EP4232771B1 - Interceptor missile and method for steering same - Google Patents
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- EP4232771B1 EP4232771B1 EP21791293.0A EP21791293A EP4232771B1 EP 4232771 B1 EP4232771 B1 EP 4232771B1 EP 21791293 A EP21791293 A EP 21791293A EP 4232771 B1 EP4232771 B1 EP 4232771B1
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Classifications
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- F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
- F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
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- F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
- F42B10/00—Means for influencing, e.g. improving, the aerodynamic properties of projectiles or missiles; Arrangements on projectiles or missiles for stabilising, steering, range-reducing, range-increasing or fall-retarding
- F42B10/60—Steering arrangements
Definitions
- the invention relates to the guidance of an engine-driven steerable interceptor missile for intercepting a moving target, in particular a target missile, during a midcourse phase of the interception, and to such an interceptor missile.
- An interceptor missile is launched to defend against a moving target, particularly an approaching target missile. After a launch phase, in which the interceptor missile leaves its launch base and begins its flight roughly in the direction of the target, the midcourse phase of its flight follows. This serves to overcome most of the distance to the target and to get close to it, in particular so close that the interceptor missile's on-board systems are sufficient to hit the target accurately in an endgame following the midcourse phase.
- the EP 2 423 774 A1 describes a method for guiding a missile to a target whose possible destination is described by non-Gaussian statistics.
- a process means of the guided missile calculates a trajectory property of a trajectory to a target point during the flight and controls the flight of the guided missile depending on the trajectory property.
- unguided flight processes that influence the flight speed of the guided missile and are controlled by the process means are taken into account.
- the inclusion of future or current flight processes controlled by the process means into the flight control based on proportional navigation is possible, but complex. Such incorporation is easier if the process agent uses point-miss navigation instead of proportional navigation, in particular a method called Zero Effort Miss (ZEM) navigation.
- ZAM Zero Effort Miss
- the object of the invention is to propose improvements with regard to an interceptor missile or the guidance of an interceptor missile in the midcourse phase of its flight to a moving target.
- the interceptor missile or its flight is used to intercept a moving target, in particular a target missile.
- the guidance process can be referred to as model predictive guiding. It is carried out during a mid-course phase of the interception.
- the mid-course phase is the phase of the interceptor missile's flight from its launch to entry into the endgame.
- the endgame begins with the activation of the on-board target search sensors (seeker head).
- the target data comes in particular from the sensors of the higher-level weapon system and is transmitted to the interceptor via data link.
- the desired successful impact on the target represents the end of the mission.
- a mission abort (mission end) occurs if the target cannot be reached or is definitely missed or entry into the endgame is not possible or the interception is aborted or terminated for other reasons.
- the proposed control process then ends.
- the interceptor missile is actually or really guided as follows: At each steering time, the interceptor missile generates real steering commands for itself based on the free control parameters currently available in the interceptor missile at the steering time, which are in the form of a parameter vector. "Real" means that the interceptor missile can actually is steered. Additional values can optionally be included in the steering commands, e.g. (free) parameters that are not part of the parameter vector.
- the method assumes that when the interceptor missile enters the mid-course phase, i.e. when it is already in flight, or from this point onwards and preferably until the end of the mid-course phase or even beyond, there is always a current parameter vector of free control parameters for the interceptor missile, from which the real steering commands are then generated.
- This parameter vector forms in particular a suitable initial value for the steering, and if necessary also for optimization, as explained below.
- the free control parameters are optimized permanently and/or repeatedly during the midcourse phase using an optimization process to optimize the control parameters.
- This optimization or optimization process takes place in parallel with the actual steering.
- This can be understood to mean that the control parameters in the current parameter vector (the basis of the real steering) initially remain unchanged. In this case, it is not the parameters currently used for steering that are optimized directly, but rather - figuratively speaking - a copy or image of these control parameters or the parameter vector outside of the actual steering process.
- the optimization can also take place independently of the actual steering, which does not initially have to be influenced by the optimization taking place in parallel.
- Newly detected information on the movement of the target and/or information on the flight of the interceptor missile are incorporated into the optimization process as soon as they are available.
- the optimization process can therefore always be based on the most current and best available data on the circumstances of the current mission.
- Optimized control parameters are then adopted into the current parameter vector after, and in particular as soon as, they are available as a result of the optimization process. Only when the optimized parameters have been adopted into the current parameter vector, which is the basis for the real steering, do the optimized control parameters influence the actual steering. In the above picture, the optimized copy of the parameter vector is only then integrated, transferred or adopted into the parameter vector actually used for steering.
- the invention is based on the following core idea: An interceptor missile is guided in the midcourse phase in order to hit a moving and in particular (potentially) maneuvering target.
- the real steering commands are calculated from a vector (parameter vector) of free (control) parameters.
- These free parameters can be target trajectory angles, but they can also be target values for the lateral acceleration.
- the ignition times of the respective stages can be treated as free parameters or, in the case of a controllable engine, its target thrust or the time-discrete target thrust curve.
- the invention is based on the idea that these free parameters are permanently and/or repeatedly optimized during the midcourse phase using a search method for parameter optimization. This optimization takes place independently and in parallel to the actual steering. Whenever new information on the target movement or the flight path of the interceptor (interceptor missile) is available, it is included in the optimization to determine better, ideally optimal parameters. The improved parameters are used by the actual steering as soon as they are available.
- the optimization is carried out in particular with regard to an objective function (quality function / criterion / quality value), which in turn is based on a zero effort miss (ZEM) prediction of the trajectories of the target and interceptor.
- ZEM zero effort miss
- the prediction modified ZEM method
- the resulting trajectories are evaluated by the objective function (quality value).
- the interceptor evaluates how close the interceptor comes to the target (ZEM), what speed the interceptor has at the end of its trajectory (maneuverability in the endgame), how long the engagement lasts (Tgo), and at what angle the target and interceptor meet, as well as any other sub-criteria.
- the prediction of the target trajectory i.e. the trajectory of the target, is carried out in particular on the basis of suitable hypotheses.
- the target can be assumed to continue the current maneuver until it reaches a minimum approach speed and then continue to fly in a straight line with maximum thrust (evasive maneuver).
- attack targets that suggests corresponding target maneuvers.
- the target can also be assumed to have a ballistic or pseudo-ballistic trajectory.
- the hypotheses about the target trajectory are based on prior knowledge and the observation of the target trajectory up to the current point in time. There is extensive literature on this. The formation and use of hypotheses is not the subject of this invention.
- the free parameters to be optimized are used in particular, for example by implementing the target trajectory angles or the target values for the lateral acceleration using a behavior model of the missile, in the case of a multi-stage engine, the ignition times of the stages are selected accordingly, and in the case of an adjustable engine, the thrust or thrust curve is adjusted accordingly.
- the fuel consumption and mass loss as well as the existing restrictions are taken into account, as are the resistance and gravity in the known ZEM method.
- a step size control ensures in particular that events such as the ignition of an engine stage or the reaching of the ZEM are calculated precisely in terms of time.
- the following optimization process is carried out, whereby the steps or the process can be terminated or aborted at the end of the midcourse phase. This is followed by guidance of the interceptor missile in the endgame, which - like the launch phase - is not part of the present patent application.
- a predeterminable or predetermined parameter vector is selected as the current candidate of an MPC optimization method (Model Predictive Control).
- the MPC method is used to potentially determine control parameters that are improved compared to the predetermined parameter vector.
- the current candidate therefore forms a starting value for optimizing the control parameters using the MPC method.
- a set of possible candidates (first and further subsequent candidates) for an improved parameter vector is determined as follows in or by carrying out the MPC optimization process; each of the candidates is assigned a quality value, which is also determined as part of the MPC process.
- the set can contain any number of candidates, although there can also be just one candidate, which is always replaced, for example, when a better candidate is available.
- the number of candidates to be used is simply a question of the optimization process selected.
- powerful processes work with several candidates.
- the widely used Nelder-Mead process operates with a simplex of n+1 parameter vectors, where n is the length of the parameter vector. However, this is not important for the idea of the MPG or the present invention.
- the procedure section b) comprises steps c1) to c5):
- a modified ZEM procedure (Zero-Effort-Miss) is carried out on the current candidate as follows.
- the modified ZEM procedure comprises steps d1) to d4):
- iterative predictions are made at the respective step times as follows; the process section d1) comprises the steps d2) to d4):
- a possible intercept trajectory of the interceptor missile is predicted based on the current candidate, taking into account the guidance of the interceptor missile.
- the guidance is carried out using virtual guidance commands that are only generated as part of the optimization process and are not used for the actual guidance of the interceptor missile. Instead, the guidance commands are used to virtually determine the predicted trajectory.
- the virtual guidance commands can be generated in the same way as the real guidance commands. This creates a realistic simulation of the trajectory.
- a possible target trajectory of the target is predicted based on hypothetical maneuvers of the target.
- steps d2) to d3) are repeated iteratively until a ZEM approximation of the interceptor flight path and the target flight path is achieved.
- both flight paths and possibly a corresponding remaining flight time, see below) are available until the ZEM is reached (i.e. the minimum distance between the flight paths, ideally zero if the interceptor missile can actually reach the target according to the prediction).
- step c2) based on the results of the ZEM procedure (the results are in particular: trajectories, ZEM, predicted time duration Tgo of the Flight along the flight paths until reaching the ZEM, etc.) a current quality value is determined based on a quality criterion and assigned to the current candidate.
- a step c3) the current candidate is stored as the first or next candidate in the set of candidates.
- the current quality value is assigned to the candidate as a quality value and is also stored in the set.
- step c3) is reached for the first time, a first pair of values consisting of candidate and quality value is stored, the next time it is reached (see below) a second, then a third, and so on, until the MPC process is completed and the set of candidates is available. For example, after ten runs of steps c1) to c4), there are ten candidates with their quality values.
- step c4) the existence of an end criterion of the optimization or the MPC optimization process is checked. If this has not yet been reached, ie the MPC optimization process has not yet finished its optimization of the current candidates or candidates in the set, the two steps e1) and e2) are carried out:
- step e1) the current candidate is varied to a varied candidate using an MPC search procedure.
- a second candidate is created from the first candidate, a third from the second, and so on.
- the search procedure is used to numerically optimize the free parameters.
- step e2) the varied candidate just determined is adopted as the current candidate and the process continues with or returns to step c1).
- step c5) which represents the alternative to step c4), if the end criterion is reached, the process continues with step f): In step f), the process returns to step a) and continues from there.
- one of the currently available candidates is selected according to a correction criterion and the current parameter vector is replaced by the selected candidate.
- optimized control parameters are incorporated into the current parameter vector.
- the real steering commands can then be generated on a modified basis, namely on the basis of a modified parameter vector or optimized control parameters that have been improved in relation to the target.
- step c3) one or more of the candidates determined in the MPC process are rejected according to a rejection criterion and removed from the set together with their quality values. In this way, the set is kept small and unnecessary candidates are removed.
- the "modification" of the ZEM procedure consists in the fact that in a conventional or known or usual ZEM procedure both a virtual guidance of the interceptor missile based on a parameter vector in the form of the current candidate is taken into account, as well as hypothetical maneuvers for the target trajectory of the target.
- the procedure begins after launch, i.e. when the interceptor missile is already in flight. At the moment the procedure begins, it can therefore be assumed that a current parameter vector is already available that was used to guide the interceptor missile in the launch phase.
- the current parameter vector at the end of the launch phase can therefore be selected as a predefinable parameter vector of the procedure.
- the method can be terminated when the mid-course phase is finished and the endgame steering begins.
- Both the MPC and the ZEM method are known in various forms in the state of the art, so that they are not explained in more detail here. Any form of the respective known individual method can be used and combined in embodiments of the invention.
- the prediction step size in the ZEM method is controlled according to known procedures, e.g. in such a way that the time steps become smaller as the target is approached.
- “Hypothetical maneuvers" of the target are particularly possible: unaccelerated movement (zero effort), ballistic trajectory, known or suspected evasive maneuvers or any other a-prior knowledge about the target.
- passive effects such as non-controllable thrust, decreasing weight depending on fuel consumption, air resistance, etc. are taken into account in addition to the free parameters.
- zero effort miss guidance is combined with the model predictive control (MPC) approach.
- the control parameters for shaping the trajectory of the interceptor missile are optimized permanently (correction time) and online (i.e. during the midcourse phase, by the interceptor missile itself) using prediction models for the target (step d3), predicted course of the trajectory based on suspected maneuvers, etc.) and interceptor missile (interceptor, step d2, predicted course of the trajectory based on the guidance model, etc.).
- MPG Model Predictive Guidance
- the method makes it possible to use an estimate of the target acceleration (hypothetical maneuvers) to guide the interceptor missile.
- the proposed method provides a starting point for the guidance of a missile that approaches over long distances and has a controllable thrust profile (according to a free parameter), such as an interceptor missile based on a ramjet propulsion system (ramjet interceptor).
- ramjet interceptor a ramjet propulsion system
- a modified MPC is applied in the field of missile guidance.
- the combination of the MPC and ZEM prediction modified and working together in this way results in the guidance of an interceptor missile.
- the first process is the generation of Steering commands based on a parameter vector that is currently available (at the moment the steering command is generated).
- the second process is the optimization of the parameter vector.
- a set of possible alternative parameter vectors is generated and each of these parameter vectors is given a quality value.
- a modified ZEM prediction is used within the MPC method.
- an optimized parameter vector e.g. better quality value than the first parameter vector that corresponds to the current one from the steering command generation
- the first process then generates the steering commands on the basis of the improved, replaced parameter vector.
- Both processes run independently of each other in that a certain number of steering commands are generated from one and the same parameter vector before the parameter vector from the second process is replaced at a later point in time.
- the reason for this is, for example, that the MPC process takes a certain amount of time before an improved parameter vector is found, but in the meantime steering commands continue to be generated at shorter intervals.
- the predefinable parameter vector is specified by selecting the last current parameter vector of a start phase preceding the midcourse phase as the predefinable parameter vector.
- a parameter vector is selected that corresponds to the prediction of a direct approach to the target.
- two MPC evaluations are carried out based on these two different first candidates and the parameter vector that leads to the better quality value (quality, quality measure) is selected as the first candidate. This ensures good starting conditions for the MPC process in the midcourse phase.
- the correction time is chosen to be the reaching of the end criterion in step c5) and - as correction criterion - the candidate selected from the set to which the best quality value is assigned.
- the end of the optimization is therefore waited for and only then is the parameter vector actually used for steering replaced. This new parameter vector is the best (best quality value) for route guidance that could be determined using the optimization.
- step c3) is selected as the correction time and in step c3) the current candidate (which has just been or is being saved as a candidate in the set together with its quality value) is additionally adopted as the current parameter vector as a correction criterion if its assigned quality value is the best of all quality values previously present in the set.
- the current parameter vector i.e. the one used for the actual generation of steering commands, is not updated until after the optimization process has been completed (step c5)), but already during its processing. Optimizations are therefore incorporated earlier into the steering behavior and thus the flight path of the interceptor missile.
- step e1) the variation towards a further or varied candidate is carried out at least partially based on the previous candidates and their quality values.
- the candidates/quality values determined so far in the MPC method or set are thus used in the search method in order to enable an improved determination of a next potential candidate.
- the quality criterion contains at least as a sub-criterion: a minimum deviation from the target (ZEM, closest approach to/distance of the interceptor missile from the target) and/or a maximum final speed when hitting the target and/or a minimum remaining flight time to the target and/or a desired angle of impact on the target.
- ZMM minimum deviation from the target
- the corresponding sub-criteria or their result values are in particular assigned evaluation factors in order to ultimately generate a quality value. All of these sub-criteria are those which are ultimately decisive for a successful or even as effective approach to / combating the target.
- the method is designed for an interceptor missile whose engine is a solid fuel booster or a two-pulse engine or a controllable engine.
- the method takes into account in particular the remaining burn time for the mid-course phase in step d2).
- the ignition time for the ignition of the second engine stage is taken into account as a free parameter in the parameter vector and is also optimized in particular within the framework of the M PC method.
- the thrust control value or the course of the thrust control value over time is taken into account as a free control parameter in the parameter vector and is also optimized in particular.
- the weight of the interceptor missile which decreases with fuel consumption, is taken into account in particular in step d2).
- a currently predicted remaining flight time of the interceptor missile until its mission end is also determined.
- the end of the mission is in particular when it hits the target or reaches a minimum distance from the target (ZEM).
- This remaining flight time (also "Tgo") can also optionally be used as a free control parameter and/or as a sub-criterion for the quality criterion (e.g. the shortest possible remaining flight time) and/or for determining step sizes in the ZEM process.
- a current remaining flight time can then also be determined, namely as the time at which the ZEM is reached.
- the current parameter vector and thus in particular also the predefinable parameter vector and/or the current candidate, etc. is one in which at least one of the free parameters is a value based on the remaining flight time or a sequence of partial values based on the remaining flight time.
- a corresponding value is, for example, the ignition time mentioned above for a two-pulse engine.
- a thrust curve that runs over time in n or five steps (corresponding to the time periods) is used and optimized in step d2) for predicting the flight path of the interceptor missile.
- a variable thrust curve provides a free control parameter to enable the interceptor missile to react particularly well to highly agile evasive maneuvers by the target.
- the most current remaining flight time of the interceptor missile to the target is always predicted.
- the predicted remaining flight time is taken into account in step d2) in such a way that it is divided into a predeterminable number of time periods in the ZEM method, and a different partial value is taken into account for each time period.
- the parameter vector therefore contains a free parameter, which in turn is formed from a sequence of partial values and represents, for example, a thrust curve in 5 stages/time periods.
- the value or the partial values are an ignition point, which depends on the remaining flight time or is determined by reaching a certain point in time, or several ignition points of a respective first or further combustion stage of one or more engines of the interceptor missile.
- This embodiment is suitable for interceptor missiles that contain one or more single- or multi-stage engines, whereby such a stage of the engine can be assigned its own ignition point to be optimized.
- At least one of the values or partial values is a thrust control value dependent on the remaining flight time for an engine of the interceptor missile that is controllable with regard to its thrust.
- the dependency exists, for example, in a partial or continuous variation of the thrust during the remaining flight time.
- At least one of the partial values is a control value for a transverse acceleration element of the interceptor missile that depends on the remaining flight time.
- the control of a corresponding transverse acceleration element leads to a transverse acceleration, i.e. a change in direction of the interceptor missile.
- the statements made above regarding a controllable thrust curve apply accordingly to the control of a corresponding transverse acceleration according to a time curve.
- the current parameter vector (in particular also a predeterminable candidate, see above) is selected as one that contains at least two trajectory angles for the flight path of the interceptor missile as two free parameters. This results in a particularly simple optimization problem for the MPC method. This also enables a particularly fast reaction to highly agile targets, so that the interceptor missile can follow them particularly well.
- the object of the invention is also achieved by an interceptor missile according to claim 15.
- the interceptor missile is at least temporarily powered by its engine (at least one) during its flight and can be steered using real steering commands.
- the method can also continue to be used after all engines have burned out.
- it has a steering device, e.g. controllable rudders or transverse acceleration means, e.g. control nozzles, which are actuated using steering commands and serve to steer the flying interceptor missile.
- the interceptor missile also serves to intercept a target.
- the interceptor missile contains a current parameter vector of free control parameters for the interceptor missile, on the basis of which, as explained above, real steering commands for the steering are generated.
- the interceptor missile also contains a control and evaluation unit. The control and evaluation unit is set up to carry out the method according to the invention.
- interceptor missile and at least some of its embodiments as well as the respective advantages have already been explained in connection with the method according to the invention.
- the control and evaluation unit is set up, adapted or configured to carry out the method according to the invention. "Set up” / "adapted” / “configured” is to be understood in such a way that the control and evaluation unit is not only suitable for carrying out the relevant steps/functions, but rather has been specially designed for this purpose.
- the control and evaluation unit is "set up” accordingly, in particular by programming a computing device contained therein or by hardwiring it.
- the invention is based on the following findings, observations and considerations and also has the following embodiments.
- the embodiments are sometimes referred to as "the invention” for the sake of simplicity.
- the embodiments can also contain parts or combinations of the above-mentioned embodiments or correspond to them and/or possibly also include embodiments not previously mentioned.
- hypersonic weapons such as an HGV (hypersonic glide vehicle) or an HCM (hypersonic cruise missile) represent a new type of threat against which conventional interceptor missiles can hardly be used successfully.
- HGV hypersonic glide vehicle
- HCM hypersonic cruise missile
- the invention is based on the idea of using an interceptor missile, e.g. a so-called "Ramjet Interceptor” (RJI), namely a multi-stage missile based on a ramjet drive, against such hypersonic targets, i.e. against hypersonic weapons.
- RJI Radjet Interceptor
- the PIP approach is not sufficient because the approach of the interceptor missile takes a comparatively long time and the target can develop large deviations from an originally suitable PIP during this time.
- the interceptor missile sets its own PIP.
- significant target maneuvers in the mid-course phase result in a shift in the PIP and thus a deviation from the original optimal trajectory. Therefore, novel methods are based on classifying non-significant target maneuvers as such and avoiding unnecessary shifting of the PIP and the associated loss of energy.
- a concept for the explicit treatment of maneuvering targets in the mid-course phase is the aim of the present invention. As mentioned above, there are a large number of known solutions regarding endgame guidance (terminal guidance).
- the MPC approach in embodiments of the present invention consists in not only predicting the target and interceptor trajectories (flight paths of the target and interceptor missile) with a ZEM predictor, but also optimizing suitable control parameters using numerical, real-time search methods, e.g. in every nth steering cycle.
- the prediction of target and interceptor movement in particular based on the zero-effort approach, is a well-known concept.
- the estimated target accelerations can be used using game theory hypotheses.
- the goal can be to minimize the approach speed of the interceptor with the current maneuver (evasive maneuver).
- the method is based on the idea of free control parameters to be optimized.
- these can be the trajectory angles of the interceptor at the current time. If the optimization has determined the optimal trajectory angles, then These are interpreted as target path angles (changed current parameter vector) and commanded in the form of path steering (generation of the real steering commands).
- the method is used to guide an interceptor missile 2 that is driven by an engine 4 - here the thrust of which is controllable - and is steerable, here by the control of the tail units (not shown in detail).
- the steering is carried out by the implementation of real steering commands 6 in the interceptor missile 2 to the engine 4 and the tail units (not explained in detail).
- the interceptor missile 2 is used to intercept a target 8.
- the method is carried out exclusively in a midcourse phase PM of the flight of the interceptor missile 2, i.e. the interception of the target 8.
- the guidance is based on a current parameter vector 10.
- the parameter vector 10 contains a series, here three, of free control parameters SP1-3 for the interceptor missile 2.
- the control parameters SP1 and SP2 are trajectory angles
- the control parameter SP3 is a thrust control value for the engine 4, which comprises a total of five partial values SP3a-e.
- the respective remaining flight time Tgo of the interceptor missile 2 until impact with the target 8 is divided into five equal time periods. In each of these time periods, the engine 4 is controlled in turn by a corresponding thrust control value SP3a-e.
- the launch phase of the interceptor missile 2 has just ended and the midcourse phase PM begins.
- a current parameter vector 10 is available.
- a respective real steering command 6 is generated from the parameter vector 10 and the interceptor missile 2 is guided based on these steering commands 6.
- the method begins with a step a) in which a predefinable parameter vector 15 is selected as the current candidate 12 of an MPC optimization method 14.
- a predefinable parameter vector 15 is selected as the current candidate 12 of an MPC optimization method 14.
- the specification is made in such a way that the current parameter vector 10 available from the end of the start phase is used as the predefinable parameter vector 15.
- the MPC optimization method 14 is used to determine an improved parameter vector that is to replace the current parameter vector 10.
- the MPC optimization process 14 begins. Within this process (step or loop b)), a set of 16 possible candidates 18a-c, here three in the example, each with assigned quality values 20a-c is determined. Each of the candidates 18a-c is a possible parameter vector that could replace the parameter vector 10 if it would promise an improved mission success than the currently actually available parameter vector 10.
- a modified ZEM method 22 is now carried out in a step c1): In a step or loop d1), the following steps are carried out iteratively at respective step times t1, 2, 3,...: In a step d2), a possible intercept trajectory 24 of the interceptor missile 2 is predicted.
- virtual steering commands 7 (corresponding to the real steering commands 6) are determined based on the current candidate 12 at the respective step times t1, 2, 3,..., so that respective predicted locations (circles in the figure) of the interceptor missile 2 result.
- the trajectory 24 results from the temporal or spatial sequence of the locations. In other words, it is iteratively simulated how the interceptor missile 2 would move if the current candidate 12 were used as parameter vector 10 for its guidance.
- a target flight path 28 i.e. a flight path of the target 8
- locations corresponding to the step times t1, 2, 3,... and thus iteratively a target flight path 28, i.e. a flight path of the target 8 are predicted, but here taking into account a respective hypothetical flight maneuver 26 of the target 8.
- the target 8 flies a certain assumed evasive curve in order to escape the interceptor missile 2.
- steps d2) and d3) are repeated iteratively for as many times t1, 2, 3,... until a ZEM approximation 30 of intercept trajectory 24 and target trajectory 28 is reached. This terminates the ZEM method 22.
- the results 32 of the ZEM procedure 22 in the example are the achievable ZEM approach 30, an updated remaining flight time Tgo, the impact speed and the impact angle of the interceptor missile 2 at the target 8, etc.
- a current quality value 33 is determined for the respective candidate 12 on the basis of these results 32 and assigned to it. The assignment is made based on a quality criterion 36.
- a step c3) the current candidate 12 is stored together with its determined goods value 33 in the set 16 as candidate 18a-c with quality value 20a-c.
- the quality value 20a is assigned to candidate 18a
- the quality value 20b is assigned to candidate 18b and stored in the set 16, etc.
- a step c4) an end criterion 38 for the optimization process 14 is now checked. If this is not achieved, in a step e1), the current candidate 12 is varied using an MPC search process 40 to a varied candidate 42. This is adopted as the current candidate 12 in a step e2), and the MPC Optimization procedure 14 is started again with the now optimized or modified candidate 12.
- the optimization process 14 is run three times, resulting in three candidates 18a-c with assigned quality values 20a-c. Then the end criterion 38 is reached, namely the fixed number of three process runs.
- one of the candidates 18a-c is selected at a respective predeterminable correction time TK according to a correction criterion 44 and is used from then on as the current parameter vector 10 for the actual guidance of the interceptor missile 2.
- the correction time TK is always the reaching of the end criterion 38.
- the correction criterion 44 is the selection of the candidate 18a-c from the set 16 to which the best quality value 20a-c is assigned in the respective current set 16.
- step c3) is the correction time TK and (from the second test / determination of the quality value) to make the best of the candidates 18a-c tested so far the parameter vector 10. The best is present if its quality value 20b-c is better than the quality values 20a-c of the candidates 18a-c previously present in set 16.
- a currently predicted remaining flight time Tgo of the interceptor missile 2 to the target 8 is also determined in order to have a time basis for the use of the control parameters SP3a-e in step d2).
- An updated remaining flight time Tgo is also available as part of the result 32 at the end of each run of the ZEM method 22 and can be used from then on.
- the current parameter vector 10 is always present in the interceptor missile 2.
- the interceptor missile 2 also contains a control and evaluation unit 50, here a central computer, which is set up to carry out the method according to the invention.
- the "setup” here is carried out by means of appropriately powerful hardware and programming in order to implement the method.
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Description
Die Erfindung betrifft die Lenkung eines durch ein Triebwerk angetriebenen lenkfähigen Abfangflugkörpers zum Abfangen eines beweglichen Ziels, insbesondere eines Zielflugkörpers, während einer Midcourse-Phase des Abfangens und einen solchen Abfangflugkörper.The invention relates to the guidance of an engine-driven steerable interceptor missile for intercepting a moving target, in particular a target missile, during a midcourse phase of the interception, and to such an interceptor missile.
Ein Abfangflugkörper wird zur Abwehr eines beweglichen Ziels, insbesondere eines anfliegenden Zielflugkörpers, gestartet. Nach einer Startphase, in der der Abfangflugkörper seine Abschussbasis verlässt und seinen Flug grob in Richtung zum Ziel hin aufnimmt, schließt sich die Midcourse-Phase seines Fluges an. Diese dient dazu, den Großteil der Distanz zum Ziel zu überwinden und in dessen Nähe zu kommen, insbesondere so nah, dass bordeigene Systeme des Abfangflugkörpers ausreichen, das Ziel in einem sich an die Midcourse-Phase anschließenden Endgame zielgenau treffen zu können.An interceptor missile is launched to defend against a moving target, particularly an approaching target missile. After a launch phase, in which the interceptor missile leaves its launch base and begins its flight roughly in the direction of the target, the midcourse phase of its flight follows. This serves to overcome most of the distance to the target and to get close to it, in particular so close that the interceptor missile's on-board systems are sufficient to hit the target accurately in an endgame following the midcourse phase.
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, Verbesserungen hinsichtlich eines Abfangflugkörpers bzw. der Lenkung eines Abfangflugkörpers in der Midcourse-Phase seines Fluges zu einem beweglichen Ziel vorzuschlagen.The object of the invention is to propose improvements with regard to an interceptor missile or the guidance of an interceptor missile in the midcourse phase of its flight to a moving target.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zum Lenken eines durch ein Triebwerk angetriebenen lenkfähigen Abfangflugkörpers. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, sowie anderer Erfindungskategorien, ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.The object is achieved by a method according to claim 1 for steering a steerable interceptor missile driven by an engine. Preferred or advantageous embodiments of the invention, as well as other categories of invention, emerge from the further claims of the following description and the attached figures.
Der Abfangflugkörper bzw. dessen Flug dient zum Abfangen eines beweglichen Ziels, insbesondere eines Zielflugkörpers. Das Lenkverfahren kann als Model Predictive Guiding bezeichnet werden. Es wird während einer Midcourse-Phase des Abfangens durchgeführt. Die Midcourse-Phase ist die Phase des Fluges des Abfangflugkörpers von seinem Start bis zum Eintritt in das Endgame. Das Endgame beginnt mit der Aufschaltung der bordeigenen Zielsuchsensorik (Suchkopf). Während der Midcoursephase stammen die Zieldaten insbesondere aus der Sensorik des übergeordneten Waffensystems und werden per Datenlink an den Abfangkörper übermittelt. Das gewünschte erfolgreiche Auftreffen auf das Ziel stellt das Missionsende dar. Alternativ erfolgt ein Missionsabbruch (Missionsende), wenn das Ziel nicht erreicht werden kann oder endgültig verfehlt wird oder ein Eintritt in das Endgame nicht möglich ist oder das Abfangen aus sonstigen Gründen abgebrochen oder beendet wird. Dann endet auch das vorgeschlagene Steuerverfahren.The interceptor missile or its flight is used to intercept a moving target, in particular a target missile. The guidance process can be referred to as model predictive guiding. It is carried out during a mid-course phase of the interception. The mid-course phase is the phase of the interceptor missile's flight from its launch to entry into the endgame. The endgame begins with the activation of the on-board target search sensors (seeker head). During the mid-course phase, the target data comes in particular from the sensors of the higher-level weapon system and is transmitted to the interceptor via data link. The desired successful impact on the target represents the end of the mission. Alternatively, a mission abort (mission end) occurs if the target cannot be reached or is definitely missed or entry into the endgame is not possible or the interception is aborted or terminated for other reasons. The proposed control process then ends.
Der Abfangflugkörper wird tatsächlich bzw. real wie folgt gelenkt: Zu jeweiligen Lenkzeitpunkten erzeugt der Abfangflugkörper reale Lenkbefehle für sich selbst anhand von jeweils zum Lenkzeitpunkt im Abfangflugkörper aktuell vorliegenden freien Steuerparametern, die in Form eines Parametervektors vorliegen. "Real" bedeutet, dass der Abfangflugkörper mit Hilfe dieser so erzeugten Lenkbefehle tatsächlich gelenkt wird. Dabei können optional in die Lenkbefehle auch noch zusätzliche Werte einfließen, z.B. (freie) Parameter, die nicht Teil des Parametervektors sind.The interceptor missile is actually or really guided as follows: At each steering time, the interceptor missile generates real steering commands for itself based on the free control parameters currently available in the interceptor missile at the steering time, which are in the form of a parameter vector. "Real" means that the interceptor missile can actually is steered. Additional values can optionally be included in the steering commands, e.g. (free) parameters that are not part of the parameter vector.
Das Verfahren geht davon aus, dass beim Eintritt des Abfangflugkörpers in die Midcourse-Phase, wenn sich dieser also bereits im Flug befindet, bzw. ab diesem Zeitpunkt und zweckmäßigerweise bis zum Ende der Midcourse-Phase oder noch darüber hinaus, stets ein aktueller Parametervektor von freien Steuerparametern für den Abfangflugkörper vorliegt, aus dem dann die realen Lenkbefehle erzeugt werden. Dieser Parametervektor bildet insbesondere einen geeigneten Anfangswert für die Lenkung, gegebenenfalls auch für eine Optimierung, wie unten ausgeführt wird.The method assumes that when the interceptor missile enters the mid-course phase, i.e. when it is already in flight, or from this point onwards and preferably until the end of the mid-course phase or even beyond, there is always a current parameter vector of free control parameters for the interceptor missile, from which the real steering commands are then generated. This parameter vector forms in particular a suitable initial value for the steering, and if necessary also for optimization, as explained below.
Die freien Steuerparameter werden im Verlauf der Midcourse-Phase mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens zur Optimierung der Steuerparameter permanent und/oder repetierend optimiert. Diese Optimierung bzw. das Optimierungsverfahren findet parallel zum tatsächlichen Lenken statt. Das kann so verstanden werden, dass die Steuerparameter im aktuellen Parametervektor (Grundlage der realen Lenkung) zunächst unverändert bleiben. Optimiert werden in diesem Fall also nicht unmittelbar die aktuell zur Lenkung verwendeten Parameter, sondern - bildlich gesprochen - eine Kopie bzw. ein Abbild dieser Steuerparameter bzw. des Parametervektors außerhalb des tatsächlichen Lenkvorganges. Insofern kann die Optimierung auch unabhängig vom tatsächlichen Lenken stattfinden, das von der parallel hierzu stattfindenden Optimierung zunächst nicht beeinflusst werden muss.The free control parameters are optimized permanently and/or repeatedly during the midcourse phase using an optimization process to optimize the control parameters. This optimization or optimization process takes place in parallel with the actual steering. This can be understood to mean that the control parameters in the current parameter vector (the basis of the real steering) initially remain unchanged. In this case, it is not the parameters currently used for steering that are optimized directly, but rather - figuratively speaking - a copy or image of these control parameters or the parameter vector outside of the actual steering process. In this respect, the optimization can also take place independently of the actual steering, which does not initially have to be influenced by the optimization taking place in parallel.
Neu erkannte Informationen zur Bewegung des Ziels und/oder Informationen zum Flug des Abfangflugkörpers werden dabei in das Optimierungsverfahren einbezogen, sobald diese vorliegen. Das Optimierungsverfahren kann daher stets auf den aktuellsten und besten verfügbaren Daten über die Umstände der aktuellen Mission beruhen.Newly detected information on the movement of the target and/or information on the flight of the interceptor missile are incorporated into the optimization process as soon as they are available. The optimization process can therefore always be based on the most current and best available data on the circumstances of the current mission.
Optimierte Steuerparameter werden dann in den aktuellen Parametervektor übernommen, nachdem, insbesondere sobald, diese als Ergebnis aus dem Optimierungsverfahren vorliegen. Erst dann, wenn die optimierten Parameter in den aktuellen Parametervektor, der der realen Lenkung zu Grunde liegt, übernommen wurden, beeinflussen die optimierten Steuerparameter die tatsächliche Lenkung. Im obigen Bild gesprochen, wird also erst dann die optimierte Kopie des Parametervektors in den real zur Lenkung verwendeten Parametervektor integriert, überführt bzw. übernommen.Optimized control parameters are then adopted into the current parameter vector after, and in particular as soon as, they are available as a result of the optimization process. Only when the optimized parameters have been adopted into the current parameter vector, which is the basis for the real steering, do the optimized control parameters influence the actual steering. In the above picture, the optimized copy of the parameter vector is only then integrated, transferred or adopted into the parameter vector actually used for steering.
Die Erfindung beruht auf folgender Kernidee:
Ein Abfangflugkörper wird in der Midcoursephase gelenkt, um ein bewegliches und insbesondere (potenziell) manövrierendes Ziel zu treffen. Zu diesem Zweck werden die realen Lenkkommandos aus einem Vektor (Parametervektor) freier (Steuer-)parameter berechnet. Diese freien Parameter können Sollbahnwinkel sein, es können aber auch Sollwerte für die Querbeschleunigung sein. Darüber hinaus können im Falle eines mehrstufigen Triebwerks die Anzündzeitpunkte der jeweiligen Stufen als freie Parameter behandelt werden oder im Fall eines regelbaren Triebwerks dessen Sollschub oder der zeitdiskrete Sollschubverlauf. Die Erfindung beruht auf der Idee, dass diese freien Parameter mithilfe eines Suchverfahrens zur Parameteroptimierung im Verlauf der Midcoursephase permanent und/oder repetierend optimiert werden. Diese Optimierung findet unabhängig und parallel zur eigentlichen Lenkung statt. Wann immer neue Informationen zur Zielbewegung bzw. zum Flugverlauf des Interceptors (Abfangflugkörper) vorliegen, werden diese in die Optimierung zur Bestimmung besserer, idealerweise optimaler Parameter einbezogen. Die verbesserten Parameter werden, sobald diese vorliegen, von der eigentlichen Lenkung verwendet.The invention is based on the following core idea:
An interceptor missile is guided in the midcourse phase in order to hit a moving and in particular (potentially) maneuvering target. For this purpose, the real steering commands are calculated from a vector (parameter vector) of free (control) parameters. These free parameters can be target trajectory angles, but they can also be target values for the lateral acceleration. In addition, in the case of a multi-stage engine, the ignition times of the respective stages can be treated as free parameters or, in the case of a controllable engine, its target thrust or the time-discrete target thrust curve. The invention is based on the idea that these free parameters are permanently and/or repeatedly optimized during the midcourse phase using a search method for parameter optimization. This optimization takes place independently and in parallel to the actual steering. Whenever new information on the target movement or the flight path of the interceptor (interceptor missile) is available, it is included in the optimization to determine better, ideally optimal parameters. The improved parameters are used by the actual steering as soon as they are available.
Folgende Ausführungsformen bzw. Varianten der Erfindung sind denkbar:
Die Optimierung erfolgt insbesondere bezüglich einer Zielfunktion (Gütefunktion / - kriterium / Gütewert), die wiederum auf einer Zero Effort Miss (ZEM) Vorhersage der Flugbahnen von Ziel und Interceptor basiert. Sobald die nächste Annäherung von Ziel und Interceptor (ZEM) erreicht ist, wird die Vorhersage (modifiziertes ZEM-Verfahren) abgebrochen. Die resultierenden Flugbahnen werden von der Zielfunktion bewertet (Gütewert). Beispielsweise wird bewertet wie nahe der Interceptor dem Ziel kommt (ZEM), welche Geschwindigkeit der Interceptor am Ende seiner Flugbahn hat (Manövrierfähigkeit im Endgame), wie lange die Bekämpfung dauert (Tgo), und unter welchem Winkel sich Ziel und Interceptor treffen und beliebige weitere Teilkriterien.The following embodiments or variants of the invention are conceivable:
The optimization is carried out in particular with regard to an objective function (quality function / criterion / quality value), which in turn is based on a zero effort miss (ZEM) prediction of the trajectories of the target and interceptor. As soon as the closest approach of the target and interceptor (ZEM) is reached, the prediction (modified ZEM method) is aborted. The resulting trajectories are evaluated by the objective function (quality value). For example, it evaluates how close the interceptor comes to the target (ZEM), what speed the interceptor has at the end of its trajectory (maneuverability in the endgame), how long the engagement lasts (Tgo), and at what angle the target and interceptor meet, as well as any other sub-criteria.
Die Vorhersage der Zielflugbahn, also der Flugbahn des Ziels, erfolgt insbesondere auf Basis geeigneter Hypothesen. Beispielsweise kann dem Ziel unterstellt werden, dass es das aktuelle Manöver bis zum Erreichen einer minimalen Annäherungsgeschwindigkeit fortsetzt, um dann geradlinig mit maximalem Schub weiterzufliegen (Ausweichmanöver). Oder aber es liegen Informationen zu möglichen Angriffszielen vor, die auf entsprechende Zielmanöver schließen lassen. Genauso kann dem Ziel eine ballistische bzw. pseudoballistische Flugbahn unterstellt werden. Die Hypothesen zur Zielflugbahn basieren auf Vorwissen und der bis zum aktuellen Zeitpunkt erfolgten Beobachtung der Zielflugbahn. Hierzu gibt es umfangreiche Literatur. Die Hypothesenbildung und -Nutzung ist kein Gegenstand dieser Erfindung.The prediction of the target trajectory, i.e. the trajectory of the target, is carried out in particular on the basis of suitable hypotheses. For example, the target can be assumed to continue the current maneuver until it reaches a minimum approach speed and then continue to fly in a straight line with maximum thrust (evasive maneuver). Or there is information about possible attack targets that suggests corresponding target maneuvers. The target can also be assumed to have a ballistic or pseudo-ballistic trajectory. The hypotheses about the target trajectory are based on prior knowledge and the observation of the target trajectory up to the current point in time. There is extensive literature on this. The formation and use of hypotheses is not the subject of this invention.
In der Vorhersage der Interceptorflugbahn werden insbesondere die freien, zu optimierenden Parameter verwendet, indem beispielsweise die Sollbahnwinkel bzw. die Sollwerte für die Querbeschleunigung durch ein Verhaltensmodell des Flugkörpers umgesetzt werden, im Falle eines mehrstufigen Triebwerks die Anzündzeitpunkte der Stufen entsprechend gewählt werden und im Falle eines regelbaren Triebwerks der Schub- bzw. Schubverlauf entsprechend eingestellt wird. Dabei werden insbesondere der Treibstoffverbrauch und Masseverlust sowie die bestehenden Restriktionen (minimaler und maximaler regelbarer Schub, kein Schub nachdem der Treibstoff verbraucht ist) ebenso berücksichtigt wie bereits bei dem bekannten ZEM Verfahren der Widerstand und die Gravitation. Eine Schrittweitensteuerung sorgt insbesondere dafür, dass Ereignisse wie die Anzündung einer Triebwerksstufe oder das Erreichen des ZEM zeitlich präzise berechnet werden.In predicting the interceptor flight path, the free parameters to be optimized are used in particular, for example by implementing the target trajectory angles or the target values for the lateral acceleration using a behavior model of the missile, in the case of a multi-stage engine, the ignition times of the stages are selected accordingly, and in the case of an adjustable engine, the thrust or thrust curve is adjusted accordingly. In particular, the fuel consumption and mass loss as well as the existing restrictions (minimum and maximum adjustable thrust, no thrust after the fuel has been used up) are taken into account, as are the resistance and gravity in the known ZEM method. A step size control ensures in particular that events such as the ignition of an engine stage or the reaching of the ZEM are calculated precisely in terms of time.
Da die Berechnung der Zielfunktion jedes Mal die relativ aufwändige schrittweitengesteuerte Simulation der Bekämpfung beinhaltet, ist es insbesondere sinnvoll, Suchverfahren zu verwenden, die mit relativ wenigen Iterationen das Optimum oder zumindest eine signifikante Verbesserung erreichen. Dazu sind gradientenbasierte Verfahren aufgrund der notwendigen Approximation des Gradienten durch Differenzquotienten eher ungeeignet. Als sehr robust hat sich das Simplexverfahren nach Nelder Mead erwiesen. Dieses ist seit ca. 60 Jahren im Stand der Technik bekannt.Since the calculation of the objective function always involves the relatively complex step-size-controlled simulation of the control, it is particularly useful to use search methods that achieve the optimum or at least a significant improvement with relatively few iterations. Gradient-based methods are rather unsuitable for this due to the necessary approximation of the gradient using difference quotients. The simplex method according to Nelder Mead has proven to be very robust. This has been known in the state of the art for around 60 years.
Gemäß der Erfindung wird aufgrund der laufend aktualisierten Steuerparameter und deren Verwendung zur realen Lenkung eine verbesserte Lenkung des Abfangflugkörpers zum Ziel hin erreicht.According to the invention, improved guidance of the interceptor missile towards the target is achieved due to the continuously updated control parameters and their use for real guidance.
In einer bevorzugten Ausführungform des Verfahrens wird folgendes Optimierungsverfahren durchgeführt, wobei die Schritte bzw. das Verfahren am Ende der Midcourse-Phase beendet bzw. abgebrochen werden können. Es folgt anschließend eine Lenkung des Abfangflugkörpers im Endgame, die - wie die Startphase - nicht Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung ist.In a preferred embodiment of the method, the following optimization process is carried out, whereby the steps or the process can be terminated or aborted at the end of the midcourse phase. This is followed by guidance of the interceptor missile in the endgame, which - like the launch phase - is not part of the present patent application.
In einem Schritt a) wird ein vorgebbarer bzw. vorgegebener Parametervektor als aktueller Kandidat eines MPC-Optimierungsverfahrens (Model Predictive Control) gewählt. Das MPC-Verfahren dient zur potentiellen Ermittlung von gegenüber dem vorgegebenen Parametervektor verbesserten Steuerparametern. Der aktuelle Kandidat bildet also einen Startwert für eine Optimierung der Steuerparameter anhand des M PC-Verfahrens.In step a), a predeterminable or predetermined parameter vector is selected as the current candidate of an MPC optimization method (Model Predictive Control). The MPC method is used to potentially determine control parameters that are improved compared to the predetermined parameter vector. The current candidate therefore forms a starting value for optimizing the control parameters using the MPC method.
In einem Schritt bzw. Verfahrensabschnitt b) wird im bzw. mittels Durchführung des MPC-Optimierungsverfahrens ein Satz möglicher Kandidaten (erster und weitere nachfolgende Kandidaten) für einen verbesserten Parametervektor wie folgt ermittelt; dabei wird jedem der Kandidaten ein Gütewert zugeordnet, der ebenfalls im Rahmen des MPC-Verfahrens ermittelt wird. Dabei kann der Satz beliebig viele Kandidaten enthalten, wobei auch nur ein Kandidat vorliegen kann, der z.B. stets dann ersetzt wird, wenn ein besserer Kandidat vorliegt. Die Anzahl der zu verwendenden Kandidaten ist lediglich eine Frage des gewählten Optimierungsverfahrens. Natürlich arbeiten leistungsfähige Verfahren mit mehreren Kandidaten. Beispielsweise operiert das weit verbreitete Verfahren nach Nelder-Mead mit einem Simplex aus n+1 Parametervektoren, wobei n die Länge des Parametervektors bezeichnet. Das spielt aber für die Idee der MPG bzw. der vorliegenden Erfindung keine Rolle. Selbst ein "dummes" Verfahren zur Zufallssuche nach dem Motto, man variiere zufällig den aktuellen Parametervektor, bewerte das Ergebnis und fahre im Falle einer Verbesserung mit der Variation als neuem aktuellen Parametervektor fort, würde funktionieren. (Abgesehen von der ausufernden Rechenzeit.) Der Satz beinhaltet also insbesondere 1 bis n Kandidaten, wobei n vom Optimierungsverfahren abhängt, das jedoch nicht Gegenstand der Erfindung ist.In a step or process section b), a set of possible candidates (first and further subsequent candidates) for an improved parameter vector is determined as follows in or by carrying out the MPC optimization process; each of the candidates is assigned a quality value, which is also determined as part of the MPC process. The set can contain any number of candidates, although there can also be just one candidate, which is always replaced, for example, when a better candidate is available. The number of candidates to be used is simply a question of the optimization process selected. Of course, powerful processes work with several candidates. For example, the widely used Nelder-Mead process operates with a simplex of n+1 parameter vectors, where n is the length of the parameter vector. However, this is not important for the idea of the MPG or the present invention. Even a "stupid" random search process based on the motto of randomly varying the current parameter vector, evaluating the result and, in the event of an improvement, continuing with the variation as the new current parameter vector, would work. (Apart from the excessive computing time.) The sentence therefore contains in particular 1 to n candidates, where n depends on the optimization method, which, however, is not the subject of the invention.
Der Verfahrensabschnitt b) umfasst die Schritte c1) bis c5):
In einem Schritt bzw. Verfahrensabschnitt c1) wird anhand des aktuellen Kandidaten ein modifiziertes ZEM-Verfahren (Zero-Effort-Miss) wie folgt durchgeführt. Das modifizierte ZEM-Verfahren umfasst die Schritte d1) bis d4):
In einem Schritt bzw. Verfahrensabschnitt d1) werden zu jeweiligen Schrittzeitpunkten wie folgt iterativ prädiziert; der Verfahrensabschnitt d1) umfasst die Schritte d2) bis d4):The procedure section b) comprises steps c1) to c5):
In a step or process section c1), a modified ZEM procedure (Zero-Effort-Miss) is carried out on the current candidate as follows. The modified ZEM procedure comprises steps d1) to d4):
In a step or process section d1), iterative predictions are made at the respective step times as follows; the process section d1) comprises the steps d2) to d4):
In einem Schritt d2) wird eine mögliche Abfangflugbahn des Abfangflugkörpers unter Berücksichtigung der Lenkung des Abfangflugkörpers anhand des aktuellen Kandidaten prädiziert. Die Lenkung erfolgt dabei anhand von virtuellen Lenkbefehlen, die nur im Rahmen des Optimierungsverfahrens erzeugt, nicht aber zur realen Lenkung des Abfangflugkörpers eingesetzt werden. Die Lenkbefehle dienen stattdessen dazu, die prädizierte Flugbahn virtuell zu ermitteln. Die Erzeugung der virtuellen Lenkbefehle kann allerdings identisch zur Erzeugung der realen Lenkbefehle erfolgen. Somit entsteht eine wirklichkeitsgetreue Simulation der Flugbahn.In a step d2), a possible intercept trajectory of the interceptor missile is predicted based on the current candidate, taking into account the guidance of the interceptor missile. The guidance is carried out using virtual guidance commands that are only generated as part of the optimization process and are not used for the actual guidance of the interceptor missile. Instead, the guidance commands are used to virtually determine the predicted trajectory. However, the virtual guidance commands can be generated in the same way as the real guidance commands. This creates a realistic simulation of the trajectory.
In einem Schritt d3) wird eine mögliche Zielflugbahn des Ziels auf Basis hypothetischer Manöver des Ziels prädiziert.In a step d3), a possible target trajectory of the target is predicted based on hypothetical maneuvers of the target.
In einem Schritt bzw. einer Schleife d4) werden die Schritte d2) bis d3) iterativ so lange bzw. so oft wiederholt, bis eine ZEM-Annäherung von Abfangflugbahn und Zielflugbahn erreicht ist. Nach Ende der Schleife liegen damit beide Flugbahnen (und ggf. eine entsprechende Restflugzeit, siehe unten) bis zum Erreichen des ZEM (also des minimalen Abstandes der Flugbahnen, im Idealfall Null, wenn der Abfangflugkörper das Ziel gemäß Prädiktion tatsächlich erreichen kann) vor. Nun wird wie folgt mit Schritt c2) fortgefahren:
In einem Schritt c2) wird auf Basis der Ergebnisse des ZEM-Verfahrens (die Ergebnisse sind insbesondere: Flugbahnen, ZEM, prädizierte Zeitdauer Tgo des Fluges entlang der Flugbahnen bis zum Erreichen des ZEM, usw.) ein aktueller Gütewert anhand eines Gütekriteriums ermittelt und dem aktuellen Kandidaten zugeordnet.In a step or loop d4), steps d2) to d3) are repeated iteratively until a ZEM approximation of the interceptor flight path and the target flight path is achieved. At the end of the loop, both flight paths (and possibly a corresponding remaining flight time, see below) are available until the ZEM is reached (i.e. the minimum distance between the flight paths, ideally zero if the interceptor missile can actually reach the target according to the prediction). Now continue with step c2) as follows:
In a step c2), based on the results of the ZEM procedure (the results are in particular: trajectories, ZEM, predicted time duration Tgo of the Flight along the flight paths until reaching the ZEM, etc.) a current quality value is determined based on a quality criterion and assigned to the current candidate.
In einem Schritt c3) wird der aktuelle Kandidat als erster oder weiterer Kandidat zusammen im Satz der Kandidaten abgelegt. Der aktuelle Gütewert wird dem Kandidaten als Gütewert zugeordnet und ebenfalls im Satz gespeichert. Beim ersten Erreichen des Schrittes c3) wird also ein erstes Wertepaar aus Kandidat und Gütewert abgelegt, beim nächsten Erreichen (siehe unten) ein zweites, dann ein drittes usw., bis das MPC-Verfahren abgeschlossen ist und somit der Satz von Kandidaten vorliegt. Z.B. sind dies nach zehn Durchläufen der Schritte c1) bis c4) zehn Kandidaten mit ihren Gütewerten.In a step c3), the current candidate is stored as the first or next candidate in the set of candidates. The current quality value is assigned to the candidate as a quality value and is also stored in the set. When step c3) is reached for the first time, a first pair of values consisting of candidate and quality value is stored, the next time it is reached (see below) a second, then a third, and so on, until the MPC process is completed and the set of candidates is available. For example, after ten runs of steps c1) to c4), there are ten candidates with their quality values.
In einem Schritt c4) wird das Vorliegen eines Endekriteriums der Optimierung bzw. des MPC-Optimierungsverfahrens geprüft. Falls dieses noch nicht erreicht ist, d.h. das MPC-Optimierungsverfahren seine Optimierung der jeweils aktuellen Kandidaten bzw. Kandidaten im Satz noch nicht beendet hat, werden die beiden Schritte e1) und e2) ausgeführt:
Im Schritt e1) wird anhand eines MPC-Suchverfahrens der aktuelle Kandidat zu einem variierten Kandidaten hin variiert. Aus dem ersten Kandidaten entsteht so ein zweiter Kandidat, aus dem zweiten ein dritter usw. Das Suchverfahren dient der numerischen Optimierung der freien Parameter.In a step c4), the existence of an end criterion of the optimization or the MPC optimization process is checked. If this has not yet been reached, ie the MPC optimization process has not yet finished its optimization of the current candidates or candidates in the set, the two steps e1) and e2) are carried out:
In step e1), the current candidate is varied to a varied candidate using an MPC search procedure. A second candidate is created from the first candidate, a third from the second, and so on. The search procedure is used to numerically optimize the free parameters.
Im Schritt e2) wird der eben ermittelte variierte Kandidat fortan als aktueller Kandidat übernommen und es wird mit Schritt c1) fortgefahren bzw. zu diesem zurückgekehrt.In step e2), the varied candidate just determined is adopted as the current candidate and the process continues with or returns to step c1).
In einem Schritt c5), der die Alternative zum Schritt c4) darstellt, falls nämlich das Endekriterium erreicht ist, wird mit Schritt f) fortgefahren:
In einem Schritt f) wird zu Schritt a) zurückgekehrt und das Verfahren dort fortgesetzt.In a step c5), which represents the alternative to step c4), if the end criterion is reached, the process continues with step f):
In step f), the process returns to step a) and continues from there.
Während der gesamten Midcourse-Phase bzw. der Ausführung der oben genannten Verfahrensschritte wird (im gewissen Sinne parallel hierzu) zu vorgebbaren Korrekturzeitpunkten nach einem Korrekturkriterium einer der gerade verfügbaren Kandidaten ausgewählt und der aktuelle Parametervektor durch den ausgewählten Kandidaten ersetzt. Dadurch werden optimierte Steuerparameter in den aktuellen Parametervektor übernommen. Ab diesem Zeitpunkt kann dann die Erzeugung der realen Lenkbefehle auf einer modifizierten Grundlage erfolgen, nämlich auf Basis eines geänderten bzw. in Bezug auf das Ziel verbesserten Parametervektors bzw. optimierten Steuerparametern.During the entire midcourse phase or the execution of the above-mentioned process steps, (in a certain sense parallel to this) at predefined At correction times, one of the currently available candidates is selected according to a correction criterion and the current parameter vector is replaced by the selected candidate. This means that optimized control parameters are incorporated into the current parameter vector. From this point on, the real steering commands can then be generated on a modified basis, namely on the basis of a modified parameter vector or optimized control parameters that have been improved in relation to the target.
Optional werden in Schritt c3) einer oder mehrere der im MPC-Verfahren ermittelten Kandidaten nach einem Verwerfungskriterium verworfen und zusammen mit ihren Gütewerten aus dem Satz entfernt. So wird der Satz entsprechend klein gehalten und nicht benötigte Kandidaten entfernt.Optionally, in step c3), one or more of the candidates determined in the MPC process are rejected according to a rejection criterion and removed from the set together with their quality values. In this way, the set is kept small and unnecessary candidates are removed.
Die "Modifikation" des ZEM Verfahrens besteht also darin, dass in einem herkömmlichen bzw. bekannten bzw. üblichen ZEM-Verfahren sowohl eine virtuelle Lenkung des Abfangflugkörpers anhand eines Parametervektors in Form des aktuellen Kandidaten berücksichtigt wird, als auch hypothetische Manöver für die Zielflugbahn des Ziels.The "modification" of the ZEM procedure consists in the fact that in a conventional or known or usual ZEM procedure both a virtual guidance of the interceptor missile based on a parameter vector in the form of the current candidate is taken into account, as well as hypothetical maneuvers for the target trajectory of the target.
Das Verfahren beginnt nach dem Start, also wenn sich der Abfangflugkörper schon im Flug befindet. Im Moment des Beginns des Verfahrens ist daher davon auszugehen, dass bereits ein aktueller Parametervektor vorliegt, der zur Lenkung des Abfangflugkörpers in der Startphase diente. Der aktuelle Parametervektor am Ende der Startphase kann daher insbesondere als vorgebbarer Parametervektor des Verfahrens gewählt werden.The procedure begins after launch, i.e. when the interceptor missile is already in flight. At the moment the procedure begins, it can therefore be assumed that a current parameter vector is already available that was used to guide the interceptor missile in the launch phase. The current parameter vector at the end of the launch phase can therefore be selected as a predefinable parameter vector of the procedure.
Der Abbruch des Verfahrens kann erfolgen, wenn die Midcourse-Phase beendet ist und mit der Endgame-Lenkung begonnen wird. Sowohl das MPC-, also auch das ZEM-Verfahren sind in verschiedensten Ausprägungen im Stand der Technik bekannt, sodass diese vorliegend nicht näher erläutert werden. Jegliche Ausprägungen der jeweiligen bekannten Einzelverfahren können verwendet und in Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden. Insbesondere erfolgt beispielsweise eine Steuerung der Prädiktionsschrittweite im ZEM-Verfahren nach bekannten Vorgehensweisen, z.B. derart, dass die Zeitschritte bei einer Annäherung an das Ziel kleiner werden. Als "Hypothetische Manöver" des Ziels kommen insbesondere infrage: unbeschleunigte Bewegung (Zero Effort), ballistischer Flugbahnverlauf, bekannte oder vermutete evasive Manöver oder jegliches sonstige a-prior-Wissen über das Ziel. Bei der Flugbahnermittlung des Abfangflugkörpers und/oder des Ziels werden neben den freien Parametern insbesondere zusätzlich passive Effekte, wie z.B. ein nicht regelbarer Schub, ein abnehmendes Gewicht je nach Treibstoffverbrauch, ein Luftwiderstand usw. berücksichtigt.The method can be terminated when the mid-course phase is finished and the endgame steering begins. Both the MPC and the ZEM method are known in various forms in the state of the art, so that they are not explained in more detail here. Any form of the respective known individual method can be used and combined in embodiments of the invention. In particular, for example, the prediction step size in the ZEM method is controlled according to known procedures, e.g. in such a way that the time steps become smaller as the target is approached. As "Hypothetical maneuvers" of the target are particularly possible: unaccelerated movement (zero effort), ballistic trajectory, known or suspected evasive maneuvers or any other a-prior knowledge about the target. When determining the trajectory of the interceptor missile and/or the target, passive effects such as non-controllable thrust, decreasing weight depending on fuel consumption, air resistance, etc. are taken into account in addition to the free parameters.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Zero Effort-Miss-Lenkung (ZEM) mit dem Ansatz der modellprädiktiven Regelung (Model Predictive Control, MPC) kombiniert. Die Steuerparameter zur Gestaltung der Trajektorie des Abfangflugkörpers werden permanent (Korrekturzeitpunkt) und online (also während des Verlaufes der Midcourse-Phase, vom Abfangflugkörper selbst) unter Verwendung von Vorhersagemodellen für Ziel (Schritt d3), prädizierter Verlauf der Flugbahn aufgrund von vermuteten Manövern etc.) und Abfangflugkörper (Interceptor, Schritt d2, prädizierter Verlauf der Flugbahn aufgrund von Lenkungsmodell etc.) optimiert.According to one embodiment of the invention, zero effort miss guidance (ZEM) is combined with the model predictive control (MPC) approach. The control parameters for shaping the trajectory of the interceptor missile are optimized permanently (correction time) and online (i.e. during the midcourse phase, by the interceptor missile itself) using prediction models for the target (step d3), predicted course of the trajectory based on suspected maneuvers, etc.) and interceptor missile (interceptor, step d2, predicted course of the trajectory based on the guidance model, etc.).
Das Verfahren kann somit auch als "Model Predictive Guidance (MPG)" bezeichnet werden.The procedure can therefore also be called "Model Predictive Guidance (MPG)".
Gemäß dem Verfahren ergibt sich die Möglichkeit, eine Schätzung der Zielbeschleunigung (hypothetische Manöver) für die Lenkung des Abfangflugkörpers zu nutzen. Das vorgeschlagene Verfahren bildet einen Ansatzpunkt für die Lenkung eines über weite Strecken anfliegenden Flugkörpers mit (gemäß einem freien Parameter) steuerbarem Schubprofil, wie z.B. einem Abfangflugkörper auf Basis eines Ramjet-Antriebs (Ramjet-Interceptor).The method makes it possible to use an estimate of the target acceleration (hypothetical maneuvers) to guide the interceptor missile. The proposed method provides a starting point for the guidance of a missile that approaches over long distances and has a controllable thrust profile (according to a free parameter), such as an interceptor missile based on a ramjet propulsion system (ramjet interceptor).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine modifizierte MPC auf dem Gebiet der Flugkörperlenkung angewendet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ergibt sich die derart modifizierte und zusammenwirkende Kombination der MPC und ZEM-Prädiktion zur Lenkung eines Abfangflugkörpers (Interceptor).According to one embodiment of the invention, a modified MPC is applied in the field of missile guidance. According to one embodiment of the invention, the combination of the MPC and ZEM prediction modified and working together in this way results in the guidance of an interceptor missile.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung laufen während der Midcourse-Phase insbesondere zwei Vorgänge bzw. Prozesse nebeneinander bzw. parallel und in gewisser Weise unabhängig voneinander ab: Der erste Prozess ist die Erzeugung von Lenkbefehlen anhand eines jeweils aktuell (im Moment der Erzeugung des Lenkbefehls) vorliegenden Parametervektors. Der zweite Prozess ist die Optimierung des Parametervektors. Anhand des MPC Verfahrens wird hierbei ein Satz von möglichen alternativen Parametervektoren erzeugt und jeder dieser Parametervektoren mit einem Gütewert bewertet. Innerhalb des MPC Verfahrens wird hierbei eine modifizierte ZEM-Prädiktion verwendet. Anhand des zweiten Prozesses wird gegebenenfalls, nämlich falls ein solcher gefunden wird, ein optimierter Parametervektor (z.B. besserer Gütewert als der erste Parametervektor, der dem aktuellen aus der Lenkbefehl-Erzeugung entspricht) ausgewählt und der aktuelle Parametervektor im ersten Prozess durch den optimierten Parametervektor ersetzt. Im ersten Prozess erfolgt sodann die Erzeugung der Lenkbefehle auf Basis des verbesserten, ersetzten Parametervektors.According to one embodiment of the invention, during the midcourse phase, two processes in particular run alongside each other or in parallel and to a certain extent independently of each other: The first process is the generation of Steering commands based on a parameter vector that is currently available (at the moment the steering command is generated). The second process is the optimization of the parameter vector. Using the MPC method, a set of possible alternative parameter vectors is generated and each of these parameter vectors is given a quality value. A modified ZEM prediction is used within the MPC method. Using the second process, if one is found, an optimized parameter vector (e.g. better quality value than the first parameter vector that corresponds to the current one from the steering command generation) is selected and the current parameter vector in the first process is replaced by the optimized parameter vector. The first process then generates the steering commands on the basis of the improved, replaced parameter vector.
Beide Prozesse laufen insbesondere insofern unabhängig voneinander, dass eine gewisse Anzahl von Lenkbefehlen aus ein und demselben Parametervektor erzeugt wird, bevor zu einem späteren Zeitpunkt der Parametervektor aus dem zweiten Prozess ersetzt wird. Grund hierfür ist zum Beispiel, dass das MPC Verfahren eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, bevor ein verbesserter Parametervektor gefunden wurde, jedoch in der Zwischenzeit weiterhin Lenkbefehle in kürzeren Zeitabständen erzeugt werden.Both processes run independently of each other in that a certain number of steering commands are generated from one and the same parameter vector before the parameter vector from the second process is replaced at a later point in time. The reason for this is, for example, that the MPC process takes a certain amount of time before an improved parameter vector is found, but in the meantime steering commands continue to be generated at shorter intervals.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird - wie oben bereits erläutert - in Schritt a) der vorgebbare Parametervektor dadurch vorgegeben, dass der letzte aktuelle Parametervektor einer der Midcourse-Phase vorhergehenden Startphase als vorgebbarer Parametervektor gewählt wird. In einer alternativen Ausführungsform wird ein Parametervektor gewählt, der der Prädiktion eines direkten Anflugs auf das Ziel entspricht. Insbesondere werden zwei MPC-Bewertungen basierend auf diesen beiden unterschiedlichen ersten Kandidaten durchgeführt und derjenige Parametervektor als erster Kandidat gewählt, welcher zum besseren Gütewert (Güte, Gütemaß) führt. So werden gute Startbedingungen für das MPC-Verfahren in der Midcourse Phase sichergestellt.In a preferred embodiment - as already explained above - in step a) the predefinable parameter vector is specified by selecting the last current parameter vector of a start phase preceding the midcourse phase as the predefinable parameter vector. In an alternative embodiment, a parameter vector is selected that corresponds to the prediction of a direct approach to the target. In particular, two MPC evaluations are carried out based on these two different first candidates and the parameter vector that leads to the better quality value (quality, quality measure) is selected as the first candidate. This ensures good starting conditions for the MPC process in the midcourse phase.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Korrekturzeitpunkt das Erreichen des Endekriteriums in Schritt c5) gewählt und - als Korrekturkriterium - derjenige Kandidat aus dem Satz ausgewählt, dem der beste Gütewert zugeordnet ist. Somit wird das Ende der Optimierung abgewartet und erst dann der real zur Lenkung verwendete Parametervektor ersetzt. Dieser neue Parametervektor ist der beste (bester Gütewert) zur Zielführung, der anhand der Optimierung ermittelt werden konnte.In a preferred embodiment, the correction time is chosen to be the reaching of the end criterion in step c5) and - as correction criterion - the candidate selected from the set to which the best quality value is assigned. The end of the optimization is therefore waited for and only then is the parameter vector actually used for steering replaced. This new parameter vector is the best (best quality value) for route guidance that could be determined using the optimization.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Korrekturzeitpunkt der Schritt c3) gewählt und in Schritt c3) wird zusätzlich - als Korrekturkriterium - der aktuelle Kandidat (der gerade als Kandidat im Satz zusammen mit seinem Gütewert abgespeichert wurde oder wird) als aktueller Parametervektor übernommen, falls dessen zugeordneter Gütewert der beste aller bisher im Satz vorhandenen Gütewerte ist. Somit erfolgt nicht erst nach Abschluss des Optimierungsverfahrens (Schritt c5)), sondern bereits während dessen Abarbeitung eine jeweilige Aktualisierung des aktuellen, das heißt für die reale Erzeugung von Lenkbefehlen verwendeten, Parametervektors. Optimierungen gehen somit früher in das Lenkverhalten und somit die Flugbahn des Abfangflugkörpers ein.In a preferred embodiment, step c3) is selected as the correction time and in step c3) the current candidate (which has just been or is being saved as a candidate in the set together with its quality value) is additionally adopted as the current parameter vector as a correction criterion if its assigned quality value is the best of all quality values previously present in the set. This means that the current parameter vector, i.e. the one used for the actual generation of steering commands, is not updated until after the optimization process has been completed (step c5)), but already during its processing. Optimizations are therefore incorporated earlier into the steering behavior and thus the flight path of the interceptor missile.
Diese Strategie der Ersetzung des aktuellen Parametervektors gemäß der genannten Alternativen kann auch für verschiedene Verfahrensdurchläufe des MPC-Verfahrens variiert werden.This strategy of replacing the current parameter vector according to the mentioned alternatives can also be varied for different iterations of the MPC procedure.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt e1) die Variation zu einem weiteren bzw. variierten Kandidaten hin zumindest teilweise aufgrund der bisherigen Kandidaten und deren Gütewerte vorgenommen. Einer oder mehrere oder alle der bisher im MPC-Verfahren bzw. Satz ermittelten Kandidaten / Gütewerte werden also im Suchverfahren benutzt, um eine verbesserte Bestimmung eines nächsten potentiellen Kandidaten zu ermöglichen.In a preferred embodiment, in step e1) the variation towards a further or varied candidate is carried out at least partially based on the previous candidates and their quality values. One or several or all of the candidates/quality values determined so far in the MPC method or set are thus used in the search method in order to enable an improved determination of a next potential candidate.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Gütekriterium zumindest als Teilkriterium: eine minimale Ablage vom Ziel (ZEM, nächste Annäherung an / Abstand des Abfangflugkörpers vom Ziel) und/oder eine maximale Endgeschwindigkeit beim Auftreffen auf das Ziel und/oder eine minimale Restflugzeit zum Ziel und/oder einen gewünschten Auftreffwinkel auf das Ziel. Die entsprechenden Teilkriterien bzw. deren Ergebniswerte sind hierbei insbesondere mit Bewertungsfaktoren belegt, um schlussendlich einen Gütewert zu erzeugen. Bei all diesen Teilkriterien handelt es sich um solche, die schlussendlich entscheidend für eine erfolgreiche oder sogar möglichst wirkungsvolle Annäherung an / Bekämpfung des Ziels sind.In a preferred embodiment, the quality criterion contains at least as a sub-criterion: a minimum deviation from the target (ZEM, closest approach to/distance of the interceptor missile from the target) and/or a maximum final speed when hitting the target and/or a minimum remaining flight time to the target and/or a desired angle of impact on the target. The corresponding sub-criteria or their result values are in particular assigned evaluation factors in order to ultimately generate a quality value. All of these sub-criteria are those which are ultimately decisive for a successful or even as effective approach to / combating the target.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren für einen Abfangflugkörper ausgestaltet, dessen Triebwerk ein Feststoffbooster oder ein Zweipulstriebwerk oder ein steuerbares Triebwerk ist. Bei einem Feststoffbooster wird im Verfahren insbesondere dessen für die Midcourse- Phase verbleibende restliche Brennzeit im Schritt d2) berücksichtigt. Bei einem Zweipulstriebwerk wird insbesondere dessen Anzündzeitpunkt für die Zündung der zweiten Triebwerkstufe als freier Parameter im Parametervektor berücksichtigt und insbesondere auch im Rahmen des M PC-Verfahrens optimiert. Bei einem steuerbaren (bzw. regelbaren) Triebwerk, z.B. einem Ramjet, wird insbesondere dessen Schubsteuerwert bzw. der Verlauf des Schubsteuerwertes über der Zeit als freier Steuerparameter im Parametervektor berücksichtigt und insbesondere optimiert. Für alle drei Varianten wird im Schritt d2) insbesondere das mit einem Brennstoffverbrauch abnehmende Gewicht des Abfangflugkörpers berücksichtigt.In a preferred embodiment, the method is designed for an interceptor missile whose engine is a solid fuel booster or a two-pulse engine or a controllable engine. In the case of a solid fuel booster, the method takes into account in particular the remaining burn time for the mid-course phase in step d2). In the case of a two-pulse engine, the ignition time for the ignition of the second engine stage is taken into account as a free parameter in the parameter vector and is also optimized in particular within the framework of the M PC method. In the case of a controllable (or adjustable) engine, e.g. a ramjet, the thrust control value or the course of the thrust control value over time is taken into account as a free control parameter in the parameter vector and is also optimized in particular. For all three variants, the weight of the interceptor missile, which decreases with fuel consumption, is taken into account in particular in step d2).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a) zusätzlich eine aktuell vorhergesagte Restflugzeit des Abfangflugkörpers bis zu seinem Missionsende ermittelt. Das Missionsende ist insbesondere das Treffen mit dem Ziel bzw. das Erreichen eines Mindestabstandes zum Ziel (ZEM). Auch diese Restflugzeit (auch "Tgo") kann optional als freier Steuerparameter und/oder als Teilkriterium für das Gütekriterium (z.B. möglichst geringe Restflugzeit) und/oder für eine Ermittlung von Schrittweiten im ZEM-Verfahren verwendet werden. Im Rahmen der ZEM-Prädiktion kann dann auch jeweils eine aktuelle Restflugzeit ermittelt werden, nämlich als Zeitpunkt des Erreichens des ZEM.In a preferred embodiment, in step a) a currently predicted remaining flight time of the interceptor missile until its mission end is also determined. The end of the mission is in particular when it hits the target or reaches a minimum distance from the target (ZEM). This remaining flight time (also "Tgo") can also optionally be used as a free control parameter and/or as a sub-criterion for the quality criterion (e.g. the shortest possible remaining flight time) and/or for determining step sizes in the ZEM process. As part of the ZEM prediction, a current remaining flight time can then also be determined, namely as the time at which the ZEM is reached.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird als aktueller Parametervektor und damit insbesondere auch als vorgebbarer Parametervektor und/oder als aktueller Kandidat usw., ein solcher verwendet, bei dem mindestens einer der freien Parameter ein an der Restflugzeit orientierter Wert oder eine an der Restflugzeit orientierte Folge von Teilwerten ist. Ein entsprechender Wert ist zum Beispiel der oben genannte Anzündzeitpunkt für ein Zweipulstriebwerk. Eine Folge von Teilwerten wird beispielsweise für den Schubsteuerwert (als freier Parameter) eines steuerbaren Triebwerks wie folgt gewählt: die jeweils in einem Optimierungsverfahren verbleibende Restflugzeit zum Ziel wird in n, z.B. n=5, insbesondere gleich lange Zeitabschnitte unterteilt und jedem Zeitabschnitt wird ein bestimmter Schubsteuerwert als Teilwert konstant zugeordnet. Im Optimierungsverfahren wird somit ein in n bzw. fünf Treppenstufen (entsprechend den Zeitabschnitten) zeitlich verlaufender Schubverlauf in Schritt d2) für die Prädiktion der Flugbahn des Abfangflugkörpers verwendet und optimiert. Insbesondere steht mit einem variablen Schubverlauf ein freier Steuerparameter zur Verfügung, um seitens des Abfangflugkörpers besonders gut auf hochagile Ausweichmanöver des Ziels reagieren zu können. Für diese Verfahrensvariante wird also stets eine möglichst aktuelle Restflugzeit des Abfangflugkörpers zum Ziel prädiziert.In a preferred variant of this embodiment, the current parameter vector and thus in particular also the predefinable parameter vector and/or the current candidate, etc., is one in which at least one of the free parameters is a value based on the remaining flight time or a sequence of partial values based on the remaining flight time. A corresponding value is, for example, the ignition time mentioned above for a two-pulse engine. A sequence of partial values is used, for example, for the thrust control value (as a free parameter) of a controllable engine as follows: the remaining flight time to the target in an optimization process is divided into n, e.g. n=5, in particular equal-length time periods, and a specific thrust control value is constantly assigned to each time period as a partial value. In the optimization process, a thrust curve that runs over time in n or five steps (corresponding to the time periods) is used and optimized in step d2) for predicting the flight path of the interceptor missile. In particular, a variable thrust curve provides a free control parameter to enable the interceptor missile to react particularly well to highly agile evasive maneuvers by the target. For this process variant, the most current remaining flight time of the interceptor missile to the target is always predicted.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform (in der Alternative bzw. Variante einer Folge von Teilwerten) wird daher - wie oben schon beispielhaft erläutert - in Schritt d2) die vorhergesagte Restflugzeit derart berücksichtigt, dass diese im ZEM-Verfahren in eine vorgebbare Anzahl von Zeitabschnitten aufgeteilt wird, und für jeden Zeitabschnitt ein jeweils anderer der Teilwerte berücksichtigt. Wie oben erläutert enthält somit der Parametervektor einen freien Parameter, der wiederum aus einer Wertefolge der Teilwerte gebildet ist und zum Beispiel einen Schubverlauf in 5 Stufen / Zeitabschnitten darstellt.In a preferred variant of this embodiment (in the alternative or variant of a sequence of partial values), as already explained above by way of example, the predicted remaining flight time is taken into account in step d2) in such a way that it is divided into a predeterminable number of time periods in the ZEM method, and a different partial value is taken into account for each time period. As explained above, the parameter vector therefore contains a free parameter, which in turn is formed from a sequence of partial values and represents, for example, a thrust curve in 5 stages/time periods.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist - wie oben bereits sinngemäß erläutert - der Wert oder die Teilwerte ein von der Restflugzeit abhängiger bzw. durch das Erreichen eines bestimmten Zeitpunktes bestimmter Anzündzeitpunkt oder mehrere Anzündzeitpunkte einer jeweiligen ersten oder weiteren Brennstufe eines oder mehrerer Triebwerke des Abfangflugkörpers. Dieser Ausführungsform eignet sich für Abfangflugkörper, die ein oder mehrere ein- oder mehrstufige Triebwerke enthalten, wobei einer solchen Stufe des Triebwerks ein eigener zu optimierender Anzündzeitpunkt zugeordnet sein kann.In a preferred variant of this embodiment - as already explained above - the value or the partial values are an ignition point, which depends on the remaining flight time or is determined by reaching a certain point in time, or several ignition points of a respective first or further combustion stage of one or more engines of the interceptor missile. This embodiment is suitable for interceptor missiles that contain one or more single- or multi-stage engines, whereby such a stage of the engine can be assigned its own ignition point to be optimized.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist - wie oben bereits sinngemäß erläutert - mindestens einer der Werte oder Teilwerte ein von der Restflugzeit abhängiger Schubsteuerwert für ein bezüglich seiner Schubkraft steuerbares Triebwerk des Abfangflugkörpers. Hier besteht die Abhängigkeit z.B. in einer abschnittsweisen oder kontinuierlichen Variierung der Schubkraft während der Restflugzeit.In a preferred variant of this embodiment - as already explained above - at least one of the values or partial values is a thrust control value dependent on the remaining flight time for an engine of the interceptor missile that is controllable with regard to its thrust. Here, the dependency exists, for example, in a partial or continuous variation of the thrust during the remaining flight time.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist mindestens einer der Teilwerte ein von der Restflugzeit abhängiger Steuerwert für ein Querbeschleunigungselement des Abfangflugkörpers. Die Ansteuerung eines entsprechenden Querbeschleunigungselements führt zu einer Querbeschleunigung, d.h. Richtungsänderung des Abfangflugkörpers. Für eine Ansteuerung einer entsprechenden Querbeschleunigung gemäß einem Zeitverlauf gelten sinngemäß die Ausführungen, die oben zu einem steuerbaren Schubverlauf getroffen wurden.In a preferred variant of this embodiment, at least one of the partial values is a control value for a transverse acceleration element of the interceptor missile that depends on the remaining flight time. The control of a corresponding transverse acceleration element leads to a transverse acceleration, i.e. a change in direction of the interceptor missile. The statements made above regarding a controllable thrust curve apply accordingly to the control of a corresponding transverse acceleration according to a time curve.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als aktueller Parametervektor (insbesondere auch vorgebbarer, Kandidaten, siehe oben) ein solcher gewählt, der mindestens zwei Bahnwinkel für die Flugbahn des Abfangflugkörpers als zwei freie Parameter enthält. Somit ergibt sich ein besonders einfaches Optimierungsproblem für das MPC-Verfahren. Auch hierdurch ist eine besonders schnelle Reaktion auf hochagile Ziele möglich, sodass diesen durch den Abfangflugkörper besonders gut gefolgt werden kann.In a preferred embodiment, the current parameter vector (in particular also a predeterminable candidate, see above) is selected as one that contains at least two trajectory angles for the flight path of the interceptor missile as two free parameters. This results in a particularly simple optimization problem for the MPC method. This also enables a particularly fast reaction to highly agile targets, so that the interceptor missile can follow them particularly well.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch einen Abfangflugkörper nach Patentanspruch 15. Der Abfangflugkörper ist während seines Fluges durch sein Triebwerk (mindestens eines) zumindest zeitweise angetrieben und anhand realer Lenkbefehle lenkfähig. Das Verfahren kann auch nach Ausbrand sämtlicher Triebwerke weiter angewendet werden. Hierzu weist dieser eine Lenkvorrichtung, z.B. steuerbare Ruder oder Querbeschleunigungsmittel, z.B. Steuerdüsen, auf, die anhand von Lenkbefehlen betätigt wird und zur Lenkung des fliegenden Abfangflugkörpers dienen. Der Abfangflugkörper dient weiterhin zum Abfangen eines Ziels. Der Abfangflugkörper enthält einen jeweils aktuellen Parametervektor von freien Steuerparametern für den Abfangflugkörper, anhand dessen, wie oben erläutert, reale Lenkbefehle für die Lenkung erzeugt werden. Der Abfangflugkörper enthält auch eine Steuer- und Auswerteeinheit. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The object of the invention is also achieved by an interceptor missile according to
Der Abfangflugkörper und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.The interceptor missile and at least some of its embodiments as well as the respective advantages have already been explained in connection with the method according to the invention.
Die Steuer- und Auswerteeinheit ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet bzw. angepasst bzw. konfiguriert. "Eingerichtet" / "Angepasst" / "Konfiguriert" ist dabei so zu verstehen, dass die Steuer- und Auswerteeinheit nicht nur für die Durchführung der relevanten Schritte/Funktionen geeignet ist, sondern vielmehr eigens dafür konzipiert wurde. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist insbesondere durch Programmierung einer darin enthaltenen Recheneinrichtung oder Festverdrahtung entsprechend "eingerichtet".The control and evaluation unit is set up, adapted or configured to carry out the method according to the invention. "Set up" / "adapted" / "configured" is to be understood in such a way that the control and evaluation unit is not only suitable for carrying out the relevant steps/functions, but rather has been specially designed for this purpose. The control and evaluation unit is "set up" accordingly, in particular by programming a computing device contained therein or by hardwiring it.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch "die Erfindung" genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.The invention is based on the following findings, observations and considerations and also has the following embodiments. The embodiments are sometimes referred to as "the invention" for the sake of simplicity. The embodiments can also contain parts or combinations of the above-mentioned embodiments or correspond to them and/or possibly also include embodiments not previously mentioned.
Neuartige Hyperschallwaffen wie z.B. ein HGV (hypersonic glide vehicle) oder eine HCM (hypersonic cruise missile) bilden als Ziele eine neuartige Bedrohung, gegen die herkömmliche Abfangflugkörper kaum erfolgreich eingesetzt werden können.New types of hypersonic weapons such as an HGV (hypersonic glide vehicle) or an HCM (hypersonic cruise missile) represent a new type of threat against which conventional interceptor missiles can hardly be used successfully.
Die Erfindung beruht auf der Idee, einen Abfangflugkörper, z.B. einen sogenannten "Ramjet Interceptor" (RJI), nämlich einen mehrstufigen Flugkörper auf Basis eines Ramjet-Antriebs, gegen solche Hyperschall-Ziele, also gegen Hyperschallwaffen einzusetzen. Die Erfindung beruht weiterhin auf der Idee, ein Lenkkonzept für die Midcourse-Phase eines solchen Abfangflugkörpers zu schaffen. Während für das Endgame verschiedene Konzepte existieren, die zumeist darauf beruhen, das Zielmanöver zu erkennen und direkt auf die Lenkung des Abfangflugkörpers aufzuschalten, beschränkt sich die Midcourse-Phase existierender Konzepte auf die möglichst optimale Bestimmung des Begegnungspunktes (predicted intercept point = PIP) und der Bahn zu diesem. Für die neue Zielklasse potenziell stark manövrierender Hyperschall Glide Vehicles (HGV) oder Hyperschall Cruise Missiles (HCM) reicht der PIP-Ansatz nicht aus, da der Anflug des Abfangflugkörpers vergleichsweise lange dauert und das Ziel in dieser Zeit große Abweichungen zu einem ursprünglich geeigneten PIP aufbauen kann.The invention is based on the idea of using an interceptor missile, e.g. a so-called "Ramjet Interceptor" (RJI), namely a multi-stage missile based on a ramjet drive, against such hypersonic targets, i.e. against hypersonic weapons. The invention is also based on the idea of creating a guidance concept for the midcourse phase of such an interceptor missile. While various concepts exist for the endgame, most of which are based on recognizing the target maneuver and directly switching to the guidance of the interceptor missile, the midcourse phase of existing concepts is limited to the best possible determination of the encounter point (predicted intercept point = PIP) and the trajectory to it. For the new target class of potentially highly maneuverable hypersonic glide vehicles (HGV) or hypersonic cruise missiles (HCM), the PIP approach is not sufficient because the approach of the interceptor missile takes a comparatively long time and the target can develop large deviations from an originally suitable PIP during this time.
Bislang beruht die Lenkung in der Midcourse-Phase zumeist auf dem PIP-Ansatz. Dieser wird unter Zuhilfenahme allen verfügbaren a priori Wissens vom jeweiligen Waffensystem festgelegt und der Abfangflugkörper hat lediglich die Aufgabe, diesen PIP anzufliegen und ein Handover vom einweisenden Sensor des Waffensystems (Radar) zum bordeigenen Sensor (Suchkopf) sicherzustellen.To date, guidance in the midcourse phase has mostly been based on the PIP approach. This is determined using all available a priori knowledge of the respective weapon system and the interceptor missile only has the task of flying to this PIP and ensuring a handover from the weapon system's guiding sensor (radar) to the on-board sensor (seeker).
Gemäß einem flexibleren Ansatz legt der Abfangflugkörper seinen PIP selbst fest. In jedem Fall gilt, dass signifikante Zielmanöver in der Midcourse-Phase eine Verlegung des PIP und damit ein Abweichen von der ursprünglichen Optimaltrajektorie nach sich ziehen. Deswegen beruhen neuartige Verfahren darauf, möglichst nicht signifikante Zielmanöver als solche zu klassifizieren und eine unnötige Verlegung PIP sowie den damit verbundenen Energieverlust zu vermeiden. Ein Konzept zur expliziten Behandlung manövrierender Ziele in der Midcourse-Phase ist Ziel der vorliegenden Erfindung. Wie oben erwähnt, gibt es eine Vielzahl bekannter Lösungen bezüglich der Endgame-Lenkung (terminal guidance).According to a more flexible approach, the interceptor missile sets its own PIP. In any case, significant target maneuvers in the mid-course phase result in a shift in the PIP and thus a deviation from the original optimal trajectory. Therefore, novel methods are based on classifying non-significant target maneuvers as such and avoiding unnecessary shifting of the PIP and the associated loss of energy. A concept for the explicit treatment of maneuvering targets in the mid-course phase is the aim of the present invention. As mentioned above, there are a large number of known solutions regarding endgame guidance (terminal guidance).
Der MPC-Ansatz in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Ziel- und die Interceptortrajektorien (Flugbahnen von Ziel und Abfangflugkörper) mit einem ZEM-Prädiktor nicht nur vorherzusagen, sondern geeignete Steuerparameter mittels numerischer, echtzeitfähigen Suchverfahren, z.B. in jedem n-ten Lenkzyklus zu optimieren. Die Prädiktion von Ziel- und Interceptorbewegung, insbesondere basierend auf dem Zero-Effort-Ansatz, ist ein bekanntes Konzept. Bei der Vorhersage der Zieltrajektorie können die geschätzten Zielbeschleunigungen unter Verwendung spieltheoretischer Hypothesen verwendet werden. In einer denkbaren Realisierung kann beispielsweise dem Ziel unterstellt werden, mit dem aktuellen Manöver die Annäherungsgeschwindigkeit des Interceptors zu minimieren (evasive maneuver). Das Verfahren beruht auf der Idee von freien, zu optimierenden Steuerparametern. In einem ersten Ansatz können dies die Bahnwinkel des Interceptors zum aktuellen Zeitpunkt sein. Hat die Optimierung die optimalen Bahnwinkel bestimmt, so können diese als Sollbahnwinkel interpretiert (geänderter aktueller Parametervektor) und in Form einer Bahnlenkung kommandiert werden (Erzeugung der realen Lenkbefehle).The MPC approach in embodiments of the present invention consists in not only predicting the target and interceptor trajectories (flight paths of the target and interceptor missile) with a ZEM predictor, but also optimizing suitable control parameters using numerical, real-time search methods, e.g. in every nth steering cycle. The prediction of target and interceptor movement, in particular based on the zero-effort approach, is a well-known concept. When predicting the target trajectory, the estimated target accelerations can be used using game theory hypotheses. In one conceivable implementation, for example, the goal can be to minimize the approach speed of the interceptor with the current maneuver (evasive maneuver). The method is based on the idea of free control parameters to be optimized. In a first approach, these can be the trajectory angles of the interceptor at the current time. If the optimization has determined the optimal trajectory angles, then These are interpreted as target path angles (changed current parameter vector) and commanded in the form of path steering (generation of the real steering commands).
Die Optimierung kann dabei eine ähnliche Kostenfunktion (Güte) wie in einem Offline-Verfahren (Festlegung der Bahn von einem Leitsystem außerhalb des Abfangflugkörpers) verwenden. Dabei können Kriterien wie minimale Ablage, maximale Terminalgeschwindigkeit, minimale Restflugzeit (time to go = Tgo), sowie geometrische Forderungen wie bestimmte Impact-Winkel in der Kostenfunktion zur Anwendung kommen. In weiteren Realisierungen kann z.B. der Anzündzeitpunkt eines zweiten Triebwerkpulses als zu optimierender Parameter genutzt werden. Schließlich ist es möglich den steuerbaren Schubverlauf eines Jet-, Ramjet-, oder Geltriebwerks zeitlich zu diskretisieren (Folge von Teilwerten) und im Sinne der MPC iterativ optimal zu bestimmen.The optimization can use a similar cost function (quality) as in an offline process (determination of the trajectory by a guidance system outside the interceptor missile). Criteria such as minimum offset, maximum terminal speed, minimum remaining flight time (time to go = Tgo), as well as geometric requirements such as certain impact angles can be used in the cost function. In other implementations, for example, the ignition time of a second engine pulse can be used as a parameter to be optimized. Finally, it is possible to discretize the controllable thrust curve of a jet, ramjet or gel engine in time (sequence of partial values) and to determine it optimally iteratively in the sense of the MPC.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- Figur 1
- ein Prinzipdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Figure 1
- a principle diagram of the method according to the invention.
Das Verfahren dient zum Lenken eines Abfangflugkörpers 2, der durch ein - hier in seiner Schubkraft steuerbares - Triebwerk 4 angetrieben ist und lenkfähig ist, hier durch die nicht näher gezeigte Steuerung von Leitwerken. Die Lenkung erfolgt durch die nicht näher erläuterte Umsetzung von realen Lenkbefehlen 6 im Abfangflugkörper 2 auf das Triebwerk 4 und die Leitwerke. Der Abfangflugkörper 2 dient zum Abfangen eines Ziels 8. Das Verfahren wird ausschließlich in einer Midcourse Phase PM des Fluges des Abfangflugkörpers 2, d.h. des Abfangens des Ziels 8, durchgeführt.The method is used to guide an
Der Lenkung liegt ein aktueller Parametervektor 10 zu Grunde. Der Parametervektor 10 enthält eine Reihe, hier drei, von freien Steuerparametern SP1-3 für den Abfangflugkörper 2. Die Steuerparameter SP1 und SP2 sind Bahnwinkel, der Steuerparameter SP3 ist ein Schubsteuerwert für das Triebwerk 4, der insgesamt fünf Teilwerte SP3a-e umfasst. Eine jeweilige Restflugdauer Tgo des Abfangflugkörpers 2 bis zum Auftreffen auf das Ziel 8 wird dabei in fünf gleich lange Zeitabschnitte unterteilt. In jedem dieser Zeitabschnitte erfolgt der Reihe nach die Ansteuerung des Triebwerks 4 durch einen entsprechenden Schubsteuerwert SP3a-e.The guidance is based on a
Zu Beginn des Verfahrens ist die Startphase des Abfangflugkörpers 2 gerade beendet und die Midcourse-Phase PM beginnt. Beim Eintritt in die Midcourse Phase PM liegt ein aktueller Parametervektor 10 vor. Zu jeweiligen Lenkzeitpunkten, hier alle 10ms wird aus dem Parametervektor 10 ein jeweiliger realer Lenkbefehl 6 erzeugt und der Abfangflugkörper 2 anhand dieser Lenkbefehle 6 gelenkt.At the beginning of the procedure, the launch phase of the
Das Verfahren beginnt mit einem Schritt a), in dem ein vorgebbarer Parametervektor 15 als aktueller Kandidat 12 eines MPC-Optimierungsverfahrens 14 gewählt wird. Im vorliegenden Fall erfolgt die Vorgabe derart, dass der aus dem Ende der Startphase vorliegende aktuelle Parametervektor 10 als vorgebbarer Parametervektor 15 verwendet wird. Das MPC-Optimierungsverfahren 14 dient zur Ermittlung eines verbesserten Parametervektors, der den aktuellen Parametervektor 10 ersetzen soll.The method begins with a step a) in which a
Nun beginnt das MPC Optimierungsverfahren 14. Innerhalb dieses Verfahrens (Schritt bzw. Schleife b)) wird ein Satz 16 möglicher Kandidaten 18a-c, hier im Beispiel drei Stück, mit jeweils zugeordneten Gütewerten 20a-c ermittelt. Jeder der Kandidaten 18a-c ist ein möglicher Parametervektor, der den Parametervektor 10 ersetzen könnte, wenn dieser einen verbesserten Missionserfolg versprechen würde als der derzeit tatsächlich vorliegende Parametervektor 10.Now the
Anhand des aktuellen Kandidaten 12 wird nun in einem Schritt c1) ein modifiziertes ZEM-Verfahren 22 durchgeführt: In einem Schritt bzw. einer Schleife d1) werden zu jeweiligen Schrittzeitpunkten t1, 2, 3,... iterativ folgende Schritte durchgeführt:
In einem Schritt d2) wird eine mögliche Abfangflugbahn 24 des Abfangflugkörpers 2 prädiziert. Hierzu werden virtuelle Lenkbefehle 7 (entsprechend der realen Lenkbefehle 6) anhand des aktuellen Kandidaten 12 zu den jeweiligen Schrittzeitpunkten t1, 2, 3,... ermittelt, sodass sich jeweilige prädizierte Aufenthaltsorte (Kreise in der Figur) des Abfangflugkörpers 2 ergeben. Aus der zeitlichen bzw. räumlichen Abfolge der Orte ergibt sich dessen Flugbahn 24. Mit anderen Worten wird iterativ simuliert, wie sich der Abfangflugkörper 2 bewegen würde, wenn der aktuelle Kandidat 12 als Parametervektor 10 für dessen Lenkung verwendet würde.Based on the
In a step d2), a
Weiterhin werden in einem Schritt d3) entsprechend zu den Schrittzeitpunkten t1, 2, 3,... Aufenthaltsorte und somit iterativ eine Zielflugbahn 28, also eine Flugbahn des Ziels 8 prädiziert, hier jedoch unter Berücksichtigung eines jeweiligen hypothetischen Flugmanövers 26 des Ziels 8. Zum Beispiel wird angenommen, dass das Ziel 8 eine bestimmte anzunehmende Ausweichkurve fliegt, um dem Abfangflugkörper 2 zu entkommen.Furthermore, in a step d3), locations corresponding to the step times t1, 2, 3,... and thus iteratively a
Gemäß eines Schrittes bzw. einer Schleife d4) werden die Schritte d2) und d3) iterativ für so viele Zeitpunkte t1, 2, 3,... wiederholt, bis eine ZEM-Annäherung 30 von Abfangflugbahn 24 und Zielflugbahn 28 erreicht ist. Damit ist das ZEM-Verfahren 22 beendet.According to a step or loop d4), steps d2) and d3) are repeated iteratively for as many times t1, 2, 3,... until a
Als Ergebnisse 32 des ZEM-Verfahrens 22 liegen im Beispiel die erreichbare ZEM-Annäherung 30, eine aktualisierte verbleibende Restflugdauer Tgo, die Auftreffgeschwindigkeit und der Auftreffwinkel des Abfangflugkörpers 2 am Ziel 8 usw. vor.The
In einem Schritt c2) wird auf Basis dieser Ergebnisse 32 ein aktueller Gütewert 33 zu dem jeweiligen Kandidaten 12 ermittelt und diesem zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt aufgrund eines Gütekriteriums 36.In a step c2), a current quality value 33 is determined for the
In einem Schritt c3) wird der aktuelle Kandidat 12 zusammen mit seinem ermittelten Güterwert 33 im Satz 16 als Kandidat 18a-c mit Gütewert 20a-c gespeichert. Beim ersten Durchlauf wird also der Gütewert 20a zum Kandidaten 18a, bei späteren Durchläufen der Gütewert 20b zum Kandidaten 18b zugeordnet und im Satz 16 gespeichert usw.In a step c3), the
In einem Schritt c4) wird nun ein Endekriterium 38 für das Optimierungsverfahren 14 geprüft. Ist dieses nicht erreicht, wird in einem Schritt e1) der aktuelle Kandidat 12 anhand eines MPC Suchverfahrens 40 zu einem variierten Kandidaten 42 hin variiert. Dieser wird in einem Schritt e2) als aktueller Kandidat 12 übernommen und das MPC Optimierungsverfahren 14 erneut mit dem nunmehr optimierten bzw. modifizierten Kandidaten 12 begonnen.In a step c4), an
Im Beispiel wird das Optimierungsverfahren 14 dreimal durchlaufen, sodass im Ergebnis drei Kandidaten 18a-c mit zugeordneten Gütewerten 20a-c vorliegen. Dann ist das Endekriterium 38 erreicht, hier nämlich die fest vorgegebene Zahl von drei Verfahrensdurchläufen.In the example, the
Da das Endekriterium 38 erreicht ist, wird zu Schritt a) zurückgekehrt, um einen neuen Satz 16 zu berechnen.Since the
Das Verfahren endet bzw. wird abgebrochen, wenn die Midcourse Phase PM beendet ist.The procedure ends or is aborted when the midcourse phase PM is completed.
Während der Dauer des Verfahrens wird zu einem jeweiligen vorgebbaren Korrekturzeitpunkt TK nach einem Korrekturkriterium 44 einer der Kandidaten 18a-c ausgewählt und fortan als aktueller Parametervektor 10 zur realen Lenkung des Abfangflugkörpers 2 weiterverwendet. Im Beispiel ist der Korrekturzeitpunkt TK jeweils das Erreichen des Endekriteriums 38. Das Korrekturkriterium 44 ist die Auswahl desjenigen Kandidaten 18a-c aus dem Satz 16, dem der beste Gütewert 20a-c im jeweils aktuellen Satz 16 zugeordnet ist.During the duration of the procedure, one of the
Eine alternative Möglichkeit ist es, als Korrekturzeitpunkt TK den Schritt c3) zu wählen und (ab der zweiten Prüfung / Ermittlung des Gütewertes) den besten der bisher geprüften Kandidaten 18a-c zum Parametervektor 10 zu machen. Der beste liegt, vor, wenn dessen Gütewert 20b-c besser ist als die Gütewerte 20a-c der bisher im Satz 16 vorhandenen Kandidaten 18a-c.An alternative possibility is to choose step c3) as the correction time TK and (from the second test / determination of the quality value) to make the best of the
Vorliegend wird in Schritt a) außerdem eine jeweils aktuell vorhergesagte Restflugzeit Tgo des Abfangflugkörpers 2 zum Ziel 8 ermittelt, um eine Zeitbasis für die Verwertung der Steuerparameter SP3a-e im Schritt d2) zu haben. Eine aktualisierte Restflugzeit Tgo steht außerdem als Teil der Ergebnisses 32 am Ende eines jeweiligen Durchlaufs des ZEM-Verfahrens 22 zur Verfügung und kann fortan verwendet werden.In the present case, in step a), a currently predicted remaining flight time Tgo of the
Der aktuelle Parametervektor 10 liegt jeweils im Abfangflugkörper 2 vor. Der Abfangflugkörper 2 enthält außerdem eine Steuer- und Auswerteeinheit 50, hier einen Zentralrechner, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die "Einrichtung" erfolgt hier durch entsprechend leistungsfähige Hardware und Programmierung, um das Verfahren zu implementieren.The
- 22
- AbfangflugkörperInterceptor missiles
- 44
- TriebwerkEngine
- 66
- Lenkbefehl (real)Steering command (real)
- 77
- Lenkbefehl (virtuell)Steering command (virtual)
- 88
- ZielGoal
- 1010
- Parametervektor (aktuell)Parameter vector (current)
- 1212
- Kandidat (aktuell)Candidate (current)
- 1414
- MPC- OptimierungsverfahrenMPC optimization method
- 1515
- Parametervektor (vorgebbar)Parameter vector (specifiable)
- 1616
- SatzSentence
- 18a-c18a-c
- Kandidatcandidate
- 20a-c20a-c
- GütewertQuality value
- 2222
- ZEM-VerfahrenZEM procedure
- 2424
- AbfangflugbahnIntercept trajectory
- 2626
- Flugmanöver (hypothetisch)Flight maneuvers (hypothetical)
- 2828
- ZielflugbahnTarget trajectory
- 3030
- ZEM AnnäherungZEM approach
- 3232
- ErgebnisseResults
- 3333
- Gütewert (aktuell)Quality value (current)
- 3636
- GütekriteriumQuality criterion
- 3838
- EndekriteriumEnd criterion
- 4040
- MPC SuchverfahrenMPC search procedure
- 4242
- Kandidat (variiert)Candidate (varies)
- 4444
- KorrekturkriteriumCorrection criterion
- 5050
- Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
- SPSP
- SteuerparameterControl parameters
- TgoTgo
- RestflugdauerRemaining flight time
- PMPM
- Midcourse PhaseMidcourse Phase
- t1, 2, 3,...t1, 2, 3,...
- SchrittzeitpunktStep time
- TKTK
- KorrekturzeitpunktCorrection time
Claims (15)
- Method for steering a steerable interceptor missile (2) powered by an engine (4) for intercepting a moving target (8) during a midcourse phase (PM) of the interception,wherein the interceptor missile (2) is steered by means of real steering commands (6), which are generated at respective steering times on the basis of free control parameters (SP), which are available in the form of a current parameter vector (10),wherein the free control parameters (SP) are constantly and/or repetitively optimized in the course of the midcourse phase (PM) by means of an optimization procedure (14) for optimizing the control parameters (SP),wherein the optimization procedure (14) takes place in parallel with the actual steering,wherein optimized control parameters (SP) are taken into the current parameter vector (10) once they are available from the optimization procedure (14), characterized in that newly detected information about the movement of the target and/or information about the flight of the interceptor missile are included in the optimization procedure as soon as they are available.
- Method according to Claim 1,
characterized in thatduring the midcourse phase (PM) the following optimization procedure (14) is performed:a) a predeterminable parameter vector (15) is selected as the current candidate (12) of a model predicted control (MPC) optimization procedure (14) to determine improved control parameters (SP);b) in the MPC optimization procedure (14), a set (16) of possible candidates (18a-c) for an improved parameter vector (10) with associated quality values (20a-c) is determined as follows:c1) based on the current candidate (12), a modified zero effort miss (ZEM) procedure (22) is performed as follows:
d1) at each step time (t1-3) iterative predictions are made as follows:d2) a possible interceptor trajectory (24) of the interceptor missile (2), taking into account virtual steering commands (7) of the interceptor missile (2) based on the current candidate (12), d3) a possible target trajectory (28) of the target (8) based on hypothetical manoeuvres (26) of the target (8),d4) steps d2) to d3) are repeated iteratively until a ZEM approach (30) of the interceptor trajectory (24) and the target trajectory (28) is achieved,c2) on the basis of the results (32) of the ZEM procedure (22), a current quality value (33) is determined on the basis of a quality criterion (36) and is assigned to the current candidate (12),c3) the current candidate (12) is successively placed in the set (16) as the first (18a) or further candidate (18b-c) together with the current quality value (33) as an assigned quality value (20a-c),c4) if an end criterion (38) of the optimization has not yet been reached:e1) an MPC search procedure (40) is used to vary the current candidate (12) to a varied candidate (42),e2) the varied candidate (42) is henceforth adopted as the current candidate (12) and the procedure continues with step c1),c5) if the end criterion (38) is achieved, the procedure proceeds as follows:(f) it returns to step (a),wherein during the midcourse phase (PM) at predeterminable correction times (TK) one of the candidates (18a-c) is selected according to a correction criterion (44) and the current parameter vector (10) is replaced by the selected candidate (18a-c) in order to transfer optimized control parameters (SP) into the current parameter vector (10) as a result. - Method according to Claim 2,
characterized in that
achievement of the end criterion (38) in step c5) is selected as the correction time (TK) and the candidate (18a-c) from the set (16) to which the best quality value (20a-c) is assigned is selected as the correction criterion (44). - Method according to Claim 2 or 3,
characterized in that
step c3) is selected as the correction time (TK) and additionally in step c3) the current candidate (12) just stored as a candidate (18a-c) is also adopted as the current parameter vector (10) as the correction criterion (44) if its assigned quality value (20a-c) is the best of all quality values (20a-c) available in the set (16) so far. - Method according to any one of Claims 2 to 4, characterized in that
in step e1) the variation to a varied candidate (42) is carried out at least partially based on the candidates (18a-c) so far and the quality values (20a-c) thereof. - Method according to any one of Claims 2 to 5, characterized in that
the quality criterion (36) contains at least as a subcriterion: a minimum deviation from the target (8), a maximum final speed when hitting the target (8), a minimum remaining flight time to the target (8), and a desired angle of impact on the target (8). - Method according to any one of Claims 2 to 6, characterized in that
in step a) a currently predicted remaining flight time (Tgo) of the interceptor missile (2) until the end of the mission thereof is additionally determined. - Method according to Claim 7,
characterized in that
a parameter vector for which at least one of the free parameters (SP) is a value oriented to the remaining flight time (Tgo) or a sequence of subvalues (SP3a-e) oriented to the remaining flight time is used as the current parameter vector (10). - Method according to Claim 8,
characterized in that
for the variant of a sequence of subvalues (SP3a-e):
in step d2) the predicted remaining flight time (Tgo) is taken into account in such a way that it is divided into a predeterminable number of time periods in the ZEM procedure (22), and for each time period a respective different one of the subvalues (SP3a-e) is taken into account - Method according to any one of Claims 7 to 9,
characterized in that
at least one of the values or subvalues (SP3a-e) is an ignition time of a respective first or further combustion stage of one or more engines (4) of the interceptor missile (2), said ignition time being dependent on the remaining flight time (Tgo). - Method according to any one of Claims 7 to 10, characterized in that
at least one of the values or subvalues (SP3a-e) is a thrust control value for an engine (4) of the interceptor missile (2) controllable with respect to its thrust, said thrust control value being dependent on the remaining flight time (Tgo). - Method according to any one of Claims 7 to 11, characterized in that
at least one of the subvalues (SP3a-e) is a control value for a lateral acceleration element of the interceptor missile (2), said control value being dependent on the remaining flight time (Tgo). - Method according to any one of Claims 2 to 12, characterized in that
a parameter vector which contains at least two trajectory angles for the trajectory of the interceptor missile (2) as two free parameters (SP1,2) is selected as the current parameter vector (10). - Method according to any one of the preceding claims, characterized in that
the method is designed for an interceptor missile (2), the engine (4) of which is a solid booster or a dual-pulse engine or a steerable engine. - Interceptor missile (2) which is propelled by an engine (4) and is steerable by means of real steering commands (6) and is used to intercept a target (8), and which contains a respective current parameter vector (10) of free control parameters (SP) for the interceptor missile (2) and contains a control and evaluation unit (50) which is set up to carry out the method according to any one of Claims 1 to 14.
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