Naváděcí systém - Guidance system

Naváděcí systém je virtuální nebo fyzické zařízení nebo skupina zařízení provádějícího kontrolu pohybu na lodi , letadla , rakety , rakety , družice , nebo jakýkoliv jiný pohybující se objekt. Navádění je proces výpočtu změn polohy, rychlosti, nadmořské výšky a/nebo rychlosti rotace pohybujícího se objektu potřebného k sledování určité trajektorie a/nebo výškového profilu na základě informací o pohybovém stavu objektu.

Naváděcí systém je obvykle součástí naváděcího, navigačního a řídicího systému, zatímco navigace se týká systémů nezbytných k výpočtu aktuální polohy a orientace na základě údajů ze senzorů, jako jsou kompasy , přijímače GPS , Loran-C , hvězdné sledovače , inerciální měření jednotky , výškoměry atd. Výstup navigačního systému , navigačního řešení, je vstupem pro naváděcí systém, mimo jiné jako podmínky prostředí (vítr, voda, teplota atd.) a vlastnosti vozidla (tj. hmotnost, ovládání dostupnost systému, korelace řídicích systémů se změnou vektoru atd.). Naváděcí systém obecně vypočítává pokyny pro řídicí systém, který obsahuje akční členy objektu (např. Trysky , reakční kola , klapky atd.), Které jsou schopny manipulovat s letovou dráhou a orientací objektu bez přímého nebo nepřetržitá lidská kontrola.

Jedním z prvních příkladů skutečného naváděcího systému je ten, který se používal v německé V-1 během druhé světové války . Navigační systém se skládal z jednoduchého gyroskopu , senzoru rychlosti letu a výškoměru. Pokyny byly cílová výška, cílová rychlost, doba plavby a čas vypnutí motoru.

Naváděcí systém má tři hlavní podsekce: Vstupy, Zpracování a Výstupy. Vstupní část obsahuje senzory , data kurzu , rádiová a satelitní spojení a další informační zdroje. Sekce zpracování, složená z jednoho nebo více procesorů , integruje tato data a určuje, jaké akce, jsou -li nějaké, jsou nutné k udržení nebo dosažení správného záhlaví . To je pak přiváděno na výstupy, které mohou přímo ovlivnit průběh systému. Výstupy mohou ovládat rychlost interakcí se zařízeními, jako jsou turbíny a palivová čerpadla , nebo mohou příměji měnit směr ovládáním křidélek , kormidel nebo jiných zařízení.

Dějiny

Inerciální naváděcí systémy byly původně vyvinuty pro rakety. Americký průkopník raket Robert Goddard experimentoval s rudimentárními gyroskopickými systémy. Systémy Dr. Goddarda byly velkým zájmem současných německých průkopníků včetně Wernhera von Brauna . Systémy začaly být rozšířenější s příchodem kosmických lodí , řízených střel a komerčních letadel .

USA se v historii vedení soustředí kolem 2 odlišných komunit. Jeden byl vytlačen z laboratoří Caltech a NASA Jet Propulsion Laboratory , druhý od německých vědců, kteří vyvinuli rané navádění rakety V2 a MIT . Systém GN&C pro V2 poskytl mnoho inovací a byl nejpropracovanější vojenskou zbraní v roce 1942 pomocí samostatného navádění uzavřené smyčky. Rané V2 využívaly 2 gyroskopy a boční akcelerometr s jednoduchým analogovým počítačem k nastavení azimutu rakety za letu. Analogové počítačové signály byly použity k pohonu 4 vnějších kormidel na ocasních ploutvích pro řízení letu. Von Braun navrhl kapitulaci 500 svých špičkových raketových vědců spolu s plány a testovacími vozidly Američanům. Dorazili do Fort Bliss v Texasu v roce 1945 a následně byli přesunuti do Huntsville, Al v roce 1950 (aka arzenál Redstone ). Von Braunovou vášní byl meziplanetární let do vesmíru. Nicméně jeho ohromné ​​vůdčí schopnosti a zkušenosti s programem V-2 z něj činily neocenitelné pro americkou armádu. V roce 1955 byl tým Redstone vybrán, aby vynesl první americký satelit na oběžnou dráhu a umístil tuto skupinu do středu vojenského i komerčního prostoru.

Laboratoř Jet Propulsion sleduje svou historii od 30. let 20. století, kdy profesor Caltechu Theodore von Karman prováděl průkopnické práce v raketovém pohonu . Počáteční úsilí JPL, financované armádním arzenálem v roce 1942, by nakonec zahrnovalo technologie nad rámec aerodynamiky a chemie pohonných hmot. Výsledkem úsilí o arzenál armády byla odpověď JPL na německou raketu V-2, pojmenovanou desátník MGM-5 , poprvé vypuštěnou v květnu 1947. 3. prosince 1958, dva měsíce poté, co byl vytvořen Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) Kongresem byla JPL převedena z jurisdikce armády do jurisdikce této nové civilní vesmírné agentury. Tento posun byl způsoben vytvořením vojenské skupiny zaměřené na německý tým V2. Počínaje rokem 1958 se tedy NASA JPL a posádka Caltech zaměřily především na bezpilotní lety a až na několik výjimek se odklonily od vojenských aplikací. Komunita obklopující JPL vedla k ohromným inovacím v oblasti telekomunikací, meziplanetárního průzkumu a monitorování Země (mimo jiné oblasti).

Na počátku padesátých let se americká vláda chtěla izolovat před přílišnou závislostí na německém týmu pro vojenské aplikace. Mezi oblasti, které byly v tuzemsku „rozvinuty“, bylo navádění raket. Na počátku padesátých let byla Institucionální laboratoř MIT (později Charles Stark Draper Laboratory , Inc.) vybrána divizí západního rozvoje letectva, aby poskytla samostatnou zálohu naváděcího systému společnosti Convair v San Diegu pro nový mezikontinentální balistický Atlas raketa . Technickým monitorem úkolu MIT byl mladý inženýr jménem Jim Fletcher, který později sloužil jako správce NASA. Naváděcí systém Atlas měl být kombinací palubního autonomního systému a pozemního systému sledování a velení. To byl začátek filozofické diskuse, která v některých oblastech zůstává nevyřešena. Samostatný systém nakonec zvítězil v aplikacích balistických raket ze zřejmých důvodů. Při průzkumu vesmíru zůstává směs těchto dvou.

V létě 1952 Dr. Richard Battin a Dr. J. Halcombe („Hal“) Laning Jr. zkoumali výpočetní řešení vedení, protože výpočetní technika začala vycházet z analogového přístupu. Protože počítače té doby byly velmi pomalé (a rakety velmi rychlé), bylo nesmírně důležité vyvinout programy, které byly velmi účinné. Dr. J. Halcombe Laning za pomoci Phila Hankinsa a Charlieho Wernera zahájil práce na MAC, algebraickém programovacím jazyce pro IBM 650 , který byl dokončen na začátku jara 1958. MAC se stal pracovním koněm laboratoře MIT . MAC je extrémně čitelný jazyk, který má třířádkový formát, noty s vektorovou maticí a mnemotechnické a indexované indexy. Dnešní jazyk Space Shuttle (STS) s názvem HAL (vyvinutý společností Intermetrics, Inc.) je přímou odnoží MAC. Vzhledem k tomu, že hlavním architektem HAL byl Jim Miller, který byl spolu s Hal Laningem spoluautorem zprávy o systému MAC, je rozumnou spekulací, že jazyk raketoplánu je pojmenován po Jimově starém mentorovi, a nikoli, jak někteří navrhovali, pro elektronická superstar filmu Arthura Clarka „2001-Vesmírná odysea“. (Richard Battin, AIAA 82–4075, duben 1982)

Hal Laning a Richard Battin provedli počáteční analytické práce na inerciálním vedení Atlasu v roce 1954. Dalšími klíčovými postavami společnosti Convair byli Charlie Bossart, hlavní inženýr a Walter Schweidetzky, vedoucí skupiny vedení. Walter pracoval s Wernherem von Braunem v Peenemuende během druhé světové války.

Počáteční naváděcí systém „Delta“ vyhodnotil rozdíl v poloze z referenční trajektorie. Výpočet rychlosti, kterou je třeba získat (VGO), se provede za účelem opravy aktuální trajektorie s cílem najet VGO na nulu. Matematika tohoto přístupu byla v zásadě platná, ale upustila kvůli problémům s přesnou inerciální navigací (např. Přesnost IMU) a analogovým výpočetním výkonem. Výzvy, s nimiž se potýká úsilí „Delta“, byly překonány „systémem Q“ pokynů. Revoluce systému „Q“ měla vázat výzvy navádění raket (a s nimi spojené pohybové rovnice) v matici Q. Matice Q představuje dílčí derivace rychlosti vzhledem k polohovému vektoru. Klíčový rys tohoto přístupu umožnil, aby složky vektorového křížového produktu (v, xdv,/dt) byly použity jako základní signály rychlosti autopilota-technika, která se stala známou jako „řízení mezi produkty“. Systém Q byl představen na prvním technickém sympoziu o balistických raketách, které se konalo v Ramo-Wooldridge Corporation v Los Angeles 21. a 22. června 1956. „Systém Q“ byl utajovanou informací z 60. let minulého století. Odvození těchto pokynů se používají pro dnešní vojenské rakety. Tým CSDL zůstává lídrem ve vojenském vedení a podílí se na projektech pro většinu divizí americké armády.

10. srpna 1961 NASA udělila MIT smlouvu na předběžnou studii návrhu naváděcího a navigačního systému pro program Apollo . (viz palubní naváděcí, navigační a řídicí systém Apollo, Dave Hoag, mezinárodní konference věnovaná věnování vesmírné síně slávy v Alamogordo , NM, říjen 1976). Dnešní navádění raketoplánů nese název PEG4 (Powered Explicit Guidance). Bere v úvahu jak systém Q, tak atributy prediktor-korektor původního systému „Delta“ (PEG Guidance). Přestože za posledních 30 let proběhlo mnoho aktualizací navigačního systému raketoplánů (např. GPS v sestavě OI-22), naváděcí jádro dnešního systému Shuttle GN&C se vyvíjelo málo. V systému s lidskou posádkou je pro naváděcí systém potřebné lidské rozhraní. Jelikož jsou astronauti zákazníkem systému, vzniká mnoho nových týmů, které se dotýkají GN&C, protože je to primární rozhraní pro „létání“ s vozidlem. Pro Apollo a STS (systém Shuttle) CSDL „navrhl“ návod, McDonnell Douglas napsal požadavky a IBM tyto požadavky naprogramovala.

Velká část složitosti systému v systémech s posádkou je dána „správou redundance“ a podporou několika scénářů „přerušení“, které zajišťují bezpečnost posádky. Americké lunární a meziplanetární naváděcí systémy využívající mnoho stejných poradenských novinek (popsaných výše) vyvinutých v padesátých letech minulého století. Takže zatímco základní matematický konstrukt vedení zůstal poměrně konstantní, zařízení kolem GN&C se nadále vyvíjejí, aby podporovala nová vozidla, nové mise a nový hardware. Středem excelence pro pilotované vedení zůstává MIT (CSDL) a bývalý McDonnell Douglas Space Systems (v Houstonu).

Popis

Naváděcí systémy se skládají ze 3 základních částí: navigace, která sleduje aktuální polohu, navádění, které využívá navigační data a informace o cíli k přímému řízení letu „kam jít“, a řízení, které přijímá naváděcí příkazy k provedení změny v aerodynamických a/nebo motorových ovládacích prvcích.

Navigace je umění určit, kde se nacházíte, což je věda, která se v roce 1711 s cenou Longitude nesmírně zaměřila . Navigační pomůcky buď měří polohu z pevného referenčního bodu (např. Orientační bod, polární hvězda, maják LORAN), relativní polohu k cíli (např. Radar, infračervené světlo, ...), nebo sledují pohyb ze známé polohy/počáteční bod (např. IMU). Dnešní složité systémy používají k určení aktuální polohy více přístupů. Například nejmodernější navigační systémy současnosti jsou začleněny do protibalistické střely , standardní střela RIM-161 Standard Missile 3 využívá data GPS, IMU a pozemního segmentu ve fázi boostu a údaje o relativní poloze pro zachycení zaměřování. Složité systémy mají typicky vícenásobnou redundanci k řešení driftu, zlepšení přesnosti (např. Vzhledem k cíli) a selhání adresově izolovaného systému. Navigační systémy proto přijímají více vstupů z mnoha různých senzorů, a to jak interních, tak externích (např. Pozemní aktualizace). Kalmanův filtr poskytuje nejběžnější přístup ke kombinaci navigačních dat (z více senzorů) k vyřešení aktuální polohy. Příklady navigačních přístupů:

  • Nebeská navigace je technika určování polohy, která byla navržena tak, aby pomohla námořníkům překonat nevýrazné oceány, aniž by museli spoléhat na mrtvé zúčtování, které jim umožní udeřit na pevninu. Nebeská navigace využívá úhlová měření (památky) mezi horizontem a běžným nebeským objektem. Nejčastěji se měří Slunce. Zruční navigátoři mohou využívat Měsíc, planety nebo jednu z 57 navigačních hvězd, jejichž souřadnice jsou uvedeny v námořních almanachech. Historické nástroje zahrnují data o sextantu , hodinkách a efemeridách. Dnešní raketoplán a většina meziplanetárních kosmických lodí využívá ke kalibraci inerciálních navigačních systémů optické systémy: Crewman Optical Alignment Sight (COAS), Star Tracker.
  • Inerciální měřicí jednotky (IMU) jsou primární inerciální systém pro udržování aktuální polohy (navigace) a orientace v raketách a letadlech. Jsou to složité stroje s jedním nebo více rotujícími gyroskopy, které se mohou v komplexním kardanovém systému volně otáčet o 3 stupně pohybu . IMU jsou „roztočeny“ a kalibrovány před spuštěním. Ve většině složitých systémů jsou zavedeny minimálně 3 samostatné IMU. Kromě relativní polohy obsahují IMU akcelerometry, které dokážou měřit zrychlení ve všech osách. Údaje o poloze v kombinaci s údaji o zrychlení poskytují nezbytné vstupy pro „sledování“ pohybu vozidla. IMU mají tendenci „driftovat“ kvůli tření a přesnosti. Opravu chyb pro řešení tohoto driftu lze zajistit pomocí telemetrie pozemního spojení , GPS , radaru , optické nebeské navigace a dalších navigačních pomůcek. Při cílení na jiné (pohybující se) vozidlo se relativní vektory stávají prvořadými. V této situaci jsou důležitější navigační pomůcky, které poskytují aktualizaci polohy vzhledem k cíli . Inerciální navigační systémy kromě aktuální polohy také typicky odhadují předpokládanou polohu pro budoucí výpočetní cykly. Viz také Inerciální navigační systém .
  • Astro-inerciální naváděcí je čidlo fúze / informace fúze z navádění inerciální a navigaci podle hvězd.
  • Navigace na dlouhou vzdálenost (LORAN): Toto byl předchůdce GPS a byl (a do určité míry stále je) používán především v komerční námořní dopravě. Systém funguje tak, že trianguluje polohu lodi na základě směrového odkazu na známé vysílače .
  • Global Positioning System (GPS): GPS byl navržen americkou armádou s primárním účelem řešení „driftu“ v rámci setrvačné navigace balistické rakety odpalované ponorkou (SLBM) před spuštěním. GPS vysílá 2 typy signálů: vojenský a komerční. Přesnost vojenského signálu je klasifikovaná, ale lze předpokládat, že je hluboko pod 0,5 metru. Prostorový segment systému GPS se skládá z 24 až 32 satelitů na střední oběžné dráze Země ve výšce přibližně 20 200 km (12 600 mi). Satelity jsou na šesti konkrétních oběžných drahách a vysílají vysoce přesné časové a satelitní informace o poloze, které lze použít k odvození vzdáleností a triangulaci polohy.

  • Radar/Infračervený/Laser: Tato forma navigace poskytuje informace o vedení ve vztahu ke známému cíli , má civilní (ex rendezvous) i vojenské aplikace.

Vedení je „řidič“ vozidla. Převezme vstup z navigačního systému (kde jsem) a pomocí informací o cílení (kam chci jít) vysílá signály do systému řízení letu, který vozidlu umožní dosáhnout cíle (v rámci provozních omezení vozidla) . "Cíle" pro naváděcí systémy jsou jeden nebo více stavových vektorů (poloha a rychlost) a mohou být setrvačné nebo relativní. Během letu s pohonem navádění neustále vypočítává směry řízení pro řízení letu. Například raketoplánu cílí na výšku, vektor rychlosti, a gama pro pohon hlavního řezu motor. Podobně se na vektor zaměřuje také mezikontinentální balistická raketa . Cílové vektory jsou vyvinuty tak, aby splnily poslání, a lze je předem naplánovat nebo dynamicky vytvořit.

Ovládání . Řízení letu se provádí buď aerodynamicky, nebo prostřednictvím ovládaných motorů, jako jsou motory. Navádění vysílá signály do řízení letu. Digitální autopilot (DAP) je rozhraní mezi naváděním a ovládáním. Vedení a DAP jsou zodpovědné za výpočet přesných pokynů pro každé řízení letu. DAP poskytuje zpětnou vazbu k pokynům o stavu řízení letu.

Viz také

Reference

Další čtení

  • Úvod do matematiky a metod astrodynamiky, přepracované vydání (AIAA Education Series) Richard Battin, květen 1991
  • Space Guidance Evolution-osobní příběh, Richard Battin, AIAA 82–4075, duben 1982