Наведение, навигация и контроль

Наведение, навигация и контроль (сокращенно GNC , GN&C или G&C ) — это отрасль техники, занимающаяся разработкой систем управления движением транспортных средств, особенно автомобилей , кораблей , самолетов и космических кораблей . Во многих случаях эти функции могут выполнять обученные люди. Однако из-за скорости, например, динамики ракеты, время реакции человека слишком медленное, чтобы контролировать это движение. Поэтому для такого управления используются системы — сейчас почти исключительно цифровые электронные. Даже в тех случаях, когда эти функции могут выполнять люди, системы GNC часто обеспечивают такие преимущества, как облегчение рабочей нагрузки оператора, сглаживание турбулентности, экономия топлива и т. д. Кроме того, сложные приложения GNC обеспечивают автоматическое или дистанционное управление.

Наведение означает определение желаемого пути движения (« траектории ») от текущего местоположения транспортного средства до назначенной цели, а также желаемых изменений скорости, вращения и ускорения для следования по этому пути. ^[1]^[2]^[3]

Навигация подразумевает определение в данный момент местоположения и скорости транспортного средства (« вектор состояния »), а также его положения . ^{[ нужна ссылка ]}
Под управлением понимается манипулирование силами с помощью рулевого управления, подруливающих устройств и т. д., необходимых для выполнения команд управления при сохранении устойчивости транспортного средства . ^{[ нужна ссылка ]}

Части

Системы наведения, навигации и управления состоят из трех основных частей: навигация, которая отслеживает текущее местоположение, наведение , которое использует навигационные данные и информацию о цели для направления управления полетом «куда идти», и управление , которое принимает команды наведения, чтобы повлиять на изменения в аэродинамике и/или аэродинамике. или органы управления двигателем.

Навигация: — это искусство определения того, где вы находитесь, наука, которая получила огромное внимание в 1711 году благодаря премии «Долгота» . Навигационные средства либо измеряют положение от фиксированной точки отсчета (например, ориентир, полярная звезда, маяк LORAN), относительно положения относительно цели (например, радар, инфракрасный порт и т. д.), либо отслеживают движение из известной позиции/начала. точка (например, IMU). Сегодняшние сложные системы используют несколько подходов для определения текущего положения. Например, самые совершенные на сегодняшний день навигационные системы воплощены в противобаллистической ракете RIM -161 Standard Missile 3, которая использует данные GPS, IMU и наземного сегмента на этапе разгона, а также данные относительного положения для перехвата цели. Сложные системы обычно имеют множественную избыточность для устранения дрейфа, повышения точности (например, относительно цели) и устранения изолированного сбоя системы. Таким образом, навигационные системы принимают множество входных данных от множества различных датчиков, как внутренних, так и 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 данные от навигационной системы (где я нахожусь) и использует информацию о прицеливании (куда я хочу идти) 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 приводом система навигации постоянно рассчитывает направления поворота для управления полетом. Например, космический шаттл ориентируется на высоту, вектор скорости и гамму, чтобы отключить главный двигатель. Точно так же межконтинентальная баллистическая ракета также нацелена на вектор. Целевые векторы разрабатываются для выполнения миссии и могут быть заранее запланированы или созданы динамически.

Контроль: Управление полетом осуществляется либо аэродинамически, либо с помощью органов управления, таких как двигатели. Система наведения посылает сигналы органам управления полетом. Цифровой автопилот (DAP) — это интерфейс между наведением и контролем. Руководство и DAP несут ответственность за расчет точных инструкций для каждого управления полетом. DAP обеспечивает обратную связь с рекомендациями по состоянию органов управления полетом.

Примеры

Системы GNC встречаются практически во всех автономных или полуавтономных системах. К ним относятся:

Автопилот
Беспилотные автомобили , такие как марсоходы или те, которые участвуют в DARPA Grand Challenge.
Управляемые ракеты
точного наведения с воздуха Системы
Системы управления реакцией космических кораблей
космических кораблей Ракеты-носители
Беспилотные летательные аппараты
Автоуправляемые тракторы
Автономный подводный аппарат

Связанные примеры:

Небесная навигация — это метод определения местоположения, который был разработан, чтобы помочь морякам пересекать безликие океаны, не полагаясь на точный расчет, чтобы достичь земли. Небесная навигация использует угловые измерения (прицелы) между горизонтом и общим небесным объектом. Чаще всего измеряют Солнце. Опытные мореплаватели могут использовать Луну, планеты или одну из 57 навигационных звезд, координаты которых занесены в таблицы морских альманахов. Исторические инструменты включают секстант , часы и данные эфемерид. Сегодняшние космические челноки и большинство межпланетных космических кораблей используют оптические системы для калибровки инерциальных навигационных систем: Crewman Optical Alignment Sight (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 на 3 градуса в сложной карданной системе. IMU «раскручиваются» и калибруются перед запуском. В наиболее сложных системах имеется как минимум 3 отдельных IMU. Помимо относительного положения, 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 наземной телеметрии , GPS , радара , оптической небесной навигации и других навигационных средств. При нацеливании на другое (движущееся) транспортное средство относительные векторы приобретают первостепенное значение. В этой ситуации навигационные средства, предоставляющие обновленную информацию о местоположении относительно цели, являются более важными. В дополнение к текущему положению инерциальные навигационные системы также обычно оценивают прогнозируемое положение для будущих вычислительных циклов. См. также Инерциальная навигационная система .
Астроинерциальное наведение представляет собой сенсорный / информационный синтез Инерциального наведения и Небесной навигации.
Навигация дальнего действия (ЛОРАН): Это был предшественник GPS и использовался (и до некоторой степени до сих пор) использовался в основном в коммерческих морских перевозках. Система работает путем триангуляции положения корабля на основе привязки направления к известным передатчикам .
Система глобального позиционирования (GPS): GPS была разработана военными США с основной целью устранения «дрейфа» в рамках 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 примерно 20 200 км (12 600 миль). Спутники находятся на шести определенных орбитах и передают высокоточную информацию о времени и местоположении спутников, которую можно использовать для определения расстояний и расчета положения. ^[6]

Радар/Инфракрасный/Лазер: эта форма навигации предоставляет информацию для наведения относительно известной цели . Она имеет как гражданское (ранее рандеву), так и военное применение.
- активный (использует собственный радар для освещения цели ),
- пассивный (обнаруживает радиолокационные излучения цели),
- полуактивное радиолокационное самонаведение ,
- 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 двигателей цели (отсюда и термин «ракета с тепловым наведением»).
- Ультрафиолетовая система самонаведения, используемая в FIM-92 Stinger , более устойчива к средствам противодействия, чем ИК-система самонаведения.
- Лазерное наведение : лазерный целеуказатель рассчитывает относительное положение выделенной цели. Большинство из них знакомы с военным применением технологии бомбы с лазерным наведением . Экипаж космического челнока использует портативное устройство для подачи информации при планировании встречи. Основное ограничение этого устройства заключается в том, что оно требует прямой видимости между целью и целеуказателем.
- Сопоставление контуров местности ( TERCOM ). Использует радар сканирования земли для «сопоставления» топографии с данными цифровой карты и определения текущего положения. Используется крылатыми ракетами, такими как Томагавк (семейство ракет) .

См. также

Ссылки

^ Гревал, Мохиндер С.; Вейл, Лоуренс Р.; Эндрюс, Ангус П. (2007). Системы глобального позиционирования, инерциальная навигация и интеграция (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси, США: Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., с. 21 . ISBN 978-0-470-04190-1 .
^ Фаррелл, Джей А. (2008). Вспомогательная навигация: GPS с высокоскоростными датчиками . США: Компании McGraw-Hill. стр. 5 и след. ISBN 978-0-07-164266-8 .
^ 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.
^ НАСА.gov
^ НАСА.gov
^ https://www.gps.gov/systems/gps/space/

Внешние ссылки

[1] Гревал, Мохиндер С.; Вейл, Лоуренс Р.; Эндрюс, Ангус П. (2007). Системы глобального позиционирования, инерциальная навигация и интеграция (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси, США: Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., с. 21 . ISBN 978-0-470-04190-1 .

[2] Фаррелл, Джей А. (2008). Вспомогательная навигация: GPS с высокоскоростными датчиками . США: Компании McGraw-Hill. стр. 5 и след. ISBN 978-0-07-164266-8 .

[3] 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.

[4] НАСА.gov

[5] НАСА.gov

[6] ttps://www.gps.gov/systems/gps/space/

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]