DE1174655B - Verfahren zur Lenkung eines Traegers von Geschossen auf der Ortskurve ballistischer Schusspositionen und Einrichtung zur Aus-fuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: F 07 h Deutsche Kl.: 72 f-15/02

Nummer: 1174 655

Aktenzeichen: M 48073 I c / 72 f

Anmeldetag: 18. Februar 1961

Auslegetag: 23. Juli 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Steuerung eines Trägers von Geschossen und/oder Raketen, z. B. eines Abfangjägers, auf der Ortskurve ballistischer Schußpositionen.

Die automatischen Verfahren, einen Abfangjäger an ein fliegendes Ziel heranzuführen, beginnen mit dem Zeitpunkt der Erfassung des Zieles im Bordradar. Sie gliedern sich in zwei Gruppen, nämlich die Steuerung längs der »Hundekurve«, oder auch Verfolgungskurve genannt, wobei der Verfolger seinen Kurs stets so wählt, daß die Kursrichtung (eventuell mit Vorhaltewinkel) auf das Ziel weist, und die Steuerung auf Kollisionskurs, bei dem sich die Peilung in bezug auf eine raumfeste Richtung, unter dem der Verfolger das Ziel sieht, nicht ändert.

Für die Regelung des Verfolgungskurses wird mit Hilfe des Bordradars die Richtung ψ der Sehlinie (das ist die Verbindungsgerade Verfolger—Ziel) in bezug auf die Kursrichtung als Nullpunktgerade gemessen.

Der Regler hat nun die Aufgabe, auf Grund des Wertes φ des Kurs Θ des Abfangjägers so zu steuern, daß der Wert φ zu Null wird; denn genau für ψ — 0 ist die Bedingung, daß die Kursrichtung auf das Ziel weist, erfüllt. Die so veranlaßte Flugbewegung als Relativbewegung zum Ziel wird im Bordradar als Änderung des Winkels φ beobachtet.

Für die Regelung des Kollisionskurses wird mit

Hilfe des Bordradars die Drehgeschwindigkeit -J? der Sehlinie gemessen und der Kurs vom Regler so gesteuert, daß die Größe ,- zu Null wird. Dies bedeutet,

daß sich die Sehlinie nicht dreht, sondern nur noch parallel zu sich selbst verschiebt. Da zum Flug auf Kollisionskurs die vom Regler

gesteuerte Kursdrehgeschwindigkeit ~- so gesteuert

werden muß, daß diese der Drehgeschwindigkeit -ν- proportional ist, spricht man bei diesem Verfahren auch von der Proportionalnavigation.

Die Verfolgung eines beweglichen Zieles nach einer dieser beschriebenen Verfahren ist mit Nachteilen verbunden. So führt die Steuerung längs einer Hundekurve auf eine gekrümmte Flugbahn, die bei hohen Geschwindigkeiten — z. B. etwa Mach 2 — zu große, nicht mehr tragbare Beschleunigungen bewirkt. Die Verfolgung auf Kollisionskurs führt dagegen in der Regel, da sich Ziel und Verfolger meistens entgegenfliegen, auf eine so hohe Relativgeschwindigkeit, daß dadurch die Treffsicherheit verringert ist.

Um diese Nachteile zu überwinden, wurden bereits Verfahren zur Lenkung eines Trägers von
Geschossen auf der Ortskurve ballistischer
Schußpositionen und Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens

Anmelder:
Messerschmitt A. G.,
Augsburg, Haunstetter Str. 148

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Math. Carpar v. Münchhofen, München

bekannte Regler entwickelt, die den Verfolger auf eine Flugbahn führen, auf der sowohl die Endrelativgeschwindigkeit zum Ziel als auch die Beschleunigung bei hohen Verfolgungsgeschwindigkeiten tragbare Werte annehmen. Auf diesen Flugbahnen befindet sich der Verfolger stets in Schußposition relativ zum Ziel, wobei sich der Verfolger auf einem Kollisionskurs bezüglich Geschoß und Ziel befindet. Man bezeichnet den Kurs als die Ortskurve ballistischer Schußpositionen.

Die bekannte Steuerung zum Flug auf der Ortskurve ballistischer Schußpositionen erfolgt in der Weise, daß das Ziel optisch geortet und daraus der Ist-Vorhaltewinkel φ< bestimmt wird. Parallel dazu wird das Ziel über eine Radarortung erfaßt und mit den Ergebnissen über einen Kollisionskursrechner der Soll-Vorhaltewinkel 95g errechnet. Beide Werte φι und ψ$ werden durch entsprechende Anzeigeorgane wiedergegeben. Die Aufgabe des Piloten besteht nun darin, das Flugzeug so zu steuern, daß sich ept und cp_s decken. Dadurch wird der Kurs in Zielrichtung stabilisiert, und das Ergebnis ist eine Lenkung auf der Ortskurve ballistischer Schußpositionen.

Diese Steuerung stellt an den Piloten des Flugzeuges sehr hohe Anforderungen, und es wurde daher die Aufgabe gestellt, eine automatische Steuerung zu schaffen, welche die doppelte Ortung, die zur Bestimmung von Soll- und Ist-Vorhaltewinkel notwendig ist, vermeidet.

Die Erfindung löst diese Aufgäbe, indem zur automatischen Steuerung des Trägers, ζ. Β. Abfangjägers, im Regelkreis der Proportionalnavigationseinrichtung der Verstärkungsfaktor (K) der zeitlichen Ableitung der Richtung der Sehlinie in bezug auf eine feste Richtung im Raum (-—J durch einen äußeren (z. B. parallelen), einen nichtlinearen Regler enthaltenden

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Regelkreis laufend derart verändert wird, daß der Regelgrößen laufend so verändert wird, daß an Stelle Träger, z. B. Abfangjäger, an Stelle des Kollisions- der Kollisionskursrichtung vom Jäger die Ortskurve kurses den Kurs der ballistischen Schußpositionen der ballistischen Schußpositionen geflogen wird. Aus fliegt; dabei ist der Verstärkungsfaktork aus der , „.., , _n . ..„ άφ , ...

Summe einer konstanten Größe Jt₁ und einer veränder- 5 ^den ^rungs- und Regelgroßen φ, J, _s, der Jagerliehen Größe Ar₂ ε zusammengesetzt, und die Größe geschwindigkeit r und der Geschoßgeschwindigkeit w des Proportionalitätsfaktors ε wird in einem nicht- wird im nichtlinearen Regler NR der Proportionalitätslinearen Regler laufend in Abhängigkeit von den faktor ε nach der Gleichung Führungs- und Regelgrößen — das sind der Winkel ψ

zwischen Kurs und Sehlinie, die zeitliche Ableitung ίο _ άψ

dieses Winkels, der Abstand s des Trägers, z. B. Ab- ^{S =} dt ^S >') · sin ?

fangjägers, vom Ziel, die jeweilige Fluggeschwindigkeit ν des Trägers und die Geschoßgeschwindigkeit w

über dem Erdboden — nach der Gleichung errechnet, wobei / (ic, ι) der mittlere Wert der Re-

15 lativgeschwindigkeit des Trägers, z. B. des Abfangjägers, gegenüber dem Geschoß darstellt. Für die im

_{ε =} 'P-'s + /(k\ v) · sin φ Beispiel verwendete Rakete mit Marschtriebwerk wird

dt f (h-, v) in erster Näherung ic—v. Aus dem Propor

tionalitätsfaktor ε wird in dem Summiergerät S₃ mit

berechnet. 20 den konstanten Führungsgrößen k₁ und k₂ der Ver-

Beim erfindungsgemäßen Verfahren hat der Propor- Stärkungsfaktor k gebildet. Dieser Verstärkungsfaktor^ tionalitätsfaktor k beim Flug auf der Ortskurve der stellt für den inneren Regelkreis der Proportionalballistischen Schußpositionen den Wert Null, bei navigation eine Führungsgröße dar, die den Jäger einem Kursvorhaltewinkel <pb des Trägers größer als auf dem richtigen Kurs hält.

der Zielvorhaltewinkel ψ einen positiven Wert und 35 Eine Besonderheit des Reglers ist es, daß die rechnebei einem Kursvorhaltewinkel q;_c des Trägers kleiner rische Bestimmung der gewünschten Zielrichtung an als der Zielvorhaltewinkel ψ einen negativen Wert. Bord zu ihrer Ansteuerung nicht erforderlich ist.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Ver- Durch den Regler wird an der Größe ε lediglich fahrens ergeben sich aus der beispielsweise Beschrei- geprüft, ob die Zielrichtung eingehalten wird. Dies bung der automatischen Steuerung an Hand der 30 geschieht dadurch, daß der nichtlineare Regler NR Zeichnungen. Es zeigt: aus den laufend gemessenen Größen die Größe ε

F i g. 1 die Zuordnung von Kurs- und Sehlinie zu berechnet, die die Eigenschaft hat, daß sie genau dann einer festen Bezugsrichtung, verschwindet, wenn der Geschoßträger, ζ. B. der Ab-

F i g. 2 das Blockschaltbild einer automatischen fangjäger, in Schußposition relativ zum Ziel liegt Steuerung, 35 (Nullpunktregelung). Ist der Wert ε positiv, dann ist

F i g. 3 eine Schaltung für den äußeren Regelkreis. der Kursvorhaltewinkel q_b des Jägers größer als der Zur Steuerung des Abfangjägers, im erfindungs- zum Kurs k_b gehörende Zielvorhaltewinkel φ; entgemäßen Beispiel einer Rakete mit Marschtriebwerk, sprechend ist bei einem negativen ε-Wert der Kursan Hand der in F ig. 2 dargestellten automatischen vorhaltewinkel q>_c des Abfangjägers kleiner als der Steuerung Ast auf der Ortskurve ballistischer Schuß- 40 zum Kurs k_c gehörende Zielvorhaltewinkel φ (F i g. 1). Positionen müssen mit Hilfe der Radaranlage R Jede Nullabweichung des ε-Wertes wird über den

folgende in F i g. 1 dargestellte Größen ermittelt Summierverstärker S₃ dem Multipliziergerät M₃ aufwerden: Der Abstand s zwischen Träger T und Ziel Z, geschaltet und beeinflußt die Steuerung St_z des Jägers die Richtung ψ der Sehlinie in bezug auf eine feste in der Weise, daß der Abfangjäger in Schußposition

Richtung Ar im Raum, die zeitliche Ableitung ~" der ^{45 zu}™ ^zi!j ^fl!^egt· _t , ... _t.. ... . .

d/ Der Regler steuert den Jager naturlich auch dann

Richtung der Sehlinie, der Winkel φ zwischen Sehlinie auf den rechten Kurs, wenn das Ziel durch Manö-

und Kursrichtung und die zeitliche Ableitung ^ des ^vrif^re" ^aus,^der fnstigen Schußposition herausfliegt.

dt In Fig. 3 wird eine Ausfuhrungsform des äußeren

Winkels ψ. Die feste Bezugsrichtung Br wird dabei 50 Regelkreises Ark der F i g. 2 für eine Rakete mit durch eine stabilisierte Kreiselplattform realisiert. Abschuß bzw. Steuerung auf Kollisionskurs dargestellt. Die durch Radarortung ermittelten Werte werden Danach wird im Summiergerät S₁ des Rechners, der gemäß F i g. 2 über zwei Zweige des äußeren Regel- eine Referenzspannung von -Ur Volt (z. B. 100 Volt) kreises Ask auf die Zellensteuerung St_z gegeben. benutzt, die Geschoßgeschwindigkeit w — nach Vor-Im Regelkreis Ziel Z-Radarortung R-Multiplizier- 55 zeichenumkehr in der Einrichtung V_u (Umkehrververstärker M₃-Steuerung ZeIIeSi₂ wird aus der zeit- stärker) — zur jeweiligen Fluggeschwindigkeit ν des

liehen Ableitung der Richtung der Sehlinie ^ durch ^Jäf ¹^ ^addie _D ^rt; ^D|^{e Sui}"^me _c;T " ^w _f ^ird "^h Skalierung

di mit dem Potentiometer SK₁ auf ein Multiplizier-

Verstärkung mit dem Verstärkungsfaktor k die Grö- gerät M₁ gegeben und mit dem im Funktionsgenera-„ , d«i , ,, ,. , . , j r, ,. ,. 60 torFG gewonnenen Sinus des Winkelst zwischen ße k ·-τ- erhalten, die gleich der Proportionalkurs- ,-, ... . ⁶ , _r, ■ ,, ^. ,· · _t ^v

dt ° ^r Sehhnie und Kursrichtung multipliziert.

Drehgeschwindigkeit ^d6> des Jägers ist Dies ist der ^{Der Wert des} Produktes (h--v) · sin y wird im

dt ⁶ Summiergerät S₂ nach Vorzeichenumkehr zu dem im

Regelkreis der bekannten Proportionalnavigation. Potentiometer SK₂ skalierten, im Multipliziergerät M₂

Die Erfindung erweitert diesen Regelkreis durch 65 aus dem Abstand s und der Ableitung des Winkels φ

den Parallelzweig nichtlinearer Regler//-/?—Sum- _n , ,^ dm . , . , ^. ,_,-_,.

Hörverstärker S₈, der dafür sorgt, daß der Ver- gewonnenen Produkt*· ^ vorzeichennchtig addiert.

Stärkungsfaktor α: entsprechend den Führungs- und Die Summe stellt den Wert des Proportionalitäts-

faktors dar, die nach Skalierung mit einer Konstanten Ar₂ (z. B. —0,4 < Ic₂ < —0,05) und im Summiergerät S₃ zu einer Konstanten Ic₁ (z. B. 1 < Ic₁ < 1,2) addiert, den Verstärkungsfaktor Ic ergibt. Aus diesem wird durch Multiplikation mit der durch das Potentiometer SK₃ skalierten zeitlichen Ableitung des Winkels ψ im Multipliziergerät M₃ die Proportional-Dreh-

geschwindigkeit Ic · —■ gewonnen. Mit diesem Wert

wird im inneren Kreis der Regelung nach bekannten Methoden der Jäger gesteuert. Die angegebenen Werte der Konstanten Ic₁, Ic₂ wurden mit Hilfe eines Regelmodells empirisch ermittelt, wobei das Regelmodell eine geeignet programmierte elektronische Rechenanlage darstellte, die den beschriebenen Gesamtvorgung simulierte.

Die Steuerung des Abfangjägers auf der Ortskurve der ballistischen Schußpositionen mit Hilfe der Aufschaltung des äußeren Regelkreises Ark auf die automatische Steuerung Ast gemäß F i g. 2 setzt voraus, daß als Anfangsbedingung die Kursrichtung des Abfangjägers zwischen Sehlinienrichtung und Richtung des Kollisionskurses weist.

Die erfindungsgemäße automatische Steuerung kann auch als teilautomatische Steuerung ausgeführt sein. Für diesen Fall wird z. B. der ε-Nullabgleich im nichtlinearen Regler NR vom Piloten vorgenommen.

dem Erdboden — nach der Gleichung

Claims (3)

Patentansprüche: 30

1. Verfahren zur automatischen Steuerung eines Trägers von Geschossen und/oder Raketen, z. B. eines.Abfangjägers, in Abänderung des Verfahrens der Proportionalnavigation, dadurch gekennzeichnet, daß zur automatischen Steuerung des Trägers, z. B. Abfangjägers, im Regelkreis der Proportionalnavigationseinrichtung der Verstärkungsfaktor (Ic) der zeitlichen Ableitung der Richtung der Sehlinie in bezug auf eine feste Rieh-

tung im Raum K--) durch einen äußeren (z. B.

parallelen), einen nichtlinearen Regler enthaltenden Regelkreis laufend derart verändert wird, daß der Träger, z. B. Abfangjäger, an Stelle des Kollisionskurses den Kurs der ballistischen Schußpositionen fliegt, wobei k = Ic₁ + k₂ ε ist (Ic₁, k₂ = Konstante) und der Proportionalitätsfaktor (ε) in einem nichtlinearen Regler laufend in Abhängigkeit von den Führungs- bzw. Regelgrößen — das sind der Winkel (φ) zwischen Kurs und Sehlinie, die zeitliche Ableitung (~-\, der Abstand (s) des Trägers

vom Ziel, die jeweilige Fluggeschwindigkeit (v) des Trägers und die Geschoßgeschwindigkeit (w) über ε =

dt

• 5 + f(w, ν) ■ sin ψ

berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor (Ic) im äußeren Regelkreis aus dem Proportionalitätsfaktor (ε) durch Multiplikation mit einer Konstanten (Ic₂), z. B. —0,4 < k₂ < —0,05, und Addition einer Konstanten (Ar₁), z. B. 1 < k_x < 1,2, gebildet wird und der Verstärkungsfaktor damit in Abhängigkeit von den im Proportionalitätsfaktor enthaltenen Führungs- bzw. Regelgrößen Abweichungen vom gewünschten Kurs laufend automatisch korrigiert.

3. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung mittels bekannter Rechenmittel, daß an den einen Eingang eines Summierverstärkers (S₁) über einen Umkehrverstärker (V_n) die die Geschoßgeschwindigkeit (w) darstellende Spannung und an den anderen Eingang des Summierverstärkers die die Trägergeschwindigkeit (v) darstellende Spannung gegeben wird, daß der Ausgang (w—v) des Summierverstärkers (S₁) nach Skalierung in einem Potentiometer (SK₁) an den einen Eingang eines Multipliziergerätes (M₁) geführt ist, an dessen zweiten Eingang die über einen Funktionsgenerator (FG) gebildete Größe sein ψ (φ = Winkel zwischen Sehlinie und Kursrichtung) geführt ist und dessen Ausgang in einen zweiten Summierverstärker (S₂) zusammen mit der in einem zweiten Multipliziergerät (M₂) gebildeten und über ein zweites Skalierungspotentiometer (SK₂) geführten

Spannung, die —s-,~(s = Abstand zwischen

Träger und Ziel) entspricht, angeschlossen ist, daß weiterhin der Ausgang des Summierverstärkers (S₂) über ein Potentiometer (k₂) zusammen mit seiner über ein weiteres Potentiometer (Ar₁) geführten Referenzspannung (-Ur) an jeweils einem der beiden Eingänge eines dritten Summierverstärkers (S₃) geführt ist und daß dessen Ausgang zusammen mit einer der Funktion -j- (= zeitliche

Ableitung der Richtung der Sehlinie in bezug auf eine feste Richtung im Raum) entsprechenden Spannung, welche über ein drittes Skalierungspotentiometer (SK₃) geführt wird, je einen Eingang eines dritten Multipliziergeräts (M₃) bildet, dessen Ausgang die zu bildende Regelspannung ausgibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 878 466.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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