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EP 0 745 828 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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17.10.2001 Patentblatt 2001/42 |
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Anmeldetag: 21.05.1996 |
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Verfahren zum Bestimmen der Rollage eines rollenden Flugobjektes
Method for determining roll of a spinning flying object
Méthode pour déterminer l'angle de roulis d'objets aériens
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT CH DE ES FR GB IT LI NL SE |
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Priorität: |
01.06.1995 DE 19520115
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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04.12.1996 Patentblatt 1996/49 |
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Patentinhaber: Oerlikon Contraves Gesellschaft mit beschränkter Haftung |
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78333 Stockach (DE) |
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Erfinder: |
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- Seidensticker, Jens, Dr.
78351 Bodman/
Ludwigshafen (DE)
- Kreuzer, Wolfgang, Dr.
78333 Stockach 1 (DE)
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(74) |
Vertreter: Weiss, Peter, Dr. rer. nat. |
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Dr, Weiss, Weiss & Brecht
Postfach 1250 78229 Engen 78229 Engen (DE) |
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Entgegenhaltungen: :
EP-B- 0 249 838 GB-A- 2 121 984 US-A- 4 646 990
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DE-A- 3 131 394 US-A- 4 084 773
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[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.
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.
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).
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).