Sistem de ghidare - Guidance system

Un sistem de ghidare este un dispozitiv virtual sau fizic sau un grup de dispozitive care implementează un control al mișcării unei nave , aeronave , rachete , rachete , satelite sau orice alt obiect în mișcare. Îndrumarea este procesul de calculare a modificărilor de poziție, viteză, altitudine și / sau viteze de rotație ale unui obiect în mișcare necesare pentru a urmări o anumită traiectorie și / sau profil de altitudine pe baza informațiilor despre starea de mișcare a obiectului.

Un sistem de ghidare este de obicei parte a unui sistem de ghidare, navigare și control , în timp ce navigarea se referă la sistemele necesare pentru a calcula poziția și orientarea curentă pe baza datelor senzorilor, cum ar fi cele de la busole , receptoare GPS , Loran-C , stele de urmărire , măsurare inerțială unități , altimetre etc. Ieșirea sistemului de navigație, soluția de navigație, este o intrare pentru sistemul de ghidare, printre altele, cum ar fi condițiile de mediu (vânt, apă, temperatură etc.) și caracteristicile vehiculului (adică masa, controlul disponibilitatea sistemului, corelarea sistemelor de control cu ​​modificarea vectorului etc.). În general, sistemul de ghidare calculează instrucțiunile pentru sistemul de control, care cuprinde elementele de acționare ale obiectului (de ex. Propulsoare , roți de reacție , clapete ale corpului etc.), care sunt capabile să manipuleze traiectoria de zbor și orientarea obiectului fără control uman continuu.

Unul dintre primele exemple ale unui sistem de ghidare adevărat este cel folosit în V-1 german în timpul celui de-al doilea război mondial . Sistemul de navigație consta dintr-un giroscop simplu , un senzor de viteză aeriană și un altimetru. Instrucțiunile de îndrumare au fost altitudinea țintă, viteza țintei, timpul de croazieră și timpul de oprire a motorului.

Un sistem de ghidare are trei subsecțiuni majore: Intrări, Procesare și Ieșiri. Secțiunea de intrare include senzori , date de curs , legături radio și satelit și alte surse de informații. Secțiunea de procesare, compusă din unul sau mai multe procesoare , integrează aceste date și determină ce acțiuni, dacă este cazul, sunt necesare pentru a menține sau a realiza un titlu adecvat . Aceasta este apoi alimentată cu ieșirile care pot afecta direct cursul sistemului. Ieșirile pot controla viteza prin interacțiunea cu dispozitive precum turbine și pompe de combustibil sau pot modifica mai direct cursul acționând elere , cârme sau alte dispozitive.

Istorie

Sistemele de ghidare inerțială au fost inițial dezvoltate pentru rachete. Pionierul american al rachetelor Robert Goddard a experimentat cu sisteme giroscopice rudimentare . Sistemele Dr. Goddard au fost de mare interes pentru pionierii germani contemporani, inclusiv Wernher von Braun . Sistemele au intrat într-o utilizare mai răspândită odată cu apariția navelor spațiale , a rachetelor ghidate și a avioanelor comerciale .

Istoria orientării SUA se concentrează în jurul a două comunități distincte. Unul a ieșit din Caltech și Laboratorul de propulsie cu jet al NASA , celălalt de la oamenii de știință germani care au dezvoltat ghidarea timpurie a rachetelor V2 și MIT . Sistemul GN&C pentru V2 a furnizat numeroase inovații și a fost cea mai sofisticată armă militară din 1942, folosind ghidaj cu buclă închisă autonomă. V2-urile timpurii au folosit 2 giroscopuri și accelerometru lateral cu un computer analogic simplu pentru a regla azimutul pentru racheta în zbor. Semnalele analogice ale computerului au fost folosite pentru a conduce 4 cârme externe pe aripile cozii pentru controlul zborului. Von Braun a conceput predarea a 500 de oameni de știință de top în rachete, împreună cu planuri și vehicule de testare, americanilor. Au ajuns în Fort Bliss, Texas în 1945 și ulterior au fost mutați în Huntsville, Al în 1950 (cunoscut și sub numele de arsenalul Redstone ). Pasiunea lui Von Braun a fost zborul spațial interplanetar. Cu toate acestea, abilitățile sale extraordinare de conducere și experiența cu programul V-2 l-au făcut neprețuit pentru armata SUA. În 1955, echipa Redstone a fost selectată pentru a pune pe orbită primul satelit al Americii, punând acest grup în centrul spațiului militar și comercial.

Laboratorul de propulsie cu jet își urmărește istoria din anii 1930, când profesorul Caltech Theodore von Karman a efectuat lucrări de pionierat în propulsia cu rachete . Finanțat de Army Ordnance în 1942, eforturile timpurii ale JPL ar implica în cele din urmă tehnologii dincolo de cele ale aerodinamicii și ale chimiei propulsorilor. Rezultatul efortului Army Ordnance a fost răspunsul JPL la racheta germană V-2, numită caporala MGM-5 , lansată pentru prima dată în mai 1947. La 3 decembrie 1958, la două luni după înființarea Administrației Naționale pentru Aeronautică și Spațiu (NASA) de către Congres, JPL a fost transferat de la jurisdicția armatei la cea a acestei noi agenții spațiale civile. Această schimbare s-a datorat creării unui grup militar axat pe echipa germană V2. Prin urmare, începând din 1958, NASA JPL și echipajul Caltech s-au concentrat în primul rând pe zborul fără pilot și s-au îndepărtat de aplicațiile militare, cu câteva excepții. Comunitatea din jurul JPL a condus o inovație extraordinară în telecomunicații, explorarea interplanetară și monitorizarea pământului (printre alte zone).

La începutul anilor 1950, guvernul SUA a dorit să se izoleze de dependența excesivă de echipa germană pentru aplicații militare. Printre zonele care au fost „dezvoltate” pe plan intern s-a aflat ghidarea rachetelor. La începutul anilor 1950, Laboratorul de Instrumentare MIT (care va deveni mai târziu Charles Stark Draper Laboratory , Inc.) a fost ales de Divizia de Dezvoltare Vestică a Forțelor Aeriene pentru a oferi un sistem de ghidare de rezervă în Convair din San Diego pentru noul balistic intercontinental Atlas rachetă . Monitorul tehnic pentru sarcina MIT a fost un tânăr inginer pe nume Jim Fletcher, care a servit ulterior ca administrator al NASA. Sistemul de ghidare Atlas urma să fie o combinație între un sistem autonom la bord și un sistem de urmărire și comandă la sol. Acesta a fost începutul unei controverse filosofice, care, în unele domenii, rămâne nerezolvată. Sistemul autonom a prevalat în cele din urmă în aplicațiile de rachete balistice din motive evidente. În explorarea spațiului, un amestec dintre cele două rămâne.

În vara anului 1952, Dr. Richard Battin și Dr. J. Halcombe („Hal”) Laning Jr. , au cercetat soluții de ghidare bazate pe calcul, pe măsură ce calculul a început să iasă din abordarea analogică. Deoarece calculatoarele de atunci erau foarte lente (și rachetele foarte rapide) era extrem de important să dezvoltăm programe care erau foarte eficiente. Dr. J. Halcombe Laning, cu ajutorul lui Phil Hankins și Charlie Werner, a inițiat lucrul la MAC, un limbaj de programare algebric pentru IBM 650 , care a fost finalizat la începutul primăverii anului 1958. MAC a devenit calul de lucru al laboratorului MIT . MAC este un limbaj extrem de lizibil, având un format pe trei linii, notații matriciale vectoriale și indici mnemonici și indexați. Limbajul de astăzi al navetei spațiale (STS) numit HAL (dezvoltat de Intermetrics, Inc.) este o ramură directă a MAC. Întrucât arhitectul principal al HAL a fost Jim Miller, care a co-autor cu Hal Laning un raport despre sistemul MAC, este o speculație rezonabilă că limbajul navetei spațiale este numit după vechiul mentor al lui Jim și nu, așa cum au sugerat unii, pentru superstarul electronic al filmului Arthur Clarke „2001-Odiseea spațială”. (Richard Battin, AIAA 82–4075, aprilie 1982)

Hal Laning și Richard Battin au întreprins lucrările analitice inițiale privind ghidarea inerțială Atlas în 1954. Alte figuri cheie la Convair au fost Charlie Bossart, inginerul șef, și Walter Schweidetzky, șeful grupului de îndrumare. Walter lucrase cu Wernher von Braun la Peenemuende în timpul celui de-al doilea război mondial.

Sistemul inițial de ghidare „Delta” a evaluat diferența de poziție față de o traiectorie de referință. Se calculează o viteză de câștigat (VGO) pentru a corecta traiectoria curentă cu obiectivul de a conduce VGO la zero. Matematica acestei abordări a fost fundamental validă, dar a scăzut din cauza provocărilor legate de navigația inerțială exactă (de ex. IMU Accuracy) și puterea de calcul analogică. Provocările cu care se confruntă eforturile „Delta” au fost depășite de „sistemul Q” de îndrumare. Revoluția sistemului „Q” a fost de a lega provocările de ghidare a rachetelor (și ecuațiile asociate de mișcare) în matricea Q. Matricea Q reprezintă derivatele parțiale ale vitezei în raport cu vectorul de poziție. O caracteristică cheie a acestei abordări a permis ca componentele produsului încrucișat vectorial (v, xdv, / dt) să fie utilizate ca semnale de bază ale ratei pilotului automat - o tehnică care a devenit cunoscută sub denumirea de „direcție între produse”. Sistemul Q a fost prezentat la primul Simpozion tehnic privind rachetele balistice, desfășurat la Ramo-Wooldridge Corporation din Los Angeles în 21 și 22 iunie 1956. „Sistemul Q” a fost informație clasificată până în anii 1960. Derivațiile acestei îndrumări sunt utilizate pentru rachetele militare de astăzi. Echipa CSDL rămâne un lider în orientarea militară și este implicată în proiecte pentru majoritatea diviziilor militare americane.

La 10 august 1961 NASA a atribuit MIT un contract pentru studiul preliminar de proiectare a unui sistem de ghidare și navigație pentru programul Apollo . (vezi sistemul de îndrumare, navigație și control la bordul Apollo, Dave Hoag, Conferința internațională de dedicare a spațiului spațial internațional din Alamogordo , NM, octombrie 1976). Ghidul navetei spațiale de astăzi este denumit PEG4 (ghidare explicită alimentată). Se ia în considerare atât sistemul Q, cât și atributele predictor-corector ale sistemului original „Delta” (PEG Guidance). Deși multe actualizări ale sistemului de navigație navete au avut loc în ultimii 30 de ani (ex. GPS în versiunea OI-22), nucleul de ghidare al sistemului Shuttle GN&C de astăzi a evoluat puțin. În cadrul unui sistem echipat, există o interfață umană necesară pentru sistemul de ghidare. Întrucât astronauții sunt clienții sistemului, se formează multe echipe noi care ating GN&C, deoarece este o interfață principală pentru a „zbura” vehiculul. Pentru Apollo și STS (sistemul Shuttle) CSDL a „proiectat” ghidul, McDonnell Douglas a scris cerințele și IBM a programat cerințele.

O mare complexitate a sistemului în cadrul sistemelor echipate este condusă de „gestionarea redundanței” și de sprijinirea mai multor scenarii de „avort” care asigură siguranța echipajului. Sistemele de îndrumare lunare și interplanetare americane echipate folosesc multe dintre aceleași inovații de orientare (descrise mai sus) dezvoltate în anii 1950. Așadar, deși construcția matematică de bază a ghidării a rămas destul de constantă, facilitățile din jurul GN&C continuă să evolueze pentru a sprijini vehicule noi, misiuni noi și hardware nou. Centrul de excelență pentru îndrumarea echipată rămâne la MIT (CSDL), precum și la fostele sisteme spațiale McDonnell Douglas (din Houston).

Descriere

Articole principale: Ghidare antirachetă și muniție ghidată de precizie § Tipuri

Sistemele de ghidare constau din 3 părți esențiale: navigația care urmărește locația curentă, ghidarea care utilizează datele de navigație și informațiile țintă pentru a direcționa controlul zborului „unde să meargă” și controlul care acceptă comenzi de ghidare pentru a efectua schimbarea în comenzile aerodinamice și / sau ale motorului.

Navigarea este arta de a determina unde vă aflați, o știință care a văzut un accent extraordinar în 1711 cu premiul pentru longitudine . Navigația ajută fie la măsurarea poziției dintr-un punct fix de referință (ex. Reper, stea nordică, LORAN Beacon), poziția relativă la o țintă (ex. Radar, infraroșu, ...), fie la mișcarea pistei dintr-o poziție / pornire cunoscută punct (de ex. IMU). Sistemele complexe de astăzi folosesc abordări multiple pentru a determina poziția actuală. De exemplu, cele mai avansate sisteme de navigație de astăzi sunt încorporate în racheta anti-balistică , RIM-161 Standard Missile 3 valorifică datele GPS, IMU și ale segmentelor de sol în faza de creștere și datele relative ale poziției pentru interceptarea direcționării. Sistemele complexe au de obicei redundanță multiplă pentru a aborda deriva, pentru a îmbunătăți acuratețea (de exemplu, în raport cu o țintă) și pentru a rezolva eșecul izolat al sistemului. Prin urmare, sistemele de navigație preiau mai multe intrări de la mai mulți senzori diferiți, atât interni sistemului, cât și / sau externi (de exemplu, actualizarea la sol). Filtrul Kalman oferă cea mai comună abordare a combinării datelor de navigație (de la mai mulți senzori) pentru a rezolva poziția actuală. Exemple de abordări de navigare:

  • Navigarea celestă este o tehnică de fixare a poziției care a fost concepută pentru a-i ajuta pe marinari să traverseze oceanele fără caracteristici, fără a fi nevoie să se bazeze pe calculul mort pentru a le permite să lovească pământul. Navigarea cerească utilizează măsurători unghiulare (priveliști) între orizont și un obiect ceresc comun. Soarele este cel mai adesea măsurat. Navigatorii calificați pot folosi Luna, planetele sau una dintre cele 57 de stele de navigație ale căror coordonate sunt tabelate în almanahuri nautice. Instrumentele istorice includ date despre sextant , ceas și efemeridă. Naveta spațială de astăzi și majoritatea navelor spațiale interplanetare utilizează sisteme optice pentru calibrarea sistemelor de navigație inerțială: Crewman Optical Alignment Sight (COAS), Star Tracker.
  • Unitățile de măsurare inerțială (IMU) sunt principalul sistem inerțial pentru menținerea poziției (navigației) și orientării actuale în rachete și aeronave. Sunt mașini complexe cu unul sau mai multe giroscopuri rotative care se pot roti liber în 3 grade de mișcare într-un sistem cardanic complex . IMU-urile sunt „rotite” și calibrate înainte de lansare. În cadrul celor mai complexe sisteme există un minim de 3 IMU-uri separate. Pe lângă poziția relativă, IMU-urile conțin accelerometre care pot măsura accelerația pe toate axele. Datele de poziție, combinate cu datele de accelerație furnizează intrările necesare pentru a "urmări" mișcarea unui vehicul. IMU-urile au tendința de a „deriva”, datorită frecării și preciziei. Corecția erorilor pentru a rezolva această deriva poate fi furnizată prin telemetrie de legătură la sol , GPS , radar , navigație cerească optică și alte ajutoare de navigație. Când vizează un alt vehicul (în mișcare), vectorii relativi devin primordiali. În această situație, ajutoarele de navigație care oferă actualizări ale poziției în raport cu ținta sunt mai importante. În plus față de poziția actuală, sistemele de navigație inerțială estimează, de obicei, o poziție prognozată pentru ciclurile de calcul viitoare. Vezi și Sistemul de navigație inerțială .
  • Ghidarea astro-inerțială este o fuziune a senzorului / fuziunea informației a ghidării inerțiale și a navigației celeste.
  • Navigare cu rază lungă de acțiune (LORAN): Acesta a fost predecesorul GPS-ului și a fost (și într-o măsură încă este utilizat) în principal în transportul maritim comercial. Sistemul funcționează prin triangularea poziției navei pe baza referinței direcționale la emițătoarele cunoscute .
  • Sistem de poziționare globală (GPS): GPS-ul a fost proiectat de armata SUA cu scopul principal de a aborda „deriva” în cadrul navigației inerțiale a rachetelor balistice lansate de submarin (SLBM) înainte de lansare. GPS transmite 2 tipuri de semnal: militar și comercial. Acuratețea semnalului militar este clasificată, dar se poate presupune că este cu mult sub 0,5 metri. Segmentul spațial al sistemului GPS este compus din 24 până la 32 de sateliți pe orbită medie a Pământului la o altitudine de aproximativ 20.200 km (12.600 mi). Sateliții se află pe șase orbite specifice și transmit informații foarte precise și de localizare a timpului și satelitului, care pot fi utilizate pentru a obține distanțe și a triangula poziția.

  • Radar / Infraroșu / Laser: Această formă de navigație oferă informații pentru îndrumare în raport cu o țintă cunoscută , are atât aplicații civile (ex întâlnire), cât și militare.
    • activ (folosește propriul radar pentru a ilumina ținta ),
    • pasiv (detectează emisiile radar ale țintei),
    • semiactiv de radare homing ,
    • Homing infraroșu  : Această formă de orientare este folosit exclusiv pentru muniții militare, în special aer-aer și sol-aer rachete . Căutătorul rachetei se îndreaptă spre semnătura în infraroșu (căldură) de la motoarele țintei (de unde și termenul „rachetă de căutare căldură”),
    • Homing ultraviolet, utilizat în FIM-92 Stinger - mai rezistent la contramăsuri, decât sistemul IR homing
    • Ghidare cu laser  : un dispozitiv care indică laserul calculează poziția relativă față de o țintă evidențiată. Cei mai mulți sunt familiarizați cu utilizările militare ale tehnologiei pe bomba ghidată cu laser . Echipajul navetei spațiale folosește un dispozitiv de mână pentru a furniza informații în planificarea întâlnirii. Limita principală a acestui dispozitiv este că necesită o linie de vedere între țintă și designator.
    • Potrivirea conturului terenului ( TERCOM ). Folosește un radar de scanare la sol pentru a „potrivi” topografia cu datele digitale ale hărții pentru a fixa poziția curentă. Folosit de rachete de croazieră precum Tomahawk (rachetă) .

Orientarea este „șoferul” unui vehicul. Prinde informații din sistemul de navigație (unde sunt eu) și folosește informații de direcționare (unde vreau să merg) pentru a trimite semnale către sistemul de control al zborului care să permită vehiculului să ajungă la destinație (în limitele de funcționare ale vehiculului) . „Țintele” pentru sistemele de ghidare sunt unul sau mai mulți vectori de stare (poziție și viteză) și pot fi inerțiale sau relative. În timpul zborului cu motor, ghidarea calculează continuu direcțiile de direcție pentru controlul zborului. De exemplu, naveta spațială vizează o altitudine, un vector de viteză și o gamă pentru a conduce motorul principal întrerupt. În mod similar, o rachetă balistică intercontinentală vizează și un vector. Vectorii țintă sunt dezvoltați pentru a îndeplini misiunea și pot fi pre-planificați sau creați dinamic.

Control . Controlul zborului se realizează fie aerodinamic, fie prin comenzi motorizate, cum ar fi motoarele. Ghidul trimite semnale către controlul zborului. Un pilot automat digital (DAP) este interfața dintre ghidare și control. Ghidarea și DAP sunt responsabile pentru calcularea instrucțiunii precise pentru fiecare control de zbor. DAP oferă feedback la îndrumări cu privire la starea comenzilor de zbor.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

  • O introducere în matematică și metode de astrodinamică, ediție revizuită (AIAA Education Series) Richard Battin, mai 1991
  • Space Guidance Evolution-A Personal Narrative, Richard Battin, AIAA 82–4075, aprilie 1982