einer ähnlichen Einrichtung.
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Das Video von Sensor oder von den
Sensoren ist digitalisiert und wird auf demselben Computerbildschirm
angezeigt, das für
die Überwachung
der Systemfunktionen und das Erfassen der Waffen genutzt wird. Das
Video kann beim Aufschlag eingefroren werden (Standbild), um eine
sehr genaue Cursor-Positionierung und Erfassung zu ermöglichen. Das
digitalisierte Video kann auf Einzelbildbasis gespeichert und wiedergegeben
und bei Bedarf wiederbearbeitet werden. Der Einsatz von Digitalsignalbearbeitung
und dem digitalisierten Video erleichtert die Implementierung von
automatisierten Erfassungsverfahren. Eine voll-ständig
automatisierte Version der Erfindung spürt den Einschlagsmoment und
erfasst die Position ohne Betreibereingriff.
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Bezüglich der 1–3 liefern diese Ablaufdiagramme
der Hochpegellogik des Erfassungs- und Kontrollcomputers 24 der
Erfindung, wie in 5 gezeigt.
Der bevorzugte Controller, im Diagramm gezeigt in 4, enthält den Mikrocomputer 10,
mit der Stromversorgung 16 und der Stromversorgungsspannungsregler,
Filter, und Reset-Schaltung 18. Über den seriellen Anschluss 22 kommuniziert
der Mikrocomputer mit dem Modem 14 um eine Zweiwegekommunikation
mit dem Trefferermittlungs- und Kontrollcomputer über die Radiotransceiver 12 und die
Antenne 11 zu ermöglichen.
Der serielle Anschluss 20 ermöglicht die Kommunikation zum Flux-gate-Kompass
und dem Neigungsmesser 36, welche sowohl digitale 26 als
auch analoge 28 Eingangssignale dem Mikrocomputer liefern. Die Kommunikation
mit der Mikrowelleneinheit 38, Videoschalter- und Steuerung 40,
Bildgebersteuerung 42 und Schwenk- und Neigesteuerung 44 wird über den Analogeingang 28,
den gepufferten Analogeingang 30, den gepufferten Digitalausgang 32 und
den Leistungstreiber 34 ermöglicht.
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Die 5 verdeutlicht
ein typisches System der Erfmdung. Der Erfassungs- und Kontrollcomputer 24 empfängt über Mikrowelle 46 und
kommuniziert über
VHF, Radio und Antenne/Modem 12, 14, 11 mit,
in diesem Fall, zwei Bildgeber-Standorte, die über Mikrowelle 50, 60 senden
und Kommunikationsdaten über
VHF-Antennen 51, 61 empfangen. Jeder Aufstellungsort
enthält
einen Systemcontroller 55, 65, fotoelektrische
und Batteriestromversorgungen 52, 62, ein Stellgerät 54, 64,
und ein Infrarot-Bildgeber 53, 63. Die Bildgeber
werden an den Aufstellungsorten vom Systemcontroller über Befehle
vom Erfassungs- und Kontrollcomputer gesteuert, um das Ziel (die
Ziele) 99 zu überwachen.
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6 veranschaulicht
ein weitreichendes Infrarot-Bildgebersystem der Erfindung, mit dem
Controller 55, dem Stellgerät 54, Infrarot-Bildgeber 53, Kompasspositionssensor 56 und
Sonnenblende 57. 7 veranschaulicht
einen zweiten Typ eines weitreichenden Infrarotlaser-Bildgebersystems
der Erfindung, mit dem Controller 65, Stellgerät 64,
Infrarot-Bildgeber 63,
Kompasspositionssensor 66 und Sonnenblende 67. 8 veranschaulicht einen
Bildgeber-Standort, zeigt dabei die Verbindungen zum und die zentrale
Rolle des Controllers 65, mit dem fotoelektrischen Generator,
Regler, und Batterien 62, VHF-Antenne 61, Mikrowellenantenne 60, Flux-gate-Kompass
und Neigungsmesser 69, Infrarot-Bildgeber 63 und das Schwenk-
und Neigestellgerät 68. 9 veranschaulicht eine Einschlagerfassung,
mit einem Erfassungs- und Kontrollcomputer 88, vorzugsweise
ausgestattet mit einem hochgeschwindigkeits-hochauflösenden Grafikcontroller 90, einem
Hochgeschwindigkeits-Digitalisierer und Overlay-Prozessor 92,
einem Hochleistungs-Digitalvideospeicher
und -wiedergabesystem 94, einem Schnittstellencontroller 96,
einem 166 MHz oder schnelleren Intel Pentium-, Pentium-Pro- oder
Pentium-II-Prozessor 98, einem Großformat hochauflösenden Monitor 82,
einer Tastatur 84 und einer Maus/Trackball
86. Eingangssignale
werden von der Mikrowelleneinheit 81 und dem Videoschalter
und- prozessor 83 und Ausgangssignale werden über die
VHF-Antenne 87, VHF-Transceiver 89, und das Kontrollmodem 91 gesendet.
Optional, kann das Videoeingangssignal gleichzeitig mit einem VHS-Videorecorder 85 oder ähnlichem
aufgezeichnet werden.
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Software, wie offenbart in der schwebenden Patentanmeldung
für welche
Priorität
beansprucht wird, wird eingesetzt, um das gesamte System während des
Einsatzes zu steuern. Die 10 bis 21 beschreiben die Bildschirmanzeigetypen,
die nützlich sind
für jegliche
Software entsprechend der Erfindung. Die Aufinerksamkeit sollte
insbesondere auf 12 gerichtet
werden, welche ein Ausführungsbeispiel
des Hauptkontrollbildschirms während
eines Einsatzes veranschaulicht. In diesem Beispiel werden zwei
ferngesteuerte Bildgeber betrachtet und gleichzeitig gesteuert,
während
andere Installationen eine unterschiedliche Anzahl von Bildgeber
ermöglichen.
Spezialisierte Hardware, die für
die vorliegende Erfindung nützlich
ist, wird in den 23 bis 34 gezeigt.
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Im folgenden werden die bevorzugten
Anforderungen an den integrierten Controller für die Infrarot-Bildgeber aus
der Erfindung aufgeführt: Leistungseingang:
| Bildgeberleistung | 12V
Gleichstrom 2A |
| Schwenk-
und Neigeleistung | 12V
Gleichstrom bis 28V Gleichstrom 2A |
| Controllerleistung | 12V
Gleichstrom 0,18A |
| Radioleistung | 12V
Gleichstrom 0,06A zum Empfang 12V Gleichstrom 0,90A zum Senden |
| Zusätzliche
Leistung | 220V
Gleichstrom/Wechselstrom 10,0A |
Positionssteuerung
| Azimutmotorsteuerung | variabel
von 0% bis 100% |
| Azimutmotorantrieb | 6V
Gleichstrom bis 28V Gleichstrom 2A |
| Elevationsmotorsteuerung | variabel
von 0% bis 100% |
| Elevationsmotorantrieb | 6V
Gleichstrom bis 28V Gleichstrom 2A |
Positionsabtastung
| Gekoppeltes
Potentiometer | 1,5° Auflösung vom
Drehstop 1,0° Neigung
aus der Horizontalen |
| Standardkompass | 1,0°Auflösung vom
magnetischen Norden 1,0° Neigung aus
der Horizontalen |
| Hochauflösender Kompass | 0,1° Auflösung vom
magnetischen Norden 0,1 ° Neigung aus
der Horizontalen |
Bildgebersteuerung
| Leistung | Aus
oder An (schaltbar) |
| Kühlung | Statusanzeige
meldefähig |
| Empfindlichkeit | -5V
Gleichstrom bis +5V Gleichstrom (stetig variabel) |
| Gesichtsfeld | eng
oder weit (schaltbar) |
| Elektrooptisches Zoom | ×1 ×2 ×4 oder
stetiges Zoom (schaltbar) |
| Weitenkalibrierung | -5V
Gleichstrom bis +5V Gleichstrom (absolute Einstellung) |
| Phasenkalibrierung | -5V
Gleichstrom bis +5V Gleichstrom (absolute Einstellung) |
| Kontrast | niedrig
mittel hoch (schaltbar) oder -5V Gleichstrom bis +5V Gleichstrom
(stetig variabel) |
| Polarität | schwarz
spannungsführend/weiß spannungsführend (schaltbar) |
| Fokus | weites
Sichtfeld nahe/fern (relative Einstellung) schmales Sichtfeld nahe/fern
(relative Einstellung) |
| Gehäusetemperatur | Statusanzeige
sendefähig |
Kontrolladressierbarkeit
| Diskrete
Adressen | 225
individuell adressierbare Controller |
| Senden | simultan
an alle 225 Controller |
| Gruppenadresse | 25
zuweisbare Untergruppenadressen |
Voreingestellte
Positionen
| Gespeicherte Voreinstellungen | 50
Voreinstellungen gespeichert in nichtflüchtigem Speicher |
| Download | Echtzeit-Download
von Azimut, Elevation,Sichtfeld, Kontrast, Polarität, Empfindlichkeit,und
Fokus |
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Status (Wiederholung der Nachricht,
wenn eine bidirektionale Kommunikationsverbindung genutzt wird)
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Die folgenden Zustandsbedingungen
können
bevorzugt auf Anforderung wiederholt werden: Azimut, Elevation,
Sichtfeld, Kontrast, Polarität,
Empfindlichkeit, Fokus, Versorgungsspannung, Temperatur, Lichtverhältnis der
Umgebung, vom Benutzer festgelegte Alarmbedingungen Kommunikationsverbindung
| Direktschnittstelle | RS-232
RS-422/485 (optional) |
| Modem | (optional)
intern 300 bis 2400 Baud |
| Radio
(optional) | VHF
oder UHF Transceiver |
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Obgleich die Erfindung mit Einzelheiten
und jeweiligem Bezug zu diesen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben
wurde, können
andere Ausführungsbeispiele
zum gleichen Ergebnis kommen. Varianten und Modifizierungen der
vorliegenden Erfmdung werden für
den Fachmann offensichtlich sein und es wird angestrebt in den anhängenden Ansprüchen alle
diese Modifikationen und Entsprechungen abzudecken.