DE3716606C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
- F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
- F41G7/34—Direction control systems for self-propelled missiles based on predetermined target position data
- F41G7/343—Direction control systems for self-propelled missiles based on predetermined target position data comparing observed and stored data of target position or of distinctive marks along the path towards the target
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
- F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
- F41G7/008—Combinations of different guidance systems
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.
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