DE60109424T2

DE60109424T2 - Passiver Doppler-Annäherungszünder

Info

Publication number: DE60109424T2
Application number: DE2001609424
Authority: DE
Inventors: Carl G. Tucson Foster
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2021-05-26
Also published as: DE60109424D1; EP1260785B1; EP1260785A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die gegenwärtige Erfindung betrifft elektronische Schaltungen und Systeme. Genauer gesagt betrifft die gegenwärtige Erfindung elektronische Zünder, die in Waffensystemen verwendet werden.
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Bei vielen Anwendungen besteht eine Notwendigkeit, einen Zünder für eine Munition bereitzustellen. Bei bestimmten Anwendungen ist ein kostengünstiger, passiver Näherungszünder notwendig. Z.B. wird das Global Positioning System (GPS) gegenwärtig benutzt, um eine genaue Munitionsführung zwecks einer Zielführung über eine Konstellation von Satelliten bereitzustellen. Es wird erwartet, dass die Verwendung einer Vielzahl von kostengünstigen GPS-Empfängern als ein Gegenmittel entwickelt wird, um das GPS-Leitsystem einer Rakete oder einer anderen Munition während des Fluges zu durchkreuzen.
Somit besteht eine Notwendigkeit für eine Munition, die dazu geeignet ist, einen GPS-Störsender zu erfassen und zu zerstören. Die Störsender wären klein und in der Höhe, was eine Zerstörung problematisch macht. Es werden deshalb gegenwärtig kostengünstige Raketen für diese Anwendung in Betracht gezogen. Diese Raketen würden mit hoher Geschwindigkeit fliegen und deshalb typischerweise sowohl ein Leitsystem als auch einen Zünder erfordern. Das Leitsystem würde die Waffe in das Ziel steuern und versuchen, es zu treffen, und ein HF-Zünder wäre notwendig, um die Waffe zu zerstören, falls es das Ziel verfehlt und der Auftreffzünder nicht funktioniert. Dies würde die Kosten der Munition erheblich vergrößern, da typischerweise ein Radarsender, ein Empfänger und ein Signalprozessor erforderlich wären. Im Hinblick auf den Ansatz des passiven Zünders gibt es keinen bekannten HF-Zünder, der ausreichen würde, und ein aktiver Zünder wäre wegen des Erfordernisses eines Radarübertragungssystems oder eines anderen aktiven Detektionssystems teuer.
Unglücklicherweise wird es erwartet, dass die Störsender als billige Störsender in großen Zahlen verwendet werden. Demnach wären mit dem oben beschriebenen aktiven Zünder hohe Kosten verbunden, und es wäre ein Präzisionsleitsystemansatz für die Antistörsender-Munition notwendig, was diese Ansätze unpraktikabel macht. Ferner würde der Ansatz mit dem Leitsystem und dem aktiven Zünder auch den Formfaktor der Lösung nachteilig beeinflussen.
Die britische Patentanmeldung GB 2 177 796 A offenbart ein passives System zum Bestimmen der Lage, der Geschwindigkeit und der Richtung eines Ziels, das ein Signal aussendet. Das System besteht aus einem direktionalen Receiver, der verwendet wird, um eine Mehrzahl von Signalen zu detektieren, die von dem Ziel ausgesendet werden und nachfolgend durch Artefakte im Medium reflektiert werden, die das Ziel umgeben. Die Frequenz von jedem der reflektierten Signale hat eine Doppler-Verschiebung, die den Winkel zwischen dem Ziel und dem reflektierenden Artefakt anzeigt. Die Position, die Geschwindigkeit und die Richtung des Ziels werden dann durch Verarbeiten der Doppler-Verschiebedaten zusammen mit den bekannten Trägern von dem Receiver in Bezug auf jedes der reflektierenden Artefakte bestimmt.
Das US-Patent 3 945 008 offenbart ein aktives Zündersystem, das verschiedene Senderfrequenzen und verschiedene Empfängerkanäle mit einer Logik verwendet, um den Zünder zu detonieren, wenn geeignete Vorkommnisse in jedem der Kanäle auftreten, wie etwa der Nulldurchtritt des Doppler-Signals. Die zweite Ableitung des Doppler-Signals wird verwendet, um die Veränderung des Doppler-Signals zu verstärken.
Die Internationale Patentanmeldung WO 96/18079 offenbart ein passives Zündersystem, das dann auslöst, wenn das Verhältnis der Amplituden der Signale, die über eine breitkeulige Antenne und über eine engkeulige Antenne aufgenommen werden, einen bestimmten Grenzwert übersteigt. Auch die erste Ableitung der Signale wird berücksichtigt.
Somit besteht in der Branche ein Bedürfnis nach einer kostengünstigen, wirksamen Alternative, um die Verwendung einer preiswerten Munition zu erlauben, um kleine, preiswerte Ziele mit Störsendersignalen zu zerstören.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Bedürfnis in der Branche wird durch die gegenwärtige Erfindung gelöst, die ein passives System zum Detektieren der Nähe einer Signalquelle bereitstellt, mit
einem Empfänger zum Empfangen eines Signals von der Signalquelle und zum Ausgeben eines Doppler-Signals, das charakteristisch für die darin enthaltene Doppler-Verschiebung ist, und gekennzeichnet durch
eine Schaltung zum Berechnen einer zweiten Ableitung des Doppler-Signals und zum Bereitstellen eines Ausgangssignals als Reaktion darauf.
Bei der dargestellten Ausführung ist der Empfänger ein FM-Empfänger. Der Mechanismus zum Detektieren einer Veränderung in der Doppler-Verschiebung kann mit diskret analogen Schaltungen oder mit digitalen Schaltungen implementiert werden. Bei einer beispielhaften analogen Implementierung werden ein erstes und ein zweites Widerstands-/Kapazitätsnetzwerk (RC) verwendet, um eine zweite Ableitung des Doppler-Verschiebesignaloutputs durch den Receiver zu berechnen. Dieses Signal wird dann verstärkt und mit einem Grenzwert verglichen, um das Ausgangs-Detonationssignal bereitzustellen.
Bei einer beispielhaften digitalen Implementierung wird der Output des Empfängers in ein digitales Signal verwandelt und durch einen digitalen Signalprozessor verarbeitet (DSP). Der DSP berechnet die zweite Ableitung des Doppler-Verschiebesignaloutputs durch den Empfänger als Reaktion auf ein gespei chertes Programm zur Berechnung desselben. Der Output des DSP ist das Detonationssignal. Somit wird die Detonation an dem nächsten Punkt der Annäherung der Munition an das Ziel mit einer preiswerten passiven Lösung erreicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das eine arbeitsmäßige Umgebung des Näherungszünders gemäß der gegenwärtigen Erfindung zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften analogen Implementierung des Zünders gemäß der gegenwärtigen Erfindung.
2a ist ein Diagramm, das die Doppler-Verschiebung f_d(t) des erhaltenen Signals als eine Funktion der Zeit zeigt.
2b ist ein Diagramm, das eine erste Ableitung der Doppler-Verschiebung f_d(t) des erhaltenen Signals als eine Funktion der Zeit zeigt.
2c ist ein Diagramm, das eine zweite Ableitung der Doppler-Verschiebung f_d(t) des erhaltenen Signals als eine Funktion der Zeit zeigt.
3 ist ein Diagramm, das den Output des Vergleichers des erfindungsgemäßen Zünders zeigt.
4 ist ein Diagramm, das den Output des Zünders gemäß der gegenwärtigen Erfindung zeigt.
5 zeigt eine alternative digitale Implementierung des Zünders gemäß der gegenwärtigen Erfindung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungen und beispielhafte Anwendungen werden nun unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung beschrieben, um die vorteilhafte Lehre der gegenwärtigen Erfindung zu offenbaren.
Obwohl die gegenwärtige Erfindung hier unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungen für besondere Anwendungen dargestellt ist, versteht es sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Fachleute auf dem Gebiet des Standes der Technik, die Zugang zu der hier angegebenen Lehre haben, werden zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungen innerhalb des Rahmens der Erfindung sowie zusätzliche Bereiche erkennen, in denen die gegenwärtige Erfindung von signifikantem Vorteil sein könnte.
1 ist ein Diagramm, das eine arbeitsmäßige Umgebung des Näherungszünders gemäß der gegenwärtigen Erfindung zeigt. Der Zünder 10 gemäß der Erfindung ist zur Verwendung an einer Munition 11 zum Zerstören eines Störsenders 12 ausgebildet.
2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften analogen Implementierung des Zünders gemäß der gegenwärtigen Erfindung. Der Zünder 10 weist eine Antenne 14 auf, die ein von dem Störsender 12 gemäß 1 übertragenes Signal erhält und es an einen Empfänger 16 liefert. In der bevorzugten Ausführung ist der Empfänger 16 dazu geeignet, frequenzmodu lierte Signale (FM) zu erhalten und als Reaktion darauf einen Output zu liefern. Vorzugsweise ist der Empfänger 16 abstimmbar, um eine Verwendung gegen Störsender zu ermöglichen, die auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen arbeiten. Der Empfänger 16 verwendet ein Signal, das charakteristisch für eine Doppler-Verschiebung in einem Trägersignal ist, das von dem Störsender 12 ausgesendet wird, wenn sich die Munition 11 nähert. Das Phänomen der Doppler-Verschiebung ist im Stand der Technik wohlbekannt. Wenn ein periodisches Signal zwischen einer Quelle und einem Empfänger übertragen wird, die relativ zueinander beweglich sind, kann eine Verschiebung in der Periodizität des erhaltenen Signals detektiert werden. Diese Verschiebung ist als die Doppler-Verschiebung bekannt, bei der die zugehörige Doppler-Frequenz f_d gegeben ist durch: Fd = V·ftcosα/c [1]wobei f_t die Frequenz des Senders ist;
V = Geschwindigkeit der Munition 11;
c = Lichtgeschwindigkeit und
α = Winkel zwischen der Fluglinie und dem Sender 12 gemäß 1.
Als eine Funktion der Zeit kann Gleichung [1] ausgedrückt werden als: fd(t) = V·ftVt/c·(V2t2 + m2)1/2 [2]wobei "m" der Verfehlungsabstand ist.
Das Ziel besteht darin, die Munition 11 an dem Punkt der nächsten Annäherung zu dem Störsender 12 zu detonieren oder zu zünden. Gemäß der gegenwärtigen Lehre wird der engste Punkt der Annäherung detektiert, indem die zweite Ableitung f_d(t) genommen wird und der Wendepunkt (d.h. wenn die zweite Ableitung die Nulllinie durchläuft) bestimmt wird. Dies wird in den 2a–c nachfolgend genauer beschrieben.
2a ist ein Diagramm, das die Doppler-Verschiebung f_d(t) des erhaltenen Signals als eine Funktion der Zeit zeigt.
2b ist ein Diagramm, das eine erste Ableitung der Doppler-Verschiebung f_d(t) des erhaltenen Signals als eine Funktion der Zeit zeigt.
2c ist ein Diagramm, das eine zweite Ableitung der Doppler-Verschiebung f_d(t) des erhaltenen Signals als eine Funktion der Zeit zeigt. In den 2a–c ist der Punkt der nächsten Annäherung bei t = 0.
Nunmehr wieder auf 2 Bezug nehmend, wird der nächste Punkt der Annäherung durch zwei RC-Netzwerke R₁C₁ (17) und R₂C₂ (19) und einen Vergleicher bestimmt. Wie für die Fachleute im Stand der Technik erkennbar, sind die RC-Netzwerke als Hochpassfilter verbunden, um den Doppler-Signal-Output mittels des Empfängers 16 zu unterscheiden. Somit liefert das erste RC-Netzwerk R₁C₁ (17) eine erste Ableitung des Doppler-Signal-Outputs durch den Empfänger 16, während das zweite RC-Netzwerk R₂C₂ (19) eine zweite Ableitung des Doppler-Signal-Outputs durch den Empfänger 16 ausgibt. Ein Verstärker 18 ist zwischen der ersten und der zweiten RC-Stufe vorgesehen, um die beiden Netzwerke zu entkoppeln.
Ein Vergleicher 20 vergleicht den Output des zweiten Differenzierers R₂C₂ (19) mit einem Grenzwert, der durch ein Spannungsteiler-Netzwerk gesetzt wird, das aus Widerständen R₃ und R₄ besteht, die mit einem Referenz-Anschlusspunkt davon verbunden sind. Der Spannungsteiler bestimmt im Wesentlichen den Bereich, in dem der Zünder detoniert.
3 ist ein Diagramm, das den Output des Vergleichers des erfindungsgemäßen Zünders zeigt. Wie in 3 dargestellt, geht der Output des Vergleichers auf hoch bei t₁, wenn die zweite Ableitung der Doppler-Verschiebung zunächst die Vergleicher-Grenzwertspannung kreuzt, und geht auf niedrig, wenn die zweite Ableitung der Doppler-Verschiebung die Grenzwertspannung ein zweites Mal bei t₂ kreuzt.
4 ist ein Diagramm, das den Output des Zünders gemäß der gegenwärtigen Erfindung zeigt. Wie in 4 dargestellt, wird die Munition bei t₂ ausgelöst und explodiert an dem engsten Punkt der Annäherung bei t = 0.
Nunmehr zu 2 zurückkehrend, kann der Output des Vergleichers 20 mit einem Analog/Digital- (oder Analog/TTL-) Konverter 22 verbunden werden, um einen digitalen Ausgangsimpuls zu liefern, falls notwendig.
5 zeigt eine alternative digitale Implementierung des Zünders gemäß der gegenwärtigen Erfindung. Bei der digitalen Implementierung weist der Zünder 10' einen Analog/Digital- Konverter 24 auf, der den Output des Empfängers 16 digitalisiert und die digitalisierte Doppler-Verschiebung an einen digitalen Signalprozessor (DSP) 26 liefert. Der DSP kann mit einem Mikroprozessor oder einem programmierbaren Logik-Gate implementiert sein, wie den Fachleuten im Stand der Technik bekannt ist. Bei einer Implementierung mit Mikroprozessor läuft Software (allgemein bei 28 dargestellt), um sukzessiv die zweite Ableitung der Doppler-Verschiebung des Signals zu berechnen, und liefert als Reaktion darauf ein Ausgangssignal.
Die Fachleute im Stand der Technik werden erkennen, dass die gegenwärtige Erfindung nicht auf die beispielhaften Implementierungen begrenzt ist und dass der passive Doppler-Zünder gemäß der gegenwärtigen Erfindung unabhängig von der absoluten Frequenz des übertragenen Signals arbeitet.
Somit wurde die gegenwärtige Erfindung unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführung für eine besondere Anwendung beschrieben. Die Fachleute im Stand der Technik, die Zugang zu der gegenwärtigen Lehre haben, werden erkennen, dass zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungen im Rahmen derselben liegen.
Die Erfindung könnte auch verwendet werden, um einen beliebigen Sender zu treffen. Z.B. kann ein Sender an einem Luftfahrzeug oder einem Bodenfahrzeug befestigt sein, der verwendet wird, um die Lenkführungseinheit zu unterstützen, um das Ziel zu lokalisieren. Die Erfindung wird benutzt, um die Explosivladung selbst dann zu zünden, wenn das Leitsystem im Zusammenhang mit den aerodynamischen Steuerungen das Ziel verfehlt.
Die Erfindung kann benutzt werden, um einen beliebigen Sender anzugreifen, der als ein militärisches Ziel anzusehen ist. Sie wird gegen Breitbandantennen arbeiten.
Es ist somit beabsichtigt, dass die zugehörigen Ansprüche sämtliche und alle solcher Anwendungen, Modifikationen und Ausführungen innerhalb des Rahmens der gegenwärtigen Erfindung umfassen.

Claims

Ein passives System (10) zum Bestimmen der Nähe einer Signalquelle mit: einem Empfänger (16) zum Empfangen eines Signals von der Signalquelle und zum Ausgeben eines Doppler-Signals, das dessen Doppler-Verschiebung anzeigt; und gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Berechnung einer zweiten Ableitung des Doppler-Signals und zur Bereitstellung eines Zündausgangssignals als Antwort darauf, wenn die zweite Ableitung des Doppler-Signals Null durchläuft.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei der der Empfänger (16) ein FM-Empfänger ist.
Die Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Schaltung Komponenten zum Differenzieren des Doppler-Signals und zur Bereitstellung eines differenzierten Doppler-Signals als Antwort darauf enthält.
Die Erfindung nach Anspruch 3, bei der die Schaltung einen ersten Widerstand und ein Kondensatornetzwerk (R₁C₁) (17) enthält.
Die Erfindung nach Anspruch 4, bei der die Schaltung Komponenten zum Differenzieren des differenzierten Doppler-Signals enthält.
Die Erfindung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Schaltung ein zweites Widerstands- und Kondensatornetzwerk (R₂C₂) (19) aufweist.
Die Erfindung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Schaltung eine Schaltung zum Digitalisieren des erhaltenen Signals und einen digitalen Signalprozessor (26) aufweist.