DE3918701A1 - Verfahren zur verbesserung der treffgenauigkeit eines programmiert fliegenden flugkoerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Treffgenauigkeit eines durch Bahnstörungen beeinflußten, programmiert fliegenden Flugkörpers.

Üblicherweise werden Flugkörper, die ein bestimmtes Ziel anfliegen sollen, mit einem Suchkopf ausgerüstet, der in der Lage ist, einerseits das zu bekämpfende Ziel auch bei Anwesenheit von Störungen zu identifizieren, und anderer­ seits nach der Zielauffassung das Ziel zu verfolgen und damit für einen Autopiloten ein Führungssignal zu erzeugen. Ein derartiger Flugkörper bzw. ein Verfahren zur Zielan­ steuerung eines in seiner Flug-Endphase längs einer ge­ streckten Flugbahn selbststeuernden Projektils bzw. Flug­ körpers, aus der heraus nach einer Zielauffassung eine steilere Zielansteuerung erfolgt, wobei nach Erfassen des anzusteuernden Zielobjektes zunächst noch die gestreckte Flugbahn beibehalten bleibt, ehe bei weiterer Distanzver­ kürzung zum Zielobjekt eine Nickwinkel-Steuerung für den Übergang aus der gestreckten Flugbahn in eine steilere Zielanflugbahn erfolgt, ist aus der DE 33 03 763 C2 be­ kannt. Dort wird an Bord des Flugkörpers bzw. Projektils aus dessen vorgegebenem Flugverhalten bei Übergang in eine vorgebene, gestreckt-geneigte Flugbahn deren theoretischer Aufschlagzeitpunkt bestimmt, woraus für die steilere Ziel­ anflugbahn in das Zielobjekt eine Verzögerungs-Zeitspanne für noch vorübergehendes Beibehalten der gestreckten Flug­ bahn, ab Zielauffassung bis zum Zeitpunkt des Suchflugbahn- Verlassens durch Nickwinkel-Umsteuerung in die Zielanflug­ bahn, an Bord des Projektils bzw. Flugkörpers abgeleitet wird. Das Projektil bzw. der Flugkörper ist mit einer Ziel­ sucheinrichtung ausgestattet.

Die US-A 45 22 356 offenbart aus einem Behälter freigebbare Submunitionen, die jeweils mit einem Suchkopf ausgerüstet sind.

Ein Verfahren zur Zielsteuerung von Fernlenkkörpern, insbe­ sondere Torpedos, und Vorrichtungen zum Ausüben dieses Verfahrens sind aus der DE 18 15 727 C1 bekannt. Dort wird in Abhängigkeit von durch akustische Ortung ermittelten Zieldaten von einem vorgegebenen bekannten Lenkverfahren, z.B. Verfolgungskurs, Proportional- oder Zieldeckungs- Navigation, bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes für die Annäherung des Lenkkörpers an das Ziel, auf Ver­ folgungskurs nach einer Schielhundekurve umgeschaltet, deren Schielwinkel um einen Winkelbetrag größer als der Vorhaltewinkel für stehende Peilung nach der Proportional­ navigation und insbesondere größer als ein gegebenenfalls schon bis zum Sollwert für die Annäherung benutzter Schiel­ winkel ist. Als Maß für den Annäherungsgrad wird die Rest­ laufzeit benutzt, die der Torpedo bei Weiterlaufen auf bisherigem Annäherungskurs bis zum Erreichen des Zielpunktes benötigen würde, und die Schielwinkelumschaltung wird bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes der Restlaufzeit vorgenommen.

Derartige mit einem Suchkopf ausgerüstete Projektile weisen einen großen elektromechanischen Aufwand auf, weshalb sich die DE 35 22 154 A1 die Aufgabe gestellt hat, eine manövrier­ bare Suchzünder-Submunition zum Bekämpfen von gepanzerten Zielobjekten in einem Zielgebiet derart auszulegen, daß die Submunition trotz technologisch bescheidenerer Aus­ stattung verglichen mit üblichen endphasen-lenkbaren Sub­ munitionen noch eine gute Leistung, d.h. Wirkung im Ziel erbringt, die besser ist als bei einer an einem Fallschirm gebremst absteigenden Submunition. Diese Aufgabe wird dort dadurch gelöst, daß die Submunition als Sturzflug-Projektil mit strukturfestem Sensor und mit einem aerodynamischen Stellsystem zum Hervorrufen einer kreisenden Taumelbewe­ gung während des steilen Hinabstürzens in das Zielgebiet sowie zu sensorgeführter Endphasen-Kurskorrektur für direkten Gleitflug zum dedektierten Zielobjekt ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem eine Zielansteuerung eines ortsfesten oder eines beweglichen Zieles mit hoher Treffgenauigkeit möglich ist, ohne daß der Flugkörper mit einem Suchkopf ausgerüstet ist, wobei eine hohe Treffgenauigkeit auch dann erzielt wird, wenn auf den programmiert fliegenden Flugkörper Bahnstörungen wie z.B. starke Bodenwinde einwirken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Soll-Flugbahn des in der Flugbahn-Endphase beschleunig­ ten Flugkörpers vor und während der Beschleunigung zur Kompensation der Bahnstörungen mit einem Bahnvorhalt ver­ sehen wird. Dabei wird der vorausliegende Flugweg vorzugs­ weise in einem Bahnextrapolationsmodell nach Maßgabe der idealen Sollposition und der aktuellen Istposition des Flugkörpers und nach Maßgabe weiterer Flugzustandsgrößen vorherberechnet, wobei aus dem sich hierbei ergebenden vorhergesagten Treffehler in einer Bahnextrapolations-Ein­ heit über eine Regeleinheit zur Verringerung des Treff­ fehlers Bahnkorrekturen der Sollbahn ermittelt werden. Um bei Durchführung des Verfahrens einen sehr kleinen Treff­ fehler zu erzielen, wird die Bahnextrapolation vorzugsweise in mehreren Iterationen durchgeführt. Hierbei, d.h. bei der in mehreren Iterationen durchgeführten Bahnextrapola­ tion wird vorzugsweise das künftige Beschleunigungsprofil des Flugkörpers berücksichtigt, so daß sich unter Einschluß künftiger Flugbahnstörungen und unter Beachtung aktueller externer Flugbahnstörungen eine Sollflugbahn mit minimalem Treffehler ergibt. Die auf diese Weise optimierte Sollbahn dient einem Autopiloten des Flugkörpers als Referenz bzw. Sollvorgabe.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des erfindungs­ gemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Blockschaltung zur Verdeutlichung des Verfahrens zur Verbesserung der Treffgenauigkeit eines programm­ iert fliegenden Flugkörpers, und

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Einflusses einer Bahn­ störung auf die Flugbahn des programmiert fliegenden Flugkörpers bzw. auf seine Treffgenauigkeit.

Verfügt ein Flugkörper nicht über einen Suchkopf, weil dieser bspw. aus Kostengründen eingespart werden soll, oder weil der Suchkopf nicht geeignet wäre, das zu bekämpf­ ende Ziel zu erkennen, oder weil die geodätische Lage des zu bekämpfenden Zieles durch vorherige Aufklärung bekannt ist, was insbesondere bei stationären Zielen wie Brücken, Gebäuden o.dgl. der Fall ist, so kann sich der Flugkörper nur auf einer programmierten Flugbahn zum zu bekämpfenden Ziel bewegen. Dabei wird angenommen, daß der programmiert fliegende Flugkörper sowohl seine ideale Sollbahn, die ihn zum zu bekämpfenden Ziel führt, aus vorprogrammierten Daten oder durch Übermittlung über einen sogen. Data-link kennt, als auch über Sensoren und/oder über eine inertiale Navigationseinheit verfügt, die dem Flugkörper jeweils seine Istposition liefert. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 1 in einer Blockdarstellung schematisch gezeichnet. Ein Bahn­ extrapolationsmodell 10 ist mit einer Regeleinheit 12 zu einem in sich geschlossenen System verbunden, was durch die beiden Pfeile 14 und 16 angedeutet ist. Das Bahnextra­ polationsmodell 10 weist zwei Eingänge 18 und 20 sowie einen Ausgang 22 auf. Der Eingang 18 ist mit dem Ausgang 24 einer Referenzeinheit 26 verbunden, was durch den Pfeil 28 angedeutet ist. Die Referenzeinheit 26 besitzt einen Eingang 30, durch den in die Referenzeinheit 26 vorpro­ grammierte Daten eingegeben werden.

Der Ausgang 22 des Bahnextrapolationsmodelles 10 ist mit einem Eingang 32 eines Autopiloten 34 verbunden, was durch die Verbindungslinie 36 verdeutlicht ist. Der Autopilot 34 weist einen zweiten Eingang 38 und einen Ausgang 40 auf, wobei der Ausgang 40 des Autopiloten 34 mit einem Stellsystem 42 verbunden ist. Das Stellsystem 42 ist mit der durch den Block 44 verdeutlichten Flugkörperdynamik verbunden. Der Ausgang 46 der Flugkörperdynamik 44 stellt die Flugbahn des Flugkörpers dar. Diese Flugbahn wird durch die durch den Pfeil 48 angedeuteten Flugbahn-Störungen, bei denen es sich bspw. um Windböen, Bodenwind o.dgl. handelt, beeinflußt. Sensoren 50 dienen zum Detektieren der Flugbahn bzw. der Flugbahnstörungen, wobei der Ausgang 52 der Sensoren 50 mit dem zweiten Eingang 38 des Auto­ piloten 34 verbunden ist. Außerdem ist der Ausgang 52 der Sensoren 50 mit einer inertialen Navigationseinheit 54 verbunden, an deren Ausgang 56 die jeweilige Istposition des Flugkörpers gegeben ist. Durch den Eingang 20 des Bahn­ extrapolationsmodelles 10 wird also die Istposition des Flugkörpers und durch den Eingang 18 des Bahnextrapola­ tionsmodells 10 wird die ideale Sollbahn des Flugkörpers eingegeben. Der Ausgang 22 des Bahnextrapolationsmodelles 10 stellt die Sollbahn des Flugkörpers dar, während der Pfeil 14 zwischen dem Bahnextrapolationsmodell 10 und der Regeleinheit 12 den Treffehler darstellt.

Je nach der Genauigkeit der Sensoren 50 gelingt es mit Hilfe des Autopiloten 34 und mit Hilfe des Stellsystemes 42, die Flugkörperdynamik so zu beeinflussen, daß die reale Flugbahn des Flugkörpers trotz der äußeren Störungen - die durch den Pfeil 48 angedeutet sind - zum zu bekämpfenden Ziel führt.

Soll der Flugkörper zur Erhöhung der Auftreffgeschwindig­ keit am zu bekämpfenden Ziel in der Endphase der Flugbahn zur Verbesserung der Wirksamkeit des Flugkörpers stark beschleunigt werden, so ergeben sich bei einem Flugkörper ohne Suchkopf die folgenden in Fig. 2 verdeutlichten Probleme:

• 1. Bei der Bewegung des Flugkörpers in einem Windfeld ergibt sich ein resultierender inertialer Geschwindigkeitsvektor v als Überlagerung, d.h. als Vektorsumme des Geschwindig­ keitsvektors v_a gegenüber ruhender Luft und des Windge­ schwindigkeitsvektors v_w. In Fig. 2 ist eine Vektordar­ stellung in einer Horizontalebene x-y gezeichnet, ent­ sprechendes gilt selbstverständlich auch für die zu dieser Horizontalebene senkrechte Vertikalebene. Ergibt sich nun in einem stationären Zielanflug der inertiale Bahnwinkel b₁ als resultierende Flugrichtung zum Ziel mit der Geschwindigkeit v_a1 und der Windgeschwindigkeit v_w zur resultierenden Geschwindigkeit v₁, so ändert sich bei Schuberhöhung die Geschwindigkeit v_a1 zur Ge­ schwindigkeit v_a2, wobei der Windgeschwindigkeitsvektor v_w gleich bleibt. Das bedeutet jedoch, daß die aus v_a2 und v_w resultierende Geschwindigkeit v₂ als neue inertiale Geschwindigkeit auftritt, die mit der x-Achse einen von b₁ abweichenden Winkel b₂ einschließt. Es ergibt sich also ein Winkelfehler Δb als Differenz zwischen den beiden genannten Winkeln b₁ und b₂ in der Zielpunkt­ richtung und folglich eine Verringerung der Treffgenau­ igkeit, da Bahnkorrekturen des beschleunigten Flugkörpers im Ergebnis zu großen Ablagen führen.
• 2. Ein zur Geschwindigkeitserhöhung dienendes Triebwerk des Flugkörpers wird typischerweise seine Schubkraft in Flugkörper-Längsrichtung, d.h. in Richtung des Vektors v_a entwickeln. Befindet sich der Flugkörper vor der Beschleunigungsphase im Schiebeflug, so bewegt er sich inertial in der in Fig. 2 dargestellten Horizotalebene x-y nicht in der Flugkörper-Längsrichtung sondern in einer von der Windgeschwindigkeit v_w abhängigen resul­ tierenden Bahnrichtung, die durch den Autopiloten 34 (s. Fig. 1) in Zielpunktrichtung gedreht wird. Wird nun der Flugkörper beschleunigt, so wird er nicht in der inertialen Bahnrichtung zum Ziel sondern in seiner Flugkörper-Längsrichtung beschleunigt und kann nur unter unrealistischen Manövereingriffen des Autopiloten 34 zum zu bekämpfenden Ziel korrigiert werden, was ebenfalls zu einer Verringerung der Treffgenauigkeit führt. Ent­ sprechendes gilt selbstverständlich auch für die Bewegung in der Vertikalebene.

Die beiden genannten Probleme, die zur Verschlechterung der Treffgenauigkeit führen, lassen sich lösen, wenn die Sollbahn des Flugkörpers, die durch die Verbindungslinie 36 zwischen dem Bahnextrapolationsmodell 10 und dem Auto­ piloten 34 in Fig. 1 angedeutet ist, vor und während der Beschleunigung des Flugkörpers mit einem Bahnvorhalt ver­ sehen wird, der den in Fig. 2 für die Horizontalebene skizzierten Fehler durch Flugbahn-Störungen (s. Pfeil 48 in Fig. 1) kompensiert. Dazu wird im Bahnextrapolations­ modell 10 der vorausliegende Flugweg nach Maßgabe der idealen Sollposition (Eingang 18 des Bahnextrapolations­ modelles 10 in Fig. 1) und nach Maßgabe der aktuellen Ist­ position (Eingang 20 des Bahnextrapolationsmodelles 10 in Fig. 1), und nach Maßgabe weiterer Flugzustandsgrößen vorherberechnet. Aus dem sich ergebenden vorhergesagten Treffehler werden in der Bahnextrapolations-Einheit über die Regeleinheit 12 Bahnkorrekturen der Sollbahn ermittelt, die zu einer Verringerung des Treffehlers führen. Bei dieser vorzugsweise in mehreren Iterationen verlaufenden Bahn­ extrapolation wird das künftige Beschleunigungsprofil des Flugkörpers berücksichtigt, so daß eine Sollflugbahn ent­ steht, die unter Einschluß künftiger Bahnstörungen und unter Beachtung aktueller externer Flugbahnstörungen zu einer Minimierung des Treffehlers führt. Diese optimierte Sollbahn (Verbindungslinie 36 in Fig. 1) dient dem Auto­ piloten 34 als Referenz bzw. Sollvorgabe.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verbesserung der Treffgenauigkeit eines durch Bahnstörungen beeinflußten, programmiert fliegenden Flugkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Flugbahn des in der Flugbahn-Endphase be­ schleunigten Flugkörpers vor und während der Beschleuni­ gung zur Kompensation der Bahnstörungen mit einem Bahn­ vorhalt versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorausliegende Flugweg in einem Bahnextrapolations­ modell nach Maßgabe der idealen Sollposition und der aktuellen Istposition und nach Maßgabe weiterer Flugzu­ standsgrößen vorherberechnet wird, wobei aus dem sich hierbei ergebenden vorhergesagten Treffehler in einer Bahnextrapolations-Einheit über eine Regeleinheit zur Verringerung des Treffehlers Bahnkorrekturen der Soll­ bahn ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnextrapolation in mehreren Iterationen durch­ geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der in mehreren Iterationen durchgeführten Bahn­ extrapolation das künftige Beschleunigungsprofil des Flugkörpers berücksichtigt wird, so daß sich unter Ein­ schluß künftiger Bahnstörungen und unter Beachtung aktueller externer Flugbahnstörungen eine Sollflugbahn mit minimalem Treffehler ergibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optimierte Sollbahn einem Autopiloten des Flug­ körpers als Referenz bzw. Sollvorgabe dient.