Навигация, управление и контроль (сокращенно GNC , GN&C или G&C ) — это отрасль инженерии, занимающаяся проектированием систем управления движением транспортных средств, особенно автомобилей , кораблей , самолетов и космических аппаратов . Во многих случаях эти функции могут выполняться обученными людьми. Однако из-за скорости, например, динамики ракеты, время реакции человека слишком велико, чтобы контролировать это движение. Поэтому для такого управления используются системы — в настоящее время почти исключительно цифровые электронные. Даже в случаях, когда люди могут выполнять эти функции, часто бывает так, что системы GNC обеспечивают такие преимущества, как облегчение рабочей нагрузки оператора, сглаживание турбулентности, экономия топлива и т. д. Кроме того, сложные приложения GNC позволяют осуществлять автоматическое или дистанционное управление.
Под наведением понимается определение желаемого пути движения (« траектории ») от текущего местоположения транспортного средства до указанной цели, а также желаемых изменений скорости, вращения и ускорения для следования по этому пути. [1] [2] [3]
Навигация относится к определению в данный момент времени местоположения и скорости транспортного средства (« вектора состояния »), а также его положения. [ необходима цитата ]
Управление относится к манипулированию силами посредством рулевого управления, двигателей и т. д., необходимыми для выполнения команд управления при сохранении устойчивости транспортного средства . [ необходима ссылка ]
Части
Системы наведения, навигации и управления состоят из трех основных частей: навигации , которая отслеживает текущее местоположение, наведения , которое использует навигационные данные и информацию о цели, чтобы указать системе управления полетом «куда двигаться», и управления , которое принимает команды наведения для изменения аэродинамических характеристик и/или управления двигателем.
Навигация
это искусство определения вашего местонахождения, наука, которая получила огромное внимание в 1711 году с призом за долготу . Навигационные средства либо измеряют положение от фиксированной точки отсчета (например, ориентир, северная звезда, маяк LORAN), относительное положение по отношению к цели (например, радар, инфракрасный, ...) или отслеживают движение от известного положения/начальной точки (например, IMU). Современные сложные системы используют несколько подходов для определения текущего положения. Например, самые современные навигационные системы воплощены в противоракете , стандартная ракета RIM-161 3 использует данные GPS, IMU и наземного сегмента на этапе разгона и данные относительного положения для перехвата цели. Сложные системы обычно имеют множественную избыточность для решения проблемы дрейфа, повышения точности (например, относительно цели) и решения проблемы изолированного отказа системы. Поэтому навигационные системы принимают несколько входных данных от множества различных датчиков, как внутренних по отношению к системе, так и/или внешних (например, наземное обновление). Фильтр Калмана обеспечивает наиболее распространенный подход к объединению навигационных данных (от нескольких датчиков) для определения текущего положения.
Руководство
является «водителем» транспортного средства. Он принимает входные данные от навигационной системы (где я) и использует информацию о цели (куда я хочу попасть) для отправки сигналов в систему управления полетом, которая позволит транспортному средству достичь пункта назначения (в пределах эксплуатационных ограничений транспортного средства). «Целями» для систем наведения являются один или несколько векторов состояния (положение и скорость), которые могут быть инерциальными или относительными. Во время полета с двигателем наведение непрерывно вычисляет направления рулевого управления для управления полетом. Например, космический челнок нацеливается на высоту, вектор скорости и гамму, чтобы отключить главный двигатель. Аналогично, межконтинентальная баллистическая ракета также нацеливается на вектор. Целевые векторы разрабатываются для выполнения миссии и могут быть заранее спланированы или созданы динамически.
Контроль
Управление полетом осуществляется либо аэродинамически, либо с помощью силовых элементов управления, таких как двигатели. Наведение посылает сигналы в систему управления полетом. Цифровой автопилот (DAP) является интерфейсом между наведением и управлением. Наведение и DAP отвечают за расчет точных инструкций для каждого элемента управления полетом. DAP обеспечивает обратную связь с наведением о состоянии элементов управления полетом.
Примеры
Системы GNC встречаются практически во всех автономных или полуавтономных системах. К ним относятся:
Астрономическая навигация — это метод определения местоположения, который был разработан, чтобы помочь морякам пересекать безликие океаны без необходимости полагаться на навигационное счисление, чтобы они могли достичь земли. Астрономическая навигация использует угловые измерения (прицелы) между горизонтом и общим небесным объектом. Чаще всего измеряется Солнце. Опытные штурманы могут использовать Луну, планеты или одну из 57 навигационных звезд, координаты которых сведены в таблицы в навигационных альманахах. Исторические инструменты включают секстант , часы и данные эфемерид. Сегодняшние космические челноки и большинство межпланетных космических кораблей используют оптические системы для калибровки инерциальных навигационных систем: оптический прицел для экипажа (COAS), [4] звездный трекер. [5]
Инерциальные измерительные блоки (IMU) являются основной инерциальной системой для поддержания текущего положения (навигации) и ориентации в ракетах и самолетах. Это сложные машины с одним или несколькими вращающимися гироскопами, которые могут свободно вращаться в 3 градусах движения в сложной системе карданного подвеса . IMU «раскручиваются» и калибруются перед запуском. В большинстве сложных систем имеется минимум 3 отдельных IMU. В дополнение к относительному положению IMU содержат акселерометры, которые могут измерять ускорение по всем осям. Данные о положении в сочетании с данными об ускорении предоставляют необходимые входные данные для «отслеживания» движения транспортного средства. IMU имеют тенденцию «дрейфовать» из-за трения и точности. Исправление ошибок для устранения этого дрейфа может быть обеспечено с помощью телеметрии наземной линии связи , GPS , радара , оптической астронавигации и других навигационных средств. При наведении на другое (движущееся) транспортное средство относительные векторы становятся первостепенными. В этой ситуации навигационные средства, которые предоставляют обновления положения относительно цели, более важны. В дополнение к текущему положению инерциальные навигационные системы также обычно оценивают прогнозируемое положение для будущих вычислительных циклов. См. также Инерциальная навигационная система .
Навигация дальнего действия (LORAN): Это предшественник GPS, который использовался (и в некоторой степени используется до сих пор) в основном в коммерческих морских перевозках. Система работает путем триангуляции положения судна на основе направленной ссылки на известные передатчики .
Глобальная система позиционирования (GPS): GPS была разработана американскими военными с основной целью решения проблемы «дрейфа» в инерциальной навигации баллистических ракет подводных лодок (БРПЛ) перед запуском. GPS передает 2 типа сигналов: военный и коммерческий. Точность военного сигнала засекречена, но можно предположить, что она значительно ниже 0,5 метра. Космический сегмент системы GPS состоит из 24–32 спутников на средней околоземной орбите на высоте приблизительно 20 200 км (12 600 миль). Спутники находятся на шести определенных орбитах и передают высокоточную информацию о времени и местоположении спутников, которая может использоваться для определения расстояний и расчета положения. [6]
Радар/инфракрасный/лазерный: эта форма навигации предоставляет информацию для наведения относительно известной цели , она имеет как гражданское (например, рандеву), так и военное применение.
Инфракрасное самонаведение : эта форма наведения используется исключительно для военных боеприпасов, в частности, ракет класса «воздух-воздух» и «земля-воздух» . Головка самонаведения ракеты наводится на инфракрасную (тепловую) сигнатуру от двигателей цели (отсюда и термин «ракета с тепловым наведением»),
Ультрафиолетовое самонаведение, используемое в FIM-92 Stinger — более устойчиво к средствам противодействия, чем ИК-система самонаведения.
Лазерное наведение : лазерный целеуказатель вычисляет относительное положение по отношению к выделенной цели. Большинство знакомы с военным использованием технологии на лазерной бомбе . Экипаж космического челнока использует ручное устройство для ввода информации в планирование встречи. Основным ограничением этого устройства является то, что оно требует прямой видимости между целью и целеуказателем.
Сопоставление контуров местности ( TERCOM ). Использует радар сканирования земли для «сопоставления» топографии с данными цифровой карты для определения текущего положения. Используется крылатыми ракетами, такими как Tomahawk (семейство ракет) .
^ Grewal, Mohinder S.; Weill, Lawrence R.; Andrews, Angus P. (2007). Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси, США: Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc. стр. 21. ISBN 978-0-470-04190-1.
^ Фаррелл, Джей А. (2008). Вспомогательная навигация: GPS с высокоскоростными датчиками . США: The McGraw-Hill Companies. стр. 5 и далее. ISBN978-0-07-164266-8.
^ Дрейпер, CS; Ригли, В.; Хоаг, Г.; Баттин, Р.Х.; Миллер, Э.; Косо, А.; Хопкинс, Алабама; Вандер Вельде, МЫ (июнь 1965 г.). Наведение и навигация Apollo (PDF) (Отчет). Массачусетс: Массачусетский технологический институт, Приборная лаборатория. стр. I-3 и последующие . Проверено 12 октября 2014 г.
