Система наведения — это виртуальное или физическое устройство или группа устройств, осуществляющих управление движением корабля , самолета , ракеты , ракеты , спутника или любого другого движущегося объекта. Наведение — это процесс расчета изменений положения, скорости, высоты и/или скорости вращения движущегося объекта, необходимых для следования определенной траектории и/или профиля высоты, на основе информации о состоянии движения объекта. [1] [2] [3]
Система наведения обычно является частью системы наведения, навигации и управления , тогда как навигация относится к системам, необходимым для расчета текущего положения и ориентации на основе данных датчиков, таких как данные компасов , GPS-приемников , Loran-C , звездных трекеров , инерциальных измерений. единицы измерения , высотомеры и т. д. Выходные данные навигационной системы , навигационное решение, являются входными данными для системы наведения, среди прочего, такими как условия окружающей среды (ветер, вода, температура и т. д.) и характеристики транспортного средства (т. е. масса, управление доступность системы, корреляция систем управления с вектором изменения и т.д.). В общем, система наведения вычисляет инструкции для системы управления, в состав которой входят исполнительные механизмы объекта (например, подруливающие устройства , реактивные колеса , закрылки корпуса и т. д.), которые способны манипулировать траекторией полета и ориентацией объекта без прямого или постоянный контроль со стороны человека.
Одним из самых ранних примеров настоящей системы наведения является система, использовавшаяся в немецком Фау-1 во время Второй мировой войны . Навигационная система состояла из простого гироскопа , датчика воздушной скорости и высотомера. Инструкции наведения включали заданную высоту, заданную скорость, крейсерское время и время выключения двигателя.
Система руководства состоит из трех основных подразделов: входы, обработка и выходы. Раздел ввода включает в себя датчики , данные курса , радио- и спутниковую связь , а также другие источники информации. Секция обработки, состоящая из одного или нескольких процессоров , интегрирует эти данные и определяет, какие действия, если таковые имеются, необходимы для поддержания или достижения правильного курса . Затем это подается на выходы, которые могут напрямую влиять на ход системы. Выходы могут управлять скоростью , взаимодействуя с такими устройствами, как турбины и топливные насосы , или они могут напрямую изменять курс, приводя в действие элероны , рули направления или другие устройства.
Инерциальные системы наведения изначально разрабатывались для ракет. Американский пионер ракетостроения Роберт Годдард экспериментировал с элементарными гироскопическими системами. Системы доктора Годдарда представляли большой интерес для современных немецких пионеров, включая Вернера фон Брауна . Системы получили более широкое распространение с появлением космических кораблей , управляемых ракет и коммерческих авиалайнеров .
История руководства США сосредоточена вокруг двух различных сообществ. Один из них был создан Калифорнийским технологическим институтом и Лабораторией реактивного движения НАСА , другой — немецкими учеными, которые разработали первые системы наведения ракеты Фау-2, и Массачусетским технологическим институтом . Система GN&C для V2 содержала множество инноваций и была самым совершенным военным оружием 1942 года, использующим автономное наведение с замкнутым контуром. Ранние модели V2 использовали два гироскопа, боковой акселерометр и простой аналоговый компьютер для регулировки азимута ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для управления четырьмя внешними рулями направления на хвостовом киле. Фон Браун организовал передачу американцам 500 своих лучших ученых-ракетчиков, а также чертежи и испытательные машины. Они прибыли в Форт-Блисс, штат Техас, в 1945 году и впоследствии были перевезены в Хантсвилл, штат Алабама , в 1950 году (он же арсенал Редстоун ). [4] [5] Страстью фон Брауна были межпланетные космические полеты. Однако его потрясающие лидерские качества и опыт работы с программой Фау-2 сделали его бесценным для вооруженных сил США. [6] В 1955 году команда Редстоуна была выбрана для вывода на орбиту первого американского спутника, поставив эту группу в центр как военного, так и коммерческого космоса.
Лаборатория реактивного движения ведет свою историю с 1930-х годов, когда профессор Калифорнийского технологического института Теодор фон Карман провел новаторскую работу в области ракетного движения . Первые усилия JPL, финансируемые Army Ordnance в 1942 году, в конечном итоге включали в себя технологии, выходящие за рамки аэродинамики и химии топлива. Результатом усилий Армейской артиллерийской службы стал ответ Лаборатории реактивного движения на немецкую ракету Фау-2, названную MGM-5 Corporal , впервые запущенную в мае 1947 года. 3 декабря 1958 года, через два месяца после создания Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Конгрессом JPL была передана из-под юрисдикции армии под юрисдикцию этого нового гражданского космического агентства. Этот сдвиг произошел из-за создания военной группы на базе немецкой команды V2. Таким образом, начиная с 1958 года Лаборатория реактивного движения НАСА и команда Калифорнийского технологического института сосредоточили свое внимание в первую очередь на беспилотных полетах и, за некоторыми исключениями, отошли от военного применения. Сообщество, окружающее JPL, внедрило огромные инновации в области телекоммуникаций, межпланетных исследований и мониторинга Земли (среди других областей). [7]
В начале 1950-х годов правительство США хотело оградить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных целях. Среди направлений, «разработанных» внутри страны, было наведение ракет. В начале 1950-х годов Лаборатория приборостроения Массачусетского технологического института (позже ставшая Лабораторией Чарльза Старка Дрейпера , Inc.) была выбрана Западным отделом развития ВВС для обеспечения автономной резервной системы наведения для Convair в Сан-Диего для нового межконтинентального баллистического комплекса Atlas. ракета . Техническим руководителем задания Массачусетского технологического института был молодой инженер по имени Джим Флетчер , который позже стал администратором НАСА. Система наведения «Атлас» должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. Это было началом философского спора, который в некоторых областях остается неразрешенным. По понятным причинам автономная система в конечном итоге преобладала в баллистических ракетах. В освоении космоса сохраняется смесь этих двух направлений.
Летом 1952 года доктор Ричард Баттин [8] и доктор Дж. Холкомб («Хэл») Лэнинг-младший исследовали вычислительные решения для управления, поскольку вычисления начали выходить за рамки аналогового подхода. Поскольку компьютеры того времени были очень медленными (а ракеты очень быстрыми), было чрезвычайно важно разработать очень эффективные программы. Доктор Дж. Холкомб Лэнинг с помощью Фила Хэнкинса и Чарли Вернера инициировал работу над MAC, алгебраическим языком программирования для IBM 650 , которая была завершена к началу весны 1958 года. MAC стал рабочей лошадкой лаборатории Массачусетского технологического института. . MAC — чрезвычайно читаемый язык, имеющий трехстрочный формат, векторно-матричную нотацию, мнемонические и индексированные индексы. Современный язык Space Shuttle (STS) под названием HAL (разработанный Intermetrics, Inc.) является прямым ответвлением MAC. Поскольку главным разработчиком HAL был Джим Миллер, который вместе с Хэлом Лейнингом написал отчет о системе MAC, разумно предположить, что язык космического челнока назван в честь старого наставника Джима, а не, как некоторые предполагают, в честь электронная суперзвезда фильма Артура Кларка «Космическая одиссея 2001 года». (Ричард Баттин, AIAA 82–4075, апрель 1982 г.)
Хэл Лэнинг и Ричард Баттин провели первоначальную аналитическую работу над инерциальным наведением Атласа в 1954 году. Другими ключевыми фигурами в Convair были Чарли Боссарт, главный инженер, и Уолтер Швайдецкий, руководитель группы наведения. Вальтер работал с Вернером фон Брауном в Пенемюнде во время Второй мировой войны.
Первоначальная система наведения «Дельта» оценивала отличие положения от эталонной траектории. Расчет скорости, которую необходимо набрать (VGO), производится для корректировки текущей траектории с целью доведения VGO до нуля. Математика этого подхода была по своей сути верной, но от нее отказались из-за проблем с точной инерциальной навигацией (например, точность IMU) и аналоговой вычислительной мощностью. Проблемы, с которыми столкнулись усилия «Дельты», были преодолены с помощью «системы Q» наведения. Революция системы «Q» заключалась в том, чтобы связать задачи наведения ракеты (и связанные с ней уравнения движения) в матрице Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по отношению к вектору положения. Ключевая особенность этого подхода позволила использовать компоненты векторного векторного произведения (v, xdv,/dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота — метод, который стал известен как «управление перекрестным произведением». Q -система была представлена на первом техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, проходившем в корпорации Ramo-Wooldridge в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. «Q-система» была секретной информацией на протяжении 1960-х годов. Выводы из этого руководства используются для сегодняшних военных ракет. Команда CSDL остается лидером в области военного руководства и участвует в проектах для большинства подразделений вооруженных сил США.
10 августа 1961 года НАСА заключило с Массачусетским технологическим институтом контракт на предварительное проектирование системы наведения и навигации для программы «Аполлон» . [9] (см. бортовую систему наведения, навигации и управления «Аполлона», Дэйв Хоаг, Международная конференция по посвящению Зала космической славы в Аламогордо , Нью-Мексико, октябрь 1976 г. [10] ). Сегодняшнее руководство космического челнока называется PEG4 (Powered Explicit Guidance). Он учитывает как систему Q, так и атрибуты предиктора-корректора исходной системы «Дельта» (PEG Guidance). Хотя за последние 30 лет в навигационную систему шаттла было внесено множество обновлений (например, GPS в сборке OI-22), ядро наведения сегодняшней системы GN&C шаттла мало изменилось. В составе пилотируемой системы для системы наведения необходим человеческий интерфейс. Поскольку заказчиками системы являются астронавты, формируется множество новых команд, которые работают с GN&C , поскольку это основной интерфейс для «управления» кораблем. [11] Для Apollo и STS (системы Shuttle) CSDL «разработала» руководство, McDonnell Douglas написала требования, а IBM запрограммировала требования.
Большая сложность систем в пилотируемых системах обусловлена «управлением резервированием» и поддержкой нескольких сценариев «прерывания», которые обеспечивают безопасность экипажа. Пилотируемые американские лунные и межпланетные системы наведения используют многие из тех же инноваций наведения (описанных выше), разработанных в 1950-х годах. Таким образом, хотя основная математическая конструкция управления осталась довольно постоянной, средства, окружающие GN&C, продолжают развиваться для поддержки новых транспортных средств, новых миссий и нового оборудования. Центром передового опыта пилотируемого управления остается Массачусетский технологический институт (CSDL), а также бывшая компания McDonnell Douglas Space Systems (в Хьюстоне).