Verfahren zum Bestimmen der Rollage eines rollenden Flugobjektes

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Rolllage eines rollenden Flugobjektes, insbesondere zur Lenkung eines/r ballistisch fliegenden Projektils/Rakete mit Rollausgleich.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] Bislang werden Rolllagen mittels Lagereferenzkreisel oder anderen Trägheitsreferenzsystemen ermittelt. Diese Vorrichtungen bzw. Systeme sind mechanische/optronische Präzisionsgeräte und daher entsprechend teuer.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] Dieses Verfahren soll zur Lenkung eines/r ballistisch fliegenden Projektils/Rakete mit Rollausgleich eingesetzt werden. Ein Feldstärkevektor des Erdmagnetfeldes wird als Richtungsreferenz genutzt.

[0009] 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.

[0010] Der Ort des Magnetfeldsensors ist zugleich Bezugspunkt für die Rolllage.

[0011] 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.

[0012] Die Orientierung des Feldstärkevektors ist in einem vorab definierten Bezugssystem bekannt und in einem Auswerterechner gespeichert.

[0013] 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.

[0014] Im Rahmen der Erfindung liegt selbstverständlich auch, daß mehrere Magnetfeldsensoren verwendet werden, wodurch eine genauere Bestimmung der Rolllage möglich wird.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] Anhand des Feldstärkevektors 8 erfolgt die Bestimmung der Rolllage des Flugobjektes 1, wobei der Geschwindigkeitsvektor 4 des Flugobjektes bekannt ist.

[0019] Die Funktionsweise der vorliegenden Verfahrens ist folgende:

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] Ein zeitlicher Abstand Tp zweier Maxima bzw. zweier Minima ist die Dauer für eine Rollumdrehung des/r Projektils/Rakete. Daraus wird die Rollfrequenz bestimmt.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] 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.

Ansprüche

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.

Claims

1. Method of determining the roll position of a rolling flying object, more especially of steering a ballistically flying projectile/rocket having compensating roll movement, wherein

a field strength of the earth's magnetic field, more especially a field strength vector (8) is used for determining the roll position of the flying object (1), and

a velocity vector (4) of the projectile/rocket is measured and used as the reference for determining the roll position or is stored as a function of, or in the form of, a table in the evaluation computer, calculated in a correctly timed manner and used as the reference for determining the roll position.

2. Method according to claim 1, characterised in that the field strength vector (8) is used as the direction reference.

3. Method according to claim 1 or 2, characterised in that at least one magnetic field sensor (2) of the flying object (1) detects, at at least one specific location on the flying object (1), the field strength of the earth's magnetic field and, hence, the field strength vector (8).

4. Method according to claim 3, characterised in that the locat~on of the magnetic field sensor (2) is used as the reference point for detecting the roll position.

5. Method according to claim 3 or 4, characterised in that, caused by the rotation of the flying object (1) about its axis of roll (5), alternating intensities of a measurement signal (9) are detected as minima and maxima over the time (t), and hence over an angle of roll, by the magnetic field sensor (2) in dependence on its roll position.

6. Method according to one of claims 3 to 5, characterised in that the field strength, and hence the field strength vector (8), is detected by the magnetic field sensor (2) radially relative to the axis of roll (5) of the flying object (1).

Revendications

1. Procédé pour déterminer la position de roulis d'un objet aérien soumis au roulis, notamment pour guider un proiectile balistique/fusée avec compensation par roulis, selon lequel:

- on utilise l'intensité du champ magnétique terrestre, notamment un vecteur d'intensité de champ (8) pour déterminer la position de roulis de l'objet aérien (1) et

- on mesure un vecteur de vitesse (4) du projectile/fusée et on l'utilise comme référence pour déterminer la position de roulis, ou on le mémorise comme fonction ou sous la forme d'un tableau dans un calculateur d'exploitation, en faisant un calcul en temps réel et on l'utilise comme référence pour déterminer la position de roulis.

2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'
on utilise le vecteur d'intensité de champ (8) comme référence de direction.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce qu'
au moins un capteur de champ magnétique (2) de l'objet aérien (1) détermine, en au moins un endroit précis de l'objet aérien (1), l'intensité du champ magnétique terrestre et ainsi le vecteur d'intensité de champ (8).

4. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'
on utilise l'emplacement du capteur de champ magnétique (2) comme point de référence pour déterminer la position de roulis.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendication 3 ou 4,
caractérisé en ce que
du fait de la rotation de l'objet aérien (1) autour de son axe de roulis (5), on détermine en fonction de sa position de roulis par le capteur de champ magnétique, des intensités alternées d'un signal de mesure (9) sous la forme de minima et de maxima en fonction du temps (t) et ainsi d'un angle de roulis.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5,
caractérisé en ce qu'
on détermine l'intensité du champ et ainsi le vecteur de champ (8) avec le capteur de champ magnétique (2), radialement par rapport à l'axe de roulis (5) de l'objet aérien (1).

Zeichnung