DE4018198A1 - Lenkverfahren fuer geschosse und anordnungen zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und Anordnungen zur Durchführung desselben.

Die Erfindung der genannten Art wird u. a. in Flugkörpern, Lenkgeschossen und Waffenplattformen eingesetzt und kommt daher beispielsweise im Bereich der intelligenten Munition zur Anwendung.

Durch die Fortschritte der Mikroelektronik sind nach den Lenkflugkörpern jetzt auch Lenkgeschosse möglich geworden. Die Lenkung erhöht die Treffgenauigkeit des Geschosses.

Für die Bekämpfung von gepanzerten Bodenzielen im indirek­ ten Schuß sind Lenkgeschosse in Entwicklung mit autonomer Such- und Endlenkphase. Bedingt durch das relativ große Kaliber (155 mm) und die relativ kleine Abschußbeschleuni­ gung (< 20 000 g) sind komplexe Lösungen für den Suchkopf möglich mit Kardanrahmensystem, Kreiseln und aufwendiger Radar- bzw. IR-Technologie.

Für die Bekämpfung von schnell bewegten und manövrierenden Luftzielen im direkten Schuß sind Lenkgeschosse kleineren Kalibers (60-120 mm) mit Kommandolenkung in Vorentwick­ lung. Wegen der höheren Abschußbeschleunigungen und der kleineren Querschnitte ist eine autonome Endlenkphase mit einem komplexen Suchkopf nicht möglich und auch nicht an­ gestrebt. Daher werden nur mittlere Treffgenauigkeiten er­ reicht, die gegen Flugzeuge jedoch ausreichend sind. Eine Bekämpfung von Raketen und Lenkflugkörpern auf sichere größere Distanz (einige km) ist mit der Kommandolenkung nicht möglich.

Eine Verbindung von Kommandolenkung mit einer Endlenkung würde den direkten Schuß gegen manövrierende Luftziele in der Größe von Flugkörpern und Raketen ermöglichen. Dazu ist jedoch eine Suchkopftechnologie ohne Kreisel und Kar­ danrahmensystem in Verbindung mit einem neuen Lenkverfah­ ren erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung sowie ein Lenkverfahren zu implementieren, mittels der eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich höhere Treffgenauigkeit ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in dem Pa­ tentanspruch 1 beschrieben. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte An­ wendungen der Erfindung aufgeführt.

Der erfindungsgemäße Lösungsgedanke besteht darin, daß der Geschoß-Sollkurs von einem Feuerleitrechner zum jeweiligen Korrekturzeitpunkt aus der räumlichen - ggf. kartesisch aufgespaltenen - Winkelabweichung (δ₁) des Ist-Wertes der Geschoß/Ziel-Sichtlinie von ihrem Soll-Wert ermittelt wird.

Die Meß- und Steuerphasen sind bei der Lenkung zeitlich in der Weise entkoppelt, daß die Geschoß-Pendelung infolge eines Steuereingriffs zu Beginn der nächsten Meßphase hin­ reichend abgeklungen ist.

Anordnungsmäßig kann dieses Verfahren vorzugsweise durch ein Millimeterwellenradar zur Sichtlinienermittlung bei einer Betriebswellenlänge von in etwa 94 oder 140 GHz durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung sowie das zugehörige Ver­ fahren sind leicht realisierbar, leistungsfähiger und preiswerter als bisherige Verfahren. Desweiteren wird die Aufgabenstellung in vollem Umfang erfüllt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf eines möglichen Kollisionskurs

Fig. 2 eine mögliche Annäherungsgeometrie

Fig. 3 die direkte Navigation

Die erfindungsgemäße Anordnung sowie das vorzugsweise zu­ gehörige Lenkverfahren nach Fig. 1 bis 3 ist dahingehend ausgebildet, daß ein Zielsuchkopf mit Millimeterwellenra­ dar, z. B. bei 94 GHz oder 140 GHz als starres Monopulssy­ stem realisiert ist. Das Gesichtsfeld darf klein sein (ge­ ringe Vorhaltwinkel, head-on Bekämpfungssituation). Das Radar kann auch bistatisch sein (Beleuchter an Boden, halbaktive Lenkung).

Die Sensorachse ist vorzugsweise nicht stabilisiert. Meß­ phasen und Steuerphasen werden bei der Lenkung zeitlich in der Weise entkoppelt, daß die Geschoßpendelung infolge ei­ nes Steuereingriffs zu Beginn der nächsten Meßphase hin­ reichend abgeklungen ist, so daß Sensorachse und Bahntan­ gente wieder übereinstimmen. Die Rollage wird vom Geschoß gemessen und entsprechend berücksichtigt.

Die Rollage kann das Geschoß im Prinzip aus der Polarisa­ tion des Funksignals der Kommandolenkung entnehmen, wenn die Zweideutigkeit z. B. durch einen Erdmagnetfeldsensor aufgelöst wird. Beim Flachschuß kann die Rollage aus dem Bodenclutter im Radarsignal entnommen werden.

Die Proportionalnavigation wird vorzugsweise entgegen dem Stand der Technik nicht angewendet. Die Abweichung vom richtigen Geschoßkurs, also vom Kollisionskurs, kann auch durch Vergleich des Sichtlinienwinkels des Suchkopfs mit dem Sollwert für den Vorhaltwinkel ermittelt werden, wie er aus der Feuerleitrechnung am Boden bekannt ist. Dieser Vorhaltwinkel mit seinen beiden Komponenten in Azimut und Elevation wird bezüglich der Bahntangente des Geschosses zur Zeit der Lenkkorrektur durch den Feuerleitrechner er­ mittelt und dem Geschoß über die Kommandoverbindung über­ mittelt. Bei diesem Vorgehen wird die Sichtliniendrehge­ schwindigkeit für die Lenkung nicht benötigt und daraus ergibt sich ein erheblicher Vorteil für die Leistungsbi­ lanz des Radarsuchkopfes, wie noch gezeigt wird. Zweck der Lenkung ist es, das Geschoß G auf einen Kollisi­ onskurs mit dem bewegten Ziel Z zu bringen. Dazu ist es bei gleichförmig geradliniger Bewegung beider Körper not­ wendig, den Sichtlinienwinkel beim Geschoß auf den Wert des richtigen Vorhaltwinkels α zu bringen. Der Winkel α ergibt sich aus den Geschwindigkeitsvektoren v_G und v_Z, wie im zweidimensionalen Modell gezeigt. Der Einheitsvek­ tor für die Richtung der Sichtlinie ist für den Fall des Kollisionskurses gemäß Fig. 1

Die Sichtlinienrichtung ändert sich beim Kollisionskurs während der Zielannäherung vorzugsweise nicht. Daher for­ dert das Lenkgesetz der Proportionalnavigation, daß die Drehgeschwindigkeit der Bahntangente proportional zur Drehgeschwindigkeit der Sichtlinie sein soll, was automa­ tisch dazu führt, daß der Geschoßkurs sich solange ändert, bis der Kollisionskurs erreicht ist und die Sichtlinie sich nicht mehr weiter dreht.

Die Ermittlung der Sichtliniendrehgeschwinigkeit erfordert die zeitliche Ableitung des Sichtlinienwinkels. Der gemes­ sene Sichtlinienwinkel enthält einen Rauschanteil entspre­ chend der Auflösung des Sensors. Durch die Ableitung wird dieser Rauschanteil erhöht. Das Rauschen drückt sich in einem vergrößerten Treffehler aus.

Daher wird ein alternatives Lenkgesetz betrachtet, das ohne die Ableitung auskommt. Im Falle der Geschoßlenkung im direkten Schuß, wo nur kleine Bahnkorrekturen nötig sind, ist das möglich. Fig. 2 zeigt die Verhältnisse in einem bewegten Koordinatensystem mit Ursprung in dem Ziel Z. α_o ist der Vorhaltwinkel, unter dem das Geschoß das Ziel sehen sollte. Tatsächlich befindet sich aber das Ziel um einen kleinen Wert d versetzt neben dem Koordinatenursprung, so daß eine Bahnkorrektur nötig wird. Solange noch nicht gelenkt wird, ändert sich der Sichtli­ nienwinkel und entfernt sich von dem Sollwert. Die Proportionalnavigation wertet nun die Differenz δ₂-δ₁ aus, um die Steuergröße zur Bahnkorrektur zu generieren. Demge­ genüber verwendet die hier vorgeschlagene alternative Len­ kung ("direkte Navigation") den Wert δ₁ selbst dafür:

Proportionalnavigation: d ≈ (δ₂-δ₁) · D²/B
Direkte Navigation: d ≈ δ₁ · D

Das Rauschen bei der Messung des Sichtlinienwinkels geht im ersteren Falle um den Faktor D/B stärker in die Bahn­ korrektur ein.

Voraussetzung für das Verfahren ist das Vorhandensein des genauen Sollwertes α_o (in der dreidimensionalen Wirklich­ keit entsprechend zwei Sollwerte). Dieser ist beim direk­ ten Schuß vom Feuerleitrechner für jeden Zeitpunkt der Ge­ schoßbahn berechenbar. Der für den Korrekturzeitpunkt benötigte Wert kann also über das Kommandolink zum Geschoß übertragen werden. Zwar enthält der Winkelwert einen klei­ nen Fehler aber auf der relativ kurzen Distanz der Endpha­ senkorrektur wirkt er sich nicht mehr störend.

Fig. 3 zeigt das Lenkverfahren im Detail. G und Z sind die Positionen von Geschoß und Ziel am Beginn der Korrektur­ phase, wie der Feuerleitrechner sie erwartet. Tatsächlich ist aber eine Abweichung in der Begegnungssituation vor­ handen. Sie wird durch den Fehlerkreis um Z symbolisiert. Die wahre Position Z′ ist durch eine Abweichung mit einer Komponente in Richtung der Sichtlinie, die in erster Nähe­ rung nicht stört, und einer Komponente quer dazu gekenn­ zeichnet. Letztere wird vom Suchkopf gemessen:

d = δ₁D = (α₁-α_o) D.

Mit der Annahme konstanter Geschwindigkeiten ist d unver­ ändert auch am Kollisionspunkt K′ vorhanden. Bezogen auf die Geschoßbahn ist die bis zur Kollision auszulenkende Querabweichung daher

d′ = d · cos α ≈ d.

Aus der bekannten Entfernung bis zum Kollisionspunkt kann das Geschoß die erforderliche Querbeschleunigung bzw. den Querimpuls berechnen.

Die wahren Bahnen infolge manövrierendem Ziel und balli­ stischem Geschoßflug weichen von der Geraden ab. Das be­ hindert in erster Näherung aber nicht die vorgeschlagene Korrektur. Eine genauere Korrektur als etwa auf 10% des Ausgangswertes wird garnicht angestrebt, da die Steuermög­ lichkeiten eines Geschosses ohne geschlossenen Regelkreis ohnehin nicht genauer sind. Gegebenenfalls kann man durch mehrmalige Wiederholung der Prozedur den Restfehler weiter vermindern.

Der Vorteil des Lenkverfahrens ist die reduzierte Empfind­ lichkeit gegen das Rauschen des Sensors. Für den gleichen rauschbedingten Treffehler kann die Sendeleistung des Suchkopfradars erheblich kleiner sein. Der Gewinn wird ab­ geschätzt:

Es wurde schon gezeigt, daß sich das Rauschen bei der Pro­ portionalnavigation um den Faktor D/B stärker auswirkt. Wenn die Meßbasis B durch Vorverlegen von t₁ vergrößert wird, verbessern sich die Verhältnisse zunächst (Fig. 2). Jedoch nimmt die Rauschspannung am Meßpunkt t₁ infolge vergrößertem Abstand zum Ziel gemäß Radargleichung mit D² zu. Daher gilt:

Verschlechterung durch Proportionalnavigation
= D/B · (D/(D-B))²
Minimum bei B = D/3 : 6,75.

Um den gleichen Treffehler zu erhalten, muß die Sendelei­ stung um den Faktor 45 heraufgesetzt werden. (Eine ge­ nauere Berechnung ergibt, daß der Faktor je nach Integra­ tionsdauer zwischen ca. 45 und 65 liegt.)

Z. B. ein Flak-Geschoß mit autonomer oder halbautonomer Endphasenlenkung erfordert eine große Reichweite des Ra­ dars bei zugleich kleinem Volumen des Suchkopfs und ist daher mit dem heutigen Stand der Millimeterwellentechnik und mit Proportionalnavigation nicht realisierbar. Durch Anwendung des beschriebenen alternativen Lenkgesetzes kann die erforderliche Leistung in einem Maße herabgesetzt wer­ den, daß die Realisierung möglich ist.

In Verbindung mit der kreiselfreien Konstruktion, wie be­ schrieben, und mit einer durch digitale Filter ermöglich­ ten kohärenten Langzeitintegration ist damit ein kosten­ günstiger Sensor in starrer Ausführung für Flak-Lenkge­ schoß zur Selbstverteidigung (head-on Bekämpfungssitua­ tion) mit dem vorhandenen Stand der Halbleitertechnik mög­ lich.

Desweiteren ergeben sich die bereits oben beschriebenen Vorteile.

Claims (8)

1. Lenkverfahren für Geschosse zur Erhöhung deren Treff­ sicherheit beim direkten Schuß gegen eigenbewegte Zielob­ jekte, beispielsweise manövrierende Flugkörper, nach einem Lenkgesetz, das das jeweilige Geschoß auf den Kollisions­ kurs mit seinem Zielobjekt führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschoß-Sollkurs von einem Feuerleitrechner zum jeweiligen Korrekturzeitpunkt aus der räumlichen - ggf. kartesisch aufgespaltenen - Winkelabweichung (δ₁) des Ist- Wertes der Geschoß/Ziel-Sichtlinie von ihrem Soll-Wert er­ mittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Steuerphasen bei der Lenkung zeitlich in der Weise entkoppelt sind, daß die Geschoß-Pendelung infolge eines Steuereingriffs zu Beginn der nächsten Meßphase hin­ reichend abgeklungen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das jeweilige Geschoß vom Boden aus funk-komman­ dogelenkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollage des einzelnen Geschosses aus der Polarisation des Funk-Kommandosignals bestimmt wird und daß die Zwei­ deutigkeit dieser Bestimmung z. B. mittels eines Erdmagnet­ feldsensors aufgelöst wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkgesetz entsprechend der Quer­ abweichung d ≈ δ₁ · Dgewählt ist, wobei δ₁ die Winkelabweichung der Sichtlinie zum Korrekturzeitpunkt und D ein Maß für die Zielentfer­ nung bedeuten.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Millime­ terwellenradar zur Sichtlinienermittlung.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Radar bistatisch ist, d. h. Beleuchter (Sender) am Bo­ den, Empfänger im Geschoß.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Betriebswellenlänge des Radars im 94 oder 140 GHz-Bereich liegt.