DE19857895A1 - Guiding, navigation and control system for missiles - Google Patents

Guiding, navigation and control system for missiles

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DE19857895A1
DE19857895A1 DE19857895A DE19857895A DE19857895A1 DE 19857895 A1 DE19857895 A1 DE 19857895A1 DE 19857895 A DE19857895 A DE 19857895A DE 19857895 A DE19857895 A DE 19857895A DE 19857895 A1 DE19857895 A1 DE 19857895A1
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steering
navigation
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missile
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Uwe Krogmann
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Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
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Abstract

Bei einem Lenk-, Navigations- und Regelsystem für Flugkörper sind Sensor- und Signalverarbeitungsmittel im Flugzeug und Sensor- und Signalverarbeitungsmittel im Flugkörper durch signalübertragende Mittel zu einem System für die Lenkung, Navigation und Regelung des Flugkörpers integriert. Zu diesem Zweck stehen die flugzeugseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel und die flugkörperseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel über eine Schnittstelle im Startgerät miteinander in Datenaustausch. Weiterhin stehen die flugzeugseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel und die flugkörperseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel über drahtlose Datenübertragungsmittel ("Data-Link") miteinander in Datenaustausch.In a guidance, navigation and control system for missiles, sensor and signal processing means in the aircraft and sensor and signal processing means in the missile are integrated by signal-transmitting means to form a system for the guidance, navigation and control of the missile. For this purpose, the aircraft-side sensor and signal processing means and the missile-side sensor and signal processing means are in data exchange with one another via an interface in the starter. Furthermore, the aircraft-side sensor and signal processing means and the missile-side sensor and signal processing means are in data exchange with one another via wireless data transmission means (“data link”).

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenk-, Navigations- und Regelsystem für Flugkörper.The invention relates to a steering, navigation and control system for missiles.

1. Gesamtsystem1. Overall system

Bei der Auslegung zukünftiger taktischer Flugkörper mittlerer Reichweite zur Luftverteidigung gegen moderne, hochmanövrierfähige Ziele müssen die folgenden Probleme in einem integrierten Ansatz gelöst werden:
When designing future medium-range tactical missiles for air defense against modern, highly maneuverable targets, the following problems must be solved in an integrated approach:

  • - Gewinnung von Informationen über Ziele und deren Bewegung sowie Störmaßnahmen,- Obtaining information about goals and their movement as well Trouble shooting,
  • - Bewertung der Informationen und Treffen situationsbedingter Entscheidungen,- assessment of information and making decisions based on the situation,
  • - Erzeugung von Kommandosignalen zur optimalen Lenkung des Flugkörpers auf das Ziel,- Generation of command signals for optimal guidance of the missile the goal,
  • - schnelle und robuste Regelung des dynamischen Verhaltens des Flugkörpers im gesamten Einsatzbereich unter Berücksichtigung von Störmaßnahmen.- Fast and robust control of the dynamic behavior of the missile in the entire area of application taking into account malfunction measures.

Jedes der vier genannten Probleme ist nichtlinear, zeitvariabel und unsicher bezüglich der bei der Lösung zu treffenden Annahmen. Die Lösung der Gesamtproblematik führt zu einem komplexen integrierten Lenksystem, wie es in Fig. 1 als Blockdiagramm dargestellt ist.Each of the four problems mentioned is non-linear, time-variable and uncertain about the assumptions to be made in the solution. The solution to the overall problem leads to a complex integrated steering system, as shown in FIG. 1 as a block diagram.

Dort ist zunächst auf der linken Seite in stark vereinfachter Form das Flugzeug als Träger des Flugkörpers mit seinen wichtigsten Missionssensoren sowie den Funktionselementen
There is initially on the left in a greatly simplified form the aircraft as the carrier of the missile with its most important mission sensors and the functional elements

  • - bordautonome Navigation (GPS/INS)- Autonomous navigation (GPS / INS)
  • - Ziel-Detektion, -Identifikation und -Verfolgung- Target detection, identification and tracking
  • - Missionsplanung und Kontrolle- Mission planning and control
  • - Kommunikation (MIDS optional)- Communication (MIDS optional)

gezeigt.shown.

Der Flugkörper ist während des Tragfluges über das Launcher-Interface mit der Flugzeug Missions-Avionic verbunden. Eine Daten-Link Einheit ermöglicht nicht nur die Fortsetzung (eingeschränkt) der Kommunikation Flugzeug - Flugkörper nach dem Abschluß, sondern auch das "Third Party Targeting". Dabei wird für eine vernetzte Multi-Flugzeug/Multi-Flugkörper Strike Package Konfiguration die Möglichkeit geschaffen, daß ein geringer bedrohtes als das abschießende Flugzeug die Kommunikation (z. B. Zielzuweisung, Zieleinweisung) mit dem freifliegenden Flugkörper übernehmen kann.The missile is connected to the aircraft via the launcher interface during flight Mission Avionic connected. A data link unit does not only enable that Continuation (limited) of aircraft - missile communication after the Conclusion, but also the "third party targeting". It is for a networked Multi-aircraft / multi-missile strike package configuration the possibility created that a less threatened than the shooting aircraft Communication (e.g. target assignment, target instruction) with the free-flying Missile can take over.

Aufgabe des Flugkörpers ist es, Luftziele (groß/klein, langsam/schnell, agil, stealthy etc.) zu zerstören, und zwar
The missile's task is to destroy air targets (large / small, slow / fast, agile, stealthy etc.)

  • - jenseits der optischen Sichtweite (beyond visual range)- beyond the visual range (beyond visual range)
  • - bei jedem Wetter- in any weather
  • - in einem großen Höhen- und Geschwindigkeitsbereich- in a large height and speed range
  • - als Einzel- oder Mehrfachziel- as a single or multiple target
  • - unter ECM Bedingungen (aktiv, passiv).- under ECM conditions (active, passive).

Die hierzu notwendige Daten- und Informationsverarbeitungsstruktur ist zusammen mit den benötigten Sensorsystemen wie Radar-Sucher (Ka-, X-Band), Imaging Infrared Sensor, Intertialsystem (IMU) und GPS in Fig. 1 ebenfalls vereinfacht oben rechts gezeigt. Damit werden die Funktionen in den drei Missionsphasen (Pre-Launch, Mid- Course, Terminal) des Flugkörpers per Software in einer Echtzeitverarbeitung ermöglichenden Hardware-Konfiguration realisiert. Die wesentlichen Elemente dieser Daten- und Informationsverarbeitung sind die
The data and information processing structure required for this, together with the required sensor systems such as radar finder (K a -, X-band), imaging infrared sensor, interactive system (IMU) and GPS, is likewise shown in simplified form in FIG. 1 at the top right. The functions in the three mission phases (pre-launch, mid-course, terminal) of the missile are implemented by software in a hardware configuration that enables real-time processing. The essential elements of this data and information processing are

  • - Missionskontroll-Funktion mit Daten und Sensorfusion sowie Entscheidung und Planung- Mission control function with data and sensor fusion as well as decision and planning
  • - optimale Lenkung und hochdynamische Regelung des Airframe- Optimal steering and highly dynamic control of the airframe
  • - integrierte Navigation durch Verarbeitung von IMU und GPS-Information- Integrated navigation by processing IMU and GPS information
  • - Initialisierung, Kalibrierung und Ausrichtung der IMU durch das hochgenaue Inertialsystem (INS) des Trägerflugzeugs. Damit wird ein "Common Reference System" definiert.- Initialization, calibration and alignment of the IMU through the highly precise Inertial system (INS) of the carrier aircraft. This becomes a "Common Reference System" Are defined.

Bei der Realisierung der Daten- und Informationsverarbeitung wird u. a. auf neueste Erkenntnisse der Informationstechnik zur Implementierung wissensbasierter und lernfähiger Elemente zurückgegriffen um hohe Autonomie des Flugkörpers und große Anpassungsfähigkeit an Veränderungen im Szenario und Missionsverlauf zu erreichen.When realizing data and information processing, u. a. on latest Knowledge of information technology for the implementation of knowledge-based and learning elements resorted to high autonomy of the missile and large Achieve adaptability to changes in the scenario and mission progress.

2. Funktionselemente des Flugkörpers2. Missile functional elements 2.1 Mission Control Unit2.1 Mission Control Unit

Als höchste Ebene der in Fig. 2 gezeigten hierarchischen Kontrollstruktur steuert die Missions-Kontrolleinheit situationsbedingt die Interaktionen des Flugkörpers mit dem reale Welt Szenario, in dem sich das interessierende Geschehen abspielt. Sie bedient sich dabei auf der einen Seite der Multi-Sensorik (Situation erfassen) und auf der anderen Seite der Lenkung und Regelung (Situation beeinflussen durch Interaktion).As the highest level of the hierarchical control structure shown in FIG. 2, the mission control unit controls, depending on the situation, the interactions of the missile with the real world scenario in which the event of interest takes place. On the one hand, it uses the multi-sensor technology (record the situation) and on the other hand the steering and control (influence the situation through interaction).

Zu diesem Zweck führt die Missions-Kontrolleinheit außer dem Flugkörper (Vehicle)- und I/O-Management insbesondere die Funktionen Daten- und Sensorfusion sowie die situationsbedingten Planungs- und Entscheidungsprozesse aus. Durch Überlagerung aller verfügbaren Information und Daten (Sensoren, Data-Link) wird ein Situationsvektor generiert und daraus die Extraktion relevanter Merkmale (Merkmalsvektor) durchgeführt. Dem schließt sich eine Ziel-Identifikation und Klassifikation an (multiple targets, target vectors). Damit ist die Flugkörper/-Ziel-Situation im Szenario global darstellbar (situation awareness (SITAW)). Mit dieser Information erfolgt der Entscheidungs- und Planungsprozeß.For this purpose, the mission control unit, in addition to the missile (Vehicle) - and I / O management in particular the functions data and sensor fusion as well as the situation-related planning and decision-making processes. By overlaying all available information and data (sensors, data link) becomes a situation vector generated and the extraction of relevant characteristics (characteristic vector) performed. This is followed by target identification and classification (multiple targets, target vectors). The missile / target situation can thus be represented globally in the scenario (situation awareness (SITAW)). With this information the decision and Planning process.

Die wesentlichen Aufgaben dieser Funktionen sind damit zusammenfassend:
The main tasks of these functions are thus summarized:

  • - Unterscheidung, ob die vom Suchkopf gelieferten Informationen von wirklichen Zielen oder von Täuschkörpern stammen.- Distinguishing whether the information provided by the search head is real Aim or come from decoys.
  • - Intelligente Zielauswahl bei Mehrfachzielen mit und ohne Zuweisungen über den Datenlink.- Intelligent target selection for multiple targets with and without assignments via the Data link.
  • - Bahnoptimierung zur Minimierung der Flugzeit, Erhöhung der Reichweite sowie zur besseren Unterdrückung von Störern.- Orbit optimization to minimize flight time, increase range and for better suppression of interferers.
  • - Steuerung der Suchkopfsensoren zur Störunterdrückung bzw. Anpassung an Umweltbedingungen.- Control of the seeker head sensors for interference suppression or adaptation Environmental conditions.

Die Ausführung dieser Aufgabe geschieht auf der Basis der Ausgangsinformationen der "Data- & Sensor Fusion" und der Inertial/GPS Integrationsrechnung. Zur Anwendung gelangen neben bewährten klassischen auch neuartigen wissensbasierte Verfahren, die mittels generischer Modelle über Ziel- und Störerverhalten die Entscheidungen fällen. This task is carried out on the basis of the initial information from "Data & Sensor Fusion" and the inertial / GPS integration calculation. For use in addition to proven classic and novel knowledge-based processes make decisions using generic models of target and disruptor behavior.  

Ausgabedaten der Entscheidungs- und Planungsfunktion sind die Kommandos für den Lenkrechner und die Sensorsteuerung.Output data of the decision and planning function are the commands for the Steering computer and sensor control.

2.2 Lenkung und Regelung2.2 Control and regulation 2.2.1 Autopilot2.2.1 Autopilot

Flugkörper gehören zur Klasse der nichtlinearen, zeitvarianten, multivariablen, dynamischen Systeme. Die auf sie wirkenden Störungen sind weitgehend unbekannt und zeitvariabel. Insbesondere in Phasen großer Anstellwinkel treten neben den Veränderungen der Flugkörpermasse und des Trägheitsmomentes beträchtliche Veränderungen der nichtlinearen Aerodynamik während des Einsatzes auf.Missiles belong to the class of non-linear, time-variant, multivariable, dynamic systems. The disturbances affecting them are largely unknown and time variable. Especially in phases with large angles of attack occur next to the Significant changes in missile mass and moment of inertia Changes in nonlinear aerodynamics during use.

Eine besondere Bedeutung kommt der Funktion des Autopiloten für weitreichende Flugkörper aufgrund des Staustrahltriebwerkes zu. Dies betrifft zum einen die Regelung der Fluggeschwindigkeit in der Marschphase über den Schub des Triebwerkes. Dabei sind verschiedenste Beschränkungen in dessen Betriebsbereich zu berücksichtigen. Diese hängen ab von Anströmwinkel, Höhe, Anströmgeschwindigkeit und Treibstoffdurchsatz.The function of the autopilot is of particular importance for far-reaching Missile due to the ramjet. On the one hand, this affects the regulation the flight speed in the marching phase over the thrust of the engine. Here various restrictions in its operating area must be taken into account. This depend on the inflow angle, height, inflow speed and fuel throughput.

Zum anderen werden im Zusammenhang mit dem Staustrahltriebwerk verschiedene Strategien zur Ansteuerung des Autopiloten untersucht, nämlich Skid-To-Turn, Bank-To- Turn und Twist-To-Track, wobei letztere in einem Patent offengelegt wurden.On the other hand, there are various in connection with the ramjet Strategies for controlling the autopilot examined, namely skid-to-turn, bank-to- Turn and twist-to-track, the latter being disclosed in a patent.

Flugkörper gegen schnell manövrierende Ziele müssen im Hinblick auf das Endgame hochagil sein. Die dazu benötigten hohen Querbeschleunigungen erfordern bei einer Bank-to-Turn Strategie eine schnelle Rollbewegung des Flugkörpers. Die dabei auftretenden hohen Rollraten verursachen extrem starke Kopplungen zwischen dem Roll- Kanal und den lateralen Kanälen und stellen an die Autopiloten hohe Anforderungen.Missiles against rapidly maneuvering targets must be aimed at the endgame be highly agile. The high lateral accelerations required for this require one Bank-to-turn strategy - a fast rolling movement of the missile. The one there occurring high roll rates cause extremely strong coupling between the roll Channel and the lateral channels and place high demands on the autopilots.

Hohe Querbeschleunigungen gehen außerdem mit großen Anstell- und Schiebewinkeln einher, die nicht nur ab bestimmten Grenzen zu Schubverlusten führen, sondern das Staustrahltriebwerk gänzlich verlöschen lassen. Um dieses zu verhindern, muß die Bank- To-Turn Steuerung sowohl die restriktiven Schiebewinkelgrenzen als auch einen im Anstellwinkel asymmetrisch zulässigen Bereich einhalten.High lateral accelerations are also possible with large angles of attack and sliding that not only lead to thrust losses from certain limits, but that Let the ramjet go out completely. To prevent this, the bank  To-turn control of both the restrictive sliding angle limits and an im Observe the angle of attack asymmetrically permissible range.

Die Auslegung der Bank-To-Turn Autopiloten muß in einer Umgebung geschehen, die alle 6 Freiheitsgrade berücksichtigt. Die entsprechende Aerodynamik muß dazu zur Verfügung stehen. Weiterhin sind alle Komponenten der Sensorik und Aktuatorik innerhalb des Autopiloten-Regelkreises zu berücksichtigen (so z. B. IMU, Triebwerk, Ruderstellsystem, . . .).The design of the bank-to-turn autopilot must be done in an environment that all 6 degrees of freedom taken into account. The corresponding aerodynamics must be To be available. Furthermore, all components of the sensors and actuators to be taken into account within the autopilot control loop (e.g. IMU, engine, Rudder control system,. . .).

Das Zusammenspiel des Autopiloten in Verbindung mit der Lenkung muß anhand des validierten 6-DOF Simulationsprogrammes erfolgen. Liegt die Struktur des Autopiloten fest, kann mit der Generierung operationeller Algorithmen begonnen werden.The interaction of the autopilot in connection with the steering must be based on the validated 6-DOF simulation program. The structure of the autopilot lies fixed, the generation of operational algorithms can begin.

Die benötigten Modelle und Daten zu Aerodynamik, Flugkörper, Sensorik und Aktuatorik sowie die Anforderungen an den Autopiloten-Regelkreis sind Eingangsgrößen für die Problemstellung und müssen als solche präzise definiert werden. Entsprechendes gilt für die operationelle Software.The required models and data on aerodynamics, missiles, sensors and Actuators and the requirements for the autopilot control loop are input variables for the problem and must be precisely defined as such. Corresponding applies to operational software.

2.2.2 Lenkung2.2.2 Steering

Die Lenkung autonomer Flugkörper erfordert die Kenntnis wesentlicher Parameter der Relativkinematik zwischen Flugkörper und Ziel. Hierzu zählt insbesondere die Richtung und die intertiale Drehrate der Sichtlinie. Lenkverfahren, die hierauf basieren, gehören der Klasse der weithin eingesetzten Proportionalnavigationsverfahren an.The guidance of autonomous missiles requires knowledge of essential parameters of the Relative kinematics between missile and target. This includes in particular the direction and the intertial rotation rate of the line of sight. Steering procedures based on this belong the class of widely used proportional navigation methods.

Die Leistungsfähigkeit der Lenkung, insbesondere die Größe der Schußbereiche und der "noescape zone" sowie die Trefferablage kann verbessert werden, wenn zusätzliche Informationen über die Entfernung, die Annäherungsgeschwindigkeit und das Zielmanöver zur Verfügung stehen. Lenkverfahren, die auf den vollständigen Zustandsvektor der Relativkinematik zurückgreifen, können über ein zu definierendes Gütekriterium als "Optimal-Lenkung" (Optimum Guidance) ausgelegt werden. In der Regel stehe diese Informationen nicht bzw. nicht mit der nötige Genauigkeit zur Verfügung, so daß in der Praxis häufig Lösungsansätze verwendet werden, die in irgendeiner Form Ausgangsinformationen zur Begegnungssituätion und/oder Informationen zum Eigenbewegungszustand des Flugkörpers berücksichtigen, um das Lenkgesetz der aktuellen Begegnungssituation anzupassen. Darüber hinaus sind die Maßnahmen mit dem größten Erfolg nicht unbedingt durch einen geradlinigen Entwurf zugänglich, vielmehr müssen die erforderlichen Strategien in langwierigen Simulationen ermittelt werden.The performance of the steering, especially the size of the shot areas and the "noescape zone" as well as the hit list can be improved if additional Information about the distance, the speed of approach and that Target maneuvers are available. Steering procedures based on the full State vector of the relative kinematics can use a defined one Quality criterion can be interpreted as "optimal guidance". In the As a rule, this information is not available or is not available with the required accuracy  Available, so that solutions are often used in practice, which in some form of initial information on the encounter situation and / or Take into account information about the missile's own movement state in order to Adapt the steering law to the current encounter situation. In addition, the Measures with the greatest success are not necessarily based on a straightforward design accessible, rather the necessary strategies have to be drawn out in lengthy simulations be determined.

Auf der anderen Seite stehen heute leistungsfähige Optimierungsalgorithmen zur Verfügung, um nichtlineare Steuerungsprobleme numerisch zu lösen. Mit der optimalen Steuerung liegt das Expertenwissen für eine optimale Lenkung vor, das mit Hilfe wissensbasierter Informationsverarbeitung in ein kontinuierliches/stetiges Lenkgesetz überführt werden kann und in Echtzeit implementierbar ist.On the other hand, there are powerful optimization algorithms available today Available to solve nonlinear control problems numerically. With the optimal Control is the expert knowledge for optimal steering, with help knowledge-based information processing in a continuous steering law can be transferred and can be implemented in real time.

2.3 Weiterführende konzeptionelle Ansätze2.3 Further conceptual approaches 2.3.1 Integration der Lenkung und Regelung2.3.1 Integration of control and regulation

Der hier bisher beschrittene Weg zum Entwurf von Autopilot und Lenkgesetz folgt der konventionellen sequentiellen Vorgehensweise, bei der zunächst der Autopilot entworfen (innere Regelschleife) und dann das Lenkgesetz ermittelt wird (äußere Lenkschleife). Dies ist durch die Darstellung der Lenk- und Regelschleife mit entsprechender Zusammenfassung und Kennzeichnung der Funktionselemente in Fig. 2 veranschaulicht. In diesem Regelkreis kann der durch den Autopiloten geregelte Flugkörper als "Stellglied" (effector) im Sinne der Regelungstechnik aufgefaßt werden.The path to the design of the autopilot and steering law that has been followed so far follows the conventional sequential procedure in which the autopilot is first designed (inner control loop) and then the steering law is determined (outer steering loop). This is illustrated by the representation of the steering and control loop with a corresponding summary and identification of the functional elements in FIG. 2. In this control loop, the missile controlled by the autopilot can be understood as an "actuator" (effector) in the sense of control engineering.

Im Gegensatz zu konventionellen Realisierungen werden hier jedoch neue Technologien herangezogen, die die Implementierung nichtlinearer Autopiloten und Lenkgesetze mit wissensbasierten Elementen ermöglichen und damit den Weg zur "Learning Guidance and Control (LGC)" öffneten. In contrast to conventional realizations, new technologies are used here used the implementation of nonlinear autopilots and steering laws with enable knowledge - based elements and thus the path to "learning guidance and Control (LGC) "opened.  

Gerade diese neuen, Wissensgewinnung und Verarbeitung ermöglichenden Informationstechnologien, liefern jedoch die Basis für einen neuartigen integrierten simultanen Entwurf von Autopilot und Lenkgesetz. Dies schafft die Möglichkeit, Kopplungen zwischen der Regelung und der Lenkung zur weiteren Steigerung der Agilität einzuführen und damit einen wesentlichen Schritt in Richtung der Nutzung des vollen "maneuverability" Potentials des Flugkörpers zu tun. Das Ergebnis ist eine "Integrated Learning Guidance and Control (ILGC)", mit einer gegenüber Fig. 2 veränderten funktionalen Zuordnung der Elemente der Lenk- und Regelschleife, wie sie in Fig. 4 vereinfacht dargestellt ist. Danach sind die Flugkörperdynamik und die Relativgeometrie zu dem zu regelnden Prozeß zusammengefaßt, wobei die Zieldynamik als stochastische Störgröße betrachtet wird; natürlich mit der Möglichkeit einer Modellierung. Der Regler wird durch die integrierte Funktion aus Autopilot und Lenkgesetz gebildet und wirkt direkt über die Aktuatoren des Flugkörpers.It is precisely these new information technologies that enable knowledge acquisition and processing, but provide the basis for a new, integrated, simultaneous design of the autopilot and steering law. This creates the possibility of introducing links between the control and the steering to further increase agility and thus to take an important step in the direction of utilizing the missile's full "maneuverability" potential. The result is an "Integrated Learning Guidance and Control (ILGC)" with a different functional assignment of the elements of the steering and control loop compared to FIG. 2, as is shown in simplified form in FIG. 4. The missile dynamics and the relative geometry are then combined to form the process to be controlled, the target dynamics being regarded as a stochastic disturbance variable; of course with the possibility of modeling. The controller is formed by the integrated function of autopilot and steering law and acts directly on the actuators of the missile.

Ein Ansatz für die Integration der Regelung und Lenkung kann darin bestehen, daß die Struktur (Neuro, Fuzzy, Neuro-Fuzzy) für das betreffende Element vorgegeben wird. Dem schließt sich eine Optimierung der Parameter dieser Struktur und evtl. auch der Struktur selbst mit Hilfe genetischer oder evolutionärer Algorithmen an. Dabei kann so vorgegangen werden, daß zunächst eine Regelungsfunktion in den linearen Bereichen der Strecke optimiert wird und dieses unter schrittweiser Ausdehnung auf den nichtlinearen Einsatzbereich erweitert wird. Anschließend wird dieser Prozeß in ähnlicher Weise für die Lenkung durchgeführt.One approach to integrating regulation and control can be that Structure (neuro, fuzzy, neuro-fuzzy) is specified for the element in question. This is followed by an optimization of the parameters of this structure and possibly also the Structure itself with the help of genetic or evolutionary algorithms. It can do so be proceeded that first a control function in the linear areas of Route is optimized and this with gradual expansion on the non-linear Area of application is expanded. Then this process is similar for the steering performed.

Das Ergebnis der genetischen Optimierung eines Neuronalen Netzes zur Identifikation der Dynamik eines Flugkörpers ist in Fig. 5 als Beispiel für die Leistungsfähigkeit dieser Methode gezeigt.The result of the genetic optimization of a neural network to identify the dynamics of a missile is shown in FIG. 5 as an example of the performance of this method.

2.3.2 Einführung eines erweiterten Zielmodells2.3.2 Introduction of an extended target model

Ein Ziel kann durch einen Zustandsvekor x T repräsentiert werden, der sich mit der Zeit nach einer nichtlinearen Zustandsgleichung f(x T, w) entwickelt und mit den durch das Sensorsystem (Sucher) meßtechnisch zugänglichen Größen durch eine ebenfalls nichtlineare Beziehung z = g (x T, v) zusammenhängt; darin sind w und v zufällige System- bzw. Meßrauschprozesse.A target can be represented by a state vector x T , which develops over time according to a non-linear state equation f ( x T , w ) and with the quantities accessible by the sensor system (finder) by means of a likewise non-linear relationship z = g ( x T , v ) is related; where w and v are random system or measurement noise processes.

Durch Linearisierung der zuvor genannten Zusammenhänge und Annahme normalverteilter weißer oder farbiger Rauschprozesse für w und v läßt sich mit Hilfe von Kalman-Filtern ein Schätzwert und die zugehörigen Kovarianz des Schätzfehlers berechnen.By linearizing the previously mentioned relationships and assuming normally distributed white or colored noise processes for w and v , Kalman filters can be used to calculate an estimate and the associated covariance of the estimate error.

Probleme dieses Ansatzes liegen in der notwendigen Initialisierung des Kalman-Filters ( (0) sowie in der Tatsache, daß bei einem reinem IR-Sensor die meßbare Information für eine Schätzung des Zielzustandsvektors verzichtet und proportional zur Sichtlinie und deren zeitlicher Änderung gelenkt.Problems with this approach lie in the need to initialize the Kalman filter ((0) as well as the fact that with a pure IR sensor the measurable information waived for an estimate of the target state vector and proportional to the line of sight and controlled their change over time.

Eine Möglichkeit zur Abhilfe besteht zunächst in der passiven Gewinnung von Initialisierungsinformation (z. B. Abstand Flugkörper-Ziel) durch Verarbeitung von Sichtlinieninformation mehrerer Flugkörper vor dem Abschuß. Damit kann dann auch bei IR-Flugkörpern eine Zielmodellierung u. U. sinnvoll sein, wobei sich die Schätzung jedoch auf eine reine Prädiktion reduziert. Diese kann wiederum dadurch verbessert werden, daß im Zielmodell Zustände enthalten sind, die die Manövrierfähigkeit des Zieles beschreiben (analytisches Vorwissen über die Zielkinematic). Es ist grundsätzlich denkbar, für jedes potentielle Ziel einen derartigen Schätzer/Prädiktor einzuführen. Der damit verbundene Rechenaufwand ist jedoch erheblich und steht einer Echtzeit Implementierung entgegen. Es soll an dieser Stelle erwähnt werden, daß in zukünftigen IR-Suchern eine LASER-Komponente realisierbar erscheint. Damit stünde, zumindestens im Endgame (begrenzte LASER-Reichweite) eine Abstandsinformation zur Verfügung. Darüber hinaus wird an Methoden gearbeitet, um mit abbildenden IR-Suchern Änderungen des Abstands zu bestimmen. Bei weitreichenden Flugkörpern ist ja, wie erwähnt, über die Radar-Suchkomponente eine (aktive) Abstandsinformation verfügbar.One possible remedy is to passively obtain Initialization information (e.g. missile-target distance) by processing Line of sight information of several missiles before launch. So that can also with IR missiles a target modeling u. U. may be useful, the estimate however, reduced to a pure prediction. This in turn can be improved be that the target model contains states that the maneuverability of the Describe the goal (prior analytical knowledge of the target kinematic). It is fundamental conceivable to introduce such an estimator / predictor for each potential goal. The however, the computational effort involved is considerable and is real-time Implementation contrary. It should be mentioned at this point that in future A LASER component appears to be feasible for IR seekers. That would be, at least Distance information is available in the end game (limited LASER range). In addition, methods are being worked on with imaging IR finders To determine changes in distance. With long-range missiles, how is mentioned, an (active) range information is available via the radar search component.

Der Schritt in Richtung auf ein erweitertes Zielmodell ist besonders interessant, wenn außer den zuvor genannten Maßnahmen ein Suchkopf mit Multi-Sensorik verwendet wird. Derartige Sucher werden angesichts zu erwartender hochentwickelter (sophisticated) Ziele mit ihren Gegenmaßnahmen notwendig.The step towards an expanded target model is particularly interesting, though in addition to the measures mentioned above, a seeker head with multi-sensors is used  becomes. Such viewfinders are becoming more sophisticated in view of the expected level of sophistication (sophisticated) goals with their countermeasures necessary.

Durch die erweiterte Zielmodellierung soll eine Verbesserung der LGC und/oder ILGC erreicht werden, indem relevantes verfügbares Wissen über potentielle Ziele in Echtzeit genutzt wird. Dieses Wissen umfaßt z. B. a priori Wissen über das Zielverhalten, das sich in linguistischen Regeln oder in der Kenntnis der Manövriereigenschaften manifestiert (siehe auch Anmerkung zuvor). Dieses Wissen wird im allgemeinen nur spärlich verfügbar sein. Trotzdem erscheint auch die Nutzung dieses Wissens sinnvoll, indem z. B. in einem ersten Lösungsansatz Mehrfach-Hypothesen über Zielmanöver und Bewegung aufgestellt und online unter Verwendung der hier betrachteten wissensbasierte Elemente verarbeitet werden.The extended target modeling aims to improve the LGC and / or ILGC can be achieved by providing relevant available knowledge of potential goals in real time is being used. This knowledge includes e.g. B. a priori knowledge of the target behavior, which manifested in linguistic rules or in knowledge of maneuvering properties (see also note before). This knowledge is generally sparse be available. Nevertheless, the use of this knowledge also makes sense, e.g. B. In a first solution, multiple hypotheses about target maneuvers and movement set up and online using the knowledge-based elements considered here are processed.

Ein konzeptioneller Entwurf des erweiterten Zielmodells ist in Fig. 6 gezeigt. Entsprechend den Mehrfach-Hypothesen ist zunächst eine parallele Anordnung dynamischer neuronaler Netzwerke gezeigt, die das Wissen über die optimalen Ausweichmanöver des betreffenden potentiellen Zieles abbilden. Die Ausgänge dieser Netzwerke werden allen ebenfalls Neuronalen (wie im Bild) oder Fuzzy Neuronalen Netzwerken einer darüberliegenden Ebene zugeführt, die als nichtlineare Schätzer/Filter/Prädiktoren unter Verwendung der Zielsensordaten den Zielzustandsvektor in Echtzeit schätzen. Sie liefern außerdem eine Information über die Kovarianz des betreffenden Schätzfehlers. Diese Netzwerke sind mit den Daten einer SDRE- oder erweiterten Kalman-Filterauslegung und Analyse offline trainiert. In ihnen erfolgt ein erster Vergleich mit den Ausgangssignalen der darunterliegenden dynamischen Netze.A conceptual design of the extended target model is shown in FIG. 6. According to the multiple hypotheses, a parallel arrangement of dynamic neural networks is shown, which depicts knowledge of the optimal evasive maneuvers of the potential target in question. The outputs of these networks are fed to all neural networks (as in the picture) or fuzzy neuronal networks of a higher level, which estimate the target state vector in real time as nonlinear estimators / filters / predictors using the target sensor data. They also provide information about the covariance of the estimation error in question. These networks are trained offline with the data of an SDRE or extended Kalman filter design and analysis. A first comparison is made in them with the output signals of the underlying dynamic networks.

Die Ausgangsgrößen dieser Elemente werden einer Inferrenzeinheit als Ausgangsgröße des Zielmodells zugeführt, die die Informationen korrelliert und eine Schlußfolgerung bzgl. des besten verfügbaren Schätzwertes des Zielzustandsvektors durchführt und diesen zur Weiterverarbeitung für die Lenkung als Ausgangsgröße zur Verfügung stellt. Die Inferrenzeinheit ist als Fuzzy Neuronales Netz ausgebildet, um für den Inferrenzprozess wichtiges verfügbares heuristisches Wissen in. Form linguistischer Regeln berücksichtigen zu können.The output quantities of these elements become an inference unit as the output quantity fed to the target model, which correlated the information and a conclusion with respect to the best available estimate of the target state vector and this provides for further processing for the steering as an output variable. The Inference unit is designed as a fuzzy neural network for the inference process  important heuristic knowledge available in the form of linguistic rules to be able to take into account.

2.3.3 Abbildung mehrfach dynamischer Modelle2.3.3 Mapping of multiple dynamic models

Aus verschiedenen Gründen erscheint es sinnvoll, u. U. sogar notwendig, im Rahmen der LGC und/oder der ILGC unterschiedliches dynamisches Verhalten des Flugkörpers in den wissensbasierten Elementen der Lenkung und Regelung abzubilden und damit autonom verfügbar zu haben. Dies ist in Fig. 7 durch die Vermehrfachung der betreffenden Blöcke veranschaulicht.For various reasons, it seems reasonable, u. It may even be necessary to map different dynamic behavior of the missile in the knowledge-based elements of the guidance and control within the framework of the LGC and / or the ILGC and thus have it autonomously available. This is illustrated in FIG. 7 by multiplying the blocks in question.

Mit dieser Fähigkeit ist es möglich, die Flugkörperdynamik flugzustandsabhängig autonom und online zu verändern.With this capability it is possible to make the missile dynamics dependent on the flight condition change autonomously and online.

So kann z. B. im Endgame zu Gunsten einer höheren Manövrierfähigkeit bis an die Grenzen der Stabilität gegangen werden ggfs. unter Aufgabe der aerodynamischen Stabilität bei einem entsprechend konfigurierten Flugkörper. Hierzu wurde im BGT das Konzept eines "Extended Range/Dual Range" Luftverteidigungsflugkörpers angedacht.So z. B. in the endgame in favor of a higher maneuverability up to the Limits of stability may be passed under the abandonment of aerodynamic Stability with an appropriately configured missile. For this purpose the Concept of an "Extended Range / Dual Range" air defense missile contemplated.

Darüber hinaus ermöglicht diese Fähigkeit die Implementierung einer Auto- Rekonfiguration der Lenkung und Regelung im Falle von Subsystemfehlern (Bias Ruder Stellsystem o. ä).In addition, this capability enables the implementation of an auto- Reconfiguration of steering and control in the event of subsystem errors (bias rudder Control system or similar).

Claims (20)

1. Lenk-, Navigations- und Regelsystem für Flugkörper, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor- und Signalverarbeitungsmittel im Flugzeug und Sensor- und Signalverarbeitungsmittel im Flugkörper durch signalübertragende Mittel zu einem System für die Lenkung, Navigation und Regelung des Flugkörpers integriert sind.1. steering, navigation and control system for missiles, characterized in that sensor and signal processing means in the aircraft and sensor and signal processing means in the missile are integrated by signal-transmitting means to a system for the guidance, navigation and control of the missile. 2. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flugzeugseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel und die flugkörperseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel über eine Schnittstelle im Startgerät miteinander in Datenaustausch stehen.2. steering, navigation and control system according to claim 1, characterized in that the aircraft-side sensor and signal processing means and Missile-side sensor and signal processing means via an interface in the Start device in data exchange with each other. 3. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flugzeugseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel und die flugkörperseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel über drahtlose Datenübertragungsmittel ("Data Link") miteinander in Datenaustausch stehen.3. steering, navigation and control system according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the aircraft-side sensor and signal processing means and the missile-side sensor and signal processing means via wireless Data transmission means ("Data Link") are in data exchange with each other. 4. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über die drahtlosen Datenübertragungsmittel Daten von Dritter Seite auf den Flugkörper aufschaltbar sind.4. steering, navigation and control system according to claim 3, characterized in that through the wireless data transmission data from third parties on the Missiles can be activated. 5. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flugzeugseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel Mittel zur Ziel-Detektion, -Identifikation und -Verfolgung enthalten, auf welche flugzeugseitige Missionssensoren aufgeschaltet sind. 5. steering, navigation and control system according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the aircraft-side sensor and signal processing means Means for target detection, identification and tracking include which on-board mission sensors are activated.   6. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß flugzeugseitig eine Einheit zur Missionsplanung und -kontrolle vorgesehen und einerseits mit den Mitteln zur Ziel-Detektion, -Identifikation und -Verfolgung und andererseits mit dem Flugkörper in Datenaustausch stehen.6. steering, navigation and control system according to claim 5, characterized in that a unit for mission planning and control is provided on the aircraft side and on the one hand with the means for target detection, identification and tracking and on the other hand exchange data with the missile. 7. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flugzeugseitigen Sensor- und Signalverarbeitungsmittel eine Missionskontrolleinheit enthalten, auf welche Daten von dem Flugzeug über die Schnittstelle und/oder die drahtlosen Datenübertragungsmittel aufschaltbar sind.7. steering, navigation and control system according to one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the aircraft-side sensor and signal processing means contain a mission control unit to which data is transferred from the aircraft the interface and / or the wireless data transmission means can be switched on are. 8. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Missionskontrolleinheit Daten von Radarsensoren aufschaltbar sind.8. steering, navigation and control system according to claim 7, characterized in that data from radar sensors can be connected to the mission control unit. 9. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Missionskontrolleinheit kombinierte Daten von einer Trägheitsmeßeinheit und einem GPS-Empfänger aufschaltbar sind.9. steering, navigation and control system according to claim 7 or 8, characterized characterized in that combined data from a mission control unit Inertia measuring unit and a GPS receiver can be switched on. 10. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die flugkörperseitige Missionseinheit
  • a) Mittel zur Daten- und Sensorfüsion zur Erzeugung von Zielvektoren, zur Situationserkennung und zur Erzeugung eines Situationsvektors aufweist, wobei die Komponenten der Zielvektoren und des Situationsvektors Größen sind, die zur Charakterisierung des Ziels bzw. der Situation dienen, sowie
  • b) Mittel zur Entscheidung und Planung.
10. steering, navigation and control system according to one of claims 7 to 9, characterized in that the missile-side mission unit
  • a) means for data and sensor fusion for generating target vectors, for situation detection and for generating a situation vector, the components of the target vectors and the situation vector being variables which serve to characterize the target or the situation, and
  • b) means for decision and planning.
11. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Entscheidung und Planung auf Lenksignale auf Lenkmittel aufschalten, welche in Lenk- und Regelmitteln einen Autopiloten ansteuern. 11. steering, navigation and control system according to claim 10, characterized characterized in that the means for decision and planning based on steering signals Switch on steering means, which in steering and control means an autopilot head for.   12. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenk- und Regelmittel einen Machzahlregler enthalten, der von dem Autopiloten ansteuerbar ist.12. steering, navigation and control system according to claim 11, characterized characterized in that the steering and control means contain a Mach number controller, which can be controlled by the autopilot. 13. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugkörperdynamik und die Relativgeometrie von Flugkörper und Ziel in lernfähigen Mitteln zur Flugführung und Regelung integriert sind.13. steering, navigation and control system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the missile dynamics and the relative geometry of missile and target in learning means for flight control and regulation are integrated. 14. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Elemente Strukturen (Neuro, Fuzzy, Neuro-Fuzzy) vorgegeben sind, deren Parameter anschließend optimierbar sind.14. Steering, navigation and control system according to claim 13, characterized characterized in that for the elements structures (neuro, fuzzy, neuro-fuzzy) are specified, the parameters of which can then be optimized. 15. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung durch genetische Algorithmen erfolgt.15. steering, navigation and control system according to claim 14, characterized characterized that the optimization is carried out by genetic algorithms. 16. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung durch evolutionäre Algorithmen erfolgt.16. steering, navigation and control system according to claim 14, characterized characterized that the optimization is carried out by evolutionary algorithms. 17. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die flugkörperseitigen Signalverarbeitungsmittel einen Flugführungs-Rechner und einem von diesem angesteuerten Autopiloten enthalten.17. Steering, navigation and control system according to one of claims 1 to 16, characterized in that the missile-side signal processing means a flight control computer and an autopilot controlled by it contain. 18. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugführungsrechner
  • a) eine Bank von dynamischen neuronalen Netzwerken enthält, die das Wissen über die optimalen Ausweichmanöver potentieller Ziele abbilden, sowie
  • b) die Ausgänge dieser neuronalen Netzwerke einer Bank von (neuronalen oder fuzzy-neuronalen) Netzwerken einer darüberliegenden Ebene zugeführt werden, die als nichtlineare Schätzer/Filter/Prädikatoren unter Verwendung von Zielsensordaten den Zielzustandsvektor in Echtzeit schätzen.
18. Steering, navigation and control system according to claim 17, characterized in that the flight control computer
  • a) contains a bank of dynamic neural networks which map knowledge about the optimal evasive maneuvers of potential targets, and
  • b) the outputs of these neural networks are fed to a bank of (neural or fuzzy-neuronal) networks of a higher level, which estimate the target state vector in real time as nonlinear estimators / filters / predicators using target sensor data.
19. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgrößen der Netzwerke der darüberliegenden Ebene auf eine Inferenzeinheit als Ausgangsgröße des Zielmodells aufgeschaltet sind, welche die Informationen korreliert und eine Schlußfolgerung hinsichtlich des besten verfügbaren Schätzwertes des Zustandsvektors durchführt und diesen zur Weiterverarbeitung für die Lenkung als Ausgangsgröße zur Verfügung stellt.19. Steering, navigation and control system according to claim 18, characterized characterized that the output quantities of the networks of the overlying Level switched to an inference unit as the output variable of the target model are which correlates the information and a conclusion regarding of the best available estimate of the state vector and this provides for further processing for the steering as an output variable. 20. Lenk-, Navigations- und Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliches dynamisches Verhalten des Flugkörpers in wissensbasierten Elementen der Lenkung und Regelung abgebildet und damit autonom verfügbar ist.20. Steering, navigation and control system according to one of claims 1 to 19, characterized in that different dynamic behavior of the Missile depicted in knowledge-based steering and control elements and is therefore available autonomously.
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