Система наведения — это виртуальное или физическое устройство или группа устройств, реализующих управление движением корабля , самолета , 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 профилю 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 компасы , приемники GPS , Loran-C , звездные трекеры , инерциальные измерительные блоки , 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, доступность системы управления, корреляция систем управления с изменением вектора и т. д.). В общем, система наведения вычисляет инструкции для системы управления, которая включает в себя исполнительные механизмы объекта (например, двигатели , реактивные маховики , закрылки корпуса и т. д.), которые способны манипулировать траекторией и ориентацией объекта без прямого или непрерывного контроля со стороны человека.
Одним из самых ранних примеров настоящей системы наведения является та, которая использовалась в немецком V-1 во время Второй мировой войны . Навигационная система состояла из простого гироскопа , датчика скорости полета и высотомера. Инструкции по наведению включали высоту цели, скорость цели, время крейсерского полета и время выключения двигателя.
Система наведения имеет три основных подраздела: входы, обработка и выходы. Входной раздел включает датчики , данные о курсе , радио- и спутниковые каналы связи и другие источники информации. Раздел обработки, состоящий из одного или нескольких ЦП , 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 курс системы. Выходы могут управлять скоростью , взаимодействуя с такими устройствами, как турбины и топливные насосы , или они могут более напрямую изменять курс, приводя в действие элероны , рули или другие устройства.
Инерциальные системы наведения изначально были разработаны для ракет. Американский пионер ракет 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 наведения в США сосредоточена вокруг двух отдельных сообществ. Одно вышло из Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивного движения NASA , другое — из немецких ученых, которые разработали раннее наведение ракеты V2 , и Массачусетского технологического института . Система GN&C для V2 обеспечила множество инноваций и была самым сложным военным оружием в 1942 году, используя автономное замкнутое наведение. Ранние V2 использовали 2 гироскопа и боковой акселерометр с простым аналоговым компьютером для регулировки азимута ракеты в полете. Аналоговые компьютерные сигналы использовались для управления 4 внешними рулями на хвостовых плавниках для управления полетом. Фон Браун организовал сдачу 500 своих лучших ученых-ракетчиков вместе с планами и испытательными машинами американцам. Они прибыли в Форт-Блисс, штат Техас, в 1945 году и впоследствии были переведены в Хантсвилл, штат Алабама , в 1950 году (он же арсенал Редстоун ). [4] [5] Страстью фон Брауна были межпланетные космические полеты. Однако его выдающиеся лидерские навыки и опыт работы с программой V-2 сделали его бесценным для американских военных. [6] В 1955 году команда Редстоуна была выбрана для вывода первого американского спутника на орбиту, что поставило эту группу в центр как военного, так и коммерческого космоса.
Лаборатория реактивного движения ведет свою историю с 1930-х годов, когда профессор Калтеха Теодор фон Карман провел пионерскую работу в области ракетного движения . Финансируемые армейским артиллерийским управлением в 1942 году, ранние усилия JPL в конечном итоге включали технологии, выходящие за рамки аэродинамики и химии топлива. Результатом усилий армейского артиллерийского управления стал ответ JPL на немецкую ракету V-2, названный MGM-5 Corporal , впервые запущенный в мае 1947 года. 3 декабря 1958 года, через два месяца после создания Конгрессом Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), JPL была передана из армейской юрисдикции в юрисдикцию этого нового гражданского космического агентства. Этот сдвиг был обусловлен созданием военной сфокусированной группы, полученной из немецкой команды V2. Таким образом, начиная с 1958 года, NASA JPL и команда Калтеха сосредоточились в первую очередь на беспилотных полетах и отошли от военных приложений, за некоторыми исключениями. Сообщество, окружавшее JPL, внесло огромный вклад в инновации в области телекоммуникаций, межпланетных исследований и мониторинга Земли (среди прочих областей). [7]
В начале 1950-х годов правительство США хотело оградить себя от чрезмерной зависимости от немецкой команды в военных приложениях. Среди областей, которые были «разработаны» 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 резервной системы наведения для Convair в Сан-Диего для новой межконтинентальной баллистической ракеты Atlas . Техническим руководителем задания MIT был молодой инженер по имени Джим Флетчер , который позже занимал должность администратора НАСА. Система наведения Atlas должна была представлять собой комбинацию бортовой автономной системы и наземной системы слежения и управления. Это было началом философского спора, который в некоторых областях остается нерешенным. В конечном итоге автономная система возобладала в баллистических ракетных приложениях по очевидным причинам. В исследовании космоса остается смесь этих двух.
Летом 1952 года доктор Ричард Баттин [8] и доктор Дж. Халкомб («Хэл») Лэнинг-младший исследовали вычислительные решения для наведения, поскольку вычисления начали выходить за рамки аналогового подхода. Поскольку компьютеры того времени были очень медленными (а ракеты очень быстрыми), было крайне важно разрабатывать программы, которые были бы очень эффективными. Доктор Дж. Халкомб 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 MIT. MAC — чрезвычайно читаемый язык с трехстрочным форматом, векторно-матричными обозначениями и мнемоническими и индексированными индексами. Сегодняшний язык Space Shuttle (STS), называемый HAL (разработанный Intermetrics, Inc.), является прямым ответвлением MAC. Поскольку главным архитектором HAL был Джим Миллер, который совместно с Хэлом Лэнингом написал отчет о системе MAC, вполне разумно предположить, что язык космических челноков назван в честь старого наставника Джима, а не, как предполагают некоторые, в честь электронной суперзвезды из фильма Артура Кларка «Космическая одиссея 2001 года». (Ричард Баттин, AIAA 82–4075, апрель 1982 г.)
Хэл Лэнинг и Ричард Баттин провели начальную 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. Расчет скорости, которую необходимо получить (VGO), выполняется для коррекции текущей траектории с целью приведения VGO к нулю. Математика этого подхода была в принципе верна, но от нее отказались из-за проблем с точной инерциальной навигацией (например, точностью IMU) и аналоговой вычислительной мощностью. Проблемы, с которыми столкнулись усилия «Delta», были преодолены «системой Q» наведения. Революция системы «Q» заключалась в том, чтобы связать проблемы наведения ракеты (и связанных с ней уравнений движения) в матрице Q. Матрица Q представляет собой частные производные скорости по вектору положения. Ключевая особенность этого подхода позволяла использовать компоненты векторного перекрестного произведения (v, xdv,/dt) в качестве основных сигналов скорости автопилота — метод, который стал известен как «управление перекрестным произведением». Система Q была представлена на первом Техническом симпозиуме по баллистическим ракетам, состоявшемся в корпорации Ramo-Wooldridge в Лос-Анджелесе 21 и 22 июня 1956 года. «Система Q» была секретной информацией до 1960-х годов. Производные этого руководства используются для современных 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 Apollo . [9] (см. Бортовая система наведения, навигации и управления Apollo, Дэйв Хоаг, Международная конференция по посвящению Зала космической славы в Аламогордо , Нью-Мексико, октябрь 1976 г. [10] ). Современная система наведения шаттла 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 было внесено множество обновлений в навигационную систему шаттла (например, GPS в сборке OI-22), ядро наведения сегодняшней системы GN&C шаттла мало изменилось. В пилотируемой системе для системы наведения необходим человеческий интерфейс. Поскольку заказчиками системы являются астронавты, было сформировано много новых команд, которые имеют дело с GN&C , поскольку это основной интерфейс для «управления» кораблем. [11] Для Apollo и STS (система Shuttle) CSDL «разработала» руководство, McDonnell Douglas написала требования, а IBM запрограммировала требования.
Большая часть сложности системы в пилотируемых системах обусловлена «управлением избыточностью» и поддержкой множественных сценариев «отмены», 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 наведения остается довольно постоянной, объекты, окружающие GN&C, продолжают развиваться для поддержки новых транспортных средств, новых миссий и нового оборудования. Центр передового опыта для пилотируемого наведения остается в MIT (CSDL), а также в бывшей McDonnell Douglas Space Systems (в Хьюстоне).