Кіріспе
Көлiк құралдарын бағыттауға арналған құрылғы
Бағыттау жүйесi – кеме, ұшақ, зымыран, ракета, спутниктiң немесе кез келген қозғалмалы нысанның қозғалысын басқаруды iске асыратын нақты немесе виртуалды құрылғы немесе құрылғылар жиынтығы. Бағыттау – қозғалатын нысанның қозғалыс күйi туралы ақпаратқа сүйене отырып, белгiлi траекторияны және/немесе бiздiк профилiн сақтау үшiн қажеттi орны, жылдамдығы, бiздiгi және/немесе айналу жылдамдығының өзгерiстерiн есептеу процесі. Бағыттау жүйесi әдетте бағыттау, навигация және басқару жүйесiнiң құрамына кiредi, ал навигация – компастар, GPS қабылдағыштар, Loran C, жұлдызды бақылау, инерциялық өлшеу құралдары, биiктiк өлшегiштер сияқты сенсорлық деректер негiзiнде ағымдағы орны мен бағытын анықтауға қажеттi жүйелердi бiлдiредi. Навигациялық жүйенiң нәтижесi, навигациялық шешiм, басқа факторлармен қатар, қоршаған ортаның жағдайлары (жел, су, температура және т.б.) және көлiк құралының сипаттамалары (мысалы, масса, басқару жүйесiнiң мүмкiндiгi, басқару жүйелерiнiң вектор өзгерiсiне байланыстылығы және т.б.) – бағыттау жүйесiне енгiзiледi. Жалпы алғанда, бағыттау жүйесi басқару жүйесi үшiн нұсқауларды есептейдi, ол нысанның атқарушы механизмдерiн (мысалы, жылдамдатқыштар, реакциялық дөңгелектер, корпустың жапқыштары және т.б.) қамтиды, олар адамның тiкелей немесе үздіксіз бақылауынсыз нысанның ұшу жолын және бағытын өзгерте алады. Нақты бағыттау жүйесiнiң алғашқы мысалы – Екiншi дүниежүзiлiк соғыс кезінде неміс V 1 зымыранында қолданылған жүйе. Навигациялық жүйе қарапайым гироскоптан, ауа жылдамдығын өлшеу сенсорынан және биiктiк өлшегiштен тұрды. Нұсқаулар: мақсатты биiктiк, мақсатты жылдамдық, ұшу уақыты және қозғалтқышты тоқтату уақыты. Бағыттау жүйесi үш негiзгi бөлімнен тұрады: кiрiс, өңдеу және шығыс. Кiрiстiк бөлімде сенсорлар, бағыт деректерi, радио және спутниктiк байланыс және басқа да ақпарат көздерi бар. Өңдеу бөлiмi, бiр немесе бiрнеше процессорлардан тұрады, осы деректердi бiрiктiредi және дұрыс бағытты сақтау немесе жетiстiру үшiн қандай әрекеттер қажет екенiн анықтайды. Бұл нәтижелер жүйеге тiкелей әсер ететiн шығыстарға берiледi. Шығыстар турбиналар мен отын сорғылары сияқты құрылғылармен өзара әрекеттесу арқылы жылдамдықты басқара алады немесе аэрондарды, рульдердi немесе басқа құрылғыларды iске қосу арқылы бағытты тiкелей өзгерте алады.
Тарих
Инерциялық басқару жүйелері бастапқыда зымырандар үшін әзірленді. Америкалық ракета жасаушы Роберт Годдард қарапайым гироскоптық жүйелермен тәжірибе жасады. Доктор Годдардтың жүйелері заманауи неміс пионерлері, соның ішінде Вернер фон Браун үшін үлкен қызығушылық тудырды. Бұл жүйелер ғарыш кемелері, басқарылатын зымырандар және коммерциялық ұшақтар пайда болған кезде кеңінен қолданыла бастады. АҚШ-тың басқару тарихы екі ерекше қауымдастыққа бағытталған. Бірі Caltech және NASA реактивтік қозғалтқыш зертханасынан шықты, екіншісі неміс ғалымдарынан, олар V2 зымыранының басқару жүйесін және MIT-ті жасады. V2 үшін GN&C жүйесі көптеген жаңалықтарды ұсынды және 1942 жылы өзіне жабық циклді басқаруды қолдана отырып, ең күрделі әскери қару болды. Ертедегі V2 зымырандары 2 гироскопты және бүйірлік акселерометрді қарапайым аналогтық компьютермен бірге ракетаның ұшу кезінде азимутын реттеу үшін пайдаланды. Ұшуды басқару үшін құйрық қанаттарында орналасқан 4 сыртқы рульді басқару үшін аналогтық компьютерлік сигналдар қолданылды. Фон Браун өзінің 500 үздік ғалымын, жобаларын және сынақ машиналарын американдықтарға тапсыруды ұйымдастырды. Олар 1945 жылы Техастағы Форт-Блисске келді, кейіннен 1950 жылы Алабама штатының Хантсвилл қаласына (Редстоун арсеналы) көшірілді. Фон Браунның құмарлығы – ғарышқа ұшу. Алайда, оның V2 бағдарламасындағы үлкен тәжірибесі мен көшбасшылық қабілеті оны АҚШ әскері үшін баға жетпес құндылыққа айналдырды. 1955 жылы Редстоун командасы Американың алғашқы спутнигін орбитаға шығару үшін таңдалды, бұл топты әскери және коммерциялық ғарыш саласының орталығына қойды. Jet Propulsion Laboratory өзінің тарихын 1930 жылдардан бастайды, ол кезде Caltech профессоры Теодор фон Карман зымыран қозғалтқыштарында ізашарлық жұмыс жүргізді. 1942 жылы Армиялық қару-жарақ қоры қаржыландырған JPL-дің алғашқы күш-жігері соңында аэродинамика мен қозғалтқыш химиясынан тыс технологияларды қамтиды. Армияның қару-жарақ күш-жігерінің нәтижесі 1947 жылы мамыр айында алғаш рет ұшырылған MGM 5 Corporal деп аталатын неміс V2 зымыранына JPL-дің жауабы болды. 1958 жылы 3 желтоқсанда, Конгресс Ұлттық Аэронавтика және Ғарыш Басқармасын (NASA) құрғаннан екі ай өткен соң, JPL армияның юрисдикциясынан осы жаңа азаматтық ғарыш агенттігіне берілді. Бұл ауысу неміс V2 командасынан шыққан әскери топтың құрылуына байланысты болды. Сондықтан 1958 жылдан бастап NASA JPL және Caltech командасы негізінен ұшқыштарға назар аударды және бірнеше ерекшелікпен әскери қолданбалардан алыстап кетті. JPL-ді қоршаған қауым телекоммуникация, планетааралық зерттеу және жерді бақылау (басқа салалар арасында) саласындағы үлкен инновацияларды қолға алды. 1950 жылдардың басында АҚШ үкіметі әскери мақсаттарда неміс командасына тым тәуелділіктен сақтанғысы келді. "Өзгеленген" салалардың бірі – зымыранды басқару. 1950 жылдардың басында MIT аспаптар зертханасы (кейіннен Чарльз Старк Дрейпер зертханасы, Inc.) Әуе күштері Батыс даму бөлімшесі жаңа Атлант аралық баллистикалық зымыраны үшін Сан-Диегодағы Конвайрға өзіндік бағыттау жүйесінің резервтік көшірмесін ұсыну үшін таңдалды. MIT-тің техникалық бақылаушысы жас инженер Джим Флетчер болды, ол кейін NASA әкімшісі болып қызмет етті. Atlas бағыт-бағдар жүйесі – автономды жүйе мен жер бетіндегі бақылау және басқару жүйесінің бірі. Бұл философиялық даудың басталуы болды, ол кейбір салаларда әлі күнге дейін шешілмеген. Өзін-өзі қамтамасыз ететін жүйе баллистикалық ракеталарды қолдануда айқын себептермен басым болды. Ғарышты зерттеуде екеуінің араласқан түрі сақталады. 1952 жылдың жазында доктор Ричард Баттин және доктор Дж. Хэлкомб ("Хал") Лэнинг кенже, есептеу аналогтық тәсілден шыға бастаған кезде, басшылыққа арналған есептеулік негізделген шешімдерді зерттеді. Сол кездегі компьютерлер өте баяу болғандықтан (және зымырандар өте жылдам болғандықтан) өте тиімді бағдарламаларды әзірлеу өте маңызды болды. Д-р Дж. Халкомб Лэнинг Фил Хэнкинс пен Чарли Вернердің көмегімен MAC-те, IBM 650 үшін алгебралық бағдарламалау тілінде жұмыс бастады, ол 1958 жылдың көктемінің басында аяқталды. MAC MIT зертханасының жұмыс аты болды. MAC – бұл үш жолды форматы, векторлық матрицалық жазулар мен мнемоникалық және индекстелген жазылулар бар өте оқылатын тіл. Бүгінгі Space Shuttle (STS) тілі HAL деп аталады, (Intermetrics, Inc. компаниясы әзірлеген) MAC-тің тікелей тармағы болып табылады. HAL-дің негізгі архитекторы Джим Миллер болғандықтан, ол Хэл Лэнингпен MAC жүйесі туралы баяндаманы бірлесіп жазған, бұл ...
Hal Laning and Richard Battin undertook the initial analytical work on the Atlas inertial guidance in 1954. Other key figures at Convair were Charlie Bossart, the Chief Engineer, and Walter Schweidetzky, head of the guidance group. Walter had worked with Wernher von Braun at Peenemuende during World War II. The initial "Delta" guidance system assessed the difference in position from a reference trajectory. A velocity to be gained (VGO) calculation is made to correct the current trajectory with the objective of driving VGO to Zero. The mathematics of this approach were fundamentally valid, but dropped because of the challenges in accurate inertial navigation (e. g. IMU Accuracy) and analog computing power. The challenges faced by the "Delta" efforts were overcome by the "Q system" of guidance. The "Q" system's revolution was to bind the challenges of missile guidance (and associated equations of motion) in the matrix Q. The Q matrix represents the partial derivatives of the velocity with respect to the position vector. A key feature of this approach allowed for the components of the vector cross product (v, xdv,/dt) to be used as the basic autopilot rate signals a technique that became known as "cross product steering." The Q system was presented at the first Technical Symposium on Ballistic Missiles held at the Ramo Wooldridge Corporation in Los Angeles on June 21 and 22, 1956. The "Q System" was classified information through the 1960s. Derivations of this guidance are used for today's military missiles. The CSDL team remains a leader in the military guidance and is involved in projects for most divisions of the US military. On August 10 of 1961 NASA awarded MIT a contract for preliminary design study of a guidance and navigation system for Apollo program. (see Apollo on board guidance, navigation, and control system, Dave Hoag, International Space Hall of Fame Dedication Conference in Alamogordo, N. M., October 1976 ). Today's space shuttle guidance is named PEG4 (Powered Explicit Guidance). It takes into account both the Q system and the predictor corrector attributes of the original "Delta" System (PEG Guidance). Although many updates to the shuttles navigation system have taken place over the last 30 years (ex. GPS in the OI 22 build), the guidance core of today's Shuttle GN&C system has evolved little. Within a manned system, there is a human interface needed for the guidance system. As Astronauts are the customer for the system, many new teams are formed that touch GN&C as it is a primary interface to "fly" the vehicle. For the Apollo and STS (Shuttle system) CSDL "designed" the guidance, McDonnell Douglas wrote the requirements and IBM programmed the requirements. Much system complexity within manned systems is driven by "redundancy management" and the support of multiple "abort" scenarios that provide for crew safety. Manned US Lunar and Interplanetary guidance systems leverage many of the same guidance innovations (described above) developed in the 1950s. So while the core mathematical construct of guidance has remained fairly constant, the facilities surrounding GN&C continue to evolve to support new vehicles, new missions and new hardware. The center of excellence for the manned guidance remains at MIT (CSDL) as well as the former McDonnell Douglas Space Systems (in Houston).