DE3918701C2 - - 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
- F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
- F41G7/22—Homing guidance systems
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- Aiming, Guidance, Guns With A Light Source, Armor, Camouflage, And Targets (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
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 va gegenüber ruhender Luft und des Windge schwindigkeitsvektors vw. 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 va1 und der Windgeschwindigkeit vw zur resultierenden Geschwindigkeit v1, so ändert sich bei Schuberhöhung die Geschwindigkeit va1 zur Ge schwindigkeit va2, wobei der Windgeschwindigkeitsvektor vw gleich bleibt. Das bedeutet jedoch, daß die aus va2 und vw 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 va 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 vw 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.
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