DE3720013C2 - Flugkörper-Lenksystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugkörper-Lenksystem für ohne Drehung um ihre Achse fliegende Flugkörper oder Raketen. Sie ist besonders, wenn auch nicht ausschließlich, geeignet für die Anwendung in Zielsuchsystemen von Panzerabwehr­ raketen oder dergleichen.

Bekanntlich weisen gewisse Flugkörper oder Raketen zur Len­ kung gegen ein Ziel ein Zielsuchsystem auf, dessen opti­ sches System Abbildungen des Geländes erzeugt, worin sich der Flugkörper fortbewegt, mit einer Gruppe von fotoemp­ findlichen Elementen, welche die optischen Bilder aufnehmen und sie in elektrische Bilder umsetzen. Eine Zielerfassungs­ vorrichtung erkennt beispielsweise Formen oder Temperaturen. Das optische System und die Gruppe von fotoempfindlichen Elementen sind in dem Flugkörper über eine Gyroskop-Stabi­ lisiervorrichtung in solcher Weise angeordnet, daß die er­ haltenen Bilder von hoher Qualität sind und eventuelle Bewe­ gungen eines Ziels bezüglich fester Geländeelemente verfolgt werden können. Der Flugkörper ist mit einer Einrichtung zur Lenkung seiner Flugbahn versehen, beispielsweise mit einem aerodynamischen Leitwerk oder fluidstrahlgespeisten Düsen­ rohren, die so angesteuert werden, daß der Flugkörper in Abhängigkeit von der aus den Bildern bestimmten Position des Ziels gegen dieses Ziel gerichtet wird.

Derartige Lenksysteme sind mit dem Mangel behaftet, daß die Breite des beobachteten Feldes und der Rhythmus der Wieder­ holung der Bildinformationen während der gesamten Flugdauer des Flugkörpers unveränderlich sind. Daraus ergibt sich, daß es schwierig ist, während desselben Einsatzes zwei verschie­ dene Funktionen zu verwirklichen, insbesondere die Überwa­ chung (Überfliegen eines Gebietes beim Aufspüren eines Zie­ les) und die Zielverfolgung (Lenkung auf ein spezielles Ziel nach Erfassung desselben).

Aus der DE 33 26 233 C2 ist es bereits bekannt, zunächst ein relativ großes Zielgebiet abzutasten und nach Erfassung eines Zieles den Zielsuchkopf auf die ermittelte Zielaus­ richtung einzustellen, um die Abtastung dann in einem be­ grenzten Bereich um die Zielausrichtung fortzusetzen. Bei Annäherung an das Ziel wird der Abtastbereich adaptiv an die entsprechende Vergrößerung des Zielbildes vergrößert. Zu­ gleich wird die Abtastgeschwindigkeit des Zielsuchkopfes in dem begrenzten Abtastbereich abgesenkt. Durch diese Absen­ kung der Abtastfrequenz gehen aber relevante Zielinforma­ tionen verloren.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Zielerfassung in einem weiten Erfassungsbereich mit den Vorteilen einer Bildablenkung von hoher Folgefrequenz zu vereinen.

Das erfindungsgemäße Lenksystem für einen ohne Drehung um seine Achse gegen ein Ziel fliegenden Flugkörper enthält ein optisches System zur Erzeugung von Bildern des Geländes, worin sich der Flugkörper fortbewegt, eine Gruppe von foto­ empfindlichen Elementen, welche die optischen Bilder aufneh­ men, um sie in elektrische Bilder umzusetzen, und eine Ziel­ erfassungsvorrichtung und ist dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Gruppe von fotoempfindlichen Elementen durch wenig­ stens eine senkrecht zur Achse des Flugkörpers angeord­ nete Zeile von fotoempfindlichen Elementen gebildet ist,
• - Ablenkmittel vorgesehen sind, durch welche die Zeile über das vom optischen System abgegebene Strahlenbün­ del abgelenkt werden kann, wobei die Ablenkrichtung senkrecht zu der Zeile ist, und
• - daß die Zielerfassungsvorrichtung das Bildfeld und den Rhythmus der durch die Ablenkeinrichtung durchgeführten Ablenkung in solcher Weise steuert, daß nach der Erfas­ sung eines Zieles das Bildfeld kleiner und der Rhythmus größer ist als vor der Zielerfassung.

Vor der Erfassung eines Ziels und während des Aufspürens desselben kann somit das Lenksystem eine Exploration über ein breites Feld und mit einer relativ niedrigen Folge­ frequenz ausführen. Sobald aber ein Ziel in einem solchen breiten Feld erfaßt wurde, können die Informationen in der Verfolgungsphase mit sehr viel höherer Folgefrequenz erhalten werden, da sie nur aus einem eingeschränkten Feld, welches das Ziel umgibt, herrühren. Die Lenkung des Flug­ körpers wird somit optimiert, da dieser ein Ziel in einem weiten Feld aufspüren kann, jedoch die Vorteile einer Bildablenkung mit hoher Folgefrequenz nutzt, sobald dieses Ziel erfaßt ist.

Wenngleich auch andere Anordnungen in Betracht gezogen wer­ den können, ist es vorteilhaft, die Zeile aus Fotodetektor­ elementen vertikal anzuordnen und die Ablenkrichtung hori­ zontal zu legen.

Um die beiden Ablenkweisen mit verschiedenem Bildfeld und verschiedenem Bildrhythmus zu erhalten, kann eine einzige, jedoch einstellbare Ablenkvorrichtung verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden jedoch zwei verschiedene Ablenkvorrichtungen verwendet.

Wenn das optische System und die Gruppe von fotoempfind­ lichen Elementen in bekannter Weise von einer kreisel­ stabilisierten Plattform gegenüber dem übrigen Teil des Flugkörpers stabilisiert gehaltert werden, so wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform die Ablenkung vor der Erfassung des Ziels mittels eines der Stabilisierungs­ motoren verwirklicht, welcher die Plattform um ihre zur Detektorzeile parallele Achse oszillieren läßt. Wenn die Detektorzeile vertikal angeordnet ist, erfolgt diese Ablenkung somit um die Seitenbewegungs-Stabilisations­ achse.

Hingegen wird die schnelle Ablenkung nach Zielerfassung mittels eines optischen Elementes von geringer Massen­ trägheit verwirklicht, insbesondere mittels eines Schwing­ spiegels, der Bestandteil des optischen Systems ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, mehrere Detektorzeilen zu verwenden, die parallel Seite an Seite angeordnet sind und auf verschiedene Wellenlängen ansprechen. Auf diese Weise können multispektrale Bilder erhalten werden, um die Zielerfassung zu erleichtern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Anwendung des erfindungsgemäßen Lenksystems auf eine Panzerabwehrrakete;

Fig. 2 ein vereinfachtes Übersichtsschema des erfindungs­ gemäßen Lenksystems;

Fig. 3 eine schematische Perspektivansicht des optischen Kopfstücks für das System nach Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht entsprechend Fig. 1 zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des in Fig. 2 gezeigten Lenksystems; und

Fig. 5 ein Blockschema des erfindungsgemäßen Lenksystems.

In Fig. 1 ist schematisch ein Flugkörper 1 bzw. eine Rakete 1 mit der Längsachse 2 auf der Flugbahn nach dem Abfeuern von einer Abschußstelle 3 in zumindest angenäherter Rich­ tung gegen ein Ziel 4 dargestellt. Das Ziel 4 bewegt sich in einem Gelände, wovon nur ein Baum 5 gezeigt ist. Die Flugbahn des Flugkörpers wird durch ein Leitwerk 6 gesteu­ ert.

Im vorderen Teil des Flugkörpers 1 (Fig. 2) ist hinter einer Haube 7 ein optisches Kopfstück 8 angeordnet, wel­ ches ein optisches System 9 und eine Detektorzeile 10 aus fotoempfindlichen Elementen vom Ladungsüberführungstyp aus einer großen Anzahl von fluchtend angeordneten fotoempfind­ lichen Elementen aufweist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wird angenommen, daß die Detektorzeile 10 vertikal angeordnet ist.

Das optische System 9 und die Detektorzeile 10 des opti­ schen Kopfstücks 8 sind in eine gemeinsame Umhüllung 11 eingeschlossen, welche mit dem Flugkörper 1 in solcher Weise verbunden ist, daß eine Drehung sowohl um eine verti­ kale Achse 12 als auch um eine horizontale Achse 13, die senkrecht zur Achse des Flugkörpers 1 ist, ermöglicht wird. Die optische Achse 14 des optischen Kopfstücks 8 ist somit bezüglich der vertikalen Seitenbewegungs-Achse 12 und der horizontalen Nickbewegungsachse 13 einstellbar.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, werden die Drehungen der Umhül­ lung 11 (und folglich des optischen Kopfstücks 8) um die Achsen 12 und 13 über einen Seitenbewegungs-Antriebsmotor 15 bzw. einen Nickbewegungs-Antriebsmotor 16 erhalten. Die Anlenkung der Umhüllung 11 am Aufbau des Flugkörpers 1 kann in jeglicher geeigneten Weise ausgeführt sein und ist daher nicht dargestellt.

Im Inneren der Umhüllung 11 ist ferner ein Zweifach- Gyrometer 17 für Seitenwinkel und Höhenwinkel angeordnet, um in der nachfolgend beschriebenen Weise die Motoren 15 und 16 anzusteuern.

Das optische System 9 (Fig. 2) weist einen konkaven Haupt­ spiegel 18 auf, dessen Achse mit der optischen Achse 14 zusammenfällt (in Fig. 2 fällt die optische Achse 14 mit der Achse 2 des Flugkörpers 1 zusammen). Der mittlere Teil des Hauptspiegels 18 ist mit einem Durchbruch 19 versehen. Auf der konvexen Seite des Hauptspiegels 18 ist ein Objek­ tiv 20 angeordnet, welches die Fokussierung auf der Detek­ torzeile 10 vornimmt. Auf der konvexen Seite des Haupt­ spiegels 18 ist ein Hilfsspiegel 21 angeordnet, der um eine senkrechte Achse 22 (die parallel zur Detektorzeile 10 und Achse 12 ist) unter der Wirkung eines Motors 23 schwingen kann, beispielsweise über eine Anordnung mit Ritzel und Endlosschnecke.

Die Elemente des optischen Systems 9 sind in solcher Weise angeordnet, daß ein paralleles Strahlenbündel 23, welches beispielsweise von dem Ziel 4 ausgeht, den Hauptspiegel 18 erreicht, welcher es gegen den Hilfsspiegel 21 reflektiert. Dieser richtet das Strahlenbündel über den Durchbruch 19 zum Objektiv 20. Wenn der Motor 23 den Hilfsspiegel 21 um die senkrechte Achse 22 in Schwingung versetzt, wird das aus dem Objektiv 20 austretende Strahlenbündel über die Detektorzeile 10 abgelenkt.

Die Haube 7 ist natürlich für die Strahlung, für welche die Detektorzeile 10 empfindlich ist, durchlässig.

In üblicher Weise wird die Detektorzeile 10 durch eine Auswertevorrichtung 24 angesteuert. Diese ist über eine Verbindung 25 mit einer elektronischen Steuervorrichtung 26 verbunden, die entweder an Bord des Flugkörpers 1 oder aber an der Abschußstelle 3 angeordnet wird. Die Steuer­ vorrichtung 26 wirkt einerseits auf das Leitwerk 6 des Flugkörpers 1 (Verbindung 27) und andererseits auf die Motoren 15, 16 und 23 ein (Verbindungen 28, 29 bzw. 30). Im übrigen empfängt diese Steuervorrichtung 26 die Infor­ mationen vom Gyroskop 17 über eine Verbindung 31. Wenn die Steuervorrichtung 26 nicht an Bord des Flugkörpers mitgeführt wird, sind die Verbindungen 25, 30 und 31 in entsprechender Form ausgeführt (Draht-, Funk- oder Licht­ verbindung usw.).

Die Steuervorrichtung 26 kann die optische Achse 14 bezüg­ lich der Achse 2 des Flugkörpers 1 über die Motoren 15 und 16 nicht nur stabilisieren, sondern auch einstellen.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Lenksystems wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert.

Beim Überwachungsflug des Flugkörpers, d. h. während der Zielaufspürung im Fluge, blockiert die Steuervorrichtung 26 den Spiegel 21 in seiner zur optischen Achse 14 senk­ rechten Stellung und hält den Motor 23 abgeschaltet. Der Seitenbewegungs-Antriebsmotor 15 wird hingegen in Funktion gesetzt, so daß das optische Kopfstück 8 um die Seiten­ bewegungsachse 12 schwingt. Diese Schwingbewegung um die Achse 12 erfolgt relativ langsam, um ein weites optisches Feld C zu überdecken. Daraus ergibt sich eine Abtastung der Detektorzeile 10, wobei die Vorrichtung 24 horizontal stark gedehnte Bilder liefert, die jedoch relativ langsam erneuert werden.

Nachdem im Verlaufe dieser langsamen Weitwinkelabtastung die Steuervorrichtung 26 ein Ziel 4 erfaßt hat, wird die Ablenkweise verändert. Die Steuervorrichtung 26 hält dann den Motor 15 an und steuert den Motor 23 an, damit das optische Kopfstück 8 feststeht oder sich sehr langsam bewegt, damit die optische Achse 14 auf das Ziel gerich­ tet bleibt, während der Spiegel 21 im Verlauf der Fort­ bewegung des Flugkörpers 1 schnell um seine vertikale Achse 22 mit geringer Amplitude schwingt.

Die Detektorzeile 10 und die Vorrichtung 24 liefern somit Bilder, die in Horizontalrichtung wenig ausgedehnt sind, jedoch mit hoher Folgefrequenz, entsprechend dem verminder­ ten Feld c. Die Lenkung des Flugkörpers 1 gegen das Ziel 4 kann somit sehr genau erfolgen.

In Fig. 5 ist ein Blockschema der Elektronikschaltungen für die Vorrichtung nach Fig. 2 gezeigt.

Die Vorrichtung 24 zur Auswertung der Detektorzeile 10 enthält eine Elektronikschaltung 32 für die Steuerung die­ ser Detektorzeile, eine Schaltung 33 zur Erzeugung von Bildern aufgrund der von der abgetasteten Detektorzeile 10 gelieferten Signale (wobei die Ablenkung entweder durch den Hilfsspiegel 21 oder durch Schwingung des optischen Kopfstücks 8 um die Seitenbewegungsachse 12 erfolgt) und einen Speicher 34 zur kurzzeitigen Speicherung der Bilder. Die Bilder werden einem Zieldetektor 35 zugeführt, der Bestandteil der Steuervorrichtung 26 ist, welche ferner eine Vorrichtung 36 für die automatische Zielverfolgung, eine Vorrichtung 37 zur Erzeugung von Lenkbefehlen für den Flugkörper 1 zur Lenkung mittels des Leitwerks 6 sowie eine Vorrichtung 38 zur Stabilisierung des optischen Kopf­ stücks 8 und eine elektronische Leitvorrichtung 39 bei­ spielsweise vom Mikroprozessortyp enthält. Ferner kann ein Rollwinkel-Gyroskop 40 vorgesehen sein, dessen Infor­ mationen der Vorrichtung 37 zugeführt werden, welche über­ dies die Informationen aus den Vorrichtungen 36 und 38 sowie die Steuerbefehle aus der Vorrichtung 39 empfängt.

Im Überwachungsbetrieb wird die Lenkung des Flugkörpers 1 somit durch die Vorrichtung 37 unter Steuerung durch die Leitvorrichtung 39 gewährleistet, wobei die Informationen aus den Gyroskopen 17 und 40 berücksichtigt werden. Weiter­ hin werden die mit geringer Folgefrequenz auftretenden und einem weiten Feldwinkel entsprechenden Bilder dem Ziel­ detektor 35 zugeführt, der die entsprechenden Informationen der Leitvorrichtung 39 zuführt, solange er kein Ziel er­ kennt. Die Leitvorrichtung 39 hält den Motor 23 abgeschal­ tet, veranlaßt jedoch die Vorrichtung 38, den Antriebs­ motor 15 für das optische Kopfstück 8 mit abwechselndem Drehsinn anzusteuern.

Wenn der Zieldetektor 35 ein Ziel 4 erkennt, informiert er die Leitvorrichtung 39, welche die Ablenk-Schwing­ bewegung um die Achse 12 anhält und den Motor 23 ansteuert, damit der eine schnelle Schwingbewegung von geringer Am­ plitude durchführt. Ferner löst der Zieldetektor 35 die automatische Verfolgungsvorrichtung 36 aus, die unter Steuerung durch die Leitvorrichtung 39 der Vorrichtung 37 ihre Steuerbefehle aufgibt, um die Lenkbefehle zu erzeu­ gen. Die automatische Verfolgungsvorrichtung 36 empfängt ferner die Bilder aus der Vorrichtung 24, um die Lenkung des Flugkörpers 1 bis zum Auftreffen auf dem Ziel 4 zu gewährleisten.

Claims (7)

1. Lenksystem für die Lenkung eines ohne Drehung um seine Achse fliegenden Flugkörpers (1) gegen ein Ziel (4), mit einem optischen System (9) zur Erzeugung von Bildern des Geländes, in welchem sich der Flugkörper fortbewegt, einer Gruppe (10) von fotoempfindlichen Elementen, welche die optischen Bilder empfangen und sie in elektrische Bilder umsetzen, und mit einer Zielerfassungsvorrichtung (35), dadurch gekennzeichnet, daß:

• 1. die Gruppe (10) von fotoempfindlichen Elementen durch wenigstens eine lineare und senkrecht zur Achse des Flugkörpers angeordnete Zeile aus den fotoempfindlichen Elementen gebildet ist;
• 2. Ablenkmittel (15, 23) vorgesehen sind, durch welche die Zeile (10) mit dem vom optischen System abgegebenen Strahlenbündel abgetastet wird, wobei die Ablenkrichtung senkrecht zu dieser Zeile ist, und
• 3. die Zielerfassungsvorrichtung (35) das Erfassungsfeld und den Rhythmus der durch die Ablenkmittel hervorge­ rufenen Ablenkung in solcher Weise steuert, daß nach der Erfassung eines Zieles das Erfassungsfeld kleiner und der Rhythmus größer ist als vor einer Zielerfassung.

2. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeile aus fotoempfindlichen Elementen (10) senk­ recht angeordnet ist und daß die Ablenkrichtung horizontal liegt.

3. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkmittel durch zwei getrennte Ablenkvorrich­ tungen (15, 23) gebildet sind.

4. Lenksystem nach Anspruch 3, bei welchem das optische System und die Gruppe von fotoempfindlichen Elementen ge­ genüber dem übrigen Teil des Flugkörpers kreiselstabili­ siert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung vor der Zielerfassung mittels eines der Stabilisierungsmotoren (15) durchgeführt wird, welcher das optische System (9) und die Zeile von Fotodetektorelementen (10) gemeinsam um eine der Stabilisierungsachsen (12), welche parallel zu der Zeile ist, in Schwingung versetzt.

5. Lenksystem nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ablenkung um die Seitenbewegungs- Stabilisierungsachse (12) erfolgt.

6. Lenksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung nach der Zielerfassung mittels eines optischen Elementes (21) von geringer Massen­ trägheit, welches in das optische System integriert ist, verwirklicht wird.

7. Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von fotoempfindlichen Ele­ menten aus mehreren Zeilen besteht, die parallel und Seite an Seite angeordnet sind und auf unterschiedliche Wellen­ längen ansprechen.