DE19630562A1 - Bordeinrichtung zur Erfassung von Positionsinformationen eines Fernlenkkörpers und zugehörige Kontrollstation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Anwendung des globalen Positio­ nierungssystems (GPS, Global Positioning System) und ins­ besondere die Verfolgung von Fernlenk- bzw. Flugkörpern wie beispielsweise von Geschossen.

Bekanntlich ermöglicht das GPS-System jedem Anwender, der mit einem geeigneten Empfänger ausgestattet ist, seine Position an jedem Punkt der Erde festzustellen.

Die Anwendung dieses Systems erstreckt sich derzeit auf zahlreiche Gebiete, insbesondere auf Luft-, See- und auch erdgebundenen Verkehr.

Das System GPS besteht aus einer Anordnung von Satelliten, die Positionssignale aus senden und sich auf festgelegten Umlaufbahnen bewegen. In jedem Augenblick befinden sich mehrere Satelliten im unmittelbaren Sichtfeld eines jeden GPS-Empfängers, der durch Vergleich der Phasen der Träger­ wellen der empfangenen Signale in der Lage ist, seine Po­ sition mit einer vorbestimmten Genauigkeit zu berechnen.

Es werden gegenwärtig zwei Genauigkeitsklassen bzw. -be­ triebsarten angeboten: der Standard-Positionierungsservice (SPS, Standard Positioning Service) bietet für zivile An­ wendungen eine Genauigkeit von einigen hundert Metern, während der Präzisions-Positionierungsservice (PPS, Preci­ se Positioning Service) für militärische Anwendungen eine deutlich bessere Genauigkeit anbietet. Diese letztgenannte Klasse erfordert die Verwendung spezieller integrierter Schaltkreise, die nicht frei auf dem Markt erhältlich sind und die unter anderem verschlüsselte GPS-Signale verwen­ den, die gegenüber dem Funkrauschen wesentlich weniger empfindlich sind.

Im vorliegenden Fall dient der GPS-Empfänger der Verfol­ gung von Fernlenkkörpern ausgehend von Positionsinforma­ tionen, die dieser liefert. Diese Verfolgung ermöglicht beispielsweise, die Flugbahn einer Raketensonde festzu­ stellen oder auch, wie dies bei dem speziellen Problem, das die Anmelderin lösen wollte, der Fall ist, einen Flug­ körper fernzulenken.

Ein Flugkörper bzw. ein Geschoß, das in Richtung auf ein Ziel abgeschossen ist, muß nämlich gelenkt werden, damit eventuelle Bewegungen des Ziels verfolgt und auch eigene Bahnfehler ausgeglichen werden können. Für diese Lenkung wird häufig eine Fernlenkung bevorzugt, wobei eine Bedie­ nungsperson oder ein Rechner einer Abfeuerungsstation fortlaufend die jeweiligen Positionen des Ziels und des Geschosses erfaßt und über eine Fernlenk-Aufwärtsverbin­ dung die Bahnkorrekturbefehle an dieses weitergibt.

Es sei ein Geschoß bzw. ein Flugkörper mit einem eingebau­ ten GPS-Empfänger betrachtet. Die Fernlenkung wird dann ausgehend von durch den GPS-Empfänger gelieferten Posi­ tionsinformationen über eine Abwärtsverbindung durchge­ führt. Hierbei besteht das Problem, daß ein Empfänger für zivile Anwendungen nicht genau genug ist, aber daß ande­ rerseits bei einem Empfänger für militärische Anwendungen die Kosten des Flugkörpers steigen und außerdem das nicht hinnehmbare Risiko besteht, daß die Entschlüsselungsschal­ tungen in die Hände des Gegners fallen, falls das Geschoß nicht explodieren sollte.

Um die Position des Flugkörpers mit Genauigkeit zu bestim­ men, besteht eine bekannte Lösung darin, zwei GPS-Empfän­ ger der zivilen Klasse differentiell zu verwenden, wobei der eine eingebaut ist und der andere an der Abschußsta­ tion sitzt, wo er eine genau bekannte Position hat. Durch Vergleich dieser Position mit der durch den an der Station befindlichen GPS-Empfänger gelieferten Position liefert die letztgenannte den Fehler bzw. die Verzerrung, mit der die GPS-Informationen behaftet sind, wobei dieser Fehler als im wesentlichen konstant in der gesamten betrachteten Region angenommen wird. Die Station korrigiert daher in diesem Maße die durch den eingebauten GPS-Empfänger gelie­ ferte Position.

Wenn diese als "differentielles GPS" bezeichnete Lösung auch die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Flugkör­ pers wirksam verbessert, läßt doch die Verwendung von GPS- Signalen der zivilen Klasse zu wünschen übrig, was den Schutz des Empfängers gegen Funkrauschen betrifft, wodurch die Phase der Signale verfälscht wird und sogar die Signa­ le verdeckt werden können. Außerdem bleiben die Kosten des Materials, insbesondere des an Bord befindlichen, hoch.

Die Anmelderin hat sich daher insgesamt die Aufgabe ge­ stellt, die Unempfindlichkeit der GPS-Empfangsschaltungen gegenüber Funkrauschen zu verbessern und die Kosten des an Bord befindlichen Materials zu begrenzen, ohne dadurch die Genauigkeit oder Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Eine bekannte Lösung bestand darin, die GPS-Signale so wie sie sind vom Flugkörper zur Station über eine Breitband­ funkverbindudng zurückzuübertragen, um sie dort in einem Empfänger der militärischen Klasse weiterzuverarbeiten. Diese Lösung ist allerdings nur für sehr kurze Schießwei­ ten möglich, da in entfernteren Bereichen die Leistung des von der Station empfangenen Signals ungenügend ist, um das Funkrauschen unterhalb eines akzeptablen, relativen Ni­ veaus zu halten. Da aber die notwendige Bandbreite sehr groß ist, stellt das zugehörige Rauschen eine beträchtli­ che Energie dar. Die Anmelderin hat daher den Gedanken gehabt, die Bandbreite auszunutzen, die eine die Station mit dem Flugkörper verbindende optische Faser zur Fernlen­ kung bietet.

Da die zur Verfügung stehende Bandbreite eine Größenord­ nung über den Erfordernissen der Fernlenkung liegt, hat die Anmelderin an eine Ausnutzung zur Verlagerung der in dem Flugkörper erfaßten GPS-Signale gedacht, um sie in den PPS-Schaltkreisen des militärischen Typs in der Station zu verarbeiten.

Die erfindungsgemäße Lösung der vorgenannten Aufgabe be­ steht aus einer Einrichtung, die zum Einbau an Bord eines Fernlenkkörpers bestimmt ist, um Informationen über seine Position aufzunehmen und diese an eine Kontrollstation zu übertragen, wobei die Einrichtung eine Empfangsvorrichtung für GPS-Signale und eine Sendevorrichtung zum Zurücküber­ tragen der GPS-Signale zur Kontrollstation aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung einen opti­ schen Sender umfaßt, der mit einem Endabschnitt einer op­ tischen Faser zu verbinden ist, die den Fernlenkkörper mit der Station verbindet, wobei die Empfangsvorrichtung einen Funkkopf zum Empfang von GPS-Signalen aufweist, der unmit­ telbar an den optischen Sender angeschlossen ist.

Ein Verdienst der Anmelderin besteht darin, daß sie sich die oben angegebene, allgemeine Aufgabe gestellt hat, wäh­ rend die unterschiedlichen Anforderungen an sich unverein­ bar waren. Ein weiteres Verdienst besteht in der Ausnut­ zung der großen Bandbreite der optischen Faser, um diese zwischen den Funkkopf und die Verarbeitungseinrichtung der Kontrollstation zu schalten und auf diese Weise einen gu­ ten Kompromiß zu finden, der ebenso die Rückaussendung der GPS-Signale als solche wie auch den Einbau von Entschlüs­ selungsschaltungen vermeidet.

Man hat auf diese Weise mit einer begrenzten, an Bord be­ findlichen Einrichtung die Präzision und die Unempfind­ lichkeit gegenüber Rauschen von GPS-Signalen der militäri­ schen Klasse. Die optische Faser gewährleistet außerdem die Unempfindlichkeit der übertragenen Informationen ge­ genüber Rauschen.

Vorteilhafterweise ist ein Abtastzeitgeber an Bord des Fernlenkkörpers eingebaut und dem Funkkopf und dem opti­ schen Sender zugeordnet.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kontrollstation für die Verfolgung der Bewegungsbahn eines Fernlenkkörpers, mit einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen von GPS-Infor­ mationen von einer in dem Fernlenkkörper eingebauten Ein­ richtung und zum Übertragen zu einer Verarbeitungseinrich­ tung, die dafür eingerichtet ist, daraus eine Position des Fernlenkkörpers zu bestimmen, wobei die Station dadurch gekennzeichnet ist, daß die Empfangsvorrichtung einen op­ tischen Empfänger aufweist, der mit einem Endabschnitt einer optischen Faser zu verbinden ist, die die Station mit dem Fernlenkkörper verbindet und an die Verarbeitungs­ vorrichtung angeschlossen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung und der erfindungsgemäßen Kontrollstation unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben, wobei:

Fig. 1 schematisch die Station und einen die Einrichtung tragenden Fernlenkkörper zeigt, und

Fig. 2 ein Blockschema der erfindungsgemäßen Einrichtung und der mit der Station zusammenhängenden Schalt­ kreise zeigt.

Die Kontrollstation 1, die sich hierbei ortsfest am Boden befindet, gewährleistet in diesem Beispiel die Verfolgung und Fernlenkung eines Fernlenkkörpers 10 über eine Verbin­ dung 2. Eine Einrichtung 11 ist in dem Fernlenkkörper 10 eingebaut, um dessen GPS-Positionsinformationen aufzuneh­ men und sie über die Verbindung 2 an die Station 1 zu übertragen.

Die Verbindung 2 ermöglicht eine bidirektionelle Übertra­ gung von Signalen, um in absteigender Richtung die Posi­ tionsinformationen des Fernlenkkörpers 10 an die Station 1 zu übertragen und in aufsteigender Richtung die Fernlenk­ befehle des Fernlenkkörpers 10 zur Bewegung auf ein Ziel 20 zu übertragen, dessen Position ständig durch ein zu der Station 1 gehöriges Radar 21 bestimmt wird.

In diesem Beispiel ist die Verbindung 2 vom Leitungstyp, d. h. sie ist unempfindlich gegenüber Funkstörungen bzw. -rauschen und weist ein Kabel mit optischen Fasern auf, das sich frei aus dem Fernlenkkörper 10 entrollt bzw. zwischen diesem und der Station spannt, während sich der Körper von der Station 1 entfernt.

Um Positionsinformationen zu liefern, enthält die Einrich­ tung 11, wie in Fig. 2 dargestellt ist, einen Kopf 12 zum Empfang von Radio- bzw. Funkfrequenzen und zur Frequenzwandlung der GPS-Signale (zwischen 1 und 2 Giga­ hertz), in dem durch Überlagerung mit einem analogen Zeit­ gebersignal, das durch einen Oszillator mit lokaler Fre­ quenz von einer lokalen Zeitbasis 13 erzeugt wird, die Frequenz des durch die Antenne des Kopfes 12 empfangenen GPS-Funksignalspektrums gesenkt wird. Die Signale werden anschließend unter der Steuerung von digitalen, von der Zeitbasis 13 abgegebenen Zeitgebersignalen zyklisch abge­ tastet und in einem Analog/Digitalwandler 14 in digitale Form umgewandelt, um auf der Faser 2 über ein optisches Sende-/Empfangsinterface 15 ausgesendet zu werden. Ein optischer Sender des Interface 15 sendet die digitalen Signale im Takt eines Zeitgebersignals, das von der Zeit­ basis 13 stammt.

Die Schaltkreise 12 bis 14 stellen somit insgesamt einen Funkkopf mit digitalem Ausgang dar, der aus den GPS-Signa­ len die Positionsinformationen aussortiert, die darin ent­ halten sind, und sie unmittelbar an den Sender des Inter­ face 15 weiterleitet, von wo sie zur weiteren Verarbeitung an die Station 1 weiterübertragen werden.

In diesem Beispiel ist in der Einrichtung 11 weiterhin eine Trägheitsnavigationseinheit 16 vorgesehen, die mit dem Interface 15 verbunden ist, um Position, Geschwindig­ keit und Höhe des Fernlenkkörpers 10 an die Station 1 wei­ terzugeben.

In der Station 1 ist ein optisches Interface 3, ähnlich dem Interface 15, an die Faser 2 angeschlossen und weist einen Empfänger auf, der die GPS-Informationen, die von der Einrichtung 11 kommen, an eine Signalverarbeitungsein­ heit 4 weiterleitet, die zu einer Entschlüsselungseinheit 5 für GPS-Signale der militärischen Klasse PPS (im Gegen­ satz zur zivilen Klasse SPS) gehört.

Die Entschlüsselungseinheit 5 enthält in bekannter Weise Schaltkreise mit eingespeichertem Schlüssel zur Entschlüs­ selung der empfangenen PPS-Signale, um sie in unverschlüs­ selter Form wiederherzustellen. Die entschlüsselten Signa­ le werden an einen Rechenblock 6 weitergeleitet, der sie einer logischen Verarbeitung unterzieht, d. h. Position und Geschwindigkeit des Fernlenkkörpers 10 in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt.

Ein Rechner 7 erhält vom Rechenblock 6 die neuesten Infor­ mationen und vergleicht sie mit denen, die vom Radar 21 geliefert werden, um die Fernlenkbefehle des Fernlenkkör­ pers 10 zu berechnen, damit das Ziel 20 verfolgt wird und die Bahnabweichungen des Körpers 10 korrigiert werden.

Die Informationen der Einheit 16 dienen insbesondere dazu, eventuelle Empfangsaussetzer der GPS-Signale durch den Kopf 12 zu überbrücken und die Lage des Fernlenkkörpers 10 anzugeben.

Der Rechner 7 schickt dann die Fernlenkbefehle zur Betäti­ gungseinrichtung 18 an Bord des Fernlenkkörpers 10, und zwar über das Interface 3, die Faser 10, das Interface 15 und einen Empfänger 17 der Einrichtung 11, wodurch die Aufbereitung der Befehle gewährleistet wird.

Die Einheiten 12 bis 14 und 4 bis 6 sind übliche Bestand­ teile eines GPS-Empfängers von militärischem Typ und wer­ den daher nicht im einzelnen beschrieben.

Die optische Verbindung 2 hat eine Bandbreite in Abwärts­ verbindung von ungefähr 200 Megabit/s, um die unterschied­ lichen Positionsinformationen zu übertragen. Die Aufwärts­ verbindung benötigt nur eine wesentlich schmalere Band­ breite. Sie überträgt auch die Befehle zur Auswahl von in den empfangenen GPS-Signalen enthaltenen Informationen, beispielsweise die Wahl der Signale auf einer oder zwei der von den Satelliten kommenden Trägerfrequenzen.

In bekannter Weise ist die Faser 2 eine Einmodenfaser, die über einen Multiplexer/Demultiplexer mit Wellenlängen, die in jedem Interface 3 und 15 die Kopplung der Laserdiode und des zugehörigen Empfängers an die Faser 2 gewährlei­ sten, mit Lasereffekt-Sendedioden zusammengeschaltet ist.

Die physikalische Synchronisation (Bit) eines jeden opti­ schen Empfängers auf die empfangenen Daten und die logi­ sche Synchronisation (Raster) auf die Meldungen der Posi­ tionsinformation oder der Fernlenkbefehle wird in bekann­ ter Weise ausgeführt, und zwar durch Erfassung der opti­ schen Impulsfront bzw. durch Erfassung des logischen Grundmusters der Synchronisation.

In diesem Beispiel werden die vom Empfangskopf 12 ausge­ henden GPS-Signale digitalisiert (14), um ein besonders hohes Niveau an Unempfindlichkeit gegenüber Sendestörungen zu erreichen. Es hätte an dieser Stelle auch eine einfache Verstärkung (elektrisch oder optisch) des vom Empfangskopf 12 kommenden Analogsignals vorgesehen sein können. Als weitere Alternative könnte die Zeitbasis 13 in der Station 1 angeordnet sein.

In einer alternativen Ausführungsform kann der Sender des Interface 15 am Eingang einen Sequenzer aufweisen, um in einem RAM-Pufferspeicher, der FIFO-artig (erstes hinein/­ erstes heraus) arbeitet, die aus dem Wandler 14 kommenden Informationen zeitweise zu speichern, bevor sie gelesen werden, um sie mit reduzierter Übertragungsgeschwindigkeit auf der Verbindung 2 auszusenden. In diesem Fall verarbei­ tet man nur die GPS-Signale, die während sich zyklisch wiederholender Zeitfenster empfangen werden, mit einem gegebenen zeitlichen Formfaktor in jeder Wiederholungspe­ riode, was ermöglicht, in diesem Maße die Übertragungsge­ schwindigkeit auf der Verbindung 2 in Abwärtsrichtung zu senken.

Es kann außerdem vorgesehen sein, daß die Zeitbasis 13 zyklisch eine Mitteilung zur Angabe der Absolutzeit ab­ gibt, die zu den Informationen gehört, welche von den in diesem Augenblick durch den Kopf 12 empfangenen GPS-Signa­ len stammt, wodurch eine elektronische Identifizierung gebildet wird, die es den Verarbeitungsschaltungen 4 bis 7 ermöglicht, die Positionsinformationen exakt der Zeit zu­ zuordnen, und zwar unabhängig von der logischen Verzöge­ rung in den Schaltkreisen der Einrichtung 11 und der ana­ logen, veränderlichen Verzögerung in der Faser 2.

Um die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Fernlenk­ körpers 10 weiter zu verbessern, kann vorgesehen sein, daß die Verarbeitungseinrichtung 4 bis 6 der Station 1 mit einem weiteren GPS-Empfänger bekannter Position zusammen­ wirkt, um im Differentialmodus zu arbeiten und eine Kor­ rektur zu bestimmen, die auf die aufgrund der durch die Einrichtung 11 gelieferten GPS-Informationen bestimmte Positionen des Fernlenkkörpers 10 anzuwenden ist.

Im übrigen könnte die Station selbstverständlich auch mo­ bil sein und insbesondere an Bord eines Luftfahrzeugs un­ tergebracht sein, und der Fernlenkkörper, der die Einrich­ tung trägt, könnte sich ebenso auf dem Lande oder auf dem bzw. im Wasser fortbewegen.

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprü­ chen und der beiliegenden Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (6)

1. Einrichtung, die zum Einbau an Bord eines Fernlenkkör­ pers (10) bestimmt ist, um Informationen über dessen Posi­ tion aufzunehmen und diese an eine Kontrollstation (1) zu übertragen, wobei die Einrichtung eine Empfangsvorrichtung für GPS-Signale und eine Sendevorrichtung zum Zurücküber­ tragen der GPS-Signale zur Kontrollstation (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung einen optischen Sender (15) umfaßt, der mit einem Endabschnitt einer optischen Faser (2) zu verbinden ist, die den Fern­ lenkkörper (10) mit der Station (1) verbindet, wobei die Empfangsvorrichtung einen Funkkopf (12) zum Empfang von GPS-Signalen aufweist, der unmittelbar an den optischen Sender (15) angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtastzeitgeber (13) an Bord des Fernlenkkörpers (10) eingebaut und den Funkkopf (12) und dem optischen Sender (15) zugeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Trägheitsnavigationseinheit (16) vor­ gesehen ist, die mit der Sendevorrichtung (15) verbunden ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sequenzervorrichtung vorgesehen ist, um die gewonnenen Informationen in einem Pufferspei­ cher abzulegen, bevor sie über die Verbindung (2) mit re­ duzierter Übertragungsgeschwindigkeit gesendet werden.

5. Kontrollstation zum Verfolgen der Bewegungsbahn eines Fernlenkkörpers (10), mit einer Empfangsvorrichtung (3) zum Empfangen von GPS-Informationen von einer in dem Fern­ lenkkörper (10) eingebauten Einrichtung (11) und zum Über­ tragen zu einer Verarbeitungseinrichtung (4-6), die dafür eingerichtet ist, daraus eine Position des Fernlenkkörpers (10) zu bestimmen, wobei die Station (1) dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Empfangsvorrichtung einen optischen Empfänger (3) aufweist, der mit einem Endabschnitt einer optischen Faser (2) zu verbinden ist, die die Station (1) mit dem Fernlenkkörper (10) verbindet und an die Verarbei­ tungsvorrichtung (4-6) verbunden ist.

6. Kontrollstation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verarbeitungseinrichtung (4-6) mit einem wei­ teren GPS-Empfänger an einer bekannten Position zusammen­ wirkt, um eine Korrektur zu bestimmen, die auf die Posi­ tion des Fernlenkkörpers (10) anzuwenden ist, welche auf­ grund der durch die Einrichtung (11) gelieferten GPS-In­ formationen bestimmt worden ist.