DE3918701C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Flugkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6.

Die gattungsgemäßen Maßnahmen sind aus der DE-PS 25 43 606 als Fernsteuerung zur Flugbahn-Korrektur eines Geschosses bekannt. Dort beruht die Endphasen-Beschleunigung des Flugkörpers auf der Wirkung der Erdanziehung nach Durchgang durch das Apogäum der ballistischen Bahnkurve. Zusätzlich kann ein Projektil zur Endphasen-Beschleunigung im Interesse verbesserter Wirkung aufgrund erhöhter Auftreffgeschwindigkeit im Ziel mit einem in Längsrichtung wirkenden Triebwerk ausgestattet sein, das erst in der Endphase relativ kurz vor dem Zielaufschlag gezündet wird, gleichgültig, ob die Verbringung längs einer ballistischen oder längs einer gesteuerten Bahn erfolgt.

Im Regelfalle wird man einen Flugkörper, der ein betimmtes Ziel anfliegen soll, mit einem Suchkopf ausrüsten, der in der Lage ist, das Ziel selbst zu identifizieren und nach der Zielauffassung Führungssignale zur Verfolgung dieses Zieles zu generieren, wie etwa in der US-PS 42 77 038 oder in der DE-PS 33 03 763 beschrieben. Das hat den Vorteil, über eine geschlossene Lenkschleife den Flugkörper unter Ausregelung der Einflüsse von Bahnstörungen wie insbesondere quer zur Flugbahn verlaufenden Luftströmungen in die Sollposition des Zielpunktes nachzuführen, selbst dann, wenn das Ziel Ausweichmanöver vollführt. Dabei kann, wie in der DE-PS 18 15 727 näher dargestellt, zum Erreichen einer günstigeren Trefferlage in Abhängigkeit von der sensorisch ermittelten Annäherung an das Zielobjekt eine im Steuerungsprogramm vorgegebene Bahnvorverlegung durch Schielwinkel-Umschaltung während der Restlaufzeit zum Ziel vorgesehen werden.

Der technologische Aufwand zur Integration eines in die Flugkörperlenkschleife einbezogenen Suchkopfes ist aber überproportional hoch. Außerdem kommen Einsatzfälle vor, in denen die in Betracht zu ziehende Suchkopf-Sensorik weniger geeignet ist, das gewünschte Ziel eindeutig in der Zielumgebung zu erkennen. Ferner gibt es Einsatzfälle, in denen die geodätische Lage des Zieles durch vorherige Aufklärung bekannt ist, wie insbesondere bei stationären Zielen in Form von Bauwerken. In anderen Fällen, wie im Falle der gattungsbildenden Vorveröffentlichung, erfolgt die Zielpunktbestimmung durch außerhalb des Flugkörpers angeordnete Aufklärungsmittel unter Übermittlung von Ziel- und/oder Korrekturinformationen an das bereits im Zielanflug befindliche Projektil, womit auch fest vorgegebene Bahndaten zu stationären Zielen in Abhängigkeit von störungsbedingten Bahnabweichungen des Flugkörpers korrigiert werden können. Ein autonomer Flugkörper mit nicht-zielsuchender Zielansteuerung längs einer vorprogrammierten Flugbahn ist für die Navigation mit Inertialsystemen oder entsprechenden Sensoren ausgestattet, die die aktuelle Istposition und somit die Abweichung von der Sollflugbahn liefern, um den Autopiloten des Lenkflugkörpers mit dieser Fehlerinformation zu speisen, so daß dieser über das Flugkörper-Stellsystem trotz der quer zur Flugbahn wirkenden Störungen (insbesondere Luftströmungen) eine reale Flugbahn in den vorgegebenen Zielpunkt erbringt.

Diese korrigierte reale Flugbahn wird allerdings nur dann hinreichend genau erzielt, wenn die Kraft- und Bewegungsverhältnisse zumindest in der Endphase vor dem Treffer im Ziel wenigstens angenähert konstant sind. Das ist aber nicht der Fall, wenn bei gleichbleibenden Querströmungs-Bahnstörungen in der Endphase eine nennenswerte Geschwindigkeitserhöhung wie aufgrund der Umsetzung von potentieller in kinetische Energie und insbesondere bei einer Endphasen-Nachbeschleunigung in Längsrichtung des Flugkörpers zur Verbesserung der Munitionswirkung im Ziel erfolgt. Denn in der vektoriellen Überlagerung der Flugkörper-Geschwindigkeit längs der Flugbahn und der quer dazu wirkenden Strömungskomponente überwiegt dann die vergrößerte Längskomponente aufgrund der stark ansteigenden Längsgeschwindigkeit des Flugkörpers, so daß die reale Flugbahn in Richtung entgegen der Querströmung aus der Richtung zum vorgegebenen Zielpunkt auswandert.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem nicht-zielsuchenden aber in seiner Endflugbahn beeinflußbaren Flugkörper gattungsgemäßer Art die hohe Treffergenauigkeit einer ferngesteuerten oder vorprogrammierten Flugbahn auch dann im wesentlichen beizubehalten, wenn in der Endphase die Geschwindigkeit in Längsrichtung des Flugkörpers erheblich ansteigt wie insbesondere aufgrund des Einsatzes von Endphasen-Nachbeschleunigung an Bord des Flugkörpers.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäßen Maßnahmen nach dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 6 weitergebildet sind.

Der nach dieser Lösung vorgesehene Endphasen-Bahnvorhalt ist also anderer Natur, als zur Erzielung einer günstigeren Trefferlage gesteuert aus der sensorisch ermittelten Zielannäherung; vielmehr geht es darum, die auf die Flugbahn einwirkenden Querstörungen, die an Bord des Flugkörpers über die Regelabweichung der Sollflugbahn ermittelbar sind, in ihrem Einfluß auf die geänderte Längsgeschwindigkeit des Flugkörpers dadurch zu kompensieren, daß schon vor bzw. bei Endphasen-Beschleunigung des Flugkörpers eine Bahnänderung entgegen der resultierenden Bahnverlagerung erzwungen wird.

Dabei kann der vorausliegende Flugweg in einem an Bord des Flugkörpers betriebenen Bahnextrapolationsmodell nach Maßgabe der jeweiligen idealen Sollposition und der aktuellen Istposition des Flugkörpers, unter Berücksichtigung auch der Einflüsse weiterer Flugzustandsgrößen, vorausberechnet werden. Aus dem daraus resultierenden Trefferfehler wird dann die Sollbahn-Korrektur im Sinne einer Verringerung dieses Fehlers abgeleitet. Zum Minimieren des verbleibenden Trefferfehlers wird eine solche Bahnextrapolation zweckmäßigerweise in mehreren Iterationen wiederholt. Hierbei, das heißt 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 Horizontalebene 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 (6)

1. Verfahren zum Verbessern der Treffgenauigkeit eines nicht-zielsuchend längs einer Sollfugbahn gesteuerten, in der Endphase des Zielanfluges nachbeschleunigenden und von externen strömungsbedingten Bahnstörungen beeinflußten Flugkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollflugbahn in Abhängigkeit von den gegebenen Bahnstörungen und dem Längsrichtungs-Beschleunigungsprofil mit einem Bahnvorhalt 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.

6. Endphasen-beeinflußbarer und -beschleunigbarer Flugkörper mit nicht-zielsuchender Steuerungseinrichtung zum Abfliegen einer Sollflugbahn, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollflugbahn eine von externen Bahnstörungen und vom in Längsrichtung auftretenden Flugbahn-Beschleunigungsprofil abhängige Vorhalt-Komponente überlagert ist.