Antennensystem für eine satellitengestützt navigierende Rakete

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Antennensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Ein derartiges Antennensystem ist aus dem Beitrag "An electronically despun array flush-mounted on a cylindrical spacecraft" von W. S. Gregorwich in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Jan. 1974, USA, Bd. AP-22, Nr. 1, Seiten 71 - 74 , XPOO2139988, ISSN: 0018-926X, zur Ausrichtung der Hauptkeule einer Zusammenschaltung mehrerer nebeneinander liegender Antennenelemente eines Satelliten zur Erde hin bekannt, um eine Datenübertragung mit möglichst hoher Datenrate realisieren zu können. Es werden verschiedene aus unterschiedlichen Zusammenschaltungen resultierende Antennendiagramme diskutiert, aber die schaltungstechnische Realisierung ist nur global angedeutet.

[0003] Im Rahmen vorliegender Erfindung dagegen geht es um ein Antennensystem für eine Rakete etwa der Gattung, die in der DE 43 25 218 A1 näher dargestellt ist. Es handelt sich um eine hinsichtlichReichweite und Abgabepräzision leistungsgesteigerte Artillerie-Rakete des eingeführten Systems MLRS/MARS zum Verbringen von Submunitionen. Da der Übergang aus einer ballistischen Bahn in eine mittels aerodynamischer Hilfsmittel gestreckte Bahn mit der Reichweitensteigerung an sich zu einer vergrößerten Streuung bei der Ablieferung der Submunitionen führt, ist nach jener gattungsbildenden Vorveröffentlichung vorgesehen, mittels der von Navigationssatelliten verbreiteten aktuellen Systeminformationen die aktuelle Fluggeschwindigkeit und Flugzeit zu bestimmen und daraus eine verbesserte Flugweiteninformation abzuleiten oder sogar aus den Navigationsinformationen unmittelbar fortlaufend die momentan erreichte Position zu bestimmen, um damit den vorgegebenen Ablieferungspunkt präzise ansteuern zu können.

[0004] Für die Realisierung nachteilig ist bei einem derartigen System, daß die Rakete keine stabile Lage im Raum einnimmt, in der Regel sogar zum Ausgleich von Abgangsstörungen rotiert. Der Satellitenempfanger, der die demodulierten und dekodierten aktuellen Ortsinformationen als Navigations-Istwerte in den Flugregler einspeist, muß deshalb außer den Nutzinformationen in größerem Umfange auch Störinformationen verarbeiten, wie sie insbesondere dann von der Antenne aufgenommen werden, wenn diese nicht über den Horizont (in Richtung auf Navigationssatelliten) gerichtet ist, sondern von den Satelliten fort und dann insbesondere Bodenstörungen (Clutter/Jammer) erfaßt. Solche Unterbrechungen der von den Satelliten zu empfangenden Navigationsinformationen haben zur Folge, daß die laufende Erfassung der Trägerphase immer wieder unterbrochen wird, die aber beispielsweise für eine genaue Dopplermessung dem Phasenregelkreises (PLL) kontinuierlich zur Verfügung stehen müßte. Eine solche Unterbrechung des PLL-Betriebes hat starke negative Auswirkungen auf die Präzision der Navigationsmessung an Bord der Rakete.

[0005] In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, für den eingangs beschriebenen Anwendungsfall eine störbefreite kontinuierliche Navigationsmessung zu eröffilen

[0006] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Rakete mit einem Antennensystem gemäß dem Hauptanspruch ausgestattet wird.

[0007] Nach dieser Lösung ist gewissermaßen durch gleitende Zusammenfassung von Antennen-Sektoren eine gegen die Rotation der Rakete rotierende und somit im Ergebnis trotz des rollenden Trägersystemes - ohne den Aufwand einer raumstabilisierten Plattform für ein hemispharisch stabilisiertes Antennen-Richtdiagramm - eine raumstabile Antennencharakteristik geschaffen, wodurch bodengestützte Störer nicht mehr in die Auswertung eingehen, weil die Antenne nun nur noch im wesentlichen aus der oberen Hemisphäre, also insbesondere von Navigationssatelliten empfangene Informationen verarbeitet. Dafur ist ein Multiplexer nach Art eines gegensinnig zur Raketenrotation drehenden Abtastschalters realisiert, über den eine Anzahl nebeneinander gelegener und nicht gerade in Richtung auf die Erde weisender Antennen über einen Summierverstarker auf den Navigationsempfänger geschaltet werden, so daß dieser nun die Satelliten-Informationen kontinuierlich und insbesondere nicht mehr durch Bodenstöreinflüsse unterbrochen aufnimmt.

[0008] Zweckmäßigerweise ist jede der nebeneinander längs der Peripherie der Raketenhülle angeordneten Höchstfrequenzantennen derart zweiteilig aufgebaut, daß eine größere metallisierte Fläche angenähert auf die Mittenfrequenz der niedrigeren und eine dementsprechende kleinere metallisierte Fläche auf die Mittenfrequenz der höheren der beiden frequenzmodulierten Träger für die Navigationssatelliteninformation abgestimmt ist. Um nicht zu große Flächen zu benötigen, erfolgt keine Auslegung auf Resonanz, sondern die fehlabgeglichenen Antennen werden über ein bandbreitenvergrößerndes Koppelnetzwerk zusammengeschaltet, welches im Zwischenraum zwischen den beiden in Achsrichtung der Rakete distanziert zueinander benachbarten Antennenflächen auf dem gleichen Dielektrikumssubstrat als geätzte Leiterbahnenstruktur ausgebildet ist.

[0009] Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der abschließenden Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche abstrahiert und nicht maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1

in abgebrochener perspektivischer Darstellung eine Rakete mit auf ihrer Hülle applizierten, in Abhängigkeit von der momentanen Roll-Lage einschaltbaren Höchstfrequenz-Antennen und

Fig. 2

in detaillierterer Darstellung eine der in Fig. 1 skizzierten Antennen einschüeßlich ihres Anschlusses an einen Navigationsempfanger.

[0010] Bei der Rakete 11 handelt es sich hinsichtlich apparativer Ausstattung und funktionaler Einsatzmöglichkeiten vorzugsweise um eine solche, wie sie in der gattungsbildenden DE-OS 43 25 218 näher beschrieben ist. Ihr Flugregler 12 wird aus einem Navigationsempfänger 13 mit aktuellen Positionsdaten 14 gespeist, die aus den Systeminformationen 15 in zwei gegeneinander versetzten Frequenzbändern 15.1 und 15.2 eines erdumspannenden Netzes von Navigationssatelliten 16 gewonnen werden.

[0011] Für die Aufnahme dieser Höchstfrequenzenergie, mit welcher der Empfänger 13 gespeist wird, ist die Hülle 17 der Rakete 11 längs eines uinlaufenden Streifens mit einer Anzahl von Antennen 18 bestückt. Jede Antenne 18 stellt ein schwingfahiges, wenigstens angenähert auf Resonanz abgestimmtes (also Hochfrequenz abstrahlendes bzw. absorbierendes) System aus wenigstens einer elektrisch leitenden Fläche 19 auf einem Dielektrikum 20 dar, etwa eine kaschierte oder gesputterte Metallschicht auf einem Teflon-Träger. Eine Anzahl derartiger Antennen 18 umgibt die Raketen-Hülle 17 an gegeneinander isolierten, periplier gegeneinander versetzten Positionen, wie in der Ansicht der Fig. 1 skizziert. Daraus ergibt sich, daß während des Fluges der Rakete 11 ein Teil der Antennen 18 - melir oder weniger von der Vertikalen abweichend - gegen den Boden 21 gerichtet ist, während die an der Hülle 17 diametral gegenüberliegenden Antennen 18 mit ihren Antennencharakteristiken (Wirkrichtungen) mehr oder weniger exakt auf einen der über dem Horizont erfaßbaren Satelliten 16 gerichtet ist. Da die Rakete 11 auf ihrer Bahn 22 eine Rotation 23 um ihre Längsachse 24 vollführt - insbesondere um Abgangsstörungen beim Eintritt in die ballistische Flugbahn 22 zu kompensieren - , ist die Orientierung der einzelnen Antennen 18 im Raum nicht konstant, sondern jede der Antennen 18 ist abwechselnd in den oberen Halbraum (zu den Satelliten 16 hin) oder in den unteren Halbraum (zum Boden 21 hin) gerichtet. Letztere sollen keinen oder wenigstens keinen wesentlichen Beitrag für die Funktion des Navigationsempfängers 13 liefern, weil sie Satellitensysteminformationen 15 allenfalls über Reflexionserscheinungen aufnehmen könnten, und da sie im übrigen durch vom Boden 21 ausgehende Rausch- und Störeinflüsse sogar die Auswertung der direkt von den Satelliten 16 aufgenommenen Navigationsinformationen 15 im Empfänger 13 Überlagern und dadurch stören. Deshalb ist zwischen den Antennen 18 und dem Empfänger 13 ein lageabhängiger Multiplexer 25 vorgesehen, der nur die Empfangssignale von den einander benachbarten Antennen 18, die gerade den oberen Halbraum erfassen, über einen Summierverstärker 26 in den Navigationsempfänger 13 einspeist, wie in Fig. 2 symbolisch vereinfacht dargestellt.

[0012] Für diese Antennenselektion wird der Multiplexer 25 von einem Roll-Lagesensor 27 gesteuert, bei dem es sich im Prinzip etwa um ein Pendelpotentiometer oder um einen gleichwirkenden elektrooptischen Fühler handeln kann Der bewirkt also, daß die Abtastfunktion des Multiplexers 25 gegensinnig zur Raketen-Rotation 23 verläuft und somit der Empfänger 13 im wesentlichen nur aus Antennen 18 gespeist wird, die gute Aussicht auf direkten Kontakt zu einem der hinreichend hoch über dem Horizont stehenden Navigationssatelliten 16 haben

[0013] Bei der eigeführten GPS-Navigation senden die Satelliten 16 korrelierte Informationen 15 auf zwei Trägerfrequenzen. Im Interesse eines günstigen Antennengewinns bei vertretbaren Antennenabmessungen, um hinreichend viele Antennen 18 längs des Umfangs der Rakete 11 nebeneinander anordnen zu können, wird zweckmäßigerweise auf eine derart breitbandige Antennenstruktur, daß beide Trägerfrequenzen davon erfaßt werden könnten, verzichtet. Statt dessen weist jede Antenne 18 auf einem gemeinsamen Substrat (Dielektrikum 20) in Richtung der Längsachse 24 der Rakete 11 gegeneinander versetzt zwei rechteckig berandete Flächen 19.1, 19.2 auf, die kleinere auf die Mittenfrequenz der kürzeren Wellenlängen (höhere Trägerfrequenz) und die größere auf die Mittenfrequenz der längeren Wellen (niedrigere Trägerfrequenz) abgestimmt Die beiden Antennenleistungen werden über ein ebenfalls als Leitermuster auf dem Dielektrikum 20 ausgebildetes Koppelnetzwerk 29 zusammengefaßt, das jeweils zwischen den beiden Antennenflächen 19.1/19.2 einer Antenne 18 angeordnet und zugleich als Diplexer ausgelegt ist, also zur Bandbreiten-Vergrößerung der Antennencharakteristiken in Hinblick auf die Frequenzmodulation der beiden Trägerfrequenzen für die Satelliten-Systeminformationen 15. Im Verlauf des Diplexer-Leitermusters dieses Koppelnetzwerkes 29 liegt auch der Koppelpunkt 30 zum Anschluß der Antenne 18 an den lagegesteuerten Multiplexer 25.

[0014] So ist eine kompakte, insgesamt breitbandige Zweifrequenz-Antenne 18 geschaffen, die sich über ein begrenztes Bogenstück längs des Umfangs der Raketen-Hülle 17 erstreckt und somit einen Raumwinkel orthogonal zur Raketen-Längsachse 24 erfaßt, dessen Größe von der Bogenlänge und der Bogenkrummung dieser auf die Raketenhülle 17 aufgebrachten Antenne 18 abhängt, mit Abschaltung dieser Antenne 18 über den Multiplexer 25, wenn ihre Charakteristik bei der momentanen räumlichen Lage der Rakete 11 gerade nicht in den oberen Halbraum (von dem Boden 21 fort) ausgerichtet ist.

Ansprüche

1. Umschaltbares Antennensystem mit längs des Umfanges eines zylindrischen Körpers angeordneten Antennen (18), dessen Abstrahlrichtung über einen eine Anzahl einander benachbarter der Antennen (18) erfassenden Multiplexer (25) vorgebbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antennen (18) längs des Umfanges der Hülle (17) einer satellitengestützt navigierenden rollenden Rakete (11) angeordnet und einige einander benachbarte von ihnen über den Multiplexer (25) und einen Summierverstärker (26) auf einen Navigationsempfänger (18) für Satellitennavigation geschaltet sind, wobei ein Lage-Sensor (27) für eine derartige Weiterschaltung des Multiplexers (25) vorgesehen ist, dass der Navigationsempfänger (18) über eine raumstabil ausgerichtete Antennencharakteristik ohne bodengestützten Störeinflüssen ausgesetzt zu sein nur noch im wesentlichen aus der oberen Hemisphäre und dort insbesondere von Navigationssatelliten empfangene Informationen verarbeitet.

2. Antennensystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schwerkraft-Lagesensor (27) vorgesehen ist.

3. Antennensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Antenne (18) aus zwei elektrisch leitenden Flächen (19.1, 19.2) aufweist, welche jeweils wenigstens angenähert auf die Mittenfrequenz einer von zwei Satelliten-Trägerfrequenzen abgestimmt sind.

4. Antennensystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die leitenden Flächen (19.1, 19.2) auf einem gemeinsamen Dielektrikum (20) ausgebildet sind.

5. Antennensystem nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Zwischenraum zwischen den beiden Flächen (19.1, 19.2) auf dem Dielektrikum ein Koppelnetzwerk (29) mit gemeinsamem Koppelpunkt (30) zum Anschluß der Antenne (18) an den Multiplexer (25) ausgebildet ist.

6. Antennensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Koppelnetzwerk (29) zugleich als bandbreitenvergrößernder Diplexer ausgelegt ist.

Claims

1. Switchable antenna system having antennas (18) which are arranged along the circumference of a cylindrical body and whose emission direction can be predetermined via a multiplexer (25) which records a number of mutually adjacent antennas (18),
characterized
in that the antennas (18) are arranged along the circumference of the casing (17) of a rolling rocket (11) which navigates with satellite assistance, and a number of adjacent ones of which are connected via the multiplexer (25) and a summing amplifier (26) to a navigation receiver (18) for satellite navigation, with an attitude sensor (27) being provided for onward switching of the multiplexer (25) in this way, in that the navigation receiver (18) processes only information which is received essentially from the upper hemisphere, and in particular from navigation satellites there, via an antenna characteristic which is aligned to be stable in three dimensions and without being subject to ground-based disturbance influences.

2. Antenna system according to Claim 1,
characterized
in that a gravity attitude sensor (27) is provided.

3. Antenna system according to one of the preceding claims,
characterized
in that each antenna (18) is composed of two electrically conductive surfaces (19.1, 19.2) which are each tuned at least approximately to the mid-frequency of one of two satellite carrier frequencies.

4. Antenna system according to Claim 3,
characterized
in that the conductive surfaces (19.1, 19.2) are formed on a common dielectric (20).

5. Antenna system according to Claim 3 or 4,
characterized
in that a switching network (29) with a common coupling point (30) for connection of the antenna (18) to the multiplexer (25) is formed on the dielectric in the space between the two surfaces (19.1, 19.2).

6. Antenna system according to one of Claims 3 to 5,
characterized
in that the switching network (29) is at the same time in the form of a diplexer which widens the bandwidth.

Revendications

1. Système d'antennes commutable présentant des antennes (18) disposées le long de la circonférence d'un corps cylindrique et dont la direction de rayonnement peut être prédéterminée par l'intermédiaire d'un multiplexeur (25) captant un nombre d'antennes voisines les unes des autres parmi les antennes (18), caractérisé en ce que les antennes (18) sont disposées le long de la circonférence de l'enveloppe (17) d'une fusée (11) tournante naviguant avec l'assistance de satellites et certaines d'entre elles voisines les unes des autres sont connectées par l'intermédiaire du multiplexeur (25) et d'un amplificateur additionneur (26) à un récepteur de navigation (18) pour la navigation par satellite, un capteur de position (27) étant prévu pour une telle connexion ultérieure du multiplexeur (25) que le récepteur de navigation (18) ne traite plus que des informations reçues essentiellement de l'hémisphère supérieure et à cet endroit-là en particulier de satellites de navigation par l'intermédiaire d'une caractéristique d'antenne orientée de façon stable dans l'espace, sans être exposé à des influences perturbatrices provenant du sol.

2. Système d'antennes selon la revendication 1,
caractérisé en ce que un capteur de position (27) par gravité est prévu.

3. Système d'antennes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque antenne (18) constituée de deux surfaces conductrices d'électricité (19.1, 19.2) indique quelles surfaces sont à chaque fois accordées au moins approximativement sur la fréquence centrale de l'une des deux fréquences porteuses de satellite.

4. Système d'antennes selon la revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces conductrices (19.1, 19.2) sont configurées sur un diélectrique commun (20).

5. Système d'antennes selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un réseau de couplage (29) présentant un point de couplage commun (30) est configuré dans l'espace intermédiaire entre les deux surfaces (19.1, 19.2) sur le diélectrique afin de connecter l'antenne (18) au multiplexeur (25).

6. Système d'antennes selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le réseau de couplage (29) est conçu simultanément comme diplexeur élargissant la bande passante.

Zeichnung