DE2855951A1 - Verfahren zur navigatorischen lenkung von flugkoerpern - Google Patents

Description

• Verfahren zur navigatorischen Lenkung von Flugkörpern
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur navigatorischen Lenkung von Flugkörpern durch Abtastung des überflogenen Geländes mit Hilfe von Strahlen.
• Bei derartigen Verfahren zur navigatorischen Lenkung von Flugkörpern ist es erforderlich, die Geschwindigkeit, die Flughöhe und die Position des Flugkörpers in jedem Augenblick feststellen zu können. Aus diesen Meßwerten werden Lenksignale für eine eventuell erforderliche Kurskorrektur gewonnen.
• Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse die Dopplernavigation zu verwenden. Dabei handelt es sich um ein Verfahren der Koppelnavigation, wobei die Geschwindigkeit über Grund durch ein Dopplerradargerät gemessen wird. Von einem Flugzeug werden (meist vier) eng gebündelte Leitstrahlen in Impulsen oder kontinuierlich ausgesandt. Nach dem Dopplereffekt ergibt sich für das empfangene reflektierte Signal eine von der Geschwindigkeit des Flugzeuges abhängige Frequenzverschiebung. Die Verwendung von vier Leitstrahlen ermöglicht die Bestimmung von Längs- und Quergeschwindigkeit über Grund. Die Position des Flugzeugs wird aus der laufenden Messung von Kurs und Geschwindigkeit über eine zeitliche Integration gewonnen; in der Luftfahrtr£avigation auf der Basis von Eigengeschwindigkeit und Magnetkompaßkurs. Dabei versteht man unter der Eigengeschwirdigkeit die auf die umgebende Luft bezogene Geschwindigkeit (TAS = True Air Speed), d.h. die korrigierte Fluggeschwindigkeit (vgl. z.B. Baier, Elektronik Lexikon, Stuttgart 1974, Stichworte "Dopplernavikation", Koppelnavigation", t'Air Speed").
• Dieses bekannte Verfahren ist jedoch sehr ungenau, insbesondere wenn hohe Beschleunigungen auftreten. Nachteilig und ein weiterer Fehlerfaktor ist auch die erforderliche Korrektur der Geschwindigkeit des Flugzeuges, Außerdem können mit dem Dopplerradar nur Translationsbewegungen gemessen werden.
• Rotationen um die vertikale Achse des Flugkörpers können nur mit Hilfe von Kreiseln, nicht jedoch durch Abtastung des Bodens gemessen werden.
• Bei einem weiteren bekannten Navigationsverfahren erfolgt ein Vergleich des mit Radar vermessenen, überflogenen Bodenprofils mit einer eingespeicherten Landkarte. Gemäß der DE-OS 26 41 447 weist ein auf diese Weise gelenkter Flugkörper einen die Referenzdaten eines Kontrollgebietes liefernden Speicher sowie eine die Absolut- und Relativhöhe des überflogenen Flugweges erfassende Höhenmeßeinrichtung zur Höhenbestimmung der Landschaft und zur Positionsbestimmung des Flugkörpers auf. Dabei werden die als Referenzdaten in den Speicher eingelesenen Geländedaten mit einem Aufklärungsflugkörper erfaßt, der als Navigationssystem eine Anordnung aufweist, die mit dem eines Kampfflugkörpers identisch ist.
• Die .Positionsbestimmung des eingesetzten Kampfflugkörpers erfolgt durch Vergleich der dem Speicher entnehmbaren Referenzdaten mit den von einem Navigationsrechner korrigierten Referenzdaten. Weichen die neu aufgenommenen Geländedaten von den Referenzdaten ab, werden einem im Kampfflugkörper eingebauten Autopiloten Lenksignale zugefüift. Das beim Vergleich des durch die räumliche Verschiebung g&messenen Höhenprofilsignals mit dem Referenzprofilsignal erzeugte Signal dient bei entsprechender zeitlicher Zuordnung ferner als Signal zur Bestimmung der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung des Eampfflugkörpers.
• Ein derartiges Navigationsverf ahren ist jedoch sehr aufwendig, insbesondere deshalb, weil vorher eine genaue Landkarte mit allen Höhendifferenzen erstellt werden muß Außerdem ist eine großräumige Struktur, z.B. Berge, Flüsse, etc. des überflogenen Geländes erforderlich, damit eine zuverlässige Lenkung des Flugkörpers möglich ist.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur navigatorischen Lenkung von Flugkörpern anzugeben, das mit geringem Aufwand eine sehr genaue bordautonome navigatorische Lenkung erlaubt, das hohe Beschleunigungen fehlerfrei- erfaßt und das auch Drehungen des Flugkörpers um die vertikale Achse berücksichtigt.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Bündeln einander zugeordnete Laserstrnblen vom Flugkörper zum darunter liegenden Gelände ausgesendet und die reflektierten Laserstrahlen wieder empfangen werden, daß mindestens zwei Laserstrahlen innerhalb eines Bündels nacheinander gleiche Geländeelemente abtasten., daß eine Korrelotion der durch die Geländeelemente verursachten zeitlichen Modulation von jeweils mindestens zwei solcher reflektierter Laserstrahlen erfolgt und daß aus den so ermittelten Korrelationszeiten Lenksignale abgeleitet werden..
• Die weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist aus den Unteransprüchen ersichtlich.
• Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren näher erläutert werden..
• Es zeigen: Fig. 1 einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gelen ten Flugkörper Fig. 2 eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Erfassung einer relativen Drehung des Flugkörpers um seine Vertikalachse.
• In Fig. 1 werden vom Flugkörper 300 in 3 Bündeln V, R und L paarweise parallel angeordnete Laserstrahlen 1, 2, bzw.
• R1, R2, bzw. L1, L2, zum darunterliegenden Gelände 100 ausgesendet und die reflektierten Laserstrahlen, beispielsweise 11, 12, wieder empfangen. Die jeweils parallelen Laserstrahlen, 1, 2, bzw. R1, R2, bzw. L1, L2, sind in Fig. 1 so angeordnet, daß ihre Auftreffpunkte im Abstand aV bzw.
• aR bzw. aL in Blugrichtung hintereinander liegen und sie nacheinander gleiche Geländeelemente, beispielsweise 101, 102; 103, 104; 105, 106; abtasten Durch die nacheinander erfolgende Abtastung gleicher Geländeelemente 101, 102 usw.
• erfahren die reflektierten Laserstrahlen eine gleiche, zeitlich verschobene Modulation, d.h. die Modulation der beiden reflektierten Laserstrahlen ist korreliert. Aus der Korrelationszeit und dem Abstand aV ergibt sich die Geschwindigkeit v, mit der das Laserstrahlenpaar 1, 2 das Gelände überstreicht. Die Korrelationszeit kann erfindungsgemäß aus der durch Intensitätsschwankungen verursachten zeitlichen Modulation und/oder aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Änderungen der Polarisationsrichtung der reflektierten Las erstrahlen 11 und 12 ermittelt werden Die genannten Laserstrahlen können aber auch durch geeignete geräteseitige Modulation als kontinuierlich arbeitende Entfernungsmesser ausgebildet werden. In diesem Fall End die Eorrelationszeit aus der geländebedingten zeitlichen Modulation der mit den Strahlen 11, 12 gemessenen Entfernungen bestimmt. Das nach vorne in Flugrichtung gerichtete Laserstrahlenpaar 1, 2 bzw. 11, 12 liefert somit die wahre Geschwindigkeit über Grund.
• Zur Ermittlung einer Drehgeschwindigkeit x des Flugkörpers um seine Vertikalachse sind seitlich gerichtete Bündel R, L von Laserstrahlen angeordnet, die jeweils mindestens zwei Laserstrahlen R1, R2 bzw. L1, L2 enthalten. Die Strahlen inimerhalb eines Bündels, beispielsweise-R1, R2 im Bündel R tasten ebenso wie die Strahlen 1, 2 des Bündels V das Gelände 100 hintereinander ab und liefern so eine Abtastgeschwindigkeit vR, die sich aus der Korrelationszeit #R ergibt zu vR = aR / #R, R2 am Boden bezeichnet, ebenso erhält man eine Abtastgeschwindigkeit vL.
• Mißt man noch zusätzlich in an sich bekannter Weise durch Laufzeit- und Winkelmessung mit Hilfe der Trigonometrie die Abstände bL, bR, des FuE<punktes des Lotes durch den Flugkörper 300 zu den Auftreffpunkten der seitlich gerichteten Bündel L und R, so kann unter Einbeziehung der bereits erermittelten, seitlichen Abtastgeschwindigkeiten vL,vR die Drehgescewindigkeit '.des Flugkörpers um die vertikale Achse nach der Formel bestimmt werden. Bei dieser Messung wird vorzugsweise die Geometrie so gewählt, daß bL, bR »aL, aR. Zweckmäßiger weise werden in diesem Ausführungsbeispiel die Laserstrahlen innerhalb eines Bündels parallel angeordnet, so daß der Abstand der Auftreffpunkte am Boden unabhängig von deren Entfernung zum Flugkörper ist. In analoger Weise läßt sich die Höhe des Flugkörpers 300 über dem Gelände 100 und seine Fluglage relativ zum überflogenen Gelände bestimmen. Damit liegen alle Eingabedaten vor, die notwendig sind, um einen Flugkörper automatisch auf einem vorgegebenen Kurs zu halten, wobei der Flugkörper auch noch dem Gelände folgen und Hindernissen ausweichen kann.
• Natürlich kann der Flugkörper noch mit weiteren Laserstrahlenbündeln ausgerüstet werden, die in andere als die in Fig. 1 gezeigten Richtungen strahlen; ebenso kann die Zahl der Laserstrahlen innerhalb eines Bündels erhöht werden. Beide Maßnahmen führen zu einer Erhöhung der Meßgenauigkeit.
• Weiterhin ist vorgesehen, weitere Laserstrahlen so einander zuzuordnen, daß ihre Auftreffpunkte am Boden nicht parallel zur Flugkörperachse FA liegen, sondern davon abweichen, so daß auch Korrelationen erfaßt werden können, die mit einer seitlichen, etwa durch Querwind verursachten Drift des Flugkörpers verknüpft sind.
• In Fig. 2 wird eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt, bei der die DrehgeschwindigkeitE åes Flugkörpers 300 um die vertikale Achse durch mindestens je ein seitlich gerichtetes Laserstrahlenpaar LL1, LL2 und RR1, RR2 gemessen wird, dessen Laserstrahlen vom Flugkörper 300 aus gesehen jeweils einen sehr spitzen Winkel einschließen und zum Lot durch den Flugkörper jeweils einen wesentlich größeren Winkel gLs /aR bilden. Die reflektierten Laserstrahlen dieser Laserstrahlenpaare werden wieder in gleicher Weise untereinander korreliert und Korrelationszeiten #L, 9R fesü L' R gestellt. Wählt man jeweils gleiche Winkel αL = αR = α und ßL = ßR = ß, so ergibt sich für die Drehgeschwindigkeit der besonders einfache Zusammenhang In diesem Fall ist zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit lediglich eine Messung der Korrelationszeiten #R und erforderlich, und es ist nicht nötig, zusätzlich durch Laufzeitmessung die Abstände der Auftreffpunkte der La- serstrahlen zum Flugkörper bzw. zum Fußpunkt des Lots zu bestimmen.
• Um eine gute Auflösung zu erzielen, werden Größe und Abstände der abgetasteten Geländeelemente 101, 102, 103, 104 innerhalb eines Bündels zweckmäßig der Struktur des überflogenen Geländes angepaßt. Charakterisiert man die Struktur 500 der Geländeeigenschaft, die für die Modulation der reflektierten Laserstrahlung verantwortlich ist, durch eine typische Abmessung von der Größe d, so soll der Durchmesser eines auftreffenden Laserstrahl möglichst <d, der Abstand aV1 aR, aL zweier Laserstrahlen, die zur Korrelationsbestimmung herangezogen werden, möglichst 5 d sein.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner noch so variiert werden, daß Translationsbewegungen des Flugkörpers 300 aus der Dopplerverschiebung der Trägerfrequenz der in Bündeln V, R, L zusammengefaßten Laserstrahlen 1, 2, L L2, ... Ln; R11 R2, ... Rn; LL1, LL2, RR1, RR2; oder einer aufmodulierten Frequenz ermittelt werden. Außerdem können die Laserstrahlen gleichzeitig zur Messung der Abstände zu den abgetasteten Geländeelementen 101, 102, 103, 104 verwendet werden.
• Sämtliche Berechnungen zur Kurskorrektur können mit einem Navigationsrechner durchgeführt werden.
• Die Erzeugung der Laserstrahlen für das erfindung,sgemäße Verfahren erfolgt vorteilhaft durch kontinuierlich emittierende Dioden oder C02-Laser, beispielsweise C02-Wellenleiterlaser.
• Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur navigatorischen Lenkung von Flugkörpern bestehen darin, daß nicht nur Translationsbewegungen, sondern auch Drehungen des Flugkörpers um die vertikale Achse durch Abtasten des überflogenen Geländes sehr genau gemessen und zur bordautonomen navigatorischen Lenkung von Flugkörpern verwendet werden können. Ebenso werden hohe Beschleunigungen fehler- und verzögerungsfrei erfaßt.

Claims (16)

1. Verfahren zur navigatorischen Lenkung von Flugkörpern Patentansprüche 1. Verfahren zur navigatorischen Lenkung von Flugkörpern durch Abtastung des Geländes mit Hilfe von Strahlen, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß in Bündeln (V,R,L) einander zugeordnete Laserstrahlen (1,2; R1,R2; L1,L2) vom Flugkörper (300) zum darunter liegenden Gelände (100) ausgesendet und die reflektierten Laserstrahlen wieder empfangen werden, daß mindestens zwei Laserstrahlen (1,2) innerhalb eines Bündels (V) nacheinander gleiche Geländeelemente (101,102) abtasten, daß eine Korrelation der durch die Geländeelemente (101,102) verursachten zeitlichen Modulation von jeweils mindestens zwei solcher reflektierter Laserstrahlen (11,12) erfolgt und daß aus den so ermitteiten Korrelationszeiten (2r) Lenksignale abgeleitet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch -g e k e n n z e 1 c h -n e t , daß zur Ermittlung der Korrelationszeiten (21 die durch das Gelände (100) verursachten Schwankiingen der Intensität oder der Polarisation von jeweils mindestens zwei reflektierten Laserstrahlen (11,1 2)ausgewertet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die zum darunter liegenden Gelände (100) ausgesendeten Laserstrahlen (1,2; R1,R2;L 2)geräteseitig zeitlich moduliert sind und daß aus dem Vergleich der ausgesendeten mit den reflektierten Strahlen die Entfernungen zum Gelände (100) bestimmt werden.
4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Ermittlung der Korrelationszeiten (t) die Schwankungen der Entfernungen zum Gelände (100) ausgewertet werden, die mit jeweils mindestens zwei Laserstrahlen gemessen werden.
5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens zwei seitlich gerichtete Bündel von Laserstrahlen (R,L) das Gelände (100) zu beiden Seiten des Flugkörpers abtasten und daß aus dem Unterschied der in -jedem Bündel (V,B,L) ermittelten Korrelationszeiten (r) die Drehung des Flugkörpers um seine vertikale Achse bestimmt wird.
6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß aus der in mindestens einem Bündel (V,R,L) ermittelten Korrelationszeit ( G ) die Geschwindigkeit des Flugkörpers (300) über dem Gelände (100) bestimmt wird.
7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Durchmesser der Laserstrahlen (112,R1R2,Li,L2) am Auftreffpunkt auf dem Gelände (100) kleiner ist als der jeweilige Abstand (aV,aR,a) zwischen zwei Laserstrahlen, die zur' -Bildung einer Korrelationszeit (#i) herangezogen werden.
8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h m e t , daß der Abstand (aV,aR,a) jeweils zweier Laserstrahlen, die zur Bildung einer Korrelationszeit (#i) herangezogen werden, der Struktur des Geländes (100) angepaßtwird.
9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge k e n n z e i c h n e t , daß die Laserstrahlen innerhalb eines Bündels (V,R,L) parallel angeordnet sind und die Abtastgeschwindigkeit aus der Korrelationszeit (#i) unabhängig vom Abstand des Auftreffpunktes eines Bündels (V,R,L) vom Flugkörper (300) ermittelt wird.
10. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z- e i c h n e t X daß die innerhalb eines Bündels (V,R,L) angeordneten Laserstrahlen sich im Flugkörper (300) schneiden und die Drehgeschwindigkeit (Q) des Flugkörpers um seine vertikale Achse unabhängig vom Abstand (bRfb) der Auftreffpunkte (103,104,105,106) der seitlich gerichteten Bündel (R,L) vom Flugkörper (300) bestimmt wird.
11. 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Laserstrahlen (1,2,R1,R2.L1,L2) innerhalb eines Bündels (V,L,R) unterschiedlich moduliert sind und von einem einzigen Empfänger detektiert werden.
12. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Translationsbewegungen des Flugkörpers (300) aus der Dopplerverschiebung der Trägerfrequenzen der Laserstrahlen (1,2,R1,R2,L1,L2) ermittelt werden.
13. 13» Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß einer oder mehrere Laserstrahlen (112,K1,R2,L1,L2) mit einer Frequenz moduliert und aus der Dopplerverschiebung der Modulationsfrequenz Translationsbewegungen des Flugkörpers festgestellt werden
14. 14, Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erzeugung der Laserstrahlen (1,2,R1,R2,L1,L2) kontinuierlich emittierende Dioden verwendet werden.
15. 15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erzeugung der Laserstrahlen (1,2,R1,R2,I;1,L2) kontinuierlich emittierende C02-Laser verwendet werden.
16. 16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , -daß der Flugkörper (300) mit Hilfe der gewonnenen Lenksignale einen Gelände-Folgeflug ausführt.