Система наведения - Guidance system

А система наведения виртуальное или физическое устройство, или группа устройств, реализующая управление движением корабль, самолет, ракета, ракета, спутник, или любой другой движущийся объект. Наведение - это процесс расчета изменений положения, скорости, высота, и / или скорости вращения движущегося объекта, необходимые для следования определенной траектории и / или профилю высоты на основе информации о состоянии движения объекта.[1][2][3]

Система наведения обычно является частью Навигация, навигация и контроль система, тогда как навигация относится к системам, необходимым для расчета текущего положения и ориентации на основе данных датчиков, подобных тем из компасы, Приемники GPS, Лоран-С, звездные трекеры, инерциальные единицы измерения, высотомеры и т. д. Вывод система навигации, навигационное решение, является входом для системы наведения, среди прочего, таких как условия окружающей среды (ветер, вода, температура и т. д.) и характеристики транспортного средства (т.е. масса, доступность системы управления, корреляция систем управления с изменением вектора и т. д.) ). В общем, система наведения вычисляет инструкции для системы управления, которая включает в себя исполнительные механизмы объекта (например, двигатели, колеса реакции, закрылки тела и т. д.), которые могут управлять траекторией полета и ориентацией объекта без прямого или постоянного контроля человека.

Одним из самых ранних примеров настоящей системы наведения является система, используемая в немецком V-1 в течение Вторая Мировая Война. Система навигации состояла из простого гироскоп, скорость полета датчик и высотомер. Инструкции по наведению включали высоту цели, скорость цели, время крейсерского полета и время отключения двигателя.

Система наведения состоит из трех основных подразделов: входы, обработка и выходы. Раздел ввода включает датчики, курс данные, радио и спутниковые каналы, и другие источники информации. Секция обработки, состоящая из одного или нескольких Процессоры, объединяет эти данные и определяет, какие действия, если таковые имеются, необходимы для поддержания или достижения надлежащего Заголовок. Затем он поступает на выходы, которые могут напрямую влиять на ход системы. Выходы могут управлять скорость путем взаимодействия с такими устройствами, как турбины, и топливные насосы, или они могут напрямую изменить курс, активировав элероны, рули, или другие устройства.

История

Инерционные системы наведения изначально разрабатывались для ракет. Американский пионер ракет Роберт Годдард экспериментировал с элементарными гироскопический системы. Системы доктора Годдарда вызвали большой интерес у современных немецких пионеров, включая Вернер фон Браун. Эти системы получили более широкое распространение с появлением космический корабль, управляемые ракеты, и коммерческие авиалайнеры.

История руководства США сосредоточена вокруг двух разных сообществ. Один изгнан из Калтех и НАСА Лаборатория реактивного движения, другой - от немецких ученых, разработавших ранний Наведение ракеты V2 и Массачусетский технологический институт. Система GN&C для V2 представила множество нововведений и была самым сложным военным оружием в 1942 году с использованием автономного наведения с замкнутым контуром. В ранних V2 использовались 2 гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговым компьютером для регулировки азимута ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для управления 4 внешними рулями на хвостовых стабилизаторах для управления полетом. Фон Браун организовал передачу американцам 500 своих ведущих ученых-ракетчиков вместе с планами и испытательными машинами. Они прибыли в Форт-Блисс, штат Техас, в 1945 году и впоследствии были перемещены в Хантсвилл, Эл в 1950 году (он же Редстоун арсенал ).[4][5] Страсть фон Брауна была межпланетным космическим полетом. Однако его огромные лидерские качества и опыт работы с программой V-2 сделали его бесценным для армии США.[6] В 1955 году команда Редстоуна была выбрана для вывода на орбиту первого американского спутника, поставив эту группу в центр как военного, так и коммерческого космоса.

Лаборатория реактивного движения ведет свою историю с 1930-х годов, когда профессор Калифорнийского технологического института Теодор фон Карман провел новаторскую работу в ракетный двигатель. Первоначальные усилия JPL, финансируемые Army Ordnance в 1942 году, в конечном итоге будут включать в себя технологии, выходящие за рамки аэродинамики и химии топлива. Результатом усилий армейской артиллерии стал ответ JPL на немецкую ракету Фау-2, получившую название МГМ-5 Капрал был запущен в мае 1947 года. 3 декабря 1958 года, через два месяца после того, как Конгрессом было создано Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Лаборатория реактивного движения была передана из юрисдикции армии в ведение этого нового гражданского космического агентства. Этот сдвиг был связан с созданием военной группы на базе немецкой команды V2. Поэтому, начиная с 1958 года, Лаборатория реактивного движения НАСА и команда Калифорнийского технологического института сосредоточили свое внимание в первую очередь на беспилотных полетах и ​​отошли от военных приложений, за некоторыми исключениями. Сообщество, окружающее JPL, продвигало огромные инновации в области телекоммуникаций, межпланетных исследований и мониторинга Земли (среди других областей).[7]

В начале 1950-х годов правительство США хотело обезопасить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных приложениях. Среди областей, которые были «развиты» внутри страны, было наведение ракет. В начале 1950-х гг. Инструментальная лаборатория Массачусетского технологического института (позже стать Лаборатория Чарльза Старка Дрейпера, Inc.) было выбрано Западным отделом разработки ВВС США для обеспечения автономной системы наведения для Convair в Сан-Диего для нового Межконтинентальная баллистическая ракета Атлас. Техническим наблюдателем за задачей Массачусетского технологического института был молодой инженер по имени Джим Флетчер, который позже работал администратором НАСА. Система наведения Atlas должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. Это было началом философского спора, который в некоторых областях остается нерешенным. В конечном итоге автономная система стала преобладать в баллистических ракетах по очевидным причинам. В освоении космоса остается смесь двух.

Летом 1952 г. Ричард Баттин[8] и доктор Дж. Холкомб ("Хэл") Лэнинг мл., исследовал решения на основе вычислений для руководства по мере того, как вычисления начали отходить от аналогового подхода. Поскольку компьютеры того времени были очень медленными (а ракеты - очень быстрыми), было чрезвычайно важно разрабатывать очень эффективные программы. Доктор Дж. Холкомб Лэнинг с помощью Фила Хэнкинса и Чарли Вернера начал работу над MAC, алгебраическим язык программирования для IBM 650, который был завершен к началу весны 1958 года. MAC стал рабочей лошадкой лаборатории Массачусетского технологического института. MAC - чрезвычайно читаемый язык с трехстрочным форматом, вектор-матрица обозначения и мнемонический и индексированные индексы. Сегодняшний язык Space Shuttle (STS) под названием HAL (разработанный Intermetrics, Inc.) является прямым ответвлением MAC. Поскольку главным архитектором HAL был Джим Миллер, в соавторстве с Хэл Лэнинг В отчете о системе MAC, это разумное предположение, что язык космических шаттлов назван в честь старого наставника Джима, а не, как некоторые предполагают, электронной суперзвезды из фильма Артура Кларка «Космическая одиссея 2001 года». (Ричард Баттин, AIAA 82–4075, апрель 1982 г.)

Хэл Лэнинг и Ричард Баттин предприняли начальную аналитическую работу над Атласом. инерционное наведение в 1954 году. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Вальтер Швейдецки, руководитель группы руководства. Вальтер работал с Вернером фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны.

Исходная система наведения «Дельта» оценила разницу в положении от эталонной траектории. Расчет скорости, которую необходимо набрать (VGO), выполняется для корректировки текущей траектории с целью приведения VGO к нулю. Математика этого подхода была принципиально верной, но отказалась от нее из-за проблем с точной инерциальной навигацией (например, с точностью IMU) и аналоговой вычислительной мощностью. Проблемы, с которыми столкнулись усилия «Дельты», были преодолены с помощью системы наведения «Q system». Революция системы "Q" заключалась в том, чтобы связать задачи наведения ракеты (и соответствующие уравнения движения) в матрице Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по отношению к вектору положения. Ключевая особенность этого подхода позволила использовать компоненты векторного векторного произведения (v, xdv, / dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота - метод, который стал известен как «управление перекрестным произведением». В Q-система была представлена ​​на первом Техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, который проводился в Ramo-Wooldridge Corporation в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. «Система Q» была секретной информацией в течение 1960-х годов. Производные этого наведения используются для современных военных ракет. Команда CSDL остается лидером военного руководства и участвует в проектах для большинства подразделений армии США.

10 августа 1961 года НАСА заключило с Массачусетским технологическим институтом контракт на предварительное проектирование системы наведения и навигации для Программа Аполлон.[9] (см. Бортовую систему наведения, навигации и управления Apollo, Дэйв Хоаг, Конференция посвящения Международного зала космической славы в Аламогордо, Н.М., октябрь 1976 г. [10]). Современное наведение шаттла называется PEG4 (Powered Explicit Guidance). Он учитывает как систему Q, так и атрибуты предиктора-корректора исходной системы «Дельта» (руководство PEG). Хотя за последние 30 лет произошло много обновлений навигационной системы шаттлов (например, GPS в сборке OI-22), ядро ​​наведения сегодняшней системы Shuttle GN&C претерпело незначительные изменения. Внутри пилотируемой системы для системы наведения необходим человеческий интерфейс. Поскольку астронавты являются заказчиками системы, формируется много новых команд, которые работают с GN&C, поскольку это основной интерфейс для «управления» транспортным средством.[11] Для Apollo и STS (Shuttle system) CSDL «разработал» наведение, Макдоннелл Дуглас написал требования, а IBM запрограммировала требования.

Большая сложность пилотируемых систем обусловлена ​​«управлением избыточностью» и поддержкой нескольких сценариев «прерывания», которые обеспечивают безопасность экипажа. Пилотируемые американские лунные и межпланетные системы наведения используют многие из тех же инноваций наведения (описанных выше), разработанных в 1950-х годах. Таким образом, хотя основная математическая конструкция руководства осталась довольно постоянной, оборудование, окружающее GN&C, продолжает развиваться для поддержки новых транспортных средств, новых миссий и нового оборудования. Центром передового опыта в области пилотируемого наведения остается Массачусетский технологический институт (CSDL), а также бывшая компания McDonnell Douglas Space Systems (в Хьюстоне).

Описание

Основные статьи: Наведение ракеты и Высокоточные боеприпасы § Типы

Системы наведения состоят из 3 основных частей: навигация который отслеживает текущее местоположение, руководство который использует навигационные данные и информацию о цели для прямого управления полетом, "куда идти", и контроль который принимает команды наведения для изменения аэродинамических характеристик и / или управления двигателем.

Навигация искусство определять, где вы находитесь, наука, которая в 1711 г. Приз долготы. Средства навигации измеряют положение от фиксированный ориентир (например, ориентир, северная звезда, маяк LORAN), относительный положение цели (например, радар, инфракрасное излучение, ...) или отслеживание движение из известного положения / отправной точки (например, IMU). Современные сложные системы используют несколько подходов для определения текущего положения. Например, самые современные навигационные системы сегодня воплощены в Противобаллистическая ракета, то Ракета стандартная РИМ-161 3 использует GPS, IMU и наземный сегмент данные в фазе ускорения и данные относительного положения для наведения на перехват. Сложные системы обычно имеют множественное резервирование для устранения дрейфа, повышения точности (например, относительно цели) и устранения изолированного отказа системы. Таким образом, навигационные системы принимают несколько входных сигналов от множества различных датчиков, как внутренних по отношению к системе, так и / или внешних (например, наземное обновление). Фильтр Калмана обеспечивает наиболее распространенный подход к объединению навигационных данных (от нескольких датчиков) для определения текущего положения. Примеры подходов к навигации:

  • Небесная навигация это метод определения местоположения, который был разработан, чтобы помочь морякам пересекать безликие океаны без необходимости полагаться на точный расчет, чтобы они могли попасть на сушу. В астрономической навигации используются угловые измерения (прицелы) между горизонтом и обычным небесным объектом. Чаще всего измеряется Солнце. Опытные мореплаватели могут использовать Луну, планеты или одну из 57 навигационных звезд, координаты которых занесены в таблицы в морских альманахах. Исторические инструменты включают секстант, смотреть и данные эфемерид. В современных космических челноках и большинстве межпланетных космических аппаратов для калибровки инерциальных навигационных систем используются оптические системы: оптический прицел экипажа (COAS),[12] Звездный трекер.[13]
  • Инерционные единицы измерения (IMU) - это основная инерциальная система для поддержания текущего положения (навигации) и ориентации в ракетах и ​​самолетах. Это сложные машины с одним или несколькими вращающимися гироскопами, которые могут свободно вращаться на 3 градуса в пределах комплекса. подвес система. IMU «раскручиваются» и калибруются перед запуском. В большинстве сложных систем имеется минимум 3 отдельных IMU. В дополнение к относительному положению, IMU содержат акселерометры, которые могут измерять ускорение по всем осям. Данные о местоположении в сочетании с данными об ускорении обеспечивают необходимые входные данные для «отслеживания» движения транспортного средства. IMU имеют тенденцию «дрейфовать» из-за трения и точности. Коррекция ошибок для устранения этого дрейфа может быть обеспечена через заземление. телеметрия, GPS, радар, оптическая астронавигация и другие средства навигации. При наведении на другую (движущуюся) машину относительные векторы приобретают первостепенное значение. В этой ситуации средства навигации, которые предоставляют обновления положения относительно цели важнее. Помимо текущей позиции, инерциальная навигация системы также обычно оценивают прогнозируемое положение для будущих вычислительных циклов. Смотрите также Инерциальная навигационная система.
  • Астро-инерциальное наведение это сенсор слияния /слияние информации из Инерционное наведение и небесная навигация.
  • Дальняя навигация (ЛОРАН): Это был предшественник GPS и использовался (и до некоторой степени до сих пор используется) в основном в коммерческих морских перевозках. Система работает триангуляция положение корабля на основе указания направления на известные передатчики.
  • спутниковая система навигации (GPS): GPS был разработан военными США с основной целью устранения "дрейфа" в рамках инерциальной навигации Баллистическая ракета, запускаемая с подводных лодок (БРПЛ) до запуска. GPS передает 2 типа сигналов: военный и коммерческий. Точность военного сигнала засекречена, но можно предположить, что она составляет менее 0,5 метра. Космический сегмент системы GPS состоит из от 24 до 32 спутников, находящихся на средней околоземной орбите на высоте около 20 200 км (12 600 миль). Спутники находятся на шести определенных орбитах и ​​передают высокоточную информацию о времени и местоположении спутника, которую можно использовать для определения расстояний и триангуляции положения.[14]

  • Радар / Инфракрасный / Лазер: эта форма навигации предоставляет информацию для руководства относительно известной цели, он имеет как гражданское (бывшее рандеву), так и военное применение.

Руководство является «водителем» транспортного средства. Он принимает входные данные от навигационной системы (где я) и использует информацию о наведении (куда я хочу отправиться) для отправки сигналов в систему управления полетом, которые позволят транспортному средству достичь пункта назначения (в рамках рабочих ограничений транспортного средства). . «Целями» для систем наведения являются один или несколько векторов состояния (положение и скорость), они могут быть инерционными или относительными. Во время полета с приводом система наведения постоянно вычисляет направления рулевого управления для управления полетом. Например, Космический шатл нацеливается на высоту, вектор скорости и гамму для отключения главного двигателя. Точно так же Межконтинентальная баллистическая ракета также нацелен на вектор. Целевые векторы разрабатываются для выполнения миссии и могут быть заранее спланированы или созданы динамически.

Контроль. Управление полетом осуществляется либо аэродинамически, либо с помощью силовых средств управления, таких как двигатели. Наведение посылает сигналы в управление полетом. Цифровой автопилот (DAP) - это интерфейс между наведением и управлением. Руководство и DAP несут ответственность за расчет точных инструкций для каждого управления полетом. DAP обеспечивает обратную связь с инструкциями о состоянии органов управления полетом.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Grewal, Mohinder S .; Weill, Lawrence R .; Эндрюс, Ангус П. (2007). Системы глобального позиционирования, инерциальная навигация и интеграция (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси, США: Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc. с.21. ISBN  978-0-470-04190-1.
  2. ^ Фаррелл, Джей А. (2008). Вспомогательная навигация: GPS с датчиками высокой скорости. США: компании McGraw-Hill. стр.5 et seq. ISBN  0-07-164266-8.
  3. ^ Draper, C. S .; Wrigley, W .; Hoag, G .; Battin, R.H .; Miller, E .; Косо, А .; Hopkins, A. L .; Вандер Вельде, В. Э. (июнь 1965 г.). Руководство и навигация Apollo (PDF) (Отчет). Массачусетс: Массачусетский технологический институт, приборная лаборатория. стр. I-3 и последующие. Получено 12 октября, 2014.
  4. ^ https://history.nasa.gov/sputnik/braun.html
  5. ^ http://history.msfc.nasa.gov/vonbraun/photo/50s.html
  6. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2013-08-17. Получено 2013-08-15.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  7. ^ http://ethics.jpl.nasa.gov/welcome.html
  8. ^ http://www.space.com/peopleinterviews/RichardBattin_profile_991027.html
  9. ^ http://www.eng.buffalo.edu/~psingla/Teaching/CelestialMechanics/Battin.pdf
  10. ^ http://web.mit.edu/digitalapollo/Documents/Chapter5/r500.pdf
  11. ^ https://history.nasa.gov/SP-4205/ch2-4.html
  12. ^ http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/orbiter/avionics/gnc/coas.html
  13. ^ http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/orbiter/avionics/gnc/startracker.html
  14. ^ https://www.gps.gov/systems/gps/space/

дальнейшее чтение

  • Введение в математику и методы астродинамики, исправленное издание (образовательная серия AIAA) Ричард Баттин, май 1991 г.
  • Эволюция космического руководства - личное повествование, Ричард Баттин, AIAA 82–4075, апрель 1982 г.