DE4042022A1 - Radar - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt allgemein auf dem Radargebiet; sie be­ trifft insbesondere die Erzeugung eines Radarinformations­ feldes, das zum Lenken eines Objekts benutzt wird, das auf das Feld reagiert. Die Erfindung findet ihre Hauptanwendung beim Lenken eines Flugkörpers zu einem Ziel, doch könnte sie ebenso gut auch für andere Anwendungen wie ein Landesystem zum Lenken eines Flugzeugs auf einen Flugplatz oder zum Len­ ken eines Roboterfahrzeugs in einem Lagerhaus verwendet wer­ den.

Das Problem des Lenkens eines Flugkörpers zu einem Ziel ist bekannt. Ein übliches Verfahren besteht darin, das Ziel mit­ tels eines ersten Radarsystems zu verfolgen und den Flugkör­ per mittels eines zweiten Radarsystems zu führen, wobei der Flugkörper über eine HF-Nachrichtenverbindung mit Steuerbe­ fehlen versorgt wird, damit er zu dem Ziel gelenkt wird. Eine solche Anordnung ist hinsichtlich des Geräteaufwandes zwei­ felsfrei teuer. Ein weiteres bekanntes System, das entwickelt worden ist, ist als "Strahlreiten" bekannt. In dieser Anord­ nung wird eine einzige Radarstrahlungskeule vorgesehen, die das Ziel verfolgt. Diese Strahlungskeule hat eine schmale definierte Form, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Fig. 1 zeigt einen Radar-Parabolreflektor 2, der eine ein Ziel 6 verfolgende Strahlungskeule 4 erzeugt, sowie einen Flugkör­ per 8, der geführt werden soll. Der Flugkörper 8 steht nicht unter der direkten Kontrolle durch die Basisstation, sondern er enthält eine Antenne und einen Empfänger zum Erfassen der Anwesenheit der Radarstrahlungskeule. Wenn sich der Flugkör­ per dem Rand der Strahlungskeule nähert, stellt er einen scharfen Abfall der Feldstarke fest, und das Flugkörper-Lenk­ system wird mit einem Befehl versorgt, der die Richtung zum Zentrum der Strahlungskeule hin verändert. Der Flugkörper folgt daher einem Zickzack-Weg 12, der zwischen den Rändern der Strahlungskeule hin- und hergeht. Wenn der Flugkörper die Nähe des Ziels erreicht, erfaßt er mittels eines weite­ ren Antennensystems vom Ziel reflektierte Radarsignale, die es ihm ermöglichen, das Ziel zu treffen. Solche Systeme sind beispielsweise in "Guidance" von Arthur S. Locke, D. Van Nostrand Co. Inc., 1958, Seiten 446 ff beschrieben. Ein bei dieser Anordnung auftretendes signifikantes Problem besteht darin, daß mit der Zielannäherung die Stärke der Radarkeule beträchtlich abnimmt, so daß der Flugkörper Schwierigkeiten hat, den Rand der Keule zu erfassen.

Zum Verbessern der Verfehlungsabstände von Flugkörpern müs­ sen Radarverfolgungs- und Radarlenk-RTG-Techniken über die Fähigkeiten eines solchen "Strahlreitens" oder von Sichtli­ nien-Steuersystemen hinaus verbessert werden. Auch die Ko­ sten für die Flugkörper oder die Munition müssen reduziert werden, damit höhere Feuergeschwindigkeiten in Situationen ermöglicht werden, in denen das Ziel ein sich nähernder Flugkörper ist. Es ist vorgeschlagen worden, ein Antennen­ system mit phasengesteuerten Gruppenstrahlern zu verwenden, bei welchem die Radarfrequenz einen Bereich durchläuft, da­ mit eine schmale Strahlungskeule durch ein Radarinformations­ feld geschwenkt wird. Das System überwacht die Zeitverzöge­ rung bezüglich eines Referenzwerts zur Erzielung von Posi­ tionsfestpunkten. Dieser Vorschlag leidet unter Problemen, die mit folgendem in Beziehung stehen:

• (a) der Erzeugung eines geeigneten Frequenzabtastfeldes bei den erforderlichen Frequenzen im Millimeterbereich;
• (b) Mehrfachwege aufgrund des relativ breiten Winkels, in dem das Radarinformationsfeld existiert, was Reflexionen von Land- und Wasserflächen verursacht;
• (c) die hohe Präzision, mit der der Flugkörper die Antennen­ keulenform zur Bestimmung von Teilkeulenpositionen mes­ sen muß. Eine optimale Verfolgung wird nicht erzielt, da für eine exakte Verfolgung eine Signaländerung von 0,1 dB gemessen werden muß, was ein sehr schwieriges Problem ist, da einfache Empfänger in Flugkörpern typischerweise nur auf Signalstärkenänderungen von 3 dB reagieren.

Mit Hilfe der Erfindung soll die Genauigkeit verbessert wer­ den, mit der ein Flugkörper oder ein anderes Objekt zu einem Ziel mit einem relativ einfachen und kostengünstigen System gelenkt werden kann.

Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, daß Radarstrah­ lungskeulen häufig mit Hilfe eines Monopulssystems erzeugt werden, bei dem gewöhnlich vier getrennte Radarenergiekanäle in einem System mit vier Hornstrahlern erzeugt werden. Diese Anordnung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die gleich­ zeitige Erzeugung von Radarenergie in jedem der Hornstrahler oder Kanäle (a, b, c, d) ergibt die erforderliche schmale Führungsstrahlungskeule (T). Wenn jedoch zwei Paare benachbar­ ter Hornstrahler gegenphasig erregt werden, dann werden die zwei erzeugten Strahlungskeulen vektormäßig addiert, so daß sogenannte Differenzkeulen (A, B, C, D) entstehen, von denen jede auf einer Seite der Hauptkeule liegt und etwa einen Quadranten der Hauptkeule besetzt, wie in Fig. 3 angegeben ist. Die zu Fig. 3 gehörige Tabelle zeigt die Kombination von erregten Hornstrahlern, die die angegebenen Strahlungs­ keulen erzeugt. Die Erzeugung von Differenzstrahlungskeulen ist ein bekanntes Verfahren zur Ermöglichung der Verfolgung des Flugkörpers in Anordnungen, in denen der Flugkörper sich nicht längs der Hauptstrahlungskeule bewegt.

Die Erfindung beruht darauf, die Differenzstrahlungskeulen in einem Zeitmultiplexverfahren mit der Hauptstrahlungskeule zu erzeugen. Der Flugkörper oder das andere Objekt ist für ein "Reiten" auf der Nullstelle im Zentrum (oder einer defi­ nierten oder programmierten Position relativ zur Nullstelle) der Differenzstrahlungskeulen ausgebildet, die mit dem Zen­ trum der Hauptstrahlungskeule zusammenfällt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die relativen Signalstärken zwischen den Grenzen der Differenzstrahlungskeulen und der Nullstelle sehr viel höher als die Signalstärkendifferenzen am Rand der Hauptstrahlungskeule sind. Durch Ausgestaltung des Flugkör­ persteuersystems in der Weise, daß der Empfänger des Flug­ körpers auf Signalstärkendifferenzen der Differenzstrah­ lungskeulen anspricht, ist es möglich, dafür zu sorgen, daß der Flugkörper auf der Nullstelle zwischen den Differenz­ strahlungskeulen oder definierten Positionen relativ zur Nullstelle bis zum Erreichen des Ziels "reitet".

Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Lenken eines Ob­ jekts mit Hilfe eines Radarinformationsfeldes dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Feld mittels eines Monopuls-Systems erzeugt wird, das ein Mehrhorn-Speisesystem aufweist, bei dem Hörnerpaare so erregt werden, daß mehrere Seitenkeulen erzeugt werden, die in der Feldmitte eine Nullstelle erzeu­ gen, wobei die Keule so gesteuert wird, daß die Nullstelle gegen einen Bestimmungsort oder ein Ziel gerichtet wird und das Objekt an einer definierten Position relativ zu der Null­ stelle positioniert wird, und wobei das Objekt eine Antenne und ein Empfangsmittel enthält, das abhängig von der Signal­ stärkendifferenz zwischen den Seitenkeulen des Informations­ feldes und der Nullstelle zum Lenken des Objekts zum Bestim­ mungsort oder Ziel arbeitet.

Vorzugsweise wird eine eigene Verfolgungsradarstrahlungskeu­ le erzeugt, mit der der Bestimmungsort oder das Ziel verfolgt wird, und das Radarinformationsfeld ist so ausgestaltet, daß es der Richtung der Verfolgungsstrahlungskeule folgt. Das Monopuls-Leitsystem ist vorzugsweise ein Speisesystem mit vier Hornstrahlern, in welchem vier getrennte Radarwellen- Energiekanäle in eine Radar-Reflektorantenne eingespeist werden. Wenn die Radarimpulse in jedem Speisekanal in Phase sind, wird eine schmale Zielstrahlungskeule zum Erfassen des Ziels erzeugt. Wenn jedoch zwei benachbarte Kanäle gegenpha­ sig bezüglich eines benachbarten Paares erregt werden, dann werden Seitenkeulen mit einer dazwischenliegenden Nullstelle erzeugt. Durch gegenphasiges Erregen aller benachbarten Paa­ re in einem Zeitmultiplexverfahren werden mehrere Seitenkeu­ len erzeugt, die eine ringartige Formation bilden, wobei ko­ axial mit der Verfolgungsstrahlungskeule eine zentrale Null­ stelle entsteht. Durch Positionieren des Flugkörpers oder anderen Objekts an der Nullstelle und durch Ausgestalten des Flugkörpers in der Weise, daß die Signalstärkedifferenz zwi­ schen den Seitenkeulen und der Nullstelle erfaßt wird, kann sich der Flugkörper bis nahe zum Objekt längs der Nullstelle bewegen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen, mittels des Prinzips des Strahlreitens geführ­ ten Flugkörpers,

Fig. 2 eine schematische Ansicht des erfindungsgemä­ ßen Systems,

Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Art und Weise, wie die verschiedenen Strah­ lungskeulen erfindungsgemäß erzeugt werden,

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm der beschriebenen Mi­ krowellenschaltungen zur Erzielung der Radar- Strahlungskeulenformationen von Fig. 3 und

Fig. 5 und 6 schematische Ansichten von HF-Empfangssystemen in einem gemäß der Erfindung geführten Flugkör­ per.

In Fig. 2 ist ein Radarsystem gemäß der Erfindung darge­ stellt, das aus einem Monopuls-Radarsystem mit einem Haupt­ parabolspiegel 22 besteht, der zur Verfolgung eines Ziels 26 gesteuert werden kann und in seinem Zentrum ein Speisesystem 24 mit vier Hornstrahlern aufweist, das vier getrennte Ra­ darenergiekanäle erzeugt, damit ein Strahlungskeulenfeld entsteht, wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Die Hauptverfolgungsstrahlungskeule T ist so angeordnet, daß sie das Ziel 26 verfolgt, während die Seitenkeulen (A, B, C, D) so angeordnet sind, daß sie einen Flugkörper 28 in einer noch zu beschreibenden Weise führen.

In Fig. 4 ist eine Mikrowellen-Energiequelle 40 dargestellt, bei der es sich beispielsweise um einen Gun-Effekt-Oszilla­ tor handeln kann, der an eine verstärkende Wanderfeldröhre 42 angeschlossen ist, damit an einem Wellenleiter 44 eine Ausgangsmikrowelle mit hoher Amplitude geliefert wird. Eine Mikrowellenschalteranordnung 46 ist so ausgebildet, daß die Mikrowellenenergie in ausgewählter Weise in Azimutkanäle 48 und/oder Elevationskanäle 50 eingespeist werden kann. Nach Fig. 3 sind die Azimutkanäle durch die Speisekanalpaare (a, c) und (b, d) definiert, wobei eine geeignete Erregung die­ ser Kanalpaare die Seitenkeulen A, C gemäß der Tabelle von Fig. 3 ergibt. Zur Erzielung der entsprechenden Umschaltung dieser Kanäle ist ein weiterer Schalter 52 vorgesehen, der für eine Ankopplung an Summen- und Differenzeingänge 54, 56 einer Differentialverzweigungsvorrichtung 58 (magisches T) sorgt, bei der es sich um eine bekannte Vorrichtung handelt, die an ihren Ausgängen entsprechende gegenphasige Signale in Abhängigkeit davon abgibt, ob ihr Summeneingang oder ihr Differenzeingang erregt ist.

Das für den Elevationswinkel zuständige Kanalsystem 50 gleicht dem System für den Azimutwinkel; gleiche Teile sind dabei jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Das Kanalsystem 50 bewirkt die Erregung der Speisekanalpaare (a, b) und (c, d) in Gegenphase bezüglich zueinander, wenn der Schalter 52 mit dem Eingang 56 verbunden ist, wodurch die Strahlungskeulen B und D erzeugt werden.

Als Alternative zu einer Differenzverzweigung (magisches T) kann eine elektronische Phasenverschiebungsanordnung gemäß Fig. 5 verwendet werden, um entsprechende Phasenverschie­ bungssignale für die Speisekanalpaare zu erzeugen.

Der durch das Radarinformationsfeld zu lenkende Flugkörper enthält ein Antennen- und Empfängersystem, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Fig. 5 zeigt einen Flugkörper 60, der nahe seinem hinteren Ende eine Antenne in Form eines Yagi-Anten­ nenfeldes mit einer Reihe metallischer Leiter an der Flug­ körperaußenfläche trägt. Dies ergibt eine Empfangsantenne mit einer angemessen schmalen Strahlungskeulenbreite für den Empfang von Radarimpulsen von der Basisstation; die Signale werden in einen Empfänger eingespeist, der einen Mischer 64 zum Mischen des Eingangssignals mit dem Überlagerungsoszil­ latorsignal, einen ZF-Verstärker 66 und einen einfachen Dio­ dendemodulator 68 enthält. Das demodulierte Signal wird in einem A/D-Umsetzer 70 abgetastet, und das digitalisierte Si­ gnal wird von einem Mikroprozessor 62 verarbeitet, damit an einem Ausgang 74 geeignete Ausgangssignale zum Steuern des Flugkörperleitsystems 76 erhalten werden.

Als Alternative zur der Anordnung von Fig. 5 kann ein einfa­ cher Quarzdemodulator gemäß Fig. 6 verwendet werden, der ein auf die Radarfrequenz abgestimmtes Filter 80, im Anschluß daran einen Diodendemodulator 82 und eine integrierte Schal­ tung 84 enthält.

Beim Betrieb der beschriebenen Anordnung erzeugt die Basis­ station eine Gruppe von Radarstrahlungskeulen. Dem Speisesy­ stem mit vier Hornstrahlern wird HF-Energie auf einer HF- Frequenz in Impulsen zugeführt. Die Impulse werden in einem Zeitmultiplexverfahren so verarbeitet, daß der erste Impuls alle vier Kanäle des Speisesystems gleichzeitig erregt, wo­ durch eine Hauptverfolgungsstrahlungskeule erzeugt wird. Nach Fig. 4 werden die Schalter 52 der Azimut- und Eleva­ tions-Kanäle 48, 50 an die Summiereingänge 54 geschaltet, wodurch im linken und im rechten Kanal phasengleiche Signale erzeugt werden, damit gemäß der Tabelle von Fig. 3 die in der Mitte liegende Verfolgungsstrahlungskeule entsteht.

Beim nächsten Impuls müssen die Seitenkeulen A und C erzeugt werden, wozu die Hornstrahler a und c mit Impulsen gespeist werden müssen, die gegenphasig bezüglich der Impulse in den Hornstrahlern b, d sind. Der Schalter 52 des Azimut-Kanals wird demgemäß an den Differenzeingang 56 geschaltet, wodurch an der linken und an der rechten Ausgangsleitung gegenphasi­ ge Signale erzeugt werden. Auf diese Weise wird die erfor­ derliche gegenphasige Erregung erzielt.

Beim nächsten Impuls müssen die Seitenkeulen B und D erzeugt werden; zu diesem Zweck werden die zwei Elevations-Kanäle a und b gegenphasig bezüglich der Elevations-Kanäle c und d erregt. Dies geschieht durch geeignetes Schalten innerhalb des Kanals 50. Mit dem nächsten Radarimpuls werden alle vier Hornstrahlerkanäle gleichzeitig und gleichphasig zur Erzeu­ gung der in der Mitte liegenden Führungsstrahlungskeule er­ regt.

In einer alternativen Ausführung werden Impulsfolgen vorge­ sehen, wobei die erste Folge von Radarimpulsen die mittlere Verfolgungsstrahlungskeule erzeugt, während die zweite und nachfolgende Impulse die Seitenkeulen erzeugen.

Bei einer solchen Anordnung kann die mittlere Strahlungskeu­ le das Ziel gemäß bekannter Prozeduren verfolgen, und die Radar-Parabolantenne 22 von Fig. 2 wird zur Verfolgung des Ziels in entsprechender Weise bewegt. Gleichzeitig werden die Seitenstrahlungskeulen nacheinander erregt, damit eine tiefe Nullstelle erzeugt wird, die koaxial bezüglich der Verfolgungsstrahlungskeule liegt. Die relativen Signalstär­ ken innerhalb der Nullstelle bezüglich der Seitenstrahlungs­ keulen betragen über den größten Teil der Nullstelle etwa 30 dB; dies ist offensichtlich eine sehr große Signaldiffe­ renz, die ganz einfach festgestellt werden kann. Gegen Ende der Seitenstrahlungskeulen nimmt gemäß Fig. 2 die relative Signalstärke innerhalb der Nullstelle und innerhalb der Strahlungskeule auf etwa 3 dB ab; dies reicht jedoch immer noch aus, einem einfachen Empfängersystem innerhalb des Flug­ körpers 8 die Erfassung der relativen Signal stärken zu er­ möglichen, wenn er das Ziel erreicht.

Das Empfangssystem des Flugkörpers zu dessen Lenkung inner­ halb der Nullstelle ist in Fig. 5 dargestellt; es enthält einen herkömmlichen Überlagerungsempfänger, der mit einem Dioden-Demodulator gekoppelt ist. Das Ausgangssignal des Dioden-Demodulators wird digitalisiert, und die digitali­ sierten Signale werden verarbeitet, damit geeignete Signale für das Flugkörperleitsystem geliefert werden. Da das Flug­ körperleitsystem bezüglich der Radarimpulse eine sehr lange Zeitkonstante hat, wird die Tatsache, daß die Seitenstrah­ lungskeulen zeitlich nacheinander erzeugt werden, für das Flugkörperleitsystem nicht erkennbar.

In alternativen Anordnungen kann das Flugkörperleitsystem so programmiert werden, daß es sich an einer radialen Position bezüglich der mittleren Nullstelle befindet.

Gemäß der Erfindung kann der Flugkörper das Ziel zwar errei­ chen, doch kann eine wahlweise Anordnung auf Wunsch auch so ausgestaltet sein, daß dann, wenn der Flugkörper sich dem Ziel 6 am Ende der Seitenstrahlungskeulen annähert, der Flug­ körper sich nahe genug beim Ziel befindet, um Reflexionen vom Ziel zu erfassen, so daß er in die Lage versetzt wird, sich dem Ziel mittels einer geeigneten Antennen- und Empfän­ geranordnung zu nähern.

Claims (11)

1. Verfahren zum Lenken eines Objekts mit Hilfe eines Ra­ darinformationsfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld mittels eines Monopuls-Systems erzeugt wird, das ein Mehr­ horn-Speisesystem aufweist, bei dem Hörnerpaare so erregt werden, daß mehrere Seitenkeulen erzeugt werden, die in der Feldmitte eine Nullstelle erzeugen, wobei die Keule so ge­ steuert wird, daß die Nullstelle gegen einen Bestimmungsort oder ein Ziel gerichtet wird und das Objekt an einer defi­ nierten Position relativ zu der Nullstelle positioniert wird, und wobei das Objekt eine Antenne und ein Empfangsmittel enthält, das abhängig von der Signalstärkendifferenz zwi­ schen den Seitenkeulen des Informationsfeldes und der Null­ stelle zum Lenken des Objekts zum Bestimmungsort oder Ziel arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweilige Hörner des Mehrhorn-Speisesystems mehrere Speisekanäle vorgesehen sind und daß die Speisekanäle im Zeitmultiplex erregt werden, damit in aufeinanderfolgenden Impulsen oder Impulsfolgen Seitenkeulen erzeugt werden, die zusammen eine mittlere Nullstelle definieren, und daß alle Speisekanäle gemeinsam in Phase erregt werden, damit eine zentrale Führungskeule erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem rechtwinkligen Feld vier Speisekanäle vorgesehen werden und einander benachbarte Kanalpaare gegenphasig er­ regt werden, damit in einem Zeitmultiplexschema ein Seiten­ keulenpaar in Azimutrichtung und ein Seitenkeulenpaar in Elevationsrichtung erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalstärkendifferenz ausrei­ chend groß ist, dem Objekt das Erreichen des Ziels oder des Bestimmungsorts zu ermöglichen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dann, wenn sich das Objekt dem Ziel nähert, das Objekt Radarsignale erfaßt, die von dem Ziel reflektiert werden, damit dem Objekt das Erreichen des Ziels ermöglicht wird.

6. Verfahren zum Lenken eines Objekts nach Anspruch 1 und im wesentlichen wie mit Bezugnahme auf die Zeichnung be­ schrieben.

7. Anordnung zum Lenken eines Objekts mittels eines Radar­ informationsfeldes, gekennzeichnet durch einen Monopulssen­ der mit einem Mehrhorn-Speisesystem zum Erzeugen eines Ra­ darfeldes mit mehreren Seitenkeulen, die eine mittlere Null­ stelle definieren, und einem Mittel zum Steuern des Mono­ pulssenders zum Lenken der Radarstrahlenkeule in der Weise, daß die Nullstelle gegen ein Ziel oder einen Bestimmungsort gerichtet ist, wobei das Objekt ein Mittel zum Erfassen der Signalstärke der Keule und zum Lenken des Objekts zu dem Ziel oder Bestimmungsort in Abhängigkeit von der erfaßten Signalstärke an einer Position innerhalb der zentralen Null­ stelle oder an einer definierten Position relativ zu der zentralen Nullstelle enthält

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Monopulssender mehrere Speisekanäle aufweist, die mit jeweiligen Hörnern des Mehrhorn-Speisesystems gekoppelt sind, sowie Schaltmittel zum Erregen der Kanäle im Zeitmultiplex aufweist, damit in aufeinanderfolgenden Impulsen oder Folgen von Impulsen Seitenkeulen erzeugt werden, indem ausgewählte Kanäle gegenphasig zur Festlegung der zentralen Nullstelle und alle Kanäle gleichphasig zur Erzeugung einer zentralen Führungskeule erregt werden.

9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch vier in einem rechtwinkligen Feld angeordnete Speisekanäle und einem Mittel zum gegenphasigen Erregen benachbarter Kanal­ paare zur Erzeugung von Seitenkeulenpaaren, die in Azimut­ richtung und in Elevationsrichtung angeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Azimutkanal und einen Elevationskanal aufweisen, wobei jeder dieser Kanäle eine Schaltvorrichtung zum gegenphasigen oder gleichphasigen Erregen von Speiseka­ nalpaaren abhängig vom Eingangskanal der ausgewählten Schalt­ vorrichtung enthält.

11. Anordnung nach Anspruch 7 und im wesentlichen wie mit Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.