Rehberlik sistemi - Guidance system

Bir rehberlik sistemi , sanal veya fiziksel bir cihaz veya bir gemi , uçak , füze , roket , uydu veya diğer herhangi bir hareketli nesnenin hareketini kontrol eden bir cihaz grubudur . Kılavuzluk, hareket halindeki bir nesnenin belirli bir yörüngeyi ve/veya yükseklik profilini takip etmesi için gerekli olan konum, hız, yükseklik ve/veya dönüş hızlarındaki değişiklikleri , nesnenin hareket durumu hakkındaki bilgilere dayalı olarak hesaplama işlemidir .

Bir rehberlik sistemi genellikle bir Rehberlik, navigasyon ve kontrol sisteminin bir parçasıdır , oysa navigasyon pusulalar , GPS alıcıları , Loran-C , yıldız izleyiciler , atalet ölçümü gibi sensör verilerine dayalı olarak mevcut konumu ve yönü hesaplamak için gerekli sistemleri ifade eder. birimler , altimetreler , vb. Navigasyon sisteminin çıktısı , navigasyon çözümü, çevre koşulları (rüzgar, su, sıcaklık, vb.) ve aracın özellikleri (yani kütle, kontrol) gibi diğerlerinin yanı sıra rehberlik sistemi için bir girdidir. sistem kullanılabilirliği, vektör değişimiyle kontrol sistemleri korelasyonu, vb.). Genel olarak, rehber sistemi nesnenin anahtarlarına sahiptir kontrol sistemi için talimatlar hesaplar (örneğin, iticiler , tepki tekerlekleri , vücut kanatçıklar , vs.) doğrudan olmayan nesne uçuş yolunu ve yönünü değiştirmek mümkün ya da sürekli insan kontrolü

Gerçek bir rehberlik sisteminin en eski örneklerinden biri, II . Dünya Savaşı sırasında Alman V-1'de kullanılan sistemdir . Navigasyon sistemi basit bir jiroskop , bir hava hızı sensörü ve bir altimetreden oluşuyordu . Yönlendirme talimatları hedef irtifa, hedef hız, seyir süresi ve motor kapatma süresiydi.

Bir rehberlik sisteminin üç ana alt bölümü vardır: Girdiler, İşleme ve Çıktılar. Giriş bölümü sensörleri , kurs verilerini, radyo ve uydu bağlantılarını ve diğer bilgi kaynaklarını içerir. Bir veya daha fazla CPU'dan oluşan işleme bölümü, bu verileri bütünleştirir ve uygun bir başlığı sürdürmek veya elde etmek için varsa hangi eylemlerin gerekli olduğunu belirler . Bu daha sonra sistemin gidişatını doğrudan etkileyebilecek çıkışlara beslenir. Çıkışlar, türbinler ve yakıt pompaları gibi cihazlarla etkileşime girerek hızı kontrol edebilir veya kanatçıkları , dümenleri veya diğer cihazları çalıştırarak rotayı daha doğrudan değiştirebilir .

Tarih

Atalet güdüm sistemleri başlangıçta roketler için geliştirildi. Amerikan roket öncüsü Robert Goddard , ilkel jiroskopik sistemlerle deneyler yaptı . Goddard'ın sistemleri, Wernher von Braun da dahil olmak üzere çağdaş Alman öncülerinin büyük ilgisini çekti . Sistemler uzay araçlarının , güdümlü füzelerin ve ticari uçakların ortaya çıkmasıyla daha yaygın bir kullanıma girdi .

ABD rehberlik tarihi, 2 farklı topluluk etrafında toplanır. Biri Caltech ve NASA Jet Propulsion Laboratory'den , diğeri ise erken V2 roket güdümünü ve MIT'yi geliştiren Alman bilim adamlarından . V2 için GN&C sistemi birçok yenilik sağladı ve 1942'de kendi kendine yeten kapalı döngü kılavuzluğunu kullanan en gelişmiş askeri silahtı. Erken V2'ler, uçuşta roket için azimutu ayarlamak için basit bir analog bilgisayar ile 2 jiroskop ve yanal ivmeölçerden yararlandı. Uçuş kontrolü için kuyruk kanatlarındaki 4 harici dümeni sürmek için analog bilgisayar sinyalleri kullanıldı. Von Braun, en iyi 500 roket bilimcisinin planlar ve test araçlarıyla birlikte Amerikalılara teslim edilmesini tasarladı. 1945'te Teksas, Fort Bliss'e geldiler ve daha sonra 1950'de (aka Redstone cephaneliği ) Huntsville, Al'a taşındılar . Von Braun'un tutkusu gezegenler arası uzay uçuşuydu. Bununla birlikte, muazzam liderlik becerileri ve V-2 programındaki deneyimi, onu ABD ordusu için paha biçilmez yaptı. 1955'te Redstone ekibi Amerika'nın ilk uydusunu yörüngeye oturtmak için seçildi ve bu grubu hem askeri hem de ticari alanın merkezine yerleştirdi.

Jet Propulsion Laboratory, tarihini, Caltech profesörü Theodore von Karman'ın roket tahrikinde öncü çalışmalar yürüttüğü 1930'lardan itibaren izler . 1942'de Ordu Mühimmatı tarafından finanse edilen JPL'nin ilk çabaları, sonunda aerodinamik ve yakıt kimyasının ötesindeki teknolojileri içerecekti. Ordu Mühimmat çabasının sonucu, JPL'nin ilk olarak Mayıs 1947'de fırlatılan MGM-5 Onbaşı adlı Alman V-2 füzesine verdiği yanıttı. Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi'nin (NASA) oluşturulmasından iki ay sonra, 3 Aralık 1958'de Kongre tarafından JPL, Ordu yargı yetkisinden bu yeni sivil uzay ajansının yetkisine devredildi. Bu değişim, Alman V2 ekibinden türetilen askeri odaklı bir grubun yaratılmasından kaynaklanıyordu. Bu nedenle, 1958'den başlayarak, NASA JPL ve Caltech ekibi öncelikle insansız uçuşa odaklandı ve birkaç istisna dışında askeri uygulamalardan uzaklaştı. JPL'yi çevreleyen topluluk, telekomünikasyon, gezegenler arası keşif ve dünya izlemede (diğer alanların yanı sıra) muazzam bir yenilik getirdi.

1950'lerin başında, ABD hükümeti, askeri uygulamalar için Alman ekibine aşırı bağımlılığa karşı kendisini izole etmek istedi. Yurtiçinde "geliştirilen" alanlar arasında füze güdümü de vardı. 1950'lerin başında MIT Enstrümantasyon Laboratuvarı (daha sonra Charles Stark Draper Laboratuvarı , Inc. olacak) Hava Kuvvetleri Batı Geliştirme Bölümü tarafından yeni Atlas kıtalararası balistik için San Diego'daki Convair'e bağımsız bir rehberlik sistemi yedeği sağlamak üzere seçildi. füze . MIT görevinin teknik gözlemcisi, daha sonra NASA Yöneticisi olarak görev yapan Jim Fletcher adında genç bir mühendisti. Atlas rehberlik sistemi, yerleşik bir otonom sistem ile yer tabanlı bir izleme ve komuta sisteminin bir kombinasyonu olacaktı. Bu, bazı alanlarda çözülmemiş olan felsefi bir tartışmanın başlangıcıydı. Kendi kendine yeten sistem nihayet bariz nedenlerle balistik füze uygulamalarında galip geldi. Uzay araştırmalarında, iki kalıntının bir karışımı.

1952 yazında, Dr. Richard Battin ve Dr. J. Halcombe ("Hal") Laning Jr. , bilgi işlem analog yaklaşımın dışına çıkmaya başladığında, rehberlik için hesaplama tabanlı çözümleri araştırdı. O zamanın bilgisayarları çok yavaş (ve füzeler çok hızlı) olduğundan, çok verimli programlar geliştirmek son derece önemliydi. Dr. J. Halcombe Laning, Phil Hankins ve Charlie Werner'ın yardımıyla , IBM 650 için cebirsel bir programlama dili olan MAC üzerinde çalışmaya başladı ve 1958 baharının başlarında tamamlandı. MAC, MIT laboratuvarının iş gücü haline geldi. . MAC, üç satırlı bir formata, vektör matris notasyonlarına ve anımsatıcı ve dizinlenmiş aboneliklere sahip, son derece okunabilir bir dildir . HAL adlı günümüzün Uzay Mekiği (STS) dili (Intermetrics, Inc. tarafından geliştirilmiştir), MAC'in doğrudan bir uzantısıdır. HAL'ın baş mimarı, Hal Laning ile MAC sistemi hakkında bir rapor yazan Jim Miller olduğundan, uzay mekiği dilinin adının Jim'in eski akıl hocası olduğu ve bazılarının önerdiği gibi değil, makul bir spekülasyondur. Arthur Clarke filmi "2001-A Space Odyssey"in elektronik süperstarı. (Richard Battin, AIAA 82-4075, Nisan 1982)

Hal Laning ve Richard Battin, Atlas atalet rehberliği üzerine ilk analitik çalışmayı 1954'te üstlendi. Convair'deki diğer kilit isimler, Baş Mühendis Charlie Bossart ve rehberlik grubunun başkanı Walter Schweidetzky idi. Walter, İkinci Dünya Savaşı sırasında Peenemuende'de Wernher von Braun ile birlikte çalışmıştı.

İlk "Delta" rehberlik sistemi, bir referans yörüngeden konumdaki farkı değerlendirdi. VGO'yu Sıfır'a sürmek amacıyla mevcut yörüngeyi düzeltmek için bir kazanılacak hız (VGO) hesaplaması yapılır. Bu yaklaşımın matematiği temelde geçerliydi, ancak doğru atalet navigasyonu (örn. IMU Doğruluğu) ve analog hesaplama gücündeki zorluklar nedeniyle düştü. "Delta" çabalarının karşılaştığı zorluklar, rehberlik "Q sistemi" ile aşıldı. "Q" sisteminin devrimi, füze güdümünün (ve ilgili hareket denklemlerinin) zorluklarını Q matrisine bağlamaktı. Q matrisi, konum vektörüne göre hızın kısmi türevlerini temsil eder. Bu yaklaşımın önemli bir özelliği, vektör çapraz çarpımının (v, xdv,/dt) bileşenlerinin temel otopilot hız sinyalleri olarak kullanılmasına izin verdi - "çapraz ürün yönlendirme" olarak bilinen bir teknik. Q-sistem 1960 ile gizli bilgiler 21 ve 22 Haziran 1956 "Q Sistemi" Los Angeles'ta Ramo-Wooldridge Corporation'ın düzenlenen Balistik füzeler ilk Teknik Sempozyumu'nda sunuldu oldu. Bu kılavuzun türevleri günümüzün askeri füzeleri için kullanılmaktadır. CSDL ekibi, askeri rehberlikte lider olmaya devam ediyor ve ABD ordusunun çoğu bölümü için projelerde yer alıyor.

10 Ağustos 1961'de NASA, Apollo programı için bir rehberlik ve navigasyon sisteminin ön tasarım çalışması için MIT'ye bir sözleşme verdi . (bkz. Apollo on-board rehberlik, navigasyon ve kontrol sistemi, Dave Hoag, Alamogordo'daki International Space Hall of Fame Dedication Konferansı , NM, Ekim 1976). Günümüzün uzay mekiği rehberliği PEG4 (Powered Explicit Guidance) olarak adlandırılmıştır. Orijinal "Delta" Sisteminin (PEG Kılavuzu) hem Q sistemini hem de tahmin edici-düzeltici özelliklerini hesaba katar. Son 30 yılda mekik navigasyon sisteminde birçok güncelleme yapılmış olmasına rağmen (örn. OI-22 yapısındaki GPS), günümüzün Shuttle GN&C sisteminin kılavuz çekirdeği çok az gelişmiştir. İnsanlı bir sistem içinde, rehberlik sistemi için ihtiyaç duyulan bir insan arayüzü vardır. Astronotlar sistemin müşterisi olduğundan, aracı "uçmak" için birincil arayüz olduğu için GN&C'ye dokunan birçok yeni ekip oluşturuldu. Apollo ve STS (Shuttle sistemi) için CSDL kılavuzu "tasarladı", McDonnell Douglas gereksinimleri yazdı ve IBM programladı.

İnsanlı sistemlerdeki çoğu sistem karmaşıklığı, "yedeklilik yönetimi" ve mürettebat güvenliğini sağlayan çoklu "iptal etme" senaryolarının desteği tarafından yönlendirilir. İnsanlı ABD Ay ve Gezegenler arası rehberlik sistemleri, 1950'lerde geliştirilen aynı rehberlik yeniliklerinin (yukarıda açıklanan) birçoğundan yararlanır. Dolayısıyla, rehberliğin temel matematiksel yapısı oldukça sabit kalırken, GN&C'yi çevreleyen tesisler yeni araçları, yeni görevleri ve yeni donanımı desteklemek için gelişmeye devam ediyor. İnsanlı rehberlik için mükemmellik merkezi, MIT'de (CSDL) ve eski McDonnell Douglas Uzay Sistemleri'nde (Houston'da) kalır.

Açıklama

Ana maddeler: Füze güdümlü ve Hassas güdümlü mühimmat § Tipleri

: Rehberlik sistemleri 3 temel parçadan oluşur navigasyon mevcut konumunu izler rehberlik "nereye gitmek" direkt uçuş kontrolüne navigasyon verilerini ve hedef bilgilerini kullanır ve kontrol aerodinamik ve / veya motor kontrollerde etkisi değişikliğine rehberlik komutları kabul eder.

Navigasyon , 1711'de Boylam ödülü ile muazzam bir odak noktası olan bir bilim olan nerede olduğunuzu belirleme sanatıdır . Navigasyon yardımcıları ya sabit bir referans noktasından (örn. yer işareti, kuzey yıldızı, LORAN İşareti), bir hedefe göreli konumdan (örn. radar, kızıl ötesi, ...) konumu ölçer veya bilinen bir konumdan/başlangıçtan hareketi izler noktası (örn. IMU). Günümüzün karmaşık sistemleri, mevcut konumu belirlemek için çoklu yaklaşımlar kullanır. Örneğin, günümüzün en gelişmiş navigasyon sistemleri bünyesinde faaliyet gösteren anti-balistik füze , RIM-161 Standart Füze 3 leverages GPS, IMU ve zemin segmenti kesişimi için veri boost aşamasında ve göreli konum verileri hedefleme. Karmaşık sistemler, sapmayı gidermek, doğruluğu artırmak (örneğin bir hedefe göreli) ve izole sistem arızasını gidermek için tipik olarak birden fazla yedekliliğe sahiptir. Navigasyon sistemleri bu nedenle hem sistemin içinde hem de/veya harici (ör. yer tabanlı güncelleme) birçok farklı sensörden birden fazla girdi alır. Kalman filtresi , mevcut konumu çözmek için navigasyon verilerini (birden çok sensörden) birleştirmek için en yaygın yaklaşımı sağlar. Örnek navigasyon yaklaşımları:

  • Göksel navigasyon , denizcilerin karaya çarpmalarını sağlamak için ölü hesaplara güvenmek zorunda kalmadan özelliksiz okyanusları geçmelerine yardımcı olmak için tasarlanmış bir konum sabitleme tekniğidir. Göksel navigasyon, ufuk ve ortak bir gök cismi arasındaki açısal ölçümleri (manzaraları) kullanır. Güneş en sık ölçülür. Nitelikli denizciler Ay'ı, gezegenleri veya koordinatları deniz almanaklarında çizelgelenen 57 seyir yıldızından birini kullanabilir. Tarihsel araçlar, bir sekstant , saat ve efemeris verilerini içerir. Günümüzün uzay mekiği ve çoğu gezegenler arası uzay aracı, atalet navigasyon sistemlerini kalibre etmek için optik sistemler kullanır: Crewman Optical Alignment Sight (COAS), Star Tracker.
  • Atalet Ölçüm Birimleri (IMU'lar), füzelerde ve uçaklarda mevcut konumu (navigasyon) ve yönelimi korumak için birincil atalet sistemidir. Karmaşık bir yalpalama sistemi içinde 3 derecelik hareketle serbestçe dönebilen bir veya daha fazla dönen Jiroskopa sahip karmaşık makinelerdir . IMU'lar "döndürülür" ve lansmandan önce kalibre edilir. Çoğu karmaşık sistemde en az 3 ayrı IMU mevcuttur. IMU'lar, bağıl konuma ek olarak, tüm eksenlerde ivmeyi ölçebilen ivmeölçerler içerir. Hızlanma verileriyle birlikte konum verileri, bir aracın hareketini "izlemek" için gerekli girdileri sağlar. IMU'ların sürtünme ve doğruluk nedeniyle "kayma" eğilimi vardır. Bu sapmayı gidermek için hata düzeltmesi, yer bağlantısı telemetrisi , GPS , radar , optik göksel navigasyon ve diğer navigasyon yardımcıları aracılığıyla sağlanabilir . Başka (hareket eden) bir aracı hedeflerken, göreli vektörler çok önemli hale gelir. Bu durumda hedefe göre konum güncellemeleri sağlayan seyrüsefer yardımcıları daha önemlidir. Mevcut konuma ek olarak, atalet navigasyon sistemleri de tipik olarak gelecekteki hesaplama döngüleri için tahmin edilen bir konumu tahmin eder. Ayrıca bkz . Ataletsel navigasyon sistemi .
  • Astro-güdüm bir olan sensör füzyonu / bilgi füzyon ait Atalet rehberlik ve Gök navigasyon.
  • Uzun Menzilli Navigasyon (LORAN): Bu, GPS'in öncülüydü ve esas olarak ticari deniz taşımacılığında kullanılıyordu (ve bir dereceye kadar hala kullanılıyor). Sistem , bilinen vericilere yön referansına dayalı olarak geminin konumunu üçgenleyerek çalışır .
  • Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) : GPS, ABD ordusu tarafından, denizaltından fırlatılan balistik füzelerin (SLBM'ler) fırlatılmadan önce ataletsel navigasyonu içindeki "sürüklenmeyi" ele almak amacıyla tasarlanmıştır . GPS 2 sinyal türü iletir: askeri ve ticari. Askeri sinyalin doğruluğu sınıflandırılmıştır ancak 0,5 metrenin oldukça altında olduğu varsayılabilir. GPS sistemi uzay bölümü, yaklaşık 20.200 km (12.600 mil) yükseklikte orta Dünya yörüngesinde 24 ila 32 uydudan oluşur. Uydular altı belirli yörüngededir ve mesafeleri türetmek ve konumu üçgenlemek için kullanılabilecek son derece doğru zaman ve uydu konum bilgilerini iletir.

  • Radar/Kızılötesi/Lazer : Bu navigasyon şekli, bilinen bir hedefe göre kılavuzluk için bilgi sağlar , hem sivil (eski randevu) hem de askeri uygulamaları vardır.

Rehberlik , bir aracın "sürücüsüdür". Navigasyon sisteminden (neredeyim) girdi alır ve aracın hedefine ulaşmasını sağlayacak (aracın çalışma kısıtlamaları dahilinde) uçuş kontrol sistemine sinyaller göndermek için hedefleme bilgilerini (nereye gitmek istiyorum) kullanır. . Yönlendirme sistemleri için "hedefler" bir veya daha fazla durum vektörüdür (konum ve hız) ve eylemsiz veya göreli olabilir. Motorlu uçuş sırasında, rehberlik, uçuş kontrolü için sürekli olarak direksiyon yönlerini hesaplar. Örneğin, Uzay Mekiği ana motoru devre dışı bırakmak için bir irtifa, hız vektörü ve gamayı hedefler. Benzer şekilde, bir Kıtalararası balistik füze de bir vektörü hedefler. Hedef vektörler, görevi yerine getirmek için geliştirilir ve önceden planlanabilir veya dinamik olarak oluşturulabilir.

Kontrol . Uçuş kontrolü ya aerodinamik olarak ya da motorlar gibi güçlendirilmiş kontroller aracılığıyla gerçekleştirilir. Rehberlik, uçuş kontrolüne sinyaller gönderir. Dijital Otopilot (DAP), rehberlik ve kontrol arasındaki arayüzdür. Rehberlik ve DAP, her uçuş kontrolü için kesin talimatın hesaplanmasından sorumludur. DAP, uçuş kontrollerinin durumu hakkında rehberliğe geri bildirim sağlar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, Revize Edilmiş Baskı (AIAA Eğitim Serisi) Richard Battin, Mayıs 1991
  • Space Guidance Evolution-A Personal Narrative, Richard Battin, AIAA 82–4075, Nisan 1982