Irányító rendszer - Guidance system

Az irányítórendszer egy virtuális vagy fizikai eszköz, vagy egy eszközcsoport, amely hajó , repülőgép , rakéta , rakéta , műhold vagy bármely más mozgó tárgy mozgását vezérli . Az irányítás az a folyamat, amellyel kiszámítják a mozgó tárgy helyzetében, sebességében, magasságában és/vagy forgási sebességében bekövetkező változásokat , amelyek egy adott pálya és/vagy magasságprofil követéséhez szükségesek, az objektum mozgásállapotára vonatkozó információk alapján.

Az irányító rendszer általában egy irányítási, navigációs és vezérlőrendszer része, míg a navigáció azokra a rendszerekre vonatkozik, amelyek szükségesek az aktuális pozíció és tájolás kiszámításához az érzékelők adatai alapján, mint például az iránytűk , GPS-vevők , Loran-C , csillagkövetők , tehetetlenségi mérések. egységek , magasságmérő , stb a kimenet a navigációs rendszer , navigációs megoldás, egy input az irányító rendszer, többek között, mint a környezeti feltételek (szél, víz, hőmérséklet, stb), és a jármű jellemzői (azaz tömeg, ellenőrzés a rendszer elérhetősége, a vezérlőrendszerek korrelációja a vektorváltozással stb.). Általában a irányító rendszer kiszámítja a leírást a rendszer, amely az objektum beavatkozószervek (pl, tolóerő , reakció kerekek , test szárnyak , stb), amelyek képesek manipulálni a repülési pálya és orientációja a tárgy nélküli közvetlen vagy folyamatos emberi kontroll.

Az igazi irányítási rendszer egyik legkorábbi példája az, amelyet a német V-1- ben használtak a második világháború alatt . A navigációs rendszer egy egyszerű giroszkópból , egy légsebesség -érzékelőből és egy magasságmérőből állt. Az útmutatók a célmagasságot, a célsebességet, az utazási időt és a motor leállítási idejét tartalmazták.

Egy irányítási rendszer három fő alszakaszból áll: Bemenetek, Feldolgozás és Kimenetek. A bemeneti rész tartalmazza az érzékelőket , a kurzusadatokat , a rádió- és műholdas kapcsolatokat , valamint egyéb információforrásokat. Az egy vagy több CPU -ból álló feldolgozó rész integrálja ezeket az adatokat, és meghatározza, hogy milyen műveletekre van szükség, ha szükséges, a megfelelő címsor fenntartásához vagy eléréséhez . Ezt azután a kimenetekre táplálják, amelyek közvetlenül befolyásolhatják a rendszer menetét. A kimenetek szabályozhatják a sebességet, ha kölcsönhatásba lépnek az olyan eszközökkel, mint a turbinák és az üzemanyag -szivattyúk , vagy közvetlenebbül megváltoztathatják az irányt csavarok , kormányok vagy más eszközök működtetésével.

Történelem

Az inerciális irányítórendszereket eredetileg rakétákhoz fejlesztették ki. Robert Goddard amerikai rakéta -úttörő kezdetleges giroszkópos rendszerekkel kísérletezett . Dr. Goddard rendszerei nagy érdeklődést mutattak a korabeli német úttörők, köztük Wernher von Braun iránt . A rendszereket az űrhajók , az irányított rakéták és a kereskedelmi repülőgépek megjelenésével szélesebb körben alkalmazták .

Az USA útmutatástörténete két különböző közösség köré épül. Az egyiket a Caltechből és a NASA sugárhajtómű -laboratóriumából hajtották ki , a másikat a német tudósoktól, akik kifejlesztették a korai V2 -es rakétairányítást és az MIT -t . A V2 GN&C rendszere számos újítással szolgált, és 1942-ben a legkifinomultabb katonai fegyver volt, önálló zárt hurkú irányítást alkalmazva. A korai V2 -k 2 giroszkópot és oldalsó gyorsulásmérőt használtak egy egyszerű analóg számítógéppel, hogy beállítsák a repülési rakéta azimutját. Analóg számítógépes jelekkel 4 külső kormányt hajtottak a farokúszón a repülésirányításhoz. Von Braun megtervezte 500 vezető rakétatudósának feladását, tervekkel és tesztjárművekkel együtt az amerikaiaknak. 1945 -ben érkeztek a texasi Fort Bliss -be, majd 1950 -ben Huntsville -be, Al -ba (más néven Redstone arzenál ) költöztették . Von Braun szenvedélye a bolygóközi űrrepülés volt. Óriási vezetői képességei és a V-2 programban szerzett tapasztalatai azonban felbecsülhetetlen értékűvé tették őt az amerikai hadsereg számára. 1955 -ben a Redstone csapatát választották ki, hogy Amerika első műholdját pályára állítsák, és ez a csoport mind a katonai, mind a kereskedelmi tér középpontjába kerüljön.

A sugárhajtómű -laboratórium a múlt század harmincas éveit követi, amikor Theodore von Karman , a Caltech professzora úttörő munkát végzett a rakétahajtásban . Az 1942 -ben a hadsereg hadgyakorlata által finanszírozott JPL korai erőfeszítései végül az aerodinamika és a hajtógázkémia technológiáin túlmutató technológiákat is magukban foglaltak. A hadsereg fegyveres erőfeszítéseinek eredménye volt a JPL válasza az 1947 májusában először indított MGM-5 tizedes nevű német V-2 rakétára . 1958. december 3-án, két hónappal a Nemzeti Légiforgalmi és Űrhivatal (NASA) létrehozása után a Kongresszus által JPL -t áthelyezték a hadsereg joghatósága alól ennek az új polgári űrügynökségnek. Ez a váltás annak köszönhető, hogy egy katonai célú csoportot hoztak létre a német V2 csapatból. Így 1958 -tól kezdve a NASA JPL és a Caltech legénysége elsősorban a pilóta nélküli repülésre összpontosított, és néhány kivétellel eltávolodott a katonai alkalmazásoktól. A JPL -t körülvevő közösség óriási újításokat hajtott végre a telekommunikációban, a bolygóközi kutatásban és a földfigyelésben (többek között).

Az 1950 -es évek elején az amerikai kormány védekezni akart a katonai alkalmazások német csoporttól való túlzott függősége ellen. A belföldön "kifejlesztett" területek közé tartozott a rakétavezetés. Az 1950-es évek elején a Légierő Nyugati Fejlesztési Osztálya választotta a MIT Instrumentation Laboratory-t (később Charles Stark Draper Laboratory , Inc.), hogy önálló irányítási rendszert biztosítson a San Diego-i Convair-hoz az új Atlas interkontinentális ballisztikus rendszerhez rakéta . Az MIT feladat technikai monitorja egy fiatal mérnök, Jim Fletcher volt, aki később a NASA adminisztrátora volt. Az Atlas irányítórendszernek egy fedélzeti autonóm rendszerből és egy földi nyomkövető és irányító rendszerből kellett állnia. Ez volt a filozófiai vita kezdete, amely bizonyos területeken továbbra is megoldatlan. A ballisztikus rakéták alkalmazásában nyilvánvaló okokból végül az önálló rendszer győzött. Az űrkutatásban a kettő keveréke marad.

1952 nyarán Dr. Richard Battin és Dr. J. Halcombe ("Hal") Laning Jr. számításon alapuló megoldásokat kutattak az útmutatáshoz, miközben a számítástechnika kezdett kilépni az analóg megközelítésből. Mivel az akkori számítógépek nagyon lassúak voltak (és a rakéták nagyon gyorsak), rendkívül fontos volt nagyon hatékony programok kifejlesztése. Dr. J. Halcombe Laning Phil Hankins és Charlie Werner közreműködésével kezdeményezte a MAC, az IBM 650 algebrai programozási nyelvének kidolgozását , amely 1958 kora tavaszára fejeződött be. . A MAC egy rendkívül olvasható nyelv, amely három soros formátumot, vektor-mátrix jelöléseket, valamint mnemonikus és indexelt előjegyzéseket tartalmaz. A mai Űrsikló (STS) nyelv, a HAL, (amelyet az Intermetrics, Inc. fejlesztett ki) a MAC közvetlen mellékága. Mivel a HAL fő építésze Jim Miller volt, aki Hal Laninggal együtt készített egy jelentést a MAC rendszerről, ésszerű feltételezés, hogy az űrsikló nyelvét Jim régi mentoráról nevezték el, és nem, ahogy egyesek javasolják, a "2001-A Space Odyssey" című Arthur Clarke-film elektronikus szupersztárja. (Richard Battin, AIAA 82–4075, 1982. április)

Hal Laning és Richard Battin 1954 -ben elvégezték az Atlasz inerciális irányításával kapcsolatos kezdeti elemző munkát . A Convair másik kulcsszereplője Charlie Bossart, a főmérnök és Walter Schweidetzky, az útmutató csoport vezetője volt. Walter Wernher von Braun -nal dolgozott Peenemuende -ben a második világháború alatt.

A kezdeti "Delta" irányítási rendszer felmérte a helyzet eltérését a referenciapályától. A megszerzendő sebesség (VGO) számítása az aktuális pálya korrigálására szolgál azzal a céllal, hogy a VGO -t nullára vezesse. Ennek a megközelítésnek a matematikája alapvetően érvényes volt, de a pontos inerciális navigáció (pl. IMU pontosság) és az analóg számítási teljesítmény miatt jelentkező kihívások miatt elmaradt. A "Delta" erőfeszítések előtt álló kihívásokat a "Q rendszer" irányította. A "Q" rendszer forradalma a rakétairányítás (és a hozzá tartozó mozgási egyenletek) kihívásait kötötte le a Q mátrixban. A Q mátrix a sebesség részvektorát képviseli a helyzetvektorhoz képest. Ennek a megközelítésnek az egyik fő jellemzője lehetővé tette, hogy a vektor kereszttermék összetevőit (v, xdv,/dt) az alapvető autopilot sebességű jelekként használják-ez a technika a „termékek közötti kormányzás” néven vált ismertté. A Q-rendszert 1956. június 21-én és 22 - én mutatták be a ballisztikus rakéták első technikai szimpóziumán, a Los Angeles-i Ramo-Wooldridge Corporation-ben. A "Q-rendszer" minősített információ volt az 1960-as években. Ennek az útmutatásnak a levezetéseit használják a mai katonai rakétákhoz. A CSDL csapata továbbra is vezető szerepet tölt be a katonai irányításban, és részt vesz az amerikai hadsereg legtöbb hadosztályának projektjeiben.

1961. augusztus 10 -én a NASA szerződést ítélt az MIT -nek az Apollo program irányító és navigációs rendszerének előzetes tervezési tanulmányára . (lásd Apollo fedélzeti irányítási, navigációs és vezérlőrendszere, Dave Hoag, International Space Hall of Fame Dedication Conference, Alamogordo , NM, 1976. október). A mai űrsikló -irányítás neve PEG4 (Powered Explicit Guidance). Figyelembe veszi mind a Q rendszert, mind az eredeti "Delta" rendszer (PEG Guidance) prediktor-korrektor tulajdonságait. Bár az elmúlt 30 évben sok frissítés történt a transzfer navigációs rendszerben (pl. GPS az OI-22 rendszerben), a mai Shuttle GN&C rendszer irányító magja alig fejlődött. Az emberes rendszeren belül van egy emberi felület, amely szükséges az irányítási rendszerhez. Mivel az űrhajósok a rendszer megrendelői, sok új csapat jön létre, amelyek érintik a GN&C -t, mivel ez az elsődleges felület a jármű "repüléséhez". Az Apollo és az STS (Shuttle rendszer) CSDL "tervezte" az útmutatót, McDonnell Douglas írta a követelményeket, az IBM pedig programozta a követelményeket.

A személyzeti rendszereken belüli rendszerek nagy bonyolultságát a "redundanciakezelés" és a több "megszakítás" forgatókönyv támogatása vezérli, amelyek biztosítják a személyzet biztonságát. A személyzettel felszerelt amerikai hold- és bolygóközi irányítási rendszerek az 1950 -es években kifejlesztett (fent leírt) irányítási újítások sokaságát hasznosítják. Tehát míg az alapvető matematikai iránymutatás meglehetősen állandó maradt, a GN&C körüli létesítmények tovább fejlődnek, hogy támogassák az új járműveket, új küldetéseket és új hardvereket. A személyzeti irányítás kiválósági központja továbbra is az MIT (CSDL), valamint a korábbi McDonnell Douglas Space Systems (Houston) területén található.

Leírás

Főbb cikkek: Rakétavezetés és Precíziós irányítású lőszerek § Típusok

Útmutató rendszerek állnak a 3 alapvető részből áll: navigáció , amely nyomon követi az aktuális helyét, útmutatást , amely kihasználja a navigációs adatok és a cél információkat közvetlen járat ellenőrzés „hol”, és ellenőrzés , amely elfogadja útmutatást parancsokat változásokat előidézni az aerodinamikai és / vagy a motor kontroll.

A navigáció a művészet annak meghatározására, hogy hol van, ez a tudomány óriási hangsúlyt fektetett 1711 -ben a hosszúsági díjjal . A navigációs segédeszközök vagy mérik a pozíciót egy rögzített referenciapontból (pl. Tájékozódási pont, északi csillag, LORAN Beacon), a célhoz viszonyított pozíciót (pl. Radar, infravörös, ...), vagy nyomon követik a mozgást egy ismert pozícióból/kiindulásból pont (pl. IMU). A mai bonyolult rendszerek többféle megközelítést alkalmaznak a jelenlegi helyzet meghatározására. Például a mai legfejlettebb navigációs rendszerek az anti-ballisztikus rakétában vannak megtestesítve , a RIM-161 Standard Missile 3 kihasználja a GPS, az IMU és a földi szegmens adatait a fokozási fázisban, valamint a relatív pozícióadatokat az elfogási célzáshoz. A komplex rendszerek általában többszörös redundanciával rendelkeznek a sodródás kezelésére, a pontosság javítására (pl. A célhoz viszonyítva) és az elszigetelt rendszerhiba kezelésére. A navigációs rendszerek ezért sokféle bemenetet vesznek sok különböző érzékelőből, mind a rendszer belső, mind a külső részéről (pl. Földi frissítés). A Kalman szűrő a leggyakoribb módszert nyújt a navigációs adatok (több érzékelőből származó) kombinálására az aktuális helyzet megoldásához. Példák a navigációra:

  • Az égi navigáció egy pozíció rögzítési technika, amelyet úgy fejlesztettek ki, hogy segítsen a tengerészeknek átkelni a jellegtelen óceánokon anélkül, hogy a holt számolásra kellene támaszkodniuk, hogy földet érjenek. Az égi navigáció szögméréseket (látnivalókat) használ a horizont és egy közös égitest között. A Napot leggyakrabban mérik. Szakképzett navigátorok használhatják a Holdat, a bolygókat vagy az 57 navigációs csillagok egyikét, amelyek koordinátáit tengeri almanachok tartalmazzák. A történelmi eszközök közé tartozik a szextáns , az óra és az efemerisz adatok. A mai űrsikló és a legtöbb bolygóközi űrhajó optikai rendszereket használ a tehetetlenségi navigációs rendszerek kalibrálásához: Crewman Optical Alignment Sight (COAS), Star Tracker.
  • Az inerciamérő egységek (IMU) az elsődleges tehetetlenségi rendszer a rakéták és repülőgépek aktuális helyzetének (navigáció) és tájékozódásának fenntartására. Ezek összetett gépek egy vagy több forgó giroszkóppal, amelyek szabadon foroghatnak 3 fokos mozgásban egy összetett kardánrendszerben . Az IMU -kat "felpörgetik" és kalibrálják az indítás előtt. A legösszetettebb rendszereken legalább 3 külön IMU van. A relatív helyzeten kívül az IMU gyorsulásmérőt is tartalmaz, amely minden tengelyen képes mérni a gyorsulást. A helyzetadatok gyorsulási adatokkal kombinálva biztosítják a szükséges bemeneteket a jármű mozgásának "követéséhez". Az IMU -k hajlamosak „sodródni” a súrlódás és a pontosság miatt. Hibajavítás a sodródás kiküszöbölésére földi kapcsolat telemetriáján , GPS -en , radaron , optikai égi navigáción és egyéb navigációs eszközökön keresztül biztosítható. Amikor egy másik (mozgó) járművet céloz meg, a relatív vektorok lesznek a legfontosabbak. Ebben a helyzetben fontosabbak a navigációs segédeszközök, amelyek frissítik a helyzetet a célhoz képest. A jelenlegi helyzet mellett az inerciális navigációs rendszerek jellemzően becsülik a jövőbeli számítási ciklusok előrejelzett pozícióját is. Lásd még: Inerciális navigációs rendszer .
  • Astro-inerciális egy szenzorfúzió / információk fúzió a inerciális és Csillagászati navigáció.
  • Nagy hatótávolságú navigáció (LORAN): Ez volt a GPS elődje, és (és bizonyos mértékig ma is használják) elsősorban a kereskedelmi tengeri szállításban. A rendszer úgy működik, hogy a hajó helyzetét háromszögelve határozza meg az ismert adókra vonatkozó iránymutatás alapján .
  • Globális helymeghatározó rendszer (GPS): A GPS-t az amerikai hadsereg tervezte azzal az elsődleges céllal, hogy kezelje a "sodródást" a tengeralattjáró által indított ballisztikus rakéta (SLBM) tehetetlenségi navigációjában . A GPS kétféle jelet továbbít: katonai és kereskedelmi. A katonai jel pontossága minősített, de feltételezhető, hogy jóval 0,5 méter alatt van. A GPS -rendszer űrszegmense 24-32 műholdból áll, közepes Föld körüli pályán, körülbelül 20 200 km (12 600 mérföld) magasságban. A műholdak hat specifikus pályán vannak, és nagyon pontos idő- és műholdas helyadatokat továbbítanak, amelyek felhasználhatók a távolságok és a háromszögek pozíciójának levezetésére.

Az irányítás a jármű "vezetője". Bevitelt igényel a navigációs rendszertől (hol vagyok), és a célzási információkat használja (hová akarok menni), hogy jeleket küldjön a repülésirányító rendszerhez, amelyek lehetővé teszik a jármű számára, hogy elérje rendeltetési helyét (a jármű működési korlátain belül) . Az irányítási rendszerek "célpontjai" egy vagy több állapotvektor (helyzet és sebesség), és lehetnek inerciálisak vagy relatívak. Motoros repülés közben az irányítás folyamatosan kiszámítja a kormányzási irányokat a repülésirányításhoz. Például az űrsikló a magasságot, a sebességvektorot és a gammát célozza meg a főmotor leállításához. Hasonlóképpen, egy interkontinentális ballisztikus rakéta szintén egy vektort céloz meg. A célvektorokat a küldetés teljesítésére fejlesztették ki, és előre tervezhetők vagy dinamikusan létrehozhatók.

Vezérlés . A repülésvezérlés vagy aerodinamikailag, vagy motoros vezérléssel, például motorral történik. Az irányítás jeleket küld a repülésirányítónak. A digitális autopilot (DAP) az interfész az irányítás és a vezérlés között. Az irányítás és a DAP felelős a pontos utasítások kiszámításáért az egyes repülési irányításokhoz. A DAP visszajelzést ad a repülésvezérlés állapotával kapcsolatos útmutatáshoz.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

  • Bevezetés az asztrológia matematikájába és módszereibe, átdolgozott kiadás (AIAA Education Series) Richard Battin, 1991. május
  • Space Guidance Evolution-A Personal Narrative, Richard Battin, AIAA 82–4075, 1982. április