DE3716606C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 6.

Derartige Maßnahmen sind aus der US-PS 46 06 514 oder aus der US-PS 33 32 642 bekannt, wo an Bord des Projektils die zeitliche Änderung von Druck- oder Beschleunigungsmeßwerten beobachtet wird, die im Apogäum einer ballistischen Bahnkurve einen Extremwert durchläuft, deren Differenzquotienten also im Apogäum zu Null wird.

Eine derartige Apogäumsbestimmung ist allerdings insbesondere bei flachgeneigten Bahnkurven, die kein geometrisch sehr ausgeprägtes Apogäum aufweisen, recht ungenau; und insbesondere läßt sich aus derartigen Messungen erst relativ spät nach tatsächlichem Apogäums­ durchgang, auf dem bereits wieder absteigenden Bahnkurvenast, die Feststellung rechtfertigen, daß das Apogäum bereits durchschritten wurde. Da aber die Arbeitsweise eines Autopiloten, der ein ballistisch verschossenes Projektil nach Durchang des Apogäums in eine Gleit­ bahn vorgegebener Geometrie umsteuern soll, die zu einem definierten Zeitpunkt auf der ballistischen Bahnkurve gegebene räumliche Nicklage als Lagereferenz für die Flugregelung benötigt, und da die am einfachsten gewinnbare Lagereferenz die Horizontal-Lage der Projektil-Längsachse im Apogäumspunkt darstellt, ist für eine präzise Funktion des Auto­ piloten eine möglichst genaue Bestimmung des Apogäumszeitpunktes (mit Übergabe der momentanen Systemlage als Horizontal-Lagereferenz an den Autopiloten) anzustreben.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit vertretbarem Sensor- und Datenverarbeitungs-Mehraufwand an Bord des Projektils eine wesentlich genauere Bestimmung des relativen Apogäums-Zeitpunktes auf der ballistischen Bahnkurve zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäßen Maßnahmen um die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 6 ergänzt werden.

Damit beruht die erfindungsgemäße Lösung zur Bestimmung des Apogäums­ zeitpunktes bei der ballistischen Startflugbahn eines Lenkprofils auf einem Parameter-Schätzverfahren aufgrund von an Bord des Projektils ermittelten System- und/oder Umwelt-Meßwertverläufen; wobei die gemessenen Meßwertänderungen verglichen werden mit aus einem mathe­ matischen Prädiktionsmodell über das Verhalten des Projektils vorausge­ schätzten Änderungen von (Relativ-)Meßwerten. So erfolgt an Bord des Projektils, aufbauend auf tatsächlich festgestellten Meßwert­ änderungen, mit den Meßwertgradienten als Funktion der Zeit eine Prädiktion des der ballistischen Bahnkurve entsprechenden Meßwert­ verlaufes nach den Methoden der rekursiven Parameter-Schätzverfahren, wie sie etwa näher beschrieben sind in Lachmann "Parameteradaptive Regelalgorithmen für bestimmte Klassen nicht-linearer Prozesse mit eindeutigen Nichtlinearitäten" (Fortschrittsberichte der VDI-Zeit­ schriften Reihe 8 Nr. 66, 1983), dort insbesondere Kapitel 4 "Rekursive Parameterschätzung im parameter-adaptiven Regelkreis".

So wird während des Fluges die aus Versuchen oder Modellüberlegungen vorhergesagte (erwartete) Bahnkurve aufgrund der höhenabhängigen Änderungen von Meßwerten der tatsächlich momentan durchmessenen Bahnkurve adaptiv angepaßt; und aus der nun an Bord des Projektils verfügbaren mathematischen Beschreibung der tatsächlich geflogenen Bahnkurve läßt sich die (noch bevorstehende oder schon verflossene) Zeitspanne bezüglich des Durchschreitens des Apogäums errechnen. Das bisherige relativ undefinierte Apogäums-Meßergebnis wird nach der erfindungsgemäßen Lösung nun also ersetzt durch einen eindeutig errechneten Apogäums-Zeitpunkt.

Die unterschiedlichen Einflußgrößen auf die der Bahnkurven-Adaption zugrundeliegenden Meßwerte können allerdings unterschiedliche rechnerisch sich ergebende Apogäumszeitpunkte bedingen. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird derjenige aus der adaptierten Bahnkurvengleichung sich ergebende Apogäumszeitpunkt für die weitere Funktion des Projektil-Autopiloten zugrundegelegt, der sich aus statischen Betrachtungen der unterschiedlich er­ rechneten Apogäumszeitpunkte als wahrscheinlichster Apogäumszeitpunkt ergibt.

Während die Meßgrößenverarbeitung in einem Signalprozessor realisiert werden kann, ist es zweckmäßig, die auf rekursiver Parameterschätzung beruhende Adaption der tatsächlich geflogenen Bahnkurve im ohnehin vorhandenen Autopiloten zu realisieren, weil für dessen Regelungsvorgänge ohnehin ein mathematisches Modell des ballistisch-dynamischen Ver­ haltens des Projektils abgespeichert ist, das auf diese Weise gleich gemäß dem tatsächlichen Verhalten des Projektils aktualisiert werden kann.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche und nicht maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiele zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt

Fig. 1 als Aufriß in der Nick-Ebene den Übergang einer ballistischen Abschuß-Flugbahn in eine gestreckte Gleitflugbahn eines Lenkprojektils,

Fig. 2 im stark vereinfachten Blockschaltbild die an Bord des Lenkprojektils autonom durchgeführte Feststellung des Durchganges durch das Apogäum der ballistischen Bahnkurve, und

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Schaltung zur Apogäums-Detektion.

Die ballistische Bahnkurve B eines aus einem Waffenrohr 11 abgeschossenen Projektiles 12 bestimmt sich im wesentlichen aus der Abschuß-Ladung und der Abschuß-Neigung im Startzeitpunkt ts. Bei Kenntnis dieser Startbedingungen lassen sich deshalb Apogäumsort A und Apogäums­ durchgangszeitpunkt ta bestimmen. Daraus wiederum läßt sich der optimale Umsteuerzeitpunkt tu extrapolieren, in dem aus dem im wesentlichen ballistischen Flugverhalten des Projektils 12 in eine gestreckte, wesentlich flacher geneigte gesteuerte Gleitflugbahn G übergegangen werden soll; aus der heraus dann die Abtastung des Zielgeländes nach einem schließlich anzugreifenden Zielobjekt erfolgen wird (in der Zeichnung nicht berücksichtigt). Für diesen Flugbahnen- Übergang im Umsteuerpunkte U aus der ballistischen Bahnkurve B heraus, der durch die Programmsteuerung und Regelungsfunktion eines Auto­ piloten an Bord des Projektils 12 selbsttätig durchgeführt wird, bedarf es einer inertialen Nicklagewinkel-Referenz, also der Kenntnis über den tatsächlich vom Projektil 12 eingenommenen Nicklagewinkel n im Raum (also gegenüber der Horizontalen H) zu einem bestimmten Zeitpunkte t auf der ballistischen Bahnkurve B vor Erreichen jenes Umsteuerpunktes U. Als solche Lagereferenz für die Funktion des Autopiloten eignet sich insbesondere die Parallellage der Projektil- Längsachse L zur Horizontalen H, die in sehr guter Näherung bei Projektil-Durchgang durch das ballistische Apogäum A eingenommen wird.

Als Bezugsgröße für die räumliche Nickregelung des Autopiloten wird diesem also das Ausgangssignal n eines im Autopiloten ohnehin vor­ handenen Nickdrehratenkreisel 13 zum Zeitpunkte des Apogäumsdurch­ ganges ta als die Horizontale H übergeben. Bezogen auf diese Bezugs­ lage ergibt sich aus der Gesetzmäßigkeit der ballistischen Bahnkurve B dann im Umsteuerzeitpunkt tu der tatsächlich gegebene Nicklagewinkel nu.

Für die Gewährleistung des Überganges in die Gleitbahn G nach der vorgegebenen Bahnsteuerung ist somit eine möglichst genaue Bestimmung des Apogäumszeitpunktes ta anzustreben; und zwar bei einer Bestimmung aus an Bord des Projektils 12 verfügbaren Informationen, ohne in der Hektik des Abschusses manuell Daten zur Charakterisierung der aktuellen ballistischen Bahnkurve B eingeben zu müssen. Deshalb werden an Bord des Projektils 12, nachdem es einen stabilen Flugzustand erreicht hat, Folgen von Meßwerten x erfaßt und ausgewertet, deren zeitliche Änderung x(t) aus physikalischen Gründen (systembedingt oder umweltbedingt) vom momentan erreichten Punkt auf einer ballistischen Bahnkurve B abhängt. Solche Meßwerte x sind in der Umgebung (außerhalb) des Projektils 12 beispielsweise der barometrische (höhenabhänge) Druck p oder die über der Höhe h schwankende Außentemperatur T; denn diese bahn- und damit zeitabhängigen Meßwerte x (t) weisen beide im Scheitel- oder Apogäumspunkt A der Bahnkurve B einen Extrem­ wert auf, d. h. der erste Differentialquotient nach der Zeit wird im Apogäum A zu Null. Als auf dem kinematischen Verhalten des Projektils 12 selbst basierender, hier sogenannter System-Meßwert x eignet sich insbesondere die vom Nickdrehratenkreisel 13 gelieferte Infor­ mation über die Nickwinkeldrehrate dn.

Von Vorteil ist, daß keine absolute Bestimmung der Meßzeitpunkte tx und auch keine absolute Bestimmung der Meßwerte x erforderlich ist, da es nur um ein bestimmtes Verhalten der Meßwertänderung dx zu einem definierten Relativzeitpunkt ta geht, von dem aus dann die Zeitspanne bis zum Erreichen des vorgegebenen Umsteuerzeitpunktes tu (bezogen auf den Apogäumsdurchgang zum Zeitpunkte ta) gemessen werden kann.

Vorzugsweise werden unterschiedliche Meßwerte x ermittelt und ausge­ wertet, die dann allerdings zu einer Streuung der ermittelten Apo­ gäumszeitpunkte tax in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Um­ welt-Einflußgrößen und von der Steilheit der ballistischen Bahnkurve B führen. Aber aus dieser Streuung der Werte tax läßt sich dann durch die üblichen statistischen Verfahren wie Schwerpunktsbildung desto genauer auf den tatsächlichen Apogäumszeitpunkt ta schließen. Eine solche Mittelwertbildung kann mit schon vor Erreichen des Apogäums­ punktes A rechnerisch extrapolierten Apogäumszeitpunkten tax er­ folgen; es genügt aber auch, aus der tatsächlich aufgetretenen Schwankung tax nach Durchgang durch das Apogäum A mittels der bekannten mathematischen Gesetzmäßigkeiten der Bewegung längs einer ballistischen Bahnkurve B zeitlich auf den schon vollzogenen Durchgang durch den Apogäumszeitpunkt ta zurückrechnen und den jenem verflossenen Zeit­ punkt ta zugeordnet abgespeicherten Nicklagewinkel na als die Lage­ referenz an den Autopiloten auslesen.

Bezogen auf Fig. 2 ist das Projektil 12 also mit einer Auswerte-Ein­ richtung 14 ausgestattet, deren Funktion, beispielsweise über ihren Zeittaktgeber 15, freigegeben wird, wenn das Projektil 12 nach dem Abschuß ballistisch stabil fliegt; wobei diese Auslösung beispielsweise vom an Bord eines solchen Lenkprojektils 12 ohnehin vorhandenen Autopiloten 16 erfolgen kann. Zur Erfassung von Umwelt-Meßwerten x ist das Projektil 12 mit Sensoren 17, beispielsweise zur Erfassung des barometrischen Außendruckes p und/oder der Außentemperatur T (die beide in Abhängigkeit von der momentanen Bahnhöhe H schwanken) ausgestattet. Umsetzer 18 liefern den Meßwerten x proportionale Ausgangsgrößen, die - gesteuert beispielsweise aus dem Zeittaktgeber 15 - in Quantisierern 19 periodisch abgetastet und digitalisiert und in nachgeschalteten Filtern 20 vom Meßrauschen befreit werden.

In einer Rechenschaltung 21 ist ein mathematisch-physikalisches Modell 22 über die zeitliche Bewegung - insbesondere die Flughöhe h (t) - des Projektils 12 längs seiner ballistischen Bahnkurve B reali­ siert. Aufgrund der bekannten physikalischen Zusammenhänge müßte eine bestimmte Höhenänderung dh einer bestimmten Meßwertänderung dx entsprechen, für die die gleiche als Polynom 23 abspeicherbare logarithmische Abhängigkeit gilt. Aus Speichern 24 werden deshalb aufeinanderfolgende Meßwerte xi in Differenzenbildner 25 übergeben, die, gegebenenfalls über weitere Filter 20, die aktuell ermittelte Meßwertänderung dx gegenüber dem zuvor ermittelten Meßwert x aus­ geben. Die für diese Änderung errechenbare Polynom-Koeffizienten r werden im Vergleicher 23 den aus dem Modell 22 gelieferten Koeffi­ zienten r gegenübergestellt; und bei Abweichungen werden die für das Modell 22 aufgrund des erwarteten Verhaltens vorgegebenen, zunächst nur vorausgeschätzten, Koeffizienten r mittels der Meßergebnisse iterativ an das tatsächlich momentan längs der ballistischen Bahnkurve B gegebene physikalische Verhalten angepaßt.

So erfolgt längs der ballistischen Bahn B auf dem Wege zum Apogäum A eine prädiktive Korrektur der aus einem physikalischen Modell oder aus Versuchen gewonnenen mathematischen Beschreibung der Bahn­ kurve B, die schließlich der tatsächlich vom Projektil 12 durch­ messenen ballistischen Bahnkurve B unter Berücksichtigung aller externer Einflußgrößen sehr gut entspricht; so daß aus diesem, iterativ den tatsächlichen Gegebenheiten für eine bestimmte Meßwertschwankung dx, angepaßten Modell 22 mit einem Extrapolator 26 der der Geometrie der Bahnkurve B zugeordnete Apogäumszeitpunkt ta (zeitlich rückblickend oder vorausschätzend) als der Zeitpunkt t(dx = 0) bestimmt werden kann.

Da sich wie dargelegt aus unterschiedlichen Meßwerten x unterschiedliche Apogäumszeitpunkte ta bestimmen, ist den den einzelnen Meßwerten x zugeordneten Extrapolatoren 26 zweckmäßigerweise eine Auswahl­ schaltung 27 nachgefügt. In dieser werden nach Kriterien der mathe­ matischen Statistik (beispielsweise im Wege der Mittelwertbildung) die einzelnen ermittelten Zeitpunkte tax bewertet, um schließlich einen für die weitere Autopiloten-Funktion maßgeblichen Apogäums­ zeitpunkt ta auszugeben.

Wenn für den besonderen Einsatzfall die Apogäumshöhe ha interessiert, dann läßt auch diese sich aus den physikalischen Beziehungen des längs der ballistischen Bahnkurve B logarithmischen Verlaufes des barometrischen Druckes p errechnen, ohne eine absolute Druckinfor­ mation (etwa am Abschußorte) dafür zu benötigen. Das ermöglicht eine weitere Präzisierung der Bestimmung des Umlenkzeitpunktes tu aus dem ausschließlich an Bord des Projektils 12 ermittelten Meßwert x = p.

Die in Fig. 3 gezeigte abgewandelte Rechenschaltung 21′ zur Apogäums- Detektion aus den einzelnen ermittelten Meßwertänderungen dx soll den Vorgang der Modell-Abschätzung verdeutlichen. Mit der Meßwert- Gradienten dx werden individuelle Parameterschätz-Modelle 28 gespeist, bei denen es sich (wie oben erläutert) um nicht lineare Zustands­ modelle für das Verhalten des jeweiligen Meßwert-Gradienten, beispiels­ weise des Druckgradienten dp, des temperaturgradienten dT und des Nickdrehratengradienten dn jeweils über der relativen Zeit di handelt. Die aus diesen nicht linearen Modellen ausgegebenen Werte stellen die geschätzten Modellparameter dar, mit denen Prädiktionsmodelle 29 zur Vorhersage des zeitlichen Verlaufes der erwähnten Meßwert­ gradienten dx gespeist werden. Aus diesen vorhergesagten Zeitver­ läufen wird mittels Extremwertdetektoren 30 jeweils festgestellt, bei welchem relativen Zeitpunkt das aussagekräftige Extremum des jeweiligen Zeitverlaufes vorliegt, und eine Entscheidungslogik in Form einer Auswahlschaltung 27 liefert den gesuchten Apogäumszeit­ punkt ta, etwa aus einer Mittelwertbildung über die einzelnen Extremwert-Zeitpunkte oder aus statistischen Betrachtungen über deren Verteilung (beispielsweise nach dem sogenannten Chi-Test) etwa durch Ermittlung eines repräsentativen Zeitwertes ta aus der Streuung der Einzelwerte.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen des Apogäums-Durchganges an Bord eines ballistisch gestarteten Projektils durch Aufnehmen und Vergleichen einer Folge von flugbahnspezifisch schwankenden Meßwerten, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen eines stabilen Flugzustandes längs der ballistischen Bahnkurve Änderungen von flugbahnabhängigen Umwelt- oder System- Meßwerten wiederholt erfaßt werden, daß die Meßwertänderung mit aus einem mathematisch-parametrischen Modell des Verhaltens des Projektils vorhergesagten Änderungen verglichen werden, daß die Parameter des Modells aufgrund der tatsächlichen Meßwert­ entwicklung der tatsächlichen Projektilbewegung angepaßt werden und daß der Zeitpunkt des Durchganges durch das Apogäum der ballistischen Bahnkurve aus dem Modell mit den rekursiv angepaßten Parametern berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rekursive Parameteranpassung aus unterschiedlichen Meß­ wertänderungen abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßwerte der barometrische Druck in der Umgebung des Projektils ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßwerte die Temperatur des das Projektil umgebenden Mediums ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßwerte die an Bord des Projektils ermittelte Nickdrehrate ist.

6. Einrichtung (14) zum Bestimmen des Apogäums-Zeitpunktes (ta) an Bord eines in eine ballistische Bahnkurve (B) gestarteten Projektils (12) durch Aufnehmen und Vergleichen einer Folge von flugbahnspezifisch schwankenden Meßwerten (x), dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechenschaltung (21) mit einem Modell (22) über die zu erwartende Projektil-Bewegung längs der ballistischen Bahn­ kurve (B) sowie mit einem Polynom-Vergleicher (23) für die offenen Systemparameter (Koeffizienten r) der Modellkurve vorgesehen ist, die mit Meßwerten (x) aus Umwelt- oder Systemverhaltens- Sensoren (17) zur adaptiven Korrektur der vorausgeschätzten Systemparameter nach Maßgabe des tatsächlichen ballistisch-kine­ matischen Verhaltens des Projektils (12) gespeist ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor (17) ein Differenzbildner (25) nachgeschaltet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (17) zum Erfassen des barometrischen Umgebungs­ druckes (p) vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (17) zum Erfassen der Umgebungstemperatur (T) vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nickdrehratenkreisel (13) als Sensor (17) zum Erfassen der System-Nickrate (dn) vorgesehen ist.