DE3131394A1 - Method for determining the rotational position of a rotating missile with the aid of the earth's magnetic field - Google Patents

Method for determining the rotational position of a rotating missile with the aid of the earth's magnetic field

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Abstract

In this method, an earth magnetic field sensor is allocated to the missile for indicating normal alignment with respect to the ground and an amplifier for continuously calculating the roll attitude under the influence of variable azimuth and elevation angles and the sensor is a coil with an electronic evaluating unit or a linear signal transmitter with a magnetic pick-up element.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Rotationslage eines rotierendenMethod for determining the rotational position of a rotating

Flugkörpers mit Hilfe des erdmagnetischen Feldes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Rotations- und Rollage eines rotierenden Flugkörpers mit Hilfe des erdmagnetischen Feldes.Missile using the terrestrial magnetic field The invention relates refers to a method for determining the rotation and roll position of a rotating Missile with the help of the earth's magnetic field.

Bisher erfolgten sogenannte "Oben-Unten-Bestimmungen" durch Verwendung eines künstlichen Horizontes unter Ausnutzung des Schwerefeldes. Zur Vorherbestimmung der Flugrichtung relativ zum Erdmagnetfeld wurde die Ablesung eines Kompasses verwendet und darauf erst eine entsprechende Programmierung des Rollagensensores im Flugkörper durchgeführt.So far, so-called "top-bottom determinations" have been made through use an artificial horizon using the gravitational field. For predestination the direction of flight relative to the earth's magnetic field, the reading of a compass was used and only then a corresponding programming of the roll agent sensor in the missile carried out.

Die Verwendung dieser bekannten Verfahren bei rotierenden Flugkörpern ist nur sehr aufwendig möglich und bei Geschossen praktisch ausgeschlossen, deren Reichweite daher begrenzt bleibt.The use of these known methods in rotating missiles is only possible with great effort and practically impossible for projectiles, their Range therefore remains limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs aufgezeigten Art zu schaffen, mit dem es möglich ist in einfachster Weise die durch die ballistische Flugbahn gegebene Reichweite beispielsweise von Artilleriegranaten oder Raketen erheblich zu vergrößern und bei Flugkörpern, die entlang einer Visier- oder Sichtlinie fliegen, die Rolllage zu bestimmen.The invention is based on the object of a method of the above to create the type shown, with which it is possible in the simplest way through the ballistic trajectory given range of artillery shells, for example or missiles considerably and, in the case of missiles that run along a visor or fly line of sight to determine the roll position.

Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher und präziser Weise durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen gelöst. In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und die technologischen und aeronatischen Voraussetzungen abgehandelt. Zur Veranschaulichung der Ausführungen dienen die Figuren der Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 ein Schemabild zur Reichweitenerhöhung; Fig. 2 ein Schemabild eines rotierenden Flugkörpers mit der verfahrensgemäßen Ausrüstung im Magnetfeld; Fig. 3 ein Schemabild verschiedener Flugrichtungen mit Phasen-Nulldurchgängen bei geneigtem Erdmagnetfeld; Fig. 4 ein Diagramm der maximalen Schwankungen des Lagewinkels bei verschiedenen Winkeln Fig. 5 ein Diagramm der maximalen Schwankungen des Lagewinkels P bei verschiedenen Winkeln Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Verwendung bei ballistischen Flugkörpern.This task is carried out in a surprisingly simple and precise manner resolved the measures set out in the claims. In the description below working examples are explained and the technological and aeronatic requirements are explained dealt with. The figures in the drawing serve to illustrate the designs. The figures show: FIG. 1 a schematic diagram for increasing the range; FIG. Fig. 2 is a schematic diagram a rotating missile with the equipment according to the method in the magnetic field; 3 shows a schematic diagram of different flight directions with phase zero crossings at inclined earth's magnetic field; 4 shows a diagram of the maximum fluctuations in the position angle at different angles FIG. 5 shows a diagram of the maximum fluctuations in the position angle P at different angles Fig. 6 shows an embodiment of a use at ballistic missiles.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 1 schematisch skizziert, nämlich die Ausrustung eines Flugkörpers 10 mit einem Sensor 11, der gemäß einem Ausführungsbeispiel (Fig. 2) eine Spule sein kann, deren Achse senkrecht zur Rotationsachse steht und die Normal ausrichtung zum Erdboden oder dem künstlichen Horizont anzeigt. Durch Schneiden der Feldlinien wird eine Wechselspannung mit der Rotationsfrequenz induziert.The principle of the present invention is shown schematically in FIG outlined, namely the equipment of a missile 10 with a sensor 11, the according to an embodiment (Fig. 2) can be a coil, the axis of which is perpendicular to the axis of rotation and the normal alignment to the ground or the artificial Indicating horizon. By cutting the field lines, an alternating voltage is created with the Induced rotation frequency.

Nach dem Induktionsgesetz ergibt sie sich zu U(t) = HNAdL Q sin CJt, wobei H = Feldkomponente, die die Spule maximal durchsetzt N = Windungszahl A = Spulenquerschnitt P = Permeabilität = µ0 . µrel # = 2#f = Kreisfrequenz bedeuten. Die Daten des Erdmagnetfeldes lassen sich aus der Isoklinen- bzw. Isodynamenkarte entnehmen, woraus sich die maximale Amplitude errechnen läßt, die beispielsweise für Mitteleuropa einen Wert von 8 mV ergibt, Dieser Wert ist nun abhängig vom Winkel L zwischen Feldrichtung und Rotarel tionsachse bzw. Flugrichtung. Daraus ergibt sich: Verläuft die Flugbahn parallel zur Feldrichtung, so wird keine Spannunginduziert, denn hier liegt die Isokline im Bereich 4SOa:R9OO (900 (90° am Pol), während die Elevation des Flugkörpers unter 450 bleibt, wenn die untere ballistische Winkelgruppe gewählt worden ist. Die vorgeschlagene Anordnung ist daher vorzugsweise in polnäheren Breiten anwendbar, denn hier wird immer eine Spannung induziert, wenn sie auch gegebenenfalls klein ist.According to the law of induction it results from U (t) = HNAdL Q sin CJt, whereby H = field component that passes through the coil as a maximum N = number of turns A = coil cross-section P = permeability = µ0. µrel # = 2 # f = mean angular frequency. The data of the earth's magnetic field can be taken from the isocline or isodyne map, from which the maximum The amplitude can be calculated, which for example for Central Europe has a value of 8 mV results, This value is now dependent on the angle L between the direction of the field and the Rotarel tion axis or flight direction. This means: the trajectory runs parallel to the field direction, no stress is induced, because this is where the isocline lies in the area 4SOa: R9OO (900 (90 ° at the pole), while the elevation of the missile is below 450 remains when the lower ballistic angle group has been selected. The proposed Arrangement is therefore preferably applicable in latitudes closer to polish, because here is always induces a voltage, even if it is possibly small.

Diese Spannung läßt sich nun durch Variation der Windungszahl der Fläche und, bei Verwendung eines Kerns, der Permeabilität in weiten Grenzen verändern, wodurch eine elektronische Weiterverarbeitung gewährleistet ist. Letztere beinhaltet vor allem die Bestimmung der Phase, die üblicherweise bei den Nulldurchgängen erfolgt Die Zuordnung zwischen Feldrichtung, Drehricntung, Polarität und Phase der induzierten Spannung ist eindeutig, so daß stets aus der Spannungsphase auf die Lage der Spule im Feld zurückgerechnet werden kann. Steht beispielsweise (Fig. 2) das Feld genau vertikal (Polsituation), so ist damit auch die Rotationsphase des Flugkörpers in Bezug auf den echten Horizont gegeben.This voltage can now be adjusted by varying the number of turns of the Change the area and, if a core is used, the permeability within wide limits, electronic processing is guaranteed. The latter includes above all the determination of the phase, which usually takes place at the zero crossings The assignment between field direction, rotation, polarity and phase of the induced Tension is unambiguous, so that always from the tension phase to the position of the coil can be calculated back in the field. For example (Fig. 2) the field is exactly vertical (pole situation), so the rotation phase of the missile is in Given in relation to the real horizon.

Zieht man aber nun die Verhältnisse in Europa mit der Inklinaiion JPH = 650 heran, so zielt das gleiche nur für den Fall einer Nord-Süd-Bahn oder umgekehrt, da die Spulenachse während eines Nulldurchganges genau horizontal steht oder anders ausgedrückt: da Rotationsachse und Feldrichtung eine vertikale Ebene ttaufspannen" (Fig. 3).But if you consider the situation in Europe with the Inklinaiion JPH = 650 approaches, so the same only aims for that Case of a north-south runway or vice versa, since the coil axis is exactly horizontal during a zero crossing or in other words: since the axis of rotation and field direction are vertical Spanning the level "(Fig. 3).

Bei einer Ost-West-Flugbahn dagegen findet ein Nulldurchgang in geneigter Lage statt. Der künstliche Horizont des Flugkörpers muß um einen Winkels t = 250 korrigiert werden1 und zwar gilt dies für eine Elevation des Flugkörpers von 00. Ist die Flugbahn zusätzlich noch geneigt, was ja in der Praxis immer der Fall ist, so wird der künstliche Horizont auch noch in Ost-West-Richtung um den Wert der Elevation verfälscht. Es resultiert ein Fehler, der sich nicht linear aus den beiden Fehlwinkeln zusammensetzt. Zu seiner Berechnung muß die Neigung der Ebene, die vom Feldvektor und der Rotationsachse aufgespannt wird, gegen die Horizontalebene bestimmt werden.In the case of an east-west trajectory, on the other hand, there is a zero crossing at an incline Location instead. The artificial horizon of the missile must be at an angle t = 250 corrected1 and this applies to an elevation of the missile of 00. If the trajectory is also inclined, which is always the case in practice, so the artificial horizon is also in the east-west direction around the value of the elevation falsified. An error results that is not linear from the two incorrect angles composed. To calculate it, the inclination of the plane determined by the field vector and the axis of rotation is spanned against the horizontal plane.

Soll also zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Fluges der künstliche Horizont im Flugkörper bestimmt werden, so muß vor dem Abschuß aus den für diesen Zeitpunkt berechneten Bahndaten der Korrekturwinkel berechnet und ins flugkörpereigene Meß- und Rechensystem eingegeben werden.So should the artificial one at a certain point in time during the flight Horizon in the missile are determined, so must before the launch from the for this Time calculated orbital data of the correction angle is calculated and incorporated into the missile's own Measuring and computing system can be entered.

Schwankungen oder FehlerR kr der Elevation aR übertragen sich auf den Rotationswinkel in Abhängigkeit vom jeweiligen Wert der Elevation und des Azimuts sRX wie dies aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, wobei mit H der Inklinationswimkel bezeichnet ist.Fluctuations or errorsR kr in the elevation aR are transferred to the angle of rotation as a function of the respective value of the elevation and the azimuth sRX as can be seen from FIGS. 4 and 5, with H the inclination angle is designated.

Sind die Daten der Meßvorrichtung, d. h. der Spule und des Verstärkers, einmal festgelegt, so hängt die Amplitude nur noch von der Frequenz und dem Winkel trel ab. Da zu dem vorbestimmten Zeitpunkt alle Winkel bekannt oder vorgegeben sind, ist auch #rel letztlich vorgegeben, womit - über # -eine ganz bestimnte Amplitude zu erwarten ist. Die tatsäch- lich gemessene Amplitude kann gegebenenfalls für Kontroll-oder Korrekturzwecke herangezogen werden. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn entweder der Azimut oder die Elevation vom vorausberechneten Wert stark abweicht (durch meterologische Einflüsse).Are the data of the measuring device, i. H. the coil and the amplifier, once established, the amplitude only depends on the frequency and the angle trel off. Since all angles are known or specified at the predetermined point in time, #rel is also ultimately given, with which - via # - a very specific amplitude is to be expected. The actual Lich measured amplitude can optionally can be used for control or correction purposes. This is for example then possible if either the azimuth or the elevation is from the precalculated value strongly deviates (due to meterological influences).

Nun ist hierzu noch festzustellen, daß die Art und Notwendigkeit einer HF-Abschirmung von den Frequenzen und Feldstärken vorhandener HF-Felder abhängt. Da diese regional verschieden sind, muß eine Abschirmung vorgesehen werden7 die auch unter ungünstigen Bedingungen ausreicht.Now it should be noted that the nature and necessity of a RF shielding depends on the frequencies and field strengths of existing RF fields. Since these differ from region to region, shielding must be provided7 is sufficient even under unfavorable conditions.

An die Verstärker und phasenempfindlichen Teile der Elektronik werden keine besonderen Anforderungen stellt.Attached to the amplifier and phase sensitive parts of the electronics has no special requirements.

Sollten HF-Störungen trotz Abschirmung durchdringen, müßte elektronisch gefiltert werden, wobei allerdings eine Phasenverschiebung auftritt, die gesondert zu kompensieren ist.Should HF interference penetrate despite shielding, it would have to be electronically be filtered, but a phase shift occurs that separately is to be compensated.

Das vorgeschlagene Verfahren ist aber auch für die Rollagenbestimmung von Flugkörpern, die entlang einer Visier- oder Sichtlinie fliegen, anwendbar. In den Fällen, wo diese Flugkörper in einer nahezu horizontalen Ebene fliegen, kann eine Richtungsänderung im Azimut, die bei der Verfolgung eines bewegten Zieles auftritt, aus der Stärke des Elagnetfeldes, also aus dem Maximalwert der induzierten Spannung am Flugkörper selbst bestimmt werden.The proposed method is also used for determining the roll position missiles flying along a line of sight or line of sight. In the cases where these missiles fly in a nearly horizontal plane a change in direction in azimuth that occurs when tracking a moving target, from the strength of the magnetic field, i.e. from the maximum value of the induced voltage can be determined on the missile itself.

Bei einer anderen Ausführungsform werden Azimut- und Elevationsänderung an der Leitstelle bestimmt und die Auswirkung auf die Rollagenphase zum Flugkörper übertragen.In another embodiment, the azimuth and elevation changes determined at the control center and the effect on the roll phase to the missile transfer.

Bei einer weiteren Ausgestaltung wird die Magnetfeldrichtung relativ zur Orientierung des Flugkörpers selbst bestimmt. Hierzu wird im Abschußrohr 20 - vorzugsweise auf der inneren Oberseite - ein linearer Signalgeber 21 angeordnet, der von einem am FluCkörperumfang angebrachten Punktdetektor 22 detektiert wird und damit die Rollphase 0" relativ zum Erdmagnetfeld definiert (Fig. 6).In a further embodiment, the direction of the magnetic field is relative intended for the orientation of the missile itself. For this purpose, the launch tube 20 - preferably on the inner top - a linear signal generator 21 is arranged, the one attached to the circumference of the fluC Point detector 22 is detected and thus the roll phase 0 "is defined relative to the earth's magnetic field (Fig. 6).

Der lineare Signalgeber kann als ferromagnetischer Draht ausgeführt werden und der Punktdetektor als Permanentmagnet mit Induktionsspule. Beim Vorbeilaufen des Punktdetektors am linearen Draht 21 wird ein Stromimpuls in der Spule induziert, der die Phasenlage festlegt. Während des Starts des Flugkörpers 10 wird dieser in Drehung versetzt, so daß jede Rotationsumdrehung ein Signal des Nulldurchganges am Sensor bzw. Abgriff 22 erzeugt. Gleichzeitig beginnt der Erdmagnetfeldsensor 21 aufgrund der Drehbewegung seine Wechselspannung abzugeben, wobei der Kurvenverlauf über eine Periode gesehen typisch für den Signalverlauf während des weiteren Fluges ist. Dadurch läßt sich auch die gesuchte Phasenlage des Nulldurchganges bezogen auf den Signalverlauf des Erdmagnetfeldsensors durch Überlagerung bzw.The linear signal transmitter can be implemented as a ferromagnetic wire and the point detector as a permanent magnet with induction coil. When walking past of the point detector on the linear wire 21, a current pulse is induced in the coil, which determines the phase position. During the launch of the missile 10 this is in Rotation offset, so that each rotation revolution is a signal of the zero crossing generated at the sensor or tap 22. At the same time, the geomagnetic field sensor begins 21 to output its alternating voltage due to the rotary movement, the course of the curve seen over a period typical for the signal curve during the further flight is. In this way, the sought phase position of the zero crossing can also be related on the signal course of the geomagnetic field sensor by superimposing or

Einspielung des Abgriffsignals ermitteln, die dann für den restlichen Flugverlauf Gültigkeit hat. Dadurch entfällt die laufende Berechnung des Horizontalwinkels.Determine the recording of the tap signal, which is then used for the rest of the Flight history is valid. This eliminates the ongoing calculation of the horizontal angle.

Die Ermittlung eines beliebigen Rollwinkels erfolgt durch entsprechende Zeitteilung zwischen zwei Nulldurchgängen.The determination of any roll angle is carried out using the appropriate Time division between two zero crossings.

Für dieses Verfahren ist es erforderlich, daß der Flugkörper 10 im Abschußrohr 20 theoretisch wenigstens eine volle Umdrehung vollführt. Ist dies nicht möglich, so ist. die Anbringung des Abgriffs - in Drehrichtung gesehen, vor der ersten Rollage oder durch zwei Drähte 21 oder durch zwei Abgriffe 22 erforderlich. In diesen Fällen wird die Nulllage bereits innerhalb der ersten Signalperiode markiert.For this method, it is necessary that the missile 10 in Firing tube 20 theoretically performs at least one full revolution. Is not this possible so is. the attachment of the tap - seen in the direction of rotation, in front of the first rollage or by two wires 21 or by two taps 22 required. In these cases the zero position is marked within the first signal period.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß die Spule des Erdmagnetsensors mit dem Abgriff zusammen vor dem Start rotiert und die Eichung vor dem Start durchgeführt wird.Another embodiment provides that the coil of the geomagnetic sensor rotated with the tap together before the start and the calibration carried out before the start will.

Nach dem Start wird die Spule in einer ausgezeichneten Rolllage relativ zum Flugkörper arretiert.After starting, the spool will be in an excellent relative roll position locked to the missile.

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Claims (5)

Verfahren zur Bestimmung der Rotationsiage eines rotierenden Flugkörpers mit Hilfe des erdmagnetischen Feldes PATENTANSPRÜCHE 0 Verfahren zur Bestimmung der Rotations- und Rollage eines rotierenden Flugkörpers mit Hilfe des erdmagnetischen Feldes, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dei Flugkörper (10) mit einem Erdmagnetfeldsensor (11) zur Anzeige der Normalausrichtung zum Erdboden oder einem künstlichen Horizont und einem Verstärker (12) zur laufenden Berechnung unter dem Einfluß veränderlicher Azimut-und Elevationswinkel versehen ist. Method for determining the rotational position of a rotating missile with the help of the geomagnetic field PATENT CLAIMS 0 method of determination the rotation and roll position of a rotating missile with the help of geomagnetic Field, characterized in that the missile (10) with a Geomagnetic field sensor (11) for displaying the normal orientation to the ground or a artificial horizon and an amplifier (12) for ongoing calculation under the Influence of variable azimuth and elevation angles is provided. 2. Verfahren zur Bestimmung der Rotations- und Rollage eines rotierenden Flugkörpers mit Hilfe des erdmagnetischen Feldes, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem Flugkörper-Abschußrohr (20) aus nichtmagnetischem Werkstoff an der Innenoberseite in Längsrichtung ein linearer Signalgeber (21) eingebettet ist und der Flugkörper (10) mit einem magnetischen Abgriffselement (22) versehen ist. 2. Procedure for determining the rotation and roll position of a rotating Missile with the help of the earth's magnetic field, thereby g e k e n n z e i c h n e t that in the missile launch tube (20) made of non-magnetic material a linear signal transmitter (21) is embedded on the inside top in the longitudinal direction and the missile (10) is provided with a magnetic pick-off element (22). 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Erdmagnetfeldsensor (ii) eine in der Windungszahl variable Spule ist, deren Signale einer elektronischen Auswerteinheit (13) zur Verarbeitung und Steuerung eingegeben werden. 3. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h -n e t that the geomagnetic field sensor (ii) is a coil with variable number of turns, their signals of an electronic Evaluation unit (13) for processing and control can be entered. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Erdmagnetfeldsensor (ii) mit einer HF-Abschirmung versehen ist.4. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the geomagnetic field sensor (ii) is provided with an HF shield. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß als linearer Signalgeber (21) ein ferromagnetischer Draht und als magnetisches Abgriffselement (22) ein Permanentmagnet mit Induktionsspule verwendet wird.5. The method according to claim 2, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that as a linear signal transmitter (21) a ferromagnetic wire and as a magnetic Pick-up element (22) a permanent magnet with induction coil is used.
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