EP0319649A1 - Anordnung zur Ermittlung der Rollwinkellage - Google Patents

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Ermittlung der Rollwinkellage eines aus einem Rohr (20) abfliegenden Flugkörpers (10) mit Hilfe eines ersten in oder an dem Flugkörper (10) angeordneten Magnetfeldsensors (11) beschrieben. Bei bekannten derartigen Anordnungen ist das Sensorsignal nicht nur von der Rollwinkellage, sondern auch von der Flugrichtung des Flugkörpers (10) abhängig. Um in beliebiger Flugrichtung eine eindeutige Winkelzuordnung des Flugkörpers zur Phase des Sensorsignales zu erhalten, wird vorgeschlagen, daß der Flugkörper (10) einen zweiten, in einem vorgegebenen Abstand in Flugrichtung angeordneten Magnetfeldsensor (12) aufweist. Zusätzlich ist an dem Rohr (20) ein Referenzmagnet (21) vorgesehen, so daß der zweite Magnetfeldsensor (12) beim Vorbeifliegen an dem Referenzmagnet (21) ein die augenblickliche Winkellage des Flugkörpers (10) bestimmtendes Referenzsignal erzeugt. Aus dieser Winkellage kann dann mit Hilfe der ermittelten Drehzahl des Geschosses die Rollwinkellage zu einem beliebigen Zeitpunkt bestimmt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung der Rollwinkellage eines aus einem Rohr abfliegenden Flug­körpers, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist.
• Bei um ihre Längsachse rotierenden Flugkörpern ist es häufig erforderlich, die Rollwinkellage des Flugkörpers relativ zum geodätischen Referenzsystem zu messen. So wird beispielsweise bei gelenkten Geschossen für die Flugbahnkorrektur sowohl die Abweichung der wirklichen von der theoretischen Bahn als auch die Rollwinkellage ermittelt, um dann den Korrekturimpuls in einer solchen Rollwinkellage auszulösen, daß er der beobachteten Abweichung entgegenwirkt (vgl. z. B. DE-0S 25 43 606).
• Die Rollwinkellage des Flugkörpers kann sowohl auf op­tischem als auch auf magnetischem Wege ermittelt werden. Eine optische Rollwinkellagemessung besitzt den Nachteil, daß sie helligkeitsempfindlich ist und daher z. B. bei Nacht oder ungünstigen Umweltbedingungen (Schnee, blauer Himmel) nur fehlerhafte Messungen ermöglicht.
• Bei der Ermittlung der Rollwinkellage auf magnetische Weise befindet sich in oder an dem Flugkörper ein Magnet­feldsensor, der die Rollwinkellage in bezug auf das Erd­magnetfeld ermittelt, wobei dessen Empfindlichkeitsachse senkrecht zur Flugrichtung verläuft. Es wird also die Tatsache ausgenutzt, daß der Vektor des Magnetfeldes der Erde nur in der Nähe des Äquators horizontal über der Erdoberfläche liegt, während er in den anderen Gebieten zum Erdboden geneigt ist und damit eine Vertikalkompo­nente besitzt, die zur Rollwinkellagemessung verwendet werden kann.
• Bei einem Flug in Richtung des magnetischen Nordpols wird über den Magnetfeldsensor aufgrund der Flugkörperdrehung um die Flugachse ein sinusförmiges Signal erhalten, dessen Maxima und Minima dem magnetischen Vertikalfeld der Erde proportional sind, so daß eine "oben-unten" Bestimmung möglich ist. Weicht allerdings die Flugrichtung von der magnetischen Nordrichtung ab, so zeigt das vom Sensor erfaßte maximale Magnetfeld nicht mehr senkrecht nach unten sondern in eine Richtung, die zunehmend durch den Inklinationswinkel bestimmt wird. Bei einem Flug in Ost­richtung ergibt sich beispielsweise in der BRD ein Fehler von 25°.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art derart weiterzuent­wickeln, daß bei Bewegungen des Flugkörpers in beliebiger Richtung eine eindeutige Winkelzuordnung zur Phase des Sensorsignales erhalten wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
• Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Weitere Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe von Ausführungsbeispielen anhand von Figuren im folgenden näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs­gemäßen Anordnung und
• Fig. 2a bis Fig. 2c den Verlauf der Ausgangssignale der Magnetfeld­sensoren in Abhängigkeit der Entfernung des Geschosses von der Rohrmündung.
• In Fig. 1 ist mit 10 ein Flugkörper und mit 20 der mün­dungsseitige Teil eines Rohres (z. B. einer Kanone), aus dem der Flugkörper 10 verschossen wird, dargestellt. Im Inneren des Flugkörpers 10 befinden sich die Magnetfeld­sensoren 11 und 12. Bei diesen Magnetfeldsensoren kann es sich beispielsweise um Sensoren handeln, die den magne­toresistiven Effekt ausnutzen. Dabei besitzt der erste Sensor 11 lediglich eine Empfindlichkeitsachse senkrecht zur Flugrichtung, während der zweite Magnetfeldsensor 12 zwei in einer zur Flugrichtung senkrechten Ebene liegende Empfindlichkeitsachsen aufweist. Die entsprechenden Sen­soren sind handelsüblich und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden.
• Ferner ist in Fig. 1 mit H die Feldstärke des Erdmagnet­feldes bezeichnet, welche in eine vertikale Komponente H_V und in eine horizontale Komponente H_H zerlegt wer­den kann. Mit α ist der Inklinationswinkel gekennzeich­net, der in der BRD etwa zwischen 60 und 70° liegt.
• Im folgenden wird kurz die Wirkungsweise der erfindungs­gemäßen Anordnung beschrieben:
• Beim Austritt des Geschosses 10 aus dem Rohr 20 wird der hintere Magnetfeldsensor 12 an dem Referenzmagneten 21 vorbeibewegt, während der vordere Sensor 11 bereits das Erdfeld erfaßt. Dadurch kann eine Bestimmung der Phasen­lage des Geschosses bezüglich des äußeren Magnetfeldes erfolgen. Durch die zweiachsige Anordnung der Sensor­achsen des Sensors 12 kann die räumliche Lage des Refe­renzmagneten 21 innerhalb der durch die beiden Sensor­achsen aufgespannten Ebene durch folgende Beziehung bestimmt werden:
  tg γ (t_x) = $\frac{\text{Ay}}{\text{Ax}}$

  

        (1)
  wobei Ax und Ay die Amplituden der Teilsensoren, die die Sensorachsen charakterisieren, γ der Winkel zwischen dem in x-Richtung orientierten Teilsensor des Sensors 12 und der Richtung des Referenzmagneten und tx der Zeitpunkt der Messung bedeuten.
• Das durch den zweiten Magnetfeldsensor 12 aufgrund des Magneten 21 empfangene Referenzsignal bestimmt somit eine bestimmte Winkellage des Flugkörpers, die dem Signal des vorderen Sensors 11 eindeutig zugeordnet werden kann.
• Diese Zusammenhänge sind in den Fig. 2a bis 2d noch einmal dargestellt. Dabei zeigt Fig. 2a) das mit dem ersten Sensor 11 gemessene vertikale Magnetfeld, wobei mit to die Zeit bezeichnet ist, bei der der Sensor 11 aus der Mündung des Rohres 20 austritt und wobei auf der vertikalen Achse die dem jeweiligen Magnetfeld entsprechende Sensoramplitude A 11 aufgetragen ist. In den Fig. 2b und 2c werden die Spannungsamplituden A_x und A_y der Teilsensoren des Sensors 12 darge­stellt. Beim Vorbeifliegen am Referenzmagneten 21 ergeben sich ausgeprägte Maximalwerte.
• In Fig. 2d ist dann der mit Hilfe von Gl. (1) ermit­telte Winkel γ wiedergegeben, der in dem darge­stellten Beispiel 19° beträgt.
• Die Rollagebestimmung des Geschosses zu einem beliebi­gen Zeitpunkt auf der Flugbahn wird aufgrund folgender Uberlegung ermittelt:
• Der vordere Sensor 11 besitzt einen Amplitudenverlauf A (t) gemäß folgender Beziehung:
  A (t) = A0 sin (ω₀ t + φ)
• Die Anfangsphase dieses Signals kann mit dem Winkel aus der Messung der beiden hinteren Teilsensoren des Sensors 12 gleichgesezt werden (φ = γ). Gleichzeitig dient deren Signal (bzw. das Amplidutensignal A_x) als Trigger für den vorderen Sensor 11, der zu diesem Zeitpunkt to seine Messung aufnimmt und die Drehzahl ω ermittelt. Aus der ermittelten Drehzahl ω läßt sich zu jedem Zeit­punkt mit bekannter Anfangsphase die Rollage α zu:
  α (t) = ω t + γ (to)
  bestimmen.
• Auf einer ballistischen Flugbahn ändert sich zwar der Anstellwinkel des Flugkörpers, nicht jedoch die Flugrich­tung. Es ändert sich daher lediglich die Amplitude des Sensorsignales und nicht die Phasenlage, so daß die Form der Flugbahn keinen Einfluß auf die Rollagebestimmung hat. Für die Rollageerfassung wird also erfindungsgemäß die phasenlage ausgewertet.

Claims (2)

1. Anordnung zur Ermittlung der Rollwinkellage eines aus einem Rohr (20) abfliegenden Flugkörpers (10) mit Hilfe eines ersten in oder an dem Flugkörper (10) an­geordneten Magnetfeldsensors, gekennzeich­net durch die Merkmale:
- der Flugkörper (10) weist einen zweiten, in einem vorgegebenen Abstand in Flugrichtung angeordneten Magnetfeldsensor (12) auf;
- an dem Rohr (20) ist ein Referenzmagnet (21) vor­gesehen, so daß der zweite Magnetfeldsensor (12) beim Vorbeifliegen an dem Referenzmagnet (21) ein die augenblickliche Winkellage des Flugkörpers (10) bestimmendes Referenzsignal erzeugt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß der zweite Magnetfeld­sensor (12) zwei in einer zur Flugrichtung senkrechten Ebene liegende Empfindlichkeitsachsen aufweist.

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