EP0745828B1 - Verfahren zum Bestimmen der Rollage eines rollenden Flugobjektes - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Rollage eines rollenden Flugobjektes Download PDF

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EP0745828B1
EP0745828B1 EP96108075A EP96108075A EP0745828B1 EP 0745828 B1 EP0745828 B1 EP 0745828B1 EP 96108075 A EP96108075 A EP 96108075A EP 96108075 A EP96108075 A EP 96108075A EP 0745828 B1 EP0745828 B1 EP 0745828B1
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    • 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
    • F41G7/222—Homing guidance systems for spin-stabilized missiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/34—Direction control systems for self-propelled missiles based on predetermined target position data
    • F41G7/343—Direction control systems for self-propelled missiles based on predetermined target position data comparing observed and stored data of target position or of distinctive marks along the path towards the target

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the Roll position of a rolling flying object, in particular for Guiding a ballistic flying projectile / missile with roll compensation.
  • the roll position is determined by vitally important, provided that a subsequent steering of these flying objects should take place during the mission.
  • this applies to the steering of ballistic flying projectiles / missiles, where the possibility a trajectory correction is provided, such as is described in P 44 01 315.9.
  • the present invention is based on the object To develop methods of the type mentioned above which is a relatively precise determination of the roll position of the Flying object takes place and which only a little effort assumes.
  • Direction reference A field strength vector of the earth's magnetic field is called Direction reference used.
  • a magnetic field sensor measures the component of the Geomagnetic field preferably in the radial direction to / r Projectile / missile. Depending on the Roll position an alternating, sinusoidal course of a measured intensity, whose minima and maxima indicate that the measuring direction on the course of the earth's magnetic field on next one is. From the time interval of the maxima / minima the roll frequency is determined.
  • the location of the magnetic field sensor is also the reference point for the rolling position.
  • the roll axis of the obedient flying object is determined by the Approximate speed vector.
  • the direction of the Velocity vector is known because it is either called Target course determined during mission planning and stored in an evaluation computer or during the Flight e.g. is measured with NAVSTAR-GPS.
  • the orientation of the field strength vector is in advance known reference system and in one Evaluation computer saved.
  • the roll position of the projectile / rocket for the times of the maximum or calculate the minimum intensity. Between these The rollage is determined with the determined times Roll frequency predetermined.
  • the System dead time i.e. the time required for the evaluation Time, the accuracy of the roll position determination is additional increased.
  • FIG. 1 is a flying object 1 with a Magnetic field sensor 2 and a measuring axis 3 shown.
  • This Flying object has a speed vector 4 and one Roll axis 5.
  • the arrow w represents the roll angle of the Flying object 1 with respect to a vertical reference axis (VRA) 6.
  • a field line 7 of the Earth's magnetic field drawn with a field strength vector 8.
  • the field strength vector 8 is used to determine the Roll position of the flying object 1, the Speed vector 4 of the flying object is known.
  • the method of operation of the present method is the following:
  • a time interval Tp between two maxima or two minima is the duration for one revolution of the roll Projectile / missile.
  • the roll frequency is determined from this.
  • the speed of the flying object 1 becomes independent of determined the full procedure. This happens for example via NAVSTAR-GPS (Global Positioning System), with the help of which position values of the / r Projectile / rocket and also speed determined become.
  • NAVSTAR-GPS Global Positioning System
  • Roll axis 5, VRA 6 and field strength vector 8 let the Determination of the roll position of a reference point, e.g. location of the Magnetic field sensor 2 at the time when the measuring axis 3 matches field line 7 as much as possible. Between The roll angle w is calculated in advance of these times from the roll frequency and the time span after the last one Reference measurement.

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  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
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  • Control And Safety Of Cranes (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Rolllage eines rollenden Flugobjektes, insbesondere zur Lenkung eines/r ballistisch fliegenden Projektils/Rakete mit Rollausgleich.
Bei ballistisch fliegenden Projektilen/Raketen aber auch bei anderen Flugobjekten ist die Bestimmung der Rolllage von entscheidender Bedeutung, sofern eine nachträgliche Lenkung dieser Flugobjekte während der Mission erfolgen soll. Insbesondere gilt dies für die Lenkung von ballistisch fliegenden Projektilen/Raketen, bei denen die Möglichkeit einer Flugbahnkorrektur vorgesehen ist, wie beispielsweise in der P 44 01 315.9 beschrieben wird.
Im vorliegenden Fall handelt es sich vorwiegend um Flugobjekte, deren Drehbewegung um die Rollachse besonders ausgeprägt ist. Die Drehbewegungen um die anderen Körperachsen (Nick- und Gierbewegung) sind im Vergleich dazu gering. Dabei wird vorausgesetzt, daß zumindest eine Richtungsreferenz, wie die Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Flugobjektes z.B. durch Messung bekannt ist. Ferner werden Flugobjekte mit quasi stabiler, d.h., langsam veränderlicher Rollfrequenz betrachtet, da nur für diese Bewegungsart mit dem hier vorgestellten Verfahren eine gesicherte Bestimmung der Rolllage nicht nur zu einzelnen Zeitpunkten möglich ist.
Bislang werden Rolllagen mittels Lagereferenzkreisel oder anderen Trägheitsreferenzsystemen ermittelt. Diese Vorrichtungen bzw. Systeme sind mechanische/optronische Präzisionsgeräte und daher entsprechend teuer.
Ein o.g. Verfahren ist aus der DE 31 31 394 A1 bekannt. Zur Bestimmung der Rotations- und Rolllage von Flugkörpern wird das erdmagnetische Feld benutzt. Dem Flugkörper wird ein Erdmagnetfeldsensor zur Anzeige der Normalausrichtung zum Erdboden und ein Verstärker zur laufenden Berechnung der Rolllage unter dem Einfluss veränderlicher Azimuth- und Elevationswinkel zugeordnet. Zur Bestimmung der Rollfrequenz wird die Amplitude einer induzierten Wechselspannung ausgewertet. Allerdings erfolgt keine messtechnische Darstellung der Lösung für die Auswertung der erforderlichen Raumlage von Körperachse und Erdmagnetfeldvektor zum Horizont. Dementsprechend ist eine Zuordnung der Rollphase "0" relativ zum Erdmagnetfeld durch eine Zusatzeinrichtung am Startgerät erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben genannten Art zu entwickeln, mittels welchem eine relativ genaue Bestimmung der Rolllage des Flugobjektes erfolgt und welches einen nur geringen Aufwand voraussetzt.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß
  • eine Feldstärke des Erdmagnetfeldes insbesondere ein Feldstärkevektor zur Bestimmung der Rolllage des Flugobjektes verwendet wird und
  • ein Geschwindigkeitsvektor des/r Projektils/Rakete gemessen oder als Funktion oder in Form einer Tabelle im Auswerterechner gespeichert, zeitrichtig berechnet und als Referenz für die Rollagebestimmung verwendet wird.
Dieses Verfahren soll zur Lenkung eines/r ballistisch fliegenden Projektils/Rakete mit Rollausgleich eingesetzt werden. Ein Feldstärkevektor des Erdmagnetfeldes wird als Richtungsreferenz genutzt.
Ein Magnetfeldsensor mißt die Komponente des Erdmagnetfeldes vorzugsweise in radialer Richtung zum/r Projektil/Rakete. Dabei zeigt sich in Abhängigkeit der Rolllage ein alternierender, sinusartiger Verlauf einer gemessenen Intensität, dessen Minima und Maxima anzeigen, daß die Meßrichtung dem Verlauf des Erdmagnetfeldes am nächsten ist. Aus dem zeitlichen Abstand der Maxima/Minima wird die Rollfrequenz bestimmt.
Der Ort des Magnetfeldsensors ist zugleich Bezugspunkt für die Rolllage.
Die Rollachse des folgsamen Flugobjektes wird durch den Geschwindigkeitsvektor angenähert. Die Richtung des Geschwindigkeitsvektors ist bekannt, da er entweder als Sollverlauf noch während der Missionsplanung festgelegt und in einem Auswerterechner gespeichert oder während des Fluges z.B. mit NAVSTAR-GPS gemessen wird.
Die Orientierung des Feldstärkevektors ist in einem vorab definierten Bezugssystem bekannt und in einem Auswerterechner gespeichert.
Aus der Orientierung von Richtungsreferenz (z.B. Geschwindigkeitsvektor) und Feldstärkevektor läßt sich die Rolllage des/r Projektils/Rakete für die Zeitpunkte der maximalen bzw. minimalen Intensität berechnen. Zwischen diesen Zeitpunkten wird die Rollage mit der ermittelten Rollfrequenz vorausbestimmt. Durch Berücksichtigung der Systemtotzeit, d.h., der für die Auswertung erforderliche Zeit, wird die Genauigkeit der Rolllagebestimmung zusätzlich gesteigert.
Im Rahmen der Erfindung liegt selbstverständlich auch, daß mehrere Magnetfeldsensoren verwendet werden, wodurch eine genauere Bestimmung der Rolllage möglich wird.
Der Fall, daß die Flugbahn des/r Projektils/Rakete auf einer Feldlinie des Erdmagnetfeldes liegt, kann insbesondere bei ballistisch fliegenden Flugkörpern als singulärer Ausnahmefall gesehen werden. In diesem Ausnahmefall ist eine Bestimmung der Rolllage mit diesem Verfahren nicht möglich, da trotz Rollbewegung keine Feldstärkeänderungen quer zur Flugbahn auftreten. Dieser Ausnahmefall kann durch eine entsprechende Missionsplanung vermieden werden. Tritt er dennoch ein, so wird er vom Verfahren automatisch erkannt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
  • Figur 1 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen einem Flugkörper und dem Erdmagnetfeld;
  • Figur 2 eine diagrammartige Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Rollage eines Flugobjektes.
    • Gemäß Figur 1 ist schematisch ein Flugobjekt 1 mit einem Magnetfeldsensor 2 und einer Meßachse 3 dargestellt. Dieses Flugobjekt hat einen Geschwindigkeitsvektor 4 und eine Rollachse 5. Der Pfeil w stellt den Rollwinkel des Flugobjektes 1 gegenüber einer vertikalen Referenzachse (VRA) 6 dar. Strichpunktiert ist eine Feldlinie 7 des Erdmagnetfeldes mit einem Feldstärkevektor 8 eingezeichnet.
    Anhand des Feldstärkevektors 8 erfolgt die Bestimmung der Rolllage des Flugobjektes 1, wobei der Geschwindigkeitsvektor 4 des Flugobjektes bekannt ist.
    Die Funktionsweise der vorliegenden Verfahrens ist folgende:
    Infolge der Rollbewegung des Flugobjektes 1 sensiert der Magnetfeldsensor 2 bezüglich seiner Meßachse 3 einen alternierenden, sinusartigen Verlauf der Intensität des Magnetfeldes. Dieser Verlauf ist in Fig. 2 als Funktion über der Zeit t dargestellt.
    Entscheidend für die Auswertung ist allein der qualitative Verlauf eines Meßsignals 9 mit seinen ausgeprägten Maxima und Minima, sowie den zu diesem Maxima/Minima gehörenden Zeitpunkten 10.
    Ein zeitlicher Abstand Tp zweier Maxima bzw. zweier Minima ist die Dauer für eine Rollumdrehung des/r Projektils/Rakete. Daraus wird die Rollfrequenz bestimmt.
    Die Geschwindigkeit des Flugobjektes 1 wird unabhängig von dem voliegenden Verfahren bestimmt. Dies geschieht beispielsweise über NAVSTAR-GPS (Global Positioning System), mit dessen Hilfe Positionswerte des/r Projektils/Rakete und auch Geschwindigkeit ermittelt werden.
    Neben Position und Geschwindigkeit des Flugobjektes 1 ist auch die Richtung der VRA 6 in einem vorher definierten Bezugssystem bekannt. Das Verfahren nutzt den Geschwindigkeitsvektor 4 als Näherung für die Rollachse 5 des Flugobjektes 1.
    Rollachse 5, VRA 6 und Feldstärkevektor 8 lassen die Bestimmung der Rolllage eines Referenzpunktes, bspw. Ort des Magnetfeldsensors 2, zum Zeitpunkt, in dem die Meßachse 3 mit der Feldlinie 7 maximal übereinstimmt, zu. Zwischen diesen Zeitpunkten wird der Rollwinkel w vorausberechnet und zwar aus Rollfrequenz und Zeitspanne nach der letzten Referenzmessung.

    Claims (6)

    1. Verfahren zum Bestimmen der Rollage eines rollenden Flugobjektes, insbesondere zur Lenkung eines/r ballistisch fliegenden Projektils/Rakete mit Rollausgleich, wobei
      eine Feldstärke des Erdmagnetfeldes insbesondere ein Feldstärkevektor (8) zur Bestimmung der Rolllage des Flugobjektes (1) verwendet wird und
      ein Geschwindigkeitsvektor (4) des/r Projektils/Rakete gemessen und als Referenz für die Rolllagebestimmung verwendet wird oder als Funktion oder in Form einer Tabelle im Auswerterechner gespeichert, zeitrichtig berechnet und als Referenz für die Rolllagebestimmung verwendet wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldstärkevektor (8) als Richtungsreferenz benutzt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Magnetfeldsensor (2) des Flugobjektes (1) an zumindest einem bestimmten Ort an dem Flugobjekt (1) die Feldstärke des Erdmagnetfeldes und damit den Feldstärkevektor (8) ermittelt.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort des Magnetfeldsensors (2) als Bezugspunkt zur Ermittlung der Rolllage verwendet wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß, bedingt durch die Drehung des Flugobjektes (1) um seine Rollachse (5), abhängig von seiner Rolllage durch den Magnetfeldsensor (2) alternierende Intensitäten eines Meßsignals (9) als Minima und Maxima über die Zeit (t) und damit über einen Rollwinkel ermittelt werden.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke und damit der Feldstärkevektor (8) von dem Magnetfeldsensor (2) radial zur Rollachse (5) des Flugobjektes (1) ermittelt wird.
    EP96108075A 1995-06-01 1996-05-21 Verfahren zum Bestimmen der Rollage eines rollenden Flugobjektes Revoked EP0745828B1 (de)

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    EP0745828A1 EP0745828A1 (de) 1996-12-04
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