DE3110691C2 - Navigationssystem für lenkbare Flugkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Navigationssystem für lenkbare Flugkörper mit Vergleich zwischen aktuellen, von einem Bodensensor ermittelten Geländedaten und einer gespeicherten Referenz der Geländedaten, wobei eine Bordanlage dem Aufdaten von durch eine Grundnavigationsanlage erstellten Positionsangaben dient.

Um die Genauigkeit von Luftfahrtnavigationssystemen zu verbessern, bzw. deren Fehler nicht fortwährend mit der Flugzeit wachsen zu lassen, bemüht man sich seit einiger Zeit, eine Beziehung /wischen dem momentan übcrflogenen Gelände und gespeicherten Geländedaten herzustellen.

Aus der Literatur über Waffentechnik (»Navigation und Ziclanflug bei Marschflugkörpern«, Wehrtechp.ik 10/1979. Seiten 23—25) ist es bekannt, zur Streckennavigation von Flugkörpern ein kombiniertes Navigationssystem einzusetzen, bei dem das Basissystem (z. B. eine Trägheitsnavigationsanlage) mit ein am Stützsystem (z. B. Gelände-Korrelationsverfahren, Flächenkorrelationsverfahren oder Funkmeßverfahren) kooperiert Die ausgewählten Kriterien werden mittels geeignetem Sensor, wie z. B. Radarhöhenmesser bzw. Radar vom Luftfahrzeug aus ermittelt und die gemessenen Werte werden mit den gespeicherten Gelädcdaten verglichen. Unter dem Namen TERCOM, siehe Aviation Week and Space Technology, 25.02.1974, Seite 50 ff, ist ein Verfahren der beschriebenen Art angegeben, welches mit einem zuvor vermessenen Höhenpirofil arbeitet.
Voraussetzung dieses und der anderen bekannten

:5 Verfahren ist der Besitz der in Frage kommenden Geländedaten in der Form des ausgewählten Kriteriums, deren Gewinnung insbesondere dort ein Problem bietet, wo der Zugang und die genaue Vermessung nicht möglich ist Aus naheliegenden Gründen besteht außerdem die Notwendigkeit, den Bordrechner und Speicher klein zu halten, so daß man bestrebt ist, das Geländekritcrium so auszuwählen, daß die pro Flugweg-Längeneinheit abzuspeichernde Datenmenge klein ist und der Vergleichsvorgang von kurzer Dauer ist bzw. wenig Rechenaufwand erfordert

Die bekannten Verfahren erfüllen die genannten Kriterien nur zum Teil. So ist z. B. bei dem bekannten TER-COM-Verfahren die Notwendigkeit genauer Vermessung des Höhenprofils über fremden Gebiet gegeben.

Zusätzlich erschwert die in gewissen Gebieten geringe Höhenstruktierung des Geländes die Genauigkeit des Verfahrens.

Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der obengenannten Nachteile ein Navigationssystem für lenkbare Flugkörper zu schaffen, welches mit Hilfe eines einfachen Geländekriteriums, insbesondere den Übergängen zwischen verschiedenen flächig verteilten Bodenbeschaffenheiten, mit hoher Genauigkeit und geringem Rechner und Speicheraufwand arbeitet und bei dem die Verwendung eines oinfacine.i Sensors zur Geländeabtastung möglich ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Bodensensor der Bordanlage die Übergänge zwischen verschiedenen flächig verteilten Bodenbeschaffenheiten er-

mittelt, charakteristischen Änderungen zu Impulsen verarbeitet und mehrere Impulse als Impulszug nach vorbestimmbarer Zeit mit gespeicherten Referenzimpulsen verglichen werden, welche vor dem Start des Flugkörpers mit e-ner Bodenanlage ermittelt werden, wobei die gewünschte Sollflugbahn über einer Vorlage abgefahren und mittels einer Detektoranordnung, die aus einer Vielzahl von parallel nebeneinander liegenden, einzelnen Detektoren besteht, abgetastet wiird, wobei jeder Detektor der Detektoranordnung einen Referenzimpulszug erzeugt.

Mit dem vorgeschlagenen Navigations- und Lenksystem läßt sich eine äußerst präzise Lenkung von Flugkörpern erreichen, wobei die Flugkörper sowohl bemannt als auch unbemannt sein könnten. Es wird vorteilhaft die Tatsache relativ scharfer Übergänge zwischen verschiedenen flächig verteilten Bodenbeschaffenheiten ausgenutzt. Dies sind z. B. Übergänge zwischen Wiese, Feld. Acker. Wald, Straße, FIuD, Gebäuden. Diese Übergänge haben in der Natur eine; Schärfe,

b5 die in der Regel unter einem Meter liegt. Solche Übergänge sind außerdem in der Natur allgegenwärtig, treten in einer Richtung gesehen, häufig genug auf und ändern ihre Lage nur im Einzelfall und in größeren Zeit-

räumen. Aufgrund dieser Eigenschaften lassen sich mithin Navigationsgenauigkeiten im Meterbereich erzielen. Die Lage der Obergänge ist leicht durch Fotos in sichtbarem oder Infrarotbereich festzuhalten. Diese Fotos können mit heutigen Mitteln auch aus sehr großer Höhe, d. h. also von Satelliten erstellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird mit dem Bodensensor aus den abgetasteten Übergängen auch die Art des überflogenen Geländes, beispielsweise Wald oder Straße ei .wittelt, und mit eingespeicherte!? Geländedaten verglichen, wodurch eine noch höhere Sicherheit beim Aufdaten erzielt wird.

Die Erfindung ist anhand der Figur näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Flugkörper mit einem Blockschaltbild;

F i g. 2 den Flugkörper beim Überflug über ein Gelände;

F i g. 3 Flugbahnen über einem Gelände;

F i g. 4a, b, c Impulszüge nach einem Gelände;

F ί g. 5 eine Bodenanlage; F i g. 6 eine Verarbeitungseinrichtung.

Gemäß Fig. i enthält ein Flugkörper ί eine Grundnavigationsanlage 7 und eine Bordanlage 5o. Bei der Grundnavigationsanlage 7 kann es sich um ein Trägheitsnavigationssystem handeln, für das das noch zu beschreibende Navigations- und Lenksystem als Stützung hinsichtlich von Fehlern und Driften der Anlage dient. Durch die Bordanlage 50 wird die Grundnavigationsanlage 7 aufgedatet, was entweder laufend oder intermittierend geschehen kann.

Die Bordanlage 50 besteht aus einem gegen den Erdboden gerichteten fJodensensor 2, beispielsweise einem Lasersender, zur bestimmung von Übergängen zwischen verschiedenen flächig verteilten Bodenbeschaffenheiten, einem Zwischenspeicher 4 für daraus abgeleitele Daten, einem Speicher 5 für die Referenzgeländedaten und einem Rechner 6. Der Bodensensor 2, wie bereits gesagt, ein Lasersender scharfer Bündelung, mit einem Laserempfänger erzeugt einen momentanen Fußpunkt am Boden, dessen Größe im Einklang sowohl mit der Unscharfe von Geländeübergängen als auch mit den typischen Abmessungen der Bodenbeschaffenheilen selbst besteht.

In Fig. 2 sind in die in Fig. 1 bereits angedeuteten Bodenverhältnisse anschaulicher dargestellt. Der Flugkörper 1 richtet den Sensorstrahl 8 etwa senkrecht gegen die F.rdoberfläche. Der Sensorstrahl 8 wird mit der Fluggeschwindigkeit des Flugkörpers 1 vorwärtsgeführi, so daß am Boden eine Abtastlinie 10 erzeug! wird. Zur Bestimmung der durch die Bodenbeschaffenheit bedingten Übergänge und eieren Änderungen ist vorgesehen, einen Laserstrahl kontinuierlich auszusenden und zu empfangen. Hierbei ist der Laserstrahl moduliert, so daß am Empfänger parallel sowohl die Intensität der rückgestreuten Strahlung als auch die laufzeitbedingte Phasenverschiebung der Modulation, also die Entfernung, bestimmt wird. In einer weiteren Ausführung wird am Empfänger auch noch die Hintsrgrundstrahlung, also Streulicht oder Wärmestrahlung, aufgenommen. Als Laser sind entweder kontinuierlich emittierende Halbleitcrlaser, Nd-Laser oder CQ₂- Laser, vorzugsweise vom Wellenleitcrtyp, vorgesehen. Es können aber auch alle anderen kontinuierlich emittierenden Lasertypen verwendet werden. In besonderen Fällen genügt es auch, ohne Laser nur mit Hilfe der Hintergrundstrahlung zu operieren.

Eine Verbesserung der Abtastgenauigkeit kann dadurch erreicht werden. Jaß der Boden parallel mit 2 oder mehr Sensorstrahlen abgetastet wird- Während der Fußpunkt 9 des Bodensensors 2 sich innerhalb einer Bodenfläche 1 einheitlicher Bodenbeschaffenheit, z. B. einem Acker bewegt entstehen am Ausgang des Bodensensors 2 Signale, weiche in einer für diese Bodenbeschaffenheit typischen Weise nach Frequenz und Amplitude schwanken, siehe auch F i g. 3, Fi g. 4a, 4b, 4c. An der Übergangslinie 12 zur Bodenfläche 13 mit anderer Bodenbeschaffenheit, z. B. einer Wiese, ändert sich die Charakteristik des Empfänger-Ausgangs-Signals schlagartig. Diese Änderung wird durch einen geeigneten Filtersatz festgestellt und zu einem einzigen Impuls verarbeitet, so wie das in den F i g. 3 bis 4c dargestellt ist Der Impuls gelangt zu einem Zwischenspeicher 4 zur weiteren Verarbeitung. Im Zwischenspeicher 4 werden die ankommenden Impulse zeitlich zugeordnet gespeichert siehe F i g. 4c Impulszug 18.

Bei der Vorbereitung der Mission des Flugkörpers am Boden sind in noch zu beschreibender Weise mit einer Bodenanlage 51 Referenzimpulszüge 19 hergestellt und in den Speicher 5 im FlugK Vper eingeschrieben worden. Diese Referenzimpuisziige entsprechen den Bodenbeschaffenheitsübergängen auf den Abtastlinien 14 in F i g. 3, wovon eine deckend und alle anderen parallel zur Sollflugbahn 5 liegen.

Nachdem im Zwischenspeicher 4 ein entsprechend langer Impulszug 18 aufgelaufen ist, entsprechend z. B. mehreren Kilometern Flugweg, wird dieser soeben entstandene Impulszug 18 mit den gespeicherten Referenzimpulszügen verglichen, bis durch Austausch der Referenzimpulszug 19, Querverschiebung, Längsverschiebung, Spreizung und Drehung der Punkt bester Übereinstimmung ermittelt ist, welcher dann die tatsächliche Position des Flugkörpers 1 zu einem bestimmten vergangenen Zeitpunkt angibt. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Positionsangaben der Grundnavigationsanlage 7, welche wie bereits ausgeführt, z. B. inertial oder Koppelnavigationsanlage sein kann, ebenfalls zwischengespeichert werden. Dar.n genügt der direkte Vergleich zwischen der Positionsangabe zu jenem Zeitpunkt, mit der nunmehr ermittelten Pos.tion um den Positionsfehler festzustellen und eine entsprechende Flugbahnkorrektur durch die Grundnavigationsanlage 7 durchführen zu lassen. Hierdurch läßt sich die Grundnavigationsanlage sogar auf systematische Fehler hin überwachen und korrigieren. Ebenso lassen sich die anderen Ausgaben der Grundnavigationsanlage, wie /.. B. die Fluggeschwindigkeit korrigieren.

Die Missionsvorbereitung mit der Bodenanlage 51, siehe Fig. 5, geschieht folgendermaßen. Vor dem Abflug des Flugkörpers wird die Flugbahn über einer Luftaufnahme 20 oder Fotopufnahme einer Landkarte mit Über^angsmarkierungen des Operationsgebietes von dem Operateur 29 abgefahren. Die Luftaufnahme 20 ist auf einer Glasscheibe eines XV-Tisches 21 aufgebracht. Auf ortogonalen Verschiebearmen 22,23 des Tisches 21 ist eine Detektoranordnung 24, die aus einer Vielzahl von parallel nebeneinander liegenden Einzeldetektoren besteht, um eine Senkrechte zur Tischebene drehbar angeordnet. Auf der entgegengesetzten Seite der Tischebene ist eine optische Vergrößerungsanlage 25 zur visuellen Beobachtung angebracht und zwei Verschiebearme 26, 27, die synchron mit den Verschiebearmen 22, 23 laufen, tragen einsn Schreibstift 28, der auf der dem Operateur 29 zugewendeten Seite des Tisches 21 die jeweilige Position des mittleren Detektors der linearen Detektoranordnune 24 markiert und bezeichnet.

Der Operateur bestimmt nun mittels Steuerknüppel oder durch Eingabe von Eckpunktkoordinaten die Sollflugbahn 15 des Flugkörpers 1 vom Startpunkt bis zum Ziel, wobei die lineare Detektoranordnung 24 diese Sollflugbahn 15 auf der Luftaufnahme 20 abtastet. s

Die Detektoranordnung 24 wird dabei durch entsprechende Drehung etwa senkrecht zur Flugbahn gestellt. Die Abtastlinien 14 der einzelnen Detektoren der Detektoranordnung 24 verlaufen parallel zur Sollflugbahn 15, siehe auch Fig. 3.

Jeder einzelne Detektor gibt während der Vorwärtsbewegung ein dem abgetasteten Crauwert entsprechendes Signal an ein differenzierendes Netzwerk 30 ab, siehe F i g. 6, so daß bei Überfahren eines Grauwertüberganges ein Impulssignal am Ausgang des Netzwerkes 30 anliegt, welches verkoppelt mit einer Kodierung entsprechend dem zurückgelegten Weg in einem individuellen Kanal 31 eines Speichers 32 abgespeichert wird. Somit entsteht für jeden Detektor der Detektoranordiiuiig 24 ein irnpuiszug iS, der sämtliche Grauwertubcrgänge auf der abgetasteten Linie mit ihren jeweiligen gegenseitigen Abständen gespeichert hat. Insbesondere der mittlere Detektor der Detektoranordnung 24 hat damit den Impulszug auf der projektierten Sollflugbahn 15 erzeugt.

Die so abgespeicherten Daten ulier Kanäle die beiderseits der Sollflugbahn in einem vorbestimmten Abstand liegen, werden z. B. auf ein Magnetband 33 übertragen, das als Zwischenträger zur Übermittlung an den Flugkörper 1 benutzt wird. jo

Statt des Eins.i'zes eines Operateurs 29, kann selbstverständlich auch eine Sollflugbahn 15 mittels eines nicht näher dargestellten Rechners anhand eines vorgebbaren Programms beschrieben werden.

35

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

60

b5

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Navigationssystem für lenkbare Flugkörper mit Vergleich zwischen aktuellen, von einem Bodensensor ermittelten Geländedaten und einer gespeicherten Referenz der Geländedaten, wobei eine Bordanlage dem Aufdaten von durch eine Grundnavigationsanlage erstellten Positionsangaben dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodensensor (2) der Bordanlage (50) die Obergänge (11) zwischen verschiedenen flächig verteilten Bodenbeschaffenheiten ermittelt, charakteristische Änderungen zu Impulsen (18a,> verarbeitet und mehrere Impulse (18a bis i8n) als Impulszug (18) nach vorbestimmbarer Zeit mit gespeicherten Referenzimpulsen (19a bis I9n) verglichen werden (Rechner 6), welche vor dem Start des Flugkörpers (1) mit einer Bodenanlage (51) ermittelt werden, wobei die gewünschte Sollflugbahn (15) über einer Vorlage (20) abgefahren und mittels einer Detektoranordnung (24), die aus einer Vieizahi vor, parallel nebeneinander liegenden, einzelnen Detektoren besteht, abgetastet wird, wobei jeder Detektor der Detektoranordnung (24) einen Referenzimpulszug (19) erzeugt.

2. Navigationssystem für lenkbare Flugkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsangabe der Grundnavigationsanlage (7) zwischengespeichert wird und daß ein Vergleich zwischen der Positionsangabe zu dem vorhergegangenen Zeitpunkt und der aktuell ermittelten Position stattfindet.

3. Navigationssystem für lenkbare Flugkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bodensensor ein kontinuierlich arbeitender Laser-Entfernungsmesser verwendet wird, der die Übergänge (11) zwischen verschiedenen flächig verteilten Bodenbeschaffenheiten aufgrund eines oder mehrerer der Meßwerte: Entfernung zum Boden, Intensität des rückgestreuten Laserstrahls und der Hintergrundstrahlung aufnimmt.

4. Navigationssystem für lenkbare Flugkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterlaser verwendet werden.

5. Navigationssystem für lenkbare Flugkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß CO2-Wellenleiterlaser verwendet werden.