SE456036B - Sett och anordning for att styra en ur en kanon utskjutbar projektil mot ett mal - Google Patents

Description

456 036 Det är emellertid uppenbart att en av de större nackdelarna hos en sådan konventionell projektil som skjuts ur en kanon i alla fall är det faktum att.pnfiektilens bana ej kan korri- geras efter det att den har avfyrats. Ett viktigt framsteg gjordes därför när man försåg projektilen med fenor vilka efter avfyringen fälls ut från sitt infällda läge i projek- tilen till ett utfällt läge. Vanligen har dessa utfällbara fenor en sådan konfiguration att projektilen ges en viss rotation i sin bana. Det framkom nämligen ganska tidigt att en sådan roterande projektil är väsentligt mera stabil i sin bana varvid också träffsannolikheten ökar. Även om det sålunda gjorts viktiga framsteg beträffande projektilernas utformning på senare tid finns det ändå ett stort behov inom försvars- industrin att åstadkomma en projektil vars bana kan korrigeras även efter avfyringen för att på så vis säkrare kunna träffa och oskadliggöra ett visst mål. iïdhfime försök att bygga in radarmâlsökare i projektiler har ej varit framgångsrika. Orsaken till detta har främst varit att de inbyggda radarmålssökarna ej har tålt den enorma acce- leration (av storleksordningen170,000 m/S2) som en projektil utsåttes för vid avfyringen.

Det är överhuvudtaget svårt att hitta någon utrustning med rörliga, mekaniska delar som kan byggas in i en projektil och klara de påfrestningar som uppstår vid avfyringen ur kanonens eldrör. Hittills kända radarmålsökare, exempelvis sådana mål- sökare som är baserade på s k sequential lobing, konisk av- sökning,elku~nonopulsteknik fordrar också en oscillerande eller roterande radarantenn för att sända och motta en radarstrâle, för att lokalisera ett möjligt mål och beräkna den felsignal som erfordras för att korrigera projektilens bana. 3 .

Det är uppenbart att varje sådan oscillerande eller roterande radarantenn är mycket sårbar för de påfrestningar som uppstår vid avfyringen. 456 036 En annan svårighet med de radarmålvsökanasom tidigare an- vänts i projektiler är det faktum att radarekon erhålles från ett så stort område på marken att störande ekon från målets omgivning tenderar att bli kraftigare än ekona från målet ifråga, eftersom detta endast upptar en mycket liten del av det område som täckes av radarstrålningen.

En annan allvarlig nackdel med den typ av projektiler som nu har diskuterats är dess oförmåga att träffa ett rörligt mål eftersom detta kräver en inertiell referens. Det är väl- känt inom tekniken för robotstyrning att för att träffa ett rörligt mål så måste s k proportional navigation utnyttjas.

Denna styrningsprincip kräver att syftlinjens vinkelhastighet bestäms vilket naturligtvis endast låter sig göras med hjälp av en inertiell referens.

Av ovan angivna skäl är konventionella, mekaniska QYIOD 01ämP' liga att använda för bestämning av en sådan referens eftersom dessa gyron inte skulle tåla den enorma acceleration de kommer att utsättas för vid projektilens avfyring. Även om det finns vissa möjligheter att bestämma referensen direkt från marken genom avkänning av bakgrundsbruset (clutter background) i form ay 0ÖnSkaåê radarekon från målområdet, så skulle detta endast kunna utnyttjas vid mycket speciella typer av bakgrundsbrus.

Det är således inte bara själva avsökningen av målområdet som vållat problem då det gäller att styra en projektil mot ett rörligt mål, utan även bestämningen av en inertiell referens har utgjort ett väl så allvarligt problem.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att åstad- komma ett sätt och en anordning som undanröjer de förut nämnda nackdelarna hos konventionella styrsystem av det här slaget oåhåsom ger en klar förbättring av träffsannolikhetenehos sådana projektiler som är avsedda att avfyras från en kanon.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett sätt 456 oss 4 och en anordning för att kunna styra en projektil i dess bana efter det att projektilen avfyrats från ett eldrör.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att den skall ha en sådan motståndsförmåga att den tål den enorma acceleration som projektilen utsättes för vid avfyringen, att den skall ha förmåga att bestämma ett mål som upptar endast en mycket liten del av det område som täcks av den utsända radarstrål- ningen och att projektilen kan styras så att den träffar det utvalda målet inom ett förutbestämt målområde även om målet rör sig. Därvid utnyttjas projektilens rotationsrörelse för konisk avsökning av målområdet och hastighetsavkännande gyron som är tillräckligt robusta för att motstå accelerationen vid avfyringen utnyttjas för att bestämma den nödvändiga inerti- ella referensen för att träffa ett rörligt mål. å Sättet enligt uppfinningen kännetecknas därvid i huvudsak av att projektilen eller en del av denna bibringas en rotations- rörelse omkring sin symmetriaxel, varigenom en konisk avsök- ning medelst radar av målområdet utföres, den av radarstrál- ningen belysta delen av målområdet upplöses i ett antal av- ståndsband, den under avsökningen mottagna ekosignalen behand- las för att särskilja ett bestämt mål, det utvalda_målets läge beräknas och projektilens flygriktning ändras i beroende av målets läge.

Anordningen enligt uppfinningen kännetecknas i huvudsak av att projektilen är försedd med en eller flera fenor för att bi- brínga projektilen eller en del av denna en rotationsrörelse omkring sin symmetriaxel och varvid radarmålsökaren innefattar en antenn vilken är riktad snett framåt så att den bildar en vinkel med projektilens symmetriaxel så att genom projekti- lens rotation en konisk avsökning av målområdet utföres av antennen, organ för upplösning av den av radarstrålningen be- lysta delen av målområdet i ett antal avståndsband signalbe- handlingsorgan för att ur den mottagna ekosignalen särskilja målet, en beräkningsenhet för beräkning av det utvalda målets läge och styrorgan-innefattande en eller flera styrbara fenor för att ändra projektilens flygriktning i beroende av informa- tion från beräkningsenheten beträffande det utvalda målets läge. 456 036 En fördelaktig utföringsform av uppfinningen innefattar vidare ett navigeringssystem som utnyttjar en eller flera f rate gyron för bestämning av en inertiell referens. Med hjälp av denna referens kan sedan beräkningsenheten även följa ett rörligt mål utan att man behöver tillgripa osäkra metoder såsom avsökning av bakgrundsbrus för bestämning av den nöd- vändiga riktningsreferensen.

Samtliga delar som ingår i anordningen enligt uppfinningen är gáorda för att tåla den enorma acceleration projektilen utsättes för vid avfyringen. Så är exempelvis radarantennen en fast an- tenn vilken inte innehåller några rörliga delar, men vilken ändå kan utföra den erforderliga koniska avsökningen tack vare att projektilen roterar i sin bana med hjälp av fasta fenor. Även de gyron som föreslås måste vara så utförda att de tål den acceleration som uppträder och samtidigt så noggranna att en inertiell referens verkligen kan fastställas. Även signal- behandlingsorganen och måldataberäkningsenheten vilka är ba- serade på konventionell halvledarteknik måste kunna motstå accelerationen. De enda mekaniskt rörliga delar som ingår i an- ordningen är fenorna vilka fälls ut efter avfyringen. Prov har emellertid visat att sådana utfällbara fenor kan göras så mot- ståndskraftiga att de mycket väl tål påkänningarna vid avfy- ringen. Detta gäller både för de fenor som är fasta i sitt ut- fällda läge och de som är rörliga för att kunna styra projek- tilen i dess bana.

Istället för att ha både fasta och rörliga fenor kan rörliga fenor användas både för att ge projektilen den erforderliga rotationen och den önskade styrbarheten i banan. Vidare behö- ver endast en del av projektilen bibringas den önskade rota- tionsrörelsen, medan exempelvis akterfenorna kan ha en helt fšiarotationsrörelse.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslut- ning till bifogade ritningar som visar en fördelaktig utförings- form av uppfinningen. 456 036 FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar uppfinningens huvuddrag med hjälp av ett blockschema, Figur 2 visar schematiskt hur den koniska avsökningen, av ett målområde, kan utföras och Figur 3 visar schematiskt ett fasstyrt antennsystem vilket med fördel kan utnyttjas i samband med uppfinningen.

I de olika figurerna har samma hänvisningsbeteckningar an- vänts för samma delar.

BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I figur 1 visas ett blockschema över en anordning enligt uppfinningen. Anordningen innefattar i princip en radarmâl- sökare 10 vilken ingår i en projektil 12 avsedd att avfyras på konventionellt sätt från en kanon. Radarmålsökaren 10 innefattar en antenn 14 vilken är riktad snett framåt i för- hållande till projektilens symmetriaxel. Antennen 14 är en fast antenn vilken sänder ut och mottar en radarstrâle 16 med en vinkel ø i förhållande till projektilens symmetriaxel 18.

Vinkeln ø kan därvid göras variabel, exempelvis genom elektro- nisk fasstyrning eller frekvensstyrning, vilket närmare kom- mer att beskrivas nedan.

Antennen 14 är på konventionellt sätt ansluten till en sändare 20 och signalbehandlingsorgan 22 för att motta ekosignalen från målområdet. Signalbehandlingsorganen 22 bearbetar den mottagna signalen med avseende på mâlinformationen och vidarebefordrar sêan denna information till en beräkningsenhet 24 förzberäk- ning av målets läge. Beräkningsenheten 24 väljer sedan ut det aktuella målet från andra mål som vanligtvis ingår i målområ- det, beräknar det utvalda målets läge relativt projektilens 12 riktpunkt och beräknar en erforderlig felsignal i beroende där- av. Felsignalen tillföres sedan styrsystemet 26 som styr pro- jektilen 12 med hjälp av en eller flera styrfenor 28 på projek- tilens 12 bakparti. - 456 036 Ett navigeringssystem 30 vilket innefattar ett rate gyro, vilket kommer att beskrivas mer i detalj nedan är anordnat för att bestämma en inertiell referens vilken erfordras för att läget hos ett rörligt mål skall kunna beräknas och följas av beräkningsenheten 24. En vertikal referens erhålles medelst en hjälpantenn 32. När den utsända radarstrålsn från denna antenn träffar marken under rät vinkel, vilket inträffar en gång under varje varv, erhålles ett starkt radareko, så att ett vertikalt referensplan genom projektilens symmetriaxel kan upprättas. Härutöver kan signalbehandlingsorganen 22 innefatta en passiv andra kanal för mottagning av passiv milli- meterstrålning från målområdet. Denna passiva radarkanal kan innefatta kretsar 24 för detektering av eventuella störmedel från fienden. Information från denna kanal tillföres beräk- ningsenheten 24 för ändring av frekvensen hos den utsända ra- darstrålen 16.

Figur 2 visar schematiskt hur avsökningen av målområdet utförs enligt uppfinningen. Projektilen 12 bibringas en rotationsrörel- se med hjälp av en eller flera fasta fenor 36. Den snett framåt- riktade antennen 14 sänder ut en radarstrâle 16 under vinkeln ø i förhållande till projektilens symmetriaxel 18 varvid strå- len belyser ett område 40 på markplanet. Då projektilen 12 ro- terar kommer ett målområde 38 att avsökas koniskt genom det belysta området 40 runt projektilens riktpunkt 42.

Radarsystemet är företrädesvis av FMCW typ med en linjär fre- kvensmodulering av sågtandstyp. Genom att blanda den mottagna ekosignalen med den utsända signalen erhålles en lågfrekvent signal, vars frekvens är proportionell mot avståndet. I radar- mottagaren ingår en uppsättning band- pass filter. Då projek- tilen närmar sig marken under en viss vinkel som visas i figur Ziæpplöses det belysta området 40 i ett antal avståndsband av vilka några, 53, 54, 55, är visade i figur 2. Det inses att denna uppdelning av området 40 betydligt förbättrar förhållandet mellan målsignalen och bakgrundsbruset. 456 036 8 Det inses vidare att den koniska avsökningen av målområdet 38 liknar den koniska avsökningen hos en konventionell radar- målsökare. Detta betyder att riktningen hos den vektor som för- binder riktpunkten 42 med målet kan bestämmas. För att bestäm- ma målpunkten är det också nödvändigt att bestämma vektorns längd. Detta âstadkommes genom pulsmodulering av den utsända radarstrålen i radiell riktning och genom att styra vinkeln ø mellan strålens 40 centrumlinje och projektilens symmetri- axel elektroniskt.

Figur 3 visar ett exempel på hur antennen kan utformas. Den består i detta fall av en uppsättning mätarantenndelar 64, 65, 66 och 67 vilka belyser en dielektrisk lins 68. Denna genererar två utgående strålar med något olika riktningar beroende på fasskiftningsorgan 69 och 70. De tvâ strålarna kombineras till en summastråle 2:, vilken motsvarar strälen 40 i figur 2, och en skillnadsstråle LÄ, vilken har sin nollpunkt i summastrålens centrum. Fasskiftningsorganen 69 och 70 styrs elektroniskt så att vinkeln ø kan ändras. Härigenom kan alla mål som uppträder inom det elliptiska målområdet 38 detekteras. Det inses också att då projektilen 12 rör sig mot målet kommer målarean 38 att minska Som tidigare berörts fordras en inertiell referens för att projektilen ska kunna styras mot och träffa ett rörligt mål.

Denna referens fastställes enligt uppfinningen med hjälp av ett rate gyro vilket är tillräckligt noggrant för att ge den nödvändiga referensriktningen men också tillräckligt motstånds- kraftigt för att tåla den acceleration som uppträder hos pro- jektilen vid avfyringen. Sådana gyron finns på marknaden, exempel- vis den typ av gyron som är baserade på halvledarteknik. Ett exempel på ett sådant rate gyro är Mc Donnel Douglas Solid stäte phase-nulling optical gyro som beskrivs i Applied Optics/ Vol 19, No 18/Sep 1980.

Typen av radarsystem, frekvensområde, etc kan väljas godtyck- ligt. I det följande beskrivs ett exempel på ett radarsystem 10 vilket med fördel kan utnyttjas i samband med uppfinningen. 456 036 Antennen 14 kan ha en effektiv apertur på ca tio centimeter och den utsända radarstrålen en frekvens på omkring 35 GH2. Om radarn kopplas in på avståndet 2000 m från målet kommer bredden hos den belysta fläcken 40 att vara omkring 284 m. Det förut- sättes vidare att radarsystemet 10 är känsligt förfasstyrning så att vinkeln ø snabbt kan ändras vid målföljningen. Därvid kommer radarsystemet 10 att placera målet i nolläget hos en lägesdiskriminator, så att målet hela tiden har en riktig pla- cering inom radarns synfält.

Efter mâlselekteringen ställs, som redan nämnts, fasskiftarna 69 och 70 in så att den utsända radarstrålen, riktad snett framåt, rör sig i en bana vars mittpunkt sammanfaller med målet och så att¿§ -signalen här blir noll medan :E-signalen har sitt maximum. Den uppmättamålpositionen och målsökarens synfâlt ger tillsammans med den av gyrot och marken fastställda refe- rensriktningen underlag för beräkning av erforderlig korrige- ring av projektilens bana.

Alternativt skulle riktpunkten kunna bestämmas genom att radarmottagarens passiva kanal användes om en passiv radio- meter. För radiometern kommer målet som regel att framträda som "kallt" (himmelsreflektion) mot den varmare marken. Genom mätning av förhållandet mellan mark- och himmeltemperatur under projektilbanan med hjälp av hjälpantennen 32 och med kännedom om avståndet till målet kan temperaturmönstret användas för att ge den nödvändiga målinformationen till radarsystemet 10.

Uppfinningen är inte begränsad till den ovan som exempel be- skrivna utföringsformen utan kan modifieras inom ramen för de efterföljande patentkraven.

Claims (10)

456 036 . 10 PATENTKRAV

1. Sätt att styra en ur en kanon utskjutbar projektil mot ett mål varvid projektilen utför en avsökning av målom- rådet för att upptäcka och mäta in ett mål k ä n n e t e c k - n a t a v att projektilen (12) eller en del av denna bi- bringas en rotatíonsrörelse omkring sin symmetriaxel (18), varigenom en konisk avsökning medelst radar av målområdet (38) utföres, den av radarstràlningen belysta delen (40) av målom- rádet upplöses i ett antal avstàndsband, den under avsökningen mottagna ekosignalen behandlas för att särskilja ett bestämt mål, det utvalda málets läge beräknas och projektilens (12) flygriktning ändras i beroende av màlets läge.

2. Sätt enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a t a v att den koniska avsökningen utföres med hjälp av en snett fram- åtriktad radarantenn (14) vilken avger en radarstràlning (16) i en riktning som bildar en vinkel O med projektilens symmetri- axël (18) och vilken mottar den av målet reflekterade signalen för beräkning av màlets läge.

3. Sätt enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a t av att en inertiell referens fastlägges för att möjliggöra en be- räkning av läget hos ett rörligt màl.

4. Anordning för genomförande av sättet enligt patentkrav 1 för att styra en ur en kanon utskjutbar projektil mot ett mål vagvid projektilen innefattar en radarmàlsökare (10) för att upptäcka och mäta in ett mål k ä n n e t e c k n a d ' d ä r - a v att projektilen (12) är försedd med en eller flera fenor (36) för att bibringa projektilen (12) eller en del av denna en rotatíonsrörelse omkring sin symmetriaxel (18) och varvid radar- málsökaren (10) innefattar en antenn (14) vilken är riktad snett || 456 036 framåt så att den bildar en vinkel (Q) med projektilens symmetriaxel (18) så att genom projektilens rotation en konisk avsökning av målområdet (38) utföres av antennen (14), organ för upplösning av den av radarstrålningen be- lysta delen (40) av målområdet (38) i ett antal avstånds- band (53, 54, 55), signalbehandlingsorgan (22) för att ur den mottagna ekosignalen från målområdet (38) särskilja målet, en beräkningsenhet (24) för beräkning av det utvalda mâlets läge och styrorgan innefattande en eller flera styr- bara fenor (28) för att ändra projektilens (12) bana i be- 'roende av information från beräkningsenheten (24) beträffande mâlets läge.

5. - AR°rÖning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att radarmâlsökaren (10) är aktiv och innefattar en sändare för utsändning av en radarstråle (16) via nämnda antenn (14) för den koniska avsökningen av målområdet (38).

6. Anordning enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att frekvensen hos den utsända radarstrålen (16) är variabel för inställning av vinkeln (H) mellan den utsända radarstrâlen (16) och projektilens symmetriaxel (18). Ü.

7. Anordning enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den utsända radarstrålen (16) är elektroniskt fasstyrd för inställning av vinkeln (H) mellan den utsända radarstrâlen (16) och projektilens symmetriaxel (18).

8. Anordning enligt patentkrav 7 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den elektroniskt fasstyrda radarstrålen (16) är sammansatt av en summastrâle (IE) med maximal antennför- stärkning i nämnda vinkel (G) i förhållande till projektilens synunetriaxel (18) och en skillnadsstråle (A) med antennför- stârkningen noll i nämnda riktning.

9. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d a v organ för att fastlägga en inertiell referens vilken ut- nyttjas av nämnda beräkningsenhet (24) för beräkning av läget hos-ett rörligt mål. 456 oss 'a

10. Anordning enligt patentkrav 5 k ä n n e t e c k - n a d a v 'att radarmålsökaren (10) innefattar en hjälp- antenn där den mottagna ekosignalen från marken utnyttjas för att fastlägga en vertikal referens. /íå