CH691705A5

CH691705A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Rollwinkellage eines rotierenden Flugkörpers.

Info

Publication number: CH691705A5
Application number: CH01098/95A
Authority: CH
Inventors: Rudolf Romer; Gerd Dr Wollmann; Helmut Prof Dr-Ing Misoph
Original assignee: Tzn Forschung & Entwicklung; Rheinmetall W & M Gmbh
Priority date: 1994-05-07
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 2001-09-14
Also published as: GB2289588B; GB2289588A; GB9508503D0; FR2719662B1; FR2719662A1; DE4416210C2; US5661555A; DE4416210A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Rollwinkellage eines rotierenden Flugkörpers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei rotierenden Geschossen, bei denen während des Fluges eine Flugbahnkorrektur erfolgt, muss in der Regel der Rollwinkel des Geschosses gegenüber einem (häufig erdfesten) Bezugswert ermittelt werden, um die entsprechende Korrekturladungen lagerichtig zu zünden.

Es ist bereits bekannt, den Rollwinkel mittels magnetischer Sensoren zu ermitteln. Dabei schneidet ein mit dem Geschoss verbundener magnetischer Sensor bei dessen Rotation periodisch unterschiedliche Feldlinien des Erdmagnetfeldes, sodass sich am Ausgang des Sensors ein periodisches und für die Drehzahl des Geschosses charakteristisches Signal ergibt. Um eine eindeutige Zuordnung der Winkellage des Geschosses zu einem erdfesten Bezugssystem zu erhalten, ist es dabei allerdings erforderlich, im Bereich der Rohrmündung der Abschussvorrichtung einen Magneten anzubringen, der auf das Geschoss beim Verlassen des Rohres ein entsprechendes Bezugssignal überträgt.

Nachteilig ist bei Rolllagebestimmung mittels magnetischer Sensoren der relativ hohe Aufwand und der relativ hohe Verschleiss des Mündungsmagneten.

Es sind ferner bereits optische Verfahren zur Rolllagebestimmung des Flugkörpers bekannt. Hierbei wird ein ohnehin als Leitstrahl für den Flugkörper benutzter Laserstrahl verwendet und dessen Polarisation ausgenutzt. Dabei wird die Rotation des Flugkörpers über die Intensitätsänderung der empfangenen Strahlung detektiert, welche durch ein mit dem Flugkörper rotierendes Polarisationsfilter (Analysator) hindurchtritt. Da auch in diesem Fall die Winkelposition des Flugkörpers nur modulo 180 DEG bestimmt werden kann, bedarf es zu Beginn des Abschussvorganges ebenfalls einer eindeutigen Zuordnung der Geschosskoordinaten zu einem (z.B. erdfesten) Bezugssystem. Erreicht werden kann diese Zuordnung durch die seitliche Anordnung eines Senders in der Abfeuereinrichtung und mit einem zweiten seitlich versetzten Detektor im Flugkörper.

Letzterer legt die Lage des Geschosses im Nahbereich der Waffe eindeutig fest. Danach wird die Lage durch Zählung der Polarisationsdurchgänge bestimmt.

Nachteilig ist bei dieser Anordnung ebenfalls der relativ hohe apparative Aufwand, da insbesondere ein zusätzlicher Sender in der Abfeuervorrichtung vorhanden sein muss.

Es sind ferner eine Reihe weiterer Verfahren zur Ermittlung der Rollwinkellage denkbar, die allerdings in der Regel voraussetzen, dass der Flugkörper sich stets in einer koaxialen Bahn zu einem Leitstrahl bewegt. So könnte beispielsweise jeweils eine nicht-spiegelsymmetrische Blende laserseitig und eine entsprechende Blende flugkörperseitig in den Strahlengang des Leitstrahles eingebracht werden, wobei die Blenden derart ausgebildet sind, dass sich nur dann eine maximale Helligkeit hinter der flugkörperseitigen Blende ergibt, wenn beide formgleichen Blenden parallel zueinander orientiert sind. Eine koaxiale Anordnung von Leitstrahl und Empfänger stellt indessen die Ausnahme dar und kann daher in der Regel nicht vorausgesetzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rollwinkellage der eingangs erwähnten Art anzugeben, welche(s) einfach, kostengünstig und ausserdem genau ist, und bei dem (der) sich der Flugkörper an einer beliebigen Position innerhalb des Leitstrahles befinden kann.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des erfindungsgemässen Verfahrens durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 und hinsichtlich der erfindungsgemässen Vorrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Patentansprüche.

Im Wesentlichen liegt der Erfindung der Gedanke zu Grunde, zur Bestimmung der Rollwinkellage eines Flugkörpers einen mithilfe eines holografischen Elementes phasenkodierten Leitstrahl zu verwenden. Dieser Leitstrahl wird dann in einer Empfangsvorrichtung des Flugkörpers mittels eines weiteren holografischen Elementes, welches starr mit dem Flugkörper verbunden ist, dekodiert. Das weitere holografische Element ist derart ausgebildet, dass maximale Helligkeit am Empfangsdetektor nur dann auftritt, wenn es sich parallel zum laserseitigen holografischen Element befindet (d.h. dem Leitstrahl muss eine Information aufgeprägt werden, die nicht spiegelsymmetrisch ist).

Da die Information nur als Phasen-Information im Leitstrahl gespeichert ist, ist es nicht mehr erforderlich, den Empfangsdetektor des Flugkörper koaxial zum Leitstrahl auszurichten. Der Empfangsdetektor kann sich vielmehr an irgendeiner Stelle innerhalb des Leitstrahles befinden, wobei natürlich vorausgesetzt werden muss, dass er in bestimmten Grenzen achsparallel zum Leitstrahl orientiert ist.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die genaue Rollwinkellage des Flugkörpers nur im Nahbereich der Abschussvorrichtung nach dem erfindungsgemässen Verfahren bestimmt und anschliessend - ähnlich wie eingangs beschrieben - die Lage des Flugkörpers durch Extrapolation unter Heranziehung der Intensitätsänderungen bei Verwendung eines Polarisationsfilters im Flugkörper ermittelt. Besonders einfach ist dabei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufgebaut, wenn das flugkörperseitige holografische Element gleichzeitig als Polarisator ausgebildet ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung, bestehend aus einer Abfeuervorrichtung für ein drallstabilisiertes Geschoss mit einer Laseranordnung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den bodenseitigen Teil eines Flugkörpers;
Fig. 3 und 4 zwei schematische Darstellungen zur optischen Ermittlung der Rollwinkellage zur Erläuterung der Funktion der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Abschussvorrichtung zum Verschiessen von drallstabilisierten Geschossen 2 bezeichnet. Die Abschussvorrichtung 1 ist mit einer Laservorrichtung 3 zur Erzeugung eines Leitstrahles 4 und einem mit dem Bezugszeichen 5 angedeuteten Feuerleitsystem verbunden. Mithilfe eines an der Laservorrichtung 3 angeordneten holografischen Elementes 6 wird der Leitstrahl 4 phasenkodiert und gelangt in eine im Boden 7 des Geschosses 2 angeordnete Empfangsvorrichtung 8, die in Fig. 2 im Wesentlichen wiedergegeben ist.

Die Empfangsvorrichtung 8 wird nach aussen hin durch eine optisch durchlässige Abdeckplatte oder eine Schutzplatte 9, die nach dem Verlassen des Rohres abfällt, geschützt und besteht im Wesentlichen aus einer Linse 10, einem weiteren holografischen Element 11, welches randseitig mit dem Geschossboden 7 verbunden und gleichzeitig als Polarisator ausgebildet ist, sowie zwei Empfangsdetektoren 12, 13 und einer Elektronik 14 mit nachgeschaltetem Mikroprozessor 15.

Der mithilfe des holografischen Elementes 6 (Fig. 1) phasenmodulierte linearpolarisierte Leitstrahl 4 gelangt durch die Abdeckplatte 9, die Linse 10 und das Element 11 sowohl auf den Empfangsdetektor 12 als auch - aufgrund der Streuung an der Struktur des holografischen Elementes 11 - in den Empfangsdetektor 13. Der Empfangsdetektor 12 dient dabei in Verbindung mit dem als Polarisator wirkenden holografischen Element 11 zur Ermittlung der Drehzahl des Geschosses 2.

Hierzu werden die Intensitätsschwankungen mit dem Detektor 12 gemessen, welche sich bei der Drehung des Geschosses 2 und damit auch des Elementes 11 ergeben (die Polarisationsrichtung des Laserstrahles 4 bleibt während der Messung konstant).

Der Empfangsdetektor 13 dient erfindungsgemäss zur Ermittlung der absoluten Rollwinkellage des Geschosses 2 in einem ersten Abstandsbereich (Nahbereich) 17 (Fig. 1). Er erhält immer dann maximale Helligkeit, wenn die beiden holografischen Elemente 6 und 11 parallel zueinander stehen. Da die von dem holografischen Element 6 aufgeprägten Informationen nur als Phaseninformationen im Leitstrahl 4 gespeichert sind, ist es nicht mehr erforderlich, das Geschoss mit dem holografischen Element 11 und dem Empfangsdetektor 13 koaxial zum Leitstrahl 4 auszurichten. Der Empfangsdetektor 13 ist an einer Stelle im Geschoss angeordnet, die durch die Aufnahmegeometrie des holografischen Elementes definiert ist, also z.B. auch - wie in Fig. 2 dargestellt - am oberen äusseren Rand der Empfangsvorrichtung 8.

Nach Ermittlung der Rollwinkellage des Geschosses 2 im Nahbereich 17 kann die weitere Bestimmung der Rollwinkellage durch Extrapolation unter Hinzuziehung der mit dem Empfangsdetektor 12 bestimmten Drehzahl des Geschosses 2 erfolgen.

Im Folgenden wird mithilfe der Fig. 3 und 4 noch einmal der Vorteil der Verwendung der holografischen Elemente 6 und 11 (Fig. 1 und 2) erläutert: Dabei zeigt Fig. 3 eine prinzipiell mögliche Anordnung zur eindeutigen Bestimmung des Rollwinkels. Mit 18 ist eine Lichtquelle gekennzeichnet, die einen nicht notwendigerweise polarisierten Lichtstrahl (Leitstrahl) 19 erzeugt, welcher über eine Blende 20 und eine sich mit dem Geschoss (aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt) drehende Blende 21 auf einen Empfangsdetektor 22 gelangt. Um die eindeutige Lageerkennung des Geschosses zu ermöglichen, muss dem Leitstrahl eine Information aufgeprägt werden, die nicht spiegelsymmetrisch ist. Im vorliegenden Fall wird dieses dadurch erreicht, dass die Blendenöffnungen der beiden Blenden 20, 21 die Form eines "F" aufweisen.

Wie unmittelbar aus Fig. 3 ablesbar ist, ergibt sich eine eindeutige Lageerkennung bei dieser Anordnung allerdings nur, wenn der Empfangsdetektor 22 sich stets koaxial im Leitstrahl 19 befindet.

Dieses ist bei der erfindungsgemässen, in Fig. 4 schematisch dargestellten Anordnung nicht erforderlich. Mit 23 ist dabei wiederum eine Lichtquelle, in diesem Fall ein Laser, mit 24 der Leitstrahl und mit 25 ein erstes holografisches Element bezeichnet. Der Leitstrahl 24 wird durch das holografische Element 25 phasenmoduliert und gelangt über ein geschossseitig angeordnetes zweites holografisches Element 26 auf einen Empfangsdetektor 27. Wie in Fig. 4 durch die mit den Bezugszeichen 28 und 29 versehenen Mittelachsen angedeutet, braucht der Empfangsdetektor 27 nicht koaxial zum Leitstrahl 24 ausgerichtet sein, sondern kann sich auch in einer achsparallelen Stellung befinden. In dem holografischen Element 11 ist als Interferenzmuster die Überlagerung von mindestens zwei Wellenfeldern gespeichert.

Aufgrund des holografischen Prinzips werden bei Bestrahlung des Elements 11 mit einem dieser Wellenfelder jeweils das andere rekonstruiert bei korrekter Winkellage im Leitstrahl. Die laterale Position im Leitstrahl ist dabei nicht von Bedeutung. Eines dieser Wellenfelder wird von einer Punktlichtquelle erzeugt, deren rekonstruiertes Bild auf den Detektor 13 trifft.

Bezugszeichenliste

1 Abschussvorrichtung, Feststation
2 Geschoss, Flugkörper
3 Laservorrichtung
4 Leitstrahl
5 Feuerleitsystem
6 holografisches Element
7 Geschossboden
8 Empfangsvorrichtung
9 Abdeckplatte
10 Linse
11 holografisches Element
12, 13 Empfangsdetektoren
14 Elektronik
15 Mikroprozessor
16 Längsachse
17 erster Abstandsbereich
18 Lichtquelle
19 Lichtstrahl, Leitstrahl
20, 21 Blenden
22 Empfangsdetektor
23 Lichtquelle, Laser
24 Leitstrahl
25, 26 holografische Elemente
27 Empfangsdetektor
28, 29 Mittelachsen

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Rollwinkellage eines rotierenden Flugkörpers (2) relativ zu einer Feststation (1) mithilfe eines von der Feststation (1) ausgesendeten und von dem Flugkörper (2) empfangenen Laserlichtstrahles (4, 24), dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbringen eines holografischen Elementes (6, 25) in den Strahlengang des Laserlichtes (4, 24) im Bereich der Feststation (1) eine Phasenkodierung des Laserlichtstrahles (4, 24) vorgenommen wird, dass der Laserlichtstrahl (4, 24) im Flugkörper (2) durch ein weiteres mit dem Flugkörper (2) verbundenes holografisches Element (11, 26) dekodiert wird, wobei das flugkörperseitige holografische Element (11, 26) derart gewählt wird, dass maximale Helligkeit an einem in dem Flugkörper (2) angeordneten ersten Empfangsdetektor (13, 27) nur dann auftritt,

wenn das flugkörperseitige und das feststationsseitige holografische Element (6, 25; 11, 26) kongruente Positionen, insbesondere jedoch gleiche Winkellagen, aufweisen, und dass die Helligkeitsänderungen in einer dem ersten Empfangsdetektor (13, 27) nachgeschalteten Elektronik (14) weiter verarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollwinkellage nur in einem ersten vorgegebenen Abstandsbereich (17) von der Feststation (1) gemessen wird, und dass anschliessend die Rollwinkellage in Bezug auf die Feststation (1) durch Extrapolation der in dem ersten Abstandsbereich (17) ermittelten Werte - unter Berücksichtigung der gemessenen Anzahl der Umdrehungen des Flugkörpers (2) - bestimmt wird.

3.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Anzahl der Umdrehungen des Flugkörpers (2) mittels eines polarisierten von der Feststation (1) ausgesendeten und von dem Flugkörper (2) empfangenen Laserlichtstrahles (4, 24) erfolgt, wobei die Intensitätsänderung der empfangenen Strahlung gemessen wird, welche durch ein mit dem Flugkörper (2) verbundenes Polarisationsfilter (11, 26) hindurchtritt, und dass als Laserlicht (4, 24) der gleiche Lichtstrahl verwendet wird, welcher in dem ersten Abstandsbereich (17) zur Bestimmung der Rollwinkellage des Flugkörpers (2) herangezogen wird.

4.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer in der Feststation (1) angeordneten Laservorrichtung (3) und einer im Boden (7) des Flugkörpers (2) angeordneten Empfangsvorrichtung (8) mit einem ersten Empfangsdetektor (13, 27), dem eine Elektronik (14) zur Auswertung der empfangenen Signale nachgeschalt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststation (1) ein holografisches Element (6, 25) aufweist, durch welches der Laserstrahl (4, 24) mit einer definierten Amplituden- und Phasenstruktur kodiert wird, dass die Empfangsvorrichtung (8) im Boden (7) des Flugkörpers (2) ebenfalls ein mit dem Flugkörper (2) rotierendes holografisches Element (11, 26) aufweist, durch welches der Laserstrahl (4, 24) gelangt, bevor er auf den ersten Empfangsdetektor (13, 27) auftrifft, wobei das flugkörperseitige holografische Element (11, 26) derart gewählt ist,

dass maximale Helligkeit an dem in dem Flugkörper (2) angeordneten ersten Empfangsdetektor (13, 27) nur dann auftritt, wenn das flugkörperseitige und das feststationsseitige holografische Element (6, 25; 11, 26) kongruente Positionen, insbesondere die gleiche Winkellage, aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Empfangsdetektor (13, 27) achsparallel zum Laserstrahl (4, 24) orientiert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flugkörperseitige holografische Element (11, 26) ebenfalls als Polarisator ausgebildet ist, und dass in dem Boden (7) des Flugkörpers (2) ein zweiter Empfangsdetektor (12) angeordnet ist, welcher die Intensitätsänderung des polarisierten Laserlichtes misst, das durch das mit dem Flugkörper (2) rotierende holografische Element (11, 26) gelangt.