DE2314943C2

DE2314943C2 - Anordnung zur Steuerung der Lage eines Flugkörpers in Bezug auf einen Leitstrahl

Info

Publication number: DE2314943C2
Application number: DE2314943A
Authority: DE
Inventors: Frank S. Santa Ana Calif. Coxe; Ronald G. Torrance Calif. Eguchi
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 1972-01-28
Filing date: 1973-03-26
Publication date: 1982-07-15
Also published as: NL7303103A; GB1378842A; DE2314943A1; US3746280A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE-AS 16 23 354 bekannt. Bei dieser Anordnung ist sendeseitig eine Projektionsvorrichtung vorhanden, die ein Strahlungsbündel erzeugt, das eine zirkularkonische Nutation um eine Sichtlinie ohne Rotation um die eigene Achse ausführt und eine Lichtverteilung hat, daß sich ein aus dunklen und heilen Bereichen zusammengesetztes Muster ergibt. Dieses Muster wird durch ein Linsensystem erzeugt, das einen Kondensator aufweist, der vor einem stationären Schirm angeordnet ist, der durchlässige und undurchlässige Bereiche entsprechend dem Muster hat. Das Linsensystem hat außerdem eine nutierende Prismenanordnung, die das Strahlungsbündel um die optische Achse des zugehörigen Objektivs nutiert. Der Übergang zwischen den hellen und dunklen Bereichen des Musters des Strahlungsbündels muß sehr scharf sein, um empfangsseitig Signale mit steilen Flanken zu erhalten.

Empfangsseitig ist eine Signalauswertungsanordnung vorgesehen, mittels der die Zeitdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden elektrischen Impulsen ermittelt wird, die aus dem empfangenen Strahlungsbündel erzeugt werden. Aus der sich ergebenden Zeitdifferenz kann dann die Abweichung des Flugkörpers vom Leitstrahl ermittelt werden.

Aus der DE-PS 14 48 570 ist ein Leitstrahlsystem bekannt, bei dem sendeseitig ein Bündel elektromagnetischer Strahlen erzeugt wird, das mit Hilfe einer vor dem Sender angeordneten rotierenden Modulations·

scheibe ein seine Lage und Gestalt ständig wechselndes Gitter in den Raum projiziert. Empfangsseitig muß zur Bestimmung der Phasenlage der Modulationsfrequenz im Flugkörper ein Vergleichssignal bereitstehen. Dieses Vergleichssignal kann durch eine zusätzliche Amplitudenmodulation übermittelt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Phasenlage der Modulationsfrequenz durch Phasenvergleich mit einem Vergleichssignal zu bestimmen, das durch einen weiteren amplitudenmodulierten Strahl erziek wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der eingangs genannten Art hinsichtlich sendeseitigem Linsensystem und empfangsseitiger Signalauswertungsanordnung möglichst einfach auszugestalten.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch diese Ausbildung wird empfangsseitig eine Synchronisierung als Voraussetzung für einen Phasenvergleich noch vor Trennung des Flugkörpers von der Leitstation bewirkt. Die zum Flugkörper zu übirmittelnde Information kann daher sehr einfach sein, da sie keine Bezugsdaten enthalten muß, so daß das sendeseilige Linsensystem und die empfangsseitige Auswertungsanordnung einfach aufgebaut sein können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 8 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung zur Steuerung eines Fernlenkgeschosses,

Fig.2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Senders nach F i g. 1,

F i g. 3 ist die Scheibe des Bezugssignalgenerators der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform,

F i g. 4 ist eine Seitenansicht des Abtastspiegels der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform,

Fig.5 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform -to des Senders,

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Empfängers,

F i g. 7 ist eine schematische Darstellung des Senders einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 8 ist eine schematische Darstellung des Empfängers der zweiten Ausführungsform.

F ί g. 1 zeigt schematisch ein Anwendungsbeispiel der Anordnung. Ein Sender Il ist auf einem Stativ 12 am Boden aufgestellt, das zur Einstellung des Senders in azimutaler Richtung und in Höhenrichtung mit Skalen versehen ist. Ein Fernrohr 14 ist auf dem Sender 11 angebracht. Das Visierrohr des Fernrohrs 14 ist auf das des Senders ausgerichtet, so daß das Fernrohr zur Ausrichtung des Senders 1 auf das zu steuernde « Projektil 15 verwendet werden kann. Der ferngelenkte Flugkörper 15 ist mit einem Empfänger zum Empfang der vom Sender 11 erzeugten Signale ausgerüstet.

Vor dem Start des Flugkörpers 15, wenn also der Sender noch in nächster Nähe des Empfängers ist, sind die Synchronisationskreise des Empfängers 17 mit denen des Senders 11 phasensynchronisiert, wie weiter unten noch im einzelnen erläutert. Nach dem Start wird der Flugkörper mit Fernrohr 14 weiter verfolgt, das dazu manuell von einer Bedienungsperson verstellt β--, wird. Sobald der Sender 11 auf den Flugkörper ausgerichtet ist, bleibt dieser über die Achse des Visierrohrs auf den Strahl Id des Senders automatisch ausgerichtet. Dieses Ergebnis wird durch Steuerkreise im Flugkörper erzielt, die auf Fehlersignale bei der Abweichung des Flugkörpers vorn Leitstrahl ansprechen. Der Flug des Flugkörpers kann somit durch Seiten- und Höhenverstellung des Senders 11 geregelt werden. Beim Strahl 18 kann es sich um einen Laserstrahl handeln.

Die Fig.2—4 zeigen eine Ausführungsform eines Senders, bei der ein pulsierender Laserstrahl mit einer Laserdiode 20 erzeugt und mit einer Linse 22 auf einen konischen Abtastspiegel 24 fokussiert wird, wobei der Strahl mit einem Spiegel 23 auf die Oberfläche des Abtastspiegels gelenkt wird. Der Abtastspiegel 24 ist an der Welle 26a eines Synchronmotors 26 befestigt und wird von demselben mit einer synchronisierten Frequenz gedreht, die, wie weiter unten noch unier Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben, von einem hochgenauen, frequenzstabilen Generator erzeugt wird.

Wie besonders aus F i g. 4 ersichtlich, ist der Abtastspiege! 24 mit einer oberen Oberfläche 24a versehen, die leicht gegen die Drehach ... · der Motorwelie 26a geneigt ist.

Der Kippwinkel kann z. B. 0,4° betragen, es ergibt sich damit eine 0,8°-Nutation des Strahls um die Achse des Visierrohrs bzw. um die Welle 26a mit der synchroni·.! Drehgeschwindigkeit dieser Welle. Der Spiegel 23 wird aus Gründen der Piatzersparnis verwendet, da durch diesen Spiegel der optische Weg umgelenkt wird. Der Spiegel 23 kann weggelassen werden, falls es auf Raumersparnis ankommt, wobei die Laserdiode 20 dann direkt gegenüber dem Abtastspiegel 24 in dem zur Fokussierung notwendigen Abstand angebracht wird. Ferner ist der Motor 26 leicht gegen das Gehäuse 28 geneigt, auf dem das in Fig. 1 dargestellte Fernrohr 14 montiert ist, um den Strahl auf die Achse des Fernrohr-Visi^rrohrs auszurichien.

Auf der Welle 26a ist zur Rotation mit derselben eine Scheibe 30 montiert, in der ein in Radialrichtung längliches Fenster 30a eingelassen ist. Die Scheibe i0 ist mittels einer Stellschraube 32 an der Welle 26a befestigt und kann deshalb in beliebige Radialstellungen am Umfa.ig der Welle gebracht werden. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist eine Lampe 35 an einer Seite der Scheibe 30 befestigt, während ein Photodetektor 3/ an der gegenüberliegenden Seite der Scheibe vorgesehen ist. Bei der Lampe 35 kann es sich um eine handelsübliche Glühbirne handeln, während der Photodetektor 37 zweckmäßigerweise aus einer handelsüblichen Photodiode besteht. Bei Rotation der Scheibe 30 läuft jedes Mal, wenn das Fenster 30a zwischen Lampe 35 und Photodetektor 37 erscheint, ein Lichtimpuls durch die Scheibe /u dem Photodetektor, worauf dieser ein entsprechendes elektrisches Impulssignal erzeugt. Wie weit-.r L it-;n noch erläutert, werden diese elektrischen Impulse zur Synchronisation des Empfängerbetriebs verwendet. Um genauen Synchronisationsbeirieb zu erzielen, muß die Scheibe 30 auf den Abtastspiegel 23 ausgerichtet sein, so daß das Fenster 30a zwischen der Lampe 35 und dem Photodetektor 37 zu Beginn jeder Abtastfolge, oder zumindest zu einem bestimmten Punkt in der ADlasifolge, erscheint.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Senders, mit einem Oszillator 41, der quarzgesteuert ist, einen Temperaturkoeffizienten Null und eine Betriebsfrequenz von etwa 3 kHz hat. Dieser Oszillator wird als Bezugseinheit für die Synchronisationsfrequenz verwendet und muß deshalb äußerst genau sein.

Frecnien/.teiler 42 teilen die Ause.inesfreauenz des

Oszillators 41 auf cine Frequenz von etwa 60 Hz. Der Ausgang der Frequenzteiler 42 wird in einem Leistungsverstärker 44 verstärkt, der die zum Betrieb des Synchronmotors 26 notwendige Leistung liefert. Wie bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 2 —4 erwähnt, treibt dieser Motor !en konischen Abtastspiegel 24 und die .Synchronisationsscheibe 30 mit einer genau eingeregelten Synchronfrequenz an. Die Lampe 35 ist auf einer Seite der Scheibe 30 angebracht, während der Photodetektor 37 an der gegenüberliegenden Seite angebracht ist, so daß Licht durch das Fenster 30a zu bestimmten Zeiten während jeder Umdrehung des Synchronmotor 26 fällt. Die Einzelheiten dieser Teile sind in Fig. 2 — 4 dargestellt und unter Bezugnahme auf diese Figuren beschrieben.

Im Impulsverstärker 48 werden die Ausgangssigtiale des Photodetektors 37 verstärkt, die eine den durch das Fenster 30<? fallenden Lichtimpulsen entsprechende elektrische Impulsfolge erzeugen. Die Ausgangssignale des Impulsverstärkers 48 bilden eine Serie von Synchronisationsimpi.ilscn. die zur Synchronisation des Lmpfängers vor dem Start des ferngelenkten Flugkörpers verwendet worden. Wie weiter unten noch unter Bezugnahme auf F i ir. 6 erläutert, werden diese Synchronisationsimpulse den Frequenzteilern des Empfängers zugeführt. Wie bereits unter Bezugnahme auf F'g. 2 —4 beschrieben, wird das Ausgangssignal des Lasers 20 von dem konischen Abtastspiegel 24 reflektiert, wobei der Lichtstrahl entsprechend dem konischen Abtastmuster des Spiegels eine Nut.itionsbewegung ausführt.

Fig 6 zeigt das Blockschaltbild des Empfängers der Anordnung. Zum Empfänger gehört ein quarzt'csteuertcr Oszillator 51. der dem Oszillator 41 im Sender ähnelt und auch die gleiche Betriebsfrequenz r t. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators 51 wird durch Frequenzteiler 52 geteilt, bis sich die gleiche Frequenz wie am Ausgang der Frequenzteiler 42 ergibt. Der Ausgang der Frequenzteiler 52 ist phasensynchronisiert mit der Drehung des .Synchronmotors 26 durch die .Synchronisationsimpulse, die vom Impulsverstärker 48 des Senders dem Synchronmotor zugeführt werden. Dies läßt sich durch ein den Sender mit dem Empfänger vor dem Abschuß des Flugkörpers verbindendes Kabel erreichen, das unmittelbar vor oder direkt beim Start des Flugkörpers abgenommen wird. Das Ausgangssignal der Frequenzteiler 52 wird einem Phasendetektor 54 zugeführt. Ein Teil des Signals wird mit Hilfe eines Phasenschiebers 55 um 90⁼ phasenverschoben. Das phasenverschobene Ausgangssignal wird dem Phasendetektor 56 zugeführt.

Der eine Nutationsbewegung ausführende Lichtstrahl des Senders wird von einem Photodetektor 58 empfangen, der aus einer Photodiode bestehen kann. Die Ausgangssignale des Photodetektors 58 werden verstärkt und im Verstärker 59 weiterverarbeitet Das verstärkte Ausgangssignal wird den beiden Detektoren 54 und 56 zugeführt. Die Detektoren 54 und 56 erzeugen Ausgangssignale, deren Amplitude und Polarität von der Phasenbeziehung zwischen den zu Vergleichszwekken zugeführten Eingangssignalen abhängt Der Detektor 54 erzeugt ein Ausgangssignal entsprechend der Phasenbeziehung zwischen dem Ausgangssignal der Frequenzteiler 52. die mit der konischen Abtastung des Lichtstrahls synchronisiert sind, und dem vom Empfänger aufgenommenen Eingangssignal. Das Ausgangssirrr^oj /j»c Ds^:ek*ors 56 entsⁿncht der Ph2senbez!enun^tr zwischen dem um 90"" phasenverschobenen Bezugssi-

gnal und dem empfangenen Signal.

Wenn der Flugkörper mit dem Strahl in Azimutalrichtung ausgerichtet ist, beträgt die Phasenbeziehung zwischen den beiden dem Detektor 54 zugeführten Signalen 90". und die Ausgangsgleichspannung dieses Detektors ist deshalb Null. Sobald jedoch das Fahrzeug in .Seitenrichtung abweicht, wird ein azimutales Fehlersignal vom Detektor erzeugt, dessen Polarität die Richtung der Abweichung angibt, während die Größe des Fehlersignals dem Absolutwert der Abweichung entspricht. Dieses Signal wird der Steuereinheit 60 des Flugkörpers zugeführt, die das Fahrzeug so steuert, daß das Fehlersignal verschwindet.

In ähnlicher Weise werden Abweichungen des Flugkörpers vom Strahl in Höhenrichtiing vom Detektor 56 ermittelt und ein entsprechendes llöhenwinkcl-Fehlersignal wird erzeugt, das dann zur Rückleitung des Fahrzeugs in die Stellung mit dem richtigen I löhenwinkel benutzt wird.

F i g. 7 zeigt einen Sender, der besonders dann zweckmäßig ist. wenn ein Laserstrahl verwendet wird, der Übertragungsweg verhältnismäßig lang ist (I 50 Meter oder mehr) und Rauschen infolge atmosphärischer Brechung oder dem Funkeleffekt der Laserdiode dem Nutzsignal überlagert ist. Das Rauschen kann in diesem Fall zu einer Verfälschung des Nutzsignals führen.

Wie F i g. 7 zeigt wird vom Lasergenerator 70, der aus einer Laserdiode bestehen kann, ein Laserstrahl 71 ausges^ndt. Der Strahl wird mit einer Linse 72 auf einen Strahlspalter und Polarisator 73 fokussiert, der aus einem Kalzitkristall oder einem Satz von Polarisationsfiltern bestehen kann. Der Strahl wird in eine erste Komponente 71a aufgespalten, die vom Abtastspiegel 24 reflektiert wird. Der Abtastspiegel 24 wird von Motor 26 zwecks Nutation des Strahls gedreht, wie vorher für die erste Ausführungsform beschrieben. Die Strahlkomponente 71a wird mit einem Spiegel 75 durch eine Linse 76 auf einen Spiegel 77 gelenkt und dann dem Lichtspalter 73 zurückgeführt, wo die Strahlkomponente 71a mit einem Teil der Strahlkomponente 71 b wiedervereinigt wird, die durch den Lichtspalter hindurchging. Die Strahlkomponente 71a ist in Horizontalrichtung polarisiert oder hat rechtsseitige Kreispolarisation oder rechtsseitige elliptische Polarisation, während die Strahlkomponente 71£> in Vertikalrichtung polarisiert ist oder linksseitige Kreispolarisation oder linksseitige elliptische Polarisation im Lichtspalter und Polarisator 73 annimmt Eine Linse 79 dient zur Bündelung des Strahls. Der vom Sender ausgesandte Strahl besteht damit aus zwei Komponenten mit gegenläufiger Polarisation, wobei eine der Komponenten konisch abgetastet wird.

F i g. 8 zeigt das Blockschaltbild eines Empfängers zur Weiterverarbeitung der beiden Strahlkomponenten. Der ankommende Strahl 80 wird mit Hilfe des Linsensystems 81 auf einen Lichtspalter 82 fokussiert Die vertikale Strahlkomponente wird vom Spiegel 85 über ein Polarisationsfilter 87 mit horizontaler Polarisation oder rechtsseitiger Kreispolarisation oder rechtsseitiger elliptischer Polarisation auf den Photodetektor 88 reflektiert Die Komponente mit vertikaler Polarisation oder linksseitiger Kreispolarisation oder linksseitiger elliptischer Polarisation gelangt durch einen Lichtspalter 82 und ein Polarisationsfilter 90 auf einen Photodetektor 91. Die Signale werden damit voneinander getrennt und in Vorverstärkern 93 bzw. 94 verstärkt, worauf die Signale an einem Differenzverstärker 96 angelegt werden, in dem sie voneinander subtrahiert

werden. Bei der Subtraktion der Signale werden Rauschsignale, die normalerweise in beiden Signalkomponenten die gleiche Amplitude und Polarität aufweisen, vom Ausgangssignal entfernt. Das vom Differenzverstärker % abgegebene Signal enthält die konische Abtastmodulation und wird dann in der unter Bezugnahme auf Fig.6 für die erste Ausführungsform beschriebenen Weise verarbeitet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Anordnung zur Steuerung der Lage eines Flugkörpers in bezug auf einen Leitstrahl in Gestalt eines um die Sichtlinie nutierenden Strahlungsbündels, der von einem in der Leitstation angebrachten Sender ausgesandt und von einem auf dem Flugkörper angebrachten Empfänger empfangen wird, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

(a) Zum Sender (11) gehören eine Einrichtung (30, 35, 37) zum Erzeugen eines Signals in Gestalt einer Stromstoßreihe von bestimmter Frequenz, ferner ein auf diese Stromstoßreihe ansprechender Antrieb (26), der mit einer genau bestimmten Nutationsfrequenz die Einrichtung (24) antreibt, die die Nutation des Leitstrahls (18) erzeugt, und außerdem eine Einrichtung (48) zum Erzeugen eines Synchronisierungssignals, das die Phase der Nutation des Leitstrahls (18) angibt.

(b) Der auf dem Fahrzeug (15) angebrachte Empfänger (17) enthält eine Einrichtung (52) zum Erzeugen eines Signals in Gestalt einer Stromstoßreihe von derselben Frequenz, welche die im Sender (11) erzeugte Stromstoßreihe aufweist, ferner eine Einrichtung (54,56), die in Abhängigkeit von der im Empfänger (17) erzeugten Stromstoßreihe ein Bezugssignal für die Phase der Leitstrahlabtastung erzeugt, und schließlich eine Einrichtung (60) zum Messen der Phase'nb viehung zwischen der konischen Abtastung des Leitstrahls un-H dem Phasenbezugssignal und zum Erzeugen eines Steuersignals in Abhängigkeit von de.- Phasenbeziehung, um dadurch den Flugkörper auf dem Leitstrahl zu halten, wobei die Phasenbeziehung die Abweichung des Flugkörpers von der Achse des Leitstrahls angibt.

(c) Eine Einrichtung, um den im Empfänger (17) befindlichen Stromstoßerzeuger (52) mit dem Synchronisierungssignal zu speisen, während sich der Flugkörper (15) noch vor Beginn seines Fluges am Sender (11) befindet, um dadurch das Phasenbezugssignal mit der Nutation des Leitstrahls zu synchronisieren.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Stativ (12), mit dem man von Hand den Seitenwinkel und den Höhenwinkel des Leitstrahls (18) einstellen kann.
3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Fernrohr (14), mit welchem man den Flugkörper (15) von der Leitstation aus anvisieren und dadurch den Leitstrahl (18) auf den Flugkörper (15) richten kann.
4. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsbündel ein Laser-Strahl ist, der durch eine entsprechende Einrichtung im Sender erzeugt wird.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Stromstoßreihe ansprechende Antrieb (26) von einem Motor gebildet wird, an dessen Antriebswelle (26a) ein ebener Spiegel (24) sitzt, dessen Ebene gegenüber der Motorwellenachse etwas schief gestellt ist und sich in der optischen Bahn des Leitstrahls befindet, der daher bei Antrieb des Spiegels (24) durch den Motor eine Nutationsbewegung erfährt.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen der Stromstoßreihe von bestimmter Frequenz einen quarzgesteuerten Schwingungserzeuger (41) und

eine Einrichtung (42) enthält, mit der die Schwingungsausgangsfrequenz auf die Frequenz des Leitstrahls heruntergeteilt wird.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Absatz (a) dieses Anspruchs

ίο erwähnte Antrieb (26) auf den Ausgang der Frequenzteilerschaltung (42) anspricht und mit einer dadurch bestimmten Drehzahl läuft.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen der Stromstoßreihe von bestimmter Frequenz eine Scheibe (30) ist, die an der Welle (26a) des den Antrieb (26) bildenden Motors sitzt, einen radialen Schlitz (30a) hat und mit diesem Schlitz zwischen einer Lichtquelle (35) und einem lichtempfindlichen

Element (37) gelegen ist, das jedesmal dann einen Stromstoß aussendet, wenn es durch den Schlitz hindurch von der Lichtquelle (35) beleuchtet wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (70) eine Vorrichtung zur Zerlegung des Strahls (18) in zwei Komponenten (71a, 7\b) und zur verschiedenartigen Polarisation der beiden Komponenten aufweist, wobei nur eine Strahlkomponente (/la) eine Nutationsbewegung erhält, und daß im Empfänger Vorrichtungen zur Subtraktion der beiden Strahlkomponenten (71a, 71 b) vorgesehen sind, um Rauschsignale vom zusammengesetzten Strahl zu subtrahieren.