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Navigations- und Lenksystem für Flugkörper
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Die Erfindung betrifft ein Navigations- und Lenksystem für Flugkörper
mit Vergleich zwischen aktuellen, von einem Bodensensor ermittelten Geländedaten
und einer gespeicherten Referenz der Geländedaten.
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Um die Genauigkeit von Luftfahrtnavigationssystemen zu verbessern,
bzw. deren Fehler nicht fortwährend mit der Flugzeit wachsen zu lassen, bemüht man
sich seit einiger Zeit, eine Beziehung zwischen dem monientan überflogenen Gelände
und gespeicherten Geländedaten herzustellen.
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Zur Herstellung der Vergleichsbeziehung wird mindestens ein charakteristisches
Kriterium des Geländes herangezogen, etwa die Höhe oder die Radarreflektivität.
Die ausgewählten Kriterien werden mittels geeignetem Sensor, wie z.B. Radarhöhenmesser
bzw. Radar vom Luftfahrzeug aus ermittelt und die gemessenen Werte werden mit den
gespeicherten Geländedaten verglichen. Unter dem Namen TERCOM, siehe Aviation Week
and Space Technology, 25.2.74, Seite 50 ff, ist ein Verfahren der beschriebenen
Art angegeben, welches mit einem zuvor vermessenen Höhenprofil arbeitet.
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Voraussetzung dieses und der anderen bekannten Verfahren ist der Besitz
der in Frage kornmenden Geländedaten in der Form des ausgewählten Kriteriums, deren
Gewinnung insbesondere dort ein Problem bietet, wo der Zugang und die genaue
Vermessung
nicht möglich ist. Aus naheliegenden Gründen besteht außerdem die Notwendigkeit,
den Bordrechner und Speicher klein zu halten, so daß man bestrebt ist, das Geländekriterium
so auszuwählen, daß die pro Flugweg-Längeneinheit abzuspeichernde Datenmenge klein
ist und der Vergleichsvorgang von kurzer Dauer ist bzw. wenig Rechenaufwand erfordert.
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Die bekannten Verfahren erfüllen die genannten Kriterien nur zum Teil.
So ist z.B. bei dem bekannten TERCOM-Verfahren die Notwendigkeit genauer Vermessung
des Höhenprofils über fremdem Gebiet gegeben. Zusätlich erschwert die in gewissen
Gebieten geringe Höhenstruktierung des Geländes die Genauigkeit des Verfahrens.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu beseitigen
und ein Navigations- und Lenksystem der eingangs genannten Art anzugeben, welches
ein einfaches Geländekriterium benutzt, für das die Geländedaten vorhanden oder
leicht beschaffbar sind, welche hohe Genauigkeit bei geringem Rechner- und Speicheraufwand
liefert und bei dem die Verwendung eines einfachen Sensors zur Geländeabtastung
möglich ist.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß eine Bordanlage, dem Aufdaten
von durch eine Grundnavigationsanlage erstellten Positionsangaben dient, wobei der
Bodensensor der Bordanlage die Übergänge der den Boden bildenden Textur ermittelt,
charakteristische Änderungen zu Impulsen verarbeitet und mehrere Impulse als Impulszug
nach vorbestimmbarer Zeit mit çespeicEwerten Referenzimptllszügen verglichen werden,
welche vor dein Start des Flugkörj>ers niit einer l3Odenanlage ermittelt werden,
wobei die gewünschte Sollflugbahn über
einer Vorlage abgefahren
und mittels einer linearen Detektoranordnung abgetastet wird, wobei jeder Detektor
der linearen Detektoranordnung einen Referenzimpulszug erzeugt.
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Mit dem vorgeschlagenen Navigations- und Lenksystem läßt sich eine
äußerst präzise Lenkung von Flugkörpern erreichen, wobei die Flugkörper sowohl bemannt
als auch unbemannt sein könnten. Es wird vorteilhaft die Tatsache relativ scharfer
Übergänge der den Boden bedeckenden Texturen ausgenutzt. Dies sind z.B. Ubergänge
zwischen Wiese, Feld, Acker, Wald, Straße, Fluß, Gebäuden. Diese Übergänge haben
in der Natur eine Schärfe, die in der Regel unter einem Meter liegt. Solche Übergänge
sind außerdem in der Natur allgegenwärtig, treten in einer Richtung gesehen, häufig
genug auf und ändern ihre Lage nur im Einzelfall und in größeren Zeiträumen. Aufgrund
dieser Eigenschaften lassen sich mithin Navigationsgenauigkeiten im Meterbereich
erzielen. Die Lage der Texturübergänge ist leicht durch Fotos in sichtbarem oder
Infrarotbereich festzuhalten. Diese Fotos können mit heutigen Mitteln auch aus sehr
großer Höhe, d.h. also von Satelliten erstellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird mit dem Boden sein sor aus
der abgetasteten Textur auch die Art des überflogenen Geländes, beispielsweise Wald
oder Straße ermittelt, und mit eingespeicherten Geländedaten verglichen, wodurch
eine noch höhere Sicherheit beim Aufdaten erzielt wird.
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Die Erfindung ist anhand der Fig. näher erläutert. Es zeigen Fig.
1 einen Flugkörper rnit einem Biockschaltbild;
Fig. 2 den Flugkörper
beim Überflug über ein Gelände; Fig. 3 Flugbahnen über einem Gelände; Fig. 4a, b,
c Impulszüge nach einem Gelände; Fig. 5 eine Bodenanlage; Fig. 6 eine Verarbeitungseinrichtung.
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Gemäß Fig. 1 enthält ein Flugkörper 1 eine Grundnavigationsanlage
7 und eine Bordanlage 50. Bei der Grundnavigationsanlage 7 kann es sich um ein Trägheitsnavigationssystem
handeln, für das das noch zu beschreibende Navigations- und Lenksystem als Stützung
hinsichtlich von Fehlern und Driften der Anlage dient. Durch die Bordanlage 50 wird
die Grundnavigationsanlage 7 aufgedatet, was entweder laufend oder intermittierend
geschehen kann.
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Die Bord anlage 50 besteht aus einem gegen den Erdboden gerichteten
Bodensensor 2, beispielsweise einem Lasersender zur Bestimmung von Texturen und
Textübergängen, einem Zwischenspeicher 4 für daraus abgeleitete Daten, einem Speicher
5 für die Referenzgeländedaten und einem Rechner 6. Der Bodensensor 2, wie bereits
gesagt, ein Lasersender scharfer Bündelung, mit einem Laserempfänger erzeugt einen
momentanen Fußpunkt am Boden, dessen Größe im Einklang sowohl mit der Unschärfe
von Textübergängen als auch mit den typischen Abmessungen der Textur selbst besteht.
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In Fig. 2 sind die in Fig. 1 bereits angedeuteten Bodenverhältnisse
anschaulicher dargestellt. Der Flugkörper 1 richtet den Sensorstrahl 8 etwa senkrecht
gegen die Erdoberfläche. Der Sensorstrahl 8 wird mit der Fluggeschwindigkeit des
Flugkörpers 1 vorwärtsgeführt, so daß am Boden eine Abtastlinie 10 erzeugt wird.
Zur Bestimmung der Texturen des Bodens und deren Änderungen ist vorgesehen, einen
Laserstrahl kontinuierlich auszusenden und zu empfangen.
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Hierbei ist der Laserstrahl moduliert, so daß am Empfänger parallel
sowohl die Intensität der rtickgestreuten Strahlung als auch die langzeitbedingte
Phasenverschiebung der Modulation, also die Entfernung, bestimmt wird. In einer
weiteren Ausführung wird am Empfänger auch noch die Hintergrundstrahlung, also Streulicht
oder Wärmestrahlung, aufgenommen. Als Laser sind entweder kontinuierlich emittierende
Halbleiterlaser, Nd-Laser oder CO2-Laser, vorzugsweise vom Wellenleitertyp, vorgesehen.
Es können aber auch alle anderen kontinuierlich emittierenden Lasertypen verwendet
werden. In besonderen Fällen genügt es auch, ohne Laser nur mit Hilfe der Hintergrundstrahlung
zu operieren. Eine Verbesserung der Abtastgenauigkeit kann dadurch erreicht werden,
daß der Boden parallel mit 2 oder mehr Sensorstrahlen abgetastet wird. Während der
Fußpunkt 9 des Bodensensors 2 sich innerhalb einer Bodenfläche 11 einheitlicher
Textur, z.B. einem Acker bewegt, entstehen am Ausgang des Bodensensors 2 Signale,
welche in für diese Textur typischerweise nach Frequenz und Amplitude schwanken,
siehe auch Fig. 3, Fig. 4a, 4b, 4c. An der Übergangslinie 12 zur Bodenfläche 13
anderer Textur, z.B. einer Wiese, ändert sich die Charakteristik des Empfänger-Ausgangs-Signals
schlagartig. Diese Änderung wird durch einen geeigneten Filtersatz festgestellt
und zu einem einzigen Impuls verarbeitet, so wie das in den Fig. 3 bis 4c dargestellt
ist. Der Impuls gelangt zu einem Zwischenspeicher 4 zur weiteren Verarbeitung. Im
Zwischenspeicher 4
werden die ankommenden Impulse zeitlich zugeordnet
gespeichert, siehe Fig. 4c Impulszug 18.
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Bei der Vorbereitung der Mission des Flugkörpers am Boden sind in
noch zu bescheibender Weise mit einer Bodenanlage 51 ReferenzimpulszUge 19 hergestellt
und in den Speicher 5 im Flugkörper eingeschrieben worden. Diese Referenzimpulszüge
entsprechen den Textübergängen auf den Abtastlinien 14 in Fig. 3, wovon eine decken
und alle anderen parallel zur Sollflugbahn 15 liegen.
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Nachdem im Zwischenspeicher 4 ein entsprechend langer Impulszug 18
aufgelaufen ist, entsprechend z.B. mehreren Kilometern Flugweg, wird dieser soeben
entstandene Impulszug 18 mit den gespeicherten Referenzimpulszüge verglichen, bis
durch Austausch der Referenzimpulszüge 19, Querverschiebung, Längsverschiebung,
Spreizung und Drehung der Punkt bester Ubereinstimmung ermittelt ist, welcher dann
die tatsächliche Position des Flugkörpers 1 zu einem bestimmten vergangenen Zeitpunkt
angibt. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Positionsangaben
der Grundnavigationsanlage 7, welche wie bereits ausgeführt, z.B. inertial oder
Koppelnavigationsanlage sein kann, ebenfalls zwischengespeichert werden. Dann genügt
der direkte Vergleich zwischen der Positionsangabe zu jenem
Zeitpunkt,
mit der nunmehr ermittelten Position um den Positionsfehler festzustellen und eine
entsprechende Flugbahnkorrektur durch die Grundnavigationsanlage 7 durchführen zu
lassen. Hierdurch läßt sich die Grundnavigationsanlage sogar auf systematische Fehler
hin überwachen und korrigieren. Ebenso lassen sich die anderen Ausgaben der Grundnavigationsanlage,
wie z.B. die Fluggeschwindigkeit korrigieren.
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Die Missionsvorbereitung mit der Bodenanlage 51, siehe Fig. 5, geschieht
folgendermaßen. Vor dem Abflug des Flugkörpers wird die Flugbahn über einer Luftaufnahme
20 oder Fotoaufnahme einer Landkarte mit Texturmarkierung des Operationsgebietes
von dem Operateur 29 abgefahren. Die Luftaufnahme 20 ist auf einer Glasscheibe eines
XY-Tisches 21 aufgebracht. Auf ortogonalen Verschiebearmen 22, 23 des Tisches 21
ist eine lineare Detektoranordnung 24, die aus einer Vielzahl von Einzeldetektoren
besteht, um eine senkrechte zur Tischebene drehbar angeordnet. Auf der entgegengesetzten
Seite der Tischebene ist eine optische Vergrößerungsanlage 25 zur visuellen Beobachtung
angebracht und zwei Verschiebearme 26, 27, die synchron mit den Verschiebearmen
22, 23 laufen, tragen einen Schrallstift 28, der auf der dem Operateur 29 zugewendeten
Seite des Tisches 21 die jeweilige Position des mittleren Detektors der linearen
Detektoranordnung 24 markiert und bezeichnet.
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Der Operateur 29 bestimmt nun mittels Steuerknüppel oder durch Eingabe
von Eckpunktkoordinaten die Sollflugbahn 15 des Flugkörpers 1 vom Startpunkt bis
zum Ziel, wobei die lineare Detektoranordnung 24 diese Sollflugbahn 15 auf der Luftaufnahme
20 abtastet.
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Die lineare Detektoranlage 24 wird dabei durch entsprechende Drehung
etwa senkrecht zur Flugbahn gestellt. Die Abtastlinien 14 der einzelnen Detektoren
der linearen Detektoranordnung 24 verlaufen parallel zur Sollfluglbahn 15, siehe
auch Fig. 3.
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Jeder einzelne Detektor gibt während der Vorwärtsbewegung ein dem
abgetasteten Grauwert entsprechendes Signal an t'in diff<renzierejdes Netzwerk
30 ab, siehe Fig. 6, so daß bei tiberfahren eines Grauwertüberganges ein Impulssignal
am Ausgang des Netzwerkes 30 anliegt, welches verkoppelt mit einer Kodierung entsprechend
dem zurückgelegten Weg in einem individuellen Kanal 31 eines Speichers 32 abgespeichert
wird. Somit entsteht für jeden Detektor der linearen Detektoranordnung 24 ein Impulszug
19, der sämtliche Grauwertübergänge auf der abgetasteten Linie mit ihren jeweiligen
gegenseitigen Abständen gespeichert hat. Insbesondereder mittlere Detektor der linearen
Detektoranordnung 24 hat damit den Impulszug auf der projektierten Sollflugbahn
15 erzeugt.
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Die so abgespeicherten Daten aller Kanäle die beiderseits der Solllflugbahn
in einem vorbestimmten Abstand liegen, werden z.B. auf ein Magnetbahn 33 übertragen,
das als Zwischenträger zur Übermittlung an den Flugkörper 1 benutzt wird.
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Statt des Einsatzes eines Operateurs 29, kann selbstverständlich auch
eine Sollflugbahn 15 mittels eines nicht näher dargestellten Rechners anhand eines
vorgebbaren Programms beschrieben werden.