DE3829573A1 - Rollagebestimmung bei lenkgeschossen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fernlenken von Flugkörpern gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bereits länger bekannt, Erdmagnetfeldmessungen zur Bestimmung der Entfernung eines Flugkörpers heranzuziehen - siehe FR 15 26 390 A1 - und dazu Sensoren zu verwenden, die eine Erfassung in jeweils drei Achsen (Ebenen) ermöglichen - siehe US 46 42 786. Auch Kreiselsysteme bei der Positionsbestimmung von Körpern, während des Fluges anzuwenden, war be­ kannt, ebenso die rechnergestützte Flugbahnüberwachung und ggfs. - Kor­ rektur - siehe DE 29 51 125 C2.

Aus der DE 31 31 394 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Rollage eines rotierenden Flugkörpers mit Hilfe des erdmagnetischen Feldes be­ kannt.

Die bekannten einzelnen sensorischen Systeme weisen spezifische Mängel auf, z.B. lassen sich Laserstrahlen bei großen Entfernungen (mindestens einige Kilometer) und schlechten atmosphärischen Bedingungen (wie die Sonne steht - unbedeckt etwa in Zielrichtung) nicht mehr ausreichend genau detektieren um damit ein sicheres Fernlenkungsverfahren durchführen zu können.

Eine Magnetfeldbestimmung alleine reicht hierfür ebensowenig aus. Das gleiche gilt für Kreiselsysteme oder sonstige Meßsysteme mit Beschleuni­ gungssensoren. Die einzelnen Signale sind zu unbestimmt und mit Störun­ gen behaftet.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Fernlenken von Flugkör­ pern nach dem bekannten Laser-Leitstrahl (Beamrider) Prinzip so zu ver­ bessern, daß die Rollagebestimmung Teil eines neuen, insbesondere mehr­ fach-redundanten Systems bildet. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß An­ spruch 1. Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind weiteren An­ sprüchen zu entnehmen.

Vorteil: Die gewonnenen Signale sind nunmehr eindeutig und ausreichend genau für die gewünschte Fernlenkung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der beigefügten Zeichnung dargestellt und anhand nachfolgender Beschreibung erläutert, ohne daß die Erfindung auf diese Beispiele beschränkt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 den Abschuß eines ferngelenkten Flugkörpers (Boden-Boden),

Fig. 2 verschiedene Meßmethoden (-sensoren) zur Überwachung eines Flug­ verlaufs,

Fig. 3 ein Ablaufschema der Auswertung beim redundanten System der Er­ findung,

Fig. 4 einen Computer (Bordrechner) für die Auswertung gamäß Fig. 3.

Die Rollagedetektion stützt sich in diesem Beispiel auf vier voneinander unabhängige Verfahren ab.

• - Auswertung der linear polarisierten Laserstrahlen des Leitstrahlpro­ jektors durch zwei aufeinander senkrecht stehende Analysatoren im Heckempfänger der Lenkgranate.
• - Asymmetrische Einstrahlung in den Heckempfänger der Lenkgranate un­ mittelbar nach dem Abfeuern und im letzten Flugbahndrittel durch die ballistische Bahnkrümmung.
• - Bestimmung des erdmagnetischen Feldvektors in drei Achsen durch den Dreifachmagnetsensor in der Lenkgranate unmittelbar nach dem Ab­ feuern. Eichung des Magnetsensors durch die Polarisationsmessung und durch die asymmetrische Einstrahlung nach dem Abfeuern.
• - Zeitsynchronisation der bordeigenen Uhr der Granate durch die Boden­ anlage über den Zeitreferenzkanal und die gleichzeitige Synchronisa­ tion dieser Uhr mit der Rollbewegung über "Polarisation", "Bahn­ krümmung" und "Erdmagnetfeld".

Diese vier Methoden werden gleichzeitig angewendet. Im Bordrechner der Lenkgranate werden diese vier Meßwerte miteinander verknüpft und be­ wertet. Dadurch kommt man zu einem rechnergestützten Rollagesignal mit hoher Redundanz. Der Rollwinkelfehler soll konzeptbedingt kleiner als ±5° sein. Dies ist bei den meisten Wetterlagen erreichbar.

Die Rollagedetektion der Lenkgranate kann in folgendem Zeitablauf be­ schrieben werden:

Da der Leitstrahlprojektor naturgemäß nicht in der Seelenachse der Ka­ none aufgebaut werden kann, strahlt der Projektor nach dem Abfeuern schräg in den Heckempfänger der Granate ein. Durch die Rollbewegung wird der Strahl auf einem entsprechend konstruierten Detektor bewertet. Die Rollage steht damit fest. Das Verfahren setzt voraus, daß unmittelbar nach dem Abfeuern im Geschoß eine elektrische Versorgung gewährleistet ist.

Unmittelbar nach dem Abfeuern wird auch die Polarisationsebene der Laserbestrahlung durch beide Analysatoren im Empfänger des Geschosses bestimmt. Die Eindeutigkeit der Rollposition bezogen auf 180° wird von der Asymmetriemessung gestützt.

Beide Verfahren gleichzeitig angewandt und gewichtet, ergeben eine sehr präzise Bestimmung der Rollage der Granate bezogen auf die Bodenanlage. Abschußbedingte Schwaden und Lichterscheinungen und die damit verbunde­ nen Übertragungsdämpfungen und Signalstörungen haben keinen Einfluß.

Mit der bekannten Rollposition kann das Signal des in die Granate einge­ bauten Dreifachmagnetsensors interpretiert werden. Damit wird die momen­ tane Stellung des Erdmagnetvektors gemessen. Der Dreifachmagnetsensor ist im Heck der Lenkgranate eingebaut. Das Heck ist aus GFK aufgebaut. Gleichzeitig ist die Granate schon einige Meter von der Kanone entfernt, wenn der Meßprozess beginnt. Damit sind keine störenden Eisenmassen in der Nähe.

Die Stellung des Erdmagnetvektors kann nun vom bordeigenen Lenkrechner auf die Flugbahn der Granate bezogen werden. Eine Änderung der Feldrich­ tung ist innerhalb der Reichweite des Geschosses nicht zu erwarten.

Die Rolldetektion stützt sich also unmittelbar nach dem Abfeuern auf die beiden Methoden Polarisationsanalyse und asymmetrische Einstrahlung. Durch den sehr kurzen Übertragungsweg (wenige Meter) können die Signale nicht verfälscht sein. Die Messung ist sehr präzise. Damit kann die Richtung des Erdmagnetvektors auf die Flugballistik bezogen werden und damit eine Meßmethode erschlossen werden, die bei großen Entfernungen nach längerer Flugzeit benötigt wird.

Durch den Zeitreferenzkanal wird die bordeigene Uhr der Lenkgranate ständig zeitsynchronisiert. Es ist nicht möglich, die bordeigene Uhr mit einem Quarz zu versehen. Dieser würde den Abschußschock nicht unbe­ schädigt überstehen. Geeignet wäre ein RC-Glied, mit dessen Genauigkeit man über die Flugzeit (einige Sekunden) auskommen muß. In diesem Zeit­ raum sind solche Schaltungen relativ stabil. Langzeitschwankungen in der Lagerzeit werden durch die Synchronisation ausgeglichen. Mit der bord­ eigenen Uhr und gleichzeitig mit dem Zeitreferenzkanal wird die Rollfre­ quenz der Granate gemessen. Diese Frequenz hängt von der Geschwindigkeit des Geschosses ab, da das Leitwerk einen bestimmten Schrägungswinkel hat. Die Granate schraubt sich also durch die Luft. Wenn man ein Ge­ schwindigkeitsmodell im Lenkrechner gespeichert hat, kann man über die Geschwindigkeit-Rollfrequenz-Beziehung die Rollposition des Geschosses vorhersagen.

Bei dem Flug des Geschosses durch die Atmosphäre werden jetzt alle vier Methoden bewertet und für die Bestimmung der Rollposition eingesetzt. Zunächst unmittelbar nach dem Abfeuern kann man sich allein auf die asymmetrische Einstrahlung und die Polarisationsanalyse verlassen. (Die anderen Verfahren werden damit geeicht.)

Mit zunehmender Flugstrecke (einige hundert Meter Abstand zur Bodenan­ lage) fällt die Methode "asymmetrische Einstrahlung in den Heckempfän­ ger" aus, weil die Asymmetriebedingung wegfällt. Der Laser strahlt achs­ parallel in den Heckempfänger. Abweichungen von der Achse sind nur durch Pendelbewegungen und Lenkbewegungen verursacht. Die Rollage des Geschos­ ses wird hauptsächlich durch die Polarisationsanalyse gemessen, die Genauigkeit der magnetischen Methode und der Zeitsynchronisation werden hier noch nicht hoch gewichtet. Die Eindeutigkeit des Polarisationssig­ nals bezogen auf 180° ist durch Mitzählen gewährleistet.

Mit zunehmender Flugzeit und größer werdender Entfernung von der Boden­ anlage wird die optische Methode "Polarisationsmessung" zunehmend durch die Atmosphäre verschlechtert. Die beiden anderen Methoden "Magnetmes­ sung", "Zeitmessung" gewinnen an Bedeutung und werden deswegen vom Lenk­ rechner höher bewertet. Die Meßgenauigkeit der Rollposition nimmt also nicht im selben Maße ab wie die optische Messung schlechter wird.

Da das Geschoß auf einer ballistisch gekrümmten Bahn fliegt und pfeil­ stabilisiert ist, wird sich die Geschoßspitze nach unten neigen. Damit wird der Strahl des Leitstrahlprojektors wieder asymmetrisch in den Heckempfänger eindringen. Wenn der Winkel, der dabei auftritt, größer als der durch Pendelbewegung oder Lenkbewegung erzeugte, kann dies wie­ der zur Bestimmung der Rollage herangezogen werden. Dies ist bei großen Zielentfernungen im letzten Flugbahndrittel der Fall. Damit hat man eine vierte Methode um die Messung der Rollposition abzustützen. Gleichzeitig wird die Eindeutigkeit der Polarisationsanalyse bezogen auf 180° neu gemessen und mit der Methode "Mitzählen" verglichen.

Durch witterungsbedingte Einflüsse wie Wolken oder Schwaden werden die optischen Meßmethoden beeinträchtigt. Der bordeigene Lenkrechner kann das Signal-Rausch-Verhältnis auswerten und das Meßergebnis entsprechend gewichten. So kann bei einem Flug in eine Wolke durch die Methoden "Mag­ netmessung" und "Zeitsynchronisation" die Rollposition allein festgelegt werden.

Wie Fig. 1 zeigt, läßt sich die Erfindung z.B. auf Boden - Boden Raketen oder andere Geschosse anwenden, die von einer Abschußvorrichtung fest oder mobil abgeschossen werden können und die Möglichkeit aufweisen durch Beobachten ein Ziel anzuvisieren, anzupeilen oder auf ähnliche Weise zu suchen bw. zu orten.

Die Abschußvorrichtung 1 ist hier z.B. auf einen Panzer motiert, sie enthält einen Projektor 2 für den Leitstrahl 4 nahe dem Abschußrohr 3 für den Flugkörper 5 und ein Zielsuchgerät 6 z.B. ein Rundumsuchgerät wie hier insbesondere eine Radarantenne. Mit Pfeil 7 ist der Vektor zum Erdmagnetfeld bezeichnet. Mit 8 ist der Erdmagnetfeldsensor, mit 9 ein optronischer Sensor und mit 10 ein optischer Sensor am Heck des Flugkör­ pers 5 bezeichnet und in einem wenigstens hier teilweise antimagne­ tischen Teil desselben, z.B. einem CFK-Rohr eingebaut.

In Fig. 1 nicht ersichtlich ist ein Ziel, insbesondere ein bewegliches Ziel, wie Panzer, vor - im Vergleich zum Himmel - relativ dunklem, stehendem Hintergrund wie Gebäuden, Geländeerhebungen, Bewuchs etc.

Das Ziel wird beim Laser-Leitstrahl(Beamrider) Verfahren automatisch verfolgt und das gelenkte Objekt - hier der Flugkörper - wird auf seiner Flugbahn automatisch diesem Ziel nachgeführt, d.h. zur Deckung gebracht - wie an sich bekannt. Zur Zielerkennung dient mit Vorteil eine bekannte Festwertunterdrückungsschaltung.

In Fig. 2 ist dargestellt - aufgetragen in der Y-Achse - die Genauigkeit der jeweiligen Messung (dimensionslose Zahlen) im Verhältnis zur Flug­ zeit (sec) - aufgetragen auf der X-Achse. Dabei wird die Asymetrie (a) der Einstellung des Lasers auf den optronischen Sensor 9 (spitzer Ein­ strahlwinkel) und/oder Ablage zur Achse hervorzurufen durch den Abstand zwischen Abschußrohr und Sender für den Leitstrahl. Außerdem wird die Polarisation (6) in einem optischen Sensor 10 gemessen und der interes­ sante Bereich herausgefiltert.

Das Erdmagnetfeld wird von einem Sensor 9 im Bereich (c) gemessen zur bestimmung des Vektors - Pfeil 7 in Fig. 1.

Durch die Verknüpfung mit der Zeit (X-Achse) im Bordrechner lassen sich Flugbahndaten, wie momentane Entfernung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und vieles andere mehr ermitteln, was zur Überwachung und/oder Korrektur der Fernlenkung dient, insbesondere bei einer redundanten Rollagemessung.

Aus dem Ablaufschema (Fig. 3) ist ersichtlich, daß zugleich (sobald der Flugkörper in der Luft ist und wegen des Einflußbereichs des Mündungs­ feuers einen gewissen Abstand Z vom Abschußgerät - siehe Fig. 2 links - erreicht hat) die Symetriemessung a, die Polarisationsmessung b und die Erdmagnetmessung c durchgeführt wird und jeweils mit hierzu gespeicher­ ten (Soll-) Daten verglichen wird, um die Genauigkeit der jeweiligen Messung bzw. den Grad ihrer Abweichung hierzu zu ermitteln.

Bei allen Messungs-(Istwert)-Vergleichen mit dem vom Rechner vorprogram­ mierten Daten (Sollwerten für den Flugverlauf, insbes. Bahn) sind Filter insbesondere Bandfilter bzw. Hoch- und Tiefpaßfilter zweckmäßig um den jeweils interessanten - hier gut zu verwendenden - Meßsignalbereich her­ auszufiltern.

Im Rechner (Bordcomputer an die bordeigene Stromversorgung über insbe­ sondere Spannungsregler anschließbar), der mit Vorteil aus mindestens einem Mikroprozessor besteht, oder wenigstens zwei Coprozessoren 11, 12, erfolgt dazu eine Mittelwertbildung zur Erhöhung der Genauigkeit durch Interpolation unter Gewichtung der Meßergebnisse je nach dem Grad ihrer Genauigkeit (bzw. Abweichung), ggfs. Vewendung einzelner Meßwerte und/oder Ersatzwertebildung (vom Speicher oder Generator) bei zu großem Fehler bzw. einem Sensorausfall. So werden die Werte für die Ermittlung der Rollage des Flugkörpers und ihre resultierende Genauigkeit (bzw. Ab­ weichung) zusammengestellt.

Im weiteren Mikroprozessor 12 werden nach Filterung, insbesondere Kal­ mannfilterung, die momentane Rollage, Rollgeschwindigkeit ermittelt, be­ zogen auf die abgelesene Zeitreferenz vom Taktgeber 13 - und verglichen mit der Vorgabe für den zeitlichen Ablauf des Fluges, um Steuersignale zu gewinnen für die Korrektur der Rollage und -geschwindigkeit und des Bahnverlaufs bis zum Ziel.

Dabei können die Steuersignale für möglichst kontinuierliche Steuerung von Steuerzutriebsdüsen zur Korrektur der Reallage des Flugkörpers rela­ tiv zur idealen Lage (im Zentrum des Leitstrahls) und unter Berücksich­ tigung der Winkel (Mick-, Gierwinkel) verursacht wird.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild der Auswertung, in der Meßsignale von den Sensoren 8, 9, 10 und 13 verstärkt, verarbeitet in einer Signalver­ arbeitungsstufe 14 in den Rechner mit Mikroprozessoren 11, 12 für die Steuerung eingegeben werden. Antrieb und Zünder sind nicht dargestellt, weil bekannt.

Eine Zündung der (Sprengstoff-) Ladung erfolgt automatisch vorprogram­ miert oder ferngesteuert, insbesondere erst nach dem IFF-Erkennungsver­ fahren.

Die Rechner- und Mikroprozessoreneinheit 11, 12 ist mit einem Festwert­ speicher ROM und einem Speicher für veränderlichen Inhalt RAM ausgestat­ tet und mit je einem Daten-Bus zur Eingabeeinheit 15 mit Vorgabe von Start- und Flugbahn(Soll-) daten aller Art.

Die Ausgabe der im Rechner gewonnenen Daten erfolgt zu einer Schnitt­ stelle 16 im Flugkörper für dessen Bahnüberwachung und -korrektur. Die bordeigene Stromversorgung ist mit 17 bezeichnet. Diese ist mit Vorteil ebenfalls redundant, insbesondere als Hybridversorgung ausgebildet.

Die Erfindung ist nicht nur beim Leitstrahlverfahren anwendbar sondern gestattet auch hier Abwandlungen, insbesondere wenn Leit-, Lenk- oder Kommandosignale weiterhin von einem Leit-, Lenk- oder Kommandostand aus­ gesendet und im Flugkörper empfangen und dort verarbeitet, ausgewertet und zur Flugbahnsteuerung in einem autonomen Flugkörper verwandt werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zum Fernlenken von Flugkörpern, die um ihre Längsachse rotieren mit dem Laser-Leitstrahlverfahren mit Mitteln zur Bestimmung der Flugkörper-Rollage während des Fluges gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) ein vom Boden ausgesandter linear polarisierter Laserstrahl wird im Flugkörper empfangen und die Einstrahlung optisch/optronisch ausge­ wertet
• b) der Vektor des erdmagnetischen Feldes relativ zur Bahn des Flugkör­ pers wird mittels magnetischem Sensor in drei Achsen bestimmt
• c) es wird eine Zeitreferenz (Zeittakt) eingeführt und der Moment einer Messung a) und/oder b) bestimmt
• d) mit Hilfe eines bordeigenen Rechners, der die Meßwerte verarbeitet, vergleicht, gewichtet und auswertet unter gegenseitiger Verknüpfung der dem Rechner zugeführten Daten, die gemäß a) bis c) ermittelt wurden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leit­ strahlprojektor in der Abschußanlage am Boden den linear polarisierten Laserstrahl zum Flugkörper sendet, der ihn mit zwei aufeinander senk­ recht (Achsen je um 90° versetzt) angeordneten optischen/optronischen Detektoren im Heck empfängt und die durch die Messung gewonnenen Signale dem bordeigenen stromversorgten Auswerterechner zuführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der optischen/optronischen Detektoren sowohl die Polarisations­ ebene als auch der Winkel der Einstrahlung des Lasers bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der optischen/optronischen Detektoren mit Hilfe des bordeigenen Rechners zur Bestimmung der Bahnkrümmung auf die Signale des Erdmagnetfeldsensors bezogen und verglichen werden mit anderen Signalen zur Bestimmung der Rollbewegung des Flugkörpers um seine Längsachse.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im bordeigenen Rechner vor dem Abschuß des Flug­ körpers gespeicherte Informationen über Start und Sollwerte über den Flugverlauf zum Ziel verglichen werden mit den gemessenen Istwerten und diese je nach dem Grad ihrer erreichten Genauigkeit (Abweichung von einem vorgegebenen Flugverlauf, z.B. hinsichtlich Azimut- und Eleva­ tionswinkel, Flughöhe, -zeit, -entfernung, -geschwindigkeit) gewichtet werden und der Rechner durch Interpolation (Mittelwertbildung) zwischen Soll- und Istwerten Steuersignale zur Fernlenkung des Flugkörpers generiert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollage und die Rollgeschwindigkeit des Flug­ körpers mit den vom bordeigenen Rechner generierten Steuersignalen ge­ steuert wird.

7. Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vom bordeigenen Rechner mit Bestimmung der Rollage zugleich die momentane Stellung des Flugkörpers unter Berücksichtigung des Vektors zum Erdmagnetfeld und damit seine Position auf der Flugbahn bestimmt und ggfs. (je nach Abweichung) korrigiert wird.