DE977872C - Directional antenna stabilized in the room - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Richtantenne, deren Reflektor im Raum mittels einer Drallmasse stabilisiert ist und bei der zwecks Erzeugung einer Nachführbewegung der Richtantenne ein auf die Drallmasse wirkender Drehmomentengeber vorgesehen ist, der der Drallmasse eine der gewünschten Nachführbewegung entsprechende Präzession aufprägt. Diese Richtantenne ist besonders vorteilhaft im Zielsuchkopf eines zielsuchenden bzw. zielverfolgenden, nach dem Proportionalnavigationsverfahren gelenkten Flugkörpers verwendbar. Allerdings ist sie auch in weiteren Gebieten der Technik benutzbar, beispielsweise bei der Nachsteuerung von Richtantennen mit freiem Arbeitskreisel in beweglichen Stationen; derartige Richtantennen sind beispielsweise auf Schiffen montiert. The invention relates to a directional antenna whose reflector is stabilized in space by means of a swirl mass is and with the purpose of generating a tracking movement of the directional antenna on the swirl mass acting torque transducer is provided, which the swirl mass one of the desired tracking movement impresses corresponding precession. This directional antenna is particularly advantageous in the homing head a target-seeking or target-tracking missile guided according to the proportional navigation method usable. However, it can also be used in other areas of technology, for example in the readjustment of directional antennas with free working gyro in moving stations; such Directional antennas are mounted on ships, for example.

Ein Zielsuchkopf ist bekanntlich ein bordseitiges Gerät der Peil- oder Radartechnik, das die Drehgeschwindigkeit der Sichtlinie (Verbindungslinie zwischen Zielsuchkopf und Ziel) in einem raumfesten Koordinatensystem mißt. In einem bereits vorgeschlagenen Zielsuchkopf findet bei der Messung dieser Drehgeschwindigkeit ein kardanisch aufgehängter freier Arbeitskreisel Verwendung, auf denAs is well known, a homing head is an on-board device used in direction finding or radar technology that measures the rotational speed the line of sight (connecting line between the seeker head and the target) in a fixed location Coordinate system measures. In an already proposed seeker head takes place during the measurement this rotational speed a gimbal-mounted free working top use on the

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die der Zielpeilung dienende Richtantenne direkt montiert ist, wodurch dieselbe ihre räumliche Orientierung unabhängig von der Flugkörperbewegung immer beibehält und demzufolge raumfest mißt. Um die Antenne jedoch dem Ziel nachführen und die Drehgeschwindigkeit der Sichtlinie überhaupt messen zu können, sind bei dem bereits vorgeschlagenen Zielsuchkopf Momentengeber für Azimut und Elevation vorgesehen, die in Abhängigkeit der augenblicklichenthe directional antenna serving the target bearing is mounted directly, whereby the same its spatial orientation is always maintained regardless of the movement of the missile and consequently measures fixed in space. Around however, the antenna will track the target and measure the speed of rotation of the line of sight at all torque sensors for azimuth and elevation are in the already proposed homing head provided that depending on the instantaneous

ίο Zielablage von der Antennen-Peilachse gesteuert werden und den Kreisel in Zielrichtung zum Präzessieren zwingen. Wird der Kreisel hierbei mit einem Drehmoment beaufschlagt, so führt er eine entsprechende Präzessionsbewegung aus, welcher jedoch eine Nutation überlagert ist. Diese Nutation ist unerwünscht; sie kann in an sich bekannter Weise durch folgende Gleichungen beschrieben werden:ίο Target deposit controlled by the antenna bearing axis and force the top to precess in the target direction. If the gyro is here with a When torque is applied, it performs a corresponding precession movement, which however a nutation is superimposed. This nutation is undesirable; it can be done in a manner known per se can be described by the following equations:

A = A =

undand

ΘΘ y π?» +y π? » + .02.02 (1)(1) DD. T²D² + T ² D ² + 0202 (2)(2) DD.
~β'~ β '

wobei bedeuten:where mean:

A = Nutationsamplitude,
f = Nutationsfrequenz, A = nutation amplitude,
f = nutation frequency,

Θ = äquatoriales Trägheitsmoment des Kreisels, D = Drehimpuls des Kreisels, Θ = equatorial moment of inertia of the top, D = angular momentum of the top,

T = Zeitkonstante des Präzessionsmomentes.
Derartige bereits vorgeschlagene Zielsuchköpfe sind beispielsweise aus den deutschen Patentschriften 977 484, 977 622 und 977 623 entnehmbar.
Auf Grund der Kenntnis von Gleichung (1) versuchte man bisher, bei bereits vorgeschlagenen, die Drehgeschwindigkeit der Sichtlinie messenden Zielsuchköpfen das äquatoriale Trägheitsmoment Θ des jeweiligen freien Arbeitskreisels so klein wie möglich zu gestalten und den Drall D sehr groß zu wählen. Der große Drall erfordert jedoch starke Momente und damit einen recht großen wirtschaftlichen Aufwand, um eine bestimmte benötigte Präzessionsgeschwindigkeit ft> zu erreichen. Man mußte diesen Aufwand bisher zwangläufig in Kauf nehmen und konnte zusätzlich nur versuchen, die gewünschten Eigenschaften des Zielsuchkopfes durch eine entsprechende Wahl der Zeitkonstante T und eventuell durch eine zusätzliche Nutationsdämpfung zu erzielen. T = time constant of the precession moment.
Such target search heads, which have already been proposed, can be found in German patents 977 484, 977 622 and 977 623, for example.
Based on the knowledge of equation (1), attempts have hitherto been made to make the equatorial moment of inertia Θ of the respective free working gyro as small as possible and to select the twist D to be very large in the case of target seeker heads that have already been proposed and measure the rotational speed of the line of sight. However, the great twist requires strong moments and thus a very large economic outlay in order to achieve a certain required precession speed ft>. Up to now one had to accept this effort and in addition one could only try to achieve the desired properties of the target seeker head by an appropriate choice of the time constant T and possibly by an additional nutation damping.

Um die Amplitude der Nutationsschwingung klein zu halten, werden heute folgende Wege besehritten: a) Durch Wahl einer möglichst großen Zeitkonstanten T wird die Präzessionsbeschleunigung β - · . so klein wie möglich gehalten.
b) Durch großen Drall bei gegebenem äquatorialem Trägheitsmoment verringert man ebenfalls die Nutationsamplitude [siehe Gleichung (1)].
. c) Ferner besteht die Möglichkeit, eine Dämpfung der Nutationsschwingung vorzunehmen, indem man z. B. Mittel für eine viskose Dämpfung einbaut. Dies kann eine auf dem Kreiselkörper befestigte ringförmige Röhre sein, in der sich eine Flüssigkeit (z. B. Quecksilber) befindet, welche die Kreiselrotation mitmacht. Eine derartige Anordnung hat eine stark dämpfende Wirkung auf die Nutation, dämpft aber auch die Präzessionsbewegung. In order to keep the amplitude of the nutation vibration small, the following methods are used today: a) By choosing a time constant T that is as large as possible, the precession acceleration becomes β - ·. kept as small as possible.
b) A large twist for a given equatorial moment of inertia also reduces the nutation amplitude [see equation (1)].
. c) There is also the possibility of damping the nutation vibration by z. B. incorporates means for viscous damping. This can be a ring-shaped tube attached to the gyroscope body, in which there is a liquid (e.g. mercury) that takes part in the rotation of the gyroscope. Such an arrangement has a strong dampening effect on the nutation, but also dampens the precession movement.

Die drei hier angeführten Methoden ermöglichen, die Amplitude der Nutationsschwingungen klein zu halten — was allerdings auf Kosten der Präzessionsbeschleunigung und damit der gesamten Regelgeschwindigkeit des Zielsuchkopfes geht — und die entstandene Nutation möglichst stark zu dämpfen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Richtantenne der einleitend beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß bei einer ausreichenden Regelgeschwindigkeit geringere Amplituden der Nutationsschwingungen auftreten als bei bekannten oder bereits vorgeschlagenen Richtantennen dieser Art, und besteht darin, daß außer Mitteln zur zusätzlichen Erzeugung der den ersten zeitlichen Ableitungen ■- und der Momente M_x und M_y The three methods listed here make it possible to keep the amplitude of the nutation vibrations small - which, however, is at the expense of the precession acceleration and thus the overall control speed of the homing head - and to dampen the resulting nutation as much as possible. The invention is based on the object of improving a directional antenna of the type described in the introduction in such a way that, with a sufficient control speed, lower amplitudes of the nutation vibrations occur than with known or already proposed directional antennas of this type temporal derivatives ■ - and of the moments M _x and M _y

proportionalen elektrischen Größen noch Mittel zur Überlagerung der dem Geber für das Moment M_x zugeführten Steuergröße M_x mit der äM_y proportionalen elektrischen Größe und zur Überlagerung der dem Geber für das Moment M_y zugeführten Steuergröße My mit der AM_x proportionalen elektrischen Größe vorgesehen sind, wobei die Überlagerungen mit derartigen Amplituden und Phasen erfolgen, daß Nutationsschwingungen des Kreisels im wesentlichen unterdrückt sind.are proportional electrical quantities nor means for superimposing the the timer for the moment M _x supplied control size M _x with the AEM _y proportional electrical quantity and for superimposing the the timer for the moment M _y supplied control size My with the AM _x proportional electrical quantity are provided, the superimpositions taking place with such amplitudes and phases that nutation vibrations of the gyro are essentially suppressed.

Zum besseren Verständnis der dieser Erfindung zugrunde liegenden wesentlichen Erkenntnis sei die Entstehung der Nutation an dem im folgenden beschriebenen Beispiel ausführlich erläutert.For a better understanding of the essential knowledge on which this invention is based, let us consider the emergence of nutation is explained in detail using the example described below.

Gegeben sei ein kardanisch frei aufgehängter Arbeitskreisel. Dieser besitzt einen Drall D und ein äquatoriales Trägheitsmoment Θ. An diesem Kreisel sitzen Momentengeber, welche Momente um die X- und Y-Achsen eines rechtwinkligen Koordinatensystems erzeugen können.A gimbal freely suspended work top is given. This has a twist D and an equatorial moment of inertia Θ. Torque transmitters are located on this gyroscope and can generate torques around the X and Y axes of a right-angled coordinate system.

Erzeugt nun ein Momentengeber von außen ein um die .X-Achse gerichtetes Moment M_x, so präzessiert der Kreisel um die 90° gegen die zur Drall-Achse orthogonale Achse X versetzte Achse Y. Die Präzessionsgeschwindigkeit (üy ist dabei proportional dem Moment M_x; es gilt:Now generates a torque transducer from the outside directed to the .X-axis moment M _x, so the centrifugal precesses around 90 ° to the orthogonal to the spin axis X axis offset axis Y. The precession (uey is proportional to the moment M _x ; the following applies:

Wy ~ M_x. Wy ~ M _x . . (3) . (3)

Das äquatoriale Trägheitsmoment Θ_ν erfährt dann gleichzeitig eine Beschleunigung^, welche wiederum (Oy proportional ist; es gilt:The equatorial moment of inertia Θ _ν then simultaneously experiences an acceleration ^, which in turn is proportional to (Oy ; the following applies:

ßv-ny. (4) "5 ßv-ny. (4) "5

Während dieser Präzessionsbeschleunigung entsteht über das äquatoriale Trägheitsmoment Θ_ν weiterhin ein Drehmoment M_y; dieses ist der Präzessionsbewegung entgegengerichtet und proportional tao dem Produkt aus Trägheitsmoment Q_y und Beschleunigung ßy. Es gilt somit: _{During this precession acceleration} , a torque M _y continues to arise via the equatorial moment of inertia Θ ν; this is opposite to the precession movement and proportional tao to the product of the moment of inertia Q _y and the acceleration ßy. The following applies:

Μ_υ~Θ_ν·β_ν. (5) Μ _υ ~ Θ _ν β _ν . (5)

Dieses Moment M_y ist nun die eigentliche Ursache der Nutation. Würde nämlich bei einer Änderung desThis moment M _y is now the actual cause of the nutation. If the

Drehmomentes M_x dieses Moment M_y nicht entstehen, so würde der Kreisel dem äußeren Moment M_x entsprechend präzessieren, ohne daß eine Nutation auftritt.Torque M _x this moment M _y does not arise, the gyro would precess correspondingly to the external moment M _x without nutation occurring.

Da Kreiselsysteme immer ein äquatoriales Trägheitsmoment besitzen, so läßt sich bei Beaufschlagen des Kreisels mit dem von der Zeit t abhängigen Drehmoment M_x = f₁ (t) das FolgedrehmomentM_y = f₂[t) ~ Θ_υ· COy nicht vermeiden. Beide Momente M_x und ίο My können jedoch als bekannt angesehen werden, da zwischen den beiden Momenten folgender Zusammenhang besteht:Since gyro systems always have an equatorial moment of inertia, the following torque M _y = f ₂ [t) ~ Θ _υ · COy cannot be avoided when the gyro is loaded with the torque M _x = f ₁ (t), which is dependent on the time t. Both moments M _x and ίο My can, however, be regarded as known, since the following relationship exists between the two moments:

f(My) ~ f'{M_x) = f(My) ~ f'(M_x f (My) ~ f '{M _x ) = f (My) ~ f' (M _x

(6)(6)

Belegt man nun den Momentengeber der X-Achse mit einer Funktion M_x = /Ί(ί) und den Momentengeber der Y-Achse mit einer Funktion My₁ = —f_z{t) ~ —fi'{t), so wird das für den Kreisel verbleibende Präzessionsmoment der Y-Achse M_y -f- My₁ = O, und If you now assign a function M _x = / Ί (ί) to the torque transmitter of the X-axis and a function My ₁ = —f _z {t) ~ - fi '{t) for the torque transmitter of the Y-axis, this becomes for the gyro remaining precession moment of the Y-axis M _y -f- My ₁ = O, and

ao der Kreisel beschreibt eine reguläre Präzessionsbewegung entsprechend der Funktion M_x = f^t). Betrachtet man Gleichung (1) unter dem Gesichtspunkt eines derartigen Momentenpaares, so erscheint das während der Präzessionsbeschleunigung wirkungs-ao the top describes a regular precession movement according to the function M _x = f ^ t). If one considers equation (1) from the point of view of such a pair of moments, then this appears to be effective during the precession acceleration

*5 los gemachte Trägheitsmoment Θ in Gleichung (1) nicht mehr, und die Amplitude der Nutation wird Null.* 5 released moment of inertia Θ in equation (1) no longer, and the amplitude of the nutation becomes zero.

Die reguläre Präzession von Kreiselsystemen wirdThe regular precession of gyro systems becomes

gemäß der Lehre der Erfindung dadurch erreicht, daß jedes durch die Präzessionsbeschleunigung über das äquatoriale Trägheitsmoment Θ erzeugte Drehmoment, welches zur Nutation des Kreiselsystems führen würde, durch ein gleich großes, künstlich erzeugtes, entgegengesetzt gerichtetes Drehmoment kompensiert wird.achieved according to the teaching of the invention in that each torque generated by the precession acceleration via the equatorial moment of inertia Θ , which would lead to nutation of the gyro system, is compensated by an equally large, artificially generated, oppositely directed torque.

Die Kompensation der Rückwirkung des äqua-. torialen Trägheitsmomentes Θ hat folgende hauptsächlichen Vorteile:Compensation for the retroactive effect of the equa-. torial moment of inertia Θ has the following main advantages:

1. Freie konstruktive Gestaltung in Hinsicht auf das Verhältnis Θ j D [siehe Gleichung (1)].1. Free structural design with regard to the ratio Θ j D [see equation (1)].

2. Der Drall des Kreisels braucht nicht mehr extrem hoch sein. (Bei kleinem Drall und gegebenem Drehmoment ist die Präzessionsgeschwindigkeit groß.)2. The swirl of the top no longer needs to be extremely high. (With a small twist and a given torque the precession speed is great.)

3. Es werden durch diese Kompensation große Präzessionsbeschleunigungen zulässig, was in einer hohen Regelgeschwindigkeit zum Ausdruck kommt. An Hand der Abbildungen sei nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In Fig. 1 ist mit 1 die Richtantenne eines nach dem Proportionalnavigationsverfahren in Richtung auf ein Ziel gelenkten Flugkörpers bezeichnet, die der Messung der Drehgeschwindigkeit der Sichtlinie, d. h. der Verbindungslinie zwischen Flugkörper und Ziel, in einem raumfesten Koordinatensystem mit den orthogonalen Koordinatenachsen X und Y dient und die mittels eines vorzugsweise mechanisch mit ihr gekoppelten freien Arbeitskreisels 2 raumfest richtungsstabilisiert ist. Von dieser Richtantenne ist in der Abbildung lediglich der Reflektor gezeigt. Die Richtantenne 1 wird zusammen mit dem Kreisel 2 von den3. This compensation allows large precession accelerations, which is expressed in a high control speed. A preferred embodiment of the invention will now be described with reference to the figures. In Fig. 1, 1 denotes the directional antenna of a missile guided by the proportional navigation method in the direction of a target, which is used to measure the rotational speed of the line of sight, ie the connecting line between the missile and the target, in a fixed coordinate system with the orthogonal coordinate axes X and Y and which is directionally stabilized in a spatially fixed manner by means of a free working gyro 2, which is preferably mechanically coupled to it. Only the reflector of this directional antenna is shown in the figure. The directional antenna 1 is together with the gyro 2 of the

€0 Momentengebern 3 und 4 in Abhängigkeit von der augenblicklichen winkelmäßigen Zielablage <x von der Antennenpeilachse 5 gesteuert, indem der Kreisel im Sinne einer Nachrichtung der Richtantenne auf das Ziel zum Präzessieren gezwungen wird. Um diese Nachrichtung durchführen zu können, sind an die Antenne an sich bekannte, nicht gezeigte Mittel zur Erzeugung eines dem Winkel α entsprechenden Fehlersignals angeschlossen, die der Einrichtung 6 zum ■: Sichtlinien vergleich zugeführt werden. Das sich, bei diesem Vergleich ergebende Ausgangssignal dient zur Steuerung des Nachführungsgebers 7, der der getrennten Erzeugung der den Momenten M_x und M_y um die rechtwinklig aufeinanderstehenden Koordinatenachsen X und Y entsprechenden elektrischen Größen dient, welche in den Verstärkern 8 und 9 getrennt verstärkt und den Momentengebern 3 und 4 zugeführt werden.Torque sensors 3 and 4 are controlled by the antenna bearing axis 5 as a function of the current angular target offset <x , in that the gyro is forced to precess in the sense of a readjustment of the directional antenna towards the target. In order to be able to carry out this notification, means, known per se, not shown, for generating an error signal corresponding to the angle α are connected to the antenna and are fed to the device 6 for comparing lines of sight. The output signal resulting from this comparison is used to control the tracking encoder 7, which is used to separately generate the electrical quantities corresponding to the moments M _x and M _y around the mutually perpendicular coordinate axes X and Y, which are amplified and separately in the amplifiers 8 and 9 the torque sensors 3 and 4 are fed.

Die an Hand der Abbildungen bisher beschriebene Zielsuctikopf-Richtantenne entspricht dem Stand der Technik; auch ihre Bausteine sind an sich bekannt.The directional antenna described up to now on the basis of the illustrations corresponds to the status of Technology; their building blocks are also known per se.

Zum Vermeiden von Nutationsschwingungen beim Präzessieren des Arbeitskreisels sind im Sinne der Erfindung Mittel 10 und 11 zum Bilden der den ersten zeitlichen AbleitungenTo avoid nutation vibrations when precessing the working top are in the sense of Invention means 10 and 11 for forming the first time derivatives

d dd d

-r-M_x und -j- M_y der Momente M_x und M_y -rM _x and -j- M _{y of} the moments M _x and M _y

GtGt CXtCXt

proportionalen elektrischen Größen vorgesehen. Diese elektrischen Größen werden über Verstärker 12 und 13 den Momentengebern 3 und 4 zugeführt. Am Momentengeber 3 für M_x werden die elektrischen Größen von M_x und äM_y überlagert, am Momentengeber 4 für M_y die elektrischen Größen von M_y und AM_x. proportional electrical quantities provided. These electrical quantities are fed to the torque sensors 3 and 4 via amplifiers 12 and 13. The electrical quantities of M _x and M _{y are} superimposed on the torque transducer 3 for M _{x , and} the electrical quantities of M _y and AM _{x are} superimposed on the torque transducer 4 for M y.

In Fig. 2 ist eine Möglichkeit zur praktischen Anwendung der Erfindung dargestellt. Es handelt sich um ein Ausführungsbeispiel eines Zielsuchkopfes mit freiem Arbeitskreisel. Zu erkennen sind der kardanisch aufgehängte Arbeitskreisel und die mit ihm mechanisch gekoppelte Antenne. Weiterhin sind die um 90° versetzten Momentengeber dargestellt, welche mit dem Kurzschlußring zusammen arbeiten und welche erfindungsgemäß mit den oben im einzelnen erläuterten Signalen M_x + äM_y bzw. My + äM_x beaufschlagt werden. Dieser Zielsuchkopf zeigt beim Präzessieren im Regelkreis keine Nutation mehr.In Fig. 2 one possibility for the practical application of the invention is shown. It is an embodiment of a homing head with a free working top. The gimbal-mounted working top and the antenna mechanically coupled to it can be seen. Furthermore, the 90 ° offset torque generators are shown, which operate with the short-circuit ring together which are according to the invention applied to the above-explained in detail signals M _x + _y AEM or My + _x AEM. This homing head no longer shows nutation when precessing in the control loop.

Claims (1)

PATENTANSPRUCH:PATENT CLAIM: Richtantenne, deren Reflektor im Raum mittels einer Drallmasse stabilisiert ist und bei der zwecks Erzeugung einer Nachführbewegung der Richtantenne ein auf die Drallmasse wirkender Drehmomentengeber vorgesehen ist, der der Drallmasse eine der gewünschten Nachführbewegung entsprechende Präzession aufprägt, insbesondere zur Verwendung im Zielsuchkopf eines nach dem Proportionalnavigationsverfahren in Richtung auf ein Ziel lenkbaren Flugkörpers, dadurch gekenn- iao zeichnet, daß außer Mitteln zur zusätzlichen Erzeugung der den ersten zeitlichen AbleitungenDirectional antenna, the reflector of which is stabilized in space by means of a swirl mass and for the purpose of Generation of a tracking movement of the directional antenna by a torque transmitter acting on the swirl mass is provided, which corresponds to the swirl mass one of the desired tracking movement Precession impresses, in particular for use in the homing head according to the proportional navigation method in the direction of a target steerable missile, characterized in that apart from means for additional Generation of the first time derivatives —rp- und der Momente M_x und M_y propor--Rp- and the moments M _x and M _y proportional- tionalen elektrischen Größen noch Mittel zur Überlagerung der dem Geber für das Moment M_x zu-tional electrical quantities still means for superimposing the the giver for the moment M _x to- geführten Steuergröße Μ_Ά mit der äM_y proportionalen elektrischen Größe und zur Überlagerung der dem Geber für das Moment M_y zugeführten Steuergröße M_y mit der UM_x proportionalen elektrischen Größe vorgesehen sind, wobei die Überlagerungen mit derartigen Amplituden und Phasen erfolgen, daß Nutationsschwingungen des Kreisels im wesentlichen unterdrückt sind.slave controller size _Μ Ά with the AEM _y proportional electrical quantity and for superimposing the the timer for the moment M _y supplied control size M _y with the UM _x proportional electrical quantity are provided, and carried out the interference with such amplitude and phase that nutation of the gyroscope are essentially suppressed. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 977 484, 977 622, 623.Considered publications: German Patent Specifications Nos. 977 484, 977 622, 623. Hierzu ι Blatt ZeichnungenFor this purpose ι sheet of drawings © 109 651/2 12.71© 109 651/2 12.71