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Verfahren zur Stabilisierung und Lenkung eines Flugkörpers mit Hilfe
hochfrequenter elektrischer Schwingungen Das Lenken insbesondere unbemannter Flugkörper
erfolgt durch ihnen von einer Kommandostelle aus übermittelte Steuersignale, die
auf ihre rechtwinklig aufeinanderstehenden Steuerebenen richtig zu verteilen sind.
Hierzu ist es notwendig, die Steuersignale entweder bezugsebenenrichtig dem zu lenkenden
Flugkörper zu übermitteln oder aber im Flugkörper eine stabilisierte Bezugsebene
zu schaffen, unter deren Vermittlung das Umformen und Verteilen der ankommenden
Steuersignale erfolgt. Die im letzteren Falle notwendigen Stabilisierungseinrichtungen
arbeiten in der Regel mit Kreiseln, die nicht nur teuer, sondern auch störanfällig
sind, insbesondere bei großen Beschleunigungen und tiefen Außentemperaturen.
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Bei Flugzeugen ist es zwar bekannt, eine Lagestabilisierung ohne einen
Kreisel dadurch herbeizuführen, daß eine Bezugsebene durch ein von einer Dipolantenne
ausgestrahltes elektromagnetisches Feld dargestellt wird. Eine Abweichung des Flugzeuges
von dieser Ebene, wahrgenommen von einer zu dieser Ebene orientierten Antenne des
Flugzeuges, löst ein rückführendes Kommando aus.
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Es ist ferner bekannt, ein Flugzeug ohne kreiselstabilisierte Bezugsebene
allein mit Hilfe eines dynamometrischen Peilverfahrens auf Kurs zu halten. Hierzu
ist im Flugzeug eine Peilantenne zur Wahrnehmung seiner Abweichung von der Senderichtung
des Leitsenders und eine Hilfsantenne zur Ermittlung des Vorzeichens des auf Grund
der Abweichung ausgelösten Korrekturkommandos vorgesehen.
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Bei der selbsttätigen Kurssteuerung eines Flugzeuges ist es außerdem
bekannt, an Stelle eines einzigen Senders eine Zwillingsrichtfunkbake vorzusehen,
und die Linie gleicher Intensität der von der Bake ausgestrahlten Wellen, welche
durch deren Polarisationsfelder erzeugt wird, in der Richtung des gewünschten Kurses
des Flugzeuges zu orientieren.
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Alle diese Verfahren eignen sich aber nicht, um willkürliche Lenkkommandos
von einer Kommandostelle aus auf die Rudereinrichtung eines zu lenkenden Flugkörpers
bezugsebenenrichtig zu übertragen. Sie setzen nämlich voraus, daß das zu steuernde
Flugzeug einen geraden, auf ein ortsfestes Ziel gerichteten Kurs einzuhalten hat
und darüber hinaus sich nicht um seine Längsachse dreht.
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Ein lenkbarer Flugkörper dagegen muß auch ein ortsbewegliches Ziel
schnellstens erreichen, also entlang einer beliebigen Bahnkurve geführt werden können
und ist in aller Regel rollage- oder rollgeschwindigkeitsstabilisiert, führt also
ständig Rollbewegungen um seine Längsachse aus. Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die bei lenkbaren Flugkörpern bisher zum Zwecke der Definierung einer
Bezugsebene innerhalb des Flugkörpers benutzten Kreisel zu ersetzen.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zur Stabilisierung
und Lenkung eines Flugkörpers von einer außerhalb des Flugkörpers befindlichen Kommandostelle
aus mit Hilfe hochfrequenter elektrischer Schwingungen, die mittels eines aus gekreuzten
Antennen bestehenden Antennensystems in zwei zueinander senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen
von der Kommandostelle abgestrahlt und mittels eines gleichartigen Antennensystems
am Flugkörper empfangen werden, erfindungsgemäß die beiden Antennen des Antennensystems
an der Kommandostelle durch zwei auf gleicher Frequenz arbeitende Sender gespeist
werden, die mit einem mit Lenkkommandos modulierten Hilfsträger moduliert sind,
und daß aus den von den beiden Antennen des empfängerseitigen Antennensystems gelieferten
Hochfrequenzspannungen durch je eine erste Demodulation die modulierten Hilfsträger
gewonnen werden, welche nach je einer zweiten Demodulation mit Hilfe des auf besonderem
Wege dem Flugkörper von der Kommandostelle übermittelten Hilfsträgers als Bezugsschwingung
die Lenkkommandos als auf die Polarisationsebenen bezogenen Signale liefern.
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In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung ist die Frequenz des Hilfsträgers
viele Zehnerpotenzen niedriger als die Frequenz des eigentlichen Trägers gewählt
und entspricht etwa dem höchstzulässigen zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender
Steuerkommandos.
Wie bekannt, bleibt bei der Ausbreitung elektrischer
Meter- und Dezimeterwellen in Richtung vom Erdboden zum Raum bei genügend großem
Erhebungswinkel und Vermeiden von Abstrahlungen in Gegenrichtung mit Reflexionen
an der Erdoberfläche, die von der Sendeantenne bestimmte Polarisationsebene im wesentlichen
erhalten.
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Wird daher ein Sender, dessen Antenne in der einfachsten Form ein
Dipolkreuz ist, auf den abfliegenden Flugkörper gerichtet, so durchsetzen ihn die
Polarisationsebenen des Senders und bezeichnen die entsprechenden erdbezogenen Ebenen.
Dabei ist die zwangläufige Verlängerung der Ebenen nicht davon abhängig, ob die
Polarisationsebenen des Senders irgendwie in bezug auf die Erdoberfläche orientiert
sind oder nicht. Dreht man also das Antennensystem am Boden, so drehen sich die
Ebenen bis zum Flugkörper und darüber hinaus.
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Sind beispielsweise die senkrecht aufeinanderstehenden Steuerebenen
des Flugkörpers zu denen des Senders um den Winkel i, verdreht, so wird ein beliebiges
Steuerkommando dann vom Flugkörper richtig ausgeführt, wenn jeder Punkt P im Koordinatensystem
des Flugkörpers mit dem entsprechenden Punkt P im Koordinatensystem des Senders
übereinstimmt. Ein erdbezogenes zweidimensionales Kommando ist also in ein auf den
Flugkörper bezogenes Kommando zu übersetzen in der Weise, daß Richtung und Betrag
erhalten bleiben, was mit Hilfe der Koordinatentransformation geschieht.
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Alles Nähere über die Erfindung ergibt sich aus der Beschreibung in
Verbindung mit den Zeichnungen, auf denen ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mehr oder minder schematisch dargestellt
ist. Im einzelnen zeigt F i g. 1 die schematische Darstellung der Polarisationsebenen
des Senders, F i g. 2 das um den Winkel c/- gegeneinander verdrehte Koordinatensystem
von Sender und Flugkörper, F i g. 3 die schematische Darstellung der im gekreuzten
Polarisationsfeld befindlichen Antenne ;, F i g. 4 das Blockschaltbild des Senders
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und F i g. 5 das Blockschaltbild
des Empfängers zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Die in F i g.
1 nicht dargestellten Sender erzeugen über eine aus einem rechtwinklig gekreuzten
Dipolpaar bestehenden Antenne Sa zwei senkrecht aufeinanderstehende Polarisationsfelder
Pv und Ph, die den ebenfalls mit einer aus einem rechtwinklig gekreuzten Dipolpaar
bestehenden Antenne Ea versehenen Flugkörper Fk durchsetzen. Wird entgegen der in
F i g. 1 dargestellten Zuordnung von Sendeantenne Sa und Empfangsantenne Ea letztere
um den Winkel" verdreht (vgl. F i g. 2), so gilt für einen beliebigen Punkt P in
dem auf den Flugkörper bezogenen Koordinatensystem #: il, der einen Punkt P in dem
erdbezogenen Koordinatensystem xy entsprechen soll, die Gleichung: x-cosri;+y-sinf
und -x-sin.i,+y-cosri. Wird ein quasi homogenes Feld zwischen Sender und Empfänger
vorausgesetzt. so nimmt das in der Ebene (vgl. F i g. 3) liegende Antennenpaar die
Spannung E#z = (Hx - cos (, -+- Hy - sin rP) - cos OJT - t
und
das andere Antennenpaar die Spannung E,i = (-Hx - sin @i - Hy ' cos
99) - cos (')T - t
aus dem Feld auf. Hierbei ist "»T die Frequenz des
Trägers. Konstante Faktoren sowie die Phasenlage des Trägers sind unberücksichtigt.
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Da für die Steuerung des Flugkörpers jeweils ein eindeutiges zweidimensionales
Signal übertragen werden muß, kann der eine Träger Hx in der einen Ebene nicht einfach
mit x und der andere Träger Hy in der anderen Ebene nicht einfach mit y moduliert
werden, da dann die Feldkomponenten Hx = x-eos()T-tundHY=y-cose)T-t ein resultierendes
Feld der Amplitude 111 x -f- y2 ergeben, das im Flugkörper vorzusehende Empfängerpaar
also nur das Kommando und ri 1 liefern würde, was vierdeutig wäre. Um das
Vorzeichen des Kommandos zu bestimmen, ist daher die Phasenlage des Trägers zu berücksichtigen.
Das geschieht in der Weise, daß ein Hilfsträger eingeführt wird, dessen Frequenz
aus Laufzeitgründen viele Zehnerpotenzen niedriger ist als die des eigentlichen
Trägers.
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Es werden daher beide Träger Hx und Hy mit einer Hilfsfrequenz
(,),i moduliert in der Weise, daß Hx = (1 x ' eos (',H
t) - eos roT ' t
und Hy = (1 -r y - cos (')lt t) - cos
(')T - t
wird, wobei unter x und y Größen zu verstehen sind, die zwischen
-1 und + 1 schwanken in der Art, daß beispielsweise x = 1 Vollkommando nach rechts
bedeutet.
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Werden diese Träger von den im Flugkörper befindlichen Empfängern
empfangen, so werden durch einfache nicht phasenempfindliche Demodulationen die
modulierten Hilfsträger N t = x * cos (,)H t - cos C + y -
cos (, )11 t - sin .t und Nri = -x - cos (,,H t - sin ,i. @--
y - cos o)H t - cos T gewonnen, die nun unter Mitwirkung der auf getrenntem
Wege dem Flugkörper übermittelten Hilfsschwingung a),1, deren Phase trotz Laufzeitschwankungen
genügend genau ist, phasenrichtig demoduliert werden, so daß nunmehr das endgültige
zweidimensionale und eindeutige Kommando t = x-cosrt -#-y-sin@i, und 1i
= -x - sin (i - y - cos ('/ erhalten wird, welches in an sich bekannter Weise
den Steuerorganen des Flugkörpers zugeführt wird.
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Die in F i g. 4 dargestellte, zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignete Sendeeinrichtung besteht beispielsweise aus dem dm-Wellen erzeugenden
Trägeroszillator 1 und dem Hilfsträgeroszillator 2. Der Kommandogeber 3 moduliert
über die Modulatoren 4 und 5 den Hilfsträger, der über die Modulatoren 6 und 7 den
eigentlichen Träger moduliert. Letzterer wird über die Endstufen 8 und 9
dem
Kreuzdipol 10 zugeführt. Der Hilfsträger wird ferner über den Sender 11 urmoduliert
ausgestrahlt, um in oben beschriebener Weise der phasenrichtigen Demodulation des
modulierten Hilfsträgers zu dienen.
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Der im Flugkörper mitzuführende Empfänger besteht aus der Antenne
12 (vgl. F i g. 5), mittels der die Steuerkommandos in Komponenten zerlegt empfangen
werden. Die Demodulatoren 13 und 14 liefern den mit den Steuerkommandos modulierten
Hilfsträger. Der urmodulierte Hilfsträger wird von dem Empfänger 15 empfangen und
in den Demodulatoren 16 und 17 zur phasenrichtigen Demodulation verwendet.
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In analoger Weise kann die Stabilisierung und Lenkung eines Flugkörpers
auch mittels polarisierten Lichts erfolgen.