Системы наведения и управления движением

Введение

Устройство, используемое для управления транспортными средствами

Система наведения – это виртуальное или физическое устройство, либо группа устройств, реализующих управление движением судна, летательного аппарата, ракеты, носителя, спутника или любого другого движущегося объекта. Наведение – это процесс вычисления изменений в положении, скорости, высоте и/или угловой скорости движущегося объекта, необходимых для следования заданной траектории и/или профилю высоты на основе информации о состоянии движения объекта. Система наведения обычно является частью системы управления, навигации и контроля, в то время как навигация относится к системам, необходимым для определения текущего положения и ориентации на основе данных датчиков, таких как компасы, GPS-приемники, Loran C, звездные трекеры, инерциальные измерительные блоки, высотомеры и т.д. Выход навигационной системы, навигационное решение, является одним из входных параметров для системы наведения, наряду с такими данными, как условия окружающей среды (ветер, вода, температура и т.п.) и характеристики транспортного средства (например, масса, доступность системы управления, корреляция систем управления с изменением вектора и т.д.). В общем случае, система наведения вычисляет команды для системы управления, которая включает в себя исполнительные механизмы объекта (например, двигатели, маховики, рули высоты и т.п.), способные изменять траекторию полета и ориентацию объекта без непосредственного или непрерывного участия человека. Одним из первых примеров настоящей системы наведения является система, использованная в немецком V-1 во время Второй мировой войны. Навигационная система состояла из простого гироскопа, датчика воздушной скорости и высотомера. Команды наведения включали высоту цели, скорость цели, время полета и время отключения двигателя. Система наведения имеет три основных подраздела: входы, обработка и выходы. Входной раздел включает датчики, данные о курсе, радио- и спутниковые каналы связи, а также другие источники информации. Обрабатывающий раздел, состоящий из одного или нескольких процессоров, интегрирует эти данные и определяет, какие действия, если таковые имеются, необходимы для поддержания или достижения заданного курса. Эти данные затем поступают на выходы, которые могут непосредственно влиять на курс системы. Выходы могут управлять скоростью, взаимодействуя с такими устройствами, как турбины и топливные насосы, или они могут более непосредственно изменять курс, приводя в действие элероны, рули направления или другие устройства.

A guidance system is a virtual or physical device, or a group of devices implementing a controlling the movement of a ship, aircraft, missile, rocket, satellite, or any other moving object. Guidance is the process of calculating the changes in position, velocity, altitude, and/or rotation rates of a moving object required to follow a certain trajectory and/or altitude profile based on information about the object's state of motion. A guidance system is usually part of a Guidance, navigation and control system, whereas navigation refers to the systems necessary to calculate the current position and orientation based on sensor data like those from compasses, GPS receivers, Loran C, star trackers, inertial measurement units, altimeters, etc. The output of the navigation system, the navigation solution, is an input for the guidance system, among others like the environmental conditions (wind, water, temperature, etc.) and the vehicle's characteristics (i. e. mass, control system availability, control systems correlation to vector change, etc.). In general, the guidance system computes the instructions for the control system, which comprises the object's actuators (e. g., thrusters, reaction wheels, body flaps, etc. ), which are able to manipulate the flight path and orientation of the object without direct or continuous human control. One of the earliest examples of a true guidance system is that used in the German V 1 during World War II. The navigation system consisted of a simple gyroscope, an airspeed sensor, and an altimeter. The guidance instructions were target altitude, target velocity, cruise time, and engine cut off time. A guidance system has three major sub sections: Inputs, Processing, and Outputs. The input section includes sensors, course data, radio and satellite links, and other information sources. The processing section, composed of one or more CPUs, integrates this data and determines what actions, if any, are necessary to maintain or achieve a proper heading. This is then fed to the outputs which can directly affect the system's course. The outputs may control speed by interacting with devices such as turbines, and fuel pumps, or they may more directly alter course by actuating ailerons, rudders, or other devices.

История

Инерциальные системы наведения изначально разрабатывались для ракет. Американский пионер ракетной техники Роберт Годдард экспериментировал с примитивными гироскопическими системами. Системы доктора Годдарда вызвали большой интерес у современников – немецких пионеров, включая Вернера фон Брауна. Эти системы получили более широкое распространение с появлением космических аппаратов, управляемых ракет и коммерческих авиалайнеров. История американской разработки систем наведения связана с двумя различными сообществами. Одно вышло из Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивного движения НАСА, другое – из числа немецких ученых, разработавших системы наведения ракеты V-2, и MIT. Система GN&C для V-2 внесла множество инноваций и была самым совершенным военным оружием в 1942 году, используя автономное наведение по замкнутому контуру. Ранние V-2 использовали 2 гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговым компьютером для корректировки азимута ракеты в полете. Сигналы аналогового компьютера использовались для управления четырьмя внешними рулями на хвостовом оперении для управления полетом. Фон Браун организовал сдачу в плен 500 своих лучших ученых-ракетчиков, вместе с планами и опытными образцами, американцам. Они прибыли в Форт-Блисс, штат Техас, в 1945 году и впоследствии были переведены в Хантсвилл, штат Алабама, в 1950 году (также известный как арсенал Редстоун). Главной страстью фон Брауна были межпланетные космические полеты. Однако его выдающиеся лидерские качества и опыт работы с программой V-2 сделали его незаменимым для американских военных. В 1955 году команда Редстоун была выбрана для вывода первого американского спутника на орбиту, что поставило эту группу в центр как военных, так и коммерческих космических программ. Лаборатория реактивного движения ведет свою историю с 1930-х годов, когда профессор Калтеха Теодор фон Карман проводил новаторские работы в области ракетного движения. Финансируемая Армейским артиллерийским управлением в 1942 году, первые усилия JPL в конечном итоге охватили технологии, выходящие за рамки аэродинамики и химии топлива. Результатом усилий Армейского артиллерийского управления стал ответ JPL на немецкую ракету V-2, получивший название MGM 5 Corporal, впервые запущенную в мае 1947 года. 3 декабря 1958 года, через два месяца после создания Конгрессом Национального управления аэронавтики и космоса (NASA), JPL был передан из подчинения армии в ведение этого нового гражданского космического агентства. Этот сдвиг был обусловлен созданием военной группы, сформированной на основе немецкой команды V-2. Таким образом, начиная с 1958 года, NASA JPL и команда Caltech сосредоточились в основном на беспилотных полетах и отошли от военных применений, за некоторыми исключениями. Сообщество, окружающее JPL, стимулировало огромные инновации в области телекоммуникаций, межпланетных исследований и мониторинга Земли (среди других областей). В начале 1950-х годов правительство США хотело обезопасить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных целях. Среди областей, которые были разработаны внутри страны, было ракетное наведение. В начале 1950-х годов Лаборатория приборов MIT (позже ставшая Лабораторией Чарльза Старка Дрейпера, Inc.) была выбрана подразделением разработки ВВС для обеспечения резервной автономной системой наведения для Convair в Сан-Диего для новой межконтинентальной баллистической ракеты Atlas. Техническим руководителем проекта в MIT был молодой инженер по имени Джим Флетчер, который впоследствии стал администратором NASA. Система наведения Atlas должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы отслеживания и управления. Это стало началом философских разногласий, которые в некоторых областях остаются неразрешенными. Самодостаточная система в конечном итоге победила в применении баллистических ракет по очевидным причинам. В исследовании космоса используется сочетание обоих подходов. Летом 1952 года доктор Ричард Баттин и доктор Дж. Халкомб ("Хал") Лэнинг-младший исследовали вычислительные решения для наведения, поскольку вычислительная техника начала выходить за рамки аналогового подхода. Поскольку компьютеры того времени были очень медленными (а ракеты – очень быстрыми), было крайне важно разработать высокоэффективные программы. Доктор Дж. Халкомб Лэнинг, при помощи Фила Хэнкинса и Чарли Вернера, начал работу над MAC, алгебраическим языком программирования для IBM 650, который был завершен к началу весны 1958 года. MAC стал основным инструментом лаборатории MIT. MAC – чрезвычайно читаемый язык, имеющий трехстрочный формат, обозначения векторов и матриц, а также мнемонические и индексированные индексы. Современный язык Space Shuttle (STS) под названием HAL (разработанный Intermetrics, Inc.) является прямым потомком MAC. Поскольку главным архитектором HAL был Джим Миллер, который совместно с Халом Лэнингом написал отчет о системе MAC, вполне логично предположить, что язык шаттла назван в честь старого наставника Джима, а не, как некоторые предполагают, в честь электронного суперзвезды из фильма Артура Кларка "2001 год: Космическая одиссея" (Ричард Баттин, AIAA 82–4075, апрель 1982 г.).

Inertial guidance systems were originally developed for rockets. American rocket pioneer Robert Goddard experimented with rudimentary gyroscopic systems. Dr. Goddard's systems were of great interest to contemporary German pioneers including Wernher von Braun. The systems entered more widespread use with the advent of spacecraft, guided missiles, and commercial airliners. US guidance history centers around 2 distinct communities. One driven out of Caltech and NASA Jet Propulsion Laboratory, the other from the German scientists that developed the early V2 rocket guidance and MIT. The GN&C system for V2 provided many innovations and was the most sophisticated military weapon in 1942 using self contained closed loop guidance. Early V2s leveraged 2 gyroscopes and lateral accelerometer with a simple analog computer to adjust the azimuth for the rocket in flight. Analog computer signals were used to drive 4 external rudders on the tail fins for flight control. Von Braun engineered the surrender of 500 of his top rocket scientists, along with plans and test vehicles, to the Americans. They arrived in Fort Bliss, Texas in 1945 and were subsequently moved to Huntsville, Alabama, in 1950 (aka Redstone arsenal). Von Braun's passion was interplanetary space flight. However his tremendous leadership skills and experience with the V 2 program made him invaluable to the US military. In 1955 the Redstone team was selected to put America's first satellite into orbit putting this group at the center of both military and commercial space. The Jet Propulsion Laboratory traces its history from the 1930s, when Caltech professor Theodore von Karman conducted pioneering work in rocket propulsion. Funded by Army Ordnance in 1942, JPL's early efforts would eventually involve technologies beyond those of aerodynamics and propellant chemistry. The result of the Army Ordnance effort was JPL's answer to the German V 2 missile, named MGM 5 Corporal, first launched in May 1947. On December 3, 1958, two months after the National Aeronautics and Space Administration (NASA) was created by Congress, JPL was transferred from Army jurisdiction to that of this new civilian space agency. This shift was due to the creation of a military focused group derived from the German V2 team. Hence, beginning in 1958, NASA JPL and the Caltech crew became focused primarily on unmanned flight and shifted away from military applications with a few exceptions. The community surrounding JPL drove tremendous innovation in telecommunication, interplanetary exploration and earth monitoring (among other areas). In the early 1950s, the US government wanted to insulate itself against over dependency on the German team for military applications. Among the areas that were domestically "developed" was missile guidance. In the early 1950s the MIT Instrumentation Laboratory (later to become the Charles Stark Draper Laboratory, Inc.) was chosen by the Air Force Western Development Division to provide a self contained guidance system backup to Convair in San Diego for the new Atlas intercontinental ballistic missile. The technical monitor for the MIT task was a young engineer named Jim Fletcher who later served as the NASA Administrator. The Atlas guidance system was to be a combination of an on board autonomous system, and a ground based tracking and command system. This was the beginning of a philosophic controversy, which, in some areas, remains unresolved. The self contained system finally prevailed in ballistic missile applications for obvious reasons. In space exploration, a mixture of the two remains. In the summer of 1952, Dr. Richard Battin and Dr. J. Halcombe ("Hal") Laning Jr., researched computational based solutions to guidance as computing began to step out of the analog approach. As computers of that time were very slow (and missiles very fast) it was extremely important to develop programs that were very efficient. Dr. J. Halcombe Laning, with the help of Phil Hankins and Charlie Werner, initiated work on MAC, an algebraic programming language for the IBM 650, which was completed by early spring of 1958. MAC became the work horse of the MIT lab. MAC is an extremely readable language having a three line format, vector matrix notations and mnemonic and indexed subscripts. Today's Space Shuttle (STS) language called HAL, (developed by Intermetrics, Inc.) is a direct offshoot of MAC. Since the principal architect of HAL was Jim Miller, who co authored with Hal Laning a report on the MAC system, it is a reasonable speculation that the space shuttle language is named for Jim's old mentor, and not, as some have suggested, for the electronic superstar of the Arthur Clarke movie "2001 A Space Odyssey." (Richard Battin, AIAA 82–4075, April 1982)

Хал Лэнинг и Ричард Баттин провели первоначальную аналитическую работу по инерциальному наведению Atlas в 1954 году. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Вальтер Швайдецкий, руководитель группы наведения. Вальтер работал с Вернером фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны. Первоначальная система наведения "Delta" оценивала разницу в положении относительно опорной траектории. Вычислялась необходимая скорость для достижения (VGO) для корректировки текущей траектории с целью приведения VGO к нулю. Математика этого подхода была в принципе верной, но была отброшена из-за проблем с точной инерциальной навигацией (например, точностью IMU) и вычислительной мощностью аналоговых компьютеров. Проблемы, с которыми столкнулись усилия "Delta", были преодолены системой "Q". Революцией системы "Q" стало объединение проблем ракетного наведения (и связанных с ними уравнений движения) в матрицу Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по вектору положения. Ключевая особенность этого подхода позволяла использовать компоненты векторного произведения (v, xdv,/dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота – технику, известную как "управление векторным произведением". Система "Q" была представлена на первом Техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, проходившем в Ramo Wooldridge Corporation в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. "Система Q" была засекреченной информацией вплоть до 1960-х годов. Производные этого наведения используются для современных военных ракет. Команда CSDL остается лидером в области военного наведения и участвует в проектах для большинства подразделений американских вооруженных сил. 10 августа 1961 года NASA заключила с MIT контракт на предварительное проектирование системы наведения и управления для программы Apollo (см. Apollo on board guidance, navigation, and control system, Dave Hoag, International Space Hall of Fame Dedication Conference in Alamogordo, N. M., October 1976). Современная система наведения Space Shuttle называется PEG4 (Powered Explicit Guidance). Она учитывает как систему "Q", так и атрибуты "предиктора-корректора" оригинальной системы "Delta" (PEG Guidance). Хотя за последние 30 лет в систему наведения шаттла было внесено много обновлений (например, GPS в сборке OI 22), основная часть системы GN&C шаттла мало изменилась. В пилотируемой системе необходим человеческий интерфейс для системы наведения. Поскольку астронавты являются клиентами системы, формируются новые команды, которые затрагивают GN&C, поскольку это основной интерфейс для "управления" транспортным средством. Для Apollo и STS (системы шаттла) CSDL "разработала" наведение, McDonnell Douglas написала требования, а IBM запрограммировала требования. Большая часть системной сложности в пилотируемых системах обусловлена "управлением избыточностью" и поддержкой нескольких сценариев "аварийного прекращения", обеспечивающих безопасность экипажа. Пилотируемые американские лунные и межпланетные системы наведения используют многие из тех же инноваций в области наведения (описанных выше), разработанных в 1950-х годах. Таким образом, хотя основная математическая конструкция наведения осталась в значительной степени неизменной, средства, окружающие GN&C, продолжают развиваться для поддержки новых транспортных средств, новых миссий и нового оборудования. Центр е...

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).