DE1282986B - Vorrichtung zur Bestimmung der Fluglage und Flughoehe eines Flugkoerpers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOIc

GOIs

Deutsche Kl.: 42 c - 39/15

P 12 82 986.6-52 (B 63701)

18. August 1961

14. November 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fluglage und Flughöhe eines Flugkörpers.

Bei einer bekannten Vorrichtung zur Bestimmung der Fluglage werden Horizontfühler verwendet, die gestützt auf eine parallel zur Längs- und Querachse des Flugkörpers verlaufende Bezugsebene in verschiedenen Richtungen den Horizont anvisieren und ein der entsprechenden Komponente der Winkellage der Bezugsebene gegenüber dem Horizont proportionales Signal liefern, wobei die durch die Winkellage der Bezugsebene definierte Fluglage durch gleichzeitige Auswertung der Signale je eines symmetrisch zu den Achsenrichtungen angeordneten Horizontfühlerpaares unabhängig von der Flughöhe bestimmbar ist. Jedes Horizontfühlerpaar wird dabei von jeweils zwei getrennten Horizontfühlern gebildet, so daß insgesamt vier Horizontfühler vorhanden sind. Im übrigen war bei der Schaffung dieser Vorrichtung zwar der Einfluß der Flughöhe auf die Bestimmung der Fluglage und das Erfordernis der Kompensation dieses Einflusses bereits erkannt worden, jedoch hatte dies noch nicht zu Maßnahmen geführt, um in diesem Zusammenhang auch die Flughöhe zu bestimmen.

Durch die Erfindung wird eine Reduzierung der Anzahl der empfindlichen Horizontfühler erreicht und gleichzeitig auch das Problem gelöst, unter Verwendung der Horizontfühler die Flughöhe zu bestimmen.

In letzterer Hinsicht wird dabei von der an sich bei Sextanten bekannten Höhenbestimmung durch zwei nach gegenüberliegenden Punkten des Horizonts durchgeführte Visuren Gebrauch gemacht.

Erfindungsgemäß ist die eingangs genannte bekannte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Horizontfühlerpaare durch drei Horizontfühler gebildet werden, die in der Bezugsebene derart angeordnet sind, daß ein Horizontfühler beiden Paaren gemeinsam ist; daß zur Bestimmung der Fluglage zwei Differenzverstärker vorgesehen sind, denen die Signale der Horizontfühlerpaare zugeführt werden, und daß zur Bestimmung der Flughöhe ein Summenverstärker vorgesehen ist, dem in Anwendung der an sich bekannten Höhenbestimmung durch zwei nach gegenüberliegenden Punkten des Horizonts durchgeführte Visuren die Signale der alleinstehenden Horizontfühler der Horizontfühlerpaare zugeführt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Ausgangssignale der Differenzverstärker unmittelbar proportional der Fluglage bezüglich der beiden Vorrichtung zur Bestimmung der Fluglage und
Flughöhe eines Flugkörpers

Anmelder:

Barnes Engineering Company, Stamford, Conn.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr. I. M. Maas, Patentanwalt,

8000 München 23, Ungererstr. 25

Als Erfinder benannt:
Walter Stone Poor, New Canaan, Conn.;
Morris Harold Arck, South Norwalk, Conn.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 26. August 1960 (52165)

Achsen, während das Ausgangssignal des Summenverstärkers eine bekannte inverse Funktion der Höhe ist und daher nach entsprechender Eichung als Flughöhensignal verwertbar ist.

Eine Ausfuhrungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch die an sich bekannte Ausbildung jedes Horizontfühlers mit schwingendem Abtastelement, das im Zusammenwirken mit einem Strahlungsdetektor die durch den Horizont gebildete Strahlungsdiskontinuitätsgrenze sucht und ein periodisches Meßsignal bildet, dessen Phasendifferenz gegenüber einem mit der Abtastschwingung synchronen Bezugssignal ein Maß für die Winkellage ist; jedoch in der Abänderung, daß das Meßsignal für eine die Phasendifferenz beseitigende und damit der Winkellage proportionale motorische Nachdrehung eines im Strahlengang angeordneten Drehspiegels eingesetzt wird und daß zusammen mit dem Drehspiegel auch ein Potentiometer verstellt wird, von dem das der Winkellage proportionale Ausgangssignal als Gleichstromsignal abnehmbar ist. Eine solche Ausfuhrungsform bietet den Vorteil, daß bei der Verwendung

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eines bekannten, allerdings nur ein periodisches Meßsignal liefernden Horizontfühlers dennoch das-der Winkellage proportionale Signal ein für die Summen- und Differenzbildung günstigeres Gleichstromsignal ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß infolge der durch die Einstellung der Potentiometer erfolgten Speicherung der Winkelsignale eine nach Maßgabe dieser Winkelsignale arbeitende Lagestabilisierungseinrichtung, auch dann noch im richtigen Sinne weiterarbeitet, wenn die Horizontfühler bei einer ihren Proportionalitätsbereich übersteigenden Lageabweichung des Flugkörpers den Horizont vorübergehend verloren haben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt ' '

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der Horizontfühler,

Fig. 2 eine für die Zwecke der Erfindung besonders geeignete Weiterbildung der"Ausführungsform des Horizontfühlers gemäß Fig.. 1,

Fig. 3 die erfindungsgemäße Anordnung von drei Horizontfühlern, *

Fig. 4 das Blockschaltbild der an die erfindungs-, gemäß angeordneten Horizontfühler angeschlossenen Auswertungsschaltung zur Bestimmung der Fluglage und der Flughöhe. ,.

"In Fig.1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Horizontfühlers der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die als Abtastelement einen hin- und herschwingenden Spiegel 2 aufweist, der auf einem Block 1 angeordnet ist. Die Schwingungsrichtung des Blockes wird.durch einen· Doppelpfeil angedeutet. Der Block, ljst mittels Stellring 5 und Klemmschraube 7 auf einem Torsionsstab befestigt, der aus zwei in einem Winkel von 90° gegeneinander versetzten plattenförmigen Abschnitten 3 und 4 besteht. Die freien Enden dieser plattenförmigen Abschnitte sind mit'Kiemmschrauben 8 in Lagerböcken 6 befestigt. Das Abtastelement wird mit einem Schwingungserzeuger erregt;* der einen Anker 9'und eine Steuerspule 10 aufweist. Eine Meßspule 11 ermöglicht die Gewinnung meines Signals, welches -mit der Schwingung des Abtastelements phasengleich ist. Dieses Signal kann auch noch als Rückkopplungssignal zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenz verwendet werden.

Das Ausgangssignal.der Meßspule 11 wird im übrigen mittels Begrenzüiigsdioden und "einer üblichen automatischen Verstärkerregelung auf konstanter Amplitude gehalten/Zwischen den zwei Begrenzungsdioden und der -automatischen .Verstärkerregelung liegt deshalb ein - elektrisches Signal in dem Stromkreis in Form einer Rechteckwelle von" vorbestimmter Amplitude vor. Dieses Signal wird verstärkt und bildet ein rechteckwellenförmiges Bezugssignal, dessen Verwendung als Vergleichssignal unten beschrieben werden wird.' . .

In Fig. 2 ist der Horizontfühler gemäß Fig. 1 zusammen mit dem -zugehörigen Strahlendetektor dargestellt. Es ist ein Detektor 14, der beispielsweise ein Thermistorbolometer sein kann, das in der dargestellten Weise auf der Linse 15 eingebettet ist, und ein Vorverstärker 16 vorgesehen. Um den Horizont der Erde abzutasten, wird die Linse vorzugsweise aus Germanium bestehen.

Fig. 2.zeigt auch jtipch eine für die Zwecke der Erfindung, besonders'; geeignete Weiterbildung des Horizontfühlers....- '..-".'.,.. .____..

Der Horizontfühler weist ein Fenster 17 auf, das bei waagerechter Fluglage des Flugkörpers auf den Horizont gerichtet ist. Der einfallende Sucherstrahl trifft auf den Drehspiegel 18, der in F i g. 2 in zwei verschiedenen Stellungen dargestellt ist, auf und wird von diesem umgelenkt. Der Spiegel wird mittels eines Zähnsegments 19 und eines Ritzels 20, wie weiter unten erläutert wird, verdreht.

Erfindungsgemäß sind drei Horizontsucher in der aus Fig. 3 ersichtlichen Anordnung relativ zu der Längs- und Querachse des Flugkörpers, die mit gestrichelten Linien eingetragen sind, angeordnet. Dabei sind die Fühler paarweise symmetrisch zu diesen Achsen orientiert, d. h. die Horizontfühler 4 und B sind beispielsweise zur Längsachse L symmetrisch und die Horizontfühler B und C zur Querachse Q symmetrisch angeordnet. Bei dieser Anordnung ist also der Horizontfühler B jedem der beiden Paare gemeinsam.

In Fig. 4 ist die an die Horizontfühler angeschlossene Schaltung zur Auswertung der von den Horizontfühlern erzeugten Signale dargestellt. Die den einzelnen Horizontfühlern zugeordneten Komponen-r ten der elektrischen Schaltung sind durch die Buchstabend, B und C angedeutet. Jeder einem Horizontfühler zugeordnete Detektorkreis hat einen Detektor 14, einen Vorverstärker 16, einen Gleichstrom-Potenfialabgleicher 21, einen Amplitudenbegrenzer 22 und einen Differenzverstärker 23. An einem Eingang jedes dieser Differenzverstärker liegt das Detektorsignal_r und an dem anderen Eingang jedes dieser Differenzverstärker liegt das rechteckwellenförmige Bezugssignal, das mit der Meßspule 11 abgetastet; wird und dessen Erzeugung bereits erläutert wurde. Die Ausgänge der Differenzverstärker liegen an Motoren 24, deren Wicklungen 25 Mittelabgriffe 25 aufweisen. Jeder dieser Motoren treibt ein entsprechendes Ritzel 20 des Horizontfühlers, in dem er. sich· befindet, an. Jeder Motor ist außerdem mit einem Signalpotentiometer 26 gekoppelt. Diese Signalpotentiometer 26^,. 265 und 26 C liegen mit einem Ende an einer Gleichspannung, von 20 Volt und mit ihrem anderen Ende an Erde. Zwei Differenzverstärker 27 und 28 liegen an den Abgriffen der Potentiometer 26.4 und 26 B bzw. 26 B und" 26 C. Die Abgriffe der Potentiometer 26^4 und 26 C bilden darüber hinaus den Eingang, eines Summenverstärkers 29.

Im Betrieb sei zunächst angenommen, daß der Flugkörper, ,beispielsweise ein Satellit, »waagerecht« fliegt. In diesem Fall sind die drei Horizontfühler auf den Horizont zentriert. Jeder Detektor erzeugt ein rechteckwellenförmiges Signal, das in dem entsprechenden-Verstärker 16 verstärkt, im Abgleicher 21, auf das gleiche Gleichstrombezugspotential gebracht und vermittels des Amplitudenbegrenzers 22 begrenzt wird, so daß jede der Rechteckwellen eine gleiche Amplitude besitzt und die Impulsbreite der Wellen gleich ist. Wenn diese Wellen in den Differenzverstärkern 23 mit der Bezugsrechteckwelle verglichen werden, werden sie bei waagerechter Fluglage genau kompensiert, und kein Steuersignal wird erzeugt. Dementsprechend dreht sich keiner der Motoren 24_? und die Stellung der Gleitkontakte auf jedem der Potentiometer 26 bleibt in der dem· waagerechten Flug entsprechenden Stellung, die gewöhnlich etwa die Mittelstellung ist. Die Eingangssignale an jedem der Differenzverstärker 27 und 28 sind deshalb gleich groß, und kein Verstärker erzeugt deshalb ein Aus-

gangssignal. Hingegen stellt die Stimme der Signale an den Ausgängen der Potentiometer 26^4 und 26 C ein Maß dar, welches eine Funktion der Abmessung des Horizonts in der Sicht der gegenüberliegenden Horizontfühler A und C (F i g. 3) ist. Die Abmessung ist eine inverse Funktion der Höhe, und deshalb erzeugt der Summenverstärker 29 ein Signal, das ebenfalls eine inverse Funktion der Höhe ist. Die Fühler A und C können deshalb in waagerechter Fluglage als Höhenmesser dienen.

Im weiteren Betrieb soll angenommen werden, daß sich der Flugkörper etwas um seine Längsachse dreht. Die Signale der Detektoren der Horizontfühler A und B verändern sich, und nachdem die Motoren die dazugehörigen Spiegel 18 in Stellungen verdreht haben, in denen die Abtastelemente wiederum auf den Horizont zentriert sind, wird kein Ausgangssignal aus den Differenzverstärkern 28 erhalten, jedoch der Differenzverstärker 27 erzeugt ein Ausgangssignal mit einer Polarität, die der Richtung ao entspricht, in der sich der Flugkörper verdreht hat. Dieses Abweichsignal betätigt dann eine Lagestabilisierungseinrichtung, um den Flugkörper in die waagerechte Fluglage zurückzudrehen, in der die Spannungen der Potentiometer 26 ^4 und 26 B wieder gleich sind und kein Ausgangssignal von dem Verstärker 27 erzeugt wird. Wenn im Gegensatz hierzu der Flugkörper sich um die Querachse dreht, werden dieselben Ergebnisse erhalten, mit Ausnahme, daß die Potentiometer 26^4 und 26 C verstellt werden und daraus ein Ausgangssignal an dem Differenzverstärker 28 entsteht.

Schließlich soll angenommen werden, daß der Flugkörper waagerecht fliegt, jedoch seine Höhe ändert. Wenn sich die Höhe ändert, sind alle drei Horizontfühler nicht mehr auf den Horizont zentriert. Dadurch entstehen in allen drei Verstärkern 23 Signale, und alle drei Motoren werden in Drehung versetzt, jedoch sie drehen sich in derselben Richtung und um denselben Betrag. Während deshalb die Spannungen der Potentiometer 26 verschieden in bezug auf die zentrierte Stellung des Abtastelements sind, sind sie untereinander alle gleich, so daß kein Ausgangssignal an den Differenzverstärkern 27 und 28 erhalten wird. Die Absolutwerte der Ausgangssignale der Potentiometer 26^4 und 26 C ändern sich jedoch. Sie werden beide größer, wenn die Höhe abnimmt, oder kleiner, wenn die Höhe zunimmt. Infolgedessen erzeugt der Summenverstärker 29 ein unterschiedliches Ausgangssignal, und dieses Signal zeigt eine verschiedene Höhe auf einem angeschlossenen Anzeigeinstrument an.

Eine weitere Möglichkeit, die jedoch normalerweise in der Praxis, wenigstens nachdem der Flugkörper seine anfänglich waagerechte Fluglage erreicht hat, nicht vorkommt, soll noch im Zusammenhang mit der Ausführungsform des Horizontsuchers gemäß F i g. 2 erörtert werden. Angenommen, daß die Stellungen des Flugkörpers um die Längsachse oder die Querachse sich so stark ändern, daß einer oder mehrere der Horizontsucher den Horizont gänzlich verliert, und angenommen, daß die Bewegung um die Querachse so groß ist, daß im Gesichtsfeld des Detektors B nur die Erde und im Gesichtsfeld des Detektors C nur der Himmel erscheint, führt dies dazu, daß die Potentiometer 26 B und 26 C in Extremstellungen verstellt werden, eines in einer maximalen und eines in einer minimalen Extremstellung. Der Verstärker 27 erzeugt dabei ein sehr großes Abweichsignal mit einer Polarität, die die Lagestabilisierungseinrichtung veranlaßt, den Flugkörper in einer Richtung zu bewegen, daß er die waagerechte Fluglage wieder erreicht. Während ein solches Ereignis im allgemeinen in einer stabilen Fluglage des Flugkörpers, wenn beispielsweise der Flugkörper einmal sich auf seiner Umlaufbahn befindet, in der die Abweichungen von der waagerechten Fluglage sehr klein sind und sehr langsam vor sich gehen, nicht stattfindet, ist dies jedoch möglich, bevor die waagerechte Fluglage einer Satellitenumlaufbahn erreicht wird, oder bei anderen Flugkörpern, die größeren Drehbewegungen ausgesetzt sind. In diesem Falle sind Horizontsucher, die den Horizont immer im Blickfeld behalten müssen, um brauchbare Anzeigen zu geben, nicht in der Lage, das geeignete Rückstellsignal zu erzeugen. Es ist ein Vorteil der mit speichernden Potentiometern versehenen Ausführungsform gemäß F i g. 2, daß unabhängig von der Größe der Abweichung aus der normalen Fluglage die Horizontsucher zuverlässig in einer Richtung arbeiten, in der der Flugkörper wieder in die waagerechte Fluglage zurückgebracht wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Fluglage und Flughöhe eines Flugkörpers mittels Horizontfühlern, die gestützt auf eine parallel zur Längs- und Querachse des Flugkörpers verlaufende Bezugsebene in verschiedenen Richtungen den Horizont anvisieren und ein der entsprechenden Komponente der Winkellage der Bezugsebene gegenüber dem Horizont proportionales Signal liefern, wobei die durch die Winkellage der Bezugsebene definierte Fluglage durch gleichzeitige Auswertung der Signale je eines symmetrisch zu den Achsrichtungen angeordneten Horizontfühlerpaares unabhängig von der Flughöhe bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Horizontfühlerpaare durch drei Horizontfühler (A, B, C) gebildet werden, die in der Bezugsebene derart angeordnet sind, daß ein Horizontfühler (B) beiden Paaren gemeinsam ist; daß zur Bestimmung der Fluglage zwei Differenzverstärker (27 bzw. 28) vorgesehen sind, denen die Signale der Horizontfühlerpaare (A, B bzw. B, C) zugeführt werden, und daß zur Bestimmung der Flughöhe ein Summenverstärker (29) vorgesehen ist, dem in Anwendung der an sich bekannten Höhenbestimmung durch zwei nach gegenüberliegenden Punkten des Horizonts durchgeführte Visuren die Signale der alleinstehenden Horizontfühler (A, C) der Horizontfühlerpaare zugeführt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die an sich bekannte Ausbildung jedes Horizontfühlers mit schwingendem Abtastelement, das im Zusammenwirken mit einem Strahlungsdetektor die durch den Horizont gebildete Strahlungsdiskontinuitätsgrenze sucht und ein periodisches Meßsignal bildet, dessen Phasendifferenz gegenüber einem mit der Abtastschwingung synchronen Bezugssignal ein Maß für die Winkellage ist; jedoch in der Abänderung, daß das Meßsignal für eine die Phasendifferenz beseitigende und damit der Winkellage proportionale

motorische Nachdrehung eines im Strahlengang angeordneten Drehspiegels (18) eingesetzt wird und daß zusammen mit dem Drehspiegel auch ein Potentiometer (26) verstellt wird, von dem das der Winkellage proportionale Ausgangssignal als Gleichstromsignal abnehmbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 251558, 554031, 016,844076;

USA.-Patentschrift Nr. 2 740 961; Electronics, Bd. 34, Nr. 2 vom 13.1.1961, S. 104

und 106.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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